基于互联网技术的电力系统广域保护通信系统探究

林 钢

（佛山供电局,佛山,528200）

基于互联网技术的电力系统广域保护通信系统探究

林 钢

（佛山供电局,佛山,528200）

近年来，我国电力工业正在改变传统的生产方式向新的发展阶段转变，智能电网、绿色发电等新战略的实施使得我国电网的可靠性也因此得到了极大的提高，相应地其运行控制难度也在增大。本文针对广域保护的通信系统提出了一种改进的最坏情况下一种新的加权公平队列调度算法，从而使得电力系统信息综合传输中各种信息业务的服务质量得到保证。

电力系统；广域保护；调度算法

1 课题研究背景及意义

随着“十二五”期间我国经济社会迅猛发展，电力需求持续增长，我国的电力工业在保证电力生产的同时积极开发绿色能源、优化能源结构，但是我国电网在供电可靠性提高的同时，其运行控制难度也在增大，电网自身存在着一系列较为复杂的问题，尤其是一旦电网发生事故，容易其运行方式独特容易产生连锁反应，将事故扩大化。在经历了多次大面积停电事故后，国内外电力工作者认识到除了优化的电力系统规划布局和先进的电力系统运行管理能够保证互联电网的安全稳定运行，需要加强继电保护和安全稳定控制方面的研究工作，先进的通信技术与信息技术的使用将有望提高电网的可靠性、安全性和运行效率，同时也为新型电力系统检测与控制应用提供了发展空间。因此本文在电力系统信息综合传输中引入WF2Q+算法，并对其进行了改进，下文将对此进行详细阐述。

2 广域保护定义及系统结构

2.1 广域保护的定义及特点分析

就整体而言，广域保护（ wide-area protection）可以归结为两类：一类是将传统继电保护和广域测量技术结合构成广域继电保护；另一类侧重点主要集中于广域信息的利用和安全功能的实现，具体操作是利用广域信息实现安全监视、控制、稳定边界计算及状态估计等功能。虽然两类广域保护系统具体实现的功能有所不同，但是二者皆从保证系统安全稳定运行的角度采取了较为合适的控制措施，以此来减弱或是消除扰动对系统带来的各类影响。

从上述分析中我们可以看出，广域保护应具备某些特点：（1）为了避免发生连锁跳闸、系统崩溃等恶性事故，广域保护需同时具备继电保护功能和安全自动控制功能，并且能够采取适当的继电保护和控制措施解决系统运行过程中的不同情况；（2）将以往相互独立的、分散的继电保护和安全自动控制功能结合在一个系统中实现，以此来加强对电力系统的运行状态预测和预防控制功能。

2.2 广域保护系统结构

目前，关于广域保护系统结构国内外学者提出不同的见解，一般可分为分布式、区域集中式、变电站集中式以及分层集中式。其中，在分布式广域保护系统中，广域保护算法内置于每个装设在变电站内部的保护IED中，分布式广域保护系统的广域保护决策过程完全在单个保护IED中实现，这使得分布式广域保护系统更适合于实现广域继电保护的功能。区域集中式广域保护系统其功能包括实现传统继电保护功能、通过通信网络与广域保护决策中心设备交换信息等。变电站集中式广域保护系统主要是利用收集到的信息实现广域保护算法，并向站内相应保护IED发送控制命令。分层集中式广域保护系统继承了区域集中式和变电站集中式广域保护系统的优势，而且它既能够与上层区域广域保护决策中心设备通信又能够与下层的保护IED通信，同时也能够弥补变电站集中式存在的一些缺点。

3 电力系统信息综合传输调度算法研究

电力系统不同于其他系统的运行，尤其是顺利实现其信息的综合传输不可避免的需要解决诸多潜在的问题，尤其是信息业务综合传输过程中存在的流量冲突问题，特别需要注意的是不仅要保证实时信息业务的服务质量，同时也不可忽视各类非实时信息服务质量，这些非实时信息也是传输过程中重要的组成部分。实现基于IP技术和区分服务体系结构模型的网络通信模式的关键技术包括队列调度法，本文主要对队列调度算法进行深入讨论，使其在对电力系统信息综合传输的服务质量问题进行解决时能够发挥出关键的作用。WFQ算法的分组服务顺序与GPS模型有很大差异，它是一种模拟通用处理器共享模型的队列调度算法，本文在WFQ算法基础上提出了WF2Q+算法，并通过将“虚拟延迟时间”引入WF2Q+算法解决了该算法在推迟传输高优先级信息业务分组的问题，进而提出了提出以基于IWF2Q+算法的区分服务体系结构模型实现电力系统信息综合传输。

3.1 WF2Q+算法介绍及分析

WF2Q+算法是一种基于GPS模型的分组公平队列调度算法，定义了与GPS模型最接近的虚拟时间，即。公式中不同的符号、公式所代表的意义是不同的，即t时刻对应的系统虚拟时间——经过更新时间间隔后的系统虚拟时间用——会话i头部分组的序号，所在会话i的虚拟开始时间，i=1,2,···，n表示会话序号。在WF2Q+算法中引入“虚拟延迟时间”后，公式可表示为：

图1 WF2Q+算法服务顺序分析

WF2Q+算法调度队列过程分为三种状态，分别为初始状态、忙状态以及空闲状态，图1所示即WF2Q+算法服务顺序分析。

在实际的信息业务传输过程中，分组到达各列队头部的时间会存在一定的微小差别，致使根据GPS模型得到的各队列头部分组服务顺序也出现微小差别，从而也会影响到WF2Q+调度器先为高优先级队列内分组提供服务，还是为低优先级队列提供服务。观察图1我们可以发现，优先级较高的信息业务在电力系统分组传输过程中不能保证其实时性，关键在于优先级较高的信息业务分组到达时间较晚，从而使得优先级较低的信息业务“捷足先登”，到达时间稍快，影响了电力系统高优先级信息业务分组传输的实时性。

3.2 改进的WF2Q+算法——IWF2Q

基于上述问题，为了保证电力系统信息综合传输中高优先级信息业务分组的实时性，本文采用了PQ调度算法，并用PQ算法原理对WF2Q+算法进行改进，按照这种方式获得的算法非常有可能将高优先级分组推迟传输问题轻而易举地解决，同时也能保持良好的公平性。具体操作如下：将优先级最高队列中传输

图2 三种算法情况下信息业务分组延时对比

IWF2Q+算法与WF2Q+算法都采用SEFF分组选择策略，此时，不得大于系统虚拟时间，并且越小的队列中的分组越优先获得调度器的服务，通过这种方式高优先级队列中所转发分组的延时得到了降低。

4 仿真分析

本文首先仿真对比电网发生故障时WFQ算法、WF2Q+算法和IWF2Q+算法情况下IEEE14母线系统各变电站与控制中心站之间变换信息时4类信息业务分组的平均延时，结果如图2所示。

观察图2可知，WF2Q+算法与WFQ算法在保证信息业务实时性方面的性能不相上下，而WF2Q+算法推迟传输高优先级信息业务分组的问题可通过IWF2Q+算法解决，并且能够减小高优先级信息业务分组延时，同时也会导致低优先级信息业务分组延时变大。

其次仿真对比电网发生故障时PQ算法、WF2Q+算法和IWF2Q+算法情况下得到的系统中各变电站与控制中心站之间传输四类信息业务的平均服务速率，如图3所示。

该结果说明基于WF2Q+算法和IWF2Q+算法的区分服务体系结构模型能够较好地协调不同优先级信息业务获得的服务效率，达到了各类信息业务传输的公平性，且性能相当。

5 课题研究结论及展望

现代经济和社会的发展使得电力系统的电网复杂程度增加,未来的电网不可避免的将是信息网与电力网构成的相互依存的复合网络，广域保护能够避免传统继电保护和安全稳定控制存在问题，而先进的通信技术与信息技术的使用将有望提高电网的可靠性、安全性以及运行效率。基于互联网协议的通信技术，将为实现广域保护系统通信提供新的技术手段，为未来电网同一电力信息专用网络平台的构建奠定理论基础。

[1] 王阳光.应对灾变的广域保护信息处理及通信技术研究[D].华中科技大学 2010

[2] 徐天奇,尹项根,游大海,王阳光,李程.广域保护系统功能与可行结构分析[J].电力系统保护与控制. 2009(03)

[3] 何志勤.基于故障元件识别的智能电网广域后备保护关键技术研究[D]. 华中科技大学 2012

Power system wide area protection communication system based on Internet technology research

Lin Gang
(Foshan power supply bureau,foshan,528200)

In recent years,our country electric power industry is changing the traditional mode of production to a new stage of development,smart grid,and the implementation of the new strategy such as green power makes the reliability of the power grid in our country and therefore has been greatly improved,accordingly its operation control difficulty is also ris ing.This article in view of the wide area protection communication system is put forward an improved the worst case,a new weighted fair queue scheduling algorithm,thus making all kinds of information in power system integrated information transmission business service quality guaranteed.

power system; Wide-area protection; Scheduling algorithm

图3 PQ、WF2Q+算法和IWF2Q+算法公平性对比

林钢（1983），男，四川遂宁人，大学学士，高级技师，主要从事电力通信线路运维、技术研究工作；