基于遙測技術的智能變電站多級聯調控制系統

孫 楊，王 鵬

（1.國家電網有限公司，北京 100031；2.南瑞集團國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 211102）

智能變電站由統一信息平臺、智能高壓設備兩部分組成，前者負責記錄變壓器設備的運行狀態，并可以根據計量數值判斷相關變電元件之間的連接關系[1]；后者主要包括高壓開關設備、變壓主機、電子式互感器等多個應用元件共同組成。

在智能變電站體系中，隨著高壓端接口、低壓端接口之間壓差水平的增大，電量脈沖的波動幅值也會呈現出不斷增大的變化狀態，這不但會影響電網主機對于變電傳輸信號的協調能力，還會使變電網絡的運行穩定性出現明顯下降。面對上述情況，信息融合型控制系統通過統計壓差數值的方式，確定電量脈沖的實際波動水平，再借助AD 轉換電路，實現對變電信號的按需調節[2]。然而此類型控制系統的應用能力有限，不能有效控制電量脈沖的波動幅值。遙測技術可以通過測量的方式，準確獲得與被測對象相關的距離系數，其應用目的不僅在于獲取大量監測數據，還要為遙控目標提供實時參考信息。在實際應用過程中，遙測技術的實施需要傳感設備、通信主機、運行通路等多個元件結構的共同配合[3]。其中，傳感設備負責采集與被測對象相關的信息參量，可以根據測量對象的行為變化能力，調節測量信息在控制主機之中的編寫形式；通信主機負責存儲傳感設備采集到的信息參量，并可以根據既定執行標準，調節數據信息文件在運行通路內的傳輸速率；運行通路可以將傳感設備與通信主機連接起來，由于不同測量信息所需到達的執行位置不同，所以通路組織必須具有較強的適應性能力[4]。為此，設計基于遙測技術的智能變電站多級聯調控制系統。

1 系統硬件設計

1.1 多級變電調控電路

多級變電調控電路由VT 設備、電阻R、電容C、電感L四類應用元件共同組成，其組成結構如圖1所示。

圖1 多級變電調控電路組成結構

在電量脈沖高壓輸入端與低壓輸出端之間，用電元件呈現對稱分布形式，但左半部分元件的內阻水平明顯高于右半部分。VT1 設備、VT2 設備與電量脈沖高壓輸入端口直接相連，可以在電容C1的作用下，調節傳輸電流與傳輸電壓的波動形式，從而使得電感L能夠獲得穩定的電量脈沖信號[5-6]。VT3 設備、VT4 設備與電量脈沖低壓輸出端口相連，可以將電感L元件內部聚集的傳輸電流與傳輸電壓反饋給下級連接設備。

由于智能變電站系統中同時包含多種不同的電量脈沖信號，所以電阻R已接入部分的阻值水平必須具有可調節能力。

1.2 聯調式調制解調器

在智能變電站多級聯調控制系統中，聯調式調制解調器（如圖2 所示）作為多級變電調控電路的下級負載結構，可以借助連接端口組織，將暫存電量脈沖信號反饋給其他硬件設備結構[7]。聯調式調制解調器設備以QAM 元件作為核心調制單元，能夠在復位按鍵與控制開關的作用下，調節端口組織的連接形式，從而實現對電量脈沖信號的按需處理與調度。

圖2 聯調式調制解調器結構模型

遙測接線端口負責連接QAM 元件與系統聯控主機；電纜接線端口負責連接QAM 元件與多級變電調控電路[8]；電源接口負責連接QAM 元件與外部變電主機。為使多級聯調控制系統內電量脈沖傳輸信號的波動幅值得到有效控制，三類端口組織的連接作用狀態必須保持一致。

1.3 FPGA模塊

FPGA 模塊是一類可編程器件，可以在處理主機設備所獲取數據信息參量的同時，改變脈沖信號的傳輸方向與狀態，從而使得聯調式調制解調器元件的運行狀態長期趨于穩定[9-10]。FPGA 模塊內，FC130芯片可以同時調度n個EP 節點，在聯調式調制解調器元件的作用下，這些EP 節點相互連接構成了FPGA 模塊的主編程處理結構。完整的FPGA 模塊連接結構如圖3 所示。

圖3 FPGA模塊連接結構

主編程結構可以將電量脈沖信號直接反饋給FPGA 芯片，當已接入遙測節點位置不發生改變時，上述信號參量可以被系統控制主機直接轉化為智能變電站多級聯調指令。

2 系統軟件設計

2.1 遙測相位

對于智能變電站多級聯調控制系統而言，主機元件可以根據遙測相位指標的計算數值判斷電量脈沖信號的當前波動狀態。一般來說，遙測相位數值越大，表示電量脈沖信號的波動行為趨勢越明顯，當前波動幅值的占比區間也就相對較為廣泛[11-12]。

設φ0表示電量脈沖信號位移向量的初始賦值，在求解遙測相位指標時，只有φ0>0 的不等式條件成立，信號波動幅值在正、負兩個區間內的數值變化形式才具有對稱性。

智能變電站遙測相位求解表達式為：

式中，f表示電量脈沖信號波動系數，δ表示電量互感頻率，ω1、ω2表示兩個不相等的電量信號分級系數，且ω1>0、ω2>0 的不等式條件同時成立，表示電量脈沖信號的波動特征。規定遙測相位大于零時，電量脈沖信號的傳輸方向為正；遙測相位小于零時，電量脈沖信號的傳輸方向為負。

2.2 變電脈沖強度

變電脈沖強度決定了系統控制主機對于智能變電設備的多級聯調處理能力，若將遙測相位看作已知條件，則可認為變電脈沖強度指標的數值越大，電量脈沖信號在傳輸過程中的波動能力也就越強[13-14]。

在求解過程中，脈沖強度指標受聯調周期時長、電量脈沖信號頻率兩項物理量的直接影響。設聯調周期時長表示為ΔT，在智能變電站多級聯調控制系統中，ΔT系數的取值必須小于控制指令的單位執行時長。電量脈沖信號頻率常表示為χ，隨著信號傳輸量的增大，該項系數指標的取值也會不斷增大。在上述物理量的支持下，可將變電脈沖強度定義為：

式中，β表示電量脈沖信號的傳輸激變系數，表示基于遙測技術所提取的電量脈沖信號聯調特征值。在求解變電脈沖強度系數時，要求頻率指標δ的取值必須屬于(0,+∞)的區間。

2.3 聯控指令執行流程

聯控指令的執行以多級變電調控電路連接作為起始環節，系統控制主機可以根據解調器內阻值設置結果，感知遙測相位的配比數值，并可以聯合已知數據信息參量，計算變電脈沖信號的傳輸強度[15]。在遙測技術算法的使用中，變電脈沖信號的初始相位值越大，表示信號參量的傳輸波動性越強。對于系統核心管控主機而言，若這種波動性傳輸行為不能得到控制，不但會加劇數據庫主機所需承擔的信息處理壓力，還會使得多級聯調控制策略的作用能力受到影響[16]。因此在完善聯控指令執行流程時，還需考慮已輸出變電脈沖信號的傳輸強度及信號波動幅值與時間周期之間的數值配比關系。完整的聯控指令執行流程如圖4 所示。

圖4 聯控指令執行流程

至此，完成對各項系數指標的計算與處理，在遙測技術算法的支持下，聯合各級硬件設備結構，實現智能變電站多級聯調控制系統的設計與應用。

3 實例分析

在智能變電站體系中，電量脈沖信號的波動幅值可以用來描述變電主機對于傳輸信號的調度處理能力。在不考慮其他干擾條件的情況下，電量脈沖信號的波動幅值越大，就表示變電信號的分布形式越分散，變電主機對于傳輸信號的調度處理能力也就相對較弱；反之，若電量脈沖信號的波動幅值相對較小，則表示變電信號的分布形式較為密集，變電主機對于傳輸信號的調度處理能力也就相對較強。

表1為實驗過程中的設備型號及具體實驗參數。

表1 實驗參數設置

電量脈沖信號波動幅值計算式為：

式中，?表示脈沖信號振動步長值，單位為mm；θ表示脈沖信號振動周期，單位為ms。

該實驗以基于遙測技術的智能變電站多級聯調控制系統作為實驗組，以信息融合型控制系統為對照組，分別利用實驗組、對照組系統對KBSGZY-100/6型變電箱進行控制，記錄實驗組、對照組步長值與振動周期指標的具體數值變化情況。

表2 記錄了實驗組、對照組振動步長值與振動周期指標的實驗數值。

表2 實驗數值記錄

分析表2 可知，實驗組脈沖信號振動步長值呈現出先增大、再減小、最后趨于穩定的數值變化狀態；對照組脈沖信號振動步長值則保持先增大、再減小的數值變化態勢，整個實驗過程中，對照組信號振動步長均值始終大于實驗組。隨著實驗的進行，脈沖信號振動周期保持不斷延長的數值變化狀態，但每兩輪實驗結果的數值水平完全相等。

聯合表2 中的記錄數值，對電量脈沖信號波動幅值進行計算，具體計算結果如圖5 所示。

圖5 電量脈沖信號波動幅值

分析圖5 可知，實驗組電量脈沖信號波動幅值的平均值水平相對較低，而對照組均值水平較高。整個實驗過程中，實驗組脈沖信號波動幅值最大值為3.05×10-9mm/ms，與對照組最大值5.78×10-9mm/ms相比，下降了2.73×10-9mm/ms。

綜上可知，遙測技術的應用有利于控制電量脈沖信號的波動幅值，能夠較好地實現對變電傳輸信號的按需調度與協調。

4 結束語

智能變電站多級聯調控制系統在遙測技術應用方法的支持下，完善了多級變電調控電路連接形式，又聯合聯調式調制解調器設備與FPGA 模塊，確定變電脈沖強度指標的具體數值。設計系統能夠有效控制電量脈沖的波動幅值水平，在按需調度變電傳輸信號方面具有較強的實用性價值。