魯 成
華北電力大學(xué),河北 保定 071003
配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鍪峭ㄟ^處理開關(guān)狀態(tài)信息,獲取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連接關(guān)系,進(jìn)而將現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)抽象為拓?fù)鋱D的功能,是網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用與數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)。配網(wǎng)拓?fù)渥R別功能是否強(qiáng)大,直接關(guān)系到后續(xù)工作的進(jìn)行。傳統(tǒng)方法一般是對所采集的故障信號進(jìn)行集中處理,而智能分布式饋線自動化(FA)技術(shù)具有一定的邏輯能力,可以借助配電終端間的橫向通信,互傳已知的線路故障電流流向,通過較少的電氣量信號就能獲取準(zhǔn)確的故障點區(qū)段,并通過控制自主投切開關(guān),迅速隔離故障點。針對配電系統(tǒng)中臺區(qū)智能終端以及端設(shè)備應(yīng)用,終端在接入通信網(wǎng)絡(luò)后,通過與配電主站信息交互,實現(xiàn)終端自動接入配電主站,并生成對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集點,以便及時掌握配電系統(tǒng)中臺區(qū)智能終端以及端設(shè)備接入/退出與數(shù)據(jù)接入情況,簡稱即插即用。另外,針對配電系統(tǒng)中臺區(qū)智能終端以及端設(shè)備拓?fù)潢P(guān)系的即時更新,實現(xiàn)各終端采集信息的正確歸類,或在工程上稱為配電系統(tǒng)臺區(qū)拓?fù)湫畔⒌募磿r更新與交互,簡稱拓?fù)渥R別。韓國政等[1]應(yīng)用IEC 61850的數(shù)據(jù)模型和邏輯節(jié)點實現(xiàn)FTU和TTU的信息建模,并分析給出了可用的IEC 61850信息交換模型。叢偉等[2]重點針對區(qū)域縱聯(lián)保護(hù)和孤島檢測,基于IEC 61850對智能配電終端進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建模,針對邏輯設(shè)備配置情況采用變電站配置描述語言來表達(dá)。朱正誼等[3]研究了IEC 61850的擴(kuò)展模型與系統(tǒng)配置過程,并研究了智能分布式饋線自動化算法。閆衛(wèi)國等[4]基于AMI量測信息提出一種低壓配電網(wǎng)的拓?fù)湫r灧椒ā5牵鲜龇椒ň腔趥鹘y(tǒng)光纖,不僅靈活度受限,而且建造成本較高,難以在配網(wǎng)進(jìn)行推廣。為此,文章提出一種基于5G通信的饋線自動化方案,利用通信獨立于電網(wǎng)的特點實現(xiàn)全局拓?fù)渥R別,識別可用聯(lián)絡(luò)開關(guān),為故障隔離最大范圍恢復(fù)供電提供基礎(chǔ)。
智能配電終端利用自身設(shè)備信息以及相連終端的通信結(jié)果,以確定配電網(wǎng)故障的位置,進(jìn)而開啟故障點兩側(cè)直連的斷路器,使故障點與非故障區(qū)段以及電源點進(jìn)行隔離。然后,通過控制相應(yīng)的隔離開關(guān),使故障點下游的非故障區(qū)段進(jìn)行供電恢復(fù)。
帶有邏輯判斷能力的分布式FA從原理上避免了線路開關(guān)多次動作,增加了原本開關(guān)動作對于其自身以及線路上其他設(shè)備的使用壽命減少量。同樣,由于分布式FA設(shè)備被賦予的控制權(quán)利,使得線路維護(hù)或其他設(shè)備停運(yùn)期間仍然具有一定的保護(hù)性,提高了線路繼電保護(hù)的可靠性。
5G技術(shù)的關(guān)鍵能力指標(biāo)相較于4G技術(shù)有顯著的提高,具備高速率、低延時、大連接等特點。通過與5G技術(shù)相結(jié)合,各行業(yè)在探索行業(yè)自身開拓尋求創(chuàng)新技術(shù)亮點。配網(wǎng)差動技術(shù)是最能發(fā)揮5G特點的垂直應(yīng)用之一,也是3GPP中對于5G技術(shù)低延時、高精度授時要求的原型業(yè)務(wù)。不同場景不同業(yè)務(wù)對于5G技術(shù)的需求點也不盡相同,如配網(wǎng)差動技術(shù)、FA技術(shù)或調(diào)度等業(yè)務(wù)依靠的是其超高可靠、低延時的特點;用戶數(shù)據(jù)采集、電氣量信號檢測等業(yè)務(wù)則需要其大連接這一特點。拓?fù)渥R別業(yè)務(wù)由于其分散布局的特點,適合利用無線通信與其進(jìn)行配合。
將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論與電力系統(tǒng)相結(jié)合需要對電力系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣!l(fā)電廠、變電站抽象為節(jié)點,變壓器線路與輸電線抽象為邊,可以把電力系統(tǒng)簡化成一個無向無權(quán)的網(wǎng)絡(luò),其簡化原則如下:
(1)不考慮發(fā)電廠、變電站的主接線,只考慮配網(wǎng)輸電線。
(2)把網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分為兩類,分別記為發(fā)電節(jié)點集合、負(fù)荷節(jié)點集合。
(3)輸電線、變壓器支路均簡化為無向無權(quán)邊(等效于各線路權(quán)重均為1),忽略輸電線電壓等級和各種特性參數(shù)的不同。
(4)為了防止網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)自環(huán)和多重邊的現(xiàn)象,需合并同桿并架輸電線且不計并聯(lián)電容支路。
(5)線路上的聯(lián)絡(luò)開關(guān)為常開狀態(tài),而同一線路上另一開關(guān)可能為常閉,對于此情況認(rèn)為不構(gòu)成邊,其抽象的矢量也不計入拓?fù)渲小<串?dāng)且僅當(dāng)線路兩端均閉合狀態(tài)才記及該線路。
由此,使模型轉(zhuǎn)化為一個含有n個節(jié)點和l條邊的無向無權(quán)的稀疏聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)。
拓?fù)渥詣幼R別的原理為,在5G移動通信方法的前提下,大帶寬的優(yōu)勢使得每個智能終端不再僅需要識別并儲存與之關(guān)聯(lián)的局部拓?fù)湫畔ⅲ翘囟ńK端與主站直連,獲取經(jīng)由中心中繼后的所有節(jié)點連接關(guān)系,生成全局拓?fù)潢P(guān)系并轉(zhuǎn)發(fā)至各節(jié)點;在此基礎(chǔ)上,終端通過被賦予的邏輯處理權(quán)即可完成相關(guān)隔離、恢復(fù)供電功能。
拓?fù)渥R別系統(tǒng)的構(gòu)成與分布式FA系統(tǒng)類似,由智能終端、通信網(wǎng)絡(luò)和區(qū)域主站組成。智能終端是拓?fù)渥R別系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備,可以對管控范圍內(nèi)的開關(guān)運(yùn)行情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制,包括其連接情況、屬性參數(shù)、電流大小等;同時還可以依靠數(shù)據(jù)互通,不依賴主站即可實現(xiàn)邏輯處理與控制。通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)將區(qū)域內(nèi)主站與分布式的智能終端進(jìn)行連接,實現(xiàn)雙向通信,既可以互傳監(jiān)控數(shù)據(jù)等,又可以下達(dá)信息或者進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。該方法基于運(yùn)用5G技術(shù)的通信手段實現(xiàn),主站負(fù)責(zé)采集匯總來自各智能終端的實時配網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù),執(zhí)行儲存、中繼、邏輯處理、指令下達(dá)、時鐘對時等任務(wù)。其具體步驟如下。
(1)當(dāng)有以下幾種情況發(fā)生時,發(fā)起拓?fù)渥R別動作:當(dāng)有智能終端檢測到分段開關(guān)由“合”變?yōu)椤胺帧蔽换蛴伞胺帧蔽蛔優(yōu)椤昂稀蔽唬划?dāng)有新的智能終端加入數(shù)據(jù)庫表中。對于由智能終端動作/變更而產(chǎn)生的拓?fù)渥儎樱鑴幼靼l(fā)出的智能終端向主站發(fā)送“開關(guān)狀態(tài)變更”信號,在主站收到拓?fù)涓抡埱蠛螅蛩泄茌爡^(qū)域內(nèi)的智能終端下達(dá)命令,令其按照特定格式上傳自身連接信息及開關(guān)屬性。
(2)當(dāng)各智能終端收到來自主站的開關(guān)狀態(tài)查詢命令后,智能終端經(jīng)由無線通信設(shè)備與配網(wǎng)通信主站進(jìn)行一對一通信,按照前文所述的統(tǒng)一格式,對所在線路、所在節(jié)點負(fù)荷大小、節(jié)點負(fù)荷重要度和節(jié)點功能屬性等靜態(tài)和動態(tài)屬性進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入與傳輸。
(3)由發(fā)出動作請求的智能終端接收來自主站中繼的各個節(jié)點的開關(guān)所發(fā)送的信息,進(jìn)行數(shù)據(jù)合并與清洗,查詢有無缺漏、重復(fù)、越界等行為,如有進(jìn)行告警,進(jìn)行節(jié)點歸類,分別生成電源點集、負(fù)荷節(jié)點集。
(4)對于自身控制的開關(guān)狀態(tài)為閉合狀態(tài)的數(shù)據(jù),負(fù)責(zé)的智能終端將其加入處理隊列依邏輯進(jìn)行整合處理,對于開關(guān)狀態(tài)為斷開狀態(tài)的數(shù)據(jù),則判斷其是否為潛在聯(lián)絡(luò)開關(guān)。當(dāng)且僅當(dāng)該開關(guān)滿足以下條件時,可將其認(rèn)定為當(dāng)前拓?fù)錆撛诘穆?lián)絡(luò)開關(guān):該開關(guān)所在線路當(dāng)前無故障/檢修狀態(tài);該開關(guān)未受繼電保護(hù)裝置動作影響導(dǎo)致閉鎖;該開關(guān)所在區(qū)段對端開關(guān)為閉合狀態(tài),且對端母線帶電,電壓正常。
(5)對于自身控制的開關(guān)狀態(tài)為閉合狀態(tài)的開關(guān)/斷路器,讀取流經(jīng)開關(guān)的電流方向為流入或是流出,將該區(qū)段內(nèi)一對開關(guān)的上下級關(guān)系進(jìn)行確定并記錄。雖然前文提到該方法所操作的拓?fù)鋱D為無向圖,因其邊的方向不影響功能,而此處的電流方向僅用于后續(xù)重合閘等功能的判斷輔助。
(6)主站讀取步驟(3)生成的json文件,按照節(jié)點的抽象矢量描述方法,抽取位于相同線路上的節(jié)點,將對向的矢量關(guān)系變成進(jìn)行邊的生成,加入拓?fù)涿枋鑫募校⑸蓞⒖紙D。同時,為所有開關(guān)進(jìn)行標(biāo)簽的統(tǒng)一化處理,導(dǎo)出并向各終端下發(fā)通用拓?fù)湮募舸罄m(xù)故障隔離與恢復(fù)時使用。
在局部拓?fù)湫畔⒄系倪^程中,所有線路的上下游關(guān)系可以確定并下發(fā)到相應(yīng)的智能終端中,因此這一上下游關(guān)系可以用于進(jìn)行故障發(fā)生時處理的邏輯輔助:同一區(qū)段的一對開關(guān)已經(jīng)獲知自己相對于對方的負(fù)荷上下游關(guān)系。當(dāng)某區(qū)段內(nèi)發(fā)生故障,先確定故障為注入性電流而非穿越性電流,識別故障區(qū)段,該對開關(guān)需要將故障隔離,然后嘗試重合閘操作:上游(近電源一側(cè))的開關(guān)首先進(jìn)行重合閘嘗試,若嘗試成功,則證明其為瞬時性故障,可以恢復(fù),進(jìn)而上游開關(guān)通知對端進(jìn)行合閘;否則,上游開關(guān)再次跳開且不再重合。
文章提出了一種基于5G通信模塊的無線通信的配電網(wǎng)饋線自動化方案,解除了光纖通信對傳統(tǒng)配電網(wǎng)拓?fù)渥R別技術(shù)的限制,實現(xiàn)了拓?fù)渥詣幼R別。同時,通過檢測拓?fù)渚W(wǎng)中開關(guān)狀態(tài),識別聯(lián)絡(luò)開關(guān)的位置并調(diào)整控制策略。現(xiàn)有的基于5G通信的智能分布式配電保護(hù)技術(shù)已經(jīng)通過試驗測試,具有較好的可靠性,在此基礎(chǔ)上使用該方法作為附加功能,成本較低,操作也相對簡單,僅需對軟件進(jìn)行相應(yīng)的適配與嵌入工作,值得推廣應(yīng)用。