基于動態拓撲模型的配電系統停電研判方法實現

陳明恩,戰 鋒,吳 昊,李俊達,張拯民

(國電南京自動化股份有限公司,江蘇 南京 210031)

0 引言

配網作為發電和用電之間的橋梁,在國民生產生活中具有舉足輕重的作用。停電對客戶的生產與生活影響也越來越大。電力供電線路發生故障時,對于故障信息很多依賴于用戶的描述以及搶修人員到現場后的確認。對故障源、相關設備信息、故障類型、影響范圍等進行準確判斷還需要進一步深入研究。停電研判系統軟件以電網模型、電網實時運行數據、設備信息、用戶信息等基礎信息為依托,結合GIS系統、用電信息采集系統的相關數據,對接收到的停電信息(斷路器動作信息、配電變壓器報警信息等配網故障信息、客戶報修信息、計劃停電信息)進行分析,建立線路、配電變壓器、低壓用戶間準確的關聯數據模型,達到配網故障的快速診斷和定位的目的,實現配網故障綜合研判[1-3]。

檢索相關文獻和專利數據庫可以發現,有一些文獻或專利從不同角度對停電研判做了一些探索和研究,主要集中在停電研判思想概念、系統原理、系統應用、客戶停電管理系統等方面。停電研判也可以緊密結合配電主站系統,作為其重要模塊之一來實現,這一角度研究文獻較少。對此,本文深入研究并在此基礎上提出基于多樹模型的配電自動化停電研判快速實現方法的發明專利申請。

隨著智能電網信息化發展,GIS逐漸應用于輸配電系統、客戶服務系統、SCADA系統等。WebGIS

作為圖形化的超媒體信息系統,提供了集成多媒體信息的能力,把視頻、音頻、地圖、文本等集中到Web頁面上,專門以B/S形式實現的GIS,極大豐富擴展了GIS內容和表現能力[4-5]。

根據配電網主站系統軟件和WebGIS技術特點,綜合考慮電網線路分層顯示和設備定位方法等內容,參考一種基于Spring MVC架構的WebGIS電網信息可視化構建方法,借鑒其電網站內圖、線路圖等數據信息的展示、瀏覽實現方法來實現[5]。

該停電研判作為配電主站系統軟件的重要組成部分,系統判據信息采用中國華電自主研發的華電睿藍主站系統的數據,充分結合用電系統中的配電變壓器數據,謹慎選擇拓撲辨識算法,森林動態樹模型原理與算法思想,引入WebGIS技術,以達到對拓撲動態著色、停電研判等進一步直觀形象展示與管理的目的。

1 停電研判設計

停電研判主要功能是基于現場穩定運行的華電睿藍配電自動化系統,結合多項配電變壓器數據,智能研判當前各區縣現場實際運行線路中出現停電的饋線影響范圍,實時分析停電類型和饋線停電首斷路器下游的所有斷路器和配電變壓器信息,生成停電工單,告警通知停電情況并推送配電搶修系統,相關維護人員實時獲取停電信息后展開現場勘查和停電搶修處理[6-9]。圖1展示了配電自動化系統中的停電研判相關主要模塊數據流分布。同時展示子停電研判模塊、人機界面模塊、實時庫、商業數據庫、負控計量系統、配電搶修系統等各模塊之間的數據流交互[10-12]。

圖1 配電自動化系統中停電研判數據流分布

1.1 拓撲辨識與拓撲虛擬優化

狀態估計、拓撲辨識和停電研判是快速復電系統的組成關鍵,合理改善會大大縮短故障處理時間。在許多文獻中提出狀態估計和拓撲辨識有效算法策略:中低電壓拓撲構建、基于改進免疫算法和自適應LASSO的配電網動態拓撲生成算法、基于鄰接矩陣自乘得到全連通矩陣的鄰接矩陣準平方法、具有特殊含義的矩陣關聯矩陣標記法等[13-15]。

文獻[16]能夠做到不區分電壓,在電路中設備/元件實時帶電狀態發生改變時,僅對與其相關電路組件的帶電狀態進行處理,從而提高配網帶電狀態計算的效率。該方法從電源區域出發,遍歷所有與電源區域連通的區域,從而得到所有的帶電區域。

如果采用基于圖鄰接矩陣的狀態估計算法,饋線和斷路器越多,矩陣階數越大。當停電研判應用時,可以對拓撲中存在唯一父節點饋線分支線路進一步優化設計為樹以及森林拓撲結構 (斷路器與其子斷路器等建立虛擬區域,形成樹拓撲,如圖2所示),減少鄰接矩陣階數和復雜度。這樣核心區域可以優化設計為階數n盡量少的鄰接矩陣。核心區域采用拓撲辨識算法,一般為基于鄰接矩陣的策略算法,外圍樹或森林采用停電研判算法(本文為深度優先遍歷),這二者相結合可大大減少整體的拓撲結構采用單一算法的復雜度,減少算法的計算時間,提高研判實時響應效率。

圖2 拓撲網絡虛擬優化

1.2 動態樹模型停電研判過程

配電系統配置生成饋線網絡拓撲,人機界面同步展示網絡拓撲信息,對各設備帶電或失電著色,進而提示網絡中各節點設備的帶電或失電狀態。停電研判是分析和邏輯推理網絡狀態、停電和復電的關鍵基礎功能[2,10]。結合圖3,基于森林與動態樹模型實現的配電自動化快速停電研判實現方法,重點過程闡述如下。

圖3 森林模型停電研判原理

依據配電實際網路抽象化建立饋線網絡拓撲,同時結合地理信息系統GIS形成配電WebGIS信息網絡。拓撲計算程序啟動運行時,從實時庫中加載模型數據存入程序內存,可以根據原始拓撲網絡 (此時計算量較大)或采用優化虛擬節點后的拓撲和實時庫中的實時數據,通過拓撲計算策略得到拓撲結果,存入程序內存,然后將設備帶電狀態、拓撲節點和拓撲島信息存入實時庫。

圖2原始復雜網絡形成全局Map圖拓撲,而斷路器及其子斷路器虛擬為一個虛擬區域,形成虛擬節點,這是倒樹的網絡模型,可以形成多棵虛擬倒樹形的饋線網路。非虛擬區域可以采用拓撲辨識算法,虛擬區域可以采用停電研判算法(本文為深度優先算法,因為要基于研判規則來統計分析各類信息點),當簡單拓撲網絡時可以直接采用停電研判。

依據饋線網絡模型建立饋線分枝倒樹模型,該模型包括各個節點設備的相關信息描述、各個節點設備的分枝或父子關系、設備節點全局唯一性的設備編碼(objected)識別編碼、父子關系內存指針。同時,對該分枝饋線的樹形模型建立與此對應的哈希索引列表,該索引列表與樹形模型共享節點信息,包括計算機內存地址等所有信息。哈希索引列表通過objectid可以快速選擇命中節點,然后結合樹形的各節點關系采用廣度或深度優先遍歷方法,可以向根節點方向或子節點方向邏輯推理,建立分析統計的數理基礎。

各節點設備的信息包括斷路器動作、配電變壓器報警、客戶報修、計劃停電等信息,這些信息通過整理與量化,演變成各設備狀態實時或計劃屬性,然后寫入配電自動化系統實時數據庫中。

停電研判算法程序在核心區域圖鄰接矩陣拓撲辨識算法結果基礎上,獲取實時庫中的各個設備實時屬性。結合哈希索引列表,樹形饋線模型的雙重搜索數據,采用深度優先遍歷法,依據判據原理的算法分析過程,可以快速得到一系列相關決策和分析結果。

拓撲結構(動態著色)算法、停電研判算法和停電研判規則這3個模塊實行分層分離綜合考慮,可根據結果的準確性和實時快速性、計算過程復雜性等因素選擇不同方法多次對比分析優化設計。計算結果可以服務器/客戶端方式展示。這些記錄主要包括研判記錄表、研判配電變壓器表、停電斷路器記錄表、停電配電變壓器記錄表、停電饋線記錄表、實時停電饋線表等。這些結果也可輸出到與配電自動化系統其他相關管理模塊,如GIS系統、負控計量系統、配電搶修系統等,以供各個模塊使用。

1.3 復雜度與實時性能分析

查閱拓撲結構(動態著色)算法、停電研判算法等相關研究資料或成果很多。在設計考慮或選擇算法時,一要注重算法結果的準確性、前置條件簡單化(有些算法有特殊前置條件要求,條件不滿足,結果就失真)、實踐可行性(有些算法限于一些特定應用場合,沒有通用適用性);二要注重算法本身的復雜度、高效性與計算量大小。如文獻[17]中的方法復雜度較低,只在最不理想的情況下才遍歷所有區域,但其要求分別從不同的電源區域分別遍歷,每次斷路器動作都要遍歷1次,其中包含大量的重復操作;且無法查詢電氣島的組成,不利于擴展,主站計算工作量非常大。

拓撲結構(動態著色)、停電研判算法作為配電自動化主站軟件模塊或服務程序運行時,非常強調實時性,需要在數百毫秒內,整個算法本身、讀寫實時數據庫、更新界面顏色變化顯示(告警信息等)作為1個周期完成,而且觸發或循環模式時刻周期性運行。很多算法對該模塊程序的代碼實現、計算機性能和成本都是嚴峻挑戰,不易于實施。顯然,上述方法實時性能需要更多優化。而圖鄰接矩陣是很多拓撲結構算法的基礎,文獻[17]也分析了基于鄰接矩陣自乘得到全連通矩陣的鄰接矩陣準平方法和具有特殊含義的矩陣關聯矩陣標記法的優點和缺點,進一步提出更加高效的核心優化策略。文獻[14]和本文區域虛擬化節點設計都是為了努力減少拓撲和停電研判算法本身計算以及和實時數據庫交互的工作量,提高實時效率。

2 判據規則與結果

停電研判判據主要來源于配電自動化系統饋線實時拓撲狀態、斷路器位置、配電開關監控終端(FTU)在線運行狀態等實時信息和用電系統中的配電變壓器實時數據。

2.1 規則設計原理和分析

本停電研判系統基于配電自動化系統和負控數據,主要生成以研判分析、斷路器跳閘、人工操作和就地操作為停電類型的4類工單。本文將從非智能斷路器和智能斷路器引發停電的研判判據和工單類型進行闡述。

2.1.1 非智能斷路器

基于配電變壓器的研判分析,首斷路器位置判定:以非智能斷路器A作為起點,即饋線上超過80%配電變壓器出現故障的最上游斷路器。

研判特點:圖4中各條件需同時滿足,使用接入的負控數據,解決非智能斷路器引發線路停電難以分析定位的技術難點,具有高效智能、實時性和準確性高的研判特點。

圖4 非智能斷路器配電變壓器停電研判分析

2.1.2 智能斷路器

a.基于FTU和配電變壓器的研判分析

首斷路器位置判定:以智能斷路器A作為起點,即饋線智能斷路器節點及其下游斷路器節點的所有FTU通道狀態均為停止的最上游斷路器。

研判特點:圖5中各條件需同時滿足,使用饋線FTU通道信息并結合接入的負控數據,解決單一依靠FTU通道狀態研判,導致由于現場智能斷路器FTU的通斷抖動性過大從而產生研判誤差大的后果,可有效避免單純依靠配電自動化系統數據不充足導致研判誤差大的問題,提高準確性和快速性,降低誤判的可能性。

圖5 基于FTU的配電變壓器停電研判分析

b.其他方面

人工操作、斷路器跳閘、就地操作引起停電的首斷路器位置判定:若饋線上多個斷路器在閾值內接連跳閘,則合并成1條停電工單,首斷路器以引起停電的最上游斷路器作為起點;若多個跳閘斷路器間的跳閘時間間隔超過20 s,按時間順序分別生成多條停電工單,首斷路器以引起停電的各對應斷路器作為起點,即智能斷路器A,如圖6所示。

圖6 基于人工操作的配電變壓器停電研判分析

研判特點:這些行為均是基于配電自動化系統數據信息的停電研判,可以準確得到智能斷路器的位置,故而具有停電范圍定位明確、判據精準、實時性和準確性高的特點。參考文獻[3]對部分停電研判規則設計原理與過程做了深入闡述。

2.2 結果分析

停電研判可產生故障停電、人工操作、就地操作、通道停止、配電變壓器故障、配電變壓器帶電寫絲具狀態、配電變壓器失電寫絲具狀態等停電類型和記錄報告。

本文在上述森林與動態樹模型和判據規則基礎上,開發了停電研判應用軟件,部分基礎功能包括實時停電研判和復電驗證,通過該軟件來查閱相關地域的停電研判結果和輸出記錄、實時停電工單和復電驗證過程工單,提供告警信息和各類數據分析與統計。基于本文停電研判思想構成的配電自動化系統已在寶雞供電公司8個縣地區全面使用,實現停電復電智能研判,運維搶修現場實時監督,故障搶修全過程管控,大大提高配電網監督運行的自動化水平,有效提高了配電搶修效率[3]。

3 停電研判圖形展示

配電主站系統依據實際網路抽象化建立饋線網絡拓撲原理圖,結合地理信息系統GIS形成配電信息網絡圖,依據停電研判算法建立停電研判地理GIS圖。

3.1 系統拓撲計算服務化及圖形

基于圖模一體化設計理念的華電睿藍主站系統,配置數據庫中虛擬抽象設計為數眾多一次設備和二次設備信息模型。圖形組態編輯工具設計眾多的一次圖元及二次圖元,可以便捷構建配電系統的網絡拓撲原理圖。

依據主站系統運行時實時數據庫的一次或二次設備的各類信息,實時展示各信息點變化與告警信息、網絡拓撲節點狀態等。拓撲計算程序后臺獨立服務化運行,圖7界面實時展示網絡拓撲和設備信息,可為客戶和工程人員提供參考。

圖7 配電主站系統拓撲圖

3.2 主站系統WebGIS實現

結合GIS的設備管理需要標識地理位置的空間數據和設備屬性的臺帳數據,而運行管理又需要設備的實時數據和拓撲信息。這些數據包括圖形空間數據、設備屬性數據、設備和實時數據的關聯信息、實時數據、拓撲信息等。

當WebGIS地理信息在主站圖形設計工具上引用與編輯時,將電網分成點和線兩大部分,線表示線路,點表示線路中坐標位置點,通過自定義數據存儲結構包括線路上某個點的坐標信息和各類設備抽象化設計數據信息。GIS地圖作為背景,各類設備一次或二次圖元相應設計嵌入地圖。

這樣就實現了配電自動化主站系統依據配電網路形成饋線網絡拓撲和人機界面展示WebGIS的饋線網絡圖,再對各設備帶電或失電進行著色,形象表達各節點設備的帶電或失電狀態。依據停電研判可實時分析和預測,邏輯推理拓撲網絡狀態。

4 結語

本文討論了一種基于動態樹模型的配電變壓器停電研判系統,涉及智能配電變壓器停運系統、生產管理系統、配電自動化系統、智能調度管理系統、能量管理系統、用電信息采集系統和低壓斷路器狀態監測系統相關眾多模塊。從這些模塊中獲取多源數據有效信息,采用森林和動態樹模型及深度遍歷技術,結合配電系統常用停電研判規則對異常停電事件進行分類篩選和甄別,快速定位,并針對不同類型的配電變壓器停運事故推送相應的停運工單和搶修策略,減少停電時間及提高用戶用電滿意度。WebGIS提供更直觀和形象的友好界面,這是配電主站系統和WebGIS融合的一個重要實踐,對電力調度系統、管理系統等各種系統數據應用和管理實踐具有重要的支撐作用,應用前景廣泛。