基于區(qū)域電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)調(diào)控一體化方案的同一斷面穩(wěn)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

張道杰

(許繼集團(tuán)有限公司，河南省許昌市461000)

0 引言

目前智能變電站建設(shè)主要停留在對IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)工程建設(shè)規(guī)范細(xì)節(jié)的驗(yàn)證、實(shí)現(xiàn)階段，變電站保護(hù)及自動(dòng)化的功能實(shí)現(xiàn)無論是在原理上，還是在技術(shù)體系上都沿襲了傳統(tǒng)綜自系統(tǒng)的構(gòu)成，智能變電站的優(yōu)勢未得到充分體現(xiàn);可再生能源的加入，使一些傳統(tǒng)綜自系統(tǒng)的遺留問題更顯突出，如后備保護(hù)整定值無法適應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化，大量的后備保護(hù)之間整定配合困難，整定時(shí)間過長;變電站內(nèi)缺乏一個(gè)統(tǒng)一的全景信息整合及與外部系統(tǒng)進(jìn)行信息互聯(lián)的技術(shù)手段。保護(hù)的故障檢測技術(shù)有限，故障判斷和定位還未能做到及時(shí)、準(zhǔn)確的要求［1-4］。

國產(chǎn)能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)總體已達(dá)到國際先進(jìn)水平，為電網(wǎng)運(yùn)行控制提供了堅(jiān)強(qiáng)的技術(shù)支撐。廣域相量測量系統(tǒng)(wide area measurement system，WAMS)得到了成功應(yīng)用，提高了電網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)視和事故分析的水平。但是，在穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控中也存在以下不足:

(1)在調(diào)度形成的斷面中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和同步性較低，無法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一斷面的電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)潮流監(jiān)視。

(2)受制于信息傳輸容量及電源管理單元(power management unit，PMU)造價(jià)等因素，間隔PMU為WAMS主站提供的同步實(shí)時(shí)量測信息非常有限，其他大量的測量信息仍然需要通過狀態(tài)估計(jì)進(jìn)行計(jì)算獲得，這不但降低了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析的實(shí)時(shí)性，也影響了系統(tǒng)分析決策的準(zhǔn)確性

本文針對以上問題，將介紹新的調(diào)控一體化方案;分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)對象的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)，利用這種數(shù)據(jù)組織形式，在新技術(shù)的平臺(tái)上能簡化區(qū)域電網(wǎng)同一斷面穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控的復(fù)雜度，對斷面潮流監(jiān)視流程進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對線路和斷面運(yùn)行狀況的在線監(jiān)測、潮流超限斷面報(bào)警和超限記錄統(tǒng)計(jì)分析等功能，實(shí)現(xiàn)同一斷面的實(shí)時(shí)分析。

1 調(diào)控一體化方案簡介

基于網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的調(diào)控一體化系統(tǒng)，采用高速分組傳送網(wǎng)絡(luò)(packet transport network，PTN)通信傳輸和同步對時(shí)國際標(biāo)準(zhǔn)，變電站內(nèi)取消間隔層和站控層，過程層信息通過通信網(wǎng)絡(luò)上傳至調(diào)度設(shè)備層，將調(diào)度范圍內(nèi)的保護(hù)控制功能集中實(shí)現(xiàn)，同時(shí)形成統(tǒng)一的斷面實(shí)時(shí)全景信息平臺(tái)，為調(diào)控一體化和智能調(diào)度提供技術(shù)支撐。

系統(tǒng)分3層結(jié)構(gòu)，各層結(jié)構(gòu)由2層網(wǎng)絡(luò)連接?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

過程層設(shè)備主要完成網(wǎng)絡(luò)保護(hù)、調(diào)控、計(jì)量等功能的全景實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集及上送，同時(shí)接收保護(hù)調(diào)控中心設(shè)備層下發(fā)的控制命令并完成執(zhí)行。變電站內(nèi)按間隔配置綜合智能設(shè)備，完成合并單元、智能終端、測量、計(jì)量、就地保護(hù)、PMU等多種功能。過程層網(wǎng)絡(luò)采用專用PTN通信網(wǎng)，站內(nèi)各間隔的綜合智能設(shè)備通過光纖連接至PTN設(shè)備;PTN設(shè)備通過光纖連接至高速PTN網(wǎng)。

設(shè)備層按區(qū)域劃分后配置相應(yīng)的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)保護(hù)。將區(qū)域電網(wǎng)整體視為保護(hù)對象，利用區(qū)域電網(wǎng)信息構(gòu)成區(qū)域網(wǎng)絡(luò)保護(hù)。設(shè)備層配置數(shù)據(jù)通信前置機(jī)，接收區(qū)域電網(wǎng)的實(shí)時(shí)調(diào)控?cái)?shù)據(jù)，優(yōu)化處理后送至智能調(diào)度系統(tǒng)。

圖1 一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of integration system

調(diào)控層將區(qū)域電網(wǎng)整體視為監(jiān)控對象，利用設(shè)備層信息完成區(qū)域電網(wǎng)的監(jiān)視和控制功能。在區(qū)域保護(hù)、控制、調(diào)度中心實(shí)現(xiàn)區(qū)域各變電站一次設(shè)備及設(shè)備層狀態(tài)的可視化監(jiān)視、變電站在線操作、區(qū)域電源備投、區(qū)域無功控制等功能。利用實(shí)時(shí)的區(qū)域電網(wǎng)全景數(shù)據(jù)，完成區(qū)域電網(wǎng)的智能調(diào)控功能。基于實(shí)時(shí)同一斷面數(shù)據(jù)的電網(wǎng)安全穩(wěn)態(tài)分析、評估及控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的調(diào)控一體化，使系統(tǒng)分析、預(yù)警、控制具備實(shí)時(shí)性，可實(shí)現(xiàn)調(diào)度策略的實(shí)時(shí)在線調(diào)控、智能調(diào)度。

2 全景信息平臺(tái)的建設(shè)

2.1 全景數(shù)據(jù)平臺(tái)及其特點(diǎn)

基于分布式原理設(shè)計(jì)，遵循國際開放式標(biāo)準(zhǔn)IEC 61850和IEC 61970，統(tǒng)一建模、統(tǒng)一源端維護(hù)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口［5-8］，如圖2所示。體系結(jié)構(gòu)面向網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用軟件的開發(fā)面向應(yīng)用數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)面向電力系統(tǒng)對象。整個(gè)系統(tǒng)建立在統(tǒng)一的系統(tǒng)支持平臺(tái)上，能夠保證數(shù)據(jù)庫的分布性和一致性。關(guān)鍵應(yīng)用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，常駐內(nèi)存于有關(guān)節(jié)點(diǎn)，保證了數(shù)據(jù)庫訪問的快速性，歷史數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在序列數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)模型儲(chǔ)存在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。設(shè)備層保護(hù)服務(wù)器按區(qū)域分組，每臺(tái)服務(wù)器對應(yīng)1個(gè)本區(qū)域?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫，對每個(gè)實(shí)時(shí)庫的訪問通過對應(yīng)的實(shí)時(shí)庫代理服務(wù)，如同就地訪問一樣快捷方便。所有的設(shè)備處于1個(gè)目錄服務(wù)管理之中，對于不同分區(qū)設(shè)備對象的訪問，可以先訪問目錄服務(wù)，找到對應(yīng)的區(qū)域、實(shí)時(shí)庫。

目前在國內(nèi)調(diào)度系統(tǒng)的SCADA/EMS系統(tǒng)中，通常采用ORACLE的關(guān)系數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)電網(wǎng)模型及歷史數(shù)據(jù)。但隨著PMU數(shù)據(jù)的接入，采用ORACLE的關(guān)系數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)電網(wǎng)海量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)已不能滿足存儲(chǔ)及實(shí)時(shí)讀取的要求［9］，需要時(shí)序數(shù)據(jù)庫。

時(shí)序數(shù)據(jù)庫雖然提供了歷史數(shù)據(jù)的高速緩沖區(qū)，但本質(zhì)上是一種純文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)方式。Mysql、ORACLE這些商用數(shù)據(jù)庫在存儲(chǔ)、查詢、分布式訪問、管理上均好于純文件系統(tǒng)。另一方面，時(shí)序數(shù)據(jù)庫主要面向數(shù)據(jù)，點(diǎn)與點(diǎn)之間沒有關(guān)系，對電網(wǎng)模型和結(jié)構(gòu)的描述支持很弱，而Mysql、ORACLE數(shù)據(jù)庫用于描述電網(wǎng)模型等方面的技術(shù)非常成熟。

2.2 系統(tǒng)層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前數(shù)據(jù)平臺(tái)比較流行的運(yùn)行方式為采用一種層次+關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述，按照電力系統(tǒng)設(shè)備區(qū)域劃分為設(shè)備、間隔、廠站3個(gè)層次，這種表達(dá)方法清晰、直觀，符合電力系統(tǒng)特點(diǎn)，但是隨著智能分析、智能告警等電力系統(tǒng)高級應(yīng)用軟件(power application software，PAS)系統(tǒng)的深入發(fā)展和對數(shù)據(jù)的深入挖掘，出現(xiàn)了更多跨設(shè)備跨區(qū)域的虛設(shè)備，對具有相似特性的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，組成新的復(fù)雜層次來管理。本文的數(shù)據(jù)平臺(tái)運(yùn)行方式采用一種容器類+對象類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述，比前者具有更易操作的優(yōu)點(diǎn)?；贗EC 61850標(biāo)準(zhǔn)，從全局的視點(diǎn)出發(fā)，給出變電站物理設(shè)備、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)對象的信息模型，采用基本對象類或者設(shè)備對象類與之對應(yīng);對于變電系統(tǒng)的間隔、區(qū)域、廠站對象則采用容器類與之對應(yīng)，容器通過包含功能可以形成較深層次。系統(tǒng)中各種實(shí)際測量值的傳輸采集遵循IEC 61850協(xié)議，以過程層的設(shè)備對象為基本單位進(jìn)行管理，用容器類對所有設(shè)備重新分組檢索管理。

基本對象類包括遙測類、遙信類、遙控類、遙脈類、基本數(shù)據(jù)字符類。

圖2 數(shù)據(jù)平臺(tái)的組織結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of data platform

設(shè)備對象類包含各種基本對象類。

容器類包括設(shè)備對象類、容器類(可分層次)、層次標(biāo)識(基本數(shù)據(jù)字符)，屬于虛設(shè)備類。

3 統(tǒng)一斷面穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控

現(xiàn)行變電站監(jiān)控系統(tǒng)為調(diào)控一體化系統(tǒng)提供的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性指標(biāo)一般為3～5 s，且不帶同步時(shí)間標(biāo)簽，由此導(dǎo)致調(diào)度穩(wěn)態(tài)潮流實(shí)時(shí)監(jiān)視信息不在同一斷面，無法保證斷面負(fù)荷平衡，現(xiàn)行的電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)潮流監(jiān)視、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、負(fù)荷預(yù)測等應(yīng)用的精確性都受到一定的影響。

基于網(wǎng)絡(luò)保護(hù)下的調(diào)控一體化系統(tǒng)，由變電站過程層綜合智能設(shè)備通過高速PTN網(wǎng)絡(luò)直接將穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)控中心，實(shí)時(shí)性指標(biāo)可達(dá)到ms級，且?guī)в腥W(wǎng)同步時(shí)間標(biāo)簽;信息的完整性、實(shí)時(shí)性和同步性得到了保證。由于實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)和暫態(tài)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、存儲(chǔ)和管理，在全景數(shù)據(jù)平臺(tái)的支撐下，可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)監(jiān)視、控制，電網(wǎng)暫態(tài)過程分析等自動(dòng)化功能的一體化，實(shí)現(xiàn)調(diào)度自動(dòng)化二次系統(tǒng)信息的整合。

3.1 輸電斷面的確定

在實(shí)際電力運(yùn)行中，輸電斷面一般由調(diào)度員根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)選定，也有專家系統(tǒng)軟件幫助確定局域電網(wǎng)的多個(gè)輸電斷面，可以互相參照。在實(shí)時(shí)狀況下，由于系統(tǒng)狀態(tài)不斷變化，過載線路位置各有不同，相關(guān)輸電斷面的組成也在不斷變化。因此，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)事先選定的方法難以滿足在線實(shí)時(shí)控制的要求。現(xiàn)在對在線搜尋輸電斷面的研究較多，由動(dòng)態(tài)方法得到的輸電斷面往往需要進(jìn)一步甄別關(guān)鍵斷面，這種輸電斷面也常常發(fā)生變化。因此應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)視人工確定的關(guān)鍵斷面，自動(dòng)檢測到的斷面只作為輔助監(jiān)視使用［10］。

3.2 輸電斷面的監(jiān)視

輸電斷面由一些相關(guān)元素組成，包括相關(guān)的一組節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)之間的連線、連線兩端的遙測量以及由此得到潮流值;還包括各種輸電斷面的幾種主要運(yùn)行方式，每種運(yùn)行方式斷面中每條線路的運(yùn)行狀態(tài)、斷面所屬電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)方式、穩(wěn)措方式、其他約束條件以及該運(yùn)行方式對應(yīng)的斷面潮流極限值等信息［11］。

輸電斷面的監(jiān)視主要對相關(guān)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)、各條線路的檢測值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視;在潮流計(jì)算時(shí)已經(jīng)得到相關(guān)的臨界閥值，當(dāng)檢測值發(fā)生變化或者異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給出各種告警，并根據(jù)參數(shù)配置、方案設(shè)置，對斷面做出綜合判斷，提出恰當(dāng)?shù)膱?zhí)行方案供調(diào)度人員參考。

3.3 輸電斷面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

穩(wěn)定斷面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)已有較多的研究，本文采用方式定義，對斷面監(jiān)視、線路斷面限額等給予類和容器描述，為穩(wěn)態(tài)監(jiān)視算法設(shè)計(jì)提供操作數(shù)據(jù)，簡化算法設(shè)計(jì)、優(yōu)化程序運(yùn)行。

根據(jù)設(shè)備對象的定義，斷面、線路并不是實(shí)際設(shè)備對象，可稱之為虛設(shè)備，其包含的測點(diǎn)實(shí)際上是設(shè)備對象的一些測點(diǎn)。虛設(shè)備測點(diǎn)的值通過全景數(shù)據(jù)平臺(tái)接口直接引用相關(guān)設(shè)備測點(diǎn)的值，如圖3所示。

圖3 斷面類型Fig.3 Section type

斷面檢測建立在運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上，不同的輸送電方案連接點(diǎn)和連接線路可能不同，在不同的方案下，連接點(diǎn)和線路的約束條件有可能不一致，當(dāng)潮流計(jì)算結(jié)果超過限額時(shí)就應(yīng)告警或提醒人員采取措施。

4 斷面監(jiān)控服務(wù)主程序

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow chart

斷面檢測服務(wù)程序框架如圖4所示，斷面拓?fù)浞治鐾ǔ８鶕?jù)區(qū)域設(shè)備拓?fù)溥B接方式對斷面關(guān)注的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行分析，確定斷面運(yùn)行方式，讀入方式運(yùn)行的配置參數(shù)，一般為自動(dòng)讀入，在特殊情況下也可以在線修改手動(dòng)輸入的參數(shù)，由于方式參數(shù)儲(chǔ)存在實(shí)時(shí)庫中，執(zhí)行效率高。拓?fù)浞治鍪瞧脚_(tái)的基本功能，對方式配置進(jìn)行準(zhǔn)確的體現(xiàn)，并通過可視化展示，斷面方式給予直觀監(jiān)控。本服務(wù)建立在基于全景數(shù)據(jù)的調(diào)控一體化監(jiān)控平臺(tái)上，全局統(tǒng)一對時(shí)，大容量傳輸信道，過程層上送帶時(shí)標(biāo)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)覆蓋了各種需要，穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)控計(jì)算［12］所需要的數(shù)據(jù)幾乎可以看作是同一時(shí)刻上傳;計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確及時(shí)，通過平臺(tái)豐富的展示手段，如實(shí)時(shí)瀏覽、實(shí)時(shí)曲線、方差曲線檢測，甚至能預(yù)見各種數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢，對調(diào)控操作具有很強(qiáng)的指導(dǎo)性。由于平臺(tái)已具有對各種事件、告警、操作等準(zhǔn)確記錄功能，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)庫，能對穩(wěn)態(tài)事件發(fā)展做到準(zhǔn)確回溯。

5 工程應(yīng)用

基于全景信息平臺(tái)的調(diào)控一體化系統(tǒng)，是一種全新的架構(gòu)模式，保護(hù)模式、調(diào)度、自動(dòng)化監(jiān)視等方面都發(fā)生了較大變化，本文只關(guān)注了電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)監(jiān)控。前期只在東北某地區(qū)220 kV七臺(tái)河變電站為中心投入了一體化監(jiān)控系統(tǒng)，從2011年11月投運(yùn)以來，試運(yùn)行效果比較滿意。在以下幾方面產(chǎn)生了突出作用:(1)因?yàn)樵摰貐^(qū)地處我國北部地區(qū)，冬季易發(fā)大雪，今年2月份氣候潮濕、線路覆冰嚴(yán)重，線路監(jiān)視功能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)，經(jīng)巡視工作人員及時(shí)查驗(yàn)，避免了不可預(yù)估的事故發(fā)生;(2)本系統(tǒng)的電網(wǎng)斷面在線監(jiān)測功能也得到了檢驗(yàn)，在迎峰度夏檢修中，暫停某線路運(yùn)行，系統(tǒng)根據(jù)開關(guān)節(jié)點(diǎn)拓?fù)潢P(guān)系，自動(dòng)切換運(yùn)行方式，并及時(shí)發(fā)出語音警告，同時(shí)推出監(jiān)視圖形進(jìn)行提示;(3)檢修結(jié)束后，根據(jù)系統(tǒng)的日志記錄功能對斷面潮流超限起止時(shí)間、最大超限潮流值、解決措施等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并生成日報(bào)表，便于調(diào)度人員對斷面運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，同時(shí)也可為將來的電網(wǎng)規(guī)劃提供參考。

6 結(jié)論

(1)本文介紹了調(diào)控一體化方案，對新的一體化監(jiān)控結(jié)構(gòu)作了說明，并對相關(guān)技術(shù)設(shè)備的變革進(jìn)行了介紹。

(2)構(gòu)造了一種分布式全景數(shù)據(jù)平臺(tái)，對跨區(qū)域，多個(gè)分布式實(shí)時(shí)庫、商業(yè)數(shù)據(jù)庫、序列數(shù)據(jù)的管理使用提出了解決方案。利用注冊目錄服務(wù)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，構(gòu)建全局?jǐn)?shù)據(jù)模型，為調(diào)控一體化提供了支持。

(3)在調(diào)控一體化監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用全景數(shù)據(jù)平臺(tái)，為同一斷面穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)提出1組新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。利用斷面監(jiān)視流程重新設(shè)計(jì)，去掉狀態(tài)估計(jì)，簡化系統(tǒng)處理的復(fù)雜度層，提高了計(jì)算結(jié)果精度。

(4)本文只對斷面監(jiān)視進(jìn)行了研究，調(diào)控以及各種實(shí)時(shí)極限運(yùn)算應(yīng)用將是下一步研究的重點(diǎn)。

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