基于智能電網的安全穩控裝置相關技術研究

南京南瑞繼保電氣有限公司 吳成忠 黃 特

電力是人類日常生活中不可或缺的一種能源，但是由于其復雜程度，使其運行和管理變得較為困難，有些故障可能導致局部電網解列，乃至整個系統崩潰。因此，電力系統安全穩定運行關系到國家生產和社會生活。變電所安全防護設備種類繁多，為了確保系統結構穩定和相關數據準確性，必須編制合適的控制方案以控制變電所安全運行。此外，保護設備必須滿足規范要求，以增強電力系統內各種線路防護能力。當穩控裝置能夠與測控、變壓器、斷路器等模塊進行連接時，在具備相關技術規范情況下，能夠有效地解決電網穩定性問題。

1 智能電網的概念

1.1 智能電網的含義

目前，我國對智能電網還沒有一個統一概念。從廣義上來說，就是一個完全自動化的電力供應網絡，每個使用者和結點都能實時監測，確保電力和信息從發電站到用戶終端都能采用分布式智能、寬帶通信、自動化控制等技術，實現了電力市場實時交易，確保電力市場中各個成員間無縫對接和實時交互。

1.2 智能電網的技術特點

作為一個電力企業，既要節約發電、輸電和配置費用，又要控制施工費用，減少供電費用，為社會提供實實在在的利益。在智能電網構建過程中，既要注重智能化電網的運行，又要重視其成本效益。其次，能源節約的理念可以通過智能電網來充分地體現。從某種意義上講，智能電網能夠降低能源的損耗，因為目前我國能源浪費問題較為突出。其三是自動化，其可以提高電力系統的性能，以及監控電網的各個方面。智能電網可以幫助降低線路損壞頻率，并且智能電網能夠使電力分配更加合理、電力傳輸更加安全，同時其具有故障自動檢測、自動報警、自動啟動緊急預案等功能。此外，在長時間的輸電過程中，線路老化或惡劣的氣候狀況都會導致電網被破壞，智能電網能夠通過智能自檢，第一時間檢測到線路存在的問題，并針對此進行及時處理。最后，智能電網不但可以用于通信，還可以提高服務質量，具有較高的服務性。

2 智能電網的關鍵技術

智能電網需要四個關鍵領域來執行這些功能：智能電網使能技術、先進的計量系統、配電系統以及傳輸操作。此外，還需要開發和應用一些技術來創建智能電網。這些技術可分為以下五個主要技術領域。一是綜合通信。為了使智能電網高效運行，通信系統必須整合，才能為網絡規劃、建設和運營管理提供全面的信息服務。因此，寬帶通信網絡，包括電纜、光纖、電力線和無線，將成為智能電網的重要組成部分。二是傳感器和測量。傳感器和測量技術可以為智能電網的實時監測提供信息，包括實時檢測變電站和一些輸電線路的狀態，以及信號網絡、高級計量系統等信息。上述這些技術對傳感器本身和測量的準確性提出了越來越高的要求。三是現代電源。現代供電設備在電網中發揮著重要作用，其可以相互獨立使用，也可以組合成一個復雜的系統，其主要關注點為電力電子、超導體、分布式發電、復合驅動器和微電網技術。四是先進的控制。其使用先進的控制技術來支持分布式情報、分析工具和操作應用。五是決策支持。智能電網需要完整和全面的電力設備和儀器的實時信息，以幫助管理人員做出快速決策。同時，先進的視覺顯示技術可以清楚地展示系統的狀態，并通過模擬和培訓計劃改善管理人員的決策。

3 智能電網安全穩控裝置概述

安全穩控裝置需基于時代變化而隨之進化，對區域穩控裝置做進一步創新，以保電力穩控系統可以細致、全方面地為電網系統服務，從而確保智能電網的穩定性?；诖?，相關人員務必要基于當前系統架構構建全新的結構模式，讓其與調度通信系統中的分層調度契合能力有效加強，使其能靈活地控制功能框架及通信框架，這將確保電力穩控系統穩定。在正常情況下，電力系統能夠穩定工作，具有充足的安全余量；在警戒狀態下，該系統無法滿足安全限制；在緊急情況下，如果不能滿足運營約束，則有兩種情形：穩定性危機和持久危機。在極端條件下，系統會出現負載損耗、系統局部解列等。恢復狀態是指系統由極端狀態向常態狀態轉變的一種過程，在崩潰狀態下，大范圍的電力供應中斷，而被解除的部分則需要更長的時間來恢復電力。6個狀態可以由不同的控制方式進行轉換，如圖1所示。

圖1 電力系統狀態轉換

4 安全穩控裝置研究現狀

4.1 裝置缺乏統一標準

由于不同電網、廠、站對其功能需求各不相同，因此各工程項目必須自行開發，不但工期較長，而且設備質量和可靠性也很難保證，同時目前電力系統在技術和思想上也比較落后，無法滿足今后智能化變電站發展需求。

4.2 各廠商裝置間通信規約不兼容

由于廠商對規范認識差異，造成了不同廠家安全穩控設備之間數據信息存在差異，無法進行信息交流，這對建立區域穩定控制系統是不利的。由于通信規則的差異，無法與其他電力自動化設備進行互聯，從而難以實現信息共享。

4.3 控制策略不完善

目前，安全穩定控制系統大多采取離線預決策方法，而離線策略表編制往往是根據以往經驗和對事故預測工作量大，容易出現差錯。盡管一些設備采用了“在線預判決”控制方法，但是由于其運算速度、等價誤差等問題，很少考慮到預期失效集合，從而導致了過操作和誤操作。

5 電力遠動系統通信規約

5.1 傳統電力遠動規約

傳統電力遠動規約區別于循環數據傳送（CDT）和提問（POLLING）。循環數據傳送中，主要是發射臺按一定的次序定時將信息傳送給主站，而主站也能對發射臺進行控制，在DL451-1991《循環數據鏈路章程》中，采用了點對點或點到多點的數據鏈路結構，通過串行接口實現了數據的同步傳輸。該方案采用同步傳送方式，每字包括6字節48比特，包括同步字、控制字、信息字（可能包括多個），在預定中，同步字是EB90H的三組，而寫入同步字是D790H的三組。IEC61850包括10個章節（ED1.0包含14個文檔，總共1085頁，在ED2.0版本中添加了若干文檔）。D790H[1]。

5.2 IEC 61850標準

《IEC 61850變電站通信網絡和系統》是TC57發布的、迄今為止較為完善的變電站系統及通信標準，是基于通信平臺的變電站自動化系統唯一國際標準，本標準的目的是希望實現“一個世界、一個技術、一個標準”。IEC 61850標準由10個部分組成（ED1.0版包括14個文件共1085頁，ED2.0版正在修訂中，增加了一些文件）[2]，如圖2所示。

圖2 IEC 61850標準組成

6 智能電網的安全穩控裝置分析

6.1 安全穩控裝置的數據建模

穩定控制系統的工作是建立在信息分配和分散控制基礎上的，所以在穩定控制系統中，分布式設備間的通訊非常關鍵。在不同的裝置間進行通訊時，必須采用同一通信協定。IEC61850已成為變壓器臺的通信協定，并將應用于其他的自動控制裝置。IEC61850采用了面向對象的概念，根據其功能分層地模擬了物理裝置，也就是所謂的智能電子裝置（IED），并創建了一個完全的數據和信息結構，如圖3所示[3]。此外，在IEC61850變電所及電力裝置通訊基礎架構7-4部分中，對某些邏輯節點及資料進行了界定，并按其功能劃分成不同的邏輯節點群，如圖4所示；站一級的一組邏輯節點是：I[4]。

圖3 智能電子設備（IED）數據信息結構

圖4 邏輯節點組分類

6.2 安全穩控裝置功能及接口

安全穩控裝置作為一種能量傳輸裝置，其結構遵循其他能量傳輸裝置的設計模式，使用標準化、模塊化和規范化的連接器來構成裝置。同樣的設備可以在變電站和主站使用，根據不同的任務和功能，通過添加插件和軟件可以獲得不同的功能。包括采集和執行功能在內，安全穩定控制裝置可以分為以下六個主要部分：數據采集和處理、控制和決策、策略執行、信息通信、數據管理和人機互動。具體關系如圖5所示。

圖5 安全穩控裝置功能結構具體關系

6.3 安全穩控裝置的通信規約轉換

目前，安全控制系統還采用了IEC60870遠程控制系統。遠動系統設備以鏈路規約數據單元為中介，鏈路規約數據單元進一步細化，包括核心數據、多信息主體、數據單元標識等，并納入應用業務數據單元統一管理，與鏈路規約控制信息一起稱為鏈路規約數據單元。為了保證系統與其他設備的通訊，采用IEC61850標準，該方案可為穩定控制設備提供合適的網關。在將網關引入通訊設備后，可以加快協議轉換，從而增強與不同頻率的通訊網絡之間的聯系。通過與前置計算機的連接，可以實現安全穩控設備作為通信網絡的功能，并確保邏輯節點能夠存儲對應的數據圖像。

在應用協議的數據單位中，信息主體往往被分為幾個級別，一般都是以IEC60870為標準，與IEC61850相匹配。IEC61850標準在不同的情況下，其功能是在信息單元集和局部屬性集；在資訊物件的時間尺度中，類似于時間尺度的屬性；在資訊主體中，類似于資料的執行個體。一個應用程序的數據單位公用位址可以包含超過60000個資訊單位，或作為一個非永久資料集合的例子。IEC60870規范沒有提供數據包的能力，但它可以實現對邏輯節點的映射。邏輯節點能夠與公用的數據和業務的數據單位進行關聯，從而完成數據的轉化，此外IEC60870不能取樣，因此沒有取樣值[5]。

7 結語

在智能電網的基礎上，采用安全穩控設備，不僅保證了電網的安全穩定，而且還能促進新的電力信息化體制改革。因此，加強對智能電網技術的研究，是未來電力系統可持續發展的重要保證，穩控設備的安全運行與連接關系直接影響到其控制邏輯，這可以保證電網設備模型在相應的電網中平穩運行，并為安全穩控系統正常運行工作提供重要支撐。