智能電網模式下的電氣二次弱電控制發展趨勢研究

郭琪 羅靜宏

摘 要：本文認為，智能電網模式下，電氣二次弱電控制應該獲得更多的人工智能和自主控制權。值班人員對于電網的管理，從倒閘操作會逐漸變為狀態管理，電力運行人員的體力勞動和操作風險會大幅度降低。在智能化系統的規劃設計方面，同之前的二次系統一樣，智能化二次控制系統，也會在近期制定出相應的國家標準，使得智能化二次控制系統可以實現技術上的統一化和規范化。

關鍵詞：智能電網；電氣二次；發展趨勢

引 言

智能電網的最終目的之一，就是保證電網的每一個節點的數據均可以實現全網交換，且可以使得每一個節點都可以實現遠程控制。在這種電網的部署模式下，在智能電網的架構過程中，最核心的部分是二次弱電控制的方式。二次弱電控制的最基本原理，是通過工業網絡或者公共網絡發送來的數據，使用5V系統VCC電路通過晶閘管控制系統中的二次電路。而因為二次電路的電壓值變化較大，這也是變電二次設備發展的一個技改切入點。

1 總程化的控制終端

目前，一臺PLC可以控制8～32門繼電器，接受4～16門輸入信號。也就是說，通過簡單的編程，我們可以讓PLC根據輸入的相關信號來操作8～32們繼電器。但因為PLC的結構較為簡單，對于網絡的支持能力較差，內部程序存儲空間也較小，計算能力也難以適應較為復雜的智能電放分布式計算任務。所以，目前開關內曾被廣泛用作綜合保護器的PLC設備，正在被更先進的SEED架構或者ARM架構的SCM替代。目前的主流SCM，運行頻率已經達到了1GHz以上，程序存儲空間可以達到1GByte以上，甚至高端的SCM設備已經實現了多核心多線程計算，配置超過了21世紀初的個人電腦的配置。基于這些飛速發展的SCM設備，電網智能化的集中式控制終端也指日可待。

圖1展示的控制終端雖然只能控制16臺繼電器，但實際上ARM11的強大數據計算能力，通過分時算法，可以控制至少4294967296路開關，而將這些開關全部拉合或者全部拉斷，只需要4.926s的時間；通過同步控制原理，ARM11可以在一個時鐘周期內操作32路開關的拉合或者拉斷。

所以，本文推斷，隨著SCM等工業控制設備的發展，總程化的控制終端的智能化程度會變的越來越高。在云計算技術的支持下，開關的計算能力會得到顯著的提高，運算在多核心動態時分窗口模式下的開關設備，在不久的將來會成為現實。

2 智能化水平的提高

開關是否能夠被允許智能化的合閘的問題，一直是電力行業討論較為激烈的領域。我們是否應該信任智能化設備的合閘。這種討論，就好像上世紀人們討論是否應該允許電話自動接通一樣。事實上，人類在智能化發展的進程下，已經逐漸的向自動化設備妥協。

從最初的跌落式熔斷器和終端的鉛絲熔斷器，到后來的電磁式繼電保護，再到后來的綜合保護系統以及智能化五防系統，最后到目前我們允許開關設備根據遠程數據執行保護動作，這充分代表了智能化設備的可靠性已經被我們逐漸接受和認可。事實上，我們通過之前的嘗試可以看出，智能化設備對于電路保護的可靠性和響應速度，遠超過人工操作。

美國能源部《Grid2030》：一個完全自動化的電力傳輸網絡，能夠監視和控制每個用戶和電網節點，保證從電廠到終端用戶整個輸配電過程中所有節點之間的信息和電能的雙向流動。其中，這個完全自動化的電力傳輸網絡的要求，應該是包括電網自動進行負載均衡和電力調度。電力調度人員和值班人員，從介入電網的運行，到智能電網建成以后完全處于一個側面管理的地位，應該是科技發展的必然。

3 智能電網對于二次弱電控制的要求

3.1 全面的數據采集

二次弱電控制系統如果要實現智能化，就需要將神經網絡布置到整個電力一次系統乃至重要的二次系統中，通過這些人工神經網絡，海量的數據可以被采集和匯總，最終在硬件上形成一個規模化分布化的數據倉庫系統，在邏輯上形成電力系統的大數據集。這個大數據集甚至可以與國家正在建設的其他大數據集實現聯網，形成真正的智能城市的大數據。

3.2 安全的動作執行

在收集了海量的數據的同時，我們應該保證的是通過物聯網過來的調度指令，可以直接被開關執行，且絕不可以發生任何形式的誤動。動作執行的安全原則，與任何網絡系統的安全原則是一致的，都包括“完整性、可靠性、可用性”三個方面。

（1）完整性

網絡指令能否將指令完整的傳輸到控制終端，是決定指令安全性的最基本要素。如果不完整的指令被控制終端誤讀，就可能發生較為嚴重的誤動。所以，我們在進行數據傳輸的過程中，不會使用單個字節對數據進行封裝，而是采用冗余較大的字節數。一般情況下目前我們會采用4字節數據來表示開關的動作指令，這種模式下，因為在超過40億種可能性里，只有不超過8個有效代碼，所以，任何的傳輸誤碼命中有效代碼的可能性都幾乎為零。加上鏈路層和網絡層的校驗保護，我們可以基本保證數據的完整性。

（2）私密性

目前，我們的電網數據借用了大部分GSM及PSTN，所以，其私密性也是亟待解決的。電網數據屬于國民經濟的基礎數據，如果被不法分子竊取，會給國家安全帶來威脅。而目前來說，國家電網智能數據傳輸的專網建設，有兩個研發方向。其一是使用光纖專網，沿著塔架底部挖槽鋪設。其二是使用電力載波傳輸。而目前的研究方向來說，在高壓線路上的電力載波傳輸的進度明顯高于使用光纖專線的研究進度。未來的輸電變電站之間的數據交換，很有可能是通過高壓電電力載波進行的。

（3）可用性

數據的可用性是指傳輸到控制終端的數據，應該可以被控制終端讀取。這主要是要求電信號的電壓和波形必須符合要求，激光數據的頻率和功率必須達標。

3.3 強大的云計算能力

智能化的控制終端的精準可靠的控制，必須依賴一個強大的云端支持，這個云端支持，目前也是面向兩個研究方向：①通過較為集中的大型處理機和相對集中的數據倉庫，將指令計算完成后發送給處理終端；②允許處理終端依照既定的程序向著云端索取數據和指令，且比較依賴于通過自身的計算來獲得操作的策略。不管是那種實現方式，最終的智能電網，必定是一個在大部分運行時間內的全部動作，都可以實現無人干預的操作。

4 現狀下二次控制的問題及解決方法

4.1 控制機的標準尚不統一

不管是在線監測系統還是在線遠控系統，目前的電網控制機因為供應商不同，且因為目前的電網內對于這些控制系統還沒有一個統一的標準，所以，使用的技術手段不盡相同。基于PLC的系統架構，基于ARM的系統架構，基于SEED的系統架構，甚至基于8051配合PC的系統架構，都在電網中有所體現。這與之前標準一致系統工整的二次系統存在著很大的不同，而且，因為這些不統一的控制系統的使用，導致了整個電網二次系統的調度困難，因為二次系統的不穩定給電網帶來的事故也時有發生。

當然，目前的系統狀態，是我們的智能電網的建設過程中的摸索過程。通過不同架構的系統在同一個電網中混合試用，我們可以對不同架構系統的可靠性進行實驗，從而決定在未來的智能電網的發展建設過程中更傾向采用哪一種智能化節點系統。

4.2 二次系統的結構差異大

因為控制機的技術架構差別很大，所以，用于輔處理的芯片選型也就有了更大的差別，用于通訊的方式，也更加復雜。甚至在一個變電所中，就可能同時出現ZIPBEE，WIFI，BLUETEETH等不同的無線通訊模式，夾雜著細纜、雙絞線、光纖等其他的通訊模式，這給整個系統在未來10年的優化和整合帶來了很大的難度，如果強行整合，會造成很大的設備丟棄率。

同時，因為使用的處理機型號的區別，我們對于監測和遠控的執行方式上也有著比較大的差異。如同3.3中所述，有的系統要求控制機的本地作出決策，有的系統高要求控制機通過網絡在遠程決策中心獲得決策。不同的系統架構方式混雜使用，會給系統的復雜度和故障點分布帶來不良的后果。

4.3 技術發展與管理升級不同步

工信部和國家電網提出的對于智能電網建設的兩條主線是：

技術上體現信息化、自動化、互動化、構建以特高壓為骨干網架、各級電網協調發展的統一堅強智能電網。

管理上體現集團化、集約化、精益化、標準化。

而在目前的智能電網的建設過程中，較為明顯的出現了管理思路和管理方式與智能電網的硬件建設及技術發展不相適應的情況。特別是在管理界就是否應該采用智能化倒閘的問題上，不同的地方供電企業就存在較大的分歧。部分供電企業，雖然安裝了很多智能化系統，但是仍然只相信人工巡線和人工倒閘。

所以，在加強智能電網的硬件建設的同時，應該進一步深化對于管理團隊的動員，使得管理團隊對于智能化電網的認識程度得到與智能電網硬件建設相同步的提升。

5 結束語

智能電網建設過程中的二次弱電控制技術的發展是最為令人矚目的，使得所有的節點可觀測可控制的最終二次控制目標，是目前各大電力科研機構都在研究的問題。本文通過分析，得到了電力二次系統的一些發展趨勢。

參考文獻

[1]董 燁.智能電網的研究進展及發展趨勢[J].科技傳播，2013，10（29）：117～118.

[2]王硯澤.智能電網技術的發展簡史[D].山西大學碩士，2012，06.

作者簡介：郭琪（1987-），男，助理工程師，本科，從事二次弱電控制設計工作。