基于动态拓扑模型的配电系统停电研判方法实现

陈明恩,战 锋,吴 昊,李俊达,张拯民

(国电南京自动化股份有限公司,江苏 南京 210031)

0 引言

配网作为发电和用电之间的桥梁,在国民生产生活中具有举足轻重的作用。停电对客户的生产与生活影响也越来越大。电力供电线路发生故障时,对于故障信息很多依赖于用户的描述以及抢修人员到现场后的确认。对故障源、相关设备信息、故障类型、影响范围等进行准确判断还需要进一步深入研究。停电研判系统软件以电网模型、电网实时运行数据、设备信息、用户信息等基础信息为依托,结合GIS系统、用电信息采集系统的相关数据,对接收到的停电信息(断路器动作信息、配电变压器报警信息等配网故障信息、客户报修信息、计划停电信息)进行分析,建立线路、配电变压器、低压用户间准确的关联数据模型,达到配网故障的快速诊断和定位的目的,实现配网故障综合研判[1-3]。

检索相关文献和专利数据库可以发现,有一些文献或专利从不同角度对停电研判做了一些探索和研究,主要集中在停电研判思想概念、系统原理、系统应用、客户停电管理系统等方面。停电研判也可以紧密结合配电主站系统,作为其重要模块之一来实现,这一角度研究文献较少。对此,本文深入研究并在此基础上提出基于多树模型的配电自动化停电研判快速实现方法的发明专利申请。

随着智能电网信息化发展,GIS逐渐应用于输配电系统、客户服务系统、SCADA系统等。WebGIS

作为图形化的超媒体信息系统,提供了集成多媒体信息的能力,把视频、音频、地图、文本等集中到Web页面上,专门以B/S形式实现的GIS,极大丰富扩展了GIS内容和表现能力[4-5]。

根据配电网主站系统软件和WebGIS技术特点,综合考虑电网线路分层显示和设备定位方法等内容,参考一种基于Spring MVC架构的WebGIS电网信息可视化构建方法,借鉴其电网站内图、线路图等数据信息的展示、浏览实现方法来实现[5]。

该停电研判作为配电主站系统软件的重要组成部分,系统判据信息采用中国华电自主研发的华电睿蓝主站系统的数据,充分结合用电系统中的配电变压器数据,谨慎选择拓扑辨识算法,森林动态树模型原理与算法思想,引入WebGIS技术,以达到对拓扑动态着色、停电研判等进一步直观形象展示与管理的目的。

1 停电研判设计

停电研判主要功能是基于现场稳定运行的华电睿蓝配电自动化系统,结合多项配电变压器数据,智能研判当前各区县现场实际运行线路中出现停电的馈线影响范围,实时分析停电类型和馈线停电首断路器下游的所有断路器和配电变压器信息,生成停电工单,告警通知停电情况并推送配电抢修系统,相关维护人员实时获取停电信息后展开现场勘查和停电抢修处理[6-9]。图1展示了配电自动化系统中的停电研判相关主要模块数据流分布。同时展示子停电研判模块、人机界面模块、实时库、商业数据库、负控计量系统、配电抢修系统等各模块之间的数据流交互[10-12]。

图1 配电自动化系统中停电研判数据流分布

1.1 拓扑辨识与拓扑虚拟优化

状态估计、拓扑辨识和停电研判是快速复电系统的组成关键,合理改善会大大缩短故障处理时间。在许多文献中提出状态估计和拓扑辨识有效算法策略:中低电压拓扑构建、基于改进免疫算法和自适应LASSO的配电网动态拓扑生成算法、基于邻接矩阵自乘得到全连通矩阵的邻接矩阵准平方法、具有特殊含义的矩阵关联矩阵标记法等[13-15]。

文献[16]能够做到不区分电压,在电路中设备/元件实时带电状态发生改变时,仅对与其相关电路组件的带电状态进行处理,从而提高配网带电状态计算的效率。该方法从电源区域出发,遍历所有与电源区域连通的区域,从而得到所有的带电区域。

如果采用基于图邻接矩阵的状态估计算法,馈线和断路器越多,矩阵阶数越大。当停电研判应用时,可以对拓扑中存在唯一父节点馈线分支线路进一步优化设计为树以及森林拓扑结构 (断路器与其子断路器等建立虚拟区域,形成树拓扑,如图2所示),减少邻接矩阵阶数和复杂度。这样核心区域可以优化设计为阶数n尽量少的邻接矩阵。核心区域采用拓扑辨识算法,一般为基于邻接矩阵的策略算法,外围树或森林采用停电研判算法(本文为深度优先遍历),这二者相结合可大大减少整体的拓扑结构采用单一算法的复杂度,减少算法的计算时间,提高研判实时响应效率。

图2 拓扑网络虚拟优化

1.2 动态树模型停电研判过程

配电系统配置生成馈线网络拓扑,人机界面同步展示网络拓扑信息,对各设备带电或失电着色,进而提示网络中各节点设备的带电或失电状态。停电研判是分析和逻辑推理网络状态、停电和复电的关键基础功能[2,10]。结合图3,基于森林与动态树模型实现的配电自动化快速停电研判实现方法,重点过程阐述如下。

图3 森林模型停电研判原理

依据配电实际网路抽象化建立馈线网络拓扑,同时结合地理信息系统GIS形成配电WebGIS信息网络。拓扑计算程序启动运行时,从实时库中加载模型数据存入程序内存,可以根据原始拓扑网络 (此时计算量较大)或采用优化虚拟节点后的拓扑和实时库中的实时数据,通过拓扑计算策略得到拓扑结果,存入程序内存,然后将设备带电状态、拓扑节点和拓扑岛信息存入实时库。

图2原始复杂网络形成全局Map图拓扑,而断路器及其子断路器虚拟为一个虚拟区域,形成虚拟节点,这是倒树的网络模型,可以形成多棵虚拟倒树形的馈线网路。非虚拟区域可以采用拓扑辨识算法,虚拟区域可以采用停电研判算法(本文为深度优先算法,因为要基于研判规则来统计分析各类信息点),当简单拓扑网络时可以直接采用停电研判。

依据馈线网络模型建立馈线分枝倒树模型,该模型包括各个节点设备的相关信息描述、各个节点设备的分枝或父子关系、设备节点全局唯一性的设备编码(objected)识别编码、父子关系内存指针。同时,对该分枝馈线的树形模型建立与此对应的哈希索引列表,该索引列表与树形模型共享节点信息,包括计算机内存地址等所有信息。哈希索引列表通过objectid可以快速选择命中节点,然后结合树形的各节点关系采用广度或深度优先遍历方法,可以向根节点方向或子节点方向逻辑推理,建立分析统计的数理基础。

各节点设备的信息包括断路器动作、配电变压器报警、客户报修、计划停电等信息,这些信息通过整理与量化,演变成各设备状态实时或计划属性,然后写入配电自动化系统实时数据库中。

停电研判算法程序在核心区域图邻接矩阵拓扑辨识算法结果基础上,获取实时库中的各个设备实时属性。结合哈希索引列表,树形馈线模型的双重搜索数据,采用深度优先遍历法,依据判据原理的算法分析过程,可以快速得到一系列相关决策和分析结果。

拓扑结构(动态着色)算法、停电研判算法和停电研判规则这3个模块实行分层分离综合考虑,可根据结果的准确性和实时快速性、计算过程复杂性等因素选择不同方法多次对比分析优化设计。计算结果可以服务器/客户端方式展示。这些记录主要包括研判记录表、研判配电变压器表、停电断路器记录表、停电配电变压器记录表、停电馈线记录表、实时停电馈线表等。这些结果也可输出到与配电自动化系统其他相关管理模块,如GIS系统、负控计量系统、配电抢修系统等,以供各个模块使用。

1.3 复杂度与实时性能分析

查阅拓扑结构(动态着色)算法、停电研判算法等相关研究资料或成果很多。在设计考虑或选择算法时,一要注重算法结果的准确性、前置条件简单化(有些算法有特殊前置条件要求,条件不满足,结果就失真)、实践可行性(有些算法限于一些特定应用场合,没有通用适用性);二要注重算法本身的复杂度、高效性与计算量大小。如文献[17]中的方法复杂度较低,只在最不理想的情况下才遍历所有区域,但其要求分别从不同的电源区域分别遍历,每次断路器动作都要遍历1次,其中包含大量的重复操作;且无法查询电气岛的组成,不利于扩展,主站计算工作量非常大。

拓扑结构(动态着色)、停电研判算法作为配电自动化主站软件模块或服务程序运行时,非常强调实时性,需要在数百毫秒内,整个算法本身、读写实时数据库、更新界面颜色变化显示(告警信息等)作为1个周期完成,而且触发或循环模式时刻周期性运行。很多算法对该模块程序的代码实现、计算机性能和成本都是严峻挑战,不易于实施。显然,上述方法实时性能需要更多优化。而图邻接矩阵是很多拓扑结构算法的基础,文献[17]也分析了基于邻接矩阵自乘得到全连通矩阵的邻接矩阵准平方法和具有特殊含义的矩阵关联矩阵标记法的优点和缺点,进一步提出更加高效的核心优化策略。文献[14]和本文区域虚拟化节点设计都是为了努力减少拓扑和停电研判算法本身计算以及和实时数据库交互的工作量,提高实时效率。

2 判据规则与结果

停电研判判据主要来源于配电自动化系统馈线实时拓扑状态、断路器位置、配电开关监控终端(FTU)在线运行状态等实时信息和用电系统中的配电变压器实时数据。

2.1 规则设计原理和分析

本停电研判系统基于配电自动化系统和负控数据,主要生成以研判分析、断路器跳闸、人工操作和就地操作为停电类型的4类工单。本文将从非智能断路器和智能断路器引发停电的研判判据和工单类型进行阐述。

2.1.1 非智能断路器

基于配电变压器的研判分析,首断路器位置判定:以非智能断路器A作为起点,即馈线上超过80%配电变压器出现故障的最上游断路器。

研判特点:图4中各条件需同时满足,使用接入的负控数据,解决非智能断路器引发线路停电难以分析定位的技术难点,具有高效智能、实时性和准确性高的研判特点。

图4 非智能断路器配电变压器停电研判分析

2.1.2 智能断路器

a.基于FTU和配电变压器的研判分析

首断路器位置判定:以智能断路器A作为起点,即馈线智能断路器节点及其下游断路器节点的所有FTU通道状态均为停止的最上游断路器。

研判特点:图5中各条件需同时满足,使用馈线FTU通道信息并结合接入的负控数据,解决单一依靠FTU通道状态研判,导致由于现场智能断路器FTU的通断抖动性过大从而产生研判误差大的后果,可有效避免单纯依靠配电自动化系统数据不充足导致研判误差大的问题,提高准确性和快速性,降低误判的可能性。

图5 基于FTU的配电变压器停电研判分析

b.其他方面

人工操作、断路器跳闸、就地操作引起停电的首断路器位置判定:若馈线上多个断路器在阈值内接连跳闸,则合并成1条停电工单,首断路器以引起停电的最上游断路器作为起点;若多个跳闸断路器间的跳闸时间间隔超过20 s,按时间顺序分别生成多条停电工单,首断路器以引起停电的各对应断路器作为起点,即智能断路器A,如图6所示。

图6 基于人工操作的配电变压器停电研判分析

研判特点:这些行为均是基于配电自动化系统数据信息的停电研判,可以准确得到智能断路器的位置,故而具有停电范围定位明确、判据精准、实时性和准确性高的特点。参考文献[3]对部分停电研判规则设计原理与过程做了深入阐述。

2.2 结果分析

停电研判可产生故障停电、人工操作、就地操作、通道停止、配电变压器故障、配电变压器带电写丝具状态、配电变压器失电写丝具状态等停电类型和记录报告。

本文在上述森林与动态树模型和判据规则基础上,开发了停电研判应用软件,部分基础功能包括实时停电研判和复电验证,通过该软件来查阅相关地域的停电研判结果和输出记录、实时停电工单和复电验证过程工单,提供告警信息和各类数据分析与统计。基于本文停电研判思想构成的配电自动化系统已在宝鸡供电公司8个县地区全面使用,实现停电复电智能研判,运维抢修现场实时监督,故障抢修全过程管控,大大提高配电网监督运行的自动化水平,有效提高了配电抢修效率[3]。

3 停电研判图形展示

配电主站系统依据实际网路抽象化建立馈线网络拓扑原理图,结合地理信息系统GIS形成配电信息网络图,依据停电研判算法建立停电研判地理GIS图。

3.1 系统拓扑计算服务化及图形

基于图模一体化设计理念的华电睿蓝主站系统,配置数据库中虚拟抽象设计为数众多一次设备和二次设备信息模型。图形组态编辑工具设计众多的一次图元及二次图元,可以便捷构建配电系统的网络拓扑原理图。

依据主站系统运行时实时数据库的一次或二次设备的各类信息,实时展示各信息点变化与告警信息、网络拓扑节点状态等。拓扑计算程序后台独立服务化运行,图7界面实时展示网络拓扑和设备信息,可为客户和工程人员提供参考。

图7 配电主站系统拓扑图

3.2 主站系统WebGIS实现

结合GIS的设备管理需要标识地理位置的空间数据和设备属性的台帐数据,而运行管理又需要设备的实时数据和拓扑信息。这些数据包括图形空间数据、设备属性数据、设备和实时数据的关联信息、实时数据、拓扑信息等。

当WebGIS地理信息在主站图形设计工具上引用与编辑时,将电网分成点和线两大部分,线表示线路,点表示线路中坐标位置点,通过自定义数据存储结构包括线路上某个点的坐标信息和各类设备抽象化设计数据信息。GIS地图作为背景,各类设备一次或二次图元相应设计嵌入地图。

这样就实现了配电自动化主站系统依据配电网路形成馈线网络拓扑和人机界面展示WebGIS的馈线网络图,再对各设备带电或失电进行着色,形象表达各节点设备的带电或失电状态。依据停电研判可实时分析和预测,逻辑推理拓扑网络状态。

4 结语

本文讨论了一种基于动态树模型的配电变压器停电研判系统,涉及智能配电变压器停运系统、生产管理系统、配电自动化系统、智能调度管理系统、能量管理系统、用电信息采集系统和低压断路器状态监测系统相关众多模块。从这些模块中获取多源数据有效信息,采用森林和动态树模型及深度遍历技术,结合配电系统常用停电研判规则对异常停电事件进行分类筛选和甄别,快速定位,并针对不同类型的配电变压器停运事故推送相应的停运工单和抢修策略,减少停电时间及提高用户用电满意度。WebGIS提供更直观和形象的友好界面,这是配电主站系统和WebGIS融合的一个重要实践,对电力调度系统、管理系统等各种系统数据应用和管理实践具有重要的支撑作用,应用前景广泛。