兩芯環(huán)形通信物聯(lián)網(wǎng)中壓配網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)研究

劉思堯,于 燁,吳宗后

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司信息通信公司,寧夏 銀川 750001)

0 引言

隨著科技的進(jìn)步、城市電力需求的增加,對(duì)于電網(wǎng)技術(shù)的要求逐漸提高。傳統(tǒng)中壓配網(wǎng)設(shè)備管理技術(shù)落后,設(shè)備維護(hù)、更換緩慢,影響電力輸送水平,已難以滿足社會(huì)需求[1]。

學(xué)者針對(duì)中壓配網(wǎng)管理方式開展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[2]提出配網(wǎng)精益化管理模式,通過多功能集成技術(shù)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行集成管理,利用跨平臺(tái)終端深度融合技術(shù)提高中壓配網(wǎng)數(shù)據(jù)分析能力,以增強(qiáng)中壓配網(wǎng)的供電效率。但這種方式對(duì)于設(shè)備管控較為嚴(yán)格,對(duì)設(shè)備精度要求較高,不具有普適性。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)全生命周期管理方式,采用機(jī)器學(xué)習(xí)的設(shè)備檢修技術(shù)快速處理設(shè)備故障,利用地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)和全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)定位技術(shù)確定配網(wǎng)故障位置,以提高中壓配網(wǎng)設(shè)備的持續(xù)供電能力。但這種方式無法檢測移動(dòng)頻繁的設(shè)備,會(huì)導(dǎo)致配網(wǎng)管理中斷。

針對(duì)上述研究中的問題,本文參考物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[4],對(duì)管理模式進(jìn)行全面改進(jìn)。本文對(duì)指令制定方式和信號(hào)傳輸方式進(jìn)行研究,通過融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成管理功能的更新,使設(shè)備各項(xiàng)功能更完美地應(yīng)用于中壓配網(wǎng)管理系統(tǒng),從而保證配網(wǎng)供電的持續(xù)穩(wěn)定性,進(jìn)而提高供電效率[5]。同時(shí),本文在設(shè)計(jì)的管理模式中融入網(wǎng)格化管理理念,采用兩芯環(huán)形通信技術(shù)和算法程序快速反映設(shè)備問題,大幅提高了中壓設(shè)備維修效率,進(jìn)而保證了電網(wǎng)持續(xù)供電。

1 中壓配網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要改進(jìn)方案如下。

①通過網(wǎng)格化管理模式對(duì)設(shè)備管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,使管理更集中化、控制方式更嚴(yán)謹(jǐn)。

②設(shè)計(jì)兩芯環(huán)形通信方式增加設(shè)備信號(hào)的傳輸速度,同時(shí)對(duì)控制指令信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng),以提高管理效率。

③通過改進(jìn)信賴域算法快速制定管理指令,對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)化轉(zhuǎn)換,以保證設(shè)備的安全檢測。

中壓配網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 中壓配網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)

中壓配網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)的核心設(shè)備為DC2001主站柜。本文通過對(duì)主站柜的參數(shù)設(shè)置、指令控制和數(shù)據(jù)分析,完成中壓配網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)的改進(jìn)。該系統(tǒng)圍繞主站柜分別進(jìn)行控制指令制定速度、傳輸速度、管理模式以及數(shù)據(jù)分析效率的改進(jìn)。在中壓配網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)運(yùn)作方式中:首先對(duì)DC2001主站柜進(jìn)行數(shù)據(jù)控制,主要通過數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)器、建立工作站和生成數(shù)據(jù)報(bào)表的形式完成數(shù)據(jù)匯總[6];然后配網(wǎng)控制室根據(jù)匯總的數(shù)據(jù)制定管理指令,并通過分析主站柜運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)更新指令。管理指令主要應(yīng)用于網(wǎng)格化管理模式。設(shè)備的安裝和調(diào)節(jié)遵從網(wǎng)格化管理?xiàng)l例。網(wǎng)格化管理方式主要通過多種終端完成設(shè)備的管理,能夠根據(jù)不同設(shè)備的性能制定合適的生產(chǎn)任務(wù),使設(shè)備應(yīng)用效率最大化。管理指令信號(hào)通過兩芯環(huán)形通信方式傳輸?shù)讲煌淖冸娝?使信號(hào)傳輸速度更快,并提高供電能力。變電所設(shè)備主要由抄表集中器和電表組成。通過實(shí)時(shí)參數(shù)表可得到準(zhǔn)確的變電所供電數(shù)據(jù),并完成電能分配[7]。

中壓配網(wǎng)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)融合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更快、更強(qiáng)的特點(diǎn),通過網(wǎng)格化管理方式增強(qiáng)中壓配網(wǎng)供電能力,利用兩芯環(huán)形通信方式加快控制室指令傳達(dá)速度,使配網(wǎng)效率最大化,從而滿足用戶供電需求。

2 網(wǎng)格化管理模式

網(wǎng)格化管理模式如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格化管理模式

傳統(tǒng)中壓配網(wǎng)管理模式較為松散,控制方式存在漏洞。為改善中壓配網(wǎng)管理環(huán)境、提升配網(wǎng)設(shè)備控制能力,本文通過設(shè)計(jì)網(wǎng)格化的管理方式完成中壓配網(wǎng)管理模式的更新,使配網(wǎng)供電能力得到提高[8]。

網(wǎng)格化管理模式通過100 Mbit/s實(shí)時(shí)交換網(wǎng)連接服務(wù)器和通信機(jī)。管理服務(wù)器主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器A、B及Web服務(wù)器和路由器組成。路由器完成Internet、管理信息系統(tǒng)(management information system,MIS)和其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。通信機(jī)主要由通信前置機(jī)A、B完成功能運(yùn)行。系統(tǒng)通過建立操作員工作站控制數(shù)據(jù)庫服務(wù)器A;利用通信前置機(jī)A控制數(shù)據(jù)庫服務(wù)器B;利用通信前置機(jī)B控制路由器;通過網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)形成報(bào)表[9]。通信機(jī)傳輸數(shù)據(jù)利用通信系統(tǒng)與終端進(jìn)行對(duì)接,主要通信方式為無線、光纖以及載波等。終端管理主要由負(fù)控、配變、簡易、配電開關(guān)監(jiān)控裝置(feeder terminal unit,FTU)、集抄和其他終端組成。針對(duì)中壓配網(wǎng)管理數(shù)據(jù)狀態(tài)調(diào)節(jié)不同終端,進(jìn)而通過無線、微波或者專線的形式控制中壓配網(wǎng)電力線的供電量。電力線主要采用中壓300/220完成供電。具體應(yīng)用方式為電表記錄。通過采集終端對(duì)電表數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,形成終端網(wǎng)格化的管理模式,從而完成中壓配網(wǎng)的集中化管理[10]。

網(wǎng)格化的管理模式對(duì)中壓配網(wǎng)管理系統(tǒng)具有重要作用。其快速處理數(shù)據(jù)的方式和集中化的管理模式提高了中壓配網(wǎng)數(shù)據(jù)的處理能力,使配網(wǎng)電力數(shù)據(jù)分析效率得到極大改善,并使中壓配網(wǎng)管理能夠根據(jù)終端結(jié)果及時(shí)制定配電策略,從而實(shí)現(xiàn)快速供電[11]。

3 兩芯環(huán)形通信方式

為改善中壓配網(wǎng)控制室與設(shè)備之間的指令傳輸速度、提高控制指令的控制力度,本文通過設(shè)計(jì)兩芯環(huán)形通信方式將配網(wǎng)主站與光端機(jī)進(jìn)行環(huán)形連接,從而增加配網(wǎng)各站臺(tái)與FTU設(shè)備的聯(lián)系性、實(shí)現(xiàn)中壓配網(wǎng)供電能力的增益和改進(jìn)。

兩芯環(huán)形通信方式的主站系統(tǒng)融合了數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(supervisory control and data acquisition,SCADA)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(database management system,DMS),同時(shí)搭配自動(dòng)成圖(automation mapping,AM)/設(shè)施管理(facility management,FM) /GIS等高科技通信技術(shù),形成一體化通信網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了中壓配網(wǎng)管理信息集成的功能。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的兩芯自愈環(huán)光纖通道可實(shí)現(xiàn)集成數(shù)據(jù)的完整通信和傳輸。通信環(huán)具有配置完整、技術(shù)先進(jìn)的特點(diǎn),能夠滿足中壓配網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的通信傳輸需求。兩芯環(huán)形通信方式如圖3所示。

圖3 兩芯環(huán)形通信方式

以SCADA和DMS聯(lián)合設(shè)計(jì)的通信主站系統(tǒng)采用24端口100 Mbit/s以太網(wǎng)交換機(jī)組成雙局域網(wǎng),主要通信形式為兩芯自愈環(huán)光纖通道[12-13]。圖3中,FS為光纖接口模塊。FTU采用光纖網(wǎng)與光端機(jī)的連接,在有線傳輸線路斷線或光端機(jī)傳輸設(shè)備發(fā)生故障時(shí),可自動(dòng)調(diào)節(jié)信號(hào)傳輸方式和光端機(jī)的線路搭配問題,完成兩芯環(huán)形的重建過程,組成新的環(huán)路以完成本次信號(hào)傳輸,進(jìn)而降低配網(wǎng)指令傳達(dá)的延遲性和損失。光端機(jī)建造采用了時(shí)分復(fù)用(time-division multiplexing,TDM)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了光纖的多通道傳輸功能,可以在中壓配網(wǎng)發(fā)布指令的同時(shí)完成多個(gè)信號(hào)的送達(dá)。光端機(jī)的下屬結(jié)構(gòu)主要由配電變壓器監(jiān)測終端(transformer supervisory terminal unit,TTU)組成,通過異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口RS-232線路完成連接。TTU設(shè)計(jì)方式為串口通信轉(zhuǎn)換器。其將轉(zhuǎn)換信號(hào)通過總線的形式進(jìn)行傳輸或者接收,以及各自信號(hào)的分配。

4 改進(jìn)信賴域算法

信賴域算法通過對(duì)數(shù)據(jù)制定一定的原則,將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過一定方式進(jìn)行位移變換,使其搜索位置發(fā)生變化,從而保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置的安全。核心算法方式為制定的“某種原則”。而目標(biāo)數(shù)據(jù)具體位移距離和方向由函數(shù)信賴域決定。信賴域范圍大,則位移距離遠(yuǎn);信賴域范圍小,則位移距離近[14]。

傳統(tǒng)信賴域算法針對(duì)中壓配網(wǎng)數(shù)據(jù)分析方式,主要根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)中的有功和無功功率的分析得到。通過計(jì)算配網(wǎng)有功和無功的變化規(guī)律確定指令數(shù)據(jù)傳達(dá)的有效性,即:

(1)

本文對(duì)中壓配網(wǎng)管理系統(tǒng)接入位置進(jìn)行分析,通過標(biāo)注接入節(jié)點(diǎn)OPQ位置建立方程組,從而準(zhǔn)確了解接入點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化[15]。OPQ信賴域方程為:

(2)

式中:SPQ為網(wǎng)格化管理系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)集合;FPpQi為OPQ的配網(wǎng)有功輸出方程;FQPQi為OPQ的配網(wǎng)無功輸出方程;PGi為OPQ位置的有功輸出;QG為OPQ位置的無功輸出;Pi為節(jié)點(diǎn)有功總量;Qi為節(jié)點(diǎn)無功總量。

若系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)不存在節(jié)點(diǎn)變換裝置,則PGi=0、QGi=0;若節(jié)點(diǎn)上存在變換裝置,則PGi為指定設(shè)備管理下的有功功率輸出、QGi為指定設(shè)備管理下的無功功率輸出。

本文對(duì)式(2)中管理節(jié)點(diǎn)的信賴域函數(shù)進(jìn)行下垂改進(jìn),以進(jìn)一步增強(qiáng)中壓配網(wǎng)設(shè)備管理的安全性,使節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信賴域范圍得到進(jìn)一步延伸。

(3)

式中:SD為下垂節(jié)點(diǎn)集合;FPDi為下垂節(jié)點(diǎn)的有功功率;FQDi為下垂節(jié)點(diǎn)的無功功率;mPi為有功功率信賴域范圍;mQi為無功功率信賴域范圍。

本文通過下垂方程式確定管理數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)范圍。在此信賴域范圍內(nèi),指令數(shù)據(jù)的傳達(dá)過程為:

(4)

根據(jù)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)變化后指令傳輸規(guī)律,可進(jìn)一步判斷管理系統(tǒng)的安全性,并對(duì)其進(jìn)行整定:

(5)

式中:yk=gk+1-gk;η1為信賴域半徑閾值。

本文設(shè)Bk為對(duì)稱整定,則修正可保證Bk+1為對(duì)稱整定性矩陣。一般設(shè)B0為單位矩陣。比較可知,由系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)位移產(chǎn)生的Bk+1比計(jì)算矩陣更簡單。所以,系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)下垂的改進(jìn)更有利于中壓配網(wǎng)管理的安全運(yùn)行[16]。同時(shí),在設(shè)備管理指令傳達(dá)過程中,若rk接近1,則信賴域半徑Δk范圍擴(kuò)大;若rk>0但不接近1,則保持Δk不變;若rk接近0,則信賴域半徑范圍Δk縮小。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本文針對(duì)中壓配網(wǎng)設(shè)備管理問題進(jìn)行研究,通過分析市場需求和現(xiàn)有技術(shù)的不足,并融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行管理方式改進(jìn),對(duì)中壓配網(wǎng)設(shè)備管理過程進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程在Intel i9 9600KF計(jì)算機(jī)(4.0 GHz)中央處理器(central processing unit,CPU)上運(yùn)行。現(xiàn)場設(shè)置試驗(yàn)環(huán)境。記錄表格通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)法完成。設(shè)備采用網(wǎng)格化管理模式。微機(jī)運(yùn)算速度達(dá)到25億次。算法程序運(yùn)算誤差小于2.0%。

中壓配電所結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 中壓配電所結(jié)構(gòu)圖

本文對(duì)6～10 kV中壓配網(wǎng)設(shè)備管理模式進(jìn)行研究。本文先根據(jù)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析對(duì)網(wǎng)格化管理模式進(jìn)行試驗(yàn),再根據(jù)Proteus仿真軟件對(duì)中壓配網(wǎng)管理線路運(yùn)行過程進(jìn)行仿真。

由于通信網(wǎng)絡(luò)的波動(dòng),兩芯環(huán)形通信方式可消除中壓配網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理產(chǎn)生的波動(dòng)影響,達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定的目的,以提高管理效率。消除的波動(dòng)數(shù)據(jù)為:

g(k′)=LT[F×l(k′)]-M×y(k′)-A×u(k′)

(6)

式中:k′為中壓配網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù);LT為通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)器件產(chǎn)生的總數(shù)據(jù)量;T為傳輸時(shí)間;F為變化后的傳輸反饋約束條件;l(k′)為初始中壓配網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)變化比例;M為無波動(dòng)時(shí)中壓配網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)變化軌跡;y(k′)為無波動(dòng)時(shí)受影響數(shù)據(jù);A為出現(xiàn)波動(dòng)期間中壓配網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)變化軌跡;u(k′)為波動(dòng)緩沖時(shí)間內(nèi)受影響數(shù)據(jù)。

中壓配網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理效率為:

(7)

本文根據(jù)配電所運(yùn)行結(jié)果,由式(7)推斷設(shè)備管理效果。為驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性,本文匯總試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù),得到的配網(wǎng)設(shè)備管理試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 配網(wǎng)設(shè)備管理試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可知,本文系統(tǒng)網(wǎng)格化管理模式具有較高可行性。試驗(yàn)結(jié)果顯示了3種不同方案的管理指令傳輸速度變化規(guī)律。通過對(duì)比分析各系統(tǒng)性能,設(shè)備管理指令傳輸速度曲線如圖5所示。

圖5 管理指令傳輸速度曲線

圖5結(jié)果顯示,在配網(wǎng)負(fù)荷量為200～500 kVA時(shí),本文系統(tǒng)傳輸速度整體變化曲線始終優(yōu)于其他兩種方案。

本文通過對(duì)比各設(shè)計(jì)方案的設(shè)備管理效率,進(jìn)一步完成對(duì)比試驗(yàn),根據(jù)Proteus軟件實(shí)現(xiàn)中壓配網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行的仿真。中壓配網(wǎng)設(shè)備管理效率曲線如圖6所示。

圖6 中壓配網(wǎng)設(shè)備管理效率曲線

對(duì)比圖6可知,3種方案設(shè)備管理效率均受到配網(wǎng)負(fù)荷量的影響。在同一配網(wǎng)負(fù)荷量下,本文系統(tǒng)的管理效率最高。

綜上所述,本文系統(tǒng)對(duì)中壓設(shè)備管理的改進(jìn)具有明顯效果。試驗(yàn)結(jié)果表明,本文系統(tǒng)負(fù)荷量最大、管理指令傳輸速度最快、設(shè)備管理效率最高。這體現(xiàn)出本文系統(tǒng)網(wǎng)格化管理模式的優(yōu)越性。

6 結(jié)論

為了提高中壓配網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)的工作性能,本文提出1種中壓配網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng),并通過對(duì)主站柜的參數(shù)設(shè)置、指令控制和數(shù)據(jù)分析完成中壓配網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)的改進(jìn)。本文采用網(wǎng)格化管理模式,通過100 Mbit/s實(shí)時(shí)交換網(wǎng)對(duì)服務(wù)器和通信機(jī)進(jìn)行連接。該系統(tǒng)能夠改善中壓配網(wǎng)控制室與設(shè)備之間的指令傳輸速度,并通過信賴域算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)。通過測試并將試驗(yàn)結(jié)果匯總為配網(wǎng)設(shè)備管理試驗(yàn)數(shù)據(jù)表可知,本文系統(tǒng)負(fù)荷量更大、管理指令傳輸速度更快、設(shè)備管理效率更高。通過仿真對(duì)比分析,證明本文系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢。但是本文系統(tǒng)在試驗(yàn)過程中仍存在問題,如設(shè)備過載運(yùn)行時(shí)間長會(huì)發(fā)生誤報(bào)警、管理指令設(shè)置不夠嚴(yán)謹(jǐn)、不具有時(shí)效性等。這有待后續(xù)的進(jìn)一步研究。