廣域網(wǎng)保護下通信系統(tǒng)的研究

艾紅杰，齊向東，王興

(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024) 電話：13643450973

      摘要：文章討論了廣域保護的概念以及廣域保護系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)組成、通信網(wǎng)絡(luò)的配置。應(yīng)用OPNET軟件對廣域網(wǎng)通信系統(tǒng)進行了仿真，實踐證明，基于MPLS技術(shù)的IP OVER SDH的通信模式，依靠SDH自愈環(huán)的低時延和可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)整個電力系統(tǒng)保護裝置的協(xié)調(diào)動作，對級聯(lián)跳閘將起到一定的免疫作用，該系統(tǒng)對電力網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定運行有重要的意義。

      Abstract：Article discussed the wide-area protection concept ，function and structure, and the configuration of communication network. OPNET software application to the wan communication system is simulated, the practice has proved, based on MPLS technology IP OVER SDH, relying on SDH self-healing ring low delay and reliability, can realize the whole power system protection device between data quickly transmission and coordinated action of cascade trip will play a certain role, the system of immune to the safe and stable operation of power network has an important significance.

0 引言

      對于電力系統(tǒng)中的不正常運行和故障狀態(tài)，目前使用的繼電保護和自動裝置控制判據(jù)，大都是基于本地量構(gòu)成，反映的只是系統(tǒng)就地某一點的運行狀態(tài)，不能反映較大區(qū)域電網(wǎng)的運行狀況，裝置之間缺乏相互協(xié)調(diào)和配合，難以對系統(tǒng)進行優(yōu)化控制。這樣系統(tǒng)某點發(fā)生故障后，造成直接關(guān)聯(lián)的繼電保護和安全自動裝置動作，而不考慮單點動作后，對整個電力系統(tǒng)電能潮流分布和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞挠绊懀赡苓M一步擴大故障影響范圍，引起系統(tǒng)發(fā)生連鎖跳閘等嚴(yán)重事故。為了使分布在系統(tǒng)各點的裝置之間達到配合協(xié)調(diào)動作的目的，必須能夠得到多點的信息，包括各測試點電氣量信息，各本地裝置的動作信息，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息等,因此，如何快速、可靠的傳遞多點的信息，是實現(xiàn)新一代保護控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，本文著手建立一種基于光纖自愈環(huán)，利用基于MPLS技術(shù)下的IP OVER SDH的廣域網(wǎng)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)偷毓收闲畔⒆龀隹焖倥袛啵⒏鶕?jù)整個網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)，做出相應(yīng)的保護動作，能夠在一定程度上避免級聯(lián)跳閘，實現(xiàn)電網(wǎng)狀態(tài)的平穩(wěn)過渡和正常運行。

1廣域系統(tǒng)的概念和結(jié)構(gòu)組成

      廣域保護可定義為：依賴電力系統(tǒng)多點的信息，對故障進行快速、可靠、精確的切除，同時分析故障切除對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的影響，并采取相應(yīng)的控制措施，可提高輸電線可用容量或系統(tǒng)可靠性，這種同時實現(xiàn)繼電保護和自動控制功能的系統(tǒng)，稱為廣域保護系統(tǒng)。

      隨著當(dāng)今電網(wǎng)發(fā)展的越來越龐大和復(fù)雜，對數(shù)據(jù)實時性要求越來越高，結(jié)合計算機技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展的趨勢，為了滿足電力系統(tǒng)保護需要，廣域網(wǎng)系統(tǒng)必須能夠利用網(wǎng)絡(luò)提供的信息，快速的檢測到當(dāng)?shù)毓收宵c信息，迅速做出動作，并分析動作前后網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜碗娋W(wǎng)潮流，有選擇地切機、切負(fù)荷、電網(wǎng)重構(gòu)等動作，避免發(fā)生連鎖跳閘，甚至系統(tǒng)崩潰。

      為保證保護設(shè)備動作的快速和準(zhǔn)確，廣域網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和動作指令必須滿足一下要求：

      第一，要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。廣域保護系統(tǒng)足作用于電力系統(tǒng)的保護和安全穩(wěn)定的，通信系統(tǒng)的時延過大會造成整個系統(tǒng)的實時性太低，決策中心無法在系統(tǒng)失穩(wěn)之前做出響應(yīng)。

      第二，要保證數(shù)掘傳輸?shù)目煽啃浴？煽啃允菦Q策中心進行薩確調(diào)度和優(yōu)化的毖礎(chǔ)，如過數(shù)掘傳輸錯誤或者根本傳不到，這將給電力系統(tǒng)的正常運行帶來嚴(yán)最的影響。

      根據(jù)廣域網(wǎng)的定義，本文設(shè)計廣域網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖1，

      各變電子站的數(shù)據(jù)信息通過CE（用戶網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備）、PE（運營商邊緣路由器）接入SDH環(huán)網(wǎng)，整個環(huán)網(wǎng)的PE又由數(shù)個（根據(jù)需要設(shè)置）P（核心層設(shè)備）相連接，使得各個子站之間能夠通信；調(diào)度中心通過核心路由器接入SDH環(huán)網(wǎng)，這樣就可以由調(diào)度中心監(jiān)視和控制整個電網(wǎng)的運行狀況。

      由調(diào)度中心、監(jiān)控子站和高速光纖網(wǎng)絡(luò)組成的保護體系，類似于多代理系統(tǒng)MAS（multi-agent system），每個監(jiān)控子站就相當(dāng)于一個硬件AGENT，所有的AGENT相互通信，協(xié)調(diào)動作。整個網(wǎng)絡(luò)具備自適應(yīng)性，如果某一個監(jiān)控子站下發(fā)生故障，或保護設(shè)備拒動，系統(tǒng)可以為這些故障信息選擇最優(yōu)路徑，通過高速SDH網(wǎng)絡(luò)由臨近監(jiān)控子站發(fā)出指令，做出切負(fù)荷、投切發(fā)電機、汽門控制、系統(tǒng)解列等措施，同時傳輸故障點信息到調(diào)度中心，由調(diào)度中心故障錄波設(shè)備記錄故障信息。

2通信協(xié)議

      根據(jù)《電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定》(電監(jiān)會5號令)要求，將各類數(shù)據(jù)劃分為不同的安全區(qū)，其中安全一區(qū)數(shù)據(jù)為實時業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，安全二區(qū)為非實時業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。對于廣域保護通信系統(tǒng)的延時性能，文獻[3]指出為了保證獲得系統(tǒng)完整的暫態(tài)信息，并在失穩(wěn)或崩潰之前發(fā)出反事故緊急控制措施。為了對電力系統(tǒng)進行實時控制，系統(tǒng)必須在30"--50ms內(nèi)完成狀態(tài)數(shù)據(jù)的測量、傳輸與處理，以保證系統(tǒng)獲得完整的暫態(tài)狀態(tài)信息，并在失穩(wěn)之前采取反事故措施。對于一個50節(jié)點、子站距離中調(diào)1000km范圍的省級電網(wǎng)，調(diào)度中心主站要在20ms內(nèi)獲得全部子站的測量信息，而主站的控制命令也可以在20ms內(nèi)下達到各子站。故整個通信網(wǎng)上的延時。最好小于20ms，才能滿足廣域保護對通信的要求。

      廣域保護通信系統(tǒng)的延時可以用下式表示：

      傳統(tǒng)IP傳送過程中，IP數(shù)據(jù)包會在路由十字路口計算、比對路由映射表，從而選擇下一跳地址，而應(yīng)用MPLS 是將IP數(shù)據(jù)包，集中打包傳送。MPLS技術(shù)可以說是IP與ATM的結(jié)合，它只需在OSI數(shù)據(jù)鏈路層執(zhí)行硬件式交換，整合了IP選徑與第二層標(biāo)記交換為單一系統(tǒng)，減少了尋址的時間開銷，因此可以較好的解決路由問題，使數(shù)據(jù)傳送延遲縮短，增強網(wǎng)絡(luò)的實時性。同時MPLS還具有流量工程和服務(wù)質(zhì)量功能，流量工程是指MPLS可以控制IP包在網(wǎng)絡(luò)中所走過的路徑，而不像傳統(tǒng)口網(wǎng)絡(luò)，一旦為一個IP包選擇了一條路徑，則不管這條鏈路是否擁塞，IP包都會沿著這條路徑傳送，而MPLS平衡流量負(fù)載，避免業(yè)務(wù)流向已經(jīng)擁塞的節(jié)點，這樣可以避免IP包在網(wǎng)絡(luò)中的盲目行為，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的合理利用。

      至于服務(wù)質(zhì)量就是在保證快速性的同時，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，提高傳輸質(zhì)量。

3仿真結(jié)果

      本文利用OPNET軟件對以上所述的廣域網(wǎng)電力通信系統(tǒng)進行仿真，在100-200s之間系統(tǒng)隨機出現(xiàn)故障，其仿真結(jié)果如圖3：

      由仿真結(jié)果我們可以看到，基于MPLS技術(shù)的IP OVER SDH 系統(tǒng)延時只有16ms左右，完全符合電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實時性要求，能夠迅速，準(zhǔn)確地處理各監(jiān)控子站的實時數(shù)據(jù)，傳送控制指令，快速隔離故障點，保護用電設(shè)備，保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

4結(jié)論

      本文提出了一種新型的基于光纖網(wǎng)的廣域保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)在快速性和準(zhǔn)確性方面滿足了電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的要求，補充和加強了只原來主、后備保護設(shè)備的動作能力，在很大程度上優(yōu)化了主、后備保護的動作方式，提高了保護的快速性和可靠性，在一定程度上保證了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。仿真結(jié)果證明了方案的可行性和理論上的先進性。隨著計算機和通信技術(shù)的發(fā)展，保護和控制的結(jié)合也越來越緊密，在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上可進一步研究基于光纖網(wǎng)的保護控制一體化的電力系統(tǒng)后備保護控制系統(tǒng)，進一步擴大和完善光纖網(wǎng)在電力系統(tǒng)保護控制領(lǐng)域的應(yīng)用。

參考文獻

[1]Sidhu．T．S，et．a(chǎn)1．Bibliography of Relay Literature，2000 IEEE Committee Reprot[J]．IEEE Trans on Power Delivery,2002，17(1)：75-84

[2]張保會．電網(wǎng)繼電保護與實時安全性控制面臨的問題和需要開展的研[J]．電力自動化設(shè)備．2004，24(7)：1-6

[3]王曉茹，K．M，Hopkinson，J．S．Thorp，etc．利用Agent實現(xiàn)新的電網(wǎng)后備保護[J]．電力系統(tǒng)自動化，2005，29(21)：57-61

[4]沙忠成．關(guān)丁廣域保護下通信系統(tǒng)的研究[D]．山東大學(xué)碩士學(xué)位論文．2005．

[5]張爾海．廣域測量系統(tǒng)中通信網(wǎng)絡(luò)的研究[D]．天津大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005．

[6]叢偉，潘貞存，丁磊，等．滿足“三道防線”要求的廣域保護系統(tǒng)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(15)：29-33．

[7]徐天奇，尹項根，游大海等．3層式廣域保護系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)[J]．電力系統(tǒng)自動化，2008，32(16)：28-35。