電力系統(tǒng)廣域保護(hù)通信系統(tǒng)體系構(gòu)建研究

中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪供電局 楊 金 董 凌 高若愚

引言

隨著各地區(qū)對電力需求的不斷增加[1]，電力系統(tǒng)的分布也越來越廣泛[2]，各種規(guī)模的電網(wǎng)交叉排布導(dǎo)致電力裝置的排布十分復(fù)雜。不僅如此，電力需求的增加也促使電力輸送量增加，在電力輸送的過程當(dāng)中，最重要的就是電力系統(tǒng)的安全與可靠。

因此，在電力系統(tǒng)發(fā)展的過程中，國內(nèi)外相關(guān)研究人員也在不斷研究能及時(shí)維護(hù)電力系統(tǒng)安全輸送的保護(hù)措施[3]，研究表明[4]，近幾年國內(nèi)電網(wǎng)故障的次數(shù)越來越多，現(xiàn)有的電力系統(tǒng)通信保護(hù)體系在復(fù)雜多變，且工況不同的情況下已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)全面保護(hù)[5]。因此，急需設(shè)計(jì)一種新的電力系統(tǒng)廣域保護(hù)通信體系。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，目前越來越多的電力公司選擇依賴智能電網(wǎng)進(jìn)行配電，但在智能電網(wǎng)的運(yùn)行過程中，時(shí)常會受到互聯(lián)網(wǎng)的影響[6]。一旦某處出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的電力故障，就很可能造成配電網(wǎng)的全面崩潰，因此在設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)廣域保護(hù)通信方案時(shí)，需要注意互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定性，避免由于網(wǎng)絡(luò)因素帶來的電力系統(tǒng)通信故障，我國的電力工作者們意識到，要確保電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定的運(yùn)營，就必須通過合理的規(guī)劃、合理的規(guī)劃、完善的運(yùn)行管理，才能在大尺度、小尺度上獲得電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

在繼電保護(hù)與安全穩(wěn)定控制中應(yīng)用廣域信息技術(shù)進(jìn)行研究，是今后電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。國外研究人員發(fā)現(xiàn)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信量測狀態(tài)及時(shí)進(jìn)行廣域保護(hù)保證電力系統(tǒng)輸送安全，維持電力系統(tǒng)的可靠性來說十分有效，可以在保護(hù)開始后采集電網(wǎng)的廣域信息，再對采集的信息進(jìn)行處理和整合，即可得到電網(wǎng)控制策略，及時(shí)進(jìn)行控制。

電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中時(shí)常會面臨故障問題，因此應(yīng)該對其進(jìn)行廣域保護(hù)。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)廣域保護(hù)通信系統(tǒng)體系不能夠?qū)崿F(xiàn)多工況保護(hù)，不能滿足目前的電力系統(tǒng)保護(hù)需求，針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了電力系統(tǒng)廣域保護(hù)通信系統(tǒng)體系構(gòu)建方法，首先評估了電力系統(tǒng)廣域保護(hù)通信方案，其次配置了電力系統(tǒng)廣域保護(hù)通信終端，設(shè)計(jì)了電力系統(tǒng)廣域保護(hù)通信主站，從而實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)廣域保護(hù)通信系統(tǒng)體系的構(gòu)建。采用Qos 技術(shù)作為傳輸通道的保障，即使在很大的帶寬負(fù)荷下，也能保證電力通訊的數(shù)據(jù)傳送，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，構(gòu)建的廣域保護(hù)通信系統(tǒng)體系的保護(hù)效果較好，在不同工況下均能實(shí)現(xiàn)保護(hù)及故障識別，有一定的應(yīng)用價(jià)值，因此，可以作為后續(xù)電力系統(tǒng)通信保護(hù)的參考。

1 電力系統(tǒng)廣域保護(hù)通信系統(tǒng)體系構(gòu)建方法設(shè)計(jì)

1.1 評估電力系統(tǒng)廣域保護(hù)通信方案

電流縱差保護(hù)要求通訊數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)必須包括所有的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)必須完整可靠的傳輸。根據(jù)選擇的原則，可以同時(shí)傳輸電流矢量和瞬間電流的取樣。控制量是保護(hù)功能中的一個(gè)重要部分，另外為了確保前兩種數(shù)據(jù)的正確傳遞，如抗干擾編碼等，都需要額外的數(shù)據(jù)。在電力系統(tǒng)實(shí)際通信的過程中，通信網(wǎng)中的物理層載體有著不可替代的作用，因此在評估電力系統(tǒng)保護(hù)通信方案的第一步，則是需要比較物理層的載體。

通信網(wǎng)的物理層載體必須能滿足電力系統(tǒng)通信的高帶寬、高速通信需求，因此研究了各類傳輸介質(zhì)的傳輸延時(shí)（μs/kb）：無線光纖3.30、光纜5.00、同軸電纜4.00、雙絞線4.70、衛(wèi)星110.00。由此可知，目前無線光纖介質(zhì)的傳輸延時(shí)最短，因此在電力系統(tǒng)的廣域保護(hù)方案中通常選取光纖作為物理層的載體。第二步需要對比方案的無線傳輸模式，目前光纖主要利用SDH、ATM、IP 作為信源交換，增加通信通道的利用率，設(shè)計(jì)的光纖傳輸應(yīng)用模式如圖1所示。

圖1 光纖傳輸

由圖1可知，應(yīng)用該方案進(jìn)行傳輸時(shí)可以采用Qos 作為傳輸?shù)男诺辣ＷC，使其可以在帶寬負(fù)擔(dān)較高的情況下仍能保證電力通信數(shù)據(jù)的傳輸，增加傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

1.2 配置電力系統(tǒng)廣域保護(hù)通信終端

成功選取電力系統(tǒng)的廣域保護(hù)方案后需要配置電力系統(tǒng)的廣域保護(hù)通信終端。電力系統(tǒng)的廣域保護(hù)通信終端主要在故障定位方面起著重要作用，因此設(shè)計(jì)了保護(hù)終端的功能:

第一個(gè)功能是測控功能，保護(hù)終端必須能實(shí)時(shí)提供測控信息，包括電流、功率等除此之外，還需要提供輸入的通信，保證斷路器能在高負(fù)荷情況下工作；第二個(gè)功能是通信管理功能，設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)廣域保護(hù)終端必須能對RS232通道提供通信管理，保證在通信時(shí)多個(gè)通道可以同步運(yùn)行；第三個(gè)功能是故障檢測功能，該功能也是通信保護(hù)終端最重要的功能，可以在電力系統(tǒng)通信的過程中及時(shí)進(jìn)行過流檢測、跳閘檢測，以及失壓警告等，因此可對其進(jìn)行導(dǎo)向設(shè)計(jì)，保證故障的實(shí)時(shí)識別。根據(jù)上述的功能可以實(shí)現(xiàn)通信保護(hù)終端的設(shè)計(jì)。

1.3 設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)廣域保護(hù)通信主站

構(gòu)建通信系統(tǒng)保護(hù)體系的最后一步就是設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)廣域保護(hù)主站。選取CSGC-300X 系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)廣域保護(hù)通信主站的運(yùn)行系統(tǒng)，根據(jù)通信需求設(shè)置通信方案，在組件化設(shè)計(jì)后，構(gòu)建了CSGC-300X 平臺、SCADA 子系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)子系統(tǒng)，在通信保護(hù)主站數(shù)據(jù)采集的過程中，還需要注意維護(hù)成本問題。

在保證維護(hù)成本的情況下，根據(jù)供電站供電質(zhì)量最高原則設(shè)置可以執(zhí)行的靈活通信保護(hù)主站，利用UNIX、Window、Linux， 必須滿足SQL Server 需求和Sybase 關(guān)系，在Formula one 表格中設(shè)計(jì)Microsoft IIS 服務(wù)，在電力通信傳輸之前，首先啟動(dòng)GSGC 執(zhí)行文件，根據(jù)對話框進(jìn)行登錄操作，驗(yàn)證身份后進(jìn)入電力輸送管理界面，根據(jù)目前電力系統(tǒng)的連線圖及預(yù)測與進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)篩查和故障處理，即可進(jìn)行通信保護(hù)。

通信保護(hù)主站中構(gòu)建的保護(hù)系統(tǒng)，必須具有標(biāo)準(zhǔn)化特性，能夠及時(shí)對各種國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化定義、反饋、操作，因此可以構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化XML、CIM模型，輸入驗(yàn)證數(shù)據(jù)，由該模型實(shí)時(shí)進(jìn)行分析，篩查出需要保護(hù)的范圍。此外，通信保護(hù)主站主要依靠IEC 61850協(xié)議提供數(shù)據(jù)模型支持，方便數(shù)據(jù)模型的維護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)了通信系統(tǒng)體系的構(gòu)建。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)的測試效果，首先需搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺，收集不同種類電網(wǎng)某幾項(xiàng)基礎(chǔ)指標(biāo)，將其均值輸入到仿真平臺中，增加仿真的準(zhǔn)確性，已知每項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值均為1，此時(shí)選取的基礎(chǔ)指標(biāo)數(shù)值如表1所示。

表1 基礎(chǔ)指標(biāo)數(shù)值

由表1可知，此時(shí)的基礎(chǔ)指標(biāo)均與標(biāo)準(zhǔn)值1相擬合，證明這些基礎(chǔ)指標(biāo)均具有真實(shí)性。根據(jù)廣域保護(hù)流量標(biāo)準(zhǔn)可知，廣域保護(hù)中的數(shù)據(jù)以PMU 數(shù)據(jù)為主均屬于周期性數(shù)據(jù)，各個(gè)數(shù)據(jù)的音頻是有區(qū)別的，因此在輸入上述指標(biāo)值后，需要向虛擬仿真平臺輸入連續(xù)20s 的通信頻率數(shù)據(jù)，1～20s 的通信頻率數(shù)據(jù)依次為：49Hz、50Hz、49Hz、50Hz、50Hz、50Hz、49Hz、50Hz、49Hz、50Hz、49Hz、50Hz、50Hz、50Hz、50Hz、49Hz、50Hz、50Hz、49Hz、49Hz。據(jù)此通信頻率數(shù)據(jù)，可以預(yù)估每個(gè)通信數(shù)據(jù)的字節(jié)即Framesize，再根據(jù)字節(jié)發(fā)送相應(yīng)格式的控制數(shù)據(jù)，此時(shí)設(shè)置數(shù)據(jù)的幀格式，如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)幀格式

根據(jù)表2數(shù)據(jù)的幀格式可以進(jìn)行數(shù)據(jù)流量分析，在搭建的仿真檢測平臺，中根據(jù)上述格式連接各個(gè)終端，為了保證實(shí)驗(yàn)的可靠性對設(shè)計(jì)的仿真平臺進(jìn)行通信測試，使用不同流量的鏈路進(jìn)行輸送，分別為LSR1、LSR2、LSR3、LSR4，此時(shí)鏈路輸送的穩(wěn)定性計(jì)算公式為：D=V/R，式中，V 代表鏈路輸送速率，R 代表輸送距離，此時(shí)設(shè)鏈路穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值為1，計(jì)算出的輸送數(shù)值高于1則證明鏈路穩(wěn)定、否則證明鏈路通信不穩(wěn)定，計(jì)算的各鏈路穩(wěn)定性數(shù)值如表3所示。

表3 鏈路穩(wěn)定性數(shù)值

由表3可知，此時(shí)的各個(gè)鏈路經(jīng)多次計(jì)算的穩(wěn)定性數(shù)值均大于1，證明此時(shí)搭建的仿真平臺總共的通信功能合格，能夠繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)，為了保證實(shí)驗(yàn)輸入帶寬的平穩(wěn)，此時(shí)需要繪制數(shù)據(jù)流量發(fā)送示意圖，如圖2所示。由圖2可知，此時(shí)的數(shù)據(jù)流量發(fā)送狀態(tài)平穩(wěn)，證明此時(shí)的帶寬符合后續(xù)的實(shí)驗(yàn)需求，可以進(jìn)行后續(xù)的仿真實(shí)驗(yàn)。

圖2 數(shù)據(jù)流量發(fā)送示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在上述準(zhǔn)備基礎(chǔ)上，分別使用本文設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)廣域保護(hù)通信系統(tǒng)體系和傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)通信保護(hù)體系進(jìn)行通信保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)，記錄不同工況下的保護(hù)延時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，在不同工況下，設(shè)計(jì)的通信保護(hù)體系在不同工況下的保護(hù)延時(shí)都較短，證明設(shè)計(jì)的保護(hù)體系的保護(hù)效果好，具有可靠性。

3 結(jié)語

及時(shí)對電力系統(tǒng)進(jìn)行通信保護(hù)對維護(hù)電力系統(tǒng)的安全，保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行有重要意義，因此本文在傳統(tǒng)的電力通信保護(hù)體系的基礎(chǔ)上研究了不同工況下的電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)了電力系統(tǒng)通信保護(hù)體系，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的保護(hù)體系的保護(hù)效果好，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價(jià)值，可以作為后續(xù)電力系統(tǒng)通信保護(hù)的參考。