王家軍，章熙，袁明軍，覃海，劉曉放，王平

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司興義供電局，興義 562400； 2.貴州電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，貴陽(yáng) 551002；3.長(zhǎng)園深瑞繼保自動(dòng)化有限責(zé)任公司，深圳 518057）

引言

目前各電力企業(yè)對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求越來(lái)越高，除了對(duì)狀態(tài)估計(jì)的合格率進(jìn)行考核外，對(duì)500 kV、220 kV母線的有功、無(wú)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(yīng)廠站端量測(cè)質(zhì)量的重要指標(biāo)，其直接對(duì)廠站端量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的問(wèn)題具有更加明確的指向性。因此，該指標(biāo)的提升對(duì)電力系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電廠和變電站的站端基礎(chǔ)數(shù)據(jù)質(zhì)量[1]提出了更高要求。

調(diào)度主站出現(xiàn)母線功率不平衡的原因[2]，一個(gè)方面是由于測(cè)控裝置數(shù)據(jù)采集不同步，另一個(gè)方面是通訊網(wǎng)關(guān)機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送不同步導(dǎo)致調(diào)度端參與計(jì)算的各間隔遙測(cè)量值不是同一個(gè)時(shí)間斷面的數(shù)據(jù)[3]。另外，電壓電流互感器二次轉(zhuǎn)化、測(cè)控裝置采集精度[4]和遙測(cè)死區(qū)值等因素對(duì)母線功率平衡也有重要影響。在實(shí)際應(yīng)用中，220 kV及以上電壓等級(jí)，通常采用經(jīng)濟(jì)性更好的單測(cè)控按間隔和斷路器獨(dú)立配置的方案[5],而不采用雙重化保護(hù)配置方案,母線的測(cè)控裝置無(wú)后備支撐[6]。

針對(duì)以上存在問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種集群測(cè)控[7]系統(tǒng)，以高經(jīng)濟(jì)性地解決高壓變電站母線測(cè)控裝置無(wú)后備的難題。系統(tǒng)采用管理+測(cè)控的硬件架構(gòu)，并采用了集群測(cè)控+虛擬測(cè)控的業(yè)務(wù)運(yùn)作模式；優(yōu)化了多個(gè)間隔數(shù)據(jù)采集時(shí)刻、傳輸時(shí)刻的同步模式，以保證變電站測(cè)控裝置采集、計(jì)算交流量在同一個(gè)時(shí)間斷面內(nèi)，使得上送到網(wǎng)關(guān)機(jī)的數(shù)據(jù)為同一時(shí)刻的；改進(jìn)了遙測(cè)算法，按照實(shí)際波形的頻率來(lái)調(diào)整重采樣間隔，使重采樣后的數(shù)據(jù)固定按照等角度偏移，改善傳統(tǒng)功率計(jì)算中出現(xiàn)頻譜泄漏等問(wèn)題；為保證上送隊(duì)列能隨時(shí)取到最新的遙測(cè)結(jié)果，采用對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效值迭代計(jì)算的模式。論文針對(duì)某550 kV特高壓變電站母線功率平衡情況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明系統(tǒng)對(duì)改善母線功率不平衡效果明顯。

1 集群測(cè)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)集群測(cè)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。裝置配置了1塊管理板、2塊測(cè)控板、1塊功能開(kāi)入板，1塊電源板、1塊單色液晶板，各插件之間通過(guò)高速總線進(jìn)行通訊。其中，2塊測(cè)控板各自采集過(guò)程層GOOSE、SV報(bào)文，對(duì)報(bào)文進(jìn)行解析，實(shí)現(xiàn)測(cè)控相關(guān)計(jì)算，并將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)通過(guò)高速總線發(fā)送給管理板；管理板將數(shù)據(jù)匯聚后，分發(fā)給各虛擬測(cè)控，實(shí)現(xiàn)站控層數(shù)據(jù)通訊（MMS服務(wù)、站控層GOOSE聯(lián)鎖），同時(shí)可以操作虛擬測(cè)控的投入和退出。系統(tǒng)采用高集成Soc（70z20、雙核800 MHz），高性能L1043（四核、64位、1.6 GHz）的運(yùn)算配置模式。其中Soc承擔(dān)若干臺(tái)測(cè)控裝置的數(shù)據(jù)采集，運(yùn)算和控制輸出，L1043用于整機(jī)管理、顯示和MMS通訊。

圖1 整機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1.2 業(yè)務(wù)模式

集群測(cè)控系統(tǒng)主要包括測(cè)控功能和虛擬測(cè)控[8]功能兩個(gè)部分，各模塊負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)如表1所示。

表1 集群測(cè)控各模塊負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)表

1.3 虛測(cè)控與管理進(jìn)程通信方案

虛測(cè)控充當(dāng)測(cè)控裝置管理板的角色，包含測(cè)控裝置的所有信息和功能。交互的信息包含MBus傳輸?shù)拇蟛糠謨?nèi)容，并借用MBus協(xié)議實(shí)現(xiàn)虛測(cè)控與管理進(jìn)程的通信過(guò)程。虛測(cè)控進(jìn)程各綁定一個(gè)IP，與管理進(jìn)程建立TcP連接。管理進(jìn)程運(yùn)行MBusR任務(wù)實(shí)現(xiàn)對(duì)上通信，虛測(cè)控進(jìn)程運(yùn)行MBusc任務(wù)實(shí)現(xiàn)對(duì)下通信，實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

圖2 虛測(cè)控與管理進(jìn)程的通信方案示意圖

2 集群測(cè)控同步采集、傳輸模式設(shè)計(jì)

為保證變電站測(cè)控裝置采集、計(jì)算交流量在同一個(gè)時(shí)間斷面內(nèi)[9]，使得上送到網(wǎng)關(guān)機(jī)的數(shù)據(jù)為同一時(shí)刻的。集群測(cè)控裝置重新設(shè)計(jì)了多個(gè)間隔數(shù)據(jù)采集時(shí)刻、傳輸時(shí)刻的同步模式，具體步驟如下：

1）測(cè)控板上采集模塊同步采集母線上各間隔原始數(shù)據(jù)，直到所有間隔數(shù)據(jù)采集完畢，并通知計(jì)算模塊進(jìn)入計(jì)算流程，閉鎖采集流程；

2）測(cè)控板上計(jì)算模塊同步計(jì)算母線上各間隔遙測(cè)數(shù)據(jù)，直到所有間隔遙測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算完畢，并通知采集模塊重新進(jìn)入采集流程，閉鎖計(jì)算流程，同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部總線發(fā)送；

3）內(nèi)部總線通過(guò)配置傳輸優(yōu)化策略，使得參與計(jì)算母線功率平衡的遙測(cè)量在同一幀打包，避免分包造成的報(bào)文不同步；

4）管理板接收所有間隔的遙測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)各模塊間的信息交互實(shí)現(xiàn)遙測(cè)數(shù)據(jù)同步觸發(fā)上送。

對(duì)應(yīng)的采集、傳輸流程如圖3所示。

圖3 集群測(cè)控同步采集、傳輸流程圖

該集群測(cè)控與分散測(cè)控[10]在采集、傳輸同步信息的時(shí)標(biāo)對(duì)比如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，不同的測(cè)控裝置其數(shù)據(jù)采集時(shí)刻、傳輸時(shí)刻均不相同，而集群測(cè)控裝置可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)間隔數(shù)據(jù)采集時(shí)刻、傳輸時(shí)刻的同步，從而保證測(cè)控端上送數(shù)據(jù)是同一時(shí)間斷面的。

圖4 分散測(cè)控和集群測(cè)控采集傳輸時(shí)標(biāo)對(duì)比圖

3 遙測(cè)數(shù)據(jù)流采集與計(jì)算方法設(shè)計(jì)

遙測(cè)計(jì)算的數(shù)據(jù)窗按照實(shí)際波形的頻率來(lái)調(diào)整重采樣間隔，使重采樣后的數(shù)據(jù)固定按照等角度偏移。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)軟件重采樣處理，后續(xù)進(jìn)行有效值計(jì)算，改善傳統(tǒng)功率計(jì)算中出現(xiàn)頻譜泄漏等問(wèn)題。為了加快遙測(cè)上送速率，本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)式的遙測(cè)算法，算法流程如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的遙測(cè)算法流程圖

相對(duì)于傳統(tǒng)的遙測(cè)計(jì)算方法[11]而言，該方法對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效值迭代計(jì)算的模式，其計(jì)算如式（1）所示，以保證上送隊(duì)列能隨時(shí)取到最新的遙測(cè)結(jié)果。

式中：

Xk—當(dāng)前時(shí)刻有效值；

Xk-1—前一時(shí)刻有效值；

N—每周波采樣點(diǎn)數(shù)；

x(k)—當(dāng)前時(shí)刻采樣值；

x(k-N)—一周波前采樣值。

對(duì)于所采集到的母線有功功率，其算法如式（2）所示：

式中：

Pk—當(dāng)前時(shí)刻有功功率；

Pk-1—前一時(shí)刻有功功率；

u(k)—當(dāng)前時(shí)刻電壓采樣值；

u(k-N)—一周波前電壓采樣值；

i(k)—當(dāng)前時(shí)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(shè)計(jì)的集群測(cè)控系統(tǒng)裝置，并采用優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸模式和改進(jìn)的遙測(cè)算法，以某特高壓變電站的500 kV部分為例進(jìn)行仿真分析，以驗(yàn)證系統(tǒng)的應(yīng)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(zhǎng)一、長(zhǎng)二、長(zhǎng)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(guān)參數(shù)為：遙測(cè)死區(qū)0.5 %，PT、cT精度為0.2級(jí)，遙測(cè)上送時(shí)間為3 s。改造后使用集群測(cè)控裝置的相關(guān)參數(shù)為：PT、cT精度為0.2級(jí)，同步采集上送，不受遙測(cè)死區(qū)及遙測(cè)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(wú)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(jié)果對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示，改造前后母線時(shí)變有功功率不平衡結(jié)果如圖7所示。

表2 母線功率平衡改造前后對(duì)比

由圖7可以看出，使用優(yōu)化后的遙測(cè)算法，解決了遙測(cè)死區(qū)誤差及遙測(cè)上送不同步問(wèn)題，減小了調(diào)度端母線不平衡峰值，提升了調(diào)度端母線平衡合格率，所設(shè)計(jì)的優(yōu)化遙測(cè)算法對(duì)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(duì)比圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)，主要面向110 kV及以下電壓等級(jí)、220 kV及以上電壓等級(jí)變電站，針對(duì)母線功率不平衡這一問(wèn)題，構(gòu)建全新的變電站測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集、傳輸和上送的優(yōu)化方案，并改進(jìn)了數(shù)據(jù)遙測(cè)方法，消除了變電站測(cè)控裝置冗余方案的空白。系統(tǒng)通過(guò)高可靠的變電站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量測(cè)功能，為主站提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)源，促進(jìn)高級(jí)應(yīng)用實(shí)用化，有力地支撐了智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展[13]。