智能配电模式下的变电站集成保护以及控制信息的共享方式探讨

2013-05-12柯桦

中国新技术新产品 2013年8期

柯桦

（广东电网公司珠海供电局，广东珠海 519000）

随着分布式新能源的不断馈入和人们对供电质量要求的提高，相应的要求了智能配电变电站需提供更可靠、快速、灵活的保护和控制功能。为了能够促进变电站保护测控性能的提高，还需进一步将跨间隔信息进行实施的共享融合，然而在这个过程中，还要确保过程总线站域保护对信息交换的稳定可靠性和高度实时性予以控制。

1 分析智能配电变电站站域保护控制的通信需求

1.1 传统变电站综合自动化系统

传统的变电站综合自动化系统是采取分层分布配置。通常根据变电站控制的对象和层次，将综合自动化控制系统设置成二层式分布控制系统结构，站控层和间隔层，也就是全站控制和就地单元控制。

在该系统结构中，站控层系统主要对后台进行监控、保护信息子站、远动通信管理机。其中监控后台是以全站的测控装置和现场测控网络相互连接，进而实现对整个变电站的监控；利用自动装置和测控装置对变电站当地控制和监视信息进行采集。远动通信管理机主要是完成对变电站各测控装置输出信息的接收工作，该装置接收到的信息和监控后台相同，能够相调度中心将这些信息上传。保护信息子站是以现场总线或者RS232/485通信接口和故障录波装置、保护装置连接，从而接收保护装置故障波形和运行状态信息，同时还能够远方查看、修改保护值，实现远方对装置的信号复位。

间隔层则是根据站内一次设备进行分布式配置，包含了控制、测量元件，继电保护元件。其中控制、测量元件主要是完成该间隔的断路器，监视、测量的操作控制，闭锁和时间顺序的记录等；而继电保护元件则是完成该间隔变压器、线路等设备的故障记录和保护等。这些装置通过串行总线或者局部网络和站控层之间进行联系。在间隔层中，其组成部分有10kV电压互感电压并列装置、35kV电压互感电压并列装置，线路、电容、主变、母线分段保护测控单元，现场网络以及安全自动装置。

1.2 数字化变电站自动化系统典型结构

当前的数字化变电站自动化系统是以全网络方案和分层分布式结构组成，该系统可分为三层，变电站层、间隔层、过程层。其中过程层是以光电式或者电子式互感器、智能操作箱，在整个变电站中，是通过采样数据与合并单元（MU）完成装置的交流，并借助过程层网络对信号进行实时传输。

数字化变电站通讯网络可分成过程层和间隔层的过程层通讯网，以及间隔层和变电站层之间的间隔层通讯网。在整个数字化变电站自动化系统中，变电站层网络，以及过程层面向通用对象的变电站采样值（SV）报文网络和事件（GOOSE）网络为各自的体系，相互独立；然而过程层采样值数据呈周期性、数据量大，在传输过程中对可靠性、稳定性，以及实时性的要求较高，需要明确额控制延时。

相对于常规的变电站，数字化变电站间隔层和变电站层的网络接口和设备仅仅是在通信模型和接口出现了变化；但是在过程层上的改变是非常大的，用电子式互感器、合并单元、智能化一次设备、光纤以太网通信等代替了传统的一次设备、电压互感器等。

2 数据共享的面向间隔组网的过程总线信息共享特性仿真

根据过程总线组网原则，以OPNET仿真软件为基础，可以把变电站过程总线子网分成三类。仿真模拟智能断路器（ICB）、合并单元（MU），以及保护测控单元；数据链路为100Mbits/s。MU发送长度为123字节的SAV报文；所有在过程总线上的保护测控单元都接受智能断路器和MU发来的信息报文。

以仿真模型作为基础，最终的目标是确保网络通信的可靠性和实时性，即丢包率为零，网络端对端的通信实验不超过4ms，对可靠性和实时性分别进行仿真分析，均可满足采样值数据共享需求的最大间隔数和最大采用率，然后利用escel软件对数据进行统计分析，研究两者间的函数特性，如图1所示。网络流量只要在运动范围内，若间隔报文长度相同，那么能实现的数据共享最大间隔数和单间隔信号采样率基本成反比关系。这种关系的拟合曲线可表示为y=1659x-1.03，其中y表示最大共享间隔数，x表示每周波信号采点数。

从图1中可以看出，在采样率为每周波80，200，400点时，可实现的数据共享的最大间隔数为16、7、3个。与此同时，图一中也可以看出各仿真案例的网络端对端时延值均不超过0.32ms。

图1 采样率和间隔数之间的函数特性

然而，当采样率增加到每周波1000-1553点时，过程层网络仅仅能确保单间隔数据的实时传输；若再出现采样率上升的现象，那么将会严重的阻塞通信网络性能。数据交互经过交换机的性能和数量直接决定了最大共享间隔数。交换机延时通常是有存储转发延时、交换机本身算法的延时、线路传输延时，以及报文排队延时这四部分组成。其中，报文排队延时会受到网络负载和报文长度的影响，报文排队延时的平均值可表示为:网络负载×存储转发延时的最大值。若对线路传输延时不进行考虑，那么交换机总延时可表示为其他三项延时的总和，以这样的方法则可将交换机的总延时计算出。

3 MU同步时过程层跨间隔信息共享能力分析

按照上述模拟仿真和试验分析，在计算过程中，交换机存储转发延时取3.6us，采样率为80点，那么集成保护装置能够接受的最大跨间隔信息路数n=50/36=6.9，基本为7路。

假如仅仅完成传统三段式过电流保护算法，集成保护的数据处理能力不会较大的影响保护的运行特性。然而在兼容多间隔信息保护原理中，在一个采样间隔内，要CPU完成多数据的基本处理以及一些后续的保护判据，存在较大的计算量，就必须要对保证保护的动作四性进行考虑。

如，当前构建的试验平台的单回线路傅里叶计算约190us，那么采样率为40点时最多能处理的路数n=500/190=2.6，仅仅只有2路；采样率为点80点仅能完成可靠处理1路数据，介于这种数据瓶颈，有三种可行的改进方法:一种是和PowerPC相似的高性能CPU或多CPU并行处理分析；另一种是尽快研发出小计算量、快速处理数据信号的方法；再就是预处理合并单元中的数据，减轻过程层数据通信压力，促进集成保护控制系统性能的提高，这也是当前研究的一个重要方向。