廣域網保護下通信系統的研究

艾紅杰，齊向東，王興

(太原科技大學 電子信息工程學院，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的功能和結構組成、通信網絡的配置。應用OPNET軟件對廣域網通信系統進行了仿真，實踐證明，基于MPLS技術的IP OVER SDH的通信模式，依靠SDH自愈環的低時延和可靠性，能夠實現整個電力系統保護裝置的協調動作，對級聯跳閘將起到一定的免疫作用，該系統對電力網絡的安全穩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

      對于電力系統中的不正常運行和故障狀態，目前使用的繼電保護和自動裝置控制判據，大都是基于本地量構成，反映的只是系統就地某一點的運行狀態，不能反映較大區域電網的運行狀況，裝置之間缺乏相互協調和配合，難以對系統進行優化控制。這樣系統某點發生故障后，造成直接關聯的繼電保護和安全自動裝置動作，而不考慮單點動作后，對整個電力系統電能潮流分布和網絡拓撲的影響，可能進一步擴大故障影響范圍，引起系統發生連鎖跳閘等嚴重事故。為了使分布在系統各點的裝置之間達到配合協調動作的目的，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，網絡拓撲結構信息等,因此，如何快速、可靠的傳遞多點的信息，是實現新一代保護控制系統的關鍵所在，本文著手建立一種基于光纖自愈環，利用基于MPLS技術下的IP OVER SDH的廣域網通信系統，該系統能夠對就地故障信息做出快速判斷，并根據整個網絡的運行狀態，做出相應的保護動作，能夠在一定程度上避免級聯跳閘，實現電網狀態的平穩過渡和正常運行。

1廣域系統的概念和結構組成

      廣域保護可定義為：依賴電力系統多點的信息，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安全穩定運行的影響，并采取相應的控制措施，可提高輸電線可用容量或系統可靠性，這種同時實現繼電保護和自動控制功能的系統，稱為廣域保護系統。

      隨著當今電網發展的越來越龐大和復雜，對數據實時性要求越來越高，結合計算機技術和通信技術發展的趨勢，為了滿足電力系統保護需要，廣域網系統必須能夠利用網絡提供的信息，快速的檢測到當地故障點信息，迅速做出動作，并分析動作前后網絡拓撲和電網潮流，有選擇地切機、切負荷、電網重構等動作，避免發生連鎖跳閘，甚至系統崩潰。

      為保證保護設備動作的快速和準確，廣域網系統數據處理和動作指令必須滿足一下要求：

      第一，要保證數據傳輸的實時性。廣域保護系統足作用于電力系統的保護和安全穩定的，通信系統的時延過大會造成整個系統的實時性太低，決策中心無法在系統失穩之前做出響應。

      第二，要保證數掘傳輸的可靠性。可靠性是決策中心進行薩確調度和優化的毖礎，如過數掘傳輸錯誤或者根本傳不到，這將給電力系統的正常運行帶來嚴最的影響。

      根據廣域網的定義，本文設計廣域網邏輯結構如圖1，

      各變電子站的數據信息通過CE（用戶網絡邊緣設備）、PE（運營商邊緣路由器）接入SDH環網，整個環網的PE又由數個（根據需要設置）P（核心層設備）相連接，使得各個子站之間能夠通信；調度中心通過核心路由器接入SDH環網，這樣就可以由調度中心監視和控制整個電網的運行狀況。

      由調度中心、監控子站和高速光纖網絡組成的保護體系，類似于多代理系統MAS（multi-agent system），每個監控子站就相當于一個硬件AGENT，所有的AGENT相互通信，協調動作。整個網絡具備自適應性，如果某一個監控子站下發生故障，或保護設備拒動，系統可以為這些故障信息選擇最優路徑，通過高速SDH網絡由臨近監控子站發出指令，做出切負荷、投切發電機、汽門控制、系統解列等措施，同時傳輸故障點信息到調度中心，由調度中心故障錄波設備記錄故障信息。

2通信協議

      根據《電力二次系統安全防護規定》(電監會5號令)要求，將各類數據劃分為不同的安全區，其中安全一區數據為實時業務數據，安全二區為非實時業務數據。對于廣域保護通信系統的延時性能，文獻[3]指出為了保證獲得系統完整的暫態信息，并在失穩或崩潰之前發出反事故緊急控制措施。為了對電力系統進行實時控制，系統必須在30"--50ms內完成狀態數據的測量、傳輸與處理，以保證系統獲得完整的暫態狀態信息，并在失穩之前采取反事故措施。對于一個50節點、子站距離中調1000km范圍的省級電網，調度中心主站要在20ms內獲得全部子站的測量信息，而主站的控制命令也可以在20ms內下達到各子站。故整個通信網上的延時。最好小于20ms，才能滿足廣域保護對通信的要求。

      廣域保護通信系統的延時可以用下式表示：

      傳統IP傳送過程中，IP數據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，而應用MPLS 是將IP數據包，集中打包傳送。MPLS技術可以說是IP與ATM的結合，它只需在OSI數據鏈路層執行硬件式交換，整合了IP選徑與第二層標記交換為單一系統，減少了尋址的時間開銷，因此可以較好的解決路由問題，使數據傳送延遲縮短，增強網絡的實時性。同時MPLS還具有流量工程和服務質量功能，流量工程是指MPLS可以控制IP包在網絡中所走過的路徑，而不像傳統口網絡，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平衡流量負載，避免業務流向已經擁塞的節點，這樣可以避免IP包在網絡中的盲目行為，實現網絡資源的合理利用。

      至于服務質量就是在保證快速性的同時，降低數據傳輸的誤碼率，提高傳輸質量。

3仿真結果

      本文利用OPNET軟件對以上所述的廣域網電力通信系統進行仿真，在100-200s之間系統隨機出現故障，其仿真結果如圖3：

      由仿真結果我們可以看到，基于MPLS技術的IP OVER SDH 系統延時只有16ms左右，完全符合電力系統數據傳輸實時性要求，能夠迅速，準確地處理各監控子站的實時數據，傳送控制指令，快速隔離故障點，保護用電設備，保證電力系統穩定運行。

4結論

      本文提出了一種新型的基于光纖網的廣域保護系統。該系統在快速性和準確性方面滿足了電力系統安全穩定運行的要求，補充和加強了只原來主、后備保護設備的動作能力，在很大程度上優化了主、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的穩定運行。仿真結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的發展，保護和控制的結合也越來越緊密，在本系統的基礎上可進一步研究基于光纖網的保護控制一體化的電力系統后備保護控制系統，進一步擴大和完善光纖網在電力系統保護控制領域的應用。

參考文獻

[1]Sidhu．T．S，et．a1．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]．電力自動化設備．2004，24(7)：1-6

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

[4]沙忠成．關丁廣域保護下通信系統的研究[D]．山東大學碩士學位論文．2005．

[5]張爾海．廣域測量系統中通信網絡的研究[D]．天津大學碩士學位論文，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及其在電力系統中的應用[J]．電網技術，2004，28(15)：29-33．

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