电力系统广域保护通信系统体系构建研究

中国南方电网有限责任公司玉溪供电局 杨 金 董 凌 高若愚

引言

随着各地区对电力需求的不断增加[1]，电力系统的分布也越来越广泛[2]，各种规模的电网交叉排布导致电力装置的排布十分复杂。不仅如此，电力需求的增加也促使电力输送量增加，在电力输送的过程当中，最重要的就是电力系统的安全与可靠。

因此，在电力系统发展的过程中，国内外相关研究人员也在不断研究能及时维护电力系统安全输送的保护措施[3]，研究表明[4]，近几年国内电网故障的次数越来越多，现有的电力系统通信保护体系在复杂多变，且工况不同的情况下已经无法实现全面保护[5]。因此，急需设计一种新的电力系统广域保护通信体系。

随着互联网技术的进步，目前越来越多的电力公司选择依赖智能电网进行配电，但在智能电网的运行过程中，时常会受到互联网的影响[6]。一旦某处出现了较为严重的电力故障，就很可能造成配电网的全面崩溃，因此在设计电力系统广域保护通信方案时，需要注意互联网的稳定性，避免由于网络因素带来的电力系统通信故障，我国的电力工作者们意识到，要确保电网的安全、稳定的运营，就必须通过合理的规划、合理的规划、完善的运行管理，才能在大尺度、小尺度上获得电力系统的运行状况。

在继电保护与安全稳定控制中应用广域信息技术进行研究，是今后电力系统自动化技术发展的必然趋势。国外研究人员发现，根据网络通信量测状态及时进行广域保护保证电力系统输送安全，维持电力系统的可靠性来说十分有效，可以在保护开始后采集电网的广域信息，再对采集的信息进行处理和整合，即可得到电网控制策略，及时进行控制。

电力系统在运行过程中时常会面临故障问题，因此应该对其进行广域保护。传统的电力系统广域保护通信系统体系不能够实现多工况保护，不能满足目前的电力系统保护需求，针对上述问题，本文设计了电力系统广域保护通信系统体系构建方法，首先评估了电力系统广域保护通信方案，其次配置了电力系统广域保护通信终端，设计了电力系统广域保护通信主站，从而实现了电力系统广域保护通信系统体系的构建。采用Qos 技术作为传输通道的保障，即使在很大的带宽负荷下，也能保证电力通讯的数据传送，提高了系统的稳定性。

实验结果表明，构建的广域保护通信系统体系的保护效果较好，在不同工况下均能实现保护及故障识别，有一定的应用价值，因此，可以作为后续电力系统通信保护的参考。

1 电力系统广域保护通信系统体系构建方法设计

1.1 评估电力系统广域保护通信方案

电流纵差保护要求通讯数据的数据必须包括所有的数据，数据必须完整可靠的传输。根据选择的原则，可以同时传输电流矢量和瞬间电流的取样。控制量是保护功能中的一个重要部分，另外为了确保前两种数据的正确传递，如抗干扰编码等，都需要额外的数据。在电力系统实际通信的过程中，通信网中的物理层载体有着不可替代的作用，因此在评估电力系统保护通信方案的第一步，则是需要比较物理层的载体。

通信网的物理层载体必须能满足电力系统通信的高带宽、高速通信需求，因此研究了各类传输介质的传输延时（μs/kb）：无线光纤3.30、光缆5.00、同轴电缆4.00、双绞线4.70、卫星110.00。由此可知，目前无线光纤介质的传输延时最短，因此在电力系统的广域保护方案中通常选取光纤作为物理层的载体。第二步需要对比方案的无线传输模式，目前光纤主要利用SDH、ATM、IP 作为信源交换，增加通信通道的利用率，设计的光纤传输应用模式如图1所示。

图1 光纤传输

由图1可知，应用该方案进行传输时可以采用Qos 作为传输的信道保证，使其可以在带宽负担较高的情况下仍能保证电力通信数据的传输，增加传输的稳定性。

1.2 配置电力系统广域保护通信终端

成功选取电力系统的广域保护方案后需要配置电力系统的广域保护通信终端。电力系统的广域保护通信终端主要在故障定位方面起着重要作用，因此设计了保护终端的功能:

第一个功能是测控功能，保护终端必须能实时提供测控信息，包括电流、功率等除此之外，还需要提供输入的通信，保证断路器能在高负荷情况下工作；第二个功能是通信管理功能，设计的电力系统广域保护终端必须能对RS232通道提供通信管理，保证在通信时多个通道可以同步运行；第三个功能是故障检测功能，该功能也是通信保护终端最重要的功能，可以在电力系统通信的过程中及时进行过流检测、跳闸检测，以及失压警告等，因此可对其进行导向设计，保证故障的实时识别。根据上述的功能可以实现通信保护终端的设计。

1.3 设计电力系统广域保护通信主站

构建通信系统保护体系的最后一步就是设计电力系统广域保护主站。选取CSGC-300X 系统作为电力系统广域保护通信主站的运行系统，根据通信需求设置通信方案，在组件化设计后，构建了CSGC-300X 平台、SCADA 子系统、远动子系统，在通信保护主站数据采集的过程中，还需要注意维护成本问题。

在保证维护成本的情况下，根据供电站供电质量最高原则设置可以执行的灵活通信保护主站，利用UNIX、Window、Linux， 必须满足SQL Server 需求和Sybase 关系，在Formula one 表格中设计Microsoft IIS 服务，在电力通信传输之前，首先启动GSGC 执行文件，根据对话框进行登录操作，验证身份后进入电力输送管理界面，根据目前电力系统的连线图及预测与进行遥感数据筛查和故障处理，即可进行通信保护。

通信保护主站中构建的保护系统，必须具有标准化特性，能够及时对各种国际标准进行标准化定义、反馈、操作，因此可以构建标准化XML、CIM模型，输入验证数据，由该模型实时进行分析，筛查出需要保护的范围。此外，通信保护主站主要依靠IEC 61850协议提供数据模型支持，方便数据模型的维护，从而实现了通信系统体系的构建。

2 实验

2.1 实验准备

为保证实验的准确性和实验的测试效果，首先需搭建仿真实验平台，收集不同种类电网某几项基础指标，将其均值输入到仿真平台中，增加仿真的准确性，已知每项指标的标准数值均为1，此时选取的基础指标数值如表1所示。

表1 基础指标数值

由表1可知，此时的基础指标均与标准值1相拟合，证明这些基础指标均具有真实性。根据广域保护流量标准可知，广域保护中的数据以PMU 数据为主均属于周期性数据，各个数据的音频是有区别的，因此在输入上述指标值后，需要向虚拟仿真平台输入连续20s 的通信频率数据，1～20s 的通信频率数据依次为：49Hz、50Hz、49Hz、50Hz、50Hz、50Hz、49Hz、50Hz、49Hz、50Hz、49Hz、50Hz、50Hz、50Hz、50Hz、49Hz、50Hz、50Hz、49Hz、49Hz。据此通信频率数据，可以预估每个通信数据的字节即Framesize，再根据字节发送相应格式的控制数据，此时设置数据的帧格式，如表2所示。

表2 数据帧格式

根据表2数据的帧格式可以进行数据流量分析，在搭建的仿真检测平台，中根据上述格式连接各个终端，为了保证实验的可靠性对设计的仿真平台进行通信测试，使用不同流量的链路进行输送，分别为LSR1、LSR2、LSR3、LSR4，此时链路输送的稳定性计算公式为：D=V/R，式中，V 代表链路输送速率，R 代表输送距离，此时设链路稳定性的标准数值为1，计算出的输送数值高于1则证明链路稳定、否则证明链路通信不稳定，计算的各链路稳定性数值如表3所示。

表3 链路稳定性数值

由表3可知，此时的各个链路经多次计算的稳定性数值均大于1，证明此时搭建的仿真平台总共的通信功能合格，能够继续进行后续的实验，为了保证实验输入带宽的平稳，此时需要绘制数据流量发送示意图，如图2所示。由图2可知，此时的数据流量发送状态平稳，证明此时的带宽符合后续的实验需求，可以进行后续的仿真实验。

图2 数据流量发送示意图

2.2 实验结果与讨论

在上述准备基础上，分别使用本文设计的电力系统广域保护通信系统体系和传统的电力系统通信保护体系进行通信保护仿真实验，记录不同工况下的保护延时，实验结果如表4所示。

表4 实验结果

由表4可知，在不同工况下，设计的通信保护体系在不同工况下的保护延时都较短，证明设计的保护体系的保护效果好，具有可靠性。

3 结语

及时对电力系统进行通信保护对维护电力系统的安全，保证电力系统正常运行有重要意义，因此本文在传统的电力通信保护体系的基础上研究了不同工况下的电力系统运行状态，设计了电力系统通信保护体系，进行仿真实验，结果表明设计的保护体系的保护效果好，具有可靠性，有一定的应用价值，可以作为后续电力系统通信保护的参考。