姜竹楠, 齐德江, 侯晓维, 王 焕, 于 佳, 于文波

(1. 沈阳工程学院 电力学院, 沈阳 110036; 2. 国网葫芦岛供电公司 运维检修部, 辽宁 葫芦岛 125000)



智能变电站信息流定量分析与优化控制研究

姜竹楠1, 齐德江1, 侯晓维2, 王 焕2, 于 佳1, 于文波1

(1. 沈阳工程学院 电力学院, 沈阳 110036; 2. 国网葫芦岛供电公司 运维检修部, 辽宁 葫芦岛 125000)

智能变电站作为智能电网的关键节点,它的基本理念原则为信息共享。智能变电站的主要传播手段是信息化,基本载体为信息流,在整个运行过程中既要保障计量、控制等业务的实现,又要努力建构全网数据统一平台,因此,它已越来越成为智能电网发展的重点。但就目前的情况来看,我国的智能变电站分析方法和研究手段仍停留在定性的层面上,十分缺乏科学的分析、严密的论证,其实最主要的原因还是在于缺乏信息流定量分析和优化控制的方法以及手段。对智能变电站的信息流定量分析以及优化控制的方法进行了具体研究与探讨。

智能变电站; 信息流定量; 优化控制

0 引 言

目前,我国的智能变电站技术正蓬勃发展,作为变电站自动化技术发展的新方向,它已成为我国智能电网建设中的一个不可或缺的成分。智能变电站的主要特征有二次网络信息化传输、电子式互感器的运用等。它的使用为下一代电网自动化的出现与发展打下了坚实的基础。调查显示,截止至2013年初,我国已建成的智能变电站总数为147个,而到了2015年国家电网公司计划新建智能变电站1 440座[1]。由此可见,智能变电站的发展趋势正如火如荼。

1 智能变电站信息流

1.1 概 念

智能变电站信息流指的是系统中的多种元素因为某种目标、功能、结构而连接在一起,由此形成了系统的流。系统的流通过流动与传递等方式构成了许多指定功能的多层次结构的庞大系统,无论哪个系统都具有能量流、物质流以及信息流等。每一个系统和元素都拥有着特定的属性及结构,并且会跟随者时空的变化表现出多样的流动与传递特性。

1.2 信息流的属性

1.2.1 流通性

信息流的流通性指的是信息在信宿、信道、信源三者构成的系统之间的流动特性。它的诞生原因在于物质流的运动需求、信道通行以及信息耦合的相互作用,这些结合在一起决定了信息流通程度的高低,而信息优化与流行的2种主要方式是信道同行和信息耦合。信息流包括能量交换和物质交换的能量信息和物质信息,所以,在某种程度上能量信息和物质信息都可以统称为信息流[2]。如果信息流结构拥有控制过程中所需求的信道,与此同时还能将信道变化换成可控变量的函数,那么,信息流结构想要流通或封闭都由控制函数的输出来决定。要想快速实现对信息结构流通性的优化与控制,前提是要了解信息流动过程中的变量,其次,还要研究影响变量的因素,尽最大努力的减少信息流动中的阻力,保证信息流结构畅通无阻。为了能准确说明信息的流通性,将以变电站的控制系统来进行举例说明。在该控制系统中信息主要体现为对智能操作单元、传输方式以及交换路径等的选择上。然而信息在流通的过程中,道路并不是一帆风顺的,会导致信息不全、信息过多、信息简化、信息融合等诸多问题产生,严重阻碍了信息的流通。减少其阻力的办法主要有以下2种:1)通过利用端对端的信道的主要优势,可以对对全网信息进行共享,其大程度的扩展了信息的使用度;2)可以利用信息识别、处理等优化控制技术,可对有用和无用信息来进行区分,达到提高信息实时性、准确性以及灵活性的目的[3]。

1.2.2 有效性

信息流的有效性是信息流众多属性中极其重要的一种。有效的信息能够提高信息流的工作效率,此外,还能大大提高变电站的运行水平;相反,无效信息不仅会极大的降低变电装置的运行效率,而且还会影响装置做出错误的决策,导致电站运行水平降低,危及到整个电力系统的安全性,产生的后果将不堪设想。因此,在信息流中,一定得全力找到有效和无效信息,然后,剔除无效信息,防止其对系统产生影响;此外,还对有效信息进行充分利用,将其运用在设计、运行上,有助于整个系统的运行。

1.2.3 信息流的状态

无论哪个变电站系统都是由信息流、物质流和能量流3大部分相互协调、影响而成,共同构成了有序的结构体。而信息流在不同的耦合关系以及流通特性下有着不同的流动状态。系统状态的变化可以由系统动力学中的“流速”“积累”2个词来进行概括。“积累”指的是在一定的时间内,系统内部流的增量等于这个时间间隔内输入流量减去输出流量的差值,用这个差值来表示系统的远行状态[4]。在研究智能变电站的信息流中“积累”一词主要用来对信息流的稳态进行描述,侧重于信息流之间的流量值以及流动关系等。“流速”指的是一定时间内通过系统的总流量值,用它来描述系统的动态特性。“积累”注重信息流动的结果,而“流速”注重的是信息流动的过程中信息的参数。二者的特性和关注点有一定区别,因此,在具体描述信息流状态是时,要区别对待其信息流的动态和稳态。

1.3 智能变电站的信息流建模

智能变电站的信息流建模有多重建模方式,包括信息流与物理实体的映射关系、物理网络模型、逻辑网络模型、节点模型以及信息流计算模型等5种主要的建模方式,本文在此对其中几个模型进行分析具体如下[5]:

物理网络模型在智能变电站过程层网络中,交换机往往不只一个端口。端口指的是可以输入和输出信息流的最小单元。假设某一智能变电站过程层网络的交换机共有R个端口,可以将端口作为节点,将光纤链路作为分支,那么可以用一个无向图V来对该网络进行描述,图V的节点连接矩阵CR×R包含了这个智能变电站物理网络的拓扑信息:

(1)

(2)

其中矩形C的每一行,每一列都有且只有一个非零元素。

逻辑网络模型:智能变电站过程层网络的2种主要报文GOOSE和SV均为多播报文,各条报文在网络中的传播范围与其在交换机中的广播域相关。目前,主要通过将交换机若干个端口划分到一个VLAN的手段来限制报文的广播域,若某台交换机未设置VLAN,则其所有端口处于一个广播域之内。设过程层网络中共划分了k个广播域,投入应用的交换机端口数共q个,则交换机各端口与各广播域的对应关系矩阵为

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

信息流潮流计算模型:当任一信息源 s 作为网络根节点时,矩阵 Dnp×p中与端口s逻辑相连的所有端口均会接收到其发送的报文。依次以网络中各信息源作为根节点,并结合相邻端口的输入与输出关系,则可形成网络中各端口的输入输出报文集,进而形成报文与端口的关联模型。设网络中共有d路报文,则

(8)

其中

(9)

Kj为报文j的长度。

2 智能变电站信息优化控制

2.1 优化控制对象与目标

在整个信息网络化大背景下, 智能变电站要想实现自动化, 必须以信息流为载体, 电压电流的采样值以SV信息流来体现, 跳闸信号、开关位置信息以及闭锁封号等信号以GOOSE信息流来体现, 继电保护定值修改以MMS信息流来体现[6]。 由此可见, 信息流的可靠性、同步性和实时性会在某种程度上影响智能变电站功能的有效性。 可以按信息流实现的性能要求不同, 将其分为5类, 具体如表1所示。

表1 信息流的5种分类及其性能要求

在此图表中,P1主要运用于要求较低间隔的信息流;P2主要运用于输电线间隔的信息流;P3主要运用于输电线间隔,但应满足同步和断路器分合时间最好性能的信息流。

2.2 优化控制的主要方法

到目前为止,智能变电站信息流的主要控制方法为较通用的交换技术,在交换的过程中,信息流要遵循公平竞争资源这一原则,而通讯网络尽力而为的提供多种服务,技术的核心内容主要包括以下4个方面:1)控制信息流转发次序。2)控制信息流流量。3)限制信息流转发范围。4)控制信息流的转发路径[7]。

通用交换技术在通信信息流的转发次序、流量、范围以及路径等4个方面起到了极大的作用,但将通用交换技术运用在智能变电站中,还存在3大方面的问题:1)信息流交换流量不确定。信息流交换流量的抖动会使保护控制装置的关键信息流消失,甚至还会使通信网络堵塞崩溃,因为导致保护控制装置的的动作性能严重下降。2)信息流交换延时不确定。信息流交换延时的抖动会使采样的数据值失效。此外,保护装置还会拒绝抖动。3)信息交换路径不确定。信息流的交换路径与信息流的延时以及丢包等想象指标有着紧密的联系,会直接或者间接影响到通信网络的性能。所以,智能变电站信息流交换存在的不确定性在某种程度上会对电力系统的安全性造成极大的威胁[8-10]。

2.3 优化控制的应用

信息流的优化控制手段在通信以及金融行业中都有广泛应用,对这些行业的业务流程再造、生产利益的提高以及运行的安全性方面都产生了巨大的促进作用。在网络方面,优化控制可以为不同信息流提供具有个性化的服务。在金融方面,优化控制可以对电子交易时可能会发生的网络故障,提出具体的解决措施,避免网络堵塞而造成经济损失。由此可见,优化控制系统的使用范围是如此之广,给我国的众多行业的发展带来了诸多便利,对整个社会所做的贡献都是突出的。

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Study on quantitative analysis and optimization control of information flow of intelligent substation

JIANGZhunan1,QIDejiang1,HOUXiaowei2,WANGHuan2,YUJia1,YUWenbo1

(1. Institute of Electric Power, Shenyang Institute of Engineering, Shenyang 110036, China;2. Operation and Maintenance Department, Huludao Power Company of State Grid Corporation, Huludao 125000, China)

As the key node of smart grid, basic principle of intelligent substation is to achieve information sharing. Intelligent substation, taking the information as the main means of communication, and taking the information flow as the basic carrier, not only guarantees the realization of the measurement and controls, but also makes great efforts to construct the unified data platform in the whole operation process. Therefore, the development of smart grid has become more and more important. But in terms of the current situation, analysis and research methods of China’s smart substation still remain at the qualitative level, lacking scientific analysis and rigorous argument. In fact, the main reason is lack of quantitative analysis method and optimization control means of information flow. Quantitative analysis and optimal control of information flow of intelligent substation are researched and discussed in detail.

intelligent substation; quantitative information flow; optimization control

2015-11-26。

辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2013418); 辽宁省科技厅博士启动基金资助项目(20141091)。

姜竹楠(1978-),女,内蒙古赤峰人,沈阳工程学院讲师,硕士。

1673-5862(2016)01-0066-04

TM63; TM76

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.01.015