一種提升母線功率平衡指標的集群測控系統設計

王家軍，章熙，袁明軍，覃海，劉曉放，王平

（1.貴州電網有限責任公司興義供電局，興義 562400； 2.貴州電網電力調度控制中心，貴陽 551002；3.長園深瑞繼保自動化有限責任公司，深圳 518057）

引言

目前各電力企業對基礎數據質量的要求越來越高，除了對狀態估計的合格率進行考核外，對500 kV、220 kV母線的有功、無功總加平衡以及線路功率平衡的合格率也納入了考核范圍。母線功率平衡是反應廠站端量測質量的重要指標，其直接對廠站端量測數據進行統計計算，對量測數據出現的問題具有更加明確的指向性。因此，該指標的提升對電力系統內發電廠和變電站的站端基礎數據質量[1]提出了更高要求。

調度主站出現母線功率不平衡的原因[2]，一個方面是由于測控裝置數據采集不同步，另一個方面是通訊網關機數據發送不同步導致調度端參與計算的各間隔遙測量值不是同一個時間斷面的數據[3]。另外，電壓電流互感器二次轉化、測控裝置采集精度[4]和遙測死區值等因素對母線功率平衡也有重要影響。在實際應用中，220 kV及以上電壓等級，通常采用經濟性更好的單測控按間隔和斷路器獨立配置的方案[5],而不采用雙重化保護配置方案,母線的測控裝置無后備支撐[6]。

針對以上存在問題，本文設計了一種集群測控[7]系統，以高經濟性地解決高壓變電站母線測控裝置無后備的難題。系統采用管理+測控的硬件架構，并采用了集群測控+虛擬測控的業務運作模式；優化了多個間隔數據采集時刻、傳輸時刻的同步模式，以保證變電站測控裝置采集、計算交流量在同一個時間斷面內，使得上送到網關機的數據為同一時刻的；改進了遙測算法，按照實際波形的頻率來調整重采樣間隔，使重采樣后的數據固定按照等角度偏移，改善傳統功率計算中出現頻譜泄漏等問題；為保證上送隊列能隨時取到最新的遙測結果，采用對所采集到的數據進行有效值迭代計算的模式。論文針對某550 kV特高壓變電站母線功率平衡情況進行仿真分析，結果表明系統對改善母線功率不平衡效果明顯。

1 集群測控系統總體方案設計

1.1 架構設計

所設計集群測控系統硬件架構設計方案如圖1所示。裝置配置了1塊管理板、2塊測控板、1塊功能開入板，1塊電源板、1塊單色液晶板，各插件之間通過高速總線進行通訊。其中，2塊測控板各自采集過程層GOOSE、SV報文，對報文進行解析，實現測控相關計算，并將對應數據通過高速總線發送給管理板；管理板將數據匯聚后，分發給各虛擬測控，實現站控層數據通訊（MMS服務、站控層GOOSE聯鎖），同時可以操作虛擬測控的投入和退出。系統采用高集成Soc（70z20、雙核800 MHz），高性能L1043（四核、64位、1.6 GHz）的運算配置模式。其中Soc承擔若干臺測控裝置的數據采集，運算和控制輸出，L1043用于整機管理、顯示和MMS通訊。

圖1 整機架構設計圖

1.2 業務模式

集群測控系統主要包括測控功能和虛擬測控[8]功能兩個部分，各模塊負責業務如表1所示。

表1 集群測控各模塊負責業務表

1.3 虛測控與管理進程通信方案

虛測控充當測控裝置管理板的角色，包含測控裝置的所有信息和功能。交互的信息包含MBus傳輸的大部分內容，并借用MBus協議實現虛測控與管理進程的通信過程。虛測控進程各綁定一個IP，與管理進程建立TcP連接。管理進程運行MBusR任務實現對上通信，虛測控進程運行MBusc任務實現對下通信，實現如圖2所示。

圖2 虛測控與管理進程的通信方案示意圖

2 集群測控同步采集、傳輸模式設計

為保證變電站測控裝置采集、計算交流量在同一個時間斷面內[9]，使得上送到網關機的數據為同一時刻的。集群測控裝置重新設計了多個間隔數據采集時刻、傳輸時刻的同步模式，具體步驟如下：

1）測控板上采集模塊同步采集母線上各間隔原始數據，直到所有間隔數據采集完畢，并通知計算模塊進入計算流程，閉鎖采集流程；

2）測控板上計算模塊同步計算母線上各間隔遙測數據，直到所有間隔遙測數據計算完畢，并通知采集模塊重新進入采集流程，閉鎖計算流程，同時啟動內部總線發送；

3）內部總線通過配置傳輸優化策略，使得參與計算母線功率平衡的遙測量在同一幀打包，避免分包造成的報文不同步；

4）管理板接收所有間隔的遙測數據，并通過各模塊間的信息交互實現遙測數據同步觸發上送。

對應的采集、傳輸流程如圖3所示。

圖3 集群測控同步采集、傳輸流程圖

該集群測控與分散測控[10]在采集、傳輸同步信息的時標對比如圖4所示。

由圖4可見，不同的測控裝置其數據采集時刻、傳輸時刻均不相同，而集群測控裝置可以實現多個間隔數據采集時刻、傳輸時刻的同步，從而保證測控端上送數據是同一時間斷面的。

圖4 分散測控和集群測控采集傳輸時標對比圖

3 遙測數據流采集與計算方法設計

遙測計算的數據窗按照實際波形的頻率來調整重采樣間隔，使重采樣后的數據固定按照等角度偏移。數據經過軟件重采樣處理，后續進行有效值計算，改善傳統功率計算中出現頻譜泄漏等問題。為了加快遙測上送速率，本文設計了一種改進式的遙測算法，算法流程如圖5所示。

圖5 優化后的遙測算法流程圖

相對于傳統的遙測計算方法[11]而言，該方法對所采集到的數據進行有效值迭代計算的模式，其計算如式（1）所示，以保證上送隊列能隨時取到最新的遙測結果。

式中：

Xk—當前時刻有效值；

Xk-1—前一時刻有效值；

N—每周波采樣點數；

x(k)—當前時刻采樣值；

x(k-N)—一周波前采樣值。

對于所采集到的母線有功功率，其算法如式（2）所示：

式中：

Pk—當前時刻有功功率；

Pk-1—前一時刻有功功率；

u(k)—當前時刻電壓采樣值；

u(k-N)—一周波前電壓采樣值；

i(k)—當前時刻電流采樣值；

i(k-N)—一周波前電流采樣值。

4 仿真分析

基于所設計的集群測控系統裝置，并采用優化的數據傳輸模式和改進的遙測算法，以某特高壓變電站的500 kV部分為例進行仿真分析，以驗證系統的應用效果。該變電站一次接線如圖6所示，其中，城一、城二為平行雙回線，長一、長二、長三為平行多回線。

圖6 仿真變電站部分一次接線圖

改造前的相關參數為：遙測死區0.5 %，PT、cT精度為0.2級，遙測上送時間為3 s。改造后使用集群測控裝置的相關參數為：PT、cT精度為0.2級，同步采集上送，不受遙測死區及遙測上送不同步影響。500 kV母線功率平衡的判定方式為：有功不平衡偏差不大于20 MW，無功不平衡偏差不大于30 MVar。改造前后母線功率不平衡[12]仿真結果對比數據如表2所示，改造前后母線時變有功功率不平衡結果如圖7所示。

表2 母線功率平衡改造前后對比

由圖7可以看出，使用優化后的遙測算法，解決了遙測死區誤差及遙測上送不同步問題，減小了調度端母線不平衡峰值，提升了調度端母線平衡合格率，所設計的優化遙測算法對改善母線功率不平衡效果明顯。

圖7 母線功率平衡改造前后對比圖

5 結語

本文所設計系統，主要面向110 kV及以下電壓等級、220 kV及以上電壓等級變電站，針對母線功率不平衡這一問題，構建全新的變電站測控系統架構，設計了實現數據同步采集、傳輸和上送的優化方案，并改進了數據遙測方法，消除了變電站測控裝置冗余方案的空白。系統通過高可靠的變電站基礎數據量測功能，為主站提供穩定的數據源，促進高級應用實用化，有力地支撐了智能電網業務發展[13]。