基于對等式通信的智能分布式饋線拓撲系統設計

李高明 張福生 吳海軍 黃紅遠

1(廣東電網有限責任公司佛山供電局 廣東 佛山 528000) 2(常熟理工學院 江蘇 常熟 215500) 3(北京科銳配電自動化股份有限公司 北京 100193)

0 引 言

當前電網總體規模和電力用戶的總數都在成幾何量級增長，電力供應的可靠性變得越來越重要，一旦由于電力系統故障而導致跨區域大規模停電，將會造成難以估量的經濟損失，也會給電力用戶的正常生活帶來極大不便[1]。電力系統自動化管理是未來供電產業主要的發展趨勢之一，而在電網結構體系中饋線系統自動化管理是其中關鍵[2]。饋線系統電路直接與用戶的供電線路相連接，也是電力運輸故障產生較為集中的區域，因此提高電網供電的穩定性首先應提高饋線系統設計的合理性與可靠性[3]。基于自動化技術的饋線系統在電網發生故障時可以迅速隔離故障點，并在很短的時間內排除故障和修復系統，避免出現長時間電網停機。現有電網饋線系統的拓撲結構多采用集中式的設計理念，其易于管理，設計和構建成本也較低，通過中心化的控制中心統一下達指令，可以實現對電能傳輸和電網系統的集中化管理[4]。

但在集中式饋線系統模式下，對于饋線拓撲系統網絡中控制中心的供電可靠性和穩定性有著極高的要求，一旦饋線系統的控制中心出現故障時，系統會面臨更大的風險，也導致整個配電網絡處于一個非常危險的狀態。隨著電網規模逐漸擴大，饋線系統的重要性越來越高，構建一種去中心化的分布式饋線拓撲結構則具有重要的現實意義。因此本文基于電力系統的對等式通信模型，設計了一種具有分布式拓撲結構的電網饋線系統[5]。在分布式的拓撲結構下饋線系統的自動化控制，不再依賴于系統的控制中心，區域范圍內的全部電網節點和智能終端都可以執行上一級電力系統的任務，具有更強的故障處理能力[6]。當分布式饋線系統中的某一個節點出現供電故障時，并不影響其他節點和整個電力系統的正常運行。鑒于分布式饋線系統拓撲結構的應用優勢，越來越多的新建電網設計都采用這種結構。本文在智能分布式饋線系統設計中選用了對等式的電網通信模式(peer-to-peer)，能夠更好地解決饋線系統電力信息傳遞中的碰撞和延遲，提高電網的健壯性。

1 相關技術

1.1 對等式通信的主機分布

在電力網絡集中式饋線系統拓撲結構下，系統控制中心與其他節點的地位和功能不對等，終端節點的功能設計與發揮受到了限制，這不僅浪費了大量的電網資源，也不利于電網故障的定位和排查[7]。全方位的電網故障監控和分布式的饋線系統結構設計，客觀上要求改變單向不對等的電力通信方式。在對等式通信模式下，饋線網絡的控制中心與其他終端節點控制主機在地位上是一種平等的關系，而非傳統模式下的主從關系。在分布式饋線系統中，終端節點與控制中心一樣能夠自由接收上級電力網絡系統所傳遞的指令，也能夠自由地向上級電網系統和其他終端傳遞信息，且信息的整個傳遞過程公開、透明，其他節點均可知。分布式的饋線網絡系統結構與對等式的信息傳遞模式的契合度更高，有效解決了傳統電網系統信息傳遞過程中效率低下、網絡時延高和信息錯誤及不完整等問題。對等式通信的主機分布方式如圖1所示。

圖1 基于對等式通信的主機分布方式

1.2 饋線拓撲系統工作模式

當分布式饋線系統采用了對等通通信模式后，對于系統線路繼電器和開關而言，可以同時上報信息及向其他節點廣播，這樣能更好地解決饋線系統故障中通信信息通道擁塞問題，更快速地識別出故障點的位置且在故障處理中并不影響其他節點的正常工作，將電網故障損失降到最低[8]。以6配電開關監控終端系統為例，基于對等式通信的饋線拓撲系統工作模式如圖2所示。

圖2 對等式通信方式下饋線拓撲系統工作模式

由圖2可知，在基于對等式通信方式的饋線拓撲自動化監控系統設計中，由于在每一個分開關處都設置了一個監控終端，在任一個主機節點處如果發現故障可以直接將故障點隔離，無須通過主站即可以實現對網絡的重構[9]。利用對等式通信模式重新組網，將故障點廣播給控制中心和其他節點，故障點隔離后其他的饋線系統節點可以正常工作不受影響。在分布對等式的饋線拓撲網絡結構下，饋線系統有著更高的電力故障信息利用效率和傳遞效率。節點主機之間除了可以實現電力信息的共享之外，也可以完成電力信息、電網故障信息的集中化處理和云端存儲，實現電力數據資源的實時共享。

2 基于對等式通信的分布式饋線拓撲體系結構

CAN總線通信模塊采用了對等式通信技術，當一個終端出現故障時包括基站層、子站層和其他終端都能夠得到故障信息，發生故障的節點會自動切斷該節點與其他層和節點間的聯系，保證其他模塊的穩定運行[10-11]。為提高系統模塊和節點之間通信的穩定性，基于對等式通信技術的分布式饋線系統CAN總線通信模塊采用了雙總線的結構設計，為分布式饋線系統提供了更為穩定的通信通道，雙總線結構設計如圖3所示。

圖3 基于對等式通信的總線模塊設計

總線通信模塊采用了雙總線結構組網，兩條通信總線相對獨立，既提高了系統的通信穩定性也改善了容錯能力。在多數情況下一條通信總線上節點故障不會影響到另一條總線的正常運行，HL2323DS型通信芯片通過雙通信總線結構控制開關模塊和顯示模塊，再采用對等式通信雙總線結構設計，保證了分布式饋線拓撲系統結構的穩定運行。

2.1 分布式饋線通信體系拓撲結構

智能分布式饋線系統自動化管理，是實現整個電網系統自動化管理及電力故障預警、識別與排除的基礎性工作，在饋線系統發生故障時，利用系統分布式的拓撲結構和對等式通信方式，能夠快速地定位和隔離故障點，快速恢復電網非故障區域的正常供電[12-13]。整體而言，基于對等式通信的分布式饋線拓撲系統結構主要包括基站層、子站層和終端層，各層之間利用對等式網絡連接，具體如圖4所示。

圖4 分布式饋線通信體系拓撲結構

各節點在饋線系統中的地位一致，不是一種從屬的關系而是一種分布式的并列關系[7，14]。終端層的節點又細分為饋線監控終端(FTU)、開閉終端(DTU)和配電終端(TTU)。基站層從結構設計上充當系統的控制中心，主要負責對電力故障信息的系統廣播和信息匯總，同樣子站層節點和終端層節點在功能設計上也具有故障信息的系統廣播功能；終端層的節點主要負責區域范圍內故障的識別、測量與控制，終端節點本身具有系統廣播的功能，也可將節點信息打包傳遞給子站層，提高電網信息傳遞的效率。

2.2 饋線系統模塊邏輯結構

在對等式通信模式下饋線拓撲系統采用了模塊化的設計，主要包括中央處理模塊、電源模塊、總線通信模塊、開關模塊和顯示模塊。其中主模塊采用STM32H7型號的單片機和32位的總線系統，并匹配HL2323DS型通信芯片。這種結構設計既可以滿足饋線系統拓撲結構對通信方式的要求，還可以提高分布式饋線系統的電力故障信息吞吐量。STM32H7型單片機的硬件連接設計，如圖5所示。

圖5 饋線系統模塊邏輯結構

STM32H7型單片機負責完成分布式饋線系統的控制和信息處理功能，芯片通過RS485總線、CAN總線等與其他系統模塊連接，收發饋線系統的故障信息、模擬系統計算量、控制開關及解析報文等。STM32H7型單片機的兼容性良好、接口豐富，總線通信模塊選用RS232型通信接口，作為與子站層和終端層的遠端數據交換窗口，分布式饋線系統各模塊的運行信息通過顯示模塊更直觀地展示出來。基于對等式通信構建的分布式饋線系統穩定運行需要可靠的電源模塊供電，由于饋線系統的設計主要針對架空線，故選用了交流電源。在正常的工作狀態下，分布式饋線拓撲結構的工作電源還負責對PT線路的穩定供電。電源模塊還配備了一塊蓄電池作為備用電源，當交流供電出現故障時，蓄電池可以保證給系統提供短時間正常運轉。

3 分布式饋線系統故障定位算法

基于對等式技術設計的智能分布式饋線系統軟件部分，從總體上要滿足IEC 61968國際標準，具有良好的跨平臺運行能力和可移植性。饋線系統的軟件編程采用了Java語言和匯編語言的混合編程方式，提高了軟件的兼容性和可維護性。在軟件編程中系統還提供了PTS功能，來提高對故障定位的精度。軟件程序自動生成網絡拓撲模型，并給定智能分布式饋線拓撲系統的基礎性功能，具體包括數據運算、供電調度、設備管理和數據共享等。軟件系統設計也采用了分布式的框架結構，并選用了SCADA標準通信接口，軟件系統自動搜索故障點并在拓撲關系的輔助下實現故障點的隔離與修復。

智能分布式饋線系統通過對網絡拓撲結構分析和終端采集到的電網運行數據的分析，獲取智能饋線系統的實時狀態，對等式通信模式保證了饋線系統中的每一個節點都能夠同時得到網絡消息，并互相自由通信。當鎖定故障點后系統將故障點位置和故障類別傳遞到其他的電網節點，并對故障區域快速隔離。本文設計的分布式饋線系統故障定位，采用了基于網絡拓撲關系的故障定位算法，將智能饋線網絡的全部節點形成拓撲樹結構，并按照節點所處的最優位置選舉簇心，形成若干個節點簇。故障定位時首先遍歷每一個簇的簇心節點，當從簇心節點獲得信息該簇內有異常節點狀態，再遍歷該簇內的全部節點，即可識別出故障節點的位置并隔離故障區域，同步將故障信息傳遞到其他簇心節點。故障的定位過程如圖6所示。

圖6 智能饋線系統故障定位識別過程

在故障節點遍歷過程中，當識別到某一個節點簇內存在故障節點時，應優先定位和隔離后再遍歷其他的節點簇。由于智能饋線系統采用了分布式的結構設計和對等通信方式，處理故障節點時并不會對其他的節點運行構成影響，對等式通信設計也節省了故障點信息傳遞的網絡時延。在饋線系統軟件工作中涉及到對故障信號模擬量φ的計算和方向的判斷。首先故障信號模擬量與系統非周期性的電壓和電流相關，故障信號模擬量φ的計算過程可以描述為：

(1)

式中：Uk和Ik分別表示第k次諧波分量的電壓和電流；α為電壓正弦波相位角。考慮到電流保護的需要，在主程序循環中需要對電壓信號和電流信號的波形做傅里葉變換，提高計算速度。也可以通過計算電流與電壓之間的相位角差判斷故障點的位置，相位角滿足如下條件：

(2)

基于對等式通信設計的智能分布式饋線系統，通信不依賴于主站，具有更快的響應速度，采用分布式拓撲饋線系統能夠為終端電網提供更為全面和更智能化的保護，可以有效解決分布式饋線系統故障檢測中的信息孤島問題，為分布式饋線系統故障檢測提供更為完善的技術支持。

4 測試與結果分析

為驗證提出基于對等式通信的智能分布式饋線拓撲系統在通信數據傳輸中的可靠性，以及在電網故障定位與檢測過程中的性能水平，在實驗室環境下搭建仿真測試系統。電網故障性能測試系統的構成具體包括主服務器、交換機和多個配電終端，其結構設計如圖7所示。

圖7 用于實驗仿真的測試系統構成

從終端層的一個FTU模塊隨機向其他3個終端節點的FTU模塊發送報文，發送的故障數據集長度分布為176、241和153，終端節點的故障數據的發送與接收情況如表1所示。

表1 報文通信測試結果驗證

對等式通信方式和分布式的饋線系統拓撲結構，保證了饋線系統能夠直接訪問網絡鏈路的底層。從終端節點發送報文與接收報文的具體情況分析，三次數據集自動取反后的結果準確一致，這證明提出智能分布式系統在報文測試中有效。

在交互式以太網條件下，測試基于對等式通信的饋線系統的電力通信故障時延，結果如表2所示，網絡負載選擇為10 Mbit/s和50 Mbit/s，測試結果如表2所示。

表2 基于對等式通信的饋線系統通信時延

在同等的測試系統硬件和仿真網絡環境下，再驗證傳統集中式饋線系統的通信時延，測試的結果如表3所示。

表3 集中式饋線系統通信時延

在同等軟硬件實驗環境、網絡負載和故障數據集規模條件下，基于對等通信的饋線拓撲系統的網絡時延更短、數據傳輸效率更高，這表明在去中心化的饋線系統網絡環境下，分布式饋線系統的性能更強。在實際應用中，一個最大規模為20個終端節點的饋線系統拓撲結構，如圖8所示。

圖8 分布式饋線系統拓撲結構結果

在圖8的拓撲網絡環境下，測試對等式通信模式下的分布式饋線系統故障識別率和故障識別時間，結果如表4所示。

表4 饋線系統故障檢測率與檢測耗時

當終端節點數量部署與節點之間的通信鏈路越來越復雜時，基于對等式通信的智能分布式饋線系統的網絡故障識別率和定位耗時并沒有出現性能降低的趨勢，因為在對等式通信模式下，終端節點之間可以實現自由通信，無需在經過饋線系統的控制時間。因此在饋線網絡故障定位檢測和和檢測耗時方面，本文系統相對于現有系統效率更高、更有優勢，也為饋線系統的故障搶修贏得更多的時間。

5 結 語

電力系統要實現穩定、持續供電，必須對饋線系統實施自動化、分布式管理。對等式通信采用一種去中心化的分布式管理方式，電力故障信息在對等式模式下能夠實現高效自由傳輸，對于饋線網絡系統的硬件資源利用效率更高。本文提出基于對等式通信模式設計和構建的分布式饋線系統拓撲結構，具有更強的擴展性、計算能力和故障信息傳遞效率。去中心化的智能分布式饋線系統的網絡均衡負載能力也有所改善。本文所設計智能分布式饋線拓撲系統的創新點是提出分布式饋線通信體系拓撲結構。當個別終端節點出現電力故障時，基于對等式通信可以迅速將故障信息傳遞給電網中的其他節點和控制中心，并準確定位和隔離故障點，減少饋線系統故障給整個電網和電力用戶帶來的不利影響。