张道杰

(许继集团有限公司，河南省许昌市461000)

0 引言

目前智能变电站建设主要停留在对IEC 61850标准及相关工程建设规范细节的验证、实现阶段，变电站保护及自动化的功能实现无论是在原理上，还是在技术体系上都沿袭了传统综自系统的构成，智能变电站的优势未得到充分体现;可再生能源的加入，使一些传统综自系统的遗留问题更显突出，如后备保护整定值无法适应系统的动态变化，大量的后备保护之间整定配合困难，整定时间过长;变电站内缺乏一个统一的全景信息整合及与外部系统进行信息互联的技术手段。保护的故障检测技术有限，故障判断和定位还未能做到及时、准确的要求［1-4］。

国产能量管理系统(energy management system，EMS)总体已达到国际先进水平，为电网运行控制提供了坚强的技术支撑。广域相量测量系统(wide area measurement system，WAMS)得到了成功应用，提高了电网动态监视和事故分析的水平。但是，在稳态数据监控中也存在以下不足:

(1)在调度形成的断面中数据实时性和同步性较低，无法实现统一断面的电网稳态潮流监视。

(2)受制于信息传输容量及电源管理单元(power management unit，PMU)造价等因素，间隔PMU为WAMS主站提供的同步实时量测信息非常有限，其他大量的测量信息仍然需要通过状态估计进行计算获得，这不但降低了系统动态分析的实时性，也影响了系统分析决策的准确性

本文针对以上问题，将介绍新的调控一体化方案;分析系统数据对象的数据组织结构，利用这种数据组织形式，在新技术的平台上能简化区域电网同一断面稳态数据监控的复杂度，对断面潮流监视流程进行优化，实现对线路和断面运行状况的在线监测、潮流超限断面报警和超限记录统计分析等功能，实现同一断面的实时分析。

1 调控一体化方案简介

基于网络保护的调控一体化系统，采用高速分组传送网络(packet transport network，PTN)通信传输和同步对时国际标准，变电站内取消间隔层和站控层，过程层信息通过通信网络上传至调度设备层，将调度范围内的保护控制功能集中实现，同时形成统一的断面实时全景信息平台，为调控一体化和智能调度提供技术支撑。

系统分3层结构，各层结构由2层网络连接。总体结构如图1所示。

过程层设备主要完成网络保护、调控、计量等功能的全景实时数据的采集及上送，同时接收保护调控中心设备层下发的控制命令并完成执行。变电站内按间隔配置综合智能设备，完成合并单元、智能终端、测量、计量、就地保护、PMU等多种功能。过程层网络采用专用PTN通信网，站内各间隔的综合智能设备通过光纤连接至PTN设备;PTN设备通过光纤连接至高速PTN网。

设备层按区域划分后配置相应的区域网络保护。将区域电网整体视为保护对象，利用区域电网信息构成区域网络保护。设备层配置数据通信前置机，接收区域电网的实时调控数据，优化处理后送至智能调度系统。

图1 一体化系统结构Fig.1 Structure of integration system

调控层将区域电网整体视为监控对象，利用设备层信息完成区域电网的监视和控制功能。在区域保护、控制、调度中心实现区域各变电站一次设备及设备层状态的可视化监视、变电站在线操作、区域电源备投、区域无功控制等功能。利用实时的区域电网全景数据，完成区域电网的智能调控功能。基于实时同一断面数据的电网安全稳态分析、评估及控制系统，实现真正意义上的调控一体化，使系统分析、预警、控制具备实时性，可实现调度策略的实时在线调控、智能调度。

2 全景信息平台的建设

2.1 全景数据平台及其特点

基于分布式原理设计，遵循国际开放式标准IEC 61850和IEC 61970，统一建模、统一源端维护、统一数据访问接口［5-8］，如图2所示。体系结构面向网络，应用软件的开发面向应用数据库和实时数据库，数据结构面向电力系统对象。整个系统建立在统一的系统支持平台上，能够保证数据库的分布性和一致性。关键应用数据存储在实时数据库中，常驻内存于有关节点，保证了数据库访问的快速性，历史数据储存在序列数据库，数据模型储存在关系数据库中。设备层保护服务器按区域分组，每台服务器对应1个本区域实时数据库、历史数据库，对每个实时库的访问通过对应的实时库代理服务，如同就地访问一样快捷方便。所有的设备处于1个目录服务管理之中，对于不同分区设备对象的访问，可以先访问目录服务，找到对应的区域、实时库。

目前在国内调度系统的SCADA/EMS系统中，通常采用ORACLE的关系数据库来存储电网模型及历史数据。但随着PMU数据的接入，采用ORACLE的关系数据库来存储电网海量动态数据已不能满足存储及实时读取的要求［9］，需要时序数据库。

时序数据库虽然提供了历史数据的高速缓冲区，但本质上是一种纯文件系统的存储方式。Mysql、ORACLE这些商用数据库在存储、查询、分布式访问、管理上均好于纯文件系统。另一方面，时序数据库主要面向数据，点与点之间没有关系，对电网模型和结构的描述支持很弱，而Mysql、ORACLE数据库用于描述电网模型等方面的技术非常成熟。

2.2 系统层次数据结构设计

目前数据平台比较流行的运行方式为采用一种层次+关系的数据结构来描述，按照电力系统设备区域划分为设备、间隔、厂站3个层次，这种表达方法清晰、直观，符合电力系统特点，但是随着智能分析、智能告警等电力系统高级应用软件(power application software，PAS)系统的深入发展和对数据的深入挖掘，出现了更多跨设备跨区域的虚设备，对具有相似特性的数据进行分组，组成新的复杂层次来管理。本文的数据平台运行方式采用一种容器类+对象类的数据结构来描述，比前者具有更易操作的优点。基于IEC 61850标准，从全局的视点出发，给出变电站物理设备、逻辑设备、逻辑节点、数据对象的信息模型，采用基本对象类或者设备对象类与之对应;对于变电系统的间隔、区域、厂站对象则采用容器类与之对应，容器通过包含功能可以形成较深层次。系统中各种实际测量值的传输采集遵循IEC 61850协议，以过程层的设备对象为基本单位进行管理，用容器类对所有设备重新分组检索管理。

基本对象类包括遥测类、遥信类、遥控类、遥脉类、基本数据字符类。

图2 数据平台的组织结构Fig.2 Structure of data platform

设备对象类包含各种基本对象类。

容器类包括设备对象类、容器类(可分层次)、层次标识(基本数据字符)，属于虚设备类。

3 统一断面稳态数据监控

现行变电站监控系统为调控一体化系统提供的稳态数据实时性指标一般为3～5 s，且不带同步时间标签，由此导致调度稳态潮流实时监视信息不在同一断面，无法保证断面负荷平衡，现行的电网稳态潮流监视、实时数据统计、负荷预测等应用的精确性都受到一定的影响。

基于网络保护下的调控一体化系统，由变电站过程层综合智能设备通过高速PTN网络直接将稳态数据传输到调控中心，实时性指标可达到ms级，且带有全网同步时间标签;信息的完整性、实时性和同步性得到了保证。由于实现了电网稳态、动态和暂态数据的统一采集、存储和管理，在全景数据平台的支撑下，可以实现电网稳态和动态监视、控制，电网暂态过程分析等自动化功能的一体化，实现调度自动化二次系统信息的整合。

3.1 输电断面的确定

在实际电力运行中，输电断面一般由调度员根据系统运行经验选定，也有专家系统软件帮助确定局域电网的多个输电断面，可以互相参照。在实时状况下，由于系统状态不断变化，过载线路位置各有不同，相关输电断面的组成也在不断变化。因此，根据经验事先选定的方法难以满足在线实时控制的要求。现在对在线搜寻输电断面的研究较多，由动态方法得到的输电断面往往需要进一步甄别关键断面，这种输电断面也常常发生变化。因此应重点监视人工确定的关键断面，自动检测到的断面只作为辅助监视使用［10］。

3.2 输电断面的监视

输电断面由一些相关元素组成，包括相关的一组节点、节点之间的连线、连线两端的遥测量以及由此得到潮流值;还包括各种输电断面的几种主要运行方式，每种运行方式断面中每条线路的运行状态、断面所属电网的联网方式、稳措方式、其他约束条件以及该运行方式对应的断面潮流极限值等信息［11］。

输电断面的监视主要对相关节点的状态参数、各条线路的检测值进行实时监视;在潮流计算时已经得到相关的临界阀值，当检测值发生变化或者异常时，系统会给出各种告警，并根据参数配置、方案设置，对断面做出综合判断，提出恰当的执行方案供调度人员参考。

3.3 输电断面数据结构

稳定断面数据结构已有较多的研究，本文采用方式定义，对断面监视、线路断面限额等给予类和容器描述，为稳态监视算法设计提供操作数据，简化算法设计、优化程序运行。

根据设备对象的定义，断面、线路并不是实际设备对象，可称之为虚设备，其包含的测点实际上是设备对象的一些测点。虚设备测点的值通过全景数据平台接口直接引用相关设备测点的值，如图3所示。

图3 断面类型Fig.3 Section type

断面检测建立在运行方式的基础上，不同的输送电方案连接点和连接线路可能不同，在不同的方案下，连接点和线路的约束条件有可能不一致，当潮流计算结果超过限额时就应告警或提醒人员采取措施。

4 断面监控服务主程序

图4 程序流程图Fig.4 Program flow chart

断面检测服务程序框架如图4所示，断面拓扑分析通常根据区域设备拓扑连接方式对断面关注的相关设备进行分析，确定断面运行方式，读入方式运行的配置参数，一般为自动读入，在特殊情况下也可以在线修改手动输入的参数，由于方式参数储存在实时库中，执行效率高。拓扑分析是平台的基本功能，对方式配置进行准确的体现，并通过可视化展示，断面方式给予直观监控。本服务建立在基于全景数据的调控一体化监控平台上，全局统一对时，大容量传输信道，过程层上送带时标的实时数据覆盖了各种需要，稳态数据的监控计算［12］所需要的数据几乎可以看作是同一时刻上传;计算结果准确及时，通过平台丰富的展示手段，如实时浏览、实时曲线、方差曲线检测，甚至能预见各种数据的发展趋势，对调控操作具有很强的指导性。由于平台已具有对各种事件、告警、操作等准确记录功能，结合历史数据库，能对稳态事件发展做到准确回溯。

5 工程应用

基于全景信息平台的调控一体化系统，是一种全新的架构模式，保护模式、调度、自动化监视等方面都发生了较大变化，本文只关注了电力系统稳态监控。前期只在东北某地区220 kV七台河变电站为中心投入了一体化监控系统，从2011年11月投运以来，试运行效果比较满意。在以下几方面产生了突出作用:(1)因为该地区地处我国北部地区，冬季易发大雪，今年2月份气候潮湿、线路覆冰严重，线路监视功能及时发现异常状态，经巡视工作人员及时查验，避免了不可预估的事故发生;(2)本系统的电网断面在线监测功能也得到了检验，在迎峰度夏检修中，暂停某线路运行，系统根据开关节点拓扑关系，自动切换运行方式，并及时发出语音警告，同时推出监视图形进行提示;(3)检修结束后，根据系统的日志记录功能对断面潮流超限起止时间、最大超限潮流值、解决措施等信息进行统计分析并生成日报表，便于调度人员对断面运行状态进行分析，同时也可为将来的电网规划提供参考。

6 结论

(1)本文介绍了调控一体化方案，对新的一体化监控结构作了说明，并对相关技术设备的变革进行了介绍。

(2)构造了一种分布式全景数据平台，对跨区域，多个分布式实时库、商业数据库、序列数据的管理使用提出了解决方案。利用注册目录服务，实现统一数据接口，构建全局数据模型，为调控一体化提供了支持。

(3)在调控一体化监控系统的基础上，利用全景数据平台，为同一断面稳态数据提出1组新的数据结构。利用断面监视流程重新设计，去掉状态估计，简化系统处理的复杂度层，提高了计算结果精度。

(4)本文只对断面监视进行了研究，调控以及各种实时极限运算应用将是下一步研究的重点。

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