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智能电网模式下的电气二次弱电控制发展趋势研究


摘要:本文认为,智能电网模式下,电气二次弱电控制应该获得更多的人工智能和自主控制权。值班人员对于电网的管理,从倒闸操作会逐渐变为状态管理,电力运行人员的体力劳动和操作风险会大幅度降低。在智能化系统的规划设计方面,同之前的二次系统一样,智能化二次控制系统,也会在近期制定出相应的国家标准,使得智能化二次控制系统可以实现技术上的统一化和规范化。

关键词:智能电网;电气二次;发展趋势

作者:郭琪/罗静宏

引言

智能电网的最终目的之一,就是保证电网的每一个节点的数据均可以实现全网交换,且可以使得每一个节点都可以实现远程控制。在这种电网的部署模式下,在智能电网的架构过程中,最核心的部分是二次弱电控制的方式。二次弱电控制的最基本原理,是通过工业网络或者公共网络发送来的数据,使用5V系统VCC电路通过晶闸管控制系统中的二次电路。而因为二次电路的电压值变化较大,这也是变电二次设备发展的一个技改切入点。

1总程化的控制终端

目前,一台PLC可以控制8~32门继电器,接受4~16门输入信号。也就是说,通过简单的编程,我们可以让PLC根据输入的相关信号来操作8~32门继电器。但因为PLC的结构较为简单,对于网络的支持能力较差,内部程序存储空间也较小,计算能力也难以适应较为复杂的智能电放分布式计算任务。所以,目前开关内曾被广泛用作综合保护器的PLC设备,正在被更先进的SEED架构或者ARM架构的SCM替代。目前的主流SCM,运行频率已经达到了1GHz以上,程序存储空间可以达到1GByte以上,甚至高端的SCM设备已经实现了多核心多线程计算,配置超过了21世纪初的个人电脑的配置。基于这些飞速发展的SCM设备,电网智能化的集中式控制终端也指日可待。

图1展示的控制终端虽然只能控制16台继电器,但实际上ARM11的强大数据计算能力,通过分时算法,可以控制至少4294967296路开关,而将这些开关全部拉合或者全部拉断,只需要4.926s的时间;通过同步控制原理,ARM11可以在一个时钟周期内操作32路开关的拉合或者拉断。

图1基于FDDI的总程化控制终端

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所以,本文推断,随着SCM等工业控制设备的发展,总程化的控制终端的智能化程度会变的越来越高。在云计算技术的支持下,开关的计算能力会得到显著的提高,运算在多核心动态时分窗口模式下的开关设备,在不久的将来会成为现实。

2智能化水平的提高

开关是否能够被允许智能化的合闸的问题,一直是电力行业讨论较为激烈的领域。我们是否应该信任智能化设备的合闸。这种讨论,就好像上世纪人们讨论是否应该允许电话自动接通一样。事实上,人类在智能化发展的进程下,已经逐渐的向自动化设备妥协。

从最初的跌落式熔断器和终端的铅丝熔断器,到后来的电磁式继电保护,再到后来的综合保护系统以及智能化五防系统,最后到目前我们允许开关设备根据远程数据执行保护动作,这充分代表了智能化设备的可靠性已经被我们逐渐接受和认可。事实上,我们通过之前的尝试可以看出,智能化设备对于电路保护的可靠性和响应速度,远超过人工操作。

美国能源部《Grid2030》:一个完全自动化的电力传输网络,能够监视和控制每个用户和电网节点,保证从电厂到终端用户整个输配电过程中所有节点之间的信息和电能的双向流动。其中,这个完全自动化的电力传输网络的要求,应该是包括电网自动进行负载均衡和电力调度。电力调度人员和值班人员,从介入电网的运行,到智能电网建成以后完全处于一个侧面管理的地位,应该是科技发展的必然。

3智能电网对于二次弱电控制的要求

3.1全面的数据采集

二次弱电控制系统如果要实现智能化,就需要将神经网络布置到整个电力一次系统乃至重要的二次系统中,通过这些人工神经网络,海量的数据可以被采集和汇总,最终在硬件上形成一个规模化分布化的数据仓库系统,在逻辑上形成电力系统的大数据集。这个大数据集甚至可以与国家正在建设的其他大数据集实现联网,形成真正的智能城市的大数据。

3.2安全的动作执行

在收集了海量的数据的同时,我们应该保证的是通过物联网过来的调度指令,可以直接被开关执行,且绝不可以发生任何形式的误动。动作执行的安全原则,与任何网络系统的安全原则是一致的,都包括"完整性、可靠性、可用性"三个方面。

(1)完整性

网络指令能否将指令完整的传输到控制终端,是决定指令安全性的最基本要素。如果不完整的指令被控制终端误读,就可能发生较为严重的误动。所以,我们在进行数据传输的过程中,不会使用单个字节对数据进行封装,而是采用冗余较大的字节数。一般情况下目前我们会采用4字节数据来表示开关的动作指令,这种模式下,因为在超过40亿种可能性里,只有不超过8个有效代码,所以,任何的传输误码命中有效代码的可能性都几乎为零。加上链路层和网络层的校验保护,我们可以基本保证数据的完整性。

(2)私密性

目前,我们的电网数据借用了大部分GSM及PSTN,所以,其私密性也是亟待解决的。电网数据属于国民经济的基础数据,如果被不法分子窃取,会给国家安全带来威胁。而目前来说,国家电网智能数据传输的专网建设,有两个研发方向。其一是使用光纤专网,沿着塔架底部挖槽铺设。其二是使用电力载波传输。而目前的研究方向来说,在高压线路上的电力载波传输的进度明显高于使用光纤专线的研究进度。未来的输电变电站之间的数据交换,很有可能是通过高压电电力载波进行的。

(3)可用性

数据的可用性是指传输到控制终端的数据,应该可以被控制终端读取。这主要是要求电信号的电压和波形必须符合要求,激光数据的频率和功率必须达标。

3.3强大的云计算能力

智能化的控制终端的精准可靠的控制,必须依赖一个强大的云端支持,这个云端支持,目前也是面向两个研究方向:①通过较为集中的大型处理机和相对集中的数据仓库,将指令计算完成后发送给处理终端;②允许处理终端依照既定的程序向着云端索取数据和指令,且比较依赖于通过自身的计算来获得操作的策略。不管是哪种实现方式,最终的智能电网,必定是一个在大部分运行时间内的全部动作,都可以实现无人干预的操作。

4现状下二次控制的问题及解决方法

4.1控制机的标准尚不统一

不管是在线监测系统还是在线远控系统,目前的电网控制机因为供应商不同,且因为目前的电网内对于这些控制系统还没有一个统一的标准,所以,使用的技术手段不尽相同。基于PLC的系统架构,基于ARM的系统架构,基于SEED的系统架构,甚至基于8051配合PC的系统架构,都在电网中有所体现。这与之前标准一致系统工整的二次系统存在着很大的不同,而且,因为这些不统一的控制系统的使用,导致了整个电网二次系统的调度困难,因为二次系统的不稳定给电网带来的事故也时有发生。

当然,目前的系统状态,是我们的智能电网的建设过程中的摸索过程。通过不同架构的系统在同一个电网中混合使用,我们可以对不同架构系统的可靠性进行实验,从而决定在未来的智能电网的发展建设过程中更倾向采用哪一种智能化节点系统。

4.2二次系统的结构差异大

因为控制机的技术架构差别很大,所以,用于辅处理的芯片选型也就有了更大的差别,用于通讯的方式,也更加复杂。甚至在一个变电所中,就可能同时出现ZIPBEE,WIFI,BLUETEETH等不同的无线通讯模式,夹杂着细缆、双绞线、光纤等其他的通讯模式,这给整个系统在未来10年的优化和整合带来了很大的难度,如果强行整合,会造成很大的设备丢弃率。

同时,因为使用的处理机型号的区别,我们对于监测和远控的执行方式上也有着比较大的差异。如同3.3中所述,有的系统要求控制机的本地作出决策,有的系统高要求控制机通过网络在远程决策中心获得决策。不同的系统架构方式混杂使用,会给系统的复杂度和故障点分布带来不良的后果。

4.3技术发展与管理升级不同步

工信部和国家电网提出的对于智能电网建设的两条主线是:

技术上体现信息化、自动化、互动化、构建以特高压为骨干网架、各级电网协调发展的统一坚强智能电网。

管理上体现集团化、集约化、精益化、标准化。

而在目前的智能电网的建设过程中,较为明显的出现了管理思路和管理方式与智能电网的硬件建设及技术发展不相适应的情况。特别是在管理界就是否应该采用智能化倒闸的问题上,不同的地方供电企业就存在较大的分歧。部分供电企业,虽然安装了很多智能化系统,但是仍然只相信人工巡线和人工倒闸。

所以,在加强智能电网的硬件建设的同时,应该进一步深化对于管理团队的动员,使得管理团队对于智能化电网的认识程度得到与智能电网硬件建设相同步的提升。

5结束语

智能电网建设过程中的二次弱电控制技术的发展是最为令人瞩目的,使得所有的节点可观测可控制的最终二次控制目标,是目前各大电力科研机构都在研究的问题。本文通过分析,得到了电力二次系统的一些发展趋势。

参考文献

[1]董烨.智能电网的研究进展及发展趋势[J].科技传播,2013,10(29):117~118.

[2]王砚泽.智能电网技术的发展简史[D].山西大学硕士,2012,06.

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