電力系統廣域保護通信系統體系構建研究

中國南方電網有限責任公司玉溪供電局 楊 金 董 凌 高若愚

引言

隨著各地區對電力需求的不斷增加[1]，電力系統的分布也越來越廣泛[2]，各種規模的電網交叉排布導致電力裝置的排布十分復雜。不僅如此，電力需求的增加也促使電力輸送量增加，在電力輸送的過程當中，最重要的就是電力系統的安全與可靠。

因此，在電力系統發展的過程中，國內外相關研究人員也在不斷研究能及時維護電力系統安全輸送的保護措施[3]，研究表明[4]，近幾年國內電網故障的次數越來越多，現有的電力系統通信保護體系在復雜多變，且工況不同的情況下已經無法實現全面保護[5]。因此，急需設計一種新的電力系統廣域保護通信體系。

隨著互聯網技術的進步，目前越來越多的電力公司選擇依賴智能電網進行配電，但在智能電網的運行過程中，時常會受到互聯網的影響[6]。一旦某處出現了較為嚴重的電力故障，就很可能造成配電網的全面崩潰，因此在設計電力系統廣域保護通信方案時，需要注意互聯網的穩定性，避免由于網絡因素帶來的電力系統通信故障，我國的電力工作者們意識到，要確保電網的安全、穩定的運營，就必須通過合理的規劃、合理的規劃、完善的運行管理，才能在大尺度、小尺度上獲得電力系統的運行狀況。

在繼電保護與安全穩定控制中應用廣域信息技術進行研究，是今后電力系統自動化技術發展的必然趨勢。國外研究人員發現，根據網絡通信量測狀態及時進行廣域保護保證電力系統輸送安全，維持電力系統的可靠性來說十分有效，可以在保護開始后采集電網的廣域信息，再對采集的信息進行處理和整合，即可得到電網控制策略，及時進行控制。

電力系統在運行過程中時常會面臨故障問題，因此應該對其進行廣域保護。傳統的電力系統廣域保護通信系統體系不能夠實現多工況保護，不能滿足目前的電力系統保護需求，針對上述問題，本文設計了電力系統廣域保護通信系統體系構建方法，首先評估了電力系統廣域保護通信方案，其次配置了電力系統廣域保護通信終端，設計了電力系統廣域保護通信主站，從而實現了電力系統廣域保護通信系統體系的構建。采用Qos 技術作為傳輸通道的保障，即使在很大的帶寬負荷下，也能保證電力通訊的數據傳送，提高了系統的穩定性。

實驗結果表明，構建的廣域保護通信系統體系的保護效果較好，在不同工況下均能實現保護及故障識別，有一定的應用價值，因此，可以作為后續電力系統通信保護的參考。

1 電力系統廣域保護通信系統體系構建方法設計

1.1 評估電力系統廣域保護通信方案

電流縱差保護要求通訊數據的數據必須包括所有的數據，數據必須完整可靠的傳輸。根據選擇的原則，可以同時傳輸電流矢量和瞬間電流的取樣。控制量是保護功能中的一個重要部分，另外為了確保前兩種數據的正確傳遞，如抗干擾編碼等，都需要額外的數據。在電力系統實際通信的過程中，通信網中的物理層載體有著不可替代的作用，因此在評估電力系統保護通信方案的第一步，則是需要比較物理層的載體。

通信網的物理層載體必須能滿足電力系統通信的高帶寬、高速通信需求，因此研究了各類傳輸介質的傳輸延時（μs/kb）：無線光纖3.30、光纜5.00、同軸電纜4.00、雙絞線4.70、衛星110.00。由此可知，目前無線光纖介質的傳輸延時最短，因此在電力系統的廣域保護方案中通常選取光纖作為物理層的載體。第二步需要對比方案的無線傳輸模式，目前光纖主要利用SDH、ATM、IP 作為信源交換，增加通信通道的利用率，設計的光纖傳輸應用模式如圖1所示。

圖1 光纖傳輸

由圖1可知，應用該方案進行傳輸時可以采用Qos 作為傳輸的信道保證，使其可以在帶寬負擔較高的情況下仍能保證電力通信數據的傳輸，增加傳輸的穩定性。

1.2 配置電力系統廣域保護通信終端

成功選取電力系統的廣域保護方案后需要配置電力系統的廣域保護通信終端。電力系統的廣域保護通信終端主要在故障定位方面起著重要作用，因此設計了保護終端的功能:

第一個功能是測控功能，保護終端必須能實時提供測控信息，包括電流、功率等除此之外，還需要提供輸入的通信，保證斷路器能在高負荷情況下工作；第二個功能是通信管理功能，設計的電力系統廣域保護終端必須能對RS232通道提供通信管理，保證在通信時多個通道可以同步運行；第三個功能是故障檢測功能，該功能也是通信保護終端最重要的功能，可以在電力系統通信的過程中及時進行過流檢測、跳閘檢測，以及失壓警告等，因此可對其進行導向設計，保證故障的實時識別。根據上述的功能可以實現通信保護終端的設計。

1.3 設計電力系統廣域保護通信主站

構建通信系統保護體系的最后一步就是設計電力系統廣域保護主站。選取CSGC-300X 系統作為電力系統廣域保護通信主站的運行系統，根據通信需求設置通信方案，在組件化設計后，構建了CSGC-300X 平臺、SCADA 子系統、遠動子系統，在通信保護主站數據采集的過程中，還需要注意維護成本問題。

在保證維護成本的情況下，根據供電站供電質量最高原則設置可以執行的靈活通信保護主站，利用UNIX、Window、Linux， 必須滿足SQL Server 需求和Sybase 關系，在Formula one 表格中設計Microsoft IIS 服務，在電力通信傳輸之前，首先啟動GSGC 執行文件，根據對話框進行登錄操作，驗證身份后進入電力輸送管理界面，根據目前電力系統的連線圖及預測與進行遙感數據篩查和故障處理，即可進行通信保護。

通信保護主站中構建的保護系統，必須具有標準化特性，能夠及時對各種國際標準進行標準化定義、反饋、操作，因此可以構建標準化XML、CIM模型，輸入驗證數據，由該模型實時進行分析，篩查出需要保護的范圍。此外，通信保護主站主要依靠IEC 61850協議提供數據模型支持，方便數據模型的維護，從而實現了通信系統體系的構建。

2 實驗

2.1 實驗準備

為保證實驗的準確性和實驗的測試效果，首先需搭建仿真實驗平臺，收集不同種類電網某幾項基礎指標，將其均值輸入到仿真平臺中，增加仿真的準確性，已知每項指標的標準數值均為1，此時選取的基礎指標數值如表1所示。

表1 基礎指標數值

由表1可知，此時的基礎指標均與標準值1相擬合，證明這些基礎指標均具有真實性。根據廣域保護流量標準可知，廣域保護中的數據以PMU 數據為主均屬于周期性數據，各個數據的音頻是有區別的，因此在輸入上述指標值后，需要向虛擬仿真平臺輸入連續20s 的通信頻率數據，1～20s 的通信頻率數據依次為：49Hz、50Hz、49Hz、50Hz、50Hz、50Hz、49Hz、50Hz、49Hz、50Hz、49Hz、50Hz、50Hz、50Hz、50Hz、49Hz、50Hz、50Hz、49Hz、49Hz。據此通信頻率數據，可以預估每個通信數據的字節即Framesize，再根據字節發送相應格式的控制數據，此時設置數據的幀格式，如表2所示。

表2 數據幀格式

根據表2數據的幀格式可以進行數據流量分析，在搭建的仿真檢測平臺，中根據上述格式連接各個終端，為了保證實驗的可靠性對設計的仿真平臺進行通信測試，使用不同流量的鏈路進行輸送，分別為LSR1、LSR2、LSR3、LSR4，此時鏈路輸送的穩定性計算公式為：D=V/R，式中，V 代表鏈路輸送速率，R 代表輸送距離，此時設鏈路穩定性的標準數值為1，計算出的輸送數值高于1則證明鏈路穩定、否則證明鏈路通信不穩定，計算的各鏈路穩定性數值如表3所示。

表3 鏈路穩定性數值

由表3可知，此時的各個鏈路經多次計算的穩定性數值均大于1，證明此時搭建的仿真平臺總共的通信功能合格，能夠繼續進行后續的實驗，為了保證實驗輸入帶寬的平穩，此時需要繪制數據流量發送示意圖，如圖2所示。由圖2可知，此時的數據流量發送狀態平穩，證明此時的帶寬符合后續的實驗需求，可以進行后續的仿真實驗。

圖2 數據流量發送示意圖

2.2 實驗結果與討論

在上述準備基礎上，分別使用本文設計的電力系統廣域保護通信系統體系和傳統的電力系統通信保護體系進行通信保護仿真實驗，記錄不同工況下的保護延時，實驗結果如表4所示。

表4 實驗結果

由表4可知，在不同工況下，設計的通信保護體系在不同工況下的保護延時都較短，證明設計的保護體系的保護效果好，具有可靠性。

3 結語

及時對電力系統進行通信保護對維護電力系統的安全，保證電力系統正常運行有重要意義，因此本文在傳統的電力通信保護體系的基礎上研究了不同工況下的電力系統運行狀態，設計了電力系統通信保護體系，進行仿真實驗，結果表明設計的保護體系的保護效果好，具有可靠性，有一定的應用價值，可以作為后續電力系統通信保護的參考。