配電網信息一體化平臺建設初探

徐曉路，陳 清，胡建平

（紹興電力局，浙江 紹興 312000）

隨著計算機技術、控制技術、信息及通信技術的發(fā)展，配電網自動化的深度和廣度都將得到進一步擴展。全國大電網互聯(lián)和電力市場化改革的不斷深入也對配電自動化提出了新的要求，信息數字化、規(guī)范化和一體化將是未來配電自動化系統(tǒng)發(fā)展的關鍵[1-2]。在現有應用功能中，由于時標不統(tǒng)一造成的故障、自動化隔離重構后時序混亂、電網計算誤差放大等問題引起了生產部門的重視。本文以紹興電力局配電網自動化工程為例，圍繞信息一體化這一目標，從分層分控結構的組成入手，就如何實現環(huán)境信息監(jiān)控及三遙信息監(jiān)控一體化、全網基于GPS實現時標一體化的問題進行分析。以各系統(tǒng)之間的一體化水平為切入點，實現各系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通、信息數據共享，不但可以提高信息數據可靠性，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，還可減少維護人員的工作量。

1 配電網自動化信息系統(tǒng)現狀分析

紹興電力局配電網自動化系統(tǒng)按照設計起點高、技術應用先進的原則進行規(guī)劃，設計目標是采用國內先進的設備，結合本單位計算機技術和網絡技術的優(yōu)勢，建立國內一流、國際先進的配電網自動化系統(tǒng)。根據設計方案，紹興城區(qū)的配電自動化系統(tǒng)是一個分層控制系統(tǒng)，設一個控制中心，即配電網自動化主站，同時按照“結構分層、功能分級、布置就近、信息集中、控制可靠”的原則[3]，根據電網的實際情況，在外圍設置9個配電網自動化分站。各分站行使本地線路設備監(jiān)控功能，實現“三遙”數據的采集/轉發(fā)、故障隔離和網絡重構。城區(qū)采用主站控制方式，郊區(qū)采用獨立控制方式，結合部采用兩種方式并存并逐步向主站控制方式轉換，設備預留“三遙”接口，可實現“就地/遠方”控制的靈活轉換，為最終實現有信道方式作準備。整個系統(tǒng)是一個在主站集中監(jiān)控下的分層次監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)的故障檢測、定位、隔離與恢復控制分為3個層次，一是以配電終端FTU為基礎的故障檢測（或當地控制）和以開關站RTU為單元的當地控制，二是以配電網自動化分站為輻射中心的低層區(qū)域控制，三是以主站為管理中心的高層全局控制。

設備選用方面，城區(qū)采用負荷開關（斷路器）+FTU+通信設備，其他區(qū)域采用斷路器+FTU（預留通信接口）方式。

至2009年12月底，紹興城區(qū)所有187座開關站全部實現了自動化。通信方式為：城區(qū)原則上采用光纜通信，聯(lián)接方式為雙環(huán)自愈式。已建成19個光纖環(huán)網，安裝了約160個光調制解調器，并預留了與其他通信方式結合的接口。

2 系統(tǒng)分析及存在的問題

紹興城區(qū)的配電網自動化系統(tǒng)是一個分層控制系統(tǒng)，以調度主站為中心，根據電網的實際特點與需求，在外圍設置9個配電網自動化分站。在底層開關站同時投運環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，所有相關數據通過GPRS無線通信方式直接上傳調度環(huán)境監(jiān)控主站和設備班組監(jiān)控前置機。由此可以看出，由于歷史原因，在開關站中普遍存在既有光纖通信方式（自動化通信），又有GPRS通信方式（環(huán)境監(jiān)控），或者自動化通信和環(huán)境監(jiān)控全部采用GPRS通信方式，在一定程度上造成通信信道的浪費。

從系統(tǒng)底層和中間層角度看，考慮到實際運行中人力不足等客觀原因，開關站故障隔離采用就地隔離方式，同時將相關信息上報主站。經過一段時間的運行，系統(tǒng)同步性問題逐漸顯露出來。由于目前系統(tǒng)對時采用分站接收GPS衛(wèi)星時間，然后對所有光纖通信設備進行廣播對時，未

實現光纖通信的終端由主站接收GPS衛(wèi)星時間通過DNP通信規(guī)約經GPRS通信對時。一般情況下，只要各通信系統(tǒng)正常工作，信息傳輸應該沒有問題，但仍然存在信息的同步性問題。實際應用中，由于GPRS無線通信受各種環(huán)境因素的影響很大，而光纖通信受線路施工、接口松動、衛(wèi)星失步等因素影響，都會發(fā)生時標丟失的情況[4-5]。而配電網的特點是點多面廣，此類缺陷又非重大缺陷，因此很難被發(fā)現。而且因間隔一段時間就要對時一次，只要不良因素消失，經過一段時間后就能恢復正確時間[6]。但如果在時間丟失時段內發(fā)生故障，由于時間不正常，就會極大地影響故障原因查找和自動化動作情況分析，給相關工作帶來不良影響。此類情況僅在2009年上半年就發(fā)生了2次，使自動化工作人員很被動。

3 配電網信息一體化平臺的基本框架

3.1 系統(tǒng)基本框架

紹興電力局配電自動化系統(tǒng)基本框架如圖1所示。

在開關站內部，原有的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)通過現場總線系統(tǒng)經過分時復用模塊接入光纖調制解調器，實現與主站的通信。

在城市中心區(qū)域采用光纖通信，市區(qū)及郊區(qū)考慮光纖通信和無線電或其他通信方式。

3.2 統(tǒng)一時標系統(tǒng)

從現有的紹興配電網自動化系統(tǒng)來看，系統(tǒng)時標嚴格意義上并未實現統(tǒng)一。在主站設置了GPS天文時鐘，實現了對所有主站設備的統(tǒng)一對時。在中間層的各分站也安裝了GPS天文時鐘，實現了對分站自身設備的對時。而對分站管轄的開關站終端設備，則通過分站與終端設備之間的廣播對時協(xié)議實現統(tǒng)一對時[7]。至于分站接入的變電所信息，由于變電所信息傳輸到分站時本身自帶時標信息，且該時標信息也同樣來自GPS天文時鐘，因此一般情況下分站對變電所信息不再執(zhí)行附加時標操作，而是直接轉發(fā)主站。在正常情況下，不會產生系統(tǒng)數據時標混亂的現象，因此在進行電網計算、故障模擬等操作時的結果是可信的。但是當配電網出現某些特殊狀況，尤其是配電網通信條件惡劣時，將導致各設備之間的對時混亂[8]。由于主站對數據進行計算處理時都要先去掉原有時標，再附加主站時標，因此會造成電網計算結果有誤，甚至不收斂的情況[9]。在對電網故障動作進行分析時，也會發(fā)生實際動作在后而主站顯示在前的時序錯亂，給故障分析及確定電網運行方式等工作造成嚴重困擾[10]。

經綜合考慮，認為可以將現有的GPS對時功能下放到開關站終端層，分站不再進行廣播對時。在所有開關站安裝GPS對時設備，對開關站RTU實施不間斷對時。分站接收到的開關站終端設備信息和變電所配電網信息都帶有GPS時標，因此無需處理就可以直接轉發(fā)主站，而主站的時標同樣來自GPS天文時鐘，也可以確保全網所有數據的時標完全統(tǒng)一，避免了由于通信故障等原因造成的時標混亂現象，從而最終實現全網時標的一體化。

4 配電網信息一體化平臺的方案設計

4.1 基本設計思路

在開關站終端，由于目前安裝的開關站RTU系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)已基本滿足所需的各項自動化監(jiān)控功能需求，因此主要的改造工作是將兩套系統(tǒng)的通信及時標一體化。

4.2 通信一體化

由于目前大多數開關站具有光纖通信和GPRS無線通信兩種方式，自動化監(jiān)控信息和環(huán)境監(jiān)控信息各走其道，既浪費通信資源，也造成維護工作量增加?？紤]到光纖通信條件要遠遠好于GPRS無線通信方式，因此確定統(tǒng)一采用光纖一體化通信方式。

開關站環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)現有結構如圖2所示。從圖2可看出，各類環(huán)境監(jiān)控信息經通信單元接入GPRS通信模塊上送主站。由于所有信息已經過通信單元處理，GPRS模塊的工作只是將收到的信息通過無線網絡發(fā)送出去，因此可以直接將通信單元與開關站自動化監(jiān)控系統(tǒng)中的光纖調制解調器相連，通過光纖通信上送分站，而分站只需在原有信息表上增加開關站環(huán)境監(jiān)控信息表即可實現正常通信。

4.3 時標一體化

目前開關站時標采用分站發(fā)廣播對時方式，各開關站RTU總控單元收到對時信號后進行對時，然后再對站內各分RTU進行廣播對時。因此，設想將對時環(huán)節(jié)建在終端層面，在各開關站安裝GPS天文時鐘，對時信號直接接入開關站RTU單元進行對時。系統(tǒng)框圖見圖3。

通過這種直接對時方式，不論各層各級之間通信狀況好壞，能始終確保時間的唯一性，從而實現網內全部開關站RTU單元的時標統(tǒng)一[11-13]。

5 結語

圖1 配電網信息一體化系統(tǒng)基本框架

圖2 開關站環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)現有結構圖

圖3 開關站GPS對時示意圖

通過對紹興配電網自動化系統(tǒng)的深入分析，指出時標不統(tǒng)一、通信信道資源浪費是存在的主要問題。解決方案是構建環(huán)境信息監(jiān)控及三遙信息監(jiān)控一體化平臺，在終端層面實現開閉所環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)與自動化監(jiān)控系統(tǒng)信息傳輸的一體化，降低通信信道需求，實現終端設備的統(tǒng)一對時，以確保全網時標一體化的實現。

下一步改造思路是在現有應用功能基礎上，利用統(tǒng)一參數、統(tǒng)一標準、統(tǒng)一平臺設計，實現各應用系統(tǒng)圖模庫一體化和數據的整合及資源的共享。同時采用標準的通信協(xié)議，方便各級、各部門之間數據信息互連，實現市局區(qū)調與縣局配調、生產營銷與配電網調度、調度主站與廠站終端之間的數據互連、資源共享。

[1]韓禎祥.電力系統(tǒng)分析[M].杭州：浙江大學出版社，1993.

[2]賀仁睦.電網動態(tài)實時監(jiān)控及管理系統(tǒng)的構想[J].電力系統(tǒng)及其自動化，2002，26（5）∶1-4.

[3]陳堂，趙祖康.配電系統(tǒng)及其自動化技術[M].北京：中國電力出版社，2003.

[4]苗世洪，王少榮，劉沛，等.基于GPS的電網狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現[J].電力系統(tǒng)自動化，2000，24（12）∶52-54.

[5]郭強，夏邁止.GPS同步時鐘用于電力系統(tǒng)非線性勵磁控制[J].電力系統(tǒng)自動化，1997，21（9）∶20-23.

[6]龍厚軍，胡志堅，陳允平.基于GPS的功角測量及同步相量在電力系統(tǒng)中的應用研究[J].繼電器，2004，32（3）∶39-44.

[7]姜延剛，高厚磊.適合廣域測量系統(tǒng)的通信網探討[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報，2004，16（3）∶57-60.

[8]吳在軍，胡敏強.嵌入式以太網在變電站通信系統(tǒng)中的應用[J].電網技術，27（1）∶71-75.

[9]黃文君，馮衛(wèi)標.實時控制系統(tǒng)網絡設計[J].機電工程，2000，17（3）∶77-80.

[10]任雁銘，操豐梅.基于嵌入式以太網的變電站自動化系統(tǒng)通信網絡[J].電力系統(tǒng)及其自動化，25（17）∶36-38.

[11]胡廣書.數字信號處理——理論、算法與實現[M].北京∶清華大學出版社，1997.

[12]江道灼，孫偉華，陳素素.電網相量實時同步測量的一種新方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2003，27（15）∶40-44.

[13]張雄偉.DSP芯片的原理與開發(fā)應用（第3版）[M].北京∶電子工業(yè)出版社，1995.