智能變電站中使用無線局域網的保護系統測試與分析

梁康有+袁玲+干紅平

摘 要：無線局域網的快速保護系統在智能變電站的穩定運行過程中起到了不可替代的作用，而該保護系統的可靠性和實時性研究也引起了廣泛關注。針對這一問題，測試與分析了影響該保護系統性能的兩個重要方面：通信過程中使用的信號壓縮算法和整個系統的通信時間延遲。對使用軟件仿真和統計學原理等方法進行了測試和分析。信號壓縮算法的評估和通信時間延遲的計算結果表明無線局域網的保護系統應該在智能變電站中被廣泛推廣。

關鍵詞：智能變電站； 無線局域網； IEC 61850； 行波

中圖分類號： TN915?34； TP338 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0170?03

Test and analysis of WLAN?based protection system for smart substation

LIANG Kangyou1， YUAN Ling2， GAN Hongping1

（1. School of Electronic and Electrical Engineering， Chongqing University of Arts and Sciences， Chongqing 402160， China；

2. Yongchuan Branch Company， State Grid Chongqing Electric Power Company， Chongqing 402160， China）

Abstract： The fast protection system based on wireless local area network （WLAN） plays an irreplaceable role in the stable operation process of the smart substation， and its reliability and real?time performance also attract wide attention. Aiming at this problem， two important aspects （signal compression algorithm in communication process and communication time delay of the whole system） affecting on the performance of the protection system are tested and analyzed. The software simulation， statistics principle and other methods are used to test and analyze the system. The evaluation result of the signal compression algorithm and the calculation result of the communication time delay show that the WLAN?based protection system should be widely promoted in the smart substations.

Keywords： smart substation； WLAN； IEC 61850； traveling wave

0 引 言

隨著技術的發展和應用，智能變電站在智能電網領域得到了廣泛應用，成為新一代電力系統的核心組成。在實際應用中，智能變電站除了要滿足傳統變電站的功能之外，還需實現信息采集、傳輸、處理和輸出等完全數字化的功能[1]。為保障這些功能的實現，智能變電站需要使用可靠且快速的保護系統[2?6]。目前，基于行波的無線局域網系統可實現智能變電站所需功能，本文就對該保護系統進行了測試與分析。

智能變電站保護系統最重要的性能就是信號傳輸的可靠性和實時性[7?8]。本文也是針對這兩個方面對保護系統進行測試。首先，影響該系統可靠性的因素就是控制信號傳輸的壓縮算法，即離散小波變換算法（DWT）。壓縮因子、信噪比和均方誤差百分比這些指標均可充分評價信號的變化，其被用來測試該算法的性能。其次，作為衡量該系統實時性的指標，即系統的通信傳輸時間延遲，也在本文的后半部分被計算。在測試過程中，OPNET軟件仿真了該系統。在不同的采樣頻率、空間流數量以及信噪比的情況下，從仿真結果可以得到通信的端到端時間延遲。在此基礎上，估算整個系統的通信時間延遲，計算結果證明了該系統可起到快速保護的作用。

1 使用無線局域網的保護系統

用于保護智能變電站的無線局域網是基于IEC 61850標準的，IEC 61850標準是變電站自動化領域中的國際標準協議，實現了智能變電站的工程運作標準化。而基于該標準的無線局域網基礎架構較為簡單。如圖1所示，該系統是由連接變電站線路終端的智能中繼組成[9?11]。智能電子設備（IED）使用COMTRADE記錄器記錄在故障狀態期間的行波狀態。然后，設備使用數字信號處理算法來處理測量數據，從而確定故障線路并向斷路器發起跳閘信號。所有測量數據通過智能電子設備交換，系統得到所有信息從而做出準確決定。本文計算系統的時間延遲采用IEEE 802.11n技術的方法。

2 離散小波變換

電力系統的保護系統中使用了眾多類型的信號壓縮算法，如快速傅里葉變換（FFT）、離散余弦變換（DCT）和離散小波變換（DWT）。其中，離散小波變換引入了時頻信號分析的基本函數，所以適合對瞬態分量或不連續性的信號分析。通過保持特征完整性和去除冗余，離散小波變換實現了具有數據保真度受控下更高的壓縮比。文中，故障期間的電壓信號使用PSCAD/EMTAC模擬器得到，該模擬器從COMTRADE記錄儀中以相位和地之間20 kHz的速率獲取電壓信號波形。由于PSCAD/EMTAC模擬器的限制，采樣頻率最高為20 kHz。但由于使用了小波變換，該信號可被推廣到其他高頻信號，從而實現信號的無損壓縮。采用Matlab1?D的小波變換算法，從而使用水平閾值來評估壓縮比。圖2展示了COMTRADE記錄儀在相位和地之間以20 kHz記錄的故障信號。圖3顯示了第1～5層的小波變換系數，其展示了信號被分解后的高頻分量。

每一層的閾值為：

式中，是閾值系數且。每一層的小波系數將通過以下關系保留或忽略：

式中：表示第層的閾值。

為了提高壓縮算法的效果，引入了兩個指標：一個是壓縮因子（cf），其是原始信號和壓縮后信號之間大小的比率，其計算公式為：

另一個是均方誤差（MSE）的百分比，計算公式為：

式中，和分別表示原始信號和重構信號。表1列出了不同類型的小波變換在故障期間對電壓信號的壓縮性能指標。

3 通信時間延遲

文中采用OPNET軟件進行仿真，以確定數據的傳輸分組延遲。表2為在IEEE 802.11n協議下，主頻為2.4 GHz時，數據傳輸速率為600 Mb/s的SV分組傳輸時間延遲。其中，端到端（ETE）延遲是基于IEEE 802.11n協議計算的，仿真中使用的分組長度為365 B，服務質量優先級被設置為4。數據壓縮比被設置為10，由此數據分組就包含了40個采樣點。此外，在信噪比（）為22～30 dB之間，空間流的不同數量因素也被考慮在內，具體結果如表2所示。

從表2的數據可以看出，隨著采樣頻率的增加，時間延遲也會增加。此外，空間流數目增加會減少數據傳輸延遲，而信噪比的降低會增加端到端的延遲。于是，整個通信所需的時間為：

式中：是總的通信處理時間；是合并單元的處理時間；是無線局域網中的分組延遲時間；是智能電子設備（IED）的處理時間。由于DSP設備硬件和軟件的改進，可控制在100 內。是4個空間流20 kHz的分組延遲，用OPNET測得的結果為50 ，為100 ，所以，總延遲時間（單位：μs）為：

從計算結果可看出，由于通信時間延遲較小，因此該系統的實時性較好，即快速無線局域網可以良好地用于中繼之間的保護。另外，需要指出的是，在高頻率下，若中繼的數量改變，則通過無線局域網交換信息的通信延遲也將會改變。

4 結 語

文中被測試的使用無線局域網的保護系統，主要由連接變電站線路終端的智能中繼組成。介紹了系統的主要原理，測試了系統使用的離散小波變換算法的壓縮性能。此外，通過對系統的仿真測試，計算了其通信時間延遲。以上結果均證明了，符合IEC 61850標準使用無線局域網的智能電站快速保護系統可以實現，且性能良好。

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