基于區(qū)域電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)保護調(diào)控一體化方案的同一斷面穩(wěn)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

張道杰

(許繼集團有限公司，河南省許昌市461000)

0 引言

目前智能變電站建設(shè)主要停留在對IEC 61850標準及相關(guān)工程建設(shè)規(guī)范細節(jié)的驗證、實現(xiàn)階段，變電站保護及自動化的功能實現(xiàn)無論是在原理上，還是在技術(shù)體系上都沿襲了傳統(tǒng)綜自系統(tǒng)的構(gòu)成，智能變電站的優(yōu)勢未得到充分體現(xiàn);可再生能源的加入，使一些傳統(tǒng)綜自系統(tǒng)的遺留問題更顯突出，如后備保護整定值無法適應(yīng)系統(tǒng)的動態(tài)變化，大量的后備保護之間整定配合困難，整定時間過長;變電站內(nèi)缺乏一個統(tǒng)一的全景信息整合及與外部系統(tǒng)進行信息互聯(lián)的技術(shù)手段。保護的故障檢測技術(shù)有限，故障判斷和定位還未能做到及時、準確的要求［1-4］。

國產(chǎn)能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)總體已達到國際先進水平，為電網(wǎng)運行控制提供了堅強的技術(shù)支撐。廣域相量測量系統(tǒng)(wide area measurement system，WAMS)得到了成功應(yīng)用，提高了電網(wǎng)動態(tài)監(jiān)視和事故分析的水平。但是，在穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控中也存在以下不足:

(1)在調(diào)度形成的斷面中數(shù)據(jù)實時性和同步性較低，無法實現(xiàn)統(tǒng)一斷面的電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)潮流監(jiān)視。

(2)受制于信息傳輸容量及電源管理單元(power management unit，PMU)造價等因素，間隔PMU為WAMS主站提供的同步實時量測信息非常有限，其他大量的測量信息仍然需要通過狀態(tài)估計進行計算獲得，這不但降低了系統(tǒng)動態(tài)分析的實時性，也影響了系統(tǒng)分析決策的準確性

本文針對以上問題，將介紹新的調(diào)控一體化方案;分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)對象的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)，利用這種數(shù)據(jù)組織形式，在新技術(shù)的平臺上能簡化區(qū)域電網(wǎng)同一斷面穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控的復(fù)雜度，對斷面潮流監(jiān)視流程進行優(yōu)化，實現(xiàn)對線路和斷面運行狀況的在線監(jiān)測、潮流超限斷面報警和超限記錄統(tǒng)計分析等功能，實現(xiàn)同一斷面的實時分析。

1 調(diào)控一體化方案簡介

基于網(wǎng)絡(luò)保護的調(diào)控一體化系統(tǒng)，采用高速分組傳送網(wǎng)絡(luò)(packet transport network，PTN)通信傳輸和同步對時國際標準，變電站內(nèi)取消間隔層和站控層，過程層信息通過通信網(wǎng)絡(luò)上傳至調(diào)度設(shè)備層，將調(diào)度范圍內(nèi)的保護控制功能集中實現(xiàn)，同時形成統(tǒng)一的斷面實時全景信息平臺，為調(diào)控一體化和智能調(diào)度提供技術(shù)支撐。

系統(tǒng)分3層結(jié)構(gòu)，各層結(jié)構(gòu)由2層網(wǎng)絡(luò)連接?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

過程層設(shè)備主要完成網(wǎng)絡(luò)保護、調(diào)控、計量等功能的全景實時數(shù)據(jù)的采集及上送，同時接收保護調(diào)控中心設(shè)備層下發(fā)的控制命令并完成執(zhí)行。變電站內(nèi)按間隔配置綜合智能設(shè)備，完成合并單元、智能終端、測量、計量、就地保護、PMU等多種功能。過程層網(wǎng)絡(luò)采用專用PTN通信網(wǎng)，站內(nèi)各間隔的綜合智能設(shè)備通過光纖連接至PTN設(shè)備;PTN設(shè)備通過光纖連接至高速PTN網(wǎng)。

設(shè)備層按區(qū)域劃分后配置相應(yīng)的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)保護。將區(qū)域電網(wǎng)整體視為保護對象，利用區(qū)域電網(wǎng)信息構(gòu)成區(qū)域網(wǎng)絡(luò)保護。設(shè)備層配置數(shù)據(jù)通信前置機，接收區(qū)域電網(wǎng)的實時調(diào)控數(shù)據(jù)，優(yōu)化處理后送至智能調(diào)度系統(tǒng)。

圖1 一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of integration system

調(diào)控層將區(qū)域電網(wǎng)整體視為監(jiān)控對象，利用設(shè)備層信息完成區(qū)域電網(wǎng)的監(jiān)視和控制功能。在區(qū)域保護、控制、調(diào)度中心實現(xiàn)區(qū)域各變電站一次設(shè)備及設(shè)備層狀態(tài)的可視化監(jiān)視、變電站在線操作、區(qū)域電源備投、區(qū)域無功控制等功能。利用實時的區(qū)域電網(wǎng)全景數(shù)據(jù)，完成區(qū)域電網(wǎng)的智能調(diào)控功能。基于實時同一斷面數(shù)據(jù)的電網(wǎng)安全穩(wěn)態(tài)分析、評估及控制系統(tǒng)，實現(xiàn)真正意義上的調(diào)控一體化，使系統(tǒng)分析、預(yù)警、控制具備實時性，可實現(xiàn)調(diào)度策略的實時在線調(diào)控、智能調(diào)度。

2 全景信息平臺的建設(shè)

2.1 全景數(shù)據(jù)平臺及其特點

基于分布式原理設(shè)計，遵循國際開放式標準IEC 61850和IEC 61970，統(tǒng)一建模、統(tǒng)一源端維護、統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口［5-8］，如圖2所示。體系結(jié)構(gòu)面向網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用軟件的開發(fā)面向應(yīng)用數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)面向電力系統(tǒng)對象。整個系統(tǒng)建立在統(tǒng)一的系統(tǒng)支持平臺上，能夠保證數(shù)據(jù)庫的分布性和一致性。關(guān)鍵應(yīng)用數(shù)據(jù)存儲在實時數(shù)據(jù)庫中，常駐內(nèi)存于有關(guān)節(jié)點，保證了數(shù)據(jù)庫訪問的快速性，歷史數(shù)據(jù)儲存在序列數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)模型儲存在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。設(shè)備層保護服務(wù)器按區(qū)域分組，每臺服務(wù)器對應(yīng)1個本區(qū)域?qū)崟r數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫，對每個實時庫的訪問通過對應(yīng)的實時庫代理服務(wù)，如同就地訪問一樣快捷方便。所有的設(shè)備處于1個目錄服務(wù)管理之中，對于不同分區(qū)設(shè)備對象的訪問，可以先訪問目錄服務(wù)，找到對應(yīng)的區(qū)域、實時庫。

目前在國內(nèi)調(diào)度系統(tǒng)的SCADA/EMS系統(tǒng)中，通常采用ORACLE的關(guān)系數(shù)據(jù)庫來存儲電網(wǎng)模型及歷史數(shù)據(jù)。但隨著PMU數(shù)據(jù)的接入，采用ORACLE的關(guān)系數(shù)據(jù)庫來存儲電網(wǎng)海量動態(tài)數(shù)據(jù)已不能滿足存儲及實時讀取的要求［9］，需要時序數(shù)據(jù)庫。

時序數(shù)據(jù)庫雖然提供了歷史數(shù)據(jù)的高速緩沖區(qū)，但本質(zhì)上是一種純文件系統(tǒng)的存儲方式。Mysql、ORACLE這些商用數(shù)據(jù)庫在存儲、查詢、分布式訪問、管理上均好于純文件系統(tǒng)。另一方面，時序數(shù)據(jù)庫主要面向數(shù)據(jù)，點與點之間沒有關(guān)系，對電網(wǎng)模型和結(jié)構(gòu)的描述支持很弱，而Mysql、ORACLE數(shù)據(jù)庫用于描述電網(wǎng)模型等方面的技術(shù)非常成熟。

2.2 系統(tǒng)層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前數(shù)據(jù)平臺比較流行的運行方式為采用一種層次+關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述，按照電力系統(tǒng)設(shè)備區(qū)域劃分為設(shè)備、間隔、廠站3個層次，這種表達方法清晰、直觀，符合電力系統(tǒng)特點，但是隨著智能分析、智能告警等電力系統(tǒng)高級應(yīng)用軟件(power application software，PAS)系統(tǒng)的深入發(fā)展和對數(shù)據(jù)的深入挖掘，出現(xiàn)了更多跨設(shè)備跨區(qū)域的虛設(shè)備，對具有相似特性的數(shù)據(jù)進行分組，組成新的復(fù)雜層次來管理。本文的數(shù)據(jù)平臺運行方式采用一種容器類+對象類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述，比前者具有更易操作的優(yōu)點?；贗EC 61850標準，從全局的視點出發(fā)，給出變電站物理設(shè)備、邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)對象的信息模型，采用基本對象類或者設(shè)備對象類與之對應(yīng);對于變電系統(tǒng)的間隔、區(qū)域、廠站對象則采用容器類與之對應(yīng)，容器通過包含功能可以形成較深層次。系統(tǒng)中各種實際測量值的傳輸采集遵循IEC 61850協(xié)議，以過程層的設(shè)備對象為基本單位進行管理，用容器類對所有設(shè)備重新分組檢索管理。

基本對象類包括遙測類、遙信類、遙控類、遙脈類、基本數(shù)據(jù)字符類。

圖2 數(shù)據(jù)平臺的組織結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of data platform

設(shè)備對象類包含各種基本對象類。

容器類包括設(shè)備對象類、容器類(可分層次)、層次標識(基本數(shù)據(jù)字符)，屬于虛設(shè)備類。

3 統(tǒng)一斷面穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控

現(xiàn)行變電站監(jiān)控系統(tǒng)為調(diào)控一體化系統(tǒng)提供的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)實時性指標一般為3～5 s，且不帶同步時間標簽，由此導(dǎo)致調(diào)度穩(wěn)態(tài)潮流實時監(jiān)視信息不在同一斷面，無法保證斷面負荷平衡，現(xiàn)行的電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)潮流監(jiān)視、實時數(shù)據(jù)統(tǒng)計、負荷預(yù)測等應(yīng)用的精確性都受到一定的影響。

基于網(wǎng)絡(luò)保護下的調(diào)控一體化系統(tǒng)，由變電站過程層綜合智能設(shè)備通過高速PTN網(wǎng)絡(luò)直接將穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)控中心，實時性指標可達到ms級，且?guī)в腥W(wǎng)同步時間標簽;信息的完整性、實時性和同步性得到了保證。由于實現(xiàn)了電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)和暫態(tài)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、存儲和管理，在全景數(shù)據(jù)平臺的支撐下，可以實現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)監(jiān)視、控制，電網(wǎng)暫態(tài)過程分析等自動化功能的一體化，實現(xiàn)調(diào)度自動化二次系統(tǒng)信息的整合。

3.1 輸電斷面的確定

在實際電力運行中，輸電斷面一般由調(diào)度員根據(jù)系統(tǒng)運行經(jīng)驗選定，也有專家系統(tǒng)軟件幫助確定局域電網(wǎng)的多個輸電斷面，可以互相參照。在實時狀況下，由于系統(tǒng)狀態(tài)不斷變化，過載線路位置各有不同，相關(guān)輸電斷面的組成也在不斷變化。因此，根據(jù)經(jīng)驗事先選定的方法難以滿足在線實時控制的要求?，F(xiàn)在對在線搜尋輸電斷面的研究較多，由動態(tài)方法得到的輸電斷面往往需要進一步甄別關(guān)鍵斷面，這種輸電斷面也常常發(fā)生變化。因此應(yīng)重點監(jiān)視人工確定的關(guān)鍵斷面，自動檢測到的斷面只作為輔助監(jiān)視使用［10］。

3.2 輸電斷面的監(jiān)視

輸電斷面由一些相關(guān)元素組成，包括相關(guān)的一組節(jié)點、節(jié)點之間的連線、連線兩端的遙測量以及由此得到潮流值;還包括各種輸電斷面的幾種主要運行方式，每種運行方式斷面中每條線路的運行狀態(tài)、斷面所屬電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)方式、穩(wěn)措方式、其他約束條件以及該運行方式對應(yīng)的斷面潮流極限值等信息［11］。

輸電斷面的監(jiān)視主要對相關(guān)節(jié)點的狀態(tài)參數(shù)、各條線路的檢測值進行實時監(jiān)視;在潮流計算時已經(jīng)得到相關(guān)的臨界閥值，當檢測值發(fā)生變化或者異常時，系統(tǒng)會給出各種告警，并根據(jù)參數(shù)配置、方案設(shè)置，對斷面做出綜合判斷，提出恰當?shù)膱?zhí)行方案供調(diào)度人員參考。

3.3 輸電斷面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

穩(wěn)定斷面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)已有較多的研究，本文采用方式定義，對斷面監(jiān)視、線路斷面限額等給予類和容器描述，為穩(wěn)態(tài)監(jiān)視算法設(shè)計提供操作數(shù)據(jù)，簡化算法設(shè)計、優(yōu)化程序運行。

根據(jù)設(shè)備對象的定義，斷面、線路并不是實際設(shè)備對象，可稱之為虛設(shè)備，其包含的測點實際上是設(shè)備對象的一些測點。虛設(shè)備測點的值通過全景數(shù)據(jù)平臺接口直接引用相關(guān)設(shè)備測點的值，如圖3所示。

圖3 斷面類型Fig.3 Section type

斷面檢測建立在運行方式的基礎(chǔ)上，不同的輸送電方案連接點和連接線路可能不同，在不同的方案下，連接點和線路的約束條件有可能不一致，當潮流計算結(jié)果超過限額時就應(yīng)告警或提醒人員采取措施。

4 斷面監(jiān)控服務(wù)主程序

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow chart

斷面檢測服務(wù)程序框架如圖4所示，斷面拓撲分析通常根據(jù)區(qū)域設(shè)備拓撲連接方式對斷面關(guān)注的相關(guān)設(shè)備進行分析，確定斷面運行方式，讀入方式運行的配置參數(shù)，一般為自動讀入，在特殊情況下也可以在線修改手動輸入的參數(shù)，由于方式參數(shù)儲存在實時庫中，執(zhí)行效率高。拓撲分析是平臺的基本功能，對方式配置進行準確的體現(xiàn)，并通過可視化展示，斷面方式給予直觀監(jiān)控。本服務(wù)建立在基于全景數(shù)據(jù)的調(diào)控一體化監(jiān)控平臺上，全局統(tǒng)一對時，大容量傳輸信道，過程層上送帶時標的實時數(shù)據(jù)覆蓋了各種需要，穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)控計算［12］所需要的數(shù)據(jù)幾乎可以看作是同一時刻上傳;計算結(jié)果準確及時，通過平臺豐富的展示手段，如實時瀏覽、實時曲線、方差曲線檢測，甚至能預(yù)見各種數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢，對調(diào)控操作具有很強的指導(dǎo)性。由于平臺已具有對各種事件、告警、操作等準確記錄功能，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)庫，能對穩(wěn)態(tài)事件發(fā)展做到準確回溯。

5 工程應(yīng)用

基于全景信息平臺的調(diào)控一體化系統(tǒng)，是一種全新的架構(gòu)模式，保護模式、調(diào)度、自動化監(jiān)視等方面都發(fā)生了較大變化，本文只關(guān)注了電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)監(jiān)控。前期只在東北某地區(qū)220 kV七臺河變電站為中心投入了一體化監(jiān)控系統(tǒng)，從2011年11月投運以來，試運行效果比較滿意。在以下幾方面產(chǎn)生了突出作用:(1)因為該地區(qū)地處我國北部地區(qū)，冬季易發(fā)大雪，今年2月份氣候潮濕、線路覆冰嚴重，線路監(jiān)視功能及時發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)，經(jīng)巡視工作人員及時查驗，避免了不可預(yù)估的事故發(fā)生;(2)本系統(tǒng)的電網(wǎng)斷面在線監(jiān)測功能也得到了檢驗，在迎峰度夏檢修中，暫停某線路運行，系統(tǒng)根據(jù)開關(guān)節(jié)點拓撲關(guān)系，自動切換運行方式，并及時發(fā)出語音警告，同時推出監(jiān)視圖形進行提示;(3)檢修結(jié)束后，根據(jù)系統(tǒng)的日志記錄功能對斷面潮流超限起止時間、最大超限潮流值、解決措施等信息進行統(tǒng)計分析并生成日報表，便于調(diào)度人員對斷面運行狀態(tài)進行分析，同時也可為將來的電網(wǎng)規(guī)劃提供參考。

6 結(jié)論

(1)本文介紹了調(diào)控一體化方案，對新的一體化監(jiān)控結(jié)構(gòu)作了說明，并對相關(guān)技術(shù)設(shè)備的變革進行了介紹。

(2)構(gòu)造了一種分布式全景數(shù)據(jù)平臺，對跨區(qū)域，多個分布式實時庫、商業(yè)數(shù)據(jù)庫、序列數(shù)據(jù)的管理使用提出了解決方案。利用注冊目錄服務(wù)，實現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，構(gòu)建全局數(shù)據(jù)模型，為調(diào)控一體化提供了支持。

(3)在調(diào)控一體化監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用全景數(shù)據(jù)平臺，為同一斷面穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)提出1組新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。利用斷面監(jiān)視流程重新設(shè)計，去掉狀態(tài)估計，簡化系統(tǒng)處理的復(fù)雜度層，提高了計算結(jié)果精度。

(4)本文只對斷面監(jiān)視進行了研究，調(diào)控以及各種實時極限運算應(yīng)用將是下一步研究的重點。

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