基于互聯網技術的電力系統廣域保護通信系統探究

林 鋼

（佛山供電局,佛山,528200）

基于互聯網技術的電力系統廣域保護通信系統探究

林 鋼

（佛山供電局,佛山,528200）

近年來，我國電力工業正在改變傳統的生產方式向新的發展階段轉變，智能電網、綠色發電等新戰略的實施使得我國電網的可靠性也因此得到了極大的提高，相應地其運行控制難度也在增大。本文針對廣域保護的通信系統提出了一種改進的最壞情況下一種新的加權公平隊列調度算法，從而使得電力系統信息綜合傳輸中各種信息業務的服務質量得到保證。

電力系統；廣域保護；調度算法

1 課題研究背景及意義

隨著“十二五”期間我國經濟社會迅猛發展，電力需求持續增長，我國的電力工業在保證電力生產的同時積極開發綠色能源、優化能源結構，但是我國電網在供電可靠性提高的同時，其運行控制難度也在增大，電網自身存在著一系列較為復雜的問題，尤其是一旦電網發生事故，容易其運行方式獨特容易產生連鎖反應，將事故擴大化。在經歷了多次大面積停電事故后，國內外電力工作者認識到除了優化的電力系統規劃布局和先進的電力系統運行管理能夠保證互聯電網的安全穩定運行，需要加強繼電保護和安全穩定控制方面的研究工作，先進的通信技術與信息技術的使用將有望提高電網的可靠性、安全性和運行效率，同時也為新型電力系統檢測與控制應用提供了發展空間。因此本文在電力系統信息綜合傳輸中引入WF2Q+算法，并對其進行了改進，下文將對此進行詳細闡述。

2 廣域保護定義及系統結構

2.1 廣域保護的定義及特點分析

就整體而言，廣域保護（ wide-area protection）可以歸結為兩類：一類是將傳統繼電保護和廣域測量技術結合構成廣域繼電保護；另一類側重點主要集中于廣域信息的利用和安全功能的實現，具體操作是利用廣域信息實現安全監視、控制、穩定邊界計算及狀態估計等功能。雖然兩類廣域保護系統具體實現的功能有所不同，但是二者皆從保證系統安全穩定運行的角度采取了較為合適的控制措施，以此來減弱或是消除擾動對系統帶來的各類影響。

從上述分析中我們可以看出，廣域保護應具備某些特點：（1）為了避免發生連鎖跳閘、系統崩潰等惡性事故，廣域保護需同時具備繼電保護功能和安全自動控制功能，并且能夠采取適當的繼電保護和控制措施解決系統運行過程中的不同情況；（2）將以往相互獨立的、分散的繼電保護和安全自動控制功能結合在一個系統中實現，以此來加強對電力系統的運行狀態預測和預防控制功能。

2.2 廣域保護系統結構

目前，關于廣域保護系統結構國內外學者提出不同的見解，一般可分為分布式、區域集中式、變電站集中式以及分層集中式。其中，在分布式廣域保護系統中，廣域保護算法內置于每個裝設在變電站內部的保護IED中，分布式廣域保護系統的廣域保護決策過程完全在單個保護IED中實現，這使得分布式廣域保護系統更適合于實現廣域繼電保護的功能。區域集中式廣域保護系統其功能包括實現傳統繼電保護功能、通過通信網絡與廣域保護決策中心設備交換信息等。變電站集中式廣域保護系統主要是利用收集到的信息實現廣域保護算法，并向站內相應保護IED發送控制命令。分層集中式廣域保護系統繼承了區域集中式和變電站集中式廣域保護系統的優勢，而且它既能夠與上層區域廣域保護決策中心設備通信又能夠與下層的保護IED通信，同時也能夠彌補變電站集中式存在的一些缺點。

3 電力系統信息綜合傳輸調度算法研究

電力系統不同于其他系統的運行，尤其是順利實現其信息的綜合傳輸不可避免的需要解決諸多潛在的問題，尤其是信息業務綜合傳輸過程中存在的流量沖突問題，特別需要注意的是不僅要保證實時信息業務的服務質量，同時也不可忽視各類非實時信息服務質量，這些非實時信息也是傳輸過程中重要的組成部分。實現基于IP技術和區分服務體系結構模型的網絡通信模式的關鍵技術包括隊列調度法，本文主要對隊列調度算法進行深入討論，使其在對電力系統信息綜合傳輸的服務質量問題進行解決時能夠發揮出關鍵的作用。WFQ算法的分組服務順序與GPS模型有很大差異，它是一種模擬通用處理器共享模型的隊列調度算法，本文在WFQ算法基礎上提出了WF2Q+算法，并通過將“虛擬延遲時間”引入WF2Q+算法解決了該算法在推遲傳輸高優先級信息業務分組的問題，進而提出了提出以基于IWF2Q+算法的區分服務體系結構模型實現電力系統信息綜合傳輸。

3.1 WF2Q+算法介紹及分析

WF2Q+算法是一種基于GPS模型的分組公平隊列調度算法，定義了與GPS模型最接近的虛擬時間，即。公式中不同的符號、公式所代表的意義是不同的，即t時刻對應的系統虛擬時間——經過更新時間間隔后的系統虛擬時間用——會話i頭部分組的序號，所在會話i的虛擬開始時間，i=1,2,···，n表示會話序號。在WF2Q+算法中引入“虛擬延遲時間”后，公式可表示為：

圖1 WF2Q+算法服務順序分析

WF2Q+算法調度隊列過程分為三種狀態，分別為初始狀態、忙狀態以及空閑狀態，圖1所示即WF2Q+算法服務順序分析。

在實際的信息業務傳輸過程中，分組到達各列隊頭部的時間會存在一定的微小差別，致使根據GPS模型得到的各隊列頭部分組服務順序也出現微小差別，從而也會影響到WF2Q+調度器先為高優先級隊列內分組提供服務，還是為低優先級隊列提供服務。觀察圖1我們可以發現，優先級較高的信息業務在電力系統分組傳輸過程中不能保證其實時性，關鍵在于優先級較高的信息業務分組到達時間較晚，從而使得優先級較低的信息業務“捷足先登”，到達時間稍快，影響了電力系統高優先級信息業務分組傳輸的實時性。

3.2 改進的WF2Q+算法——IWF2Q

基于上述問題，為了保證電力系統信息綜合傳輸中高優先級信息業務分組的實時性，本文采用了PQ調度算法，并用PQ算法原理對WF2Q+算法進行改進，按照這種方式獲得的算法非常有可能將高優先級分組推遲傳輸問題輕而易舉地解決，同時也能保持良好的公平性。具體操作如下：將優先級最高隊列中傳輸

圖2 三種算法情況下信息業務分組延時對比

IWF2Q+算法與WF2Q+算法都采用SEFF分組選擇策略，此時，不得大于系統虛擬時間，并且越小的隊列中的分組越優先獲得調度器的服務，通過這種方式高優先級隊列中所轉發分組的延時得到了降低。

4 仿真分析

本文首先仿真對比電網發生故障時WFQ算法、WF2Q+算法和IWF2Q+算法情況下IEEE14母線系統各變電站與控制中心站之間變換信息時4類信息業務分組的平均延時，結果如圖2所示。

觀察圖2可知，WF2Q+算法與WFQ算法在保證信息業務實時性方面的性能不相上下，而WF2Q+算法推遲傳輸高優先級信息業務分組的問題可通過IWF2Q+算法解決，并且能夠減小高優先級信息業務分組延時，同時也會導致低優先級信息業務分組延時變大。

其次仿真對比電網發生故障時PQ算法、WF2Q+算法和IWF2Q+算法情況下得到的系統中各變電站與控制中心站之間傳輸四類信息業務的平均服務速率，如圖3所示。

該結果說明基于WF2Q+算法和IWF2Q+算法的區分服務體系結構模型能夠較好地協調不同優先級信息業務獲得的服務效率，達到了各類信息業務傳輸的公平性，且性能相當。

5 課題研究結論及展望

現代經濟和社會的發展使得電力系統的電網復雜程度增加,未來的電網不可避免的將是信息網與電力網構成的相互依存的復合網絡，廣域保護能夠避免傳統繼電保護和安全穩定控制存在問題，而先進的通信技術與信息技術的使用將有望提高電網的可靠性、安全性以及運行效率。基于互聯網協議的通信技術，將為實現廣域保護系統通信提供新的技術手段，為未來電網同一電力信息專用網絡平臺的構建奠定理論基礎。

[1] 王陽光.應對災變的廣域保護信息處理及通信技術研究[D].華中科技大學 2010

[2] 徐天奇,尹項根,游大海,王陽光,李程.廣域保護系統功能與可行結構分析[J].電力系統保護與控制. 2009(03)

[3] 何志勤.基于故障元件識別的智能電網廣域后備保護關鍵技術研究[D]. 華中科技大學 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

圖3 PQ、WF2Q+算法和IWF2Q+算法公平性對比

林鋼（1983），男，四川遂寧人，大學學士，高級技師，主要從事電力通信線路運維、技術研究工作；