羅金龍，王 杰，寧 楠，賈 波，楊政校，孫睿擇，陳 元

(1. 貴州電網(wǎng)有限責任公司貴安供電局，貴州 貴安550025;2.中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071)

隨著“碳達峰，碳中和”目標的提出，以及“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”重要方針政策的制定，我國能源領(lǐng)域特別是電力系統(tǒng)將面臨深刻變革[1-3]。以電能為中心，通過先進信息通信技術(shù)、控制技術(shù)與能源技術(shù)深度融合應用的能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將是新型電力系統(tǒng)構(gòu)建過程中的重要實施路徑。

配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的“最后一公里”以及能源供應面向終端用戶的重要環(huán)節(jié)，對提高和改善用戶用能體驗起到重要作用。隨著分布式電源以及儲能、充電樁等設(shè)備大量接入配電網(wǎng)，使得配電網(wǎng)由傳統(tǒng)的單電源輻射狀變?yōu)槎嚯娫磸碗s網(wǎng)絡，將對配電網(wǎng)的運行特性、保護配置、故障隔離和自愈方式等帶來諸多挑戰(zhàn)[4-6]。目前國內(nèi)外對上述內(nèi)容開展了廣泛的研究，主要集中在：對分布式電源的故障特性分析以及分布式電源接入對配電網(wǎng)保護產(chǎn)生的不利影響[7-10]；通過廣域差動保護，構(gòu)建網(wǎng)絡化的配電網(wǎng)保護，并借助智能分布式配網(wǎng)終端和5G技術(shù)，實現(xiàn)配電網(wǎng)的快速故障隔離及自愈[11-15]等。

本文利用能源互聯(lián)網(wǎng)在信息采集和共享方面的巨大優(yōu)勢，提出了一種基于能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)云平臺的主配協(xié)同安全穩(wěn)定與自愈控制技術(shù)，并給出了系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計方案，通過在貴安新區(qū)的相關(guān)應用試點，驗證了該技術(shù)在配電網(wǎng)中應用的可行性，為能源互聯(lián)網(wǎng)廣泛應用條件下配電網(wǎng)的安全運行提供了有效借鑒，并提出了該技術(shù)應用過程中與現(xiàn)有配網(wǎng)自動化以及繼電保護手段的協(xié)調(diào)配合建議。

1 主配協(xié)同的安全穩(wěn)定與自愈控制技術(shù)概述

1.1 主配協(xié)同安穩(wěn)與自愈控制理念

與能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)相類似的電力系統(tǒng)，在成熟運行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上建立起了以“三道防線”為核心的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定防御體系[16]，GB 38755-2019《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》中將此體系以電力系統(tǒng)承受大擾動能力作為安全穩(wěn)定標準，并劃分為三個等級：

(1)第一級標準：保持穩(wěn)定運行和電網(wǎng)的正常供電。

(2)第二級標準：保持穩(wěn)定運行，但允許損失部分負荷。

(3)第三級標準：當系統(tǒng)不能保持穩(wěn)定運行時，必須盡量防止系統(tǒng)崩潰并減少負荷損失。

傳統(tǒng)的三級穩(wěn)定標準主要面向大電網(wǎng)運行和穩(wěn)定控制，并不關(guān)注配電網(wǎng)層面的相關(guān)運行問題，然而隨著配電網(wǎng)層面接入的分布式電源和儲能等設(shè)施的滲透率提高，一方面，配電網(wǎng)對于主網(wǎng)而言，不再是單純的能可靠預測的負荷側(cè)，而是呈現(xiàn)源?荷動態(tài)變化的多元狀態(tài)，在某些情況下，參與主網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制是具有一定價值的；另一方面，主網(wǎng)對于配電網(wǎng)而言，不再是單一的電網(wǎng)和系統(tǒng)支撐側(cè)，局部配電網(wǎng)在某些情況下，完全具有在一定時期內(nèi)單獨運行的能力，即構(gòu)成某一局部微電網(wǎng)運行。

因此，在此基礎(chǔ)上，借鑒電力系統(tǒng)的“三道防線”理念，可以提出類似的主配協(xié)同的配網(wǎng)側(cè)穩(wěn)定運行“三級標準”：

(1)第一級：通過可靠快速的就地保護和全區(qū)域速動的網(wǎng)絡化區(qū)域保護，快速切除概率較高的單一故障，確保配電網(wǎng)穩(wěn)定運行并最大程度保證配網(wǎng)正常供電。

(2)第二級：通過網(wǎng)絡化的故障定位和隔離手段，并采用低頻低壓減載、過頻過壓切機、線路過載聯(lián)切負荷等手段，實現(xiàn)故障快速隔離和自愈，并切除一部分無法穩(wěn)定運行的元件，維持正常供電的配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

(3)第三級：當出現(xiàn)概率很低的配電網(wǎng)多重、嚴重故障或者主網(wǎng)供電中斷時，通過局部配電網(wǎng)構(gòu)成微網(wǎng)主動解列的方式，防止局部配電網(wǎng)系統(tǒng)崩潰并盡量減少負荷損失。在故障消除以及主網(wǎng)恢復正常后，通過再并列恢復控制，實現(xiàn)配電網(wǎng)的恢復正常運行。

圖1 主配協(xié)同的安全穩(wěn)定與自愈控制“三級標準”體系Fig.1 System of “three level standard” for safety, stability and self healing control with transmission and distribution coordination

1.2 主要關(guān)鍵技術(shù)

實現(xiàn)上述主配協(xié)同的安穩(wěn)和自愈控制，需以構(gòu)建快速描述主配網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)模型并能自適應為前提，并利用自適應動態(tài)拓撲的保護技術(shù)，實現(xiàn)差異化的跳閘動作行為和自適應的重構(gòu)，需要用到以下關(guān)鍵技術(shù)：

(1)主配網(wǎng)拓撲描述與解析。該技術(shù)需基于圖論模型對電網(wǎng)動態(tài)結(jié)構(gòu)進行建模表征，通過建立主配網(wǎng)合理統(tǒng)一的配置描述文件，從某些節(jié)點開始(一般而言為主配之間的主網(wǎng)供電變電站出線開關(guān))，進行配電網(wǎng)一次設(shè)備關(guān)聯(lián)信息的描述，關(guān)鍵信息包括Substation(變電站)、PowerTransformer(變壓器)、Voltagelevel(電壓等級)、Bay(間隔)、ConnectivityNode(連接點)、ConductingEquipment(導電設(shè)備)、接線端子(Terminal)及LNode(邏輯節(jié)點)等。拓撲連接關(guān)系的建立通過對SSD文件進行解析來獲取，并對運行狀態(tài)下的網(wǎng)絡拓撲進行分析從而實時修正，快速生成電網(wǎng)一次的網(wǎng)絡拓撲，完成對主配網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的實時分析識別。

(2)適應動態(tài)拓撲的就地和網(wǎng)絡保護技術(shù)。配電網(wǎng)開關(guān)狀態(tài)可以直接反映運行接線的變化，通過Dijkstra算法，得到不同開關(guān)之間的距離，用于描述任意兩組開關(guān)之間串聯(lián)的元件數(shù)目。若在配電網(wǎng)各節(jié)點設(shè)置相應終端，依托主站可實現(xiàn)配電網(wǎng)保護控制與定點電流采樣的關(guān)聯(lián)解耦以及與定點開關(guān)操作的關(guān)聯(lián)解耦，實現(xiàn)就地和網(wǎng)絡拓撲保護，進而實現(xiàn)配電網(wǎng)最小切除區(qū)和最小隔離區(qū)的確定。

(3)考慮恢復效益最大化的自適應重構(gòu)和微電網(wǎng)解列、再并網(wǎng)控制技術(shù)。通過對維持正常供電所需負荷以及具備轉(zhuǎn)供條件的電源點容量的評估計算，進行兩者的匹配，結(jié)合自適應拓撲分析功能，形成最優(yōu)的故障情況復電路徑搜索分析，并生成恢復效益最大化的自適應重構(gòu)策略；選取合適的解列點，通過P-f下垂控制等控制策略實現(xiàn)局部微網(wǎng)的解列運行和再并網(wǎng)控制[17-21]。

2 基于能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)云平臺的系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)云平臺整體構(gòu)架

能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)云平臺由終端層、平臺層和應用層三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。與傳統(tǒng)電網(wǎng)EMS系統(tǒng)區(qū)別在于，終端層接入對象可包括各種終端能源，如充電樁、建筑或園區(qū)內(nèi)的水、熱、氣等；平臺層主要基于大數(shù)據(jù)和云技術(shù)，通過中心數(shù)據(jù)庫、煙囪架構(gòu)、微服務架構(gòu)的開發(fā)模式，提供快速和靈活的響應，并為應用層提供可靠和安全的數(shù)據(jù)及平臺支撐；應用層可以根據(jù)實際需求，采用模塊化方式部署各類應用[22-24]。以貴安新區(qū)建設(shè)的能源互聯(lián)網(wǎng)運行控制平臺項目為例，該平臺建設(shè)了主配協(xié)同的安穩(wěn)與自愈控制、多網(wǎng)多主體協(xié)同優(yōu)化決策、智能運維、智慧用能共4個功能應用模塊，貴安能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)云平臺整體構(gòu)架如圖2所示。

從系統(tǒng)內(nèi)部功能層次而言，平臺設(shè)計為“六橫一縱”的框架，“六橫”從底向上依次為資源層、通用平臺層、業(yè)務平臺層、服務層、訪問層、應用層，“一縱”為實現(xiàn)DevOps和數(shù)據(jù)治理的管理平臺。

圖3 貴安能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)云平臺功能框架Fig.3 Functional framework of Gui’an energy Internet big data cloud platform

2.2 基于能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)云平臺的安穩(wěn)及自愈控制系統(tǒng)層級與架構(gòu)設(shè)計

2.2.1 總體架構(gòu)

依托能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)云平臺構(gòu)建的主配協(xié)同安穩(wěn)自愈控制系統(tǒng)，總體架構(gòu)可以分為主站層、子站層、通訊層、終端間隔層4層結(jié)構(gòu)，如下圖所示：

圖4 基于能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)云平臺的安穩(wěn)及自愈控制系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.4 Overall architecture of stability and self healing control system based on energy Internet big data cloud platform

2.2.2 主站層

主站層可作為一個功能模塊集成于能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)云平臺之中，通過大數(shù)據(jù)云平臺與現(xiàn)有的主網(wǎng)及配網(wǎng)OCS系統(tǒng)采集主網(wǎng)及配網(wǎng)模型和實時數(shù)據(jù)。通過通信方式獲取終端間隔層的采集信息，結(jié)合主配網(wǎng)數(shù)據(jù)，完成對接入終端乃至整個主配網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的實時分析識別。

主站層功能側(cè)重于主網(wǎng)和配網(wǎng)的協(xié)同管控，即在上述分析識別的基礎(chǔ)上，決策出主網(wǎng)所需的配網(wǎng)側(cè)切機切負荷命令，并下發(fā)至子站層，以及子站閉鎖信號的下發(fā)與解除，同時可實現(xiàn)對子站層的遠程控制與管理、展示。

2.2.3 子站層

配網(wǎng)網(wǎng)絡化速動保護、重構(gòu)自愈、頻率及電壓控制等核心功能均部署在子站層，主要實現(xiàn)部署區(qū)域內(nèi)的配電網(wǎng)信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡化、信息共享標準化的基本要求。通過系統(tǒng)集成優(yōu)化，達到部署區(qū)域內(nèi)終端的信息統(tǒng)一接入、統(tǒng)一存儲和統(tǒng)一上送的目的，實現(xiàn)保護、運行監(jiān)視、操作與控制、信息綜合分析及智能告警、運行管理等功能。同時，子站通過通信網(wǎng)絡與主站實時進行信息交互，完成信息的上傳與控制及閉鎖命令的接收。

2.2.4 通訊層

通訊層主要通過光纖通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)終端層與子站層、子站層與主站層的通信互聯(lián)，保證系統(tǒng)間電力數(shù)據(jù)傳輸與交互的實時性和可靠性，從而實現(xiàn)可靠與穩(wěn)定的主配協(xié)同的保護、安穩(wěn)及自愈控制。

光纖通信網(wǎng)絡分為終端至子站網(wǎng)絡，子站至主站網(wǎng)絡，其中子站至主站網(wǎng)絡一般借助配電網(wǎng)現(xiàn)有通信網(wǎng)，目前配網(wǎng)中廣泛應用的以太無源光網(wǎng)絡(EPON)或工業(yè)交換機網(wǎng)絡等均能滿足要求[25-27]。而終端至子站網(wǎng)絡，一般均隨新增終端同步建設(shè)，多采用專用光纖，為提高可靠性，推薦采用光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

整個系統(tǒng)的對時功能均借助通信網(wǎng)絡完成，網(wǎng)絡對時采用自身SNTP協(xié)議，SV采樣同步采用基于交換機數(shù)據(jù)傳輸延時測量的解決方案。

2.2.5 終端間隔層

終端間隔層設(shè)備主要包括一體化智能終端，作為安全穩(wěn)定與自愈控制系統(tǒng)的重要組成部分，承擔著信息采集、故障檢測、信息上送、控制命令的接受與執(zhí)行等功能。就地智能終端內(nèi)部由合并單元模塊、執(zhí)行單元模塊、保護單元模塊構(gòu)成，并具有終端自檢和通信及對時功能。

3 測試系統(tǒng)搭建及測試結(jié)論

3.1 測試試驗系統(tǒng)

為驗證上述主配協(xié)同的安穩(wěn)與自愈控制系統(tǒng)的動作正確性和其他特性，搭建如圖5所示的測試系統(tǒng)。系統(tǒng)由4面環(huán)網(wǎng)柜構(gòu)成，2路電源構(gòu)成“1供1備”，N2及N3環(huán)網(wǎng)柜負荷側(cè)接有分布式光伏及風電。正常情況下，該手拉手環(huán)網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)開口點位于SW5開關(guān)處。

圖5 主配協(xié)同的安穩(wěn)與自愈控制系統(tǒng)測試模型Fig.5 Test model of stability and self-healing control system based on transmission and distribution coordination

試驗模型參數(shù)參考貴安A類負荷地區(qū)110kV變電站及戶外環(huán)網(wǎng)柜實際情況設(shè)定，具體如表1～表3所示。

表1 測試試驗系統(tǒng)電源參數(shù)Tab.1 Power parameters of test system

表2 測試試驗系統(tǒng)線路參數(shù)Tab.2 Line parameters of test system

表3 測試試驗系統(tǒng)負荷參數(shù)Tab.3 Load parameters of test system

測試系統(tǒng)各定值參數(shù)按如下值進行整定：系統(tǒng)跳閘時間定值為0.01s，隔離等待時間間隔為0.3s；電源及負荷過流保護I段時間定值均為0.01s，零序過流保護I段時間定值均為0.10s。

3.2 主要測試結(jié)論

在系統(tǒng)正常運行情況下，模擬K1～K11發(fā)生故障，檢查裝置的動作情況，故障類型包括單相接地、兩相接地、兩相短路和三相短路。具體動作情況如表4所示：

根據(jù)上述測試結(jié)果可知，在測試系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)柜母線、線路、負荷側(cè)、分布式電源側(cè)的各類故障情況下，本安穩(wěn)與自愈控制系統(tǒng)均能正確切除、隔離故障并完成網(wǎng)絡自愈，各項指標滿足配網(wǎng)相間故障保護出口≤100ms，單相接地故障保護出口≤300ms，非故障段配網(wǎng)自愈時間≤60s的要求。

4 示范點建設(shè)方案簡介

為了滿足貴安配電網(wǎng)對供電高可靠性以及分布式電源、CCHP(冷熱電三聯(lián)供)等的接入需求，依托貴安國家級新區(qū)建設(shè)“智慧低碳新區(qū)”和“能源互聯(lián)網(wǎng)示范基地”的建設(shè)，在貴安新區(qū)開展了基于能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)云平臺主配協(xié)同安穩(wěn)及自愈控制技術(shù)的示范建設(shè)。為適應配電網(wǎng)故障隔離自愈和主配協(xié)同的安穩(wěn)兩方面需求，選取了兩個典型區(qū)域開展了示范點建設(shè)。

4.1 示范點基本情況

(1)示范點1-電子信息產(chǎn)業(yè)園

表4 測試試驗系統(tǒng)動作情況Tab.4 The action results of the test system

續(xù)表4

貴安電子信息產(chǎn)業(yè)園配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)為典型的放射型結(jié)構(gòu)，該示范點共由8面環(huán)網(wǎng)柜組成，其中部分環(huán)網(wǎng)柜規(guī)劃有燃氣發(fā)電、光伏、風電、充電樁等分布式電源接入(目前暫未投運)，環(huán)網(wǎng)柜均為2進4出，進線為斷路器，出線為負荷開關(guān)。示范點1的電氣一次拓撲如下圖所示。

圖6 示范點1-電子信息產(chǎn)業(yè)園一次拓撲圖Fig.6 Primary topological graph of demonstration site 1-Electronic Information Industrial Park

(2)示范點2-高端裝備制造產(chǎn)業(yè)園

貴安高端裝備制造產(chǎn)業(yè)園配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)為典型的手拉手環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，該示范點共由15面環(huán)網(wǎng)柜組成，由于有5面環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部未配置PT、開關(guān)未配置電操機構(gòu)，且無法通過改造更換，達不到遠方監(jiān)控及遠程控制的要求，因此在構(gòu)建本示范點模型以及實際建設(shè)時，將這5面環(huán)網(wǎng)柜作為線路來“直線”處理，該“直線”區(qū)域內(nèi)的任一環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部處故障即視為整個區(qū)域故障，系統(tǒng)對該整體區(qū)域進行故障跳閘與隔離。示范點2的電氣一次拓撲如下圖所示，其中打虛線框的為需進行“直線”處理的環(huán)網(wǎng)柜。

圖7 示范點2-高端裝備制造產(chǎn)業(yè)園一次拓撲圖Fig.7 Primary topological graph of demonstration site 2-High end equipment manufacturing Industrial Park

4.2 示范點主要建設(shè)方案

按2.2節(jié)所述，以上兩個示范點均采用終端層、通信層、子站層、主站層的構(gòu)架進行系統(tǒng)建設(shè)。其中主站層為內(nèi)置在貴安能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)云平臺系統(tǒng)中的主配協(xié)同安穩(wěn)及自愈控制功能模塊；兩個示范點的子站層均設(shè)置在110kV磊莊變，配置2面子站設(shè)備屏；在示范點1以及示范點2各環(huán)網(wǎng)柜間敷設(shè)光纜，并在環(huán)網(wǎng)柜旁設(shè)置安穩(wěn)及自愈系統(tǒng)終端柜，內(nèi)含終端及交換機，通過柜間光纜構(gòu)成通信環(huán)網(wǎng)。子站設(shè)備屏通過貴安配網(wǎng)現(xiàn)有的工業(yè)交換機網(wǎng)絡接入主站側(cè)，完成終端信息的上傳及主站相關(guān)命令的下發(fā)。

此外，為滿足示范方案的建設(shè)，需對2個示范點現(xiàn)有環(huán)網(wǎng)柜進行必要的改造，主要包括：

(1)與安穩(wěn)及自愈策略相關(guān)的開關(guān)，應具備電操機構(gòu)，無電操機構(gòu)的應進行改造；

(2)各環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)開關(guān)、隔離刀閘、地刀應具有備用輔助接點，安穩(wěn)及自愈系統(tǒng)需接入相關(guān)輔助接點信號；

(3)各環(huán)網(wǎng)柜應配置有PT，用于給終端柜供應正常工作電源，無PT的需進行加裝。

4.3 與現(xiàn)有主配相關(guān)系統(tǒng)的運行協(xié)調(diào)配合方案

對于試點區(qū)域，配電網(wǎng)同時具有原環(huán)網(wǎng)柜上安裝的就地保護以及安穩(wěn)及自愈系統(tǒng)的就地+網(wǎng)絡保護兩重功能；此外，若環(huán)網(wǎng)柜已實現(xiàn)了配電自動化，一般還配置有DTU等配電自動化設(shè)備，配電自動化主站一般也具有故障自愈FA功能以及三遙功能。因此，試點區(qū)域存在有與原有保護協(xié)調(diào)配合以及與配電自動化協(xié)調(diào)配合兩個問題。

考慮到保護對可靠性的要求，安穩(wěn)及自愈系統(tǒng)的就地及網(wǎng)絡保護，與環(huán)網(wǎng)柜已有的就地保護，均投入使用，互為近后備。

但現(xiàn)有的配電自動化FA及三遙功能和安穩(wěn)及自愈系統(tǒng)，由于網(wǎng)架整體的運行狀態(tài)對各自邏輯有較大影響，因此正常情況下應只使用其中一個主站的自愈和相關(guān)遠方功能，具體是在環(huán)網(wǎng)柜處通過遠方就地轉(zhuǎn)換開關(guān)以及DTU和安穩(wěn)自愈系統(tǒng)終端的壓板的投退來實現(xiàn)。

5 結(jié)語

能源互聯(lián)網(wǎng)以能源流、業(yè)務流、數(shù)據(jù)/信息流的深度融合為基本特征，在此背景下，高可靠供電以及分布式電源廣泛接入背景下的配電網(wǎng)運行面臨一定的挑戰(zhàn)。另一方面，能源互聯(lián)網(wǎng)提供的全景信息和數(shù)據(jù)，又為以上問題的解決提供了良好的基礎(chǔ)條件。本文基于能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)云平臺的信息共享機制，并借鑒電力系統(tǒng)主網(wǎng)的“三道防線”理念，以主配協(xié)同的配網(wǎng)側(cè)穩(wěn)定運行“三級標準”為出發(fā)點，對該主配協(xié)同的安穩(wěn)及自愈控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)實施方案進行了詳細闡述，并通過搭建典型配網(wǎng)網(wǎng)架對該技術(shù)進行了測試，結(jié)果表明能夠滿足各項指標要求。目前，已經(jīng)在貴安新區(qū)進行了兩個示范點的建設(shè)，通過相關(guān)試驗示范，將對該技術(shù)的推廣應用具有很強的示范和參考價值。