一種提升母線功率平衡指標(biāo)的集群測控系統(tǒng)設(shè)計

王家軍，章熙，袁明軍，覃海，劉曉放，王平

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司興義供電局，興義 562400； 2.貴州電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，貴陽 551002；3.長園深瑞繼保自動化有限責(zé)任公司，深圳 518057）

引言

目前各電力企業(yè)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求越來越高，除了對狀態(tài)估計的合格率進(jìn)行考核外，對500 kV、220 kV母線的有功、無功總加平衡以及線路功率平衡的合格率也納入了考核范圍。母線功率平衡是反應(yīng)廠站端量測質(zhì)量的重要指標(biāo)，其直接對廠站端量測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計計算，對量測數(shù)據(jù)出現(xiàn)的問題具有更加明確的指向性。因此，該指標(biāo)的提升對電力系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電廠和變電站的站端基礎(chǔ)數(shù)據(jù)質(zhì)量[1]提出了更高要求。

調(diào)度主站出現(xiàn)母線功率不平衡的原因[2]，一個方面是由于測控裝置數(shù)據(jù)采集不同步，另一個方面是通訊網(wǎng)關(guān)機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送不同步導(dǎo)致調(diào)度端參與計算的各間隔遙測量值不是同一個時間斷面的數(shù)據(jù)[3]。另外，電壓電流互感器二次轉(zhuǎn)化、測控裝置采集精度[4]和遙測死區(qū)值等因素對母線功率平衡也有重要影響。在實際應(yīng)用中，220 kV及以上電壓等級，通常采用經(jīng)濟(jì)性更好的單測控按間隔和斷路器獨立配置的方案[5],而不采用雙重化保護(hù)配置方案,母線的測控裝置無后備支撐[6]。

針對以上存在問題，本文設(shè)計了一種集群測控[7]系統(tǒng)，以高經(jīng)濟(jì)性地解決高壓變電站母線測控裝置無后備的難題。系統(tǒng)采用管理+測控的硬件架構(gòu)，并采用了集群測控+虛擬測控的業(yè)務(wù)運作模式；優(yōu)化了多個間隔數(shù)據(jù)采集時刻、傳輸時刻的同步模式，以保證變電站測控裝置采集、計算交流量在同一個時間斷面內(nèi)，使得上送到網(wǎng)關(guān)機(jī)的數(shù)據(jù)為同一時刻的；改進(jìn)了遙測算法，按照實際波形的頻率來調(diào)整重采樣間隔，使重采樣后的數(shù)據(jù)固定按照等角度偏移，改善傳統(tǒng)功率計算中出現(xiàn)頻譜泄漏等問題；為保證上送隊列能隨時取到最新的遙測結(jié)果，采用對所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效值迭代計算的模式。論文針對某550 kV特高壓變電站母線功率平衡情況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明系統(tǒng)對改善母線功率不平衡效果明顯。

1 集群測控系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 架構(gòu)設(shè)計

所設(shè)計集群測控系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計方案如圖1所示。裝置配置了1塊管理板、2塊測控板、1塊功能開入板，1塊電源板、1塊單色液晶板，各插件之間通過高速總線進(jìn)行通訊。其中，2塊測控板各自采集過程層GOOSE、SV報文，對報文進(jìn)行解析，實現(xiàn)測控相關(guān)計算，并將對應(yīng)數(shù)據(jù)通過高速總線發(fā)送給管理板；管理板將數(shù)據(jù)匯聚后，分發(fā)給各虛擬測控，實現(xiàn)站控層數(shù)據(jù)通訊（MMS服務(wù)、站控層GOOSE聯(lián)鎖），同時可以操作虛擬測控的投入和退出。系統(tǒng)采用高集成Soc（70z20、雙核800 MHz），高性能L1043（四核、64位、1.6 GHz）的運算配置模式。其中Soc承擔(dān)若干臺測控裝置的數(shù)據(jù)采集，運算和控制輸出，L1043用于整機(jī)管理、顯示和MMS通訊。

圖1 整機(jī)架構(gòu)設(shè)計圖

1.2 業(yè)務(wù)模式

集群測控系統(tǒng)主要包括測控功能和虛擬測控[8]功能兩個部分，各模塊負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)如表1所示。

表1 集群測控各模塊負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)表

1.3 虛測控與管理進(jìn)程通信方案

虛測控充當(dāng)測控裝置管理板的角色，包含測控裝置的所有信息和功能。交互的信息包含MBus傳輸?shù)拇蟛糠謨?nèi)容，并借用MBus協(xié)議實現(xiàn)虛測控與管理進(jìn)程的通信過程。虛測控進(jìn)程各綁定一個IP，與管理進(jìn)程建立TcP連接。管理進(jìn)程運行MBusR任務(wù)實現(xiàn)對上通信，虛測控進(jìn)程運行MBusc任務(wù)實現(xiàn)對下通信，實現(xiàn)如圖2所示。

圖2 虛測控與管理進(jìn)程的通信方案示意圖

2 集群測控同步采集、傳輸模式設(shè)計

為保證變電站測控裝置采集、計算交流量在同一個時間斷面內(nèi)[9]，使得上送到網(wǎng)關(guān)機(jī)的數(shù)據(jù)為同一時刻的。集群測控裝置重新設(shè)計了多個間隔數(shù)據(jù)采集時刻、傳輸時刻的同步模式，具體步驟如下：

1）測控板上采集模塊同步采集母線上各間隔原始數(shù)據(jù)，直到所有間隔數(shù)據(jù)采集完畢，并通知計算模塊進(jìn)入計算流程，閉鎖采集流程；

2）測控板上計算模塊同步計算母線上各間隔遙測數(shù)據(jù)，直到所有間隔遙測數(shù)據(jù)計算完畢，并通知采集模塊重新進(jìn)入采集流程，閉鎖計算流程，同時啟動內(nèi)部總線發(fā)送；

3）內(nèi)部總線通過配置傳輸優(yōu)化策略，使得參與計算母線功率平衡的遙測量在同一幀打包，避免分包造成的報文不同步；

4）管理板接收所有間隔的遙測數(shù)據(jù)，并通過各模塊間的信息交互實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)同步觸發(fā)上送。

對應(yīng)的采集、傳輸流程如圖3所示。

圖3 集群測控同步采集、傳輸流程圖

該集群測控與分散測控[10]在采集、傳輸同步信息的時標(biāo)對比如圖4所示。

由圖4可見，不同的測控裝置其數(shù)據(jù)采集時刻、傳輸時刻均不相同，而集群測控裝置可以實現(xiàn)多個間隔數(shù)據(jù)采集時刻、傳輸時刻的同步，從而保證測控端上送數(shù)據(jù)是同一時間斷面的。

圖4 分散測控和集群測控采集傳輸時標(biāo)對比圖

3 遙測數(shù)據(jù)流采集與計算方法設(shè)計

遙測計算的數(shù)據(jù)窗按照實際波形的頻率來調(diào)整重采樣間隔，使重采樣后的數(shù)據(jù)固定按照等角度偏移。數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件重采樣處理，后續(xù)進(jìn)行有效值計算，改善傳統(tǒng)功率計算中出現(xiàn)頻譜泄漏等問題。為了加快遙測上送速率，本文設(shè)計了一種改進(jìn)式的遙測算法，算法流程如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的遙測算法流程圖

相對于傳統(tǒng)的遙測計算方法[11]而言，該方法對所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效值迭代計算的模式，其計算如式（1）所示，以保證上送隊列能隨時取到最新的遙測結(jié)果。

式中：

Xk—當(dāng)前時刻有效值；

Xk-1—前一時刻有效值；

N—每周波采樣點數(shù)；

x(k)—當(dāng)前時刻采樣值；

x(k-N)—一周波前采樣值。

對于所采集到的母線有功功率，其算法如式（2）所示：

式中：

Pk—當(dāng)前時刻有功功率；

Pk-1—前一時刻有功功率；

u(k)—當(dāng)前時刻電壓采樣值；

u(k-N)—一周波前電壓采樣值；

i(k)—當(dāng)前時刻電流采樣值；

i(k-N)—一周波前電流采樣值。

4 仿真分析

基于所設(shè)計的集群測控系統(tǒng)裝置，并采用優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸模式和改進(jìn)的遙測算法，以某特高壓變電站的500 kV部分為例進(jìn)行仿真分析，以驗證系統(tǒng)的應(yīng)用效果。該變電站一次接線如圖6所示，其中，城一、城二為平行雙回線，長一、長二、長三為平行多回線。

圖6 仿真變電站部分一次接線圖

改造前的相關(guān)參數(shù)為：遙測死區(qū)0.5 %，PT、cT精度為0.2級，遙測上送時間為3 s。改造后使用集群測控裝置的相關(guān)參數(shù)為：PT、cT精度為0.2級，同步采集上送，不受遙測死區(qū)及遙測上送不同步影響。500 kV母線功率平衡的判定方式為：有功不平衡偏差不大于20 MW，無功不平衡偏差不大于30 MVar。改造前后母線功率不平衡[12]仿真結(jié)果對比數(shù)據(jù)如表2所示，改造前后母線時變有功功率不平衡結(jié)果如圖7所示。

表2 母線功率平衡改造前后對比

由圖7可以看出，使用優(yōu)化后的遙測算法，解決了遙測死區(qū)誤差及遙測上送不同步問題，減小了調(diào)度端母線不平衡峰值，提升了調(diào)度端母線平衡合格率，所設(shè)計的優(yōu)化遙測算法對改善母線功率不平衡效果明顯。

圖7 母線功率平衡改造前后對比圖

5 結(jié)語

本文所設(shè)計系統(tǒng)，主要面向110 kV及以下電壓等級、220 kV及以上電壓等級變電站，針對母線功率不平衡這一問題，構(gòu)建全新的變電站測控系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計了實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集、傳輸和上送的優(yōu)化方案，并改進(jìn)了數(shù)據(jù)遙測方法，消除了變電站測控裝置冗余方案的空白。系統(tǒng)通過高可靠的變電站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量測功能，為主站提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)源，促進(jìn)高級應(yīng)用實用化，有力地支撐了智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展[13]。