构筑数字化电力系统.doc

构筑数字化电力系统时间：2008-10-21摘要：本文对数字化电力系统进行了初步探讨、就如何构建综合业务数据网去把各个离散的自动化系统集成成电力综合自动化系统以及未来数字化电力系统需要的各种技术进行了尝试性展望。 关键字：数字化 自动化 集成 前言 现代社会数字信息化的发展,对电力质量的要求越来越高.电力系统一直在努力为这个数字化进程提供高质量的电力产品和电力资源。集电力系统自动控制、电力电子、材料科学、计算机网络等多项新技术发展起来的高度集约化、数字化、技术化的电力综合自动化系统取代原来粗放型的人为控制方法来控制这个多变量多参数的实时系统，才能从根本上提高电力系统的可靠性。我们需要将现在各个孤岛式的自动化系统利用计算机通讯网络集成（Integration）成一个智能化、虚拟化、协同化、标准化、绿色化的数字化电力系统。可以构想在电力总控中心已经虚拟（Virtual）出了一个真实的实时电力系统，在这里可以看到一个基于地理图形（GIS）的电网结构图，而相关的拓扑分析、负荷预测、经济调度、安全分析（PAS）等信息我们可以了如指掌（EMS）。点击某一个变电站后可以看到一个把一二次集成的变电站，他没有了主控室，而是通过现场采集控制设备（采用电力电子技术）自动调节设备参数来控制电力质量和系统安全，通过全光的采集装置和传输设备与远方实行交互式的监控（变电站综合自动化）。而当点击某一个开关时可以看到一个基于地理图形（GIS）的配网实时结构图，各个环网柜的运行参数和配电线路的电能参数（配网自动化）都展示在我们面前。点击某一个大用户可以了解他的用电情况和企业资料（负荷控制系统）。点击某一个配变可以看到在这个配变下面每一个用户的用电情况和最末端的电能质量（远方抄表系统）。而电力用户也可以通过电力电子商务系统交互式的完成电力的供需交易（用户需求侧管理DSM）。而这个可视的电力系统的实现应该按照分布式控制系统（Distributed Control System ，DCS）的思想，把系统功能和运行信息按照逐级处理传送的原则来组织。地区供电局作为国家电力信息网SPInet（State Power Information Network）的第四级网络如何去实现，是我们未来发展的课题。所以对于信息的标准、采集、传输、处理、应用等方面我们可以讨论以下三方面的技术问题： 来源:输配电设备网 1 宽带综合业务数据网在电力系统的应用 建立一个统一、灵活、宽带、数字的传输网络为电力系统各个自动化系统传输信息是实施数字化电力系统的关键，统一平台可以实现各自动化系统的融合增值和集成。现在数据（Information）、语音（Voice）、图像（Video）三网合一，所有业务通过一样的0/1比特流按照统一的TCP/IP协议在光通道上高速传输已是大势所趋。而TCP/IP协议作为三网都能接受的唯一通讯协议而成为标准已是不争的事实。现在对于电力系统来说综合业务数据网有三种方案可以供选择：IP over SDH、IP over ATM还是IP over WDM。电力系统采用什么方案主要是取决于自己的业务特点。首先让我们看看电力系统数据的业务特点： 1、从一点到多点发展到多点对多点通讯为主。各种通讯技术都有适用范围。 2、各种实时数据点多、类型多、容量少但对通道的实时性和可靠性要求非常高。 3、随着企业的发展，IP业务会越来越多。 4、分组交换网将逐步替代传统的电路交换网。 SCADA/EMS（针对电力综合自动化系统）的实时数据需要面向连接的专线技术，它对QoS（Quality of Serve）有着严格的要求，其中包括传输延时、时延抖动、报文丢失率等，同时还必须保证数据的独立性和信息的安全性。大容量的变电站图像监控和电子会议等视频信息对时延比较敏感。大量的应用数据，比如：局域网上的文件传输、电力电子商务等又有着不可预见的突发性。 来源:我们来看看TCP/IP和ISOOSI的七层模型的关系： 来源: 来源:由于TCP/IP采用统一的地址格式和协议，使得各种不同低层和高层结构的异种网只要在IP层取得统一就可以互连，并且TCP/IP协议提供了良好的应用程序接口（API）使得网络上90%的程序都是基于它开发的，这也促成了他成为标准。这也是为什么在通讯界流行说“EveryingonIP”（主宰业务承载技术）和“IP over Everying”（良好的低层支持技术）的原因。 由于我们已经在全局的范围内覆盖了SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字系列）自愈式光纤环网，语音和实时数据业务量大，而IP网络的业务量不大。如果从经济上考虑的话选择投资少，性价比高、实时性和维护性好的IP over SDH是比较好的选择。它具有SDH的高速灵活的网络接口、自愈式光纤环网保护功能和优良的网管功能与IP的简单灵活、易扩充、统一性、用户应用方便的优点。同时现在的带宽的冗余度还很大，用带宽换QoS可以满足电力系统对实时性的要求。 IP over SDH的实现方法是将IP包装到PPP（Point to Point Protocol 点到点协议）包中，再采用HDLC（High-level Data Link Control）高级数据链路控制规程规定的格式将包封装起。然后按照字节同步方式映射到SDH帧的净负荷帧上。最后加上SDH开销置入STM-N帧上，再按照各次群的速率传输。 来源:由于IP采用竞争资源、尽力而为的传输方式，所以他对QoS天生就没有保障，而电力系统的实时数据要求有着比其他数据要高的传输优先级，这是能否成为电力系统标准的关键，为了弥补这个缺陷一种新的MPLS（Multi-Protocol Label Swithing 多协议标签交换）协议与IP的结合可以很好的弥补这一问题，MPLS把交换机的高速转发性能与路由器的广播控制性能融合起来，并且支持对不同的数据流实施不同的控制策略，这样可以确保电力系统的实时数据在无连接的IP网中实现了线路交换的功能，保证了QoS。现在绝大多数电力系统的通讯业务都可以由IP网承载。 如果从供电局的业务发展看，突发性的IP业务会逐渐增多，从超前性看选择ATM（Asynchronous Transfer Mode 异步传输模式）会更适于未来网络的发展和生存。这是由于与SDH采用时分多路复用（TDM）提供固定带宽不同，ATM支持多业务多比特的统一复用，他是将数据包全部封装为ATM信元，他能根据网络的负荷情况自动分配网络带宽，通过计算路由建立虚电路（Virtual Connection）转发数据包。以分组交换的方式给用户提供一个好象是面向连接的电路交换，使得网络带宽资源得到更充分合理的应用。同时ATM产品的不断完备和价格的逐年下降使得他将会成为数据网的主流。 请登陆:输配电设备网 浏览更多信息 传统的TDM用有限的时隙来传输信息已经达到他的极限10Gbit/s，而光纤理论上的可用频段是30THz，采用波分多路复用WDM（Wavelength Division Mulitiplexing）的IP over WDM技术能更有效的利用丰富的光纤带宽资源。他由IP通过PPP协议直接映射到光路层的WDM，体系结构简单、开销少、效率高。同时他可以利用DWDM（Dense WDM ）的理论带宽193.1THz（对应波长1552.52nm）获得更高的传输速率。他所丢失的ATM的QoS的严格保障和SDH的自愈环网功能这两个缺点可以通过MPLS来弥补。可以说IP over WDM将是未来的发展方向。 随着现在网络以面向连接为主向着面向应用为主的发展，建立一个综合数据业务网的目的不仅仅是为各种业务提供通道，更重要的是将各个自动化系统的业务集成在一起，信息融合增值。通过统一的业务服务器为电力系统虚拟出一个实时的数学模型。为各种控制和管理提供方便。网络化、数字化是信息化、智能化的基础。 2 电力综合自动化系统的数据结构 我局现有的自动化系统已经有部分在应用层上实现了实时互联了（远抄和配网、配网和综自）。它的实现原理是一种帧格式向另一种帧格式一一对应的映射处理。包括帧格式的转换和编码的转换。为了理解举例如下：假如城东变东沙024线保护设备LFP961（地址为08）在2001-3-19日19：57.42.456时间发生了B相7.28A的过流二段保护动作事件（事件编码为01）。其中为了理解解释如下：一个信息字为六个字节（一个字节为8位），46为主动上送保护报文特征码。下面简单描述如下： 来源: 1、保护装置把事件按照变电站层规约打包后向现场总线广播。 2、通讯控制器确认是发给自己的时候把报文收下来，取出有效数据，再按照远传规约（以XT9702为例）格式映射打包后传往调度端。 3、调度端收到数据后会自动按照规约规定取出有效数据。时间直接显示。其中通过地址码08到数据库中找到这个站8号地址的开关编号为城东变东沙024开关，其保护模板为LFP961，在模板中找到事件编码01为过流二段保护动作、相别01为B相并启动告警窗以多媒体的形式告警： 保护事件：城东变东沙024开关2001-3-19日19：57.42.456过流二段保护动作 B相7.28A 对于电力系统综合自动化，仅仅在应用层连接是不够的。国际电工协会IEC（The International Electrotechnical Commission）为了不同的高级应用软件之间建立通用的连接模式，以利于不同软件开发商开发的产品有很好的移植性、互换性、可重用性和可互操作性。制定了一系列的电力系统数据通信协议体系。 1、远动设备和系统系列标准 IEC 60870-5系列标准。 1)基本远动任务配套标准 IEC60870-5-101 2)多功能电能表通信规约 IEC60870-5-102 3)继电保护设备信息接口配套标准 IEC60870-5-103 来源:输配电设备网 4)使用标准传输协议传输IEC60870-5-101 IEC60870-5-104 （由于101只有应用层和链路层，通过104把101映射在TCP/IP网络协议上） 2、计算机数据通信协议体系 IEC 608706系列标准（TASE2） 3、变电站通信网络和系统 IEC 618507系列标准 4、载波配网自动化系列标准 IEC 61334系列标准 来源:输配电设备网 如果把这套电力系统数据通信协议体系用在地区供电局中，那么可以构筑出电力综合自动化系统的数据结构：（只画出了实时系统互连，用IP over SDH做为数据平台） 请登陆:输配电设备网 浏览更多信息来源: 3 电力系统自动化的几个发展热点 引言 随着社会数字化进程日新月异的发展，我们的生活和工作方式必将发生很多变化。而各种高新技术在电力系统中的应用更是推动着我们电力系统自动化向着数字化飞速发展。网络化、数字化是信息化、智能化的基础。在这场数字化变革中我们应该关注各种技术在电力系统的应用前景。以下是可能改变我们电力系统自动化水平的几项技术。 3.1 先进的测量技术 光纤电压、电流互感器在高电压、大电流测量领域的应用已经成为一种发展趋势。他主要是通过法拉第磁光效应（一束线偏振光在磁场中其偏振角会发生旋转）测量大电流；用Pockels效应（某些透明光学介质，比如Bi4Ge3O12晶体折射率随外加电场线性变化的现象）测量电压。这种光测量设备可以把电压互感器、电流互感器甚至断路器融为一体。具有无油化、体积小、重量轻（原来几吨重的设备现在可以只有200KG）、动态特性好（没有电磁饱和现象）、灵敏度高、抗干扰性强、输出的数字量可直接与保护CPU接口，它与电力电子的结合可以使一、二次设备非常简单的集成在一起。现在国内已有多家科研机构和企业联合开发这种把光学互感器和微机保护设备集成在一起的设备。 来源:输配电设备网 3.2 分布式电源和超导技术 一种直接把化学能转换成电能的燃料电池和超导储能使得分布式电源在电力系统中发挥着越来越重要的作用，而高温超导技术的迅猛发展相信不久的将来将在电力系统中出现全封闭超导传输系统、全超导变电站等概念。超导技术将提高系统的稳定性、传输效率和绿色化电力系统。 3.3 电力电子（Power Electronics）的发展 随着材料科学、计算机通讯和其他新技术的融合。电力电子产生了灵活交流输电系统(FACTS)和用户电力技术（Custom Power Technology）。它将在提高线路输送能力、阻尼系统振荡、快速调节系统无功、提高系统稳定等方面发挥作用。可控整流器(SCR)、斩波器、可关断的晶闸管(GTO)、绝缘门极双极性三极管(IGBT) 、动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer)，电力电子超出我们想象的在电力系统发挥着越来越重要的作用。现在已经生产出6 kA、6 kV的GTO，开断功率已经达到30 MW的电子开关，他的同步开断能力将会使操作过电压消失。由储能电路、GTO或IGBT变换电路和变压器组成的静止无功发生器(DSTATCOM)将从无功静态补偿到动态补偿，从有触点补偿到无触点补偿。可以保持电压在稳态和暂态情况下的稳定。各种知识技术的发展融合推动了社会的进步。电力和电子的结合将会产生更多自适应的智能化控制设备，使得这个多参数多变量的实时系统变得容易、更灵活、更稳定的被调节和控制。电力电子将是推动电力系统数字化最关键的技术。 来源:输配电设备网 3.4 电力系统的稳定分析 电力系统的静态稳定和系统振荡已逐渐缓解，而基于非线性理论上的电力系统暂态问题的分析方法还需要研究，而怎么样利用智能电力电子设备和自动化系统去把电网的物理结构和控制系统集成去提高系统的稳定性还有很长的一个摸索阶段。这也是我们这些现场工程师可以去主动探索的。 3.5 现场总线（fieldbus）向网络的发展 工业自动化控制系统的网络结构从原来的RS485发展到现在各种类型的现场总线（Lonwork、Canbus等）。现在自动化控制系统越来越需要分散化、高速化、紧密化、共享化。现场总线已不能适应这种分散式拓扑结构的控制网络。而因为以太网灵活、易于互连的诸多优点大有取代现场总线的可能。而常规的远动系统将被融合计算机、保护、控制、网络、通讯等技术于一体的网络远动系统所代替，并将打破现行的专业分工。四方和南瑞现在都在开发基于以太网的综自产品。由于现在的变电站自动化已不是一个孤立的自动化孤岛，他需要同各种自动化系统共享信息、融合增值。而网络化的远动系统才能根本上解决远动信息一发多收和信息转发问题。为我局接入国家电力信息网SPInet创造条件。 3.6 各种数学方法和其他技术在电力系统领域的融合 来源:遗传算法、神经网络、模糊数学、小波变换、线性规划、专家系统等数学方法在电力系统的应用使得电力这个实时系统的数学模型更容易被描述和控制，在负荷预测、无功优化、网络拓扑等领域发挥着越来越重要的作用。用专家系统取代人去做一些重复、繁重的工作。将提高工作效率、降低人为错误；但把电力系统控制交给专家系统的安全性是我们需要关注的问题。自愈式光纤环网中自愈环的概念被应用在电力系统中的馈线自动化、计算机总线概念被用在配电干线上。计算机的很多概念是从生活中提炼出来又反过来应用在生活中去推动着我们社会的进步。 3.7 虚拟技术（dummy technology）在电力系统中的应用 虚拟技术是由计算机、集成电路结合发展起来的一种综合性智能化技术，他的具体含义是用软件虚拟硬件、用数据模型虚拟现实。最初的虚拟产品是可编程逻辑控制器（PLC），他用柔性程控系统取代继电器执行逻辑顺序控制；而现在只需在计算机程序中写上“or”、“and”就能实现与非门的控制；还有虚拟仪器在同样的硬件平台上配置不同的软件就成了不同的电子设备，如一台高速数字化仪器加上数据采集软件就成了数字存储示波器，如果换上傅立叶分析软件就成了频谱仪。现在的自动化设备能做的越来越小就得宜于用软件实现了原来硬件的功能。在控制中心虚拟出一个实时电力系统的数学模型也是虚拟技术的具体应用。比如配电网络动态优化是配电自动化的一个重要发展，采用“虚拟负荷法”把一个十分复杂的时空分布的电力系统动态优化的问题转化为几个简单的空间分布的静态优化，有效的解决了实际问题。对于我们电力系统自动化的工程师而言，应该转变观念，能用软件实现的就不要用硬件去完成。 来源:3.8 通讯的多元化服务 作为电力专业系统稳定运行的三大支柱之一的电力通讯以前一直是单一的、不记回报的作为电力系统的一个职能部门为电力系统服务。随着电力企业向多元化经营的发展。电力专业通讯网的市场化将成为电力企业的一个新的经济增长点。因为谁掌握了多媒体和互连网谁就掌握了未来。随着中国电信市场的逐步开放和电力企业本身发展的需要。就看电力企业能不能把握住这次难得的机会。中国的铁通，美国七家电力公司组建的美国电力光纤公司、英国国家电力公司（NGC）所属的英国电力通讯公司（ENERGIS）和韩国的电力公司都做的比较成功。电力系统涉足电信领域有两大优势： （1）全国互连电网的建设为在输电线上架设复合地线光缆（OPGW）组建宽带业务数据网的骨干网有别的企业所不具有的便利条件。 （2）随着两网改造的进行，在四通八达的低压电线上提供宽带接入网（光纤到户FTTH）和多元化接入（