柯樺

（廣東電網(wǎng)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(zhì)量要求的提高，相應(yīng)的要求了智能配電變電站需提供更可靠、快速、靈活的保護(hù)和控制功能。為了能夠促進(jìn)變電站保護(hù)測控性能的提高，還需進(jìn)一步將跨間隔信息進(jìn)行實(shí)施的共享融合，然而在這個(gè)過程中，還要確保過程總線站域保護(hù)對信息交換的穩(wěn)定可靠性和高度實(shí)時(shí)性予以控制。

1 分析智能配電變電站站域保護(hù)控制的通信需求

1.1 傳統(tǒng)變電站綜合自動化系統(tǒng)

傳統(tǒng)的變電站綜合自動化系統(tǒng)是采取分層分布配置。通常根據(jù)變電站控制的對象和層次，將綜合自動化控制系統(tǒng)設(shè)置成二層式分布控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(tǒng)結(jié)構(gòu)中，站控層系統(tǒng)主要對后臺進(jìn)行監(jiān)控、保護(hù)信息子站、遠(yuǎn)動通信管理機(jī)。其中監(jiān)控后臺是以全站的測控裝置和現(xiàn)場測控網(wǎng)絡(luò)相互連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)變電站的監(jiān)控；利用自動裝置和測控裝置對變電站當(dāng)?shù)乜刂坪捅O(jiān)視信息進(jìn)行采集。遠(yuǎn)動通信管理機(jī)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(jiān)控后臺相同，能夠相調(diào)度中心將這些信息上傳。保護(hù)信息子站是以現(xiàn)場總線或者RS232/485通信接口和故障錄波裝置、保護(hù)裝置連接，從而接收保護(hù)裝置故障波形和運(yùn)行狀態(tài)信息，同時(shí)還能夠遠(yuǎn)方查看、修改保護(hù)值，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方對裝置的信號復(fù)位。

間隔層則是根據(jù)站內(nèi)一次設(shè)備進(jìn)行分布式配置，包含了控制、測量元件，繼電保護(hù)元件。其中控制、測量元件主要是完成該間隔的斷路器，監(jiān)視、測量的操作控制，閉鎖和時(shí)間順序的記錄等；而繼電保護(hù)元件則是完成該間隔變壓器、線路等設(shè)備的故障記錄和保護(hù)等。這些裝置通過串行總線或者局部網(wǎng)絡(luò)和站控層之間進(jìn)行聯(lián)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(hù)測控單元，現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)以及安全自動裝置。

1.2 數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

當(dāng)前的數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)是以全網(wǎng)絡(luò)方案和分層分布式結(jié)構(gòu)組成，該系統(tǒng)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(gè)變電站中，是通過采樣數(shù)據(jù)與合并單元（MU）完成裝置的交流，并借助過程層網(wǎng)絡(luò)對信號進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。

數(shù)字化變電站通訊網(wǎng)絡(luò)可分成過程層和間隔層的過程層通訊網(wǎng)，以及間隔層和變電站層之間的間隔層通訊網(wǎng)。在整個(gè)數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)中，變電站層網(wǎng)絡(luò)，以及過程層面向通用對象的變電站采樣值（SV）報(bào)文網(wǎng)絡(luò)和事件（GOOSE）網(wǎng)絡(luò)為各自的體系，相互獨(dú)立；然而過程層采樣值數(shù)據(jù)呈周期性、數(shù)據(jù)量大，在傳輸過程中對可靠性、穩(wěn)定性，以及實(shí)時(shí)性的要求較高，需要明確額控制延時(shí)。

相對于常規(guī)的變電站，數(shù)字化變電站間隔層和變電站層的網(wǎng)絡(luò)接口和設(shè)備僅僅是在通信模型和接口出現(xiàn)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(shè)備、光纖以太網(wǎng)通信等代替了傳統(tǒng)的一次設(shè)備、電壓互感器等。

2 數(shù)據(jù)共享的面向間隔組網(wǎng)的過程總線信息共享特性仿真

根據(jù)過程總線組網(wǎng)原則，以O(shè)PNET仿真軟件為基礎(chǔ)，可以把變電站過程總線子網(wǎng)分成三類。仿真模擬智能斷路器（ICB）、合并單元（MU），以及保護(hù)測控單元；數(shù)據(jù)鏈路為100Mbits/s。MU發(fā)送長度為123字節(jié)的SAV報(bào)文；所有在過程總線上的保護(hù)測控單元都接受智能斷路器和MU發(fā)來的信息報(bào)文。

以仿真模型作為基礎(chǔ)，最終的目標(biāo)是確保網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性和實(shí)時(shí)性，即丟包率為零，網(wǎng)絡(luò)端對端的通信實(shí)驗(yàn)不超過4ms，對可靠性和實(shí)時(shí)性分別進(jìn)行仿真分析，均可滿足采樣值數(shù)據(jù)共享需求的最大間隔數(shù)和最大采用率，然后利用escel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究兩者間的函數(shù)特性，如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)流量只要在運(yùn)動范圍內(nèi)，若間隔報(bào)文長度相同，那么能實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)共享最大間隔數(shù)和單間隔信號采樣率基本成反比關(guān)系。這種關(guān)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(shù)，x表示每周波信號采點(diǎn)數(shù)。

從圖1中可以看出，在采樣率為每周波80，200，400點(diǎn)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)共享的最大間隔數(shù)為16、7、3個(gè)。與此同時(shí)，圖一中也可以看出各仿真案例的網(wǎng)絡(luò)端對端時(shí)延值均不超過0.32ms。

圖1 采樣率和間隔數(shù)之間的函數(shù)特性

然而，當(dāng)采樣率增加到每周波1000-1553點(diǎn)時(shí)，過程層網(wǎng)絡(luò)僅僅能確保單間隔數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸；若再出現(xiàn)采樣率上升的現(xiàn)象，那么將會嚴(yán)重的阻塞通信網(wǎng)絡(luò)性能。數(shù)據(jù)交互經(jīng)過交換機(jī)的性能和數(shù)量直接決定了最大共享間隔數(shù)。交換機(jī)延時(shí)通常是有存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)、交換機(jī)本身算法的延時(shí)、線路傳輸延時(shí)，以及報(bào)文排隊(duì)延時(shí)這四部分組成。其中，報(bào)文排隊(duì)延時(shí)會受到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和報(bào)文長度的影響，報(bào)文排隊(duì)延時(shí)的平均值可表示為:網(wǎng)絡(luò)負(fù)載×存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)的最大值。若對線路傳輸延時(shí)不進(jìn)行考慮，那么交換機(jī)總延時(shí)可表示為其他三項(xiàng)延時(shí)的總和，以這樣的方法則可將交換機(jī)的總延時(shí)計(jì)算出。

3 MU同步時(shí)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(yàn)分析，在計(jì)算過程中，交換機(jī)存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)取3.6us，采樣率為80點(diǎn)，那么集成保護(hù)裝置能夠接受的最大跨間隔信息路數(shù)n=50/36=6.9，基本為7路。

假如僅僅完成傳統(tǒng)三段式過電流保護(hù)算法，集成保護(hù)的數(shù)據(jù)處理能力不會較大的影響保護(hù)的運(yùn)行特性。然而在兼容多間隔信息保護(hù)原理中，在一個(gè)采樣間隔內(nèi)，要CPU完成多數(shù)據(jù)的基本處理以及一些后續(xù)的保護(hù)判據(jù)，存在較大的計(jì)算量，就必須要對保證保護(hù)的動作四性進(jìn)行考慮。

如，當(dāng)前構(gòu)建的試驗(yàn)平臺的單回線路傅里葉計(jì)算約190us，那么采樣率為40點(diǎn)時(shí)最多能處理的路數(shù)n=500/190=2.6，僅僅只有2路；采樣率為點(diǎn)80點(diǎn)僅能完成可靠處理1路數(shù)據(jù)，介于這種數(shù)據(jù)瓶頸，有三種可行的改進(jìn)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(fā)出小計(jì)算量、快速處理數(shù)據(jù)信號的方法；再就是預(yù)處理合并單元中的數(shù)據(jù)，減輕過程層數(shù)據(jù)通信壓力，促進(jìn)集成保護(hù)控制系統(tǒng)性能的提高，這也是當(dāng)前研究的一個(gè)重要方向。

結(jié)語

以上述特性分析為基礎(chǔ)，文中對滿足最大跨間隔信息共享的可靠性和實(shí)時(shí)性進(jìn)行探討，同時(shí)提出了對集成保護(hù)的改進(jìn)策略。為實(shí)現(xiàn)智能變電站域保護(hù)控制奠定了基礎(chǔ)。

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