0引言
隨著智能配電網建設的開展,科研、生產、建設和運行管理部門齊心協力,共同推動了配電自動化技術 進 步。文 獻 [1]較 早 闡 述 了 配 電 管 理 系 統(DMS)及其應用功能,具有指導意義;文獻[2]對第1輪配電自動化系統建設經驗進行總結,并提出了新一代配電網管理平臺的理念;文獻[3]探討了基于IEC61968配電業務系統集成方式。國家電網公司對智能配電系列標準規范重新進行了修訂[4-5],對有效指導配電自動化建設發揮了重要作用;在第2輪配電自動化系統試點建設完成之后,文獻[5-7]對試點工作進行了總結。雖然配電自動化建設取得了長足的進展,其技術支撐手段及應用效果仍需完善提高,具體分析如下。
1)技術支撐手段尚不足以滿足業務需求。按照電網公司“大運行”體系全面建設方案的要求,地縣級調度機構將全面負責配電網運行與監控、故障研判及搶修指揮業務。面對地縣級調度機構業務的變更,需要研究適合配電網調度控制與搶修一體化建設的軟件架構,實現兩大業務資源的最優整合及有效互動。
2)系統標準化程度和信息交互的一致性、規范性有待細化完善。國家電網公司正在大力推進生產管理、營銷業務、配電自動化等各業務系統的標準化工作,但從應用層面上,數據、模型、圖形的一致性和規范性尚需提高。為了支撐配電網調度及搶修業務,需要研究信息集成技術,實現數據的高度共享及業務協同。
3)基礎應用功能實用化水平需要提高。由于資金、通信方式、技術水平、系統運維等方面條件的限制,配電網通信質量相對較低,實時數據的準確性和實效性不能完全保證,存在信號誤報、漏報和晚報的情況,對饋線自動化等應用功能的容錯性要求較高。
4)配電網應用分析軟件適應性不強。目前實現信息采集的配電線路僅占總量的15%,實時數據采集覆蓋率較低,需要研究改善及彌補配電網量測數量、質量不高的手段;另外國內配電網應用分析軟件算法多移植自調度自動化系統,未能充分考慮到量測信息的冗余性不足、配電網線路和用戶負荷特性與主網的差異,無法適應配電自動化系統的要求。
5)系統對新能源接入適應能力需要加強。隨著國家新能源政策的實施,分布式電源/微網/電動汽車接入配電網逐步增多,對配電網短路電流、繼電保護、電壓控制、負荷分配等功能提出了更高要求?,F有自動化系統應用功能主要針對傳統的單向能量流的模式設計,而對大量分布式電源接入后雙向能量流的模式考慮不足。
綜上所述,目前的配電網調度控制技術支撐手段尚無法完全滿足調度運行及故障搶修業務的需要,需要加快配電網調度控制系統及技術手段研究。
本文旨在探索新一代配電網調度控制系統建設思路,介紹系統建設的體系架構及其相關技術,并針對配電網量測不全、應用功能實用化程度不高、新能源接入等一系列問題,探討推進配電網數據采集與監控(SCADA)、饋線自動化等應用功能實用化的關鍵技術。
1系統建設總體方案
1.1總體架構
配電網調度控制系統基于新一代智能電網調度控制系統基礎平臺(簡稱“D5000平臺”),在安全Ⅰ區實現圖模管理、實時監控、拓撲分析、饋線自動化和分析應用等配電網調度控制功能;在安全Ⅲ區實現報修工單管理、計劃停電分析、故障研判、統計分析和綜合展示等配電網搶修指揮功能。系統總體架構如圖1所示,圖中Ⅳ區信息平臺(電網GIS平臺)是含GIS信息的集成平臺;PMS表示生產管理系統。系統充分利用平臺先進的服務總線、消息總線、數據總線、資源管理、軟硬件管理等手段實現Ⅰ區、Ⅲ區信息高效傳輸、共享以及業務協同。根據國家電網公司調度控制機構設置和業務的需求,系統在地(縣)公司分布式建設。
1.2配電網調度控制與故障搶修一體化技術
配電網調度控制與故障搶修(簡稱“配搶”)一體化技術關鍵是如何實現安全Ⅰ區和Ⅲ區資源存儲、業務處理分區負責,通過平臺數據總線實現信息的高效傳輸、共享以及業務協同,從而減少系統容量、運維壓力、管理復雜度,提升故障處理效率。重點技術是Ⅰ區、Ⅲ區一體化協同建模及配電網運行監控與搶修協同作業技術。
1.2.1一體化建模技術
為了支撐配電網調度控制系統業務的開展,系統需要統一構建配電網高、中、低壓全網拓撲模型。高壓模型來自于調度控制系統,通過公共信息模型XML格式(CIM/XML)或電網通用模型描述規范格式(CIM/E)的數據文件進行信息接入;中、低壓模型多來自于電網GIS平臺,通過CIM/XML的數據文件進行信息接入,一體化建模軟件提供中壓模型和高壓模型的拼接功能。作為彌補手段,系統也提供了圖庫一體化方式的自行建模??紤]到低壓數據量較大和Ⅰ區、Ⅲ區業務需求,Ⅰ區存儲高、中壓模型,Ⅲ區存儲高壓、中壓、低壓模型,平臺數據庫軟件負責模型同步。
1.2.2配電網運行監控與搶修協同作業
考慮到Ⅰ區、Ⅲ區資源分布情況、業務重點等因素,配搶一體化系統業務協同的總體思路是安全Ⅰ區重點基于中壓設備開展應用分析,而安全Ⅲ區重點圍繞低壓用戶開展應用分析。
1)全網拓撲分析應用協同:基于全網模型及實時采集數據的拓撲分析是配電網調度控制系統的基礎核心應用。全網拓撲分析需Ⅰ區、Ⅲ區協同分析,Ⅰ區負責進線開關至配電變壓器的拓撲分析,而Ⅲ區負責配電變壓器至用戶的拓撲分析,Ⅰ區、Ⅲ區相互交換分析結果,最終形成基于全網模型及實時數據的全網拓撲分析,支撐中壓停電分析及低壓用戶報修研判等業務。
2)中壓故障協同處理:
Ⅰ區收集故障指示信號以及進線開關重合閘、智能斷路器跳閘事件,根據配電網模型和信號進行拓撲分析,將故障定位在一個封閉區域內,并進行故障隔離及非故障區段轉供,同時將該故障區段信息傳送至Ⅲ區配電網故障搶修調度系統,停電研判模塊根據中低壓一體化電網模型,利用用電信息召測和拓撲分析等手段分析停電設備、停電用戶、停電區域空間信息,輔助搶修指揮決策。
3)供電可靠性分析:為了更好地開展Ⅰ區負荷轉供、檢修計劃、非故障區段恢復供電及Ⅲ區故障搶修優先級分析等業務,均需依靠供電可靠性分析。
供電可靠性分析從負荷損失、保供電用、重要用戶、停電用戶數、用戶停電頻度等多維度進行綜合分析,停電可靠性分析的負荷損失情況分析源自安全Ⅰ區,而其他分析源自安全Ⅲ區,綜合分析結果支撐負荷轉供、搶修、負荷削減等業務開展。
1.3信息集成技術
實現一個功能完整的配電網調度控制系統,需要與調度控制系統、GIS、用電信息采集、營銷管理、95598、PMS等多個系統集成。國家電網公司近期重點開展了配電自動化信息交互研究工作,同步開展了標準的制定工作和互操作實驗,信息交互的標準包括:配電自動化信息交互技術規范、配電自動化信息交換總線功能規范、配電自動化信息交互一致性測試規范、配電自動化信息交互技術規范、配電自動化信息交換總線功能規范,標準內容涉及了信息交互的業務流程、信息接口、模型數據一致性表達、總線功 能、互操作驗證等,并 取得了 階段性的成果[8]。
圖1中Ⅲ區的信息平臺(含GIS)是一個基于面向服務架構(SOA)、遵循IEC61970/IEC61968接口規范、具有良好可擴充性的數據集成平臺。信息平臺的兩大核心功能是電網信息資源整合和信息服務。平臺收集各配電網業務系統的電網信息,進行資源整合,形成遵循IEC61968/IEC61970的配電網高(簡化)、中、低壓的CIM。電網信息資源是對配電網各類電網設備、設施及用戶等資源信息的統稱,包括:地理信息,電氣設備的銘牌、參數和拓撲信息,電力設施的臺賬信息等,還包括相應的各類圖形資源信息(地理接線圖、電網專題圖等)。平臺提供完備的信息服務接口,基于消息傳輸機制,為配電系統間的信息共享、業務流轉和功能集成提供支持,實現系統間模型、實時/準實時信息和歷史信息的交互。
配電網調度控制系統作為信息平臺支撐的一個配電業務系統,通過平臺接口服務獲取相關信息,為平臺提供調度控制信息支持,參與配電網相關業務流轉,信息交互內容包括以下幾個方面。
1)參與配電設備變更流程。接受配電網CIM及其電網圖形變更信息;完成調度審核流程;建立內部電網模型,確保維護模型的一致性、準確性、及時性。
2)發布包含人工操作標識的電網準實時斷面信息。
3)提供各類電網歷史數據查詢接口服務,返回設備帶時間標簽、質量碼的歷史數據。
4)參與配搶業務信息流轉,發布信息包括:高、中、低壓故障研判結果;搶修工單。接受信息包括:用戶報修、搶修進度反饋,電量召測結果等。
5)利用平臺提供帶有地理矢量、影像背景的電網地理圖接口服務,實現配電網調度、搶修的地理背景信息的展示。
總之,信息平臺與各業務系統的信息交互應遵循配電自動化信息交互系列規范,只有在業務流、信息流規范的前提之下才能保障信息集成的良性發展。
D5000平臺作為生產大區、管理大區諸多業務系統的支撐平臺,提供了統一、安全、健壯的信息交互手段,如消息總線、服務總線、消息郵件等,其中消息郵件功能已成為調度不同平臺、跨區業務系統間業務流轉不可缺少的手段。配電網調度控制系統與其他業務系統的信息交互應充分利用平臺成熟的通信技術。
1.4二次安全防護技術
配電終端與調度控制系統的通信采用單向認證防護技術,使用基于非對稱加密技術的單向身份認證措施,實現控制和參數設置數據報文的完整性保護和主站身份鑒別,同時添加時間標簽(或隨機數)保證控制數據報文的時效性。配電網前置采集配置安全模塊,對下行控制命令與參數設置指令進行簽名,實現子站/終端對調度控制系統的身份鑒別與報文完整性保護。
配電終端(DTU/FTU/TTU)、故障指示器等通過無線公網經通信運營商接入配電網調度控制系統,需采用必要的安全防護措施,并穿越經國家指定部門認證的正反向隔離裝置。
2關鍵技術的分析與應用
2.1配電網大數據量采集
與調度自動化系統相比,配電自動化系統的數據采集存在以下特點:①配電網數據采集量大,采集頻率較低,中型系統采集量已超過20萬點;②主站與終端設備直接通信,通信鏈路數隨監控設備增加而大幅增加;③存在基于公網的數據采集;④系統的典型部署模式是地縣一體。
針對配電網多通道、多鏈路、頻率低的特點,配電網前置采集通道連接處理機制上采用epoll的多路復用I/O接口技術,設定線程池,配置若干工作線程統一處理所有通道。
epoll是為處理大批量句柄而加以改進的poll,是Linux2.6下性能最好的多路I/O就緒通知技術。
epoll技術提高了程序在大量并發連接中只有少量活躍的情況下系統CPU的利用率,同時其邊沿觸發(edge-triggered,ET)技術顯著提高了采集程序的處理效率。
D5000平臺目前正開展分布式數據采集功能的研發,可有效解決配電網采集數據量大帶來的效率問題,并更加符合地縣一體化部署的要求。該功能將集群技術、網格技術運用到配電調度控制系統的數據采集中,對數據采集功能進行分區域設置,將整個采集系統分割成若干個數據采集子系統,各區域協同工作,共同完成數據采集工作。每個數據采集子系統有自己獨立的若干數據采集服務器和采集設備,子系統內的數據采集服務器采用集群方式管理。
正常運行狀態下,各數據采集子系統協同平臺完成整個系統的監控功能。當地、縣級區域間的主干網絡故障發生系統解列時,成為孤島的縣調子系統可獨立完成縣級配電網監控功能。
分布式數據采集功能的研發將大大增強系統大數據量的處理能力,并使得系統具備很強的擴展性和可靠性。
2.2饋線自動化技術
主站實現的饋線自動化是集中式饋線自動化,它借助通信手段,通過配電終端和配電主站/子站的配合,在發生故障時依據終端設備采集到的故障信號判斷故障區域,并通過遙控或人工隔離故障區域,恢復非故障區域供電來提高供電可靠性。饋線自動化技術作為配電網自動化的關鍵技術,近年來已取得了大量的研究成果[9-13]。但配電網實際運行情況復雜,饋線自動化技術的實用化還需要解決一系列問題。
饋線終端、配電自動化設備及通信網絡的運行環境惡劣,漏報或錯報故障信號的現象頻發,故障定位功能需要從以下兩個方面加以完善:一方面詳細記錄所有故障信號的發生時間、先后順序;另一方面結合信號對應終端的通信狀態、歷史數據質量情況,分析出可能的漏報或誤報信號。
由于惡劣天氣導致的大面積停電或多區域停電,嚴重影響了配電網供電可靠性。為了盡可能降低停電損失,饋線自動化提供的解決方案應考慮以下幾個方面。
1)將故障按所在環網進行分組,以組為單位計算隔離與恢復方案,解決同一環網發生多點故障時,可能無法直接通過相鄰聯絡饋線恢復健全區域供電問題。
2)恢復健全區域供電時,將負荷按重要性分出優先級,根據負荷的分布情況結合各饋線的線損、負荷預測、負荷的優先級及檢修保電狀態等數據給出操作步驟最少、削減負荷優先級低、削減負荷數最少的方案。
3)在故障恢復過程中若發生新的故障,分析新故障對正在處理故障的影響,動態調整優化故障處理方案。
2.3GIS應用技術
配電網調度控制和搶修業務的一個顯著特點是實現電網運行監控、操作控制、搶修作業空間可視化。電網GIS平臺對外發布轄區內地理背景信息、電網空間信息、電網拓撲信息等三大類信息。
GIS平臺地理背景信息采用金字塔切片方式或與電網空間信息封裝成控件方式對外發布;電網空間信息采用矢量圖形方式或電網柵格方式以及地理背景信息封裝成控件方式對外發布;電網拓撲信息的模型采用CIM、可縮放矢量圖形(SVG)的方式對外發布。
目前GIS在電網運行監控及搶修方向的應用主要有兩種方式:一是采用GIS平臺提供控件方式;二是地理背景資源使用GIS平臺提供的切片或測繪機構航拍圖,而電網設備走徑由自動化人員手工繪制。由于這些方式存在擴展性能差、無法展現設備實時運行狀態或重復建設、維護量大、出錯率高等弊端,因此實用化程度不高。
配電網調度控制系統提出“瘦”空間數據庫、“瘦”引擎理念,結合實時數據,集成GIS平臺資源,封裝成適合調度監控類的GIS應用組件。
GIS平臺空間數據庫存儲地理資源空間信息、電網空間信息、電網拓撲信息,通過GIS平臺引擎把這三大類信息渲染形成矢量圖形,并可把矢量圖形切分成金字塔切片及電網柵格??紤]到地理背景類資源容量大、變更少、基于該類信息應用少,而電網空間信息及拓撲類信息容量相對小、異動頻繁、基于該類信息應用較多,配電網調度控制系統直接使用GIS平臺渲染后的地理背景切片,而電網空間信息采用接口方式接入設備經緯度及拓撲關系,并把這些關系存儲在“瘦”空間數據庫中,“瘦”引擎管理GIS平臺提供的切片及“瘦”空間數據存儲的電網空間信息,并融入實時采集信息,最終通過“瘦”引擎管理并發布。其中“瘦”空間數據庫不包含地理背景空間信息,“瘦”引擎使用GIS平臺切片,但不直接渲染地理背景切片。因此,系統的空間數據庫及引擎的容量、管理范圍大幅縮減,減小了系統復雜度及管理難度。技術框架如圖2所示。
2.4配電網分析應用軟件
配電網分析應用軟件的特點是要對大量實時數據進行處理與分析,以確定電力系統的安全與經濟狀況,給出電網經濟運行優化的控制策略。鑒于目前配電網相對于輸電網而言網絡結構穩定性差、模型參數不完備、量測數據采集不齊全,配電網分析應用軟件的實用化仍是關注重點。據此,可以開展以下幾個方面工作。
1)改善配電網量測質量。配電網量測要從空間維度、時間維度兩方面來完善:空間維度要提高數據覆蓋面,時間維度要了解未來變化的趨勢。利用電量數據及其負荷短期預測功能彌補實時采集數據量測不足是當前一個行之有效的方法。
10kV配電變壓器及其低壓用戶的電量信息來自于用電采集信息系統(簡稱“用采系統”)。Ⅰ區調度控制相關應用功能重點關注10kV配電變壓器準實時量測信息,用采系統負責主動將準實時信息推送到總線上;Ⅲ區低壓故障研判功能依賴低壓用戶量測信息,系統將針對部分用戶主動發出召測請求。對于非實時的低壓配電變壓器量測,還需要利用配電網開關的實時量測數據進行檢驗,將一些無法采集到的配電變壓器量測進行補全。負荷預測模塊則根據負荷分類曲線構造實時負荷數據模型,充分利用歷史電量信息,預估當前、未來電量,補全實時負荷量測斷面數據,提供未來負荷趨勢數據。在提高了電網可觀性的基礎上再進行潮流計算,得到的潮流分布和網損信息為其他配電網應用(網絡重構、饋線自動化、短路電流計算等)提供數據分析依據。
2)提高應用軟件的局部網絡分析應用能力,減小饋線間或饋線各區域間數據質量差異的影響,綜合提高各應用軟件的計算速度、計算精度和收斂性能。以潮流計算為例,由于配電網規模龐大、支路節點眾多,對整個配電系統(或饋線)進行潮流計算會導致計算的維數較高,計算的存儲量迅速增加。而且由于通常無法獲得完整、準確的配電網結構參數和配電變壓器負荷信息,要想對整個配電系統(或饋線)進行潮流計算,無論是在計算精度、計算速度、數據存儲量上都不能很好地滿足要求。因此,可根據配電網結構和量測點分布將饋線進行分區,對于數據完整的區域進行精確詳細計算,對于數據完整度較低的區域進行近似等值計算。
3)將分析應用軟件與配電網的日常運行、操作緊密結合,在使用中提高應用軟件的實用性。負荷預測和潮流計算應成為常態化的運行軟件,電網日常操作中可根據計算結果判斷當前電網的狀態,并對開關操作的合理性進行校驗。
3新能源接入帶來的思考
分布式電源/微網/電動汽車等的接入是智能配電網發展的必然趨勢,大量分布式電源接入配電網以后,電源模型的多樣化及運行方式的復雜化將會對配電網調度控制系統帶來深刻影響,對系統的運行監控、故障處理以及協調控制技術提出新的要求。
在運行監控技術方面,首先要考慮的就是具備對分布式電源公共連接點和并網點的模擬量、狀態量及其他數據的采集,并對采集的數據進行計算分析、越限告警等,同時具備對受控條件的分布式電源的公共連接點、并網點開關實現分合控制功能,可實現分布式電源的投入/退出。當分布式電源端具備有功功率、電壓調節功能時,系統根據需要可下發相應的功率、電壓調節指令。
受新能源接入的影響,饋線自動化各階段的處理策略都將有所調整。分布式電源/微網對配電網的短路電流、保護設置和故障信號會產生影響,需要對傳統的故障定位技術進行改進和優化[14];故障隔離時,如果故障區段有相連的分布式電源/微網,需要判斷該分布式電源/微網是否可以實現計劃孤島方式運行;配電網故障停電后,分布式電源/微網會全部自動與配電網斷開,故障恢復時,需要綜合考慮負荷優先級、負荷數量以及分布式電源容量,研究滿足饋線負載約束的停電影響最小、網損最小和饋線備用容量最優的故障恢復策略。
在配電網應用分析方面,由于分布式電源/微網等分布式發電裝置改變了傳統配電網輻射型的網絡結構,需要研究與之相適應的新的潮流計算和狀態估計等分析算法。在協調控制方面,大規模電動汽車接入電網可以在負荷高峰時作為儲能元件向電網放電,負荷低谷時作為負荷從電網充電,并與間歇性分布式電源互補,因此,有必要研究分布式電源與電動汽車的協同調度技術,充分發揮新能源對電網的削峰填谷作用。
4結語
本文對配電自動化建設的現狀及其存在的問題進行了總結分析,結合配電網調度機構業務新需求,提出了大運行體系下配電網調度控制系統技術方案。針對D5000平臺的實現,探討了配搶一體、信息集成和應用功能實用化等關鍵技術,并預測了新能源接入給系統軟件帶來的考驗,提出了分布式電源接入研究的必要性和緊迫性?;冢模担埃埃捌脚_的配電網調度控制系統已在現場投運,部分關鍵技術已得到驗證。配電自動化建設是一項長期、艱巨的工作,其中實用化技術已成為當前的用戶和廠家關注的焦點,根據業務需求和一、二次配電網建設,Ⅲ區和Ⅳ區外部系統建設的客觀情況,本文討論的各項技術仍需要進一步改進和完善。
參 考 文 獻
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