1 系統(tǒng)保護(hù)

系統(tǒng)保護(hù)是利用最新的信息通信和保護(hù)控制技術(shù),在加強(qiáng)第一道防線、拓展第二道防線、銜接第三道防線的基礎(chǔ)上,構(gòu)建的具有高可靠、高實(shí)時(shí)、高安全特性的新一代大電網(wǎng)安全綜合防御體系。

1.1 系統(tǒng)保護(hù)功能架構(gòu)

系統(tǒng)保護(hù)包括交直流協(xié)調(diào)控制、主動解列控制、抽水蓄能控制、精準(zhǔn)切負(fù)荷控制、連鎖故障預(yù)警及控制、廣域聯(lián)合發(fā)電控制以及全網(wǎng)高精度錄波、實(shí)時(shí)監(jiān)視預(yù)警等部分。近期主要實(shí)現(xiàn)交直流協(xié)調(diào)控制、主動解列控制、抽水蓄能控制、精準(zhǔn)切負(fù)荷控制四大部分。遠(yuǎn)期將實(shí)現(xiàn)連鎖故障預(yù)警及控制等全景狀態(tài)感知功能。近期系統(tǒng)保護(hù)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)保護(hù)業(yè)務(wù)需求

系統(tǒng)保護(hù)由區(qū)域協(xié)控總站、控制主站、控制子站和終端構(gòu)成。區(qū)域協(xié)控總站接收控制主站上傳的各直流故障信息、可切負(fù)荷信息等,給出決策或控制策略,并向各控制主站下達(dá)控制指令,進(jìn)行負(fù)荷分配;控制主站負(fù)責(zé)收集各子站發(fā)送來的信息,同時(shí)也接收協(xié)控總站的控制指令,根據(jù)策略,向各子站下達(dá)控制指令;控制子站負(fù)責(zé)收集所轄終端的測量信息,匯總后上送至控制主站,并執(zhí)行控制主站發(fā)來的控制指令,將指令下達(dá)到具體的終端,子站主要起上傳下達(dá)的作用;終端負(fù)責(zé)將一、二次設(shè)備的測量信息上傳給控制子站,并接收控制子站的控制指令,快速切除故障或可中斷負(fù)荷^[5]。

1.2.1 業(yè)務(wù)類型

從系統(tǒng)保護(hù)實(shí)現(xiàn)功能來看,其業(yè)務(wù)主要包括穩(wěn)控、精準(zhǔn)切負(fù)荷、全景狀態(tài)感知3種類型。其中穩(wěn)控及精準(zhǔn)切負(fù)荷業(yè)務(wù)屬于控制類專線信息,全景狀態(tài)感知屬于采集類信息。

1.2.2 業(yè)務(wù)流向

分析認(rèn)為系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸流向?yàn)椋?/span>

1）區(qū)域協(xié)控主站、控制主站、控制子站和終端間數(shù)據(jù)逐級分層傳輸,跨層級節(jié)點(diǎn)間無直接數(shù)據(jù)交互需求;

2）同一層級內(nèi)節(jié)點(diǎn)間無橫向數(shù)據(jù)交互需求;

3）系統(tǒng)保護(hù)除了點(diǎn)到點(diǎn)的雙向通信外,還存在點(diǎn)到多點(diǎn)實(shí)時(shí)通信;

4）穩(wěn)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸,不進(jìn)行存儲;

5）近期協(xié)控系統(tǒng)各級站點(diǎn)(協(xié)控主站、控制主站、控制子站和終端)均與區(qū)域外協(xié)控系統(tǒng)各站點(diǎn)間無數(shù)據(jù)交互需求。遠(yuǎn)期可能存在區(qū)域協(xié)控站之間的信息交互和備份。

1.2.3 實(shí)時(shí)性需求

系統(tǒng)保護(hù)要求60 ms內(nèi)對電網(wǎng)發(fā)、輸、配及直流系統(tǒng)全景狀態(tài)監(jiān)測,300 ms內(nèi)對重要擾動故障防御控制,采集和控制通信時(shí)延均應(yīng)要求控制在50 ms內(nèi)。

1.2.4 業(yè)務(wù)帶寬需求

穩(wěn)控信息及全景狀態(tài)感知類信息主要在位于330 kV及以上變電站、換流站、發(fā)電廠的測控一體化終端與其匯聚接入控制主站之間傳輸。穩(wěn)控屬于控制信息,全景狀態(tài)感知屬于實(shí)時(shí)采集信息。

穩(wěn)控信息屬于傳統(tǒng)穩(wěn)控系統(tǒng)點(diǎn)對點(diǎn)專線類,由于控制信息數(shù)據(jù)量較小,現(xiàn)有工程實(shí)際運(yùn)行時(shí),穩(wěn)控系統(tǒng)均要求2 Mbps點(diǎn)對點(diǎn)專線帶寬。

全景狀態(tài)感知信息包括電氣量信息和非電氣量信息,電氣量包括三相電壓、三相電流、有功、無功、頻率、功角共計(jì)10個,每周波采集8個點(diǎn),每個量按4 B浮點(diǎn)數(shù)和8 B時(shí)標(biāo)信息考慮,1個變電站按50個元件,則總數(shù)據(jù)量10×（4 B+8 B）×8×50× 50×8=19.2 Mbps;非電氣量包括油溫、開關(guān)量、控制裝置狀態(tài)信息等,數(shù)據(jù)量可忽略,故每個點(diǎn)的采集類信息帶寬可按19.2 Mbps考慮。

精準(zhǔn)切負(fù)荷信息主要在位于220 kV及以下變電站、10 kV臺變及居民用戶的智能負(fù)荷控制終端與負(fù)荷控制主站之間傳輸,包括實(shí)時(shí)采集與控制信息。根據(jù)《國網(wǎng)信通部關(guān)于精準(zhǔn)負(fù)荷控制通信系統(tǒng)建設(shè)指導(dǎo)意見（試行）的通知》（信通通信【2017】33號）,精準(zhǔn)負(fù)荷控制的遙測信息包括母線三相電壓、各回路三相電流、三相有功、總有功、三相無功及總無功14個電氣量,平均每個控制終端按10個負(fù)荷回路進(jìn)行估算,上報(bào)周期10 ms,每周波采集
8個點(diǎn),每個量按4 B浮點(diǎn)數(shù)和8 B時(shí)標(biāo)信息考慮,經(jīng)計(jì)算總數(shù)據(jù)量為3×（4 B+8 B）×50×8+11×
（4 B+8 B）×10×50×8=528 kbps。控制信息為總開關(guān)的控制指令,且為突發(fā)信息,試點(diǎn)地區(qū)業(yè)務(wù)帶寬為0.59 kbps,可忽略不計(jì)。故每個點(diǎn)的帶寬可按
2 Mbps考慮。

圖1 系統(tǒng)保護(hù)架構(gòu)Fig.1 System protection architecture

不同業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性及帶寬需求見表1所列。

表1 系統(tǒng)保護(hù)業(yè)務(wù)需求Tab.1 Business requirements of the system protects

1.3 系統(tǒng)保護(hù)通信通道需求

控制主站根據(jù)功能不同一般位于500 kV交流變電站、直流換流站或省電力公司。測控終端一般位于330 kV及以上等級的變電站或電磁環(huán)網(wǎng)的
220 kV變電站內(nèi),以及直流換流站和發(fā)電廠（含抽蓄、新能源）。智能負(fù)荷控制終端一般位于330 kV以下變電站、10 kV臺變及用戶站內(nèi)。

由系統(tǒng)保護(hù)節(jié)點(diǎn)分布情況可知,傳統(tǒng)穩(wěn)控及全景狀態(tài)感知業(yè)務(wù)主要由區(qū)域網(wǎng)承載,精準(zhǔn)切負(fù)荷業(yè)務(wù)主要由省網(wǎng)進(jìn)行承載。

1.3.1 區(qū)域網(wǎng)帶寬需求

按照一個區(qū)域最多200個330 kV及以上變電站（含電磁環(huán)網(wǎng)220 kV）站、100個發(fā)電廠測算,若選擇區(qū)域協(xié)控主站、各功能主站為區(qū)域通信網(wǎng)骨干節(jié)點(diǎn),選擇執(zhí)行站作為接入節(jié)點(diǎn),每個接入節(jié)點(diǎn)的接入帶寬為19.2 Mbps+2 Mbps=21.2 Mbps,則骨干層總帶寬需要21.2 Mbps×300≈6 Gbps。接入層帶寬按照每個控制主站平均接入20個點(diǎn)接入點(diǎn)進(jìn)行測算,需要21.2 Mbps×20≈400 Mbps。

1.3.2 省負(fù)控網(wǎng)帶寬需求

每個負(fù)控終端的采集帶寬按2 Mbps測算,結(jié)合江蘇精準(zhǔn)切負(fù)荷實(shí)施方案,每個負(fù)控子站接入節(jié)點(diǎn)數(shù)量在200個左右,江蘇精準(zhǔn)負(fù)荷控制實(shí)施方案如圖2所示。

圖2 江蘇精準(zhǔn)負(fù)荷控制實(shí)施方案Fig.2 Precision load control plan of Jiangsu

從實(shí)施方案可見：省內(nèi)負(fù)控網(wǎng)主站至各子站需要2路2 M通道（傳輸負(fù)荷總量信息）;子站至用戶就近變電站需要 2路2 M通道（傳輸就近變電站匯集的用戶接入信息）;用戶就近變電站至各用戶需要2 Mbps帶寬（傳輸終端采集控制信息）。

因此,按照每省1個負(fù)控主站,20個控制子站,每個子站200個終端測算,若選擇負(fù)控主站、控制子站為省負(fù)控通信網(wǎng)骨干節(jié)點(diǎn),選擇負(fù)控終端作為接入節(jié)點(diǎn),則骨干層總帶寬需求為2 Mbps×20=40 Mbps,接入層帶寬需求為2 Mbps×200=400 Mbps。網(wǎng)絡(luò)通道需求見表2所列。

表2 網(wǎng)絡(luò)通道需求Tab.2 Demand for network channels

 2 電力通信網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀

國家電網(wǎng)公司目前已建成覆蓋國家電網(wǎng)公司總部、分部、省公司、地調(diào)等各級調(diào)度機(jī)構(gòu)和35 kV及以上電壓等級廠站的光通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)有的電力通信網(wǎng)主要依托于電網(wǎng)基建工程配套建設(shè),受電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)限制,通信網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與構(gòu)建保護(hù)性通信環(huán)網(wǎng)的專業(yè)技術(shù)需求不一致,導(dǎo)致部分區(qū)段存在光纜和帶寬資源不足、網(wǎng)架密度偏低等問題,同時(shí)存在部分設(shè)備老舊、故障率高、設(shè)備型號龐雜難以管理的問題,一個重要業(yè)務(wù)通道需要多級電路串聯(lián)和多級調(diào)度聯(lián)合分段監(jiān)控。現(xiàn)有國家電網(wǎng)公司用于承載保護(hù)業(yè)務(wù)的光傳輸網(wǎng)采用SDH技術(shù)體制構(gòu)建,傳輸容量多為2.5 G,尤其是跨省、跨區(qū)域光傳輸通道資源瓶頸較為突出,從上文帶寬需求結(jié)果看,現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)難以滿足系統(tǒng)保護(hù)所需的全景實(shí)時(shí)監(jiān)測大流量數(shù)據(jù)功能要求和性能要求。

下文將針對系統(tǒng)保護(hù)適用光纖通信技術(shù)展開
分析。

 3 通信技術(shù)分析

系統(tǒng)保護(hù)業(yè)務(wù)具有高可靠性、高帶寬、低時(shí)延的特點(diǎn),應(yīng)采用先進(jìn)、成熟的通信技術(shù)進(jìn)行承載。目前電力系統(tǒng)應(yīng)用較為成熟的適用通信技術(shù)主要有M