智能配電模式下的變電站集成保護以及控制信息的共享方式探討

柯樺

（廣東電網公司珠海供電局，廣東 珠海 519000）

隨著分布式新能源的不斷饋入和人們對供電質量要求的提高，相應的要求了智能配電變電站需提供更可靠、快速、靈活的保護和控制功能。為了能夠促進變電站保護測控性能的提高，還需進一步將跨間隔信息進行實施的共享融合，然而在這個過程中，還要確保過程總線站域保護對信息交換的穩定可靠性和高度實時性予以控制。

1 分析智能配電變電站站域保護控制的通信需求

1.1 傳統變電站綜合自動化系統

傳統的變電站綜合自動化系統是采取分層分布配置。通常根據變電站控制的對象和層次，將綜合自動化控制系統設置成二層式分布控制系統結構，站控層和間隔層，也就是全站控制和就地單元控制。

在該系統結構中，站控層系統主要對后臺進行監控、保護信息子站、遠動通信管理機。其中監控后臺是以全站的測控裝置和現場測控網絡相互連接，進而實現對整個變電站的監控；利用自動裝置和測控裝置對變電站當地控制和監視信息進行采集。遠動通信管理機主要是完成對變電站各測控裝置輸出信息的接收工作，該裝置接收到的信息和監控后臺相同，能夠相調度中心將這些信息上傳。保護信息子站是以現場總線或者RS232/485通信接口和故障錄波裝置、保護裝置連接，從而接收保護裝置故障波形和運行狀態信息，同時還能夠遠方查看、修改保護值，實現遠方對裝置的信號復位。

間隔層則是根據站內一次設備進行分布式配置，包含了控制、測量元件，繼電保護元件。其中控制、測量元件主要是完成該間隔的斷路器，監視、測量的操作控制，閉鎖和時間順序的記錄等；而繼電保護元件則是完成該間隔變壓器、線路等設備的故障記錄和保護等。這些裝置通過串行總線或者局部網絡和站控層之間進行聯系。在間隔層中，其組成部分有10kV電壓互感電壓并列裝置、35kV電壓互感電壓并列裝置，線路、電容、主變、母線分段保護測控單元，現場網絡以及安全自動裝置。

1.2 數字化變電站自動化系統典型結構

當前的數字化變電站自動化系統是以全網絡方案和分層分布式結構組成，該系統可分為三層，變電站層、間隔層、過程層。其中過程層是以光電式或者電子式互感器、智能操作箱，在整個變電站中，是通過采樣數據與合并單元（MU）完成裝置的交流，并借助過程層網絡對信號進行實時傳輸。

數字化變電站通訊網絡可分成過程層和間隔層的過程層通訊網，以及間隔層和變電站層之間的間隔層通訊網。在整個數字化變電站自動化系統中，變電站層網絡，以及過程層面向通用對象的變電站采樣值（SV）報文網絡和事件（GOOSE）網絡為各自的體系，相互獨立；然而過程層采樣值數據呈周期性、數據量大，在傳輸過程中對可靠性、穩定性，以及實時性的要求較高，需要明確額控制延時。

相對于常規的變電站，數字化變電站間隔層和變電站層的網絡接口和設備僅僅是在通信模型和接口出現了變化；但是在過程層上的改變是非常大的，用電子式互感器、合并單元、智能化一次設備、光纖以太網通信等代替了傳統的一次設備、電壓互感器等。

2 數據共享的面向間隔組網的過程總線信息共享特性仿真

根據過程總線組網原則，以OPNET仿真軟件為基礎，可以把變電站過程總線子網分成三類。仿真模擬智能斷路器（ICB）、合并單元（MU），以及保護測控單元；數據鏈路為100Mbits/s。MU發送長度為123字節的SAV報文；所有在過程總線上的保護測控單元都接受智能斷路器和MU發來的信息報文。

以仿真模型作為基礎，最終的目標是確保網絡通信的可靠性和實時性，即丟包率為零，網絡端對端的通信實驗不超過4ms，對可靠性和實時性分別進行仿真分析，均可滿足采樣值數據共享需求的最大間隔數和最大采用率，然后利用escel軟件對數據進行統計分析，研究兩者間的函數特性，如圖1所示。網絡流量只要在運動范圍內，若間隔報文長度相同，那么能實現的數據共享最大間隔數和單間隔信號采樣率基本成反比關系。這種關系的擬合曲線可表示為y=1659x-1.03，其中y表示最大共享間隔數，x表示每周波信號采點數。

從圖1中可以看出，在采樣率為每周波80，200，400點時，可實現的數據共享的最大間隔數為16、7、3個。與此同時，圖一中也可以看出各仿真案例的網絡端對端時延值均不超過0.32ms。

圖1 采樣率和間隔數之間的函數特性

然而，當采樣率增加到每周波1000-1553點時，過程層網絡僅僅能確保單間隔數據的實時傳輸；若再出現采樣率上升的現象，那么將會嚴重的阻塞通信網絡性能。數據交互經過交換機的性能和數量直接決定了最大共享間隔數。交換機延時通常是有存儲轉發延時、交換機本身算法的延時、線路傳輸延時，以及報文排隊延時這四部分組成。其中，報文排隊延時會受到網絡負載和報文長度的影響，報文排隊延時的平均值可表示為:網絡負載×存儲轉發延時的最大值。若對線路傳輸延時不進行考慮，那么交換機總延時可表示為其他三項延時的總和，以這樣的方法則可將交換機的總延時計算出。

3 MU同步時過程層跨間隔信息共享能力分析

按照上述模擬仿真和試驗分析，在計算過程中，交換機存儲轉發延時取3.6us，采樣率為80點，那么集成保護裝置能夠接受的最大跨間隔信息路數n=50/36=6.9，基本為7路。

假如僅僅完成傳統三段式過電流保護算法，集成保護的數據處理能力不會較大的影響保護的運行特性。然而在兼容多間隔信息保護原理中，在一個采樣間隔內，要CPU完成多數據的基本處理以及一些后續的保護判據，存在較大的計算量，就必須要對保證保護的動作四性進行考慮。

如，當前構建的試驗平臺的單回線路傅里葉計算約190us，那么采樣率為40點時最多能處理的路數n=500/190=2.6，僅僅只有2路；采樣率為點80點僅能完成可靠處理1路數據，介于這種數據瓶頸，有三種可行的改進方法:一種是和PowerPC相似的高性能CPU或多CPU并行處理分析；另一種是盡快研發出小計算量、快速處理數據信號的方法；再就是預處理合并單元中的數據，減輕過程層數據通信壓力，促進集成保護控制系統性能的提高，這也是當前研究的一個重要方向。

結語

以上述特性分析為基礎，文中對滿足最大跨間隔信息共享的可靠性和實時性進行探討，同時提出了對集成保護的改進策略。為實現智能變電站域保護控制奠定了基礎。

[1]王賓，董新洲，許飛，曹潤彬，劉琨，薄志謙。智能配電變電站集成保護控制信息共享分析[J].中國電機工程學報.2011（1）.

[2]王秀梅，石磊，馬彬彬。淺談智能化變電站高級應用功能[J].中小企業管理與科技.2012（15）.

[3]董新洲，丁磊。數字化集成保護與控制系統結構設計方案研究[J].電力系統保護與控制.2009（1）.