多層分布分析法變電站綜自系統優化方案

陳 服

（國網浙江省電力公司瑞安市供電公司，浙江 瑞安 325200）

0 引言

變電站作為電網系統穩定運行的核心，其綜合自動化技術一直在變電站控制中得到廣泛應用，變電站綜合自動化系統不僅可以有效地解決傳統變電站存在的問題，還能將現有先進的計算機技術、電力電子技術、信號處理技術、通信技術等技術融合，實現對一二次設備有效的、合理的、智能化的控制，從而進一步提高供電系統的安全性、穩定性以及可靠性[1-2]。我國變電站綜合自動化系統的發展要晚于西方國家，雖然近些年變電站綜合自動化系統也取得了長足的進步[3-4]，但是我國在計算機技術和電力電子技術方面仍然落后于發達國家，在應用過程中經常會發現由于器件選型不合理導致變電站綜合自動化系統穩定性和適從性較差的問題。因此，該文對變電站綜合自動化系統進行深入研究，以期為進一步研究該技術提供一定的參考[5]。

1 變電站綜合自動化系統的一般模型

1.1 集中式結構模型

早在20 世紀80 年代，我國就開展了變電站綜合自動化系統方面的研究，由于受當時計算機和電力電子技術的限制，主要采用的是集中式結構模型，以RTU 為主控制器，并將現場總線與保護裝置、現場總線、顯示裝置、打印裝置物理的聯系在一起，實現其對各裝置的合理調控[6-7]。結構框圖如圖1 所示，本地監控主機和總控制器通過現場總線與開關柜保護測量裝置進行連接，主控制器通過發送指令實時采集各個開關柜的關鍵參數，本地監控主機將采集到的開關柜參數實時送到顯示裝置，對需要重點研究的參數，人工通過打印設備打印出來后，供現場工程師分析。

圖1 集中式結構模型

1.2 分散式結構模型

由于集中式結構模型在通信方面尤其是冗余方面較為復雜，系統難以定位到具體的故障點，配置起來也不夠靈活。隨著電力電子技術和通信技術的發展，我國在集中式結構模型上開展了分散式結構模型的設計，利用分散式結構對變電站綜合自動化系統進行了拆分，更進一步地細化分類，有效地提高了系統各模塊的性能[8]。分散式結構模型如圖2 所示，在這種結構模式中，系統模型主要分為3 段，第一段是保護和測控裝置，分散地安裝在各個設備間隔中，通過第二段的總線層連接到第三段的主控系統層，第三段主控系統層負責對整個系統的監控工作，各類數據通過第二段的現場總線與總控系統連接，再通過工業以太網與主監控系統通信。

圖2 分散式結構模型

1.3 集散式結構模型

集散式結構模型集合了集中式結構模型和分散式結構模型的優點，能夠顯著地減少設備接線和設備重復安裝，相應地減少二次設備的配置場地。由于是集散式結構模型，所以二次設備之間的耦合度有了明顯的降低，故障分析和日常維護的工作量也大幅減少。但集散式結構的缺點也就顯而易見了，配置更加困難，方案設計的難度也大大提高，如圖3所示，變電站綜合自動化系統的集散式結構模型，該模型將綜合自動化系統分成2 類模塊，一類是以本地監控主機為主的監控系統，另一類是以微控制器為主的保護控制系統，每類是按集中式結構模型搭建，兩類之間以分散式結構模型搭建。本地監控主機的監控系統中，本地監控主機通過I/O 接口模塊與開關柜關鍵參數的數字量和模擬量等被控量連接，將實時采集數據送到顯示設備，并將參數打印供現場工程師分析排查異常。微控制器為主的控制系統通過I/O 接口模塊與主變壓器、輸電線路、電容等裝置連接，根據主監控系統采集到的數據，由現場工程師決策是否啟動相應的保護。從該系統的結構上來看，該模型是集成了集中式結構模型和分散式結構模型的優點，將監控系統和保護系統分開，分別控制測量終端和保護終端，一定程度上解耦了二次設備，在日常維護和故障分析上，能夠更快更便捷地解決問題。

圖3 集散式結構模型

1.4 多層次分布式結構模型

隨著現場總線技術與互聯網技術的飛速發展，現階段的變電站綜合自動化系統的設計主要采用分層分布式結構模型，如圖4 所示。該模型是按照設備所屬功能層級進行分類，根據分類完成的配置。主要分為3 層：第一層是變電站層，該層利用站級主控制器及其外圍監控裝置構成主控層，完成信息的監控、調度、處理。第二層為通信層也稱為總線層，該層主要是利用通信單元實現數據的傳輸。第三層為間隔層，該層是利用了多個保護單元和輸入輸出單元來對一次設備進行合理控制。多層次分布式結構模型以變電站一次設備的結構作為配置的依據，該模型設計的綜自系統綜合了集散式結構模型的特點，并兼顧了系統整體的保護與控制功能，二次回路的結構一定程度上得到了簡化。軟件調試維護相對容易，配置靈活，系統整體可靠性高。

圖4 多層次分布式結構模型

2 基于多層次分布分析法綜自優化方案的研究

2.1 變電站綜合自動化系統優化方案模型搭建

在變電站綜合自動化系統的改造設計過程中，要綜合考量變電單位制定方案時的關鍵指標，通常情況下，主要需要考慮停電方式和時間、風險認定等級、施工安全等。該文提出一種基于多層次分布分析法的綜合自動化系統改造設計優選模型及方法，以期在施工方案選取時提供實際指導價值。

2.2 評判指標體系構建原則

2.2.1 評估體系的全面性

變電站綜合自動化系統改造設計中，需要具體考慮到施工過程中可能出現的問題，通常這類問題多且涉及面廣，需要綜合考慮多目標對象以及多指標要求。

2.2.2 評估體系的科學性

變電站綜合自動化系統方案的評估主要由衡量指標和

關鍵數據作為支撐，包括具有層次性的評價框架和客觀的基礎數據。

2.2.3 評估體系的可實現性

變電站綜合自動化系統的評價體系構建必須要滿足現場數據可采集、輸送、存儲的要求，并具備統計學上的意義。

2.3 評判指標體系模型構建

變電站運行維護的4 大基本原則：可靠性、經濟性、系統性、實用性原則，結合傳統老舊變電站綜合自動化系統優化改造的需求和特點，該文構建了1 個兩級指標評價模型，該兩級指標評價體系包括4 個一級指標點和9 個二級指標點，如圖5 所示。

圖5 變電站綜合自動化系統建設方案評判指標體系模型

2.4 基于多層次的分布分析法的優化原理

在多要素、多目標、多影響因素的優化方案設計和決策中，通常情況下，要素、目標、影響因素并非完全獨立，而是相互耦合。在不同的實施過程中，往往會呈現出不同問題，因此，在優化方案決策時往往難以憑借要素去選擇。在這樣的情形下，該文在變電站保護綜自改造方案評價優選時，引入基于數據分析的評價優選方法——多層次分布分析法，幫助決策者選取到最優的變電站綜自改造方案。

多層次分布分析法的基本原則如下：首先，決策組根據特征點將整個復雜系統拆分為多個層級；其次，將各個層級的相關影響要素枚舉出來；再則，在每個層級內，各個影響要素利用特定的標度法進行評分；最后，經過統計算式得出各個影響因素的權重。為選擇最優方案提供更加合理、科學的決策依據。

2.5 基于多層次的分布分析法的優化流程

多層次分布分析法的執行策略可以分為以下5 個步驟，具體如下：1）構建評判指標體系。評價指標體系作為評價系統的核心，可以全面有效地衡量方案所涉及的主要指標點，搭建指標評價體系必須要包括目標層、標準層以及二級指標點。2）依照九標度法判定矩陣。將復雜問題拆解為多層級要素，利用九標度法搭建多層次要素的判斷矩陣。3）計算特征向量并校驗其一致性。通過計算該模型的特征向量，并校驗其一致性，從而確保設計的模型合理有效[9]。4）計算特征值并校驗整體一致性。通過計算該模型的組合特征向量，并利用歸一化數學處理方法整合系統所有的特征值，最后得到所有特征指標值的權重，并再次檢驗整體一致性。5）計算綜合得分并確定最優方案。根據備選方案的指標數值和權重系數，綜合計算各個備選方案，并根據綜合得分的高低確定最優方案。

2.6 優化方案應用

如前所述，該文以瑞安市供電公司轄區的某110kV 變電站為例，開展綜合自動化系統方案優化改造工作，制定改造施工方案。采用“主變+對應高壓室”的電氣設備停電轉為檢修的分隔輪流停電的施工方式，例如#1 主變電停電改造期間，其饋線的負荷轉移到#2 的高壓室，由#2 主變保持供電，同時與用電客戶或者負載協商停電，確定停電時間后逐個進行饋線停電改造，其他“主變+高壓室”以此類推，可以保證用電負荷不間斷供電，也能保證綜合自動化系統優化方案能夠切實執行。

3 結論

該文充分研究和分析了變電站綜合自動化系統方案的發展歷程和發展歷程中的基本模型結構，提出了一種基于多層次的分布分析法在變電站綜合自動化系統方案優化上的模型及其方法，該模型較為深入地研究了集中式結構模型、分散式結構模型、集散式結構模型的優點，在此基礎上搭建了多層次分布式結構模型，該模型較為全面、科學且具備較好的可實施性，并在模型的基礎上提出了相應的評價體系，基本上能夠涵蓋電網運行的4 個一級風險指標和其對應的9個二級風險指標。并在該基礎上，對轄區內某110kV 變電站綜合自動化系統的改造提出了實施方案，可以為決策者在現場工程建設中提供一定的實際指導作用。