基于復雜網絡和暫態能量函數的支路暫態脆弱性評估

李凱恩，石定中，張 磊，楊明貴，劉 勇

云南電網有限責任公司臨滄供電局，云南 臨滄 677000

0 引言

近年來，隨著電網規模的不斷擴大，系統元件越來越復雜，影響電力系統安全穩定運行的因素越來越多，嚴重時局部故障甚至影響整個電網。文章主要對電力系統進行脆弱性評估，通過對預想事故分析，計算各種故障后輸電線路的脆弱性，找出電網中存在的脆弱環節，提前進行預防和控制，以提高電網的抗干擾能力和故障承受能力。

1 支路暫態脆弱性評估概述

智能化配電網線路狀態監測系統是創新的配電線路智能監測產品，高精度采集單是該系統的核心傳感單元，適用于10 kV配電網架空線路。依托創新的小電流自取電技術和無線通信技術，高精度采集單元可實時上報監測數據，使電力工作人員可以隨時掌握線路工況。

電子控制系統是電力系統（如物理系統）和網絡系統相互依賴形成的綜合系統。網絡系統是一個非常重要的控制和監控系統，以確保電力系統（例如物理）的安全。通常包括測量單元、控制單元、保護單元、通信基礎設施、決策軟件如EMS、SCADA等。電氣網絡的實時數據包括設備狀態和測量數據由計算機系統發送到控制中。同時，控制中心對接收到的數據進行分析，并根據分析結果進行決策。然后，相應的控制命令通過網絡系統在需要的時候發送至相應的設備。此外，許多分布式控制系統在控制中心的監督下也作為地方決策單元進行快速和地方控制，因此網絡系統在電力網絡和控制中心之間起著重要作用。一旦網絡系統失靈，控制中心與電網之間可能失去聯系，使電網可能處于不安全的運行狀態。由此可知，電氣物理系統的安全運行在很大程度上依賴于網絡系統及其數據交換中心傳輸可靠、準確的實時信息。

同時，隨著智能電網和物聯網的發展，各級電網（從控制中心到家庭內部的設備）都可以接入互聯網，實現用戶和系統之間的實時交互。雖然電子網絡可以從網絡系統的有效監測和控制中獲益匪淺，但網絡安全必須優先考慮。例如，網絡攻擊包括未經授權的登錄，網絡系統上的惡意代碼可能導致數據傳輸延遲，甚至數據篡改或丟失。在這些情況下，由于缺乏數據或數據延遲，控制中心無法做出合理的決策。特別是當電網發生故障時，控制中心必須通過網絡系統迅速提供有效的控制，以防止連鎖故障的發生。然而，由于與物理系統（即電子CPS）的集成，對網絡系統的攻擊可能會影響電網的運行，并可能帶來更嚴重的后果。

為了分析計算機網絡系統對電網的影響，有研究學者從脆弱性評估的角度，提出了一個考慮電網通信服務中斷概率和后果的通信網絡脆弱性評估框架。網絡物理事故分析工具是用來評估網絡物理脆弱性考慮網絡的網絡配置和電力系統拓撲結構。同時，考慮了不完全信息來模擬智能電網的網絡物理脆弱性。上述研究表明，通信網絡中的一些脆弱點會對電網造成損害，從而使電網的故障機理變得更加復雜和不確定，特別是一些受到攻擊的通信節點可能會導致電力系統的不利停電。為了揭示通信故障干擾下的級聯傳播特性，從拓撲學的角度研究了通信網與電網之間不同的連通模式（即耦合模式）。雖然上述方法揭示了連鎖故障與電網和通信網之間不同類型鏈路之間的關系，但僅從單純的拓撲角度揭示故障傳播機制還不夠全面，忽略了電網在故障傳播過程中的運行特征，因此一些研究側重于綜合電網在相互依賴故障傳播下的運行特征。

2 基于復雜網絡和暫態能量函數的系統設計

2.1 系統總體設計

在系統的工作過程中，每個裝置由3個探頭和1個通信終端組成，安裝在配電網的架空線路上。監測線路運行參數，現場檢測和識別各種短路和接地故障，并給出故障指示，同時將監測數據上傳到配電線路監控和配電自動化主站，給出故障區段的位置信息。

對于配電網短路故障的處理和排查，可以通過探頭的采集線路電流數據分析得到，探頭實時采集線電流和電場信息。當線路正常運行時，相電流突然變化，進而判斷線路停電為相間短路故障。

對于系統的單相接地故障的處理則是通過對電路中的實時電流有效值進行計算而得到的，探針實時計算電流和電壓的有效值（間隔10 ms），檢測是否有突變，并標記突變后突變點的位置。如果有效值大于Uset的極限值，超限時間大于抗干擾時間，則開始記錄，調用算法庫，分析故障的存在，然后驗證電壓超限時間的條件，從而給出故障報警[1]。

2.2 采集單元設計

該設備能夠準確識別電路工作狀態，并支持電流記錄。采用新穎的精密電流測量技術和地面電場檢測技術，可獲得0～630 A線電流范圍內的測量精度，可以高靈敏度地檢測出電場幅值±10%變化，并能準確識別線路的工作狀態。其可以在線路出現故障或需要測試時記錄電流，以積累操作經驗，不斷改進。

在準確識別線路運行工況的基礎上，實現線路故障的智能檢測，避免誤操作和拒絕運行，能夠準確地檢測出線路間短路、單相接地等故障。借助于強大的信號處理和計算機運行能力，可自動確定故障電流報警動作值，有效防止負荷波動和合閘勵磁涌流引起的誤動作和拒動，并具有反時限動作的特點，可配合變電站保護的運行特點，避免瞬時干擾，保證正確運行。同時，還可以為主站系統提供豐富的線路電流、接地電場、故障狀態、帶電或死機等運行信息，以及無線信號強度、蓄電池電壓等輔助信息，充分掌握線路運行狀態，實現多種線路運行狀態指示，提供360°全方位超亮度可視狀態指示，并通過不同閃爍頻率的組合顯示當前線路運行狀態。線路故障排除后，電源恢復，電源自動復位，故障狀態可定時自動復位或通過無線遠程定位，實時在線復位，可隨時控制線路狀態。采用短距離無線和遠距離無線混合網絡技術，支持多種復雜線路周期性（默認5 min，可設置）報告線路狀態，具有雙向確認和重傳功能，確保數據傳輸的可靠性。

此外，可以隨時控制線路的實時運行狀態，消除傳統故障指示器“一天醒來，永不醒來”的現象，同時可以有效地減少無線通信流資金，采用創新的小電流在線供電技術，通過應用新材料和創新的電源技術，可以在線電流0～630 A的連續供電，線電流1 A可以滿足自供電的最低要求，無須使用電池，從而有效地延長產品壽命。同時，設備免維護設計，可進行遠程無線升級，線路運行后可自主運行，完全免維護設計，必要時可以通過遠程無線維護更新故障判據或升級軟件程序，方便靈活，提高了工作效率。該設備還可實現現場裝卸，安裝拆卸安全方便，可使用綠色操縱桿現場使用。

該設備還具有高水平的安全防護。采用可靠的工業設計，具有優良的電磁兼容性防護能力，強大的寬壓寬溫工作特性，外殼保護級別達到IP67，能抵御8級臺風和暴雨，結構件防腐防銹處理，能抵抗鹽霧腐蝕，確保在惡劣環境下長期安全穩定運行[2]。

2.3 能量匯集單元的設計

合用單元的主要優點是靈活的網絡和安全的數據傳輸。利用采集單元建立一個支持星型拓撲結構的短距離無線網絡，基于4G無線網絡的電力VPN專用網絡與主站監控平臺建立通信，并將數據上傳到主站，通過GPS高精度授時業務可以監控配電網的故障信息和運行狀態，獲得精確的絕對時間尺度。采集單元內置GPS定時模塊、高增益有源天線和短距離無線定時，使采集單元能夠在工作過程中獲得準確的絕對時間尺度，能夠有效地合成三相零序電流和電場信號，并能在現場準確地檢測和定位接地故障。

該通信模塊采用國際主流廠家生產的工業級無線通信芯片，具有信道監控、信道開關和故障報警等功能，支持系統診斷意識，支持通信中斷和恢復后數據的連續傳輸，防止數據丟失。

采集單元主板采用低功耗CPU和工業級無線通信模塊，并采用專用編程技術實現采集單元與監控平臺軟件的連接，采集單元與采集單元的連接，實時雙向通信，功耗非常低。

該系統采用太陽能電源板作為主電源，同時采用免維護長壽命蓄電池作為備用電源。對于太陽能供電，優先使用太陽能供電；對于沒有太陽能供電的情況，使用備用電源，備用電源可以連續支持集熱器單元15 d（取決于選定的備用電池容量）。內置的高性能處理器基于對太陽能電池板和電池的實時監控，在主電源和備用電源之間切換，具有遠程維護和升級功能，支持多個終端批量，逐一自動維護或升級，安全可靠，操作方便。同時，支持短信管理功能。底盤堅固耐用，防銹，采用密封環形防水連接器，IP55防塵防水等級，確保在戶外長期安全穩定運行[3]。

3 結束語

綜上所述，文章借助基于大數據的配網線路綜合分析技術，智能化配電網線路狀態監測系統，對包括線路故障、線路負荷、電能質量等線路狀態進行分析，為優化配電網結構提供了全面可靠的數據支撐。