分布式大型配電網管理自動化系統設計

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(國網鐵嶺供電公司，遼寧 鐵嶺 112000)

分布式大型配電網管理自動化系統設計

倪春雨，高源，孫權

(國網鐵嶺供電公司，遼寧鐵嶺112000)

分布式配電網自動化是一項新型配電網保護系統，該系統具有電網轉換、故障區間自動隔離、確定故障點定位及故障區自動轉供的功能；為使配電網管理自動化系統安全有效地運行，需要進行配電網管理自動化系統設計；采用當前方法進行配電網管理自動化系統設計時，當電路引入配電網，會出現難以對配電網進行調壓、諧波含量增大的現象，情況嚴重時會使配電網陷入癱瘓；為此，提出一種分布式大型配電網管理自動化系統設計方法，該方法介紹了配電網管理模塊、地理信息模塊、運行參數管理模塊、故障定位與隔離模塊等硬件機構的設定；采用SCADA模塊實現數據采集、測量、預測、參數調節、設備控制和各種信號報警等功能；根據負荷預測、發電預測和配電網運行狀態預測完成分布式大型配電網系統自動化管理；實驗證明，所提方法控制安全有效，可以為配電網管理自動化系統提供科學的依據。

分布式；配電網；自動化

0 引言

配電網管理自動化的主要目的是讓配電網高效且安全可靠地運行，通過電子信息技術、電子通訊技術、自動控制技術和計算機電子技術對配電網進行監管和管理[1-2]。配電網管理自動化可以通過改善用戶的服務及改善電能質量來提高配電網系統運行的經濟性和供電網進行供電的可靠性[3-4]。但是目前我國配電網管理自動化系統采用的線路故障點所提供額電流是短路電流，它可以保護同一條線路上流過的電流減小，達不到規定數值則拒動[5-6]。當臨近線路故障點提供比較大的反向電流時，可能出現電流達到本線路保護定值使其誤動。電網的接入可能會使配電網故障電流發生變化，電流增加或減少的發生概率相同。發生故障時如果沒有馬上脫離配電網，就會造成誤動、設備損壞，同時還會降低配電網供電的可靠性。而且，電路的不正確引入問題嚴重時還會危及整個配電網的安全運行，使配電網的調壓難度增加，增大諧波的含量。在這種情況下，如何有效提升配電網管理自動化系統設計是解決上述弊端的主要任務，而且引起了很多專家學者和業內人士關注，同時也發現了一些有效對策和方法[7]。

文獻[8]提出基于IEC61850的分布式FA模型管理自動化系統設計方法，該系統中的無信道分布式FA檢測故障信息是利用自身饋線終端裝置，不需要主站和子站的參與和幫助，增強了自身的獨立性，減小了故障處理裝置對終端之間的通信信息的依賴，系統的高速通信和通道機制的失效使故障處理的速度加快。該系統雖然能夠獨立的解決故障，但是可靠性不足。文獻[9]提出一種基于斜率調節的分布式大型配電網管理自動化系統設計方法，該系統采用DSTATCOM群的無功電壓協調控制方法，在沒有通信信息的情況下實現無功輸出的合理分配，并且共同承擔配電網的無功需求，盡量不出現DSTATCOM間互補工的現象，使得DSTATCOM分布式電源在并網后的系統還能夠穩定運行工作。該系統可以實現信息交互，但協調控制過程較為復雜。文獻[10]提出一種含多類型分布式電源的主動配電網管理自動化系統，該系統的相近區域只需要交換一點邊界的信息，保持了每個系統的獨立性，ADN的可觀測性是通過邊界區域的狀態量添加偽量測和分布式電源保持的，但該系統容易發生短支路，電抗與電阻康比值增大。

針對上述產生的問題，提出一種分布式大型配電網管理自動化系統設計方法。實驗結果表明，該技術實現了配電網管理自動化系統的穩定運行。

1 配電網管理自動化系統的整體設計

配電網管理自動化系統中的管理自動化模塊涉及了配電網管理自動化功能和配電網運行自動化功能，是供電企業對配電網進行監控與管理的綜合平臺。目前存在很多與該系統相關的應用子系統，它們之間有大量的信息交往有著很密切的業務聯系。換句話說，配電網管理自動化系統將集成配電網管理模塊(DMS)、地理信息模塊(GIS)、SCADA模塊和故障定位與隔離模塊等綜合信息，如圖1所示。

圖1 配電網管理自動化整體設計圖

如果用傳統的高耦合端到端交互來針對復雜的多源信息交換和提取，系統和系統間因為復業務量的增加而形成一個復雜的網狀系統，這使得系統的維修費用變的更加昂貴。本文在調用方式和數據模型標準化的情況下提出了配電網管理自動化的多元信息的集成，可以運用總線的概念來連接各個相關的系統。

2 配電網管理自動化系統硬件設計

2.1 配電網管理自動化系統管理模塊設計

配電網管理模塊是整個電力企業信息集成的一個有機部分，由配電網生產、配電網運行和配電網服務構成，該系統不是一個孤立的系統。DMS包含了配電網的實時信息、配電網全部設備信息和用戶信息，是一個巨大并且復雜的信息工程，其中信息分別來源于不同部門的不同系統包括綜合查詢、設施資產管理、工作管理和地理圖形管理等。配電網管理自動化系統管理模塊設計圖如圖2所示。

圖2 管理模塊設計圖

2.2 配電網管理自動化系統SCADA模塊設計

在分布式大型配電網中，性能最優越的模塊為SCADA模塊，SCADA可以通過對現場運行設備的監視和控制，來實現分布式配電網設備的控制、預測、測量、數據的采集、參數的調節和各種信號的報警功能，在遠動系統中占有超高的地位，同時在配電網管理自動化系統中起到了重要的作用。

2.3 配電網管理自動化系統地理信息模塊設計

地理信息模塊在建設配網管理系統中是平臺和基礎，其中城市配電網是直接面向用戶的，配電網數據量比較大、分布較為廣泛，而且相鄰的街道之間的聯系很大。把分布式大型配電網的設備同自動繪圖的信息聯系起來，其中信息包括運行信息和地理信息。當這些配電網中的模塊聯系到一起時，方便了系統的運行，同時，把配電網信息的含義表達的更加直接。地理信息模塊把配電網管理系統的實時控制同離線的應用進行有機的結合，從而形成一個含有地理環境和用戶信息及配電網資訊的基礎資料庫。配電網管理自動化系統的地理信息模塊設計圖如圖3所示。

圖3 地理信息模塊設計圖

2.4 自動化系統運行參數管理模塊設計

運行參數管理模塊的主要任務是進行負荷管理，其針對的對象主要是配電網變壓器和廣大用戶。對運行參數進行實時監控過程中，選取一個時間段，對負荷電量和電壓進行實時的檢測。通過運行參數的管理方法來分析分布式大型配電網管理自動化系統運行的狀況，在隨監控系統用電的基礎上對負荷參數進行預報，進而使配電網運行的經濟性及可靠性得以提升。

2.5 自動化系統故障定位與隔離模塊設計

故障定位與隔離模塊可以解決用戶反應的自動報警故障和故障問題，同時列出受故障設備影響的清單，受故障影響地區的地理位置可以在地圖上顯示出來，是配電網管理自動化系統中最基本的功能。在找出故障點的同時，對致使產生故障的問題進行分析，將故障區域與正常區域分隔開來，通過快速解決故障問題減少搶修時間，將停電時間最小化。配電網管理自動化系統故障定位與隔離的模塊設計圖如圖4所示。

圖4 故障定位與隔離模塊設計圖

分布式大型配電網管理自動化系統需從硬件設計中獲取相關的信息，其業務的功能具有信息的雙向互動、主動的綜合管理和多系統的聯動的特點。所以該軟件還需要分層的設計，上一層的模塊為寫下一層的模塊做鋪墊，并且要預先對信息進行處理。

3 配電網管理自動化系統軟件設計

分布式大型配電網管理自動化的基礎是對負荷預測、發電預測和配電網的運行狀況進行預測。對于某個區域的配電網來說，實際的情況不是完全孤立的，但是看似其電負荷的個體功率和其他的能量體能量并無關系。光伏出力的減小是因為光照條件較差，使光照需求較高的場所的負荷增大。雖然這種現象不是必然的，但是對于某個時期來講卻是必然的。能量流指的是流入或流出配電區域的功率，設定流出區域的能量為正，相反則為負。綜合能量源是由單個能量體組成的，用矩陣E表示。其中能量體代表的是輸出區域的電源所釋放的能量。P所表示的是每個能聯系預測功率的聚合。其中預測功率的修正因子陣用λ表示。其數學關系為：

E=λP

(1)

其中：

(2)

不同功率的修正因子陣是不同的，這種修正因子陣不是絕對的，不能針對各個功率值得出正因子陣，模糊理論有很大的優勢來解決這些不確定性。通過能量體額定功率和預測功率的比值將預測的功率分為五個等級，分別為非常大、比較大、中等、比較小、非常小。通過歷史數據分別算出分布式大型配電網區域的單個等級中的能量對能量體的隸屬度Pij，算出單個等級的修正因子陣的數值存在分布式大型配電網的數據庫中。當能量流動的方向一致時，隸屬度和修正因子的關系為：

(3)

當能量流向不一致時，隸屬度和修正因子的關系為：

(4)

式中：pNi所表示的是能量體i的額定功率；pNj所表示的是能量體j的額定功率。

4 測試與驗證

為了證明本文所提出的分布式大型配電網管理自動化系統設計方法需要進行一次實驗，實驗選取河南鄭州市某分布式大型配電網發電項目，對其配電網系統進行自動化管理，實驗是在Matlab/Simulink軟件平臺完成的。為模擬實際采樣的精度，設置仿真采樣頻率分別32點/周波和64點/周波。

當分布式大型配電網中的某個區域發生故障時，第一步要使配電網電源的開關處在保護動作的狀態，同時控制配電網電源的開關處于跳閘狀態，切斷電網短路電流的線路。故障區域定位和隔離保護動作完成后，故障區域的故障電流消失。分布式大型配電網管理自動化系統檢測到故障時，同時開啟分布式算法定位出故障所在的區域，并且完成控制開關的跳閘，最后將故障區隔離。從發現故障到故障被隔離成功總耗時為53.6 ms。當故障隔離、供電恢復后，聯絡開關和電源開關處在一種啟動供電的恢復操作狀態。故障隔離開關為支線開關，所聯絡的開關閉鎖、電源開關的合間及完成非故障區的供電恢復的操作。從故障隔離到故障區恢復供電用時123.3 ms。當故障發生時，電源的開關保護動作到非故障區域完成供電的恢復用時176.9 ms。分別記錄不同位置的故障點，改變其聯絡開關的位置時，分布型故障隔離式FA和協同型故障隔離式FA的故障處理過程及處理時間如表1表2所示。

表1 分布型故障隔離式FA算法處理過程記錄

表2 協同型故障隔離式FA算法處理過程記錄

由表1可知，大部分配電網在保護動作完成98 ms內，分布式配電網故障隔離式FA可以使故障隔離完成工作，故障區恢復供電的操作需要經過189 ms的延時來完成，保護動作后完成分布式FA的故障處理時間一般不超過266 ms。由表2可知，因為協同型故障跳間式FA是直接動作于故障跳間的，所以在檢測到故障后，啟動FA算法需要FTU經過175 ms的延時，在210秒內完成故障區域的隔離并且收集到相鄰開關和本地開關的故障信息，要完成供電恢復的操作需要再經過210 ms的延時，該方法的故障處理時間大部分小于390 ms。分析表1表2可知，分布式大型配電網管理自動化系統具有自動識別聯絡開關的功能，而且識別的方法可靠、簡單并且適用于配電線路變化不斷的狀況，同時在識別的過程中不用依靠電壓的信號，投資金額小的同時經濟性也高，在工程中易于實現。

分別采用本文的方法和文獻[7]、文獻[8]的方法進行分布式配電網自動化管理實驗。將三種不同的方法進行故障與隔離機構管理的可靠性(%)對比，對比結果如圖5所示。

圖5 不同方法故障隔離機構的可靠性對比

從圖5中可以分析得出，利用本文方法設計的分布式配電網管理自動化系統隔離管理機構的可靠性要優于文獻[7]和文獻[8]方法相應的可靠性。這主要是因為本文方法采用具有設備控制、參數調節、數據采集、測量、預測和各種信號報警功能的SCADA模塊。保障了配電網自動化系統管理的可靠性，數據實時處理能力強。

分別采用本文方法和文獻[9]方法和文獻[10]方法進行分布式配電網自動管理實驗。將三種不同的方法進行故障與隔離機構管理的經濟性(%)對比，對比結果如圖6所示。

圖6 不同方法故障隔離機構的經濟性對比

從圖6中可以分析得出，利用本文方法相應的分布式配電網的經濟性要優于文獻[9]和文獻[10]方法進行故障隔離機構的經濟性。這主要是因為本文方法采用的是可以把配電網設備的地理信息、運行信息和自動繪圖聯系在一起的GIS模塊，可以更直觀的表達出配電網信息的含義，同時也方便了設備的運行。保障了本系統管理自動化設備的經濟性。

5 結束語

針對當前方法進行配電網管理自動化系統設計時，存在系統不能獨立完成故障定位與隔離的問題，提出一種分布式大型配電網管理自動化系統設計。實驗證明，所提方法比較可靠且經濟性能較高，可以為配電網管理自動化系統穩定運行提供科學依據。

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DesignofDistributedLarge-scaleDistributionNetworkManagementAutomationSystem

Ni Chunyu,Gao Yuan,Sun Quan

(State Grid Tieling Power Electric Supply Company,Tieling 112000,China)

Distributed distribution network automation is a new type of distribution network protection system, the system has a grid conversion, the automatic isolation of the fault interval to determine the location of the fault and the fault area of the automatic transfer function. In order to make the distribution network management automation system safe and effective operation, the need for distribution network management automation system design. In the use of the current method of distribution network management automation system design, when the circuit into the distribution network, there will be difficult to adjust the distribution network voltage, harmonic increase in the phenomenon of the situation will seriously make the distribution network Fall into paralysis. In this paper, a design method of distributed large-scale distribution network management automation system is introduced. This method introduces the hardware management of distribution network management module, geographic information module, operation parameter management module, fault location and isolation module. Using SCADA module to achieve the data collection, measurement, prediction, parameter adjustment, equipment control and a variety of signal alarm and other functions. According to load forecasting, power generation forecast and the distribution of the distribution network to complete the distribution of large-scale distribution network system automation management. Experiments show that the proposed method is safe and effective, and it can provide the scientific basis for the distribution network management automation system.

distributed; distribution network; automation

2017-06-15；

2017-07-21。

倪春雨(1978-)，男，遼寧鐵嶺人，高級技師，主要從事配電自動化方向的研究。

1671-4598(2017)09-0291-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.074

TM727.2

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