基于城市配電網(wǎng)的智能分布式饋線自動化系統(tǒng)設(shè)計

田媛媛

(洛陽鐵路信息工程學(xué)校 教務(wù)科， 洛陽 471000)

0 引言

目前，為了讓城市配電網(wǎng)供電可靠性更高以及故障后快速修復(fù)，通常采用智能分布式控制的饋線自動化系統(tǒng)并且接線方式采用多條線路聯(lián)絡(luò)。城市配電的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜性由網(wǎng)接線多分支、多聯(lián)絡(luò)來決定；配電網(wǎng)使用速率與用戶用電質(zhì)量則通過配網(wǎng)保護控制以及故障自愈技術(shù)來決定。所以智能分布式饋線自動化系統(tǒng)的設(shè)計對電網(wǎng)故障處理以及電路的恢復(fù)起到非常關(guān)鍵的作用，能夠進一步提升城市用電的穩(wěn)定性。

1 智能分布式饋線自動化系統(tǒng)

1.1 城市配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模式

城市配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模式分為“手拉手”環(huán)網(wǎng)模式和多分段多聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)模式，“手拉手環(huán)”環(huán)網(wǎng)模式由兩條呈福射狀的架空饋線通過常分的聯(lián)絡(luò)開關(guān)連接構(gòu)成，但是存在線路故障后的負荷轉(zhuǎn)移問題，需要滿足“N-1”安全準(zhǔn)則。多分段多聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)模式表現(xiàn)為：將一條饋線劃分為N部分，每一部分都經(jīng)過聯(lián)絡(luò)開關(guān)與其他電源形成回路，這種模式主要用于對聯(lián)絡(luò)數(shù)與分段數(shù)不同的配電網(wǎng)中故障進行處理，提高供電的可靠性。[1]

1.2 分布式饋線自動化系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

智能分布式饋線自動化系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電纜線路智能分布式饋線自動化系統(tǒng)

圖1中，每組環(huán)網(wǎng)柜RTU處都需要安裝一個智能終端單元STU,在STU中安放電流檢測元件，可以對流過本地的電流信息進行檢測，同時通過光纖對等通信網(wǎng)絡(luò)與相鄰STU實現(xiàn)信息交換[2]。如果智能分布式饋線自動化系統(tǒng)的配電網(wǎng)發(fā)生故障，那么相應(yīng)故障區(qū)域的開關(guān)會關(guān)閉，無需上級開關(guān)關(guān)閉，不會影響其他區(qū)域的正常用電。

1.3 故障及恢復(fù)機理

當(dāng)本地開關(guān)故障電流被配電網(wǎng)上的某個STU檢測到以后，會迅速的將故障信息轉(zhuǎn)移到相鄰的STU，相鄰STU會對電流信息進行分析反饋。對發(fā)生故障的位置進行定位即隔離的主要位置有站出線故障、主干線路故障、環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)母線故障、分支線故障、聯(lián)絡(luò)電纜故障。為了有效的解決智能分布式饋線自動化系統(tǒng)的配電網(wǎng)故障問題，需要對瞬時性故障供電恢復(fù)機理與永久性故障供電恢復(fù)機理進行設(shè)定[3]。

2 配電網(wǎng)識別實時拓撲結(jié)構(gòu)

2.1 網(wǎng)絡(luò)實時拓撲結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓撲包括動態(tài)拓撲與靜態(tài)拓撲，動態(tài)拓撲指配電線路發(fā)生故障或拓撲運行方式發(fā)生變化，由開關(guān)分合形成的電網(wǎng)動態(tài)組合關(guān)系。靜態(tài)拓撲主要指饋線正常運行時的網(wǎng)絡(luò)元件的連接關(guān)系，靜態(tài)拓撲的變化表現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)元件的連接關(guān)系的變化，如果增減開關(guān)或者設(shè)備名稱發(fā)生變化，那么基本的網(wǎng)絡(luò)連接圖形在計算機中會以數(shù)據(jù)庫的形式進行儲存，有利于使網(wǎng)絡(luò)接線方式更簡單。[4]。

2.2 饋線實時拓撲查詢及更新

當(dāng)主控STU上電時，通過監(jiān)控開關(guān)的屬性會將拓撲查詢請求發(fā)送到相鄰開關(guān)的STU，受到請求之后會對監(jiān)控開關(guān)的屬性進行檢查，分析是否存在除主控STU監(jiān)控的開關(guān)以外的其他相鄰開關(guān)，主控STU可以得到該側(cè)饋線的實時拓化信息。由于配電網(wǎng)的接線圖形、運行方式變更頻率快，所以智能分布式配電自動化系統(tǒng)的STU內(nèi)儲存的饋線拓撲信息需要實時更新。

2.3 聯(lián)絡(luò)開關(guān)的實時識別

根據(jù)聯(lián)絡(luò)開關(guān)來對電源開關(guān)的特點進行識別：當(dāng)開關(guān)處于分間狀態(tài)，會啟動開關(guān)判別機制，從本地向兩側(cè)開始檢測，確定開關(guān)是否為相鄰開關(guān)。智能分布式的饋線自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2 智能分布式的饋線自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

A32為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，當(dāng)STU向兩側(cè)進行查詢之后，得到的實際拓撲識別結(jié)果如圖3所示。

圖3 實際拓撲識別結(jié)果

從最終結(jié)果可以看出，A32相對應(yīng)的STU發(fā)起的查詢在開關(guān)兩側(cè)都可以搜索到電源開關(guān)，從而得到A32為聯(lián)絡(luò)開關(guān)。

3 配電網(wǎng)故障恢復(fù)算法

3.1 供電恢復(fù)基本準(zhǔn)則

當(dāng)故障點在聯(lián)絡(luò)開關(guān)相鄰的區(qū)段上時，隔離故障斷開區(qū)段周邊的開關(guān)，故障點上游不會受到故障的影響，如果故障點不在聯(lián)絡(luò)開關(guān)相鄰的區(qū)段， STU接收到“故障隔離成功”的反饋之后會開啟合閘控制，對故障點下游恢復(fù)供電。恢復(fù)饋線供電的基本準(zhǔn)則為：1) 快速恢復(fù)由于停電引起的負荷；2) 供電之后饋線不可以過載；3) 采用多條饋線同時實行轉(zhuǎn)供全部失電負荷；4) 禁止主要客戶供電方式發(fā)生明顯變化[5]。

3.2 供電恢復(fù)數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型目標(biāo)函數(shù)包括以下幾種表達方式：

為了確保恢復(fù)大量停電受影響負荷，其最大可恢復(fù)的負荷容量的表達式為：

(1)

其中，ti表示停電受影響負荷的恢復(fù)狀態(tài)，k表示沒有發(fā)生故障的區(qū)域受負荷影響數(shù)量，Si表示第i個待恢復(fù)負荷的容量大小。

(2) 最小的線路網(wǎng)損

最小的線路網(wǎng)損的表達式為式(2)。

(2)

其中，N表示恢復(fù)路徑中涉及的支路數(shù)目；Pi和Qi分別表示第i條支路的有功功率和無功功率；Ri表示第i支路的總電阻大小；Ui表示第i條支路的線路電壓。

(3) 選取最佳恢復(fù)供電路徑

該系統(tǒng)主要分析聯(lián)絡(luò)饋線的電流裕度是否能夠滿足待恢復(fù)負荷所需的負載率。在系統(tǒng)處理過程中，經(jīng)過STU開關(guān)的負荷電流會被STU進行測量與保存。一旦饋線發(fā)生故障，根據(jù)故障隔離信息故障點下游的非故障區(qū)域馬上被聯(lián)絡(luò)開關(guān)對應(yīng)的STU識別，并從非故障區(qū)域STU上獲得負荷電流，聯(lián)絡(luò)饋線的載流量與其負荷電流只差，便為聯(lián)絡(luò)饋線可轉(zhuǎn)供電流的裕度。然后，將非故障區(qū)域內(nèi)的負荷電流進行求和，與裕度值進行比較，原饋線故障點下游的負荷是否能通過聯(lián)絡(luò)饋線轉(zhuǎn)供出去就可以判斷出來[6]。多聯(lián)絡(luò)配電網(wǎng)故障恢復(fù)流程圖，如圖4所示。

圖4 多聯(lián)絡(luò)配電網(wǎng)故障恢復(fù)流程圖

4 智能分布式饋線自動化系統(tǒng)應(yīng)用及創(chuàng)新

基于城市配電網(wǎng)的智能分布式饋線自動化系統(tǒng)目前己在廣州中新知識城的電纜環(huán)網(wǎng)線路中得到應(yīng)用。該區(qū)域電纜線路上的每個電房都會配置一個STU，對相應(yīng)的電氣信息進行檢測，查詢電路網(wǎng)絡(luò)的實時拓撲，在STU之間會對信息進行傳遞與交換，最終實現(xiàn)故障的自動識別。通過matlab軟件模擬在配電網(wǎng)不同位置發(fā)生各類短路故障得到以下創(chuàng)新點：

(1) 該系統(tǒng)只需要斷開與故障區(qū)域相關(guān)的開關(guān)就可就地完成故障隔離，實現(xiàn)了迅速性和可選性，提高了供電穩(wěn)定性，相比于傳統(tǒng)型繼電保護該系統(tǒng)更優(yōu)越；

(2) 該系統(tǒng)判別是否發(fā)生永久性故障時，通過開放各個STU對開關(guān)的一次快速重合閘控制功能來實現(xiàn)；

(3) 該系統(tǒng)通過STU的查詢能夠確定拓撲連接關(guān)系，相鄰的STU之間可以進行信息交換。相比于依賴通信網(wǎng)絡(luò)和主站的通用型配網(wǎng)自動化系統(tǒng)，該系統(tǒng)提局了信息傳輸和復(fù)電效率[7]。

5 總結(jié)

隨著通信技術(shù)發(fā)展水平的提高，基于城市配電網(wǎng)的智能分布式饋線自動化系統(tǒng)的研發(fā)將成為未來配電自動化系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。該系統(tǒng)通過自動識別配電網(wǎng)實時拓撲結(jié)構(gòu)，利用本地與相鄰STU檢測到的信息，從而把故障處理問題分配到STU來實現(xiàn)，做到故障區(qū)域段快速定位。未來的城市智能配電網(wǎng)網(wǎng)架將在現(xiàn)有網(wǎng)架優(yōu)化目標(biāo)的基礎(chǔ)上, 進一步綜合考慮分布式電源接入、移動儲能、故障自愈、虛擬電廠等多種因素。這些現(xiàn)有的或者未來即將發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù), 將極大促進配電網(wǎng)的發(fā)展。