廣域網(wǎng)保護(hù)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(hù)的概念以及廣域保護(hù)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(duì)廣域網(wǎng)通信系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，實(shí)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(shí)延和可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)電力系統(tǒng)保護(hù)裝置的協(xié)調(diào)動(dòng)作，對(duì)級(jí)聯(lián)跳閘將起到一定的免疫作用，該系統(tǒng)對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定運(yùn)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(duì)于電力系統(tǒng)中的不正常運(yùn)行和故障狀態(tài)，目前使用的繼電保護(hù)和自動(dòng)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(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，不能反映較大區(qū)域電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，裝置之間缺乏相互協(xié)調(diào)和配合，難以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制。這樣系統(tǒng)某點(diǎn)發(fā)生故障后，造成直接關(guān)聯(lián)的繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置動(dòng)作，而不考慮單點(diǎn)動(dòng)作后，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)電能潮流分布和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞挠绊?，可能進(jìn)一步擴(kuò)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(diǎn)的裝置之間達(dá)到配合協(xié)調(diào)動(dòng)作的目的，必須能夠得到多點(diǎn)的信息，包括各測(cè)試點(diǎn)電氣量信息，各本地裝置的動(dòng)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(diǎn)的信息，是實(shí)現(xiàn)新一代保護(hù)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?，并根?jù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)，做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，能夠在一定程度上避免級(jí)聯(lián)跳閘，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)狀態(tài)的平穩(wěn)過渡和正常運(yùn)行。

1廣域系統(tǒng)的概念和結(jié)構(gòu)組成

      廣域保護(hù)可定義為：依賴電力系統(tǒng)多點(diǎn)的信息，對(duì)故障進(jìn)行快速、可靠、精確的切除，同時(shí)分析故障切除對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(shí)實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)和自動(dòng)控制功能的系統(tǒng)，稱為廣域保護(hù)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(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求越來越高，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，為了滿足電力系統(tǒng)保護(hù)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(cè)到當(dāng)?shù)毓收宵c(diǎn)信息，迅速做出動(dòng)作，并分析動(dòng)作前后網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜碗娋W(wǎng)潮流，有選擇地切機(jī)、切負(fù)荷、電網(wǎng)重構(gòu)等動(dòng)作，避免發(fā)生連鎖跳閘，甚至系統(tǒng)崩潰。

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

      第一，要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。廣域保護(hù)系統(tǒng)足作用于電力系統(tǒng)的保護(hù)和安全穩(wěn)定的，通信系統(tǒng)的時(shí)延過大會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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?。可靠性是決策中心進(jìn)行薩確調(diào)度和優(yōu)化的毖礎(chǔ)，如過數(shù)掘傳輸錯(cuò)誤或者根本傳不到，這將給電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來嚴(yán)最的影響。

      根據(jù)廣域網(wǎng)的定義，本文設(shè)計(jì)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(yùn)營(yíng)商邊緣路由器）接入SDH環(huán)網(wǎng)，整個(gè)環(huán)網(wǎng)的PE又由數(shù)個(gè)（根據(jù)需要設(shè)置）P（核心層設(shè)備）相連接，使得各個(gè)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(gè)電網(wǎng)的運(yùn)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(hù)體系，類似于多代理系統(tǒng)MAS（multi-agent system），每個(gè)監(jiān)控子站就相當(dāng)于一個(gè)硬件AGENT，所有的AGENT相互通信，協(xié)調(diào)動(dòng)作。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具備自適應(yīng)性，如果某一個(gè)監(jiān)控子站下發(fā)生故障，或保護(hù)設(shè)備拒動(dòng)，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(jī)、汽門控制、系統(tǒng)解列等措施，同時(shí)傳輸故障點(diǎn)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(hù)規(guī)定》(電監(jiān)會(huì)5號(hào)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(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，安全二區(qū)為非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。對(duì)于廣域保護(hù)通信系統(tǒng)的延時(shí)性能，文獻(xiàn)[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(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，系統(tǒng)必須在30"--50ms內(nèi)完成狀態(tài)數(shù)據(jù)的測(cè)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(duì)于一個(gè)50節(jié)點(diǎn)、子站距離中調(diào)1000km范圍的省級(jí)電網(wǎng)，調(diào)度中心主站要在20ms內(nèi)獲得全部子站的測(cè)量信息，而主站的控制命令也可以在20ms內(nèi)下達(dá)到各子站。故整個(gè)通信網(wǎng)上的延時(shí)。最好小于20ms，才能滿足廣域保護(hù)對(duì)通信的要求。

      廣域保護(hù)通信系統(tǒng)的延時(shí)可以用下式表示：

      傳統(tǒng)IP傳送過程中，IP數(shù)據(jù)包會(huì)在路由十字路口計(jì)算、比對(duì)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(shí)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(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。同時(shí)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(gè)IP包選擇了一條路徑，則不管這條鏈路是否擁塞，IP包都會(huì)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(diǎn)，這樣可以避免IP包在網(wǎng)絡(luò)中的盲目行為，實(shí)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(shí)，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(duì)以上所述的廣域網(wǎng)電力通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真，在100-200s之間系統(tǒng)隨機(jī)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(shí)只有16ms左右，完全符合電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性要求，能夠迅速，準(zhǔn)確地處理各監(jiān)控子站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，傳送控制指令，快速隔離故障點(diǎn)，保護(hù)用電設(shè)備，保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(hù)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(yùn)行的要求，補(bǔ)充和加強(qiáng)了只原來主、后備保護(hù)設(shè)備的動(dòng)作能力，在很大程度上優(yōu)化了主、后備保護(hù)的動(dòng)作方式，提高了保護(hù)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(yùn)行。仿真結(jié)果證明了方案的可行性和理論上的先進(jìn)性。隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展，保護(hù)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(jìn)一步研究基于光纖網(wǎng)的保護(hù)控制一體化的電力系統(tǒng)后備保護(hù)控制系統(tǒng)，進(jìn)一步擴(kuò)大和完善光纖網(wǎng)在電力系統(tǒng)保護(hù)控制領(lǐng)域的應(yīng)用。

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