基于能源互聯網大數據云平臺的主配協同安全穩定與自愈控制技術應用

羅金龍，王 杰，寧 楠，賈 波，楊政校，孫睿擇，陳 元

(1. 貴州電網有限責任公司貴安供電局，貴州 貴安550025;2.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

隨著“碳達峰，碳中和”目標的提出，以及“構建以新能源為主體的新型電力系統”重要方針政策的制定，我國能源領域特別是電力系統將面臨深刻變革[1-3]。以電能為中心，通過先進信息通信技術、控制技術與能源技術深度融合應用的能源互聯網技術，將是新型電力系統構建過程中的重要實施路徑。

配電網作為電力系統的“最后一公里”以及能源供應面向終端用戶的重要環節，對提高和改善用戶用能體驗起到重要作用。隨著分布式電源以及儲能、充電樁等設備大量接入配電網，使得配電網由傳統的單電源輻射狀變為多電源復雜網絡，將對配電網的運行特性、保護配置、故障隔離和自愈方式等帶來諸多挑戰[4-6]。目前國內外對上述內容開展了廣泛的研究，主要集中在：對分布式電源的故障特性分析以及分布式電源接入對配電網保護產生的不利影響[7-10]；通過廣域差動保護，構建網絡化的配電網保護，并借助智能分布式配網終端和5G技術，實現配電網的快速故障隔離及自愈[11-15]等。

本文利用能源互聯網在信息采集和共享方面的巨大優勢，提出了一種基于能源互聯網大數據云平臺的主配協同安全穩定與自愈控制技術，并給出了系統的架構設計方案，通過在貴安新區的相關應用試點，驗證了該技術在配電網中應用的可行性，為能源互聯網廣泛應用條件下配電網的安全運行提供了有效借鑒，并提出了該技術應用過程中與現有配網自動化以及繼電保護手段的協調配合建議。

1 主配協同的安全穩定與自愈控制技術概述

1.1 主配協同安穩與自愈控制理念

與能源互聯網系統相類似的電力系統，在成熟運行經驗的基礎上建立起了以“三道防線”為核心的電力系統安全穩定防御體系[16]，GB 38755-2019《電力系統安全穩定導則》中將此體系以電力系統承受大擾動能力作為安全穩定標準，并劃分為三個等級：

(1)第一級標準：保持穩定運行和電網的正常供電。

(2)第二級標準：保持穩定運行，但允許損失部分負荷。

(3)第三級標準：當系統不能保持穩定運行時，必須盡量防止系統崩潰并減少負荷損失。

傳統的三級穩定標準主要面向大電網運行和穩定控制，并不關注配電網層面的相關運行問題，然而隨著配電網層面接入的分布式電源和儲能等設施的滲透率提高，一方面，配電網對于主網而言，不再是單純的能可靠預測的負荷側，而是呈現源?荷動態變化的多元狀態，在某些情況下，參與主網的安全穩定控制是具有一定價值的；另一方面，主網對于配電網而言，不再是單一的電網和系統支撐側，局部配電網在某些情況下，完全具有在一定時期內單獨運行的能力，即構成某一局部微電網運行。

因此，在此基礎上，借鑒電力系統的“三道防線”理念，可以提出類似的主配協同的配網側穩定運行“三級標準”：

(1)第一級：通過可靠快速的就地保護和全區域速動的網絡化區域保護，快速切除概率較高的單一故障，確保配電網穩定運行并最大程度保證配網正常供電。

(2)第二級：通過網絡化的故障定位和隔離手段，并采用低頻低壓減載、過頻過壓切機、線路過載聯切負荷等手段，實現故障快速隔離和自愈，并切除一部分無法穩定運行的元件，維持正常供電的配電網的穩定運行。

(3)第三級：當出現概率很低的配電網多重、嚴重故障或者主網供電中斷時，通過局部配電網構成微網主動解列的方式，防止局部配電網系統崩潰并盡量減少負荷損失。在故障消除以及主網恢復正常后，通過再并列恢復控制，實現配電網的恢復正常運行。

圖1 主配協同的安全穩定與自愈控制“三級標準”體系Fig.1 System of “three level standard” for safety, stability and self healing control with transmission and distribution coordination

1.2 主要關鍵技術

實現上述主配協同的安穩和自愈控制，需以構建快速描述主配網拓撲結構模型并能自適應為前提，并利用自適應動態拓撲的保護技術，實現差異化的跳閘動作行為和自適應的重構，需要用到以下關鍵技術：

(1)主配網拓撲描述與解析。該技術需基于圖論模型對電網動態結構進行建模表征，通過建立主配網合理統一的配置描述文件，從某些節點開始(一般而言為主配之間的主網供電變電站出線開關)，進行配電網一次設備關聯信息的描述，關鍵信息包括Substation(變電站)、PowerTransformer(變壓器)、Voltagelevel(電壓等級)、Bay(間隔)、ConnectivityNode(連接點)、ConductingEquipment(導電設備)、接線端子(Terminal)及LNode(邏輯節點)等。拓撲連接關系的建立通過對SSD文件進行解析來獲取，并對運行狀態下的網絡拓撲進行分析從而實時修正，快速生成電網一次的網絡拓撲，完成對主配網拓撲結構的實時分析識別。

(2)適應動態拓撲的就地和網絡保護技術。配電網開關狀態可以直接反映運行接線的變化，通過Dijkstra算法，得到不同開關之間的距離，用于描述任意兩組開關之間串聯的元件數目。若在配電網各節點設置相應終端，依托主站可實現配電網保護控制與定點電流采樣的關聯解耦以及與定點開關操作的關聯解耦，實現就地和網絡拓撲保護，進而實現配電網最小切除區和最小隔離區的確定。

(3)考慮恢復效益最大化的自適應重構和微電網解列、再并網控制技術。通過對維持正常供電所需負荷以及具備轉供條件的電源點容量的評估計算，進行兩者的匹配，結合自適應拓撲分析功能，形成最優的故障情況復電路徑搜索分析，并生成恢復效益最大化的自適應重構策略；選取合適的解列點，通過P-f下垂控制等控制策略實現局部微網的解列運行和再并網控制[17-21]。

2 基于能源互聯網大數據云平臺的系統設計方案

2.1 能源互聯網大數據云平臺整體構架

能源互聯網大數據云平臺由終端層、平臺層和應用層三層結構構成。與傳統電網EMS系統區別在于，終端層接入對象可包括各種終端能源，如充電樁、建筑或園區內的水、熱、氣等；平臺層主要基于大數據和云技術，通過中心數據庫、煙囪架構、微服務架構的開發模式，提供快速和靈活的響應，并為應用層提供可靠和安全的數據及平臺支撐；應用層可以根據實際需求，采用模塊化方式部署各類應用[22-24]。以貴安新區建設的能源互聯網運行控制平臺項目為例，該平臺建設了主配協同的安穩與自愈控制、多網多主體協同優化決策、智能運維、智慧用能共4個功能應用模塊，貴安能源互聯網大數據云平臺整體構架如圖2所示。

從系統內部功能層次而言，平臺設計為“六橫一縱”的框架，“六橫”從底向上依次為資源層、通用平臺層、業務平臺層、服務層、訪問層、應用層，“一縱”為實現DevOps和數據治理的管理平臺。

圖3 貴安能源互聯網大數據云平臺功能框架Fig.3 Functional framework of Gui’an energy Internet big data cloud platform

2.2 基于能源互聯網大數據云平臺的安穩及自愈控制系統層級與架構設計

2.2.1 總體架構

依托能源互聯網大數據云平臺構建的主配協同安穩自愈控制系統，總體架構可以分為主站層、子站層、通訊層、終端間隔層4層結構，如下圖所示：

圖4 基于能源互聯網大數據云平臺的安穩及自愈控制系統總體架構圖Fig.4 Overall architecture of stability and self healing control system based on energy Internet big data cloud platform

2.2.2 主站層

主站層可作為一個功能模塊集成于能源互聯網大數據云平臺之中，通過大數據云平臺與現有的主網及配網OCS系統采集主網及配網模型和實時數據。通過通信方式獲取終端間隔層的采集信息，結合主配網數據，完成對接入終端乃至整個主配網拓撲結構的實時分析識別。

主站層功能側重于主網和配網的協同管控，即在上述分析識別的基礎上，決策出主網所需的配網側切機切負荷命令，并下發至子站層，以及子站閉鎖信號的下發與解除，同時可實現對子站層的遠程控制與管理、展示。

2.2.3 子站層

配網網絡化速動保護、重構自愈、頻率及電壓控制等核心功能均部署在子站層，主要實現部署區域內的配電網信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化的基本要求。通過系統集成優化，達到部署區域內終端的信息統一接入、統一存儲和統一上送的目的，實現保護、運行監視、操作與控制、信息綜合分析及智能告警、運行管理等功能。同時，子站通過通信網絡與主站實時進行信息交互，完成信息的上傳與控制及閉鎖命令的接收。

2.2.4 通訊層

通訊層主要通過光纖通信網絡，實現終端層與子站層、子站層與主站層的通信互聯，保證系統間電力數據傳輸與交互的實時性和可靠性，從而實現可靠與穩定的主配協同的保護、安穩及自愈控制。

光纖通信網絡分為終端至子站網絡，子站至主站網絡，其中子站至主站網絡一般借助配電網現有通信網，目前配網中廣泛應用的以太無源光網絡(EPON)或工業交換機網絡等均能滿足要求[25-27]。而終端至子站網絡，一般均隨新增終端同步建設，多采用專用光纖，為提高可靠性，推薦采用光纖環網結構。

整個系統的對時功能均借助通信網絡完成，網絡對時采用自身SNTP協議，SV采樣同步采用基于交換機數據傳輸延時測量的解決方案。

2.2.5 終端間隔層

終端間隔層設備主要包括一體化智能終端，作為安全穩定與自愈控制系統的重要組成部分，承擔著信息采集、故障檢測、信息上送、控制命令的接受與執行等功能。就地智能終端內部由合并單元模塊、執行單元模塊、保護單元模塊構成，并具有終端自檢和通信及對時功能。

3 測試系統搭建及測試結論

3.1 測試試驗系統

為驗證上述主配協同的安穩與自愈控制系統的動作正確性和其他特性，搭建如圖5所示的測試系統。系統由4面環網柜構成，2路電源構成“1供1備”，N2及N3環網柜負荷側接有分布式光伏及風電。正常情況下，該手拉手環網供電結構開口點位于SW5開關處。

圖5 主配協同的安穩與自愈控制系統測試模型Fig.5 Test model of stability and self-healing control system based on transmission and distribution coordination

試驗模型參數參考貴安A類負荷地區110kV變電站及戶外環網柜實際情況設定，具體如表1～表3所示。

表1 測試試驗系統電源參數Tab.1 Power parameters of test system

表2 測試試驗系統線路參數Tab.2 Line parameters of test system

表3 測試試驗系統負荷參數Tab.3 Load parameters of test system

測試系統各定值參數按如下值進行整定：系統跳閘時間定值為0.01s，隔離等待時間間隔為0.3s；電源及負荷過流保護I段時間定值均為0.01s，零序過流保護I段時間定值均為0.10s。

3.2 主要測試結論

在系統正常運行情況下，模擬K1～K11發生故障，檢查裝置的動作情況，故障類型包括單相接地、兩相接地、兩相短路和三相短路。具體動作情況如表4所示：

根據上述測試結果可知，在測試系統環網柜母線、線路、負荷側、分布式電源側的各類故障情況下，本安穩與自愈控制系統均能正確切除、隔離故障并完成網絡自愈，各項指標滿足配網相間故障保護出口≤100ms，單相接地故障保護出口≤300ms，非故障段配網自愈時間≤60s的要求。

4 示范點建設方案簡介

為了滿足貴安配電網對供電高可靠性以及分布式電源、CCHP(冷熱電三聯供)等的接入需求，依托貴安國家級新區建設“智慧低碳新區”和“能源互聯網示范基地”的建設，在貴安新區開展了基于能源互聯網大數據云平臺主配協同安穩及自愈控制技術的示范建設。為適應配電網故障隔離自愈和主配協同的安穩兩方面需求，選取了兩個典型區域開展了示范點建設。

4.1 示范點基本情況

(1)示范點1-電子信息產業園

表4 測試試驗系統動作情況Tab.4 The action results of the test system

續表4

貴安電子信息產業園配電網結構為典型的放射型結構，該示范點共由8面環網柜組成，其中部分環網柜規劃有燃氣發電、光伏、風電、充電樁等分布式電源接入(目前暫未投運)，環網柜均為2進4出，進線為斷路器，出線為負荷開關。示范點1的電氣一次拓撲如下圖所示。

圖6 示范點1-電子信息產業園一次拓撲圖Fig.6 Primary topological graph of demonstration site 1-Electronic Information Industrial Park

(2)示范點2-高端裝備制造產業園

貴安高端裝備制造產業園配電網結構為典型的手拉手環網結構，該示范點共由15面環網柜組成，由于有5面環網柜內部未配置PT、開關未配置電操機構，且無法通過改造更換，達不到遠方監控及遠程控制的要求，因此在構建本示范點模型以及實際建設時，將這5面環網柜作為線路來“直線”處理，該“直線”區域內的任一環網柜內部處故障即視為整個區域故障，系統對該整體區域進行故障跳閘與隔離。示范點2的電氣一次拓撲如下圖所示，其中打虛線框的為需進行“直線”處理的環網柜。

圖7 示范點2-高端裝備制造產業園一次拓撲圖Fig.7 Primary topological graph of demonstration site 2-High end equipment manufacturing Industrial Park

4.2 示范點主要建設方案

按2.2節所述，以上兩個示范點均采用終端層、通信層、子站層、主站層的構架進行系統建設。其中主站層為內置在貴安能源互聯網大數據云平臺系統中的主配協同安穩及自愈控制功能模塊；兩個示范點的子站層均設置在110kV磊莊變，配置2面子站設備屏；在示范點1以及示范點2各環網柜間敷設光纜，并在環網柜旁設置安穩及自愈系統終端柜，內含終端及交換機，通過柜間光纜構成通信環網。子站設備屏通過貴安配網現有的工業交換機網絡接入主站側，完成終端信息的上傳及主站相關命令的下發。

此外，為滿足示范方案的建設，需對2個示范點現有環網柜進行必要的改造，主要包括：

(1)與安穩及自愈策略相關的開關，應具備電操機構，無電操機構的應進行改造；

(2)各環網柜內開關、隔離刀閘、地刀應具有備用輔助接點，安穩及自愈系統需接入相關輔助接點信號；

(3)各環網柜應配置有PT，用于給終端柜供應正常工作電源，無PT的需進行加裝。

4.3 與現有主配相關系統的運行協調配合方案

對于試點區域，配電網同時具有原環網柜上安裝的就地保護以及安穩及自愈系統的就地+網絡保護兩重功能；此外，若環網柜已實現了配電自動化，一般還配置有DTU等配電自動化設備，配電自動化主站一般也具有故障自愈FA功能以及三遙功能。因此，試點區域存在有與原有保護協調配合以及與配電自動化協調配合兩個問題。

考慮到保護對可靠性的要求，安穩及自愈系統的就地及網絡保護，與環網柜已有的就地保護，均投入使用，互為近后備。

但現有的配電自動化FA及三遙功能和安穩及自愈系統，由于網架整體的運行狀態對各自邏輯有較大影響，因此正常情況下應只使用其中一個主站的自愈和相關遠方功能，具體是在環網柜處通過遠方就地轉換開關以及DTU和安穩自愈系統終端的壓板的投退來實現。

5 結語

能源互聯網以能源流、業務流、數據/信息流的深度融合為基本特征，在此背景下，高可靠供電以及分布式電源廣泛接入背景下的配電網運行面臨一定的挑戰。另一方面，能源互聯網提供的全景信息和數據，又為以上問題的解決提供了良好的基礎條件。本文基于能源互聯網大數據云平臺的信息共享機制，并借鑒電力系統主網的“三道防線”理念，以主配協同的配網側穩定運行“三級標準”為出發點，對該主配協同的安穩及自愈控制系統的關鍵技術和系統實施方案進行了詳細闡述，并通過搭建典型配網網架對該技術進行了測試，結果表明能夠滿足各項指標要求。目前，已經在貴安新區進行了兩個示范點的建設，通過相關試驗示范，將對該技術的推廣應用具有很強的示范和參考價值。