多層分布分析法變電站綜自系統(tǒng)優(yōu)化方案

陳 服

（國網(wǎng)浙江省電力公司瑞安市供電公司，浙江 瑞安 325200）

0 引言

變電站作為電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行的核心，其綜合自動化技術一直在變電站控制中得到廣泛應用，變電站綜合自動化系統(tǒng)不僅可以有效地解決傳統(tǒng)變電站存在的問題，還能將現(xiàn)有先進的計算機技術、電力電子技術、信號處理技術、通信技術等技術融合，實現(xiàn)對一二次設備有效的、合理的、智能化的控制，從而進一步提高供電系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性以及可靠性[1-2]。我國變電站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展要晚于西方國家，雖然近些年變電站綜合自動化系統(tǒng)也取得了長足的進步[3-4]，但是我國在計算機技術和電力電子技術方面仍然落后于發(fā)達國家，在應用過程中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)由于器件選型不合理導致變電站綜合自動化系統(tǒng)穩(wěn)定性和適從性較差的問題。因此，該文對變電站綜合自動化系統(tǒng)進行深入研究，以期為進一步研究該技術提供一定的參考[5]。

1 變電站綜合自動化系統(tǒng)的一般模型

1.1 集中式結構模型

早在20 世紀80 年代，我國就開展了變電站綜合自動化系統(tǒng)方面的研究，由于受當時計算機和電力電子技術的限制，主要采用的是集中式結構模型，以RTU 為主控制器，并將現(xiàn)場總線與保護裝置、現(xiàn)場總線、顯示裝置、打印裝置物理的聯(lián)系在一起，實現(xiàn)其對各裝置的合理調(diào)控[6-7]。結構框圖如圖1 所示，本地監(jiān)控主機和總控制器通過現(xiàn)場總線與開關柜保護測量裝置進行連接，主控制器通過發(fā)送指令實時采集各個開關柜的關鍵參數(shù)，本地監(jiān)控主機將采集到的開關柜參數(shù)實時送到顯示裝置，對需要重點研究的參數(shù)，人工通過打印設備打印出來后，供現(xiàn)場工程師分析。

圖1 集中式結構模型

1.2 分散式結構模型

由于集中式結構模型在通信方面尤其是冗余方面較為復雜，系統(tǒng)難以定位到具體的故障點，配置起來也不夠靈活。隨著電力電子技術和通信技術的發(fā)展，我國在集中式結構模型上開展了分散式結構模型的設計，利用分散式結構對變電站綜合自動化系統(tǒng)進行了拆分，更進一步地細化分類，有效地提高了系統(tǒng)各模塊的性能[8]。分散式結構模型如圖2 所示，在這種結構模式中，系統(tǒng)模型主要分為3 段，第一段是保護和測控裝置，分散地安裝在各個設備間隔中，通過第二段的總線層連接到第三段的主控系統(tǒng)層，第三段主控系統(tǒng)層負責對整個系統(tǒng)的監(jiān)控工作，各類數(shù)據(jù)通過第二段的現(xiàn)場總線與總控系統(tǒng)連接，再通過工業(yè)以太網(wǎng)與主監(jiān)控系統(tǒng)通信。

圖2 分散式結構模型

1.3 集散式結構模型

集散式結構模型集合了集中式結構模型和分散式結構模型的優(yōu)點，能夠顯著地減少設備接線和設備重復安裝，相應地減少二次設備的配置場地。由于是集散式結構模型，所以二次設備之間的耦合度有了明顯的降低，故障分析和日常維護的工作量也大幅減少。但集散式結構的缺點也就顯而易見了，配置更加困難，方案設計的難度也大大提高，如圖3所示，變電站綜合自動化系統(tǒng)的集散式結構模型，該模型將綜合自動化系統(tǒng)分成2 類模塊，一類是以本地監(jiān)控主機為主的監(jiān)控系統(tǒng)，另一類是以微控制器為主的保護控制系統(tǒng)，每類是按集中式結構模型搭建，兩類之間以分散式結構模型搭建。本地監(jiān)控主機的監(jiān)控系統(tǒng)中，本地監(jiān)控主機通過I/O 接口模塊與開關柜關鍵參數(shù)的數(shù)字量和模擬量等被控量連接，將實時采集數(shù)據(jù)送到顯示設備，并將參數(shù)打印供現(xiàn)場工程師分析排查異常。微控制器為主的控制系統(tǒng)通過I/O 接口模塊與主變壓器、輸電線路、電容等裝置連接，根據(jù)主監(jiān)控系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，由現(xiàn)場工程師決策是否啟動相應的保護。從該系統(tǒng)的結構上來看，該模型是集成了集中式結構模型和分散式結構模型的優(yōu)點，將監(jiān)控系統(tǒng)和保護系統(tǒng)分開，分別控制測量終端和保護終端，一定程度上解耦了二次設備，在日常維護和故障分析上，能夠更快更便捷地解決問題。

圖3 集散式結構模型

1.4 多層次分布式結構模型

隨著現(xiàn)場總線技術與互聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，現(xiàn)階段的變電站綜合自動化系統(tǒng)的設計主要采用分層分布式結構模型，如圖4 所示。該模型是按照設備所屬功能層級進行分類，根據(jù)分類完成的配置。主要分為3 層：第一層是變電站層，該層利用站級主控制器及其外圍監(jiān)控裝置構成主控層，完成信息的監(jiān)控、調(diào)度、處理。第二層為通信層也稱為總線層，該層主要是利用通信單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。第三層為間隔層，該層是利用了多個保護單元和輸入輸出單元來對一次設備進行合理控制。多層次分布式結構模型以變電站一次設備的結構作為配置的依據(jù)，該模型設計的綜自系統(tǒng)綜合了集散式結構模型的特點，并兼顧了系統(tǒng)整體的保護與控制功能，二次回路的結構一定程度上得到了簡化。軟件調(diào)試維護相對容易，配置靈活，系統(tǒng)整體可靠性高。

圖4 多層次分布式結構模型

2 基于多層次分布分析法綜自優(yōu)化方案的研究

2.1 變電站綜合自動化系統(tǒng)優(yōu)化方案模型搭建

在變電站綜合自動化系統(tǒng)的改造設計過程中，要綜合考量變電單位制定方案時的關鍵指標，通常情況下，主要需要考慮停電方式和時間、風險認定等級、施工安全等。該文提出一種基于多層次分布分析法的綜合自動化系統(tǒng)改造設計優(yōu)選模型及方法，以期在施工方案選取時提供實際指導價值。

2.2 評判指標體系構建原則

2.2.1 評估體系的全面性

變電站綜合自動化系統(tǒng)改造設計中，需要具體考慮到施工過程中可能出現(xiàn)的問題，通常這類問題多且涉及面廣，需要綜合考慮多目標對象以及多指標要求。

2.2.2 評估體系的科學性

變電站綜合自動化系統(tǒng)方案的評估主要由衡量指標和

關鍵數(shù)據(jù)作為支撐，包括具有層次性的評價框架和客觀的基礎數(shù)據(jù)。

2.2.3 評估體系的可實現(xiàn)性

變電站綜合自動化系統(tǒng)的評價體系構建必須要滿足現(xiàn)場數(shù)據(jù)可采集、輸送、存儲的要求，并具備統(tǒng)計學上的意義。

2.3 評判指標體系模型構建

變電站運行維護的4 大基本原則：可靠性、經(jīng)濟性、系統(tǒng)性、實用性原則，結合傳統(tǒng)老舊變電站綜合自動化系統(tǒng)優(yōu)化改造的需求和特點，該文構建了1 個兩級指標評價模型，該兩級指標評價體系包括4 個一級指標點和9 個二級指標點，如圖5 所示。

圖5 變電站綜合自動化系統(tǒng)建設方案評判指標體系模型

2.4 基于多層次的分布分析法的優(yōu)化原理

在多要素、多目標、多影響因素的優(yōu)化方案設計和決策中，通常情況下，要素、目標、影響因素并非完全獨立，而是相互耦合。在不同的實施過程中，往往會呈現(xiàn)出不同問題，因此，在優(yōu)化方案決策時往往難以憑借要素去選擇。在這樣的情形下，該文在變電站保護綜自改造方案評價優(yōu)選時，引入基于數(shù)據(jù)分析的評價優(yōu)選方法——多層次分布分析法，幫助決策者選取到最優(yōu)的變電站綜自改造方案。

多層次分布分析法的基本原則如下：首先，決策組根據(jù)特征點將整個復雜系統(tǒng)拆分為多個層級；其次，將各個層級的相關影響要素枚舉出來；再則，在每個層級內(nèi)，各個影響要素利用特定的標度法進行評分；最后，經(jīng)過統(tǒng)計算式得出各個影響因素的權重。為選擇最優(yōu)方案提供更加合理、科學的決策依據(jù)。

2.5 基于多層次的分布分析法的優(yōu)化流程

多層次分布分析法的執(zhí)行策略可以分為以下5 個步驟，具體如下：1）構建評判指標體系。評價指標體系作為評價系統(tǒng)的核心，可以全面有效地衡量方案所涉及的主要指標點，搭建指標評價體系必須要包括目標層、標準層以及二級指標點。2）依照九標度法判定矩陣。將復雜問題拆解為多層級要素，利用九標度法搭建多層次要素的判斷矩陣。3）計算特征向量并校驗其一致性。通過計算該模型的特征向量，并校驗其一致性，從而確保設計的模型合理有效[9]。4）計算特征值并校驗整體一致性。通過計算該模型的組合特征向量，并利用歸一化數(shù)學處理方法整合系統(tǒng)所有的特征值，最后得到所有特征指標值的權重，并再次檢驗整體一致性。5）計算綜合得分并確定最優(yōu)方案。根據(jù)備選方案的指標數(shù)值和權重系數(shù)，綜合計算各個備選方案，并根據(jù)綜合得分的高低確定最優(yōu)方案。

2.6 優(yōu)化方案應用

如前所述，該文以瑞安市供電公司轄區(qū)的某110kV 變電站為例，開展綜合自動化系統(tǒng)方案優(yōu)化改造工作，制定改造施工方案。采用“主變+對應高壓室”的電氣設備停電轉為檢修的分隔輪流停電的施工方式，例如#1 主變電停電改造期間，其饋線的負荷轉移到#2 的高壓室，由#2 主變保持供電，同時與用電客戶或者負載協(xié)商停電，確定停電時間后逐個進行饋線停電改造，其他“主變+高壓室”以此類推，可以保證用電負荷不間斷供電，也能保證綜合自動化系統(tǒng)優(yōu)化方案能夠切實執(zhí)行。

3 結論

該文充分研究和分析了變電站綜合自動化系統(tǒng)方案的發(fā)展歷程和發(fā)展歷程中的基本模型結構，提出了一種基于多層次的分布分析法在變電站綜合自動化系統(tǒng)方案優(yōu)化上的模型及其方法，該模型較為深入地研究了集中式結構模型、分散式結構模型、集散式結構模型的優(yōu)點，在此基礎上搭建了多層次分布式結構模型，該模型較為全面、科學且具備較好的可實施性，并在模型的基礎上提出了相應的評價體系，基本上能夠涵蓋電網(wǎng)運行的4 個一級風險指標和其對應的9個二級風險指標。并在該基礎上，對轄區(qū)內(nèi)某110kV 變電站綜合自動化系統(tǒng)的改造提出了實施方案，可以為決策者在現(xiàn)場工程建設中提供一定的實際指導作用。