智能電網(wǎng)模式下的電氣二次弱電控制發(fā)展趨勢(shì)研究

郭琪 羅靜宏

摘 要：本文認(rèn)為，智能電網(wǎng)模式下，電氣二次弱電控制應(yīng)該獲得更多的人工智能和自主控制權(quán)。值班人員對(duì)于電網(wǎng)的管理，從倒閘操作會(huì)逐漸變?yōu)闋顟B(tài)管理，電力運(yùn)行人員的體力勞動(dòng)和操作風(fēng)險(xiǎn)會(huì)大幅度降低。在智能化系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方面，同之前的二次系統(tǒng)一樣，智能化二次控制系統(tǒng)，也會(huì)在近期制定出相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，使得智能化二次控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的統(tǒng)一化和規(guī)范化。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；電氣二次；發(fā)展趨勢(shì)

引 言

智能電網(wǎng)的最終目的之一，就是保證電網(wǎng)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)均可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)交換，且可以使得每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。在這種電網(wǎng)的部署模式下，在智能電網(wǎng)的架構(gòu)過(guò)程中，最核心的部分是二次弱電控制的方式。二次弱電控制的最基本原理，是通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)或者公共網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，使用5V系統(tǒng)VCC電路通過(guò)晶閘管控制系統(tǒng)中的二次電路。而因?yàn)槎坞娐返碾妷褐底兓^大，這也是變電二次設(shè)備發(fā)展的一個(gè)技改切入點(diǎn)。

1 總程化的控制終端

目前，一臺(tái)PLC可以控制8～32門(mén)繼電器，接受4～16門(mén)輸入信號(hào)。也就是說(shuō)，通過(guò)簡(jiǎn)單的編程，我們可以讓PLC根據(jù)輸入的相關(guān)信號(hào)來(lái)操作8～32們繼電器。但因?yàn)镻LC的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的支持能力較差，內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間也較小，計(jì)算能力也難以適應(yīng)較為復(fù)雜的智能電放分布式計(jì)算任務(wù)。所以，目前開(kāi)關(guān)內(nèi)曾被廣泛用作綜合保護(hù)器的PLC設(shè)備，正在被更先進(jìn)的SEED架構(gòu)或者ARM架構(gòu)的SCM替代。目前的主流SCM，運(yùn)行頻率已經(jīng)達(dá)到了1GHz以上，程序存儲(chǔ)空間可以達(dá)到1GByte以上，甚至高端的SCM設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多核心多線程計(jì)算，配置超過(guò)了21世紀(jì)初的個(gè)人電腦的配置?；谶@些飛速發(fā)展的SCM設(shè)備，電網(wǎng)智能化的集中式控制終端也指日可待。

圖1展示的控制終端雖然只能控制16臺(tái)繼電器，但實(shí)際上ARM11的強(qiáng)大數(shù)據(jù)計(jì)算能力，通過(guò)分時(shí)算法，可以控制至少4294967296路開(kāi)關(guān)，而將這些開(kāi)關(guān)全部拉合或者全部拉斷，只需要4.926s的時(shí)間；通過(guò)同步控制原理，ARM11可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)操作32路開(kāi)關(guān)的拉合或者拉斷。

所以，本文推斷，隨著SCM等工業(yè)控制設(shè)備的發(fā)展，總程化的控制終端的智能化程度會(huì)變的越來(lái)越高。在云計(jì)算技術(shù)的支持下，開(kāi)關(guān)的計(jì)算能力會(huì)得到顯著的提高，運(yùn)算在多核心動(dòng)態(tài)時(shí)分窗口模式下的開(kāi)關(guān)設(shè)備，在不久的將來(lái)會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

2 智能化水平的提高

開(kāi)關(guān)是否能夠被允許智能化的合閘的問(wèn)題，一直是電力行業(yè)討論較為激烈的領(lǐng)域。我們是否應(yīng)該信任智能化設(shè)備的合閘。這種討論，就好像上世紀(jì)人們討論是否應(yīng)該允許電話自動(dòng)接通一樣。事實(shí)上，人類在智能化發(fā)展的進(jìn)程下，已經(jīng)逐漸的向自動(dòng)化設(shè)備妥協(xié)。

從最初的跌落式熔斷器和終端的鉛絲熔斷器，到后來(lái)的電磁式繼電保護(hù)，再到后來(lái)的綜合保護(hù)系統(tǒng)以及智能化五防系統(tǒng)，最后到目前我們?cè)试S開(kāi)關(guān)設(shè)備根據(jù)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作，這充分代表了智能化設(shè)備的可靠性已經(jīng)被我們逐漸接受和認(rèn)可。事實(shí)上，我們通過(guò)之前的嘗試可以看出，智能化設(shè)備對(duì)于電路保護(hù)的可靠性和響應(yīng)速度，遠(yuǎn)超過(guò)人工操作。

美國(guó)能源部《Grid2030》：一個(gè)完全自動(dòng)化的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)，能夠監(jiān)視和控制每個(gè)用戶和電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，保證從電廠到終端用戶整個(gè)輸配電過(guò)程中所有節(jié)點(diǎn)之間的信息和電能的雙向流動(dòng)。其中，這個(gè)完全自動(dòng)化的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)的要求，應(yīng)該是包括電網(wǎng)自動(dòng)進(jìn)行負(fù)載均衡和電力調(diào)度。電力調(diào)度人員和值班人員，從介入電網(wǎng)的運(yùn)行，到智能電網(wǎng)建成以后完全處于一個(gè)側(cè)面管理的地位，應(yīng)該是科技發(fā)展的必然。

3 智能電網(wǎng)對(duì)于二次弱電控制的要求

3.1 全面的數(shù)據(jù)采集

二次弱電控制系統(tǒng)如果要實(shí)現(xiàn)智能化，就需要將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)布置到整個(gè)電力一次系統(tǒng)乃至重要的二次系統(tǒng)中，通過(guò)這些人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，海量的數(shù)據(jù)可以被采集和匯總，最終在硬件上形成一個(gè)規(guī)?；植蓟臄?shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)，在邏輯上形成電力系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)集。這個(gè)大數(shù)據(jù)集甚至可以與國(guó)家正在建設(shè)的其他大數(shù)據(jù)集實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，形成真正的智能城市的大數(shù)據(jù)。

3.2 安全的動(dòng)作執(zhí)行

在收集了海量的數(shù)據(jù)的同時(shí)，我們應(yīng)該保證的是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)過(guò)來(lái)的調(diào)度指令，可以直接被開(kāi)關(guān)執(zhí)行，且絕不可以發(fā)生任何形式的誤動(dòng)。動(dòng)作執(zhí)行的安全原則，與任何網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全原則是一致的，都包括“完整性、可靠性、可用性”三個(gè)方面。

（1）完整性

網(wǎng)絡(luò)指令能否將指令完整的傳輸?shù)娇刂平K端，是決定指令安全性的最基本要素。如果不完整的指令被控制終端誤讀，就可能發(fā)生較為嚴(yán)重的誤動(dòng)。所以，我們?cè)谶M(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，不會(huì)使用單個(gè)字節(jié)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，而是采用冗余較大的字節(jié)數(shù)。一般情況下目前我們會(huì)采用4字節(jié)數(shù)據(jù)來(lái)表示開(kāi)關(guān)的動(dòng)作指令，這種模式下，因?yàn)樵诔^(guò)40億種可能性里，只有不超過(guò)8個(gè)有效代碼，所以，任何的傳輸誤碼命中有效代碼的可能性都幾乎為零。加上鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的校驗(yàn)保護(hù)，我們可以基本保證數(shù)據(jù)的完整性。

（2）私密性

目前，我們的電網(wǎng)數(shù)據(jù)借用了大部分GSM及PSTN，所以，其私密性也是亟待解決的。電網(wǎng)數(shù)據(jù)屬于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如果被不法分子竊取，會(huì)給國(guó)家安全帶來(lái)威脅。而目前來(lái)說(shuō)，國(guó)家電網(wǎng)智能數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶＞W(wǎng)建設(shè)，有兩個(gè)研發(fā)方向。其一是使用光纖專網(wǎng)，沿著塔架底部挖槽鋪設(shè)。其二是使用電力載波傳輸。而目前的研究方向來(lái)說(shuō)，在高壓線路上的電力載波傳輸?shù)倪M(jìn)度明顯高于使用光纖專線的研究進(jìn)度。未來(lái)的輸電變電站之間的數(shù)據(jù)交換，很有可能是通過(guò)高壓電電力載波進(jìn)行的。

（3）可用性

數(shù)據(jù)的可用性是指?jìng)鬏數(shù)娇刂平K端的數(shù)據(jù)，應(yīng)該可以被控制終端讀取。這主要是要求電信號(hào)的電壓和波形必須符合要求，激光數(shù)據(jù)的頻率和功率必須達(dá)標(biāo)。

3.3 強(qiáng)大的云計(jì)算能力

智能化的控制終端的精準(zhǔn)可靠的控制，必須依賴一個(gè)強(qiáng)大的云端支持，這個(gè)云端支持，目前也是面向兩個(gè)研究方向：①通過(guò)較為集中的大型處理機(jī)和相對(duì)集中的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，將指令計(jì)算完成后發(fā)送給處理終端；②允許處理終端依照既定的程序向著云端索取數(shù)據(jù)和指令，且比較依賴于通過(guò)自身的計(jì)算來(lái)獲得操作的策略。不管是那種實(shí)現(xiàn)方式，最終的智能電網(wǎng)，必定是一個(gè)在大部分運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的全部動(dòng)作，都可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人干預(yù)的操作。

4 現(xiàn)狀下二次控制的問(wèn)題及解決方法

4.1 控制機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)尚不統(tǒng)一

不管是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還是在線遠(yuǎn)控系統(tǒng)，目前的電網(wǎng)控制機(jī)因?yàn)楣?yīng)商不同，且因?yàn)槟壳暗碾娋W(wǎng)內(nèi)對(duì)于這些控制系統(tǒng)還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，所以，使用的技術(shù)手段不盡相同。基于PLC的系統(tǒng)架構(gòu)，基于ARM的系統(tǒng)架構(gòu)，基于SEED的系統(tǒng)架構(gòu)，甚至基于8051配合PC的系統(tǒng)架構(gòu)，都在電網(wǎng)中有所體現(xiàn)。這與之前標(biāo)準(zhǔn)一致系統(tǒng)工整的二次系統(tǒng)存在著很大的不同，而且，因?yàn)檫@些不統(tǒng)一的控制系統(tǒng)的使用，導(dǎo)致了整個(gè)電網(wǎng)二次系統(tǒng)的調(diào)度困難，因?yàn)槎蜗到y(tǒng)的不穩(wěn)定給電網(wǎng)帶來(lái)的事故也時(shí)有發(fā)生。

當(dāng)然，目前的系統(tǒng)狀態(tài)，是我們的智能電網(wǎng)的建設(shè)過(guò)程中的摸索過(guò)程。通過(guò)不同架構(gòu)的系統(tǒng)在同一個(gè)電網(wǎng)中混合試用，我們可以對(duì)不同架構(gòu)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而決定在未來(lái)的智能電網(wǎng)的發(fā)展建設(shè)過(guò)程中更傾向采用哪一種智能化節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。

4.2 二次系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差異大

因?yàn)榭刂茩C(jī)的技術(shù)架構(gòu)差別很大，所以，用于輔處理的芯片選型也就有了更大的差別，用于通訊的方式，也更加復(fù)雜。甚至在一個(gè)變電所中，就可能同時(shí)出現(xiàn)ZIPBEE，WIFI，BLUETEETH等不同的無(wú)線通訊模式，夾雜著細(xì)纜、雙絞線、光纖等其他的通訊模式，這給整個(gè)系統(tǒng)在未來(lái)10年的優(yōu)化和整合帶來(lái)了很大的難度，如果強(qiáng)行整合，會(huì)造成很大的設(shè)備丟棄率。

同時(shí)，因?yàn)槭褂玫奶幚頇C(jī)型號(hào)的區(qū)別，我們對(duì)于監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)控的執(zhí)行方式上也有著比較大的差異。如同3.3中所述，有的系統(tǒng)要求控制機(jī)的本地作出決策，有的系統(tǒng)高要求控制機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程決策中心獲得決策。不同的系統(tǒng)架構(gòu)方式混雜使用，會(huì)給系統(tǒng)的復(fù)雜度和故障點(diǎn)分布帶來(lái)不良的后果。

4.3 技術(shù)發(fā)展與管理升級(jí)不同步

工信部和國(guó)家電網(wǎng)提出的對(duì)于智能電網(wǎng)建設(shè)的兩條主線是：

技術(shù)上體現(xiàn)信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化、構(gòu)建以特高壓為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。

管理上體現(xiàn)集團(tuán)化、集約化、精益化、標(biāo)準(zhǔn)化。

而在目前的智能電網(wǎng)的建設(shè)過(guò)程中，較為明顯的出現(xiàn)了管理思路和管理方式與智能電網(wǎng)的硬件建設(shè)及技術(shù)發(fā)展不相適應(yīng)的情況。特別是在管理界就是否應(yīng)該采用智能化倒閘的問(wèn)題上，不同的地方供電企業(yè)就存在較大的分歧。部分供電企業(yè)，雖然安裝了很多智能化系統(tǒng)，但是仍然只相信人工巡線和人工倒閘。

所以，在加強(qiáng)智能電網(wǎng)的硬件建設(shè)的同時(shí)，應(yīng)該進(jìn)一步深化對(duì)于管理團(tuán)隊(duì)的動(dòng)員，使得管理團(tuán)隊(duì)對(duì)于智能化電網(wǎng)的認(rèn)識(shí)程度得到與智能電網(wǎng)硬件建設(shè)相同步的提升。

5 結(jié)束語(yǔ)

智能電網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中的二次弱電控制技術(shù)的發(fā)展是最為令人矚目的，使得所有的節(jié)點(diǎn)可觀測(cè)可控制的最終二次控制目標(biāo)，是目前各大電力科研機(jī)構(gòu)都在研究的問(wèn)題。本文通過(guò)分析，得到了電力二次系統(tǒng)的一些發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：郭琪（1987-），男，助理工程師，本科，從事二次弱電控制設(shè)計(jì)工作。