配電網(wǎng)信息一體化平臺(tái)建設(shè)初探

徐曉路，陳 清，胡建平

（紹興電力局，浙江 紹興 312000）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、信息及通信技術(shù)的發(fā)展，配電網(wǎng)自動(dòng)化的深度和廣度都將得到進(jìn)一步擴(kuò)展。全國大電網(wǎng)互聯(lián)和電力市場(chǎng)化改革的不斷深入也對(duì)配電自動(dòng)化提出了新的要求，信息數(shù)字化、規(guī)范化和一體化將是未來配電自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵[1-2]。在現(xiàn)有應(yīng)用功能中，由于時(shí)標(biāo)不統(tǒng)一造成的故障、自動(dòng)化隔離重構(gòu)后時(shí)序混亂、電網(wǎng)計(jì)算誤差放大等問題引起了生產(chǎn)部門的重視。本文以紹興電力局配電網(wǎng)自動(dòng)化工程為例，圍繞信息一體化這一目標(biāo)，從分層分控結(jié)構(gòu)的組成入手，就如何實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息監(jiān)控及三遙信息監(jiān)控一體化、全網(wǎng)基于GPS實(shí)現(xiàn)時(shí)標(biāo)一體化的問題進(jìn)行分析。以各系統(tǒng)之間的一體化水平為切入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通、信息數(shù)據(jù)共享，不但可以提高信息數(shù)據(jù)可靠性，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，還可減少維護(hù)人員的工作量。

1 配電網(wǎng)自動(dòng)化信息系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

紹興電力局配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)起點(diǎn)高、技術(shù)應(yīng)用先進(jìn)的原則進(jìn)行規(guī)劃，設(shè)計(jì)目標(biāo)是采用國內(nèi)先進(jìn)的設(shè)備，結(jié)合本單位計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，建立國內(nèi)一流、國際先進(jìn)的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，紹興城區(qū)的配電自動(dòng)化系統(tǒng)是一個(gè)分層控制系統(tǒng)，設(shè)一個(gè)控制中心，即配電網(wǎng)自動(dòng)化主站，同時(shí)按照“結(jié)構(gòu)分層、功能分級(jí)、布置就近、信息集中、控制可靠”的原則[3]，根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際情況，在外圍設(shè)置9個(gè)配電網(wǎng)自動(dòng)化分站。各分站行使本地線路設(shè)備監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)“三遙”數(shù)據(jù)的采集/轉(zhuǎn)發(fā)、故障隔離和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。城區(qū)采用主站控制方式，郊區(qū)采用獨(dú)立控制方式，結(jié)合部采用兩種方式并存并逐步向主站控制方式轉(zhuǎn)換，設(shè)備預(yù)留“三遙”接口，可實(shí)現(xiàn)“就地/遠(yuǎn)方”控制的靈活轉(zhuǎn)換，為最終實(shí)現(xiàn)有信道方式作準(zhǔn)備。整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)在主站集中監(jiān)控下的分層次監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)的故障檢測(cè)、定位、隔離與恢復(fù)控制分為3個(gè)層次，一是以配電終端FTU為基礎(chǔ)的故障檢測(cè)（或當(dāng)?shù)乜刂疲┖鸵蚤_關(guān)站RTU為單元的當(dāng)?shù)乜刂疲且耘潆娋W(wǎng)自動(dòng)化分站為輻射中心的低層區(qū)域控制，三是以主站為管理中心的高層全局控制。

設(shè)備選用方面，城區(qū)采用負(fù)荷開關(guān)（斷路器）+FTU+通信設(shè)備，其他區(qū)域采用斷路器+FTU（預(yù)留通信接口）方式。

至2009年12月底，紹興城區(qū)所有187座開關(guān)站全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。通信方式為：城區(qū)原則上采用光纜通信，聯(lián)接方式為雙環(huán)自愈式。已建成19個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)，安裝了約160個(gè)光調(diào)制解調(diào)器，并預(yù)留了與其他通信方式結(jié)合的接口。

2 系統(tǒng)分析及存在的問題

紹興城區(qū)的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)是一個(gè)分層控制系統(tǒng)，以調(diào)度主站為中心，根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際特點(diǎn)與需求，在外圍設(shè)置9個(gè)配電網(wǎng)自動(dòng)化分站。在底層開關(guān)站同時(shí)投運(yùn)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，所有相關(guān)數(shù)據(jù)通過GPRS無線通信方式直接上傳調(diào)度環(huán)境監(jiān)控主站和設(shè)備班組監(jiān)控前置機(jī)。由此可以看出，由于歷史原因，在開關(guān)站中普遍存在既有光纖通信方式（自動(dòng)化通信），又有GPRS通信方式（環(huán)境監(jiān)控），或者自動(dòng)化通信和環(huán)境監(jiān)控全部采用GPRS通信方式，在一定程度上造成通信信道的浪費(fèi)。

從系統(tǒng)底層和中間層角度看，考慮到實(shí)際運(yùn)行中人力不足等客觀原因，開關(guān)站故障隔離采用就地隔離方式，同時(shí)將相關(guān)信息上報(bào)主站。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，系統(tǒng)同步性問題逐漸顯露出來。由于目前系統(tǒng)對(duì)時(shí)采用分站接收GPS衛(wèi)星時(shí)間，然后對(duì)所有光纖通信設(shè)備進(jìn)行廣播對(duì)時(shí)，未

實(shí)現(xiàn)光纖通信的終端由主站接收GPS衛(wèi)星時(shí)間通過DNP通信規(guī)約經(jīng)GPRS通信對(duì)時(shí)。一般情況下，只要各通信系統(tǒng)正常工作，信息傳輸應(yīng)該沒有問題，但仍然存在信息的同步性問題。實(shí)際應(yīng)用中，由于GPRS無線通信受各種環(huán)境因素的影響很大，而光纖通信受線路施工、接口松動(dòng)、衛(wèi)星失步等因素影響，都會(huì)發(fā)生時(shí)標(biāo)丟失的情況[4-5]。而配電網(wǎng)的特點(diǎn)是點(diǎn)多面廣，此類缺陷又非重大缺陷，因此很難被發(fā)現(xiàn)。而且因間隔一段時(shí)間就要對(duì)時(shí)一次，只要不良因素消失，經(jīng)過一段時(shí)間后就能恢復(fù)正確時(shí)間[6]。但如果在時(shí)間丟失時(shí)段內(nèi)發(fā)生故障，由于時(shí)間不正常，就會(huì)極大地影響故障原因查找和自動(dòng)化動(dòng)作情況分析，給相關(guān)工作帶來不良影響。此類情況僅在2009年上半年就發(fā)生了2次，使自動(dòng)化工作人員很被動(dòng)。

3 配電網(wǎng)信息一體化平臺(tái)的基本框架

3.1 系統(tǒng)基本框架

紹興電力局配電自動(dòng)化系統(tǒng)基本框架如圖1所示。

在開關(guān)站內(nèi)部，原有的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)通過現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)經(jīng)過分時(shí)復(fù)用模塊接入光纖調(diào)制解調(diào)器，實(shí)現(xiàn)與主站的通信。

在城市中心區(qū)域采用光纖通信，市區(qū)及郊區(qū)考慮光纖通信和無線電或其他通信方式。

3.2 統(tǒng)一時(shí)標(biāo)系統(tǒng)

從現(xiàn)有的紹興配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)來看，系統(tǒng)時(shí)標(biāo)嚴(yán)格意義上并未實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。在主站設(shè)置了GPS天文時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有主站設(shè)備的統(tǒng)一對(duì)時(shí)。在中間層的各分站也安裝了GPS天文時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)了對(duì)分站自身設(shè)備的對(duì)時(shí)。而對(duì)分站管轄的開關(guān)站終端設(shè)備，則通過分站與終端設(shè)備之間的廣播對(duì)時(shí)協(xié)議實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一對(duì)時(shí)[7]。至于分站接入的變電所信息，由于變電所信息傳輸?shù)椒终緯r(shí)本身自帶時(shí)標(biāo)信息，且該時(shí)標(biāo)信息也同樣來自GPS天文時(shí)鐘，因此一般情況下分站對(duì)變電所信息不再執(zhí)行附加時(shí)標(biāo)操作，而是直接轉(zhuǎn)發(fā)主站。在正常情況下，不會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)混亂的現(xiàn)象，因此在進(jìn)行電網(wǎng)計(jì)算、故障模擬等操作時(shí)的結(jié)果是可信的。但是當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)某些特殊狀況，尤其是配電網(wǎng)通信條件惡劣時(shí)，將導(dǎo)致各設(shè)備之間的對(duì)時(shí)混亂[8]。由于主站對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理時(shí)都要先去掉原有時(shí)標(biāo)，再附加主站時(shí)標(biāo)，因此會(huì)造成電網(wǎng)計(jì)算結(jié)果有誤，甚至不收斂的情況[9]。在對(duì)電網(wǎng)故障動(dòng)作進(jìn)行分析時(shí)，也會(huì)發(fā)生實(shí)際動(dòng)作在后而主站顯示在前的時(shí)序錯(cuò)亂，給故障分析及確定電網(wǎng)運(yùn)行方式等工作造成嚴(yán)重困擾[10]。

經(jīng)綜合考慮，認(rèn)為可以將現(xiàn)有的GPS對(duì)時(shí)功能下放到開關(guān)站終端層，分站不再進(jìn)行廣播對(duì)時(shí)。在所有開關(guān)站安裝GPS對(duì)時(shí)設(shè)備，對(duì)開關(guān)站RTU實(shí)施不間斷對(duì)時(shí)。分站接收到的開關(guān)站終端設(shè)備信息和變電所配電網(wǎng)信息都帶有GPS時(shí)標(biāo)，因此無需處理就可以直接轉(zhuǎn)發(fā)主站，而主站的時(shí)標(biāo)同樣來自GPS天文時(shí)鐘，也可以確保全網(wǎng)所有數(shù)據(jù)的時(shí)標(biāo)完全統(tǒng)一，避免了由于通信故障等原因造成的時(shí)標(biāo)混亂現(xiàn)象，從而最終實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)時(shí)標(biāo)的一體化。

4 配電網(wǎng)信息一體化平臺(tái)的方案設(shè)計(jì)

4.1 基本設(shè)計(jì)思路

在開關(guān)站終端，由于目前安裝的開關(guān)站RTU系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)已基本滿足所需的各項(xiàng)自動(dòng)化監(jiān)控功能需求，因此主要的改造工作是將兩套系統(tǒng)的通信及時(shí)標(biāo)一體化。

4.2 通信一體化

由于目前大多數(shù)開關(guān)站具有光纖通信和GPRS無線通信兩種方式，自動(dòng)化監(jiān)控信息和環(huán)境監(jiān)控信息各走其道，既浪費(fèi)通信資源，也造成維護(hù)工作量增加。考慮到光纖通信條件要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于GPRS無線通信方式，因此確定統(tǒng)一采用光纖一體化通信方式。

開關(guān)站環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2可看出，各類環(huán)境監(jiān)控信息經(jīng)通信單元接入GPRS通信模塊上送主站。由于所有信息已經(jīng)過通信單元處理，GPRS模塊的工作只是將收到的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，因此可以直接將通信單元與開關(guān)站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中的光纖調(diào)制解調(diào)器相連，通過光纖通信上送分站，而分站只需在原有信息表上增加開關(guān)站環(huán)境監(jiān)控信息表即可實(shí)現(xiàn)正常通信。

4.3 時(shí)標(biāo)一體化

目前開關(guān)站時(shí)標(biāo)采用分站發(fā)廣播對(duì)時(shí)方式，各開關(guān)站RTU總控單元收到對(duì)時(shí)信號(hào)后進(jìn)行對(duì)時(shí)，然后再對(duì)站內(nèi)各分RTU進(jìn)行廣播對(duì)時(shí)。因此，設(shè)想將對(duì)時(shí)環(huán)節(jié)建在終端層面，在各開關(guān)站安裝GPS天文時(shí)鐘，對(duì)時(shí)信號(hào)直接接入開關(guān)站RTU單元進(jìn)行對(duì)時(shí)。系統(tǒng)框圖見圖3。

通過這種直接對(duì)時(shí)方式，不論各層各級(jí)之間通信狀況好壞，能始終確保時(shí)間的唯一性，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)全部開關(guān)站RTU單元的時(shí)標(biāo)統(tǒng)一[11-13]。

5 結(jié)語

圖1 配電網(wǎng)信息一體化系統(tǒng)基本框架

圖2 開關(guān)站環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)圖

圖3 開關(guān)站GPS對(duì)時(shí)示意圖

通過對(duì)紹興配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的深入分析，指出時(shí)標(biāo)不統(tǒng)一、通信信道資源浪費(fèi)是存在的主要問題。解決方案是構(gòu)建環(huán)境信息監(jiān)控及三遙信息監(jiān)控一體化平臺(tái)，在終端層面實(shí)現(xiàn)開閉所環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)與自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)信息傳輸?shù)囊惑w化，降低通信信道需求，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的統(tǒng)一對(duì)時(shí)，以確保全網(wǎng)時(shí)標(biāo)一體化的實(shí)現(xiàn)。

下一步改造思路是在現(xiàn)有應(yīng)用功能基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)一參數(shù)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一平臺(tái)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用系統(tǒng)圖模庫一體化和數(shù)據(jù)的整合及資源的共享。同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，方便各級(jí)、各部門之間數(shù)據(jù)信息互連，實(shí)現(xiàn)市局區(qū)調(diào)與縣局配調(diào)、生產(chǎn)營銷與配電網(wǎng)調(diào)度、調(diào)度主站與廠站終端之間的數(shù)據(jù)互連、資源共享。

[1]韓禎祥.電力系統(tǒng)分析[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1993.

[2]賀仁睦.電網(wǎng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控及管理系統(tǒng)的構(gòu)想[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化，2002，26（5）∶1-4.

[3]陳堂，趙祖康.配電系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2003.

[4]苗世洪，王少榮，劉沛，等.基于GPS的電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2000，24（12）∶52-54.

[5]郭強(qiáng)，夏邁止.GPS同步時(shí)鐘用于電力系統(tǒng)非線性勵(lì)磁控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1997，21（9）∶20-23.

[6]龍厚軍，胡志堅(jiān)，陳允平.基于GPS的功角測(cè)量及同步相量在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].繼電器，2004，32（3）∶39-44.

[7]姜延剛，高厚磊.適合廣域測(cè)量系統(tǒng)的通信網(wǎng)探討[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2004，16（3）∶57-60.

[8]吳在軍，胡敏強(qiáng).嵌入式以太網(wǎng)在變電站通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，27（1）∶71-75.

[9]黃文君，馮衛(wèi)標(biāo).實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程，2000，17（3）∶77-80.

[10]任雁銘，操豐梅.基于嵌入式以太網(wǎng)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化，25（17）∶36-38.

[11]胡廣書.數(shù)字信號(hào)處理——理論、算法與實(shí)現(xiàn)[M].北京∶清華大學(xué)出版社，1997.

[12]江道灼，孫偉華，陳素素.電網(wǎng)相量實(shí)時(shí)同步測(cè)量的一種新方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27（15）∶40-44.

[13]張雄偉.DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用（第3版）[M].北京∶電子工業(yè)出版社，1995.