姜竹楠, 齊德江, 侯曉維, 王 煥, 于 佳, 于文波

(1. 沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院, 沈陽 110036; 2. 國網(wǎng)葫蘆島供電公司 運(yùn)維檢修部, 遼寧 葫蘆島 125000)

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智能變電站信息流定量分析與優(yōu)化控制研究

姜竹楠1, 齊德江1, 侯曉維2, 王 煥2, 于 佳1, 于文波1

(1. 沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院, 沈陽 110036; 2. 國網(wǎng)葫蘆島供電公司 運(yùn)維檢修部, 遼寧 葫蘆島 125000)

智能變電站作為智能電網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),它的基本理念原則為信息共享。智能變電站的主要傳播手段是信息化,基本載體為信息流,在整個運(yùn)行過程中既要保障計(jì)量、控制等業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn),又要努力建構(gòu)全網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一平臺,因此,它已越來越成為智能電網(wǎng)發(fā)展的重點(diǎn)。但就目前的情況來看,我國的智能變電站分析方法和研究手段仍停留在定性的層面上,十分缺乏科學(xué)的分析、嚴(yán)密的論證,其實(shí)最主要的原因還是在于缺乏信息流定量分析和優(yōu)化控制的方法以及手段。對智能變電站的信息流定量分析以及優(yōu)化控制的方法進(jìn)行了具體研究與探討。

智能變電站; 信息流定量; 優(yōu)化控制

0 引 言

目前,我國的智能變電站技術(shù)正蓬勃發(fā)展,作為變電站自動化技術(shù)發(fā)展的新方向,它已成為我國智能電網(wǎng)建設(shè)中的一個不可或缺的成分。智能變電站的主要特征有二次網(wǎng)絡(luò)信息化傳輸、電子式互感器的運(yùn)用等。它的使用為下一代電網(wǎng)自動化的出現(xiàn)與發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。調(diào)查顯示,截止至2013年初,我國已建成的智能變電站總數(shù)為147個,而到了2015年國家電網(wǎng)公司計(jì)劃新建智能變電站1 440座[1]。由此可見,智能變電站的發(fā)展趨勢正如火如荼。

1 智能變電站信息流

1.1 概 念

智能變電站信息流指的是系統(tǒng)中的多種元素因?yàn)槟撤N目標(biāo)、功能、結(jié)構(gòu)而連接在一起,由此形成了系統(tǒng)的流。系統(tǒng)的流通過流動與傳遞等方式構(gòu)成了許多指定功能的多層次結(jié)構(gòu)的龐大系統(tǒng),無論哪個系統(tǒng)都具有能量流、物質(zhì)流以及信息流等。每一個系統(tǒng)和元素都擁有著特定的屬性及結(jié)構(gòu),并且會跟隨者時空的變化表現(xiàn)出多樣的流動與傳遞特性。

1.2 信息流的屬性

1.2.1 流通性

信息流的流通性指的是信息在信宿、信道、信源三者構(gòu)成的系統(tǒng)之間的流動特性。它的誕生原因在于物質(zhì)流的運(yùn)動需求、信道通行以及信息耦合的相互作用,這些結(jié)合在一起決定了信息流通程度的高低,而信息優(yōu)化與流行的2種主要方式是信道同行和信息耦合。信息流包括能量交換和物質(zhì)交換的能量信息和物質(zhì)信息,所以,在某種程度上能量信息和物質(zhì)信息都可以統(tǒng)稱為信息流[2]。如果信息流結(jié)構(gòu)擁有控制過程中所需求的信道,與此同時還能將信道變化換成可控變量的函數(shù),那么,信息流結(jié)構(gòu)想要流通或封閉都由控制函數(shù)的輸出來決定。要想快速實(shí)現(xiàn)對信息結(jié)構(gòu)流通性的優(yōu)化與控制,前提是要了解信息流動過程中的變量,其次,還要研究影響變量的因素,盡最大努力的減少信息流動中的阻力,保證信息流結(jié)構(gòu)暢通無阻。為了能準(zhǔn)確說明信息的流通性,將以變電站的控制系統(tǒng)來進(jìn)行舉例說明。在該控制系統(tǒng)中信息主要體現(xiàn)為對智能操作單元、傳輸方式以及交換路徑等的選擇上。然而信息在流通的過程中,道路并不是一帆風(fēng)順的,會導(dǎo)致信息不全、信息過多、信息簡化、信息融合等諸多問題產(chǎn)生,嚴(yán)重阻礙了信息的流通。減少其阻力的辦法主要有以下2種:1)通過利用端對端的信道的主要優(yōu)勢,可以對對全網(wǎng)信息進(jìn)行共享,其大程度的擴(kuò)展了信息的使用度;2)可以利用信息識別、處理等優(yōu)化控制技術(shù),可對有用和無用信息來進(jìn)行區(qū)分,達(dá)到提高信息實(shí)時性、準(zhǔn)確性以及靈活性的目的[3]。

1.2.2 有效性

信息流的有效性是信息流眾多屬性中極其重要的一種。有效的信息能夠提高信息流的工作效率,此外,還能大大提高變電站的運(yùn)行水平;相反,無效信息不僅會極大的降低變電裝置的運(yùn)行效率,而且還會影響裝置做出錯誤的決策,導(dǎo)致電站運(yùn)行水平降低,危及到整個電力系統(tǒng)的安全性,產(chǎn)生的后果將不堪設(shè)想。因此,在信息流中,一定得全力找到有效和無效信息,然后,剔除無效信息,防止其對系統(tǒng)產(chǎn)生影響;此外,還對有效信息進(jìn)行充分利用,將其運(yùn)用在設(shè)計(jì)、運(yùn)行上,有助于整個系統(tǒng)的運(yùn)行。

1.2.3 信息流的狀態(tài)

無論哪個變電站系統(tǒng)都是由信息流、物質(zhì)流和能量流3大部分相互協(xié)調(diào)、影響而成,共同構(gòu)成了有序的結(jié)構(gòu)體。而信息流在不同的耦合關(guān)系以及流通特性下有著不同的流動狀態(tài)。系統(tǒng)狀態(tài)的變化可以由系統(tǒng)動力學(xué)中的“流速”“積累”2個詞來進(jìn)行概括?！胺e累”指的是在一定的時間內(nèi),系統(tǒng)內(nèi)部流的增量等于這個時間間隔內(nèi)輸入流量減去輸出流量的差值,用這個差值來表示系統(tǒng)的遠(yuǎn)行狀態(tài)[4]。在研究智能變電站的信息流中“積累”一詞主要用來對信息流的穩(wěn)態(tài)進(jìn)行描述,側(cè)重于信息流之間的流量值以及流動關(guān)系等?！傲魉佟敝傅氖且欢〞r間內(nèi)通過系統(tǒng)的總流量值,用它來描述系統(tǒng)的動態(tài)特性?！胺e累”注重信息流動的結(jié)果,而“流速”注重的是信息流動的過程中信息的參數(shù)。二者的特性和關(guān)注點(diǎn)有一定區(qū)別,因此,在具體描述信息流狀態(tài)是時,要區(qū)別對待其信息流的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)。

1.3 智能變電站的信息流建模

智能變電站的信息流建模有多重建模方式,包括信息流與物理實(shí)體的映射關(guān)系、物理網(wǎng)絡(luò)模型、邏輯網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點(diǎn)模型以及信息流計(jì)算模型等5種主要的建模方式,本文在此對其中幾個模型進(jìn)行分析具體如下[5]:

物理網(wǎng)絡(luò)模型在智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)中,交換機(jī)往往不只一個端口。端口指的是可以輸入和輸出信息流的最小單元。假設(shè)某一智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)共有R個端口,可以將端口作為節(jié)點(diǎn),將光纖鏈路作為分支,那么可以用一個無向圖V來對該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行描述,圖V的節(jié)點(diǎn)連接矩陣CR×R包含了這個智能變電站物理網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?

(1)

(2)

其中矩形C的每一行,每一列都有且只有一個非零元素。

邏輯網(wǎng)絡(luò)模型:智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)的2種主要報文GOOSE和SV均為多播報文,各條報文在網(wǎng)絡(luò)中的傳播范圍與其在交換機(jī)中的廣播域相關(guān)。目前,主要通過將交換機(jī)若干個端口劃分到一個VLAN的手段來限制報文的廣播域,若某臺交換機(jī)未設(shè)置VLAN,則其所有端口處于一個廣播域之內(nèi)。設(shè)過程層網(wǎng)絡(luò)中共劃分了k個廣播域,投入應(yīng)用的交換機(jī)端口數(shù)共q個,則交換機(jī)各端口與各廣播域的對應(yīng)關(guān)系矩陣為

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

信息流潮流計(jì)算模型:當(dāng)任一信息源 s 作為網(wǎng)絡(luò)根節(jié)點(diǎn)時,矩陣 Dnp×p中與端口s邏輯相連的所有端口均會接收到其發(fā)送的報文。依次以網(wǎng)絡(luò)中各信息源作為根節(jié)點(diǎn),并結(jié)合相鄰端口的輸入與輸出關(guān)系,則可形成網(wǎng)絡(luò)中各端口的輸入輸出報文集,進(jìn)而形成報文與端口的關(guān)聯(lián)模型。設(shè)網(wǎng)絡(luò)中共有d路報文,則

(8)

其中

(9)

Kj為報文j的長度。

2 智能變電站信息優(yōu)化控制

2.1 優(yōu)化控制對象與目標(biāo)

在整個信息網(wǎng)絡(luò)化大背景下, 智能變電站要想實(shí)現(xiàn)自動化, 必須以信息流為載體, 電壓電流的采樣值以SV信息流來體現(xiàn), 跳閘信號、開關(guān)位置信息以及閉鎖封號等信號以GOOSE信息流來體現(xiàn), 繼電保護(hù)定值修改以MMS信息流來體現(xiàn)[6]。 由此可見, 信息流的可靠性、同步性和實(shí)時性會在某種程度上影響智能變電站功能的有效性。 可以按信息流實(shí)現(xiàn)的性能要求不同, 將其分為5類, 具體如表1所示。

表1 信息流的5種分類及其性能要求

在此圖表中,P1主要運(yùn)用于要求較低間隔的信息流;P2主要運(yùn)用于輸電線間隔的信息流;P3主要運(yùn)用于輸電線間隔,但應(yīng)滿足同步和斷路器分合時間最好性能的信息流。

2.2 優(yōu)化控制的主要方法

到目前為止,智能變電站信息流的主要控制方法為較通用的交換技術(shù),在交換的過程中,信息流要遵循公平競爭資源這一原則,而通訊網(wǎng)絡(luò)盡力而為的提供多種服務(wù),技術(shù)的核心內(nèi)容主要包括以下4個方面:1)控制信息流轉(zhuǎn)發(fā)次序。2)控制信息流流量。3)限制信息流轉(zhuǎn)發(fā)范圍。4)控制信息流的轉(zhuǎn)發(fā)路徑[7]。

通用交換技術(shù)在通信信息流的轉(zhuǎn)發(fā)次序、流量、范圍以及路徑等4個方面起到了極大的作用,但將通用交換技術(shù)運(yùn)用在智能變電站中,還存在3大方面的問題:1)信息流交換流量不確定。信息流交換流量的抖動會使保護(hù)控制裝置的關(guān)鍵信息流消失,甚至還會使通信網(wǎng)絡(luò)堵塞崩潰,因?yàn)閷?dǎo)致保護(hù)控制裝置的的動作性能嚴(yán)重下降。2)信息流交換延時不確定。信息流交換延時的抖動會使采樣的數(shù)據(jù)值失效。此外,保護(hù)裝置還會拒絕抖動。3)信息交換路徑不確定。信息流的交換路徑與信息流的延時以及丟包等想象指標(biāo)有著緊密的聯(lián)系,會直接或者間接影響到通信網(wǎng)絡(luò)的性能。所以,智能變電站信息流交換存在的不確定性在某種程度上會對電力系統(tǒng)的安全性造成極大的威脅[8-10]。

2.3 優(yōu)化控制的應(yīng)用

信息流的優(yōu)化控制手段在通信以及金融行業(yè)中都有廣泛應(yīng)用,對這些行業(yè)的業(yè)務(wù)流程再造、生產(chǎn)利益的提高以及運(yùn)行的安全性方面都產(chǎn)生了巨大的促進(jìn)作用。在網(wǎng)絡(luò)方面,優(yōu)化控制可以為不同信息流提供具有個性化的服務(wù)。在金融方面,優(yōu)化控制可以對電子交易時可能會發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)故障,提出具體的解決措施,避免網(wǎng)絡(luò)堵塞而造成經(jīng)濟(jì)損失。由此可見,優(yōu)化控制系統(tǒng)的使用范圍是如此之廣,給我國的眾多行業(yè)的發(fā)展帶來了諸多便利,對整個社會所做的貢獻(xiàn)都是突出的。

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Study on quantitative analysis and optimization control of information flow of intelligent substation

JIANGZhunan1,QIDejiang1,HOUXiaowei2,WANGHuan2,YUJia1,YUWenbo1

(1. Institute of Electric Power, Shenyang Institute of Engineering, Shenyang 110036, China;2. Operation and Maintenance Department, Huludao Power Company of State Grid Corporation, Huludao 125000, China)

As the key node of smart grid, basic principle of intelligent substation is to achieve information sharing. Intelligent substation, taking the information as the main means of communication, and taking the information flow as the basic carrier, not only guarantees the realization of the measurement and controls, but also makes great efforts to construct the unified data platform in the whole operation process. Therefore, the development of smart grid has become more and more important. But in terms of the current situation, analysis and research methods of China’s smart substation still remain at the qualitative level, lacking scientific analysis and rigorous argument. In fact, the main reason is lack of quantitative analysis method and optimization control means of information flow. Quantitative analysis and optimal control of information flow of intelligent substation are researched and discussed in detail.

intelligent substation; quantitative information flow; optimization control

2015-11-26。

遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2013418); 遼寧省科技廳博士啟動基金資助項(xiàng)目(20141091)。

姜竹楠(1978-),女,內(nèi)蒙古赤峰人,沈陽工程學(xué)院講師,碩士。

1673-5862(2016)01-0066-04

TM63; TM76

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.01.015