基于遥测技术的智能变电站多级联调控制系统

孙 杨，王 鹏

（1.国家电网有限公司，北京 100031；2.南瑞集团国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京 211102）

智能变电站由统一信息平台、智能高压设备两部分组成，前者负责记录变压器设备的运行状态，并可以根据计量数值判断相关变电元件之间的连接关系[1]；后者主要包括高压开关设备、变压主机、电子式互感器等多个应用元件共同组成。

在智能变电站体系中，随着高压端接口、低压端接口之间压差水平的增大，电量脉冲的波动幅值也会呈现出不断增大的变化状态，这不但会影响电网主机对于变电传输信号的协调能力，还会使变电网络的运行稳定性出现明显下降。面对上述情况，信息融合型控制系统通过统计压差数值的方式，确定电量脉冲的实际波动水平，再借助AD 转换电路，实现对变电信号的按需调节[2]。然而此类型控制系统的应用能力有限，不能有效控制电量脉冲的波动幅值。遥测技术可以通过测量的方式，准确获得与被测对象相关的距离系数，其应用目的不仅在于获取大量监测数据，还要为遥控目标提供实时参考信息。在实际应用过程中，遥测技术的实施需要传感设备、通信主机、运行通路等多个元件结构的共同配合[3]。其中，传感设备负责采集与被测对象相关的信息参量，可以根据测量对象的行为变化能力，调节测量信息在控制主机之中的编写形式；通信主机负责存储传感设备采集到的信息参量，并可以根据既定执行标准，调节数据信息文件在运行通路内的传输速率；运行通路可以将传感设备与通信主机连接起来，由于不同测量信息所需到达的执行位置不同，所以通路组织必须具有较强的适应性能力[4]。为此，设计基于遥测技术的智能变电站多级联调控制系统。

1 系统硬件设计

1.1 多级变电调控电路

多级变电调控电路由VT 设备、电阻R、电容C、电感L四类应用元件共同组成，其组成结构如图1所示。

图1 多级变电调控电路组成结构

在电量脉冲高压输入端与低压输出端之间，用电元件呈现对称分布形式，但左半部分元件的内阻水平明显高于右半部分。VT1 设备、VT2 设备与电量脉冲高压输入端口直接相连，可以在电容C1的作用下，调节传输电流与传输电压的波动形式，从而使得电感L能够获得稳定的电量脉冲信号[5-6]。VT3 设备、VT4 设备与电量脉冲低压输出端口相连，可以将电感L元件内部聚集的传输电流与传输电压反馈给下级连接设备。

由于智能变电站系统中同时包含多种不同的电量脉冲信号，所以电阻R已接入部分的阻值水平必须具有可调节能力。

1.2 联调式调制解调器

在智能变电站多级联调控制系统中，联调式调制解调器（如图2 所示）作为多级变电调控电路的下级负载结构，可以借助连接端口组织，将暂存电量脉冲信号反馈给其他硬件设备结构[7]。联调式调制解调器设备以QAM 元件作为核心调制单元，能够在复位按键与控制开关的作用下，调节端口组织的连接形式，从而实现对电量脉冲信号的按需处理与调度。

图2 联调式调制解调器结构模型

遥测接线端口负责连接QAM 元件与系统联控主机；电缆接线端口负责连接QAM 元件与多级变电调控电路[8]；电源接口负责连接QAM 元件与外部变电主机。为使多级联调控制系统内电量脉冲传输信号的波动幅值得到有效控制，三类端口组织的连接作用状态必须保持一致。

1.3 FPGA模块

FPGA 模块是一类可编程器件，可以在处理主机设备所获取数据信息参量的同时，改变脉冲信号的传输方向与状态，从而使得联调式调制解调器元件的运行状态长期趋于稳定[9-10]。FPGA 模块内，FC130芯片可以同时调度n个EP 节点，在联调式调制解调器元件的作用下，这些EP 节点相互连接构成了FPGA 模块的主编程处理结构。完整的FPGA 模块连接结构如图3 所示。

图3 FPGA模块连接结构

主编程结构可以将电量脉冲信号直接反馈给FPGA 芯片，当已接入遥测节点位置不发生改变时，上述信号参量可以被系统控制主机直接转化为智能变电站多级联调指令。

2 系统软件设计

2.1 遥测相位

对于智能变电站多级联调控制系统而言，主机元件可以根据遥测相位指标的计算数值判断电量脉冲信号的当前波动状态。一般来说，遥测相位数值越大，表示电量脉冲信号的波动行为趋势越明显，当前波动幅值的占比区间也就相对较为广泛[11-12]。

设φ0表示电量脉冲信号位移向量的初始赋值，在求解遥测相位指标时，只有φ0>0 的不等式条件成立，信号波动幅值在正、负两个区间内的数值变化形式才具有对称性。

智能变电站遥测相位求解表达式为：

式中，f表示电量脉冲信号波动系数，δ表示电量互感频率，ω1、ω2表示两个不相等的电量信号分级系数，且ω1>0、ω2>0 的不等式条件同时成立，表示电量脉冲信号的波动特征。规定遥测相位大于零时，电量脉冲信号的传输方向为正；遥测相位小于零时，电量脉冲信号的传输方向为负。

2.2 变电脉冲强度

变电脉冲强度决定了系统控制主机对于智能变电设备的多级联调处理能力，若将遥测相位看作已知条件，则可认为变电脉冲强度指标的数值越大，电量脉冲信号在传输过程中的波动能力也就越强[13-14]。

在求解过程中，脉冲强度指标受联调周期时长、电量脉冲信号频率两项物理量的直接影响。设联调周期时长表示为ΔT，在智能变电站多级联调控制系统中，ΔT系数的取值必须小于控制指令的单位执行时长。电量脉冲信号频率常表示为χ，随着信号传输量的增大，该项系数指标的取值也会不断增大。在上述物理量的支持下，可将变电脉冲强度定义为：

式中，β表示电量脉冲信号的传输激变系数，表示基于遥测技术所提取的电量脉冲信号联调特征值。在求解变电脉冲强度系数时，要求频率指标δ的取值必须属于(0,+∞)的区间。

2.3 联控指令执行流程

联控指令的执行以多级变电调控电路连接作为起始环节，系统控制主机可以根据解调器内阻值设置结果，感知遥测相位的配比数值，并可以联合已知数据信息参量，计算变电脉冲信号的传输强度[15]。在遥测技术算法的使用中，变电脉冲信号的初始相位值越大，表示信号参量的传输波动性越强。对于系统核心管控主机而言，若这种波动性传输行为不能得到控制，不但会加剧数据库主机所需承担的信息处理压力，还会使得多级联调控制策略的作用能力受到影响[16]。因此在完善联控指令执行流程时，还需考虑已输出变电脉冲信号的传输强度及信号波动幅值与时间周期之间的数值配比关系。完整的联控指令执行流程如图4 所示。

图4 联控指令执行流程

至此，完成对各项系数指标的计算与处理，在遥测技术算法的支持下，联合各级硬件设备结构，实现智能变电站多级联调控制系统的设计与应用。

3 实例分析

在智能变电站体系中，电量脉冲信号的波动幅值可以用来描述变电主机对于传输信号的调度处理能力。在不考虑其他干扰条件的情况下，电量脉冲信号的波动幅值越大，就表示变电信号的分布形式越分散，变电主机对于传输信号的调度处理能力也就相对较弱；反之，若电量脉冲信号的波动幅值相对较小，则表示变电信号的分布形式较为密集，变电主机对于传输信号的调度处理能力也就相对较强。

表1为实验过程中的设备型号及具体实验参数。

表1 实验参数设置

电量脉冲信号波动幅值计算式为：

式中，ϖ表示脉冲信号振动步长值，单位为mm；θ表示脉冲信号振动周期，单位为ms。

该实验以基于遥测技术的智能变电站多级联调控制系统作为实验组，以信息融合型控制系统为对照组，分别利用实验组、对照组系统对KBSGZY-100/6型变电箱进行控制，记录实验组、对照组步长值与振动周期指标的具体数值变化情况。

表2 记录了实验组、对照组振动步长值与振动周期指标的实验数值。

表2 实验数值记录

分析表2 可知，实验组脉冲信号振动步长值呈现出先增大、再减小、最后趋于稳定的数值变化状态；对照组脉冲信号振动步长值则保持先增大、再减小的数值变化态势，整个实验过程中，对照组信号振动步长均值始终大于实验组。随着实验的进行，脉冲信号振动周期保持不断延长的数值变化状态，但每两轮实验结果的数值水平完全相等。

联合表2 中的记录数值，对电量脉冲信号波动幅值进行计算，具体计算结果如图5 所示。

图5 电量脉冲信号波动幅值

分析图5 可知，实验组电量脉冲信号波动幅值的平均值水平相对较低，而对照组均值水平较高。整个实验过程中，实验组脉冲信号波动幅值最大值为3.05×10-9mm/ms，与对照组最大值5.78×10-9mm/ms相比，下降了2.73×10-9mm/ms。

综上可知，遥测技术的应用有利于控制电量脉冲信号的波动幅值，能够较好地实现对变电传输信号的按需调度与协调。

4 结束语

智能变电站多级联调控制系统在遥测技术应用方法的支持下，完善了多级变电调控电路连接形式，又联合联调式调制解调器设备与FPGA 模块，确定变电脉冲强度指标的具体数值。设计系统能够有效控制电量脉冲的波动幅值水平，在按需调度变电传输信号方面具有较强的实用性价值。