网络通信模式下电网相量的广域测量与
实时传输系统

严登俊，鞠　平，袁　洪

（河海大学电气工程学院，江苏省南京市210098）


WIDEAREAMEASUREMENTANDREAL-TIMETRANSMISSIONSYSTEMFORPHASORDATAUNDERNETWORKCOMMUNICATIONMODE

YANDeng-jun，JUPing，YUANHong

（ElectricalEngineeringDepartment,HehaiUniversity,Nanjing210098,JiangsuProvince,China）　　ABSTRACT:TosolvetheproblemsexistinginRTU/Modemmodeofpowersystem,suchaslongtransmissiondelayandhigherror-rateofremotemeasureddataandbyuseoftheripetechnologyofcomputernetworkcommunication,areal-timedistributedmeasuringsystemforphasordatainpowersystemisbuilt.InthissystemtheEthernetexchangerandATMexchangerareusedinacoordinatedfashionandthedefectofuncertaintimedelayoftransmittingdatabynetworkcommunication,whichoccurundertoomuchsub-measuringunits,canbesurmountedviafullopticalfibrechannelandbyuseofTCP/IPprotocolandMFCsocket,thepotentialityofoccurringnetworkcongestioniseliminatedwithalgorithmandthefunnelingeffectissettled.Thepresentedsystemcantransferabatchofdatainacycleofpowerfrequency,thecommunicationdelayislessthan5ms,thus,usingthepresentedsystemitispossibletoimplementreal-timemonitoringofpowersystemoperationstatusbasedontheclocksignalfromGPS.
　　KEYWORDS:PowerSystem；DataTransmission；Ethernet；DistributedMonitoringandControlSystem；GPS
　　摘　要：针对当前电力系统中远方终端/调制解调器（RTU/Modem）模式下远程测量数据传输时延大，误码率高等现象，利用计算机网络通信中的成熟技术，构建了一套实时性非常好的电网相量分布式测量系统。将以太网交换机与异步传输模式（ATM）交换机进行配合使用，通过全光纤通道，并采用TCP/IP协议和MFCSocket手段，克服了在测量子站数目较多情况下的网络数据传输时延不确定的缺点，从算法上消除了网络发生拥塞的各种可能性，较好地解决了“漏斗问题”。在工程应用中，该系统实现了1个工频周期内上传1个批次的数据，通信时延小于5ms。这为将来实现基于全球定位系统（GPS）时钟信号的电网运行状态实时监控提供了条件。
　　关键词：电力系统；数据通信；以太网；分布式监控系统；全球定位系统

1引言
　　随着我国电网互联步伐的加快，构建全局性的电网实时监控与管理系统，是提高电网调度自动化水平的有效手段。一个比较理想的电网实时监控与管理系统，一般应包括3部分：①基于全球定位系统（GPS）的电网相量广域测量系统（PMU），利用GPS实现全网相量同步测量。②实时的数据传输通信网络，将广域的测量结果准确实时地传输到控制中心。③中央决策管理调度系统，集中完成对测量数据的处理、运行状态分析和控制命令生成等任务。所以，利用实时数据传输系统，将通过广域测量得到的数据实时地传输到控制中心，是正确计算电网运行的安全稳定极限、提高安全稳定水平和保证电网多发电发好电的技术基础。为了实现对电力系统进行实时控制，各地厂站的测量数据必须在极短时间内传输到控制中心，尤其是在对系统的暂态稳定进行自动控制时，要求系统必须在30~50ms内完成PMU数据的测量和传输工作，并在对测量数据进行分析处理后，生成控制命令并即时下发到执行端。完成全部控制动作的时间必须严格限制在3~5个周期以内。
　　在国内现有的稳定监测系统中，通信方式全部采用远方终端装置（RTU）或调制解调器（MODEM）的方式。这类通信方式有一定的弊端，如：①通信时延较大，下行数据的时延达1s，而上行数据时延则与系统规模（即子站数量）有关，均大于1s，有的甚至超过4s。这种通信方式只适用于单纯地监测系统的稳定状态，不能对系统的稳定状态进行实时控制。②通信过程中误码率较高，数据容量有限，因而系统规模受到限制。由于受通信技术的限制，所以在全国已有的基于GPS的全网动态安全监控系统中，子站的数目都很有限。然而随着全国电网互联步伐的加快，预计子站数将超过100个，因此基于RTU或MODEM的通信方式将成为制约系统规模扩大的“瓶颈”。为此，研究基于Internet技术的网络通信模式，确保电力系统规模扩大后数据传输的实时性，具有一定的工程意义^[1,2]。
　　本文利用计算机网络传输的高波特率特性，采用以太网和异步传输模式（ATM）相结合的方式，通过全光纤通道构建了一套实时性非常好的全网相角信息实时传输系统。该系统克服了IEEE802.3协议中因CSMA/CD机制而导致的传输时延不确定性的缺点，并在主站的服务器与交换机之间进行全双工接口，实现了一个周期内传输一次数据的理想目标，从算法上彻底消除了网络发生拥塞的各种可能性。

2系统结构
　　电网实时监控与管理系统的核心是利用GPS提供的精确的全网同步时钟，直接测量各地厂站的运行参数，如相角、电压、电流、有功及无功等。以实时测量数据为基础的电网实时监控与管理系统，可以就地监视当地厂站的运行状态，记录运行参数，对相关设备进行故障诊断与保护，并为故障后的事故分析提供翔实的技术数据；同时还可通过高效的通信网络，将各地的测量数据实时地传输到控制中心（如省调），使得电力管理部门可在统一的时间坐标上分析各地的在线测量结果，监视全网的运行状态，计算稳定裕度，生成控制策略表，并预测系统未来的稳定性，在正常状态下根据实际的供用电需求进行市场化的合理调度，当扰动出现时能从全网的角度出发对系统进行控制。
　　为实现上述功能，系统应包括两个部分：位于发电厂或变电站侧的子站和位于调度控制中心的主站。主站与子站之间采用星形拓扑结构相连，在客户机/服务器的模式下工作。如图1所示。2.1主站结构
　　在动态安全监控系统中，数据通信有3个主要特点：①多点对一点通信。在未来的大规模监控系统中，子站数可能超过100个。②数据通信频繁。为实现数据传输的实时性，要求子站发送数据的频率与电网频率相同，即每20ms发送1次数据。③数据流是持续不断的。数据通道一旦发生拥塞，则源源不断到达的后续数据将会进一步加剧通道的拥塞。为实现动态监控的实时性，主站必须采用以太网交换机与ATM交换机相结合的方式，如图2所示，以解决上述瓶颈问题。　　以太网交换机在实现高速网络与低速网络转换的同时还能提供多个通道，提供的宽带比传统的共享式集线器提供的更宽。在传统的共享式以太网中，每次只能在一对用户间进行通信，如果发生碰撞则须重试。而交换式以太网，则可允许不同用户间进行传送，比如，一个16端口的以太网交换机则可允许16个站点在8条链路间通信，实现不同网络的协同。但是，如果是15个站点对一点进行通信，且通信频率较高时，无论以太网采用CSMA/CD协议还是CSMA/CA协议，通道都会发生拥塞，这一现象就是在构建以太网网络时必须考虑的“漏斗问题”^[3]。采用全双工网卡，可以在一定范围内避免出现“漏斗问题”。当站点数目增加后，必须采用以太网交换机与ATM交换机相结合的方式，才能有效地避免通道拥塞现象。
　　与以太网交换机相比，ATM交换机的最大优势在于它采用了面向连接的信元交换技术。由于以太网是一种在无连接方式下工作的传统技术，所以每一步都必须进行路由选择，在多路对1路集中传输数据时，由于仍然遵循CSMA/CD媒体接入规则，所以通信时延存在不确定性现象；而在面向连接的工作方式下，两个站点之间一旦建立了连接，这两个站的通信便得到了有效保证，所以ATM网络具有较低的延迟和较高的通信品质（QualityofService，QoS）。
　　在图2中，上百个子站首先被分成若干子站群，每个子站群内所包含的子站数以6_~10个为宜，这主要取决于各个子站的发电机组数。在一个子站群内，来自子站的网线经以太网交换机通过一根网线进入ATM交换机，即所有子站经过以太网交换机后再经过ATM交换机才与主站的服务器相连。为避免主站的其它程序线程干扰主站与子站的数据通信，服务器采用双网卡工作模式。一块网卡专门负责与子站的通信，另一块网卡通过以太网交换机与主站的其它应用程序或线程进行数据通信。
2.2子站结构
　　子站要完成的主要任务是：在GPS提供的全网统一时标下，通过相量测量单元（PMU）采集当地电厂所有发电机的实时运行数据，并立即传输给位于远端的中央数据处理系统，以实现全网的动态安全稳定监视；同时，这些数据还要被就地处理，实现对发电机运行状态的现场监视。现场测量数据也应保存于数据库，供其它程序调用，如向电厂的管理信息系统（MIS）提供生产信息；在线测量发电机运行参数，并提供当发电机处于进相运行时所必需的功角信息。
　　一般发电厂都[1][2]下一页