基于區域電網網絡保護調控一體化方案的同一斷面穩態監控系統

張道杰

(許繼集團有限公司，河南省許昌市461000)

0 引言

目前智能變電站建設主要停留在對IEC 61850標準及相關工程建設規范細節的驗證、實現階段，變電站保護及自動化的功能實現無論是在原理上，還是在技術體系上都沿襲了傳統綜自系統的構成，智能變電站的優勢未得到充分體現;可再生能源的加入，使一些傳統綜自系統的遺留問題更顯突出，如后備保護整定值無法適應系統的動態變化，大量的后備保護之間整定配合困難，整定時間過長;變電站內缺乏一個統一的全景信息整合及與外部系統進行信息互聯的技術手段。保護的故障檢測技術有限，故障判斷和定位還未能做到及時、準確的要求［1-4］。

國產能量管理系統(energy management system，EMS)總體已達到國際先進水平，為電網運行控制提供了堅強的技術支撐。廣域相量測量系統(wide area measurement system，WAMS)得到了成功應用，提高了電網動態監視和事故分析的水平。但是，在穩態數據監控中也存在以下不足:

(1)在調度形成的斷面中數據實時性和同步性較低，無法實現統一斷面的電網穩態潮流監視。

(2)受制于信息傳輸容量及電源管理單元(power management unit，PMU)造價等因素，間隔PMU為WAMS主站提供的同步實時量測信息非常有限，其他大量的測量信息仍然需要通過狀態估計進行計算獲得，這不但降低了系統動態分析的實時性，也影響了系統分析決策的準確性

本文針對以上問題，將介紹新的調控一體化方案;分析系統數據對象的數據組織結構，利用這種數據組織形式，在新技術的平臺上能簡化區域電網同一斷面穩態數據監控的復雜度，對斷面潮流監視流程進行優化，實現對線路和斷面運行狀況的在線監測、潮流超限斷面報警和超限記錄統計分析等功能，實現同一斷面的實時分析。

1 調控一體化方案簡介

基于網絡保護的調控一體化系統，采用高速分組傳送網絡(packet transport network，PTN)通信傳輸和同步對時國際標準，變電站內取消間隔層和站控層，過程層信息通過通信網絡上傳至調度設備層，將調度范圍內的保護控制功能集中實現，同時形成統一的斷面實時全景信息平臺，為調控一體化和智能調度提供技術支撐。

系統分3層結構，各層結構由2層網絡連接。總體結構如圖1所示。

過程層設備主要完成網絡保護、調控、計量等功能的全景實時數據的采集及上送，同時接收保護調控中心設備層下發的控制命令并完成執行。變電站內按間隔配置綜合智能設備，完成合并單元、智能終端、測量、計量、就地保護、PMU等多種功能。過程層網絡采用專用PTN通信網，站內各間隔的綜合智能設備通過光纖連接至PTN設備;PTN設備通過光纖連接至高速PTN網。

設備層按區域劃分后配置相應的區域網絡保護。將區域電網整體視為保護對象，利用區域電網信息構成區域網絡保護。設備層配置數據通信前置機，接收區域電網的實時調控數據，優化處理后送至智能調度系統。

圖1 一體化系統結構Fig.1 Structure of integration system

調控層將區域電網整體視為監控對象，利用設備層信息完成區域電網的監視和控制功能。在區域保護、控制、調度中心實現區域各變電站一次設備及設備層狀態的可視化監視、變電站在線操作、區域電源備投、區域無功控制等功能。利用實時的區域電網全景數據，完成區域電網的智能調控功能。基于實時同一斷面數據的電網安全穩態分析、評估及控制系統，實現真正意義上的調控一體化，使系統分析、預警、控制具備實時性，可實現調度策略的實時在線調控、智能調度。

2 全景信息平臺的建設

2.1 全景數據平臺及其特點

基于分布式原理設計，遵循國際開放式標準IEC 61850和IEC 61970，統一建模、統一源端維護、統一數據訪問接口［5-8］，如圖2所示。體系結構面向網絡，應用軟件的開發面向應用數據庫和實時數據庫，數據結構面向電力系統對象。整個系統建立在統一的系統支持平臺上，能夠保證數據庫的分布性和一致性。關鍵應用數據存儲在實時數據庫中，常駐內存于有關節點，保證了數據庫訪問的快速性，歷史數據儲存在序列數據庫，數據模型儲存在關系數據庫中。設備層保護服務器按區域分組，每臺服務器對應1個本區域實時數據庫、歷史數據庫，對每個實時庫的訪問通過對應的實時庫代理服務，如同就地訪問一樣快捷方便。所有的設備處于1個目錄服務管理之中，對于不同分區設備對象的訪問，可以先訪問目錄服務，找到對應的區域、實時庫。

目前在國內調度系統的SCADA/EMS系統中，通常采用ORACLE的關系數據庫來存儲電網模型及歷史數據。但隨著PMU數據的接入，采用ORACLE的關系數據庫來存儲電網海量動態數據已不能滿足存儲及實時讀取的要求［9］，需要時序數據庫。

時序數據庫雖然提供了歷史數據的高速緩沖區，但本質上是一種純文件系統的存儲方式。Mysql、ORACLE這些商用數據庫在存儲、查詢、分布式訪問、管理上均好于純文件系統。另一方面，時序數據庫主要面向數據，點與點之間沒有關系，對電網模型和結構的描述支持很弱，而Mysql、ORACLE數據庫用于描述電網模型等方面的技術非常成熟。

2.2 系統層次數據結構設計

目前數據平臺比較流行的運行方式為采用一種層次+關系的數據結構來描述，按照電力系統設備區域劃分為設備、間隔、廠站3個層次，這種表達方法清晰、直觀，符合電力系統特點，但是隨著智能分析、智能告警等電力系統高級應用軟件(power application software，PAS)系統的深入發展和對數據的深入挖掘，出現了更多跨設備跨區域的虛設備，對具有相似特性的數據進行分組，組成新的復雜層次來管理。本文的數據平臺運行方式采用一種容器類+對象類的數據結構來描述，比前者具有更易操作的優點。基于IEC 61850標準，從全局的視點出發，給出變電站物理設備、邏輯設備、邏輯節點、數據對象的信息模型，采用基本對象類或者設備對象類與之對應;對于變電系統的間隔、區域、廠站對象則采用容器類與之對應，容器通過包含功能可以形成較深層次。系統中各種實際測量值的傳輸采集遵循IEC 61850協議，以過程層的設備對象為基本單位進行管理，用容器類對所有設備重新分組檢索管理。

基本對象類包括遙測類、遙信類、遙控類、遙脈類、基本數據字符類。

圖2 數據平臺的組織結構Fig.2 Structure of data platform

設備對象類包含各種基本對象類。

容器類包括設備對象類、容器類(可分層次)、層次標識(基本數據字符)，屬于虛設備類。

3 統一斷面穩態數據監控

現行變電站監控系統為調控一體化系統提供的穩態數據實時性指標一般為3～5 s，且不帶同步時間標簽，由此導致調度穩態潮流實時監視信息不在同一斷面，無法保證斷面負荷平衡，現行的電網穩態潮流監視、實時數據統計、負荷預測等應用的精確性都受到一定的影響。

基于網絡保護下的調控一體化系統，由變電站過程層綜合智能設備通過高速PTN網絡直接將穩態數據傳輸到調控中心，實時性指標可達到ms級，且帶有全網同步時間標簽;信息的完整性、實時性和同步性得到了保證。由于實現了電網穩態、動態和暫態數據的統一采集、存儲和管理，在全景數據平臺的支撐下，可以實現電網穩態和動態監視、控制，電網暫態過程分析等自動化功能的一體化，實現調度自動化二次系統信息的整合。

3.1 輸電斷面的確定

在實際電力運行中，輸電斷面一般由調度員根據系統運行經驗選定，也有專家系統軟件幫助確定局域電網的多個輸電斷面，可以互相參照。在實時狀況下，由于系統狀態不斷變化，過載線路位置各有不同，相關輸電斷面的組成也在不斷變化。因此，根據經驗事先選定的方法難以滿足在線實時控制的要求。現在對在線搜尋輸電斷面的研究較多，由動態方法得到的輸電斷面往往需要進一步甄別關鍵斷面，這種輸電斷面也常常發生變化。因此應重點監視人工確定的關鍵斷面，自動檢測到的斷面只作為輔助監視使用［10］。

3.2 輸電斷面的監視

輸電斷面由一些相關元素組成，包括相關的一組節點、節點之間的連線、連線兩端的遙測量以及由此得到潮流值;還包括各種輸電斷面的幾種主要運行方式，每種運行方式斷面中每條線路的運行狀態、斷面所屬電網的聯網方式、穩措方式、其他約束條件以及該運行方式對應的斷面潮流極限值等信息［11］。

輸電斷面的監視主要對相關節點的狀態參數、各條線路的檢測值進行實時監視;在潮流計算時已經得到相關的臨界閥值，當檢測值發生變化或者異常時，系統會給出各種告警，并根據參數配置、方案設置，對斷面做出綜合判斷，提出恰當的執行方案供調度人員參考。

3.3 輸電斷面數據結構

穩定斷面數據結構已有較多的研究，本文采用方式定義，對斷面監視、線路斷面限額等給予類和容器描述，為穩態監視算法設計提供操作數據，簡化算法設計、優化程序運行。

根據設備對象的定義，斷面、線路并不是實際設備對象，可稱之為虛設備，其包含的測點實際上是設備對象的一些測點。虛設備測點的值通過全景數據平臺接口直接引用相關設備測點的值，如圖3所示。

圖3 斷面類型Fig.3 Section type

斷面檢測建立在運行方式的基礎上，不同的輸送電方案連接點和連接線路可能不同，在不同的方案下，連接點和線路的約束條件有可能不一致，當潮流計算結果超過限額時就應告警或提醒人員采取措施。

4 斷面監控服務主程序

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow chart

斷面檢測服務程序框架如圖4所示，斷面拓撲分析通常根據區域設備拓撲連接方式對斷面關注的相關設備進行分析，確定斷面運行方式，讀入方式運行的配置參數，一般為自動讀入，在特殊情況下也可以在線修改手動輸入的參數，由于方式參數儲存在實時庫中，執行效率高。拓撲分析是平臺的基本功能，對方式配置進行準確的體現，并通過可視化展示，斷面方式給予直觀監控。本服務建立在基于全景數據的調控一體化監控平臺上，全局統一對時，大容量傳輸信道，過程層上送帶時標的實時數據覆蓋了各種需要，穩態數據的監控計算［12］所需要的數據幾乎可以看作是同一時刻上傳;計算結果準確及時，通過平臺豐富的展示手段，如實時瀏覽、實時曲線、方差曲線檢測，甚至能預見各種數據的發展趨勢，對調控操作具有很強的指導性。由于平臺已具有對各種事件、告警、操作等準確記錄功能，結合歷史數據庫，能對穩態事件發展做到準確回溯。

5 工程應用

基于全景信息平臺的調控一體化系統，是一種全新的架構模式，保護模式、調度、自動化監視等方面都發生了較大變化，本文只關注了電力系統穩態監控。前期只在東北某地區220 kV七臺河變電站為中心投入了一體化監控系統，從2011年11月投運以來，試運行效果比較滿意。在以下幾方面產生了突出作用:(1)因為該地區地處我國北部地區，冬季易發大雪，今年2月份氣候潮濕、線路覆冰嚴重，線路監視功能及時發現異常狀態，經巡視工作人員及時查驗，避免了不可預估的事故發生;(2)本系統的電網斷面在線監測功能也得到了檢驗，在迎峰度夏檢修中，暫停某線路運行，系統根據開關節點拓撲關系，自動切換運行方式，并及時發出語音警告，同時推出監視圖形進行提示;(3)檢修結束后，根據系統的日志記錄功能對斷面潮流超限起止時間、最大超限潮流值、解決措施等信息進行統計分析并生成日報表，便于調度人員對斷面運行狀態進行分析，同時也可為將來的電網規劃提供參考。

6 結論

(1)本文介紹了調控一體化方案，對新的一體化監控結構作了說明，并對相關技術設備的變革進行了介紹。

(2)構造了一種分布式全景數據平臺，對跨區域，多個分布式實時庫、商業數據庫、序列數據的管理使用提出了解決方案。利用注冊目錄服務，實現統一數據接口，構建全局數據模型，為調控一體化提供了支持。

(3)在調控一體化監控系統的基礎上，利用全景數據平臺，為同一斷面穩態數據提出1組新的數據結構。利用斷面監視流程重新設計，去掉狀態估計，簡化系統處理的復雜度層，提高了計算結果精度。

(4)本文只對斷面監視進行了研究，調控以及各種實時極限運算應用將是下一步研究的重點。

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