智能變電站中使用無(wú)線局域網(wǎng)的保護(hù)系統(tǒng)測(cè)試與分析

梁康有+袁玲+干紅平

摘 要：無(wú)線局域網(wǎng)的快速保護(hù)系統(tǒng)在智能變電站的穩(wěn)定運(yùn)行過程中起到了不可替代的作用，而該保護(hù)系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性研究也引起了廣泛關(guān)注。針對(duì)這一問題，測(cè)試與分析了影響該保護(hù)系統(tǒng)性能的兩個(gè)重要方面：通信過程中使用的信號(hào)壓縮算法和整個(gè)系統(tǒng)的通信時(shí)間延遲。對(duì)使用軟件仿真和統(tǒng)計(jì)學(xué)原理等方法進(jìn)行了測(cè)試和分析。信號(hào)壓縮算法的評(píng)估和通信時(shí)間延遲的計(jì)算結(jié)果表明無(wú)線局域網(wǎng)的保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)該在智能變電站中被廣泛推廣。

關(guān)鍵詞：智能變電站； 無(wú)線局域網(wǎng)； IEC 61850； 行波

中圖分類號(hào)： TN915?34； TP338 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）08?0170?03

Test and analysis of WLAN?based protection system for smart substation

LIANG Kangyou1， YUAN Ling2， GAN Hongping1

（1. School of Electronic and Electrical Engineering， Chongqing University of Arts and Sciences， Chongqing 402160， China；

2. Yongchuan Branch Company， State Grid Chongqing Electric Power Company， Chongqing 402160， China）

Abstract： The fast protection system based on wireless local area network （WLAN） plays an irreplaceable role in the stable operation process of the smart substation， and its reliability and real?time performance also attract wide attention. Aiming at this problem， two important aspects （signal compression algorithm in communication process and communication time delay of the whole system） affecting on the performance of the protection system are tested and analyzed. The software simulation， statistics principle and other methods are used to test and analyze the system. The evaluation result of the signal compression algorithm and the calculation result of the communication time delay show that the WLAN?based protection system should be widely promoted in the smart substations.

Keywords： smart substation； WLAN； IEC 61850； traveling wave

0 引 言

隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，智能變電站在智能電網(wǎng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為新一代電力系統(tǒng)的核心組成。在實(shí)際應(yīng)用中，智能變電站除了要滿足傳統(tǒng)變電站的功能之外，還需實(shí)現(xiàn)信息采集、傳輸、處理和輸出等完全數(shù)字化的功能[1]。為保障這些功能的實(shí)現(xiàn)，智能變電站需要使用可靠且快速的保護(hù)系統(tǒng)[2?6]。目前，基于行波的無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)智能變電站所需功能，本文就對(duì)該保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試與分析。

智能變電站保護(hù)系統(tǒng)最重要的性能就是信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性[7?8]。本文也是針對(duì)這兩個(gè)方面對(duì)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。首先，影響該系統(tǒng)可靠性的因素就是控制信號(hào)傳輸?shù)膲嚎s算法，即離散小波變換算法（DWT）。壓縮因子、信噪比和均方誤差百分比這些指標(biāo)均可充分評(píng)價(jià)信號(hào)的變化，其被用來(lái)測(cè)試該算法的性能。其次，作為衡量該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的指標(biāo)，即系統(tǒng)的通信傳輸時(shí)間延遲，也在本文的后半部分被計(jì)算。在測(cè)試過程中，OPNET軟件仿真了該系統(tǒng)。在不同的采樣頻率、空間流數(shù)量以及信噪比的情況下，從仿真結(jié)果可以得到通信的端到端時(shí)間延遲。在此基礎(chǔ)上，估算整個(gè)系統(tǒng)的通信時(shí)間延遲，計(jì)算結(jié)果證明了該系統(tǒng)可起到快速保護(hù)的作用。

1 使用無(wú)線局域網(wǎng)的保護(hù)系統(tǒng)

用于保護(hù)智能變電站的無(wú)線局域網(wǎng)是基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是變電站自動(dòng)化領(lǐng)域中的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了智能變電站的工程運(yùn)作標(biāo)準(zhǔn)化。而基于該標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)較為簡(jiǎn)單。如圖1所示，該系統(tǒng)是由連接變電站線路終端的智能中繼組成[9?11]。智能電子設(shè)備（IED）使用COMTRADE記錄器記錄在故障狀態(tài)期間的行波狀態(tài)。然后，設(shè)備使用數(shù)字信號(hào)處理算法來(lái)處理測(cè)量數(shù)據(jù)，從而確定故障線路并向斷路器發(fā)起跳閘信號(hào)。所有測(cè)量數(shù)據(jù)通過智能電子設(shè)備交換，系統(tǒng)得到所有信息從而做出準(zhǔn)確決定。本文計(jì)算系統(tǒng)的時(shí)間延遲采用IEEE 802.11n技術(shù)的方法。

2 離散小波變換

電力系統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)中使用了眾多類型的信號(hào)壓縮算法，如快速傅里葉變換（FFT）、離散余弦變換（DCT）和離散小波變換（DWT）。其中，離散小波變換引入了時(shí)頻信號(hào)分析的基本函數(shù)，所以適合對(duì)瞬態(tài)分量或不連續(xù)性的信號(hào)分析。通過保持特征完整性和去除冗余，離散小波變換實(shí)現(xiàn)了具有數(shù)據(jù)保真度受控下更高的壓縮比。文中，故障期間的電壓信號(hào)使用PSCAD/EMTAC模擬器得到，該模擬器從COMTRADE記錄儀中以相位和地之間20 kHz的速率獲取電壓信號(hào)波形。由于PSCAD/EMTAC模擬器的限制，采樣頻率最高為20 kHz。但由于使用了小波變換，該信號(hào)可被推廣到其他高頻信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)損壓縮。采用Matlab1?D的小波變換算法，從而使用水平閾值來(lái)評(píng)估壓縮比。圖2展示了COMTRADE記錄儀在相位和地之間以20 kHz記錄的故障信號(hào)。圖3顯示了第1～5層的小波變換系數(shù)，其展示了信號(hào)被分解后的高頻分量。

每一層的閾值為：

式中，是閾值系數(shù)且。每一層的小波系數(shù)將通過以下關(guān)系保留或忽略：

式中：表示第層的閾值。

為了提高壓縮算法的效果，引入了兩個(gè)指標(biāo)：一個(gè)是壓縮因子（cf），其是原始信號(hào)和壓縮后信號(hào)之間大小的比率，其計(jì)算公式為：

另一個(gè)是均方誤差（MSE）的百分比，計(jì)算公式為：

式中，和分別表示原始信號(hào)和重構(gòu)信號(hào)。表1列出了不同類型的小波變換在故障期間對(duì)電壓信號(hào)的壓縮性能指標(biāo)。

3 通信時(shí)間延遲

文中采用OPNET軟件進(jìn)行仿真，以確定數(shù)據(jù)的傳輸分組延遲。表2為在IEEE 802.11n協(xié)議下，主頻為2.4 GHz時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率為600 Mb/s的SV分組傳輸時(shí)間延遲。其中，端到端（ETE）延遲是基于IEEE 802.11n協(xié)議計(jì)算的，仿真中使用的分組長(zhǎng)度為365 B，服務(wù)質(zhì)量?jī)?yōu)先級(jí)被設(shè)置為4。數(shù)據(jù)壓縮比被設(shè)置為10，由此數(shù)據(jù)分組就包含了40個(gè)采樣點(diǎn)。此外，在信噪比（）為22～30 dB之間，空間流的不同數(shù)量因素也被考慮在內(nèi)，具體結(jié)果如表2所示。

從表2的數(shù)據(jù)可以看出，隨著采樣頻率的增加，時(shí)間延遲也會(huì)增加。此外，空間流數(shù)目增加會(huì)減少數(shù)據(jù)傳輸延遲，而信噪比的降低會(huì)增加端到端的延遲。于是，整個(gè)通信所需的時(shí)間為：

式中：是總的通信處理時(shí)間；是合并單元的處理時(shí)間；是無(wú)線局域網(wǎng)中的分組延遲時(shí)間；是智能電子設(shè)備（IED）的處理時(shí)間。由于DSP設(shè)備硬件和軟件的改進(jìn)，可控制在100 內(nèi)。是4個(gè)空間流20 kHz的分組延遲，用OPNET測(cè)得的結(jié)果為50 ，為100 ，所以，總延遲時(shí)間（單位：μs）為：

從計(jì)算結(jié)果可看出，由于通信時(shí)間延遲較小，因此該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較好，即快速無(wú)線局域網(wǎng)可以良好地用于中繼之間的保護(hù)。另外，需要指出的是，在高頻率下，若中繼的數(shù)量改變，則通過無(wú)線局域網(wǎng)交換信息的通信延遲也將會(huì)改變。

4 結(jié) 語(yǔ)

文中被測(cè)試的使用無(wú)線局域網(wǎng)的保護(hù)系統(tǒng)，主要由連接變電站線路終端的智能中繼組成。介紹了系統(tǒng)的主要原理，測(cè)試了系統(tǒng)使用的離散小波變換算法的壓縮性能。此外，通過對(duì)系統(tǒng)的仿真測(cè)試，計(jì)算了其通信時(shí)間延遲。以上結(jié)果均證明了，符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)使用無(wú)線局域網(wǎng)的智能電站快速保護(hù)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)，且性能良好。

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