陳明恩,戰(zhàn) 鋒,吳 昊,李俊達,張拯民

(國電南京自動化股份有限公司,江蘇 南京 210031)

0 引言

配網(wǎng)作為發(fā)電和用電之間的橋梁,在國民生產(chǎn)生活中具有舉足輕重的作用。停電對客戶的生產(chǎn)與生活影響也越來越大。電力供電線路發(fā)生故障時,對于故障信息很多依賴于用戶的描述以及搶修人員到現(xiàn)場后的確認。對故障源、相關(guān)設(shè)備信息、故障類型、影響范圍等進行準確判斷還需要進一步深入研究。停電研判系統(tǒng)軟件以電網(wǎng)模型、電網(wǎng)實時運行數(shù)據(jù)、設(shè)備信息、用戶信息等基礎(chǔ)信息為依托,結(jié)合GIS系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù),對接收到的停電信息(斷路器動作信息、配電變壓器報警信息等配網(wǎng)故障信息、客戶報修信息、計劃停電信息)進行分析,建立線路、配電變壓器、低壓用戶間準確的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)模型,達到配網(wǎng)故障的快速診斷和定位的目的,實現(xiàn)配網(wǎng)故障綜合研判[1-3]。

檢索相關(guān)文獻和專利數(shù)據(jù)庫可以發(fā)現(xiàn),有一些文獻或?qū)＠麖牟煌嵌葘νｋ娧信凶隽艘恍┨剿骱脱芯?主要集中在停電研判思想概念、系統(tǒng)原理、系統(tǒng)應(yīng)用、客戶停電管理系統(tǒng)等方面。停電研判也可以緊密結(jié)合配電主站系統(tǒng),作為其重要模塊之一來實現(xiàn),這一角度研究文獻較少。對此,本文深入研究并在此基礎(chǔ)上提出基于多樹模型的配電自動化停電研判快速實現(xiàn)方法的發(fā)明專利申請。

隨著智能電網(wǎng)信息化發(fā)展,GIS逐漸應(yīng)用于輸配電系統(tǒng)、客戶服務(wù)系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)等。WebGIS

作為圖形化的超媒體信息系統(tǒng),提供了集成多媒體信息的能力,把視頻、音頻、地圖、文本等集中到Web頁面上,專門以B/S形式實現(xiàn)的GIS,極大豐富擴展了GIS內(nèi)容和表現(xiàn)能力[4-5]。

根據(jù)配電網(wǎng)主站系統(tǒng)軟件和WebGIS技術(shù)特點,綜合考慮電網(wǎng)線路分層顯示和設(shè)備定位方法等內(nèi)容,參考一種基于Spring MVC架構(gòu)的WebGIS電網(wǎng)信息可視化構(gòu)建方法,借鑒其電網(wǎng)站內(nèi)圖、線路圖等數(shù)據(jù)信息的展示、瀏覽實現(xiàn)方法來實現(xiàn)[5]。

該停電研判作為配電主站系統(tǒng)軟件的重要組成部分,系統(tǒng)判據(jù)信息采用中國華電自主研發(fā)的華電睿藍主站系統(tǒng)的數(shù)據(jù),充分結(jié)合用電系統(tǒng)中的配電變壓器數(shù)據(jù),謹慎選擇拓撲辨識算法,森林動態(tài)樹模型原理與算法思想,引入WebGIS技術(shù),以達到對拓撲動態(tài)著色、停電研判等進一步直觀形象展示與管理的目的。

1 停電研判設(shè)計

停電研判主要功能是基于現(xiàn)場穩(wěn)定運行的華電睿藍配電自動化系統(tǒng),結(jié)合多項配電變壓器數(shù)據(jù),智能研判當前各區(qū)縣現(xiàn)場實際運行線路中出現(xiàn)停電的饋線影響范圍,實時分析停電類型和饋線停電首斷路器下游的所有斷路器和配電變壓器信息,生成停電工單,告警通知停電情況并推送配電搶修系統(tǒng),相關(guān)維護人員實時獲取停電信息后展開現(xiàn)場勘查和停電搶修處理[6-9]。圖1展示了配電自動化系統(tǒng)中的停電研判相關(guān)主要模塊數(shù)據(jù)流分布。同時展示子停電研判模塊、人機界面模塊、實時庫、商業(yè)數(shù)據(jù)庫、負控計量系統(tǒng)、配電搶修系統(tǒng)等各模塊之間的數(shù)據(jù)流交互[10-12]。

圖1 配電自動化系統(tǒng)中停電研判數(shù)據(jù)流分布

1.1 拓撲辨識與拓撲虛擬優(yōu)化

狀態(tài)估計、拓撲辨識和停電研判是快速復(fù)電系統(tǒng)的組成關(guān)鍵,合理改善會大大縮短故障處理時間。在許多文獻中提出狀態(tài)估計和拓撲辨識有效算法策略:中低電壓拓撲構(gòu)建、基于改進免疫算法和自適應(yīng)LASSO的配電網(wǎng)動態(tài)拓撲生成算法、基于鄰接矩陣自乘得到全連通矩陣的鄰接矩陣準平方法、具有特殊含義的矩陣關(guān)聯(lián)矩陣標記法等[13-15]。

文獻[16]能夠做到不區(qū)分電壓,在電路中設(shè)備/元件實時帶電狀態(tài)發(fā)生改變時,僅對與其相關(guān)電路組件的帶電狀態(tài)進行處理,從而提高配網(wǎng)帶電狀態(tài)計算的效率。該方法從電源區(qū)域出發(fā),遍歷所有與電源區(qū)域連通的區(qū)域,從而得到所有的帶電區(qū)域。

如果采用基于圖鄰接矩陣的狀態(tài)估計算法,饋線和斷路器越多,矩陣階數(shù)越大。當停電研判應(yīng)用時,可以對拓撲中存在唯一父節(jié)點饋線分支線路進一步優(yōu)化設(shè)計為樹以及森林拓撲結(jié)構(gòu) (斷路器與其子斷路器等建立虛擬區(qū)域,形成樹拓撲,如圖2所示),減少鄰接矩陣階數(shù)和復(fù)雜度。這樣核心區(qū)域可以優(yōu)化設(shè)計為階數(shù)n盡量少的鄰接矩陣。核心區(qū)域采用拓撲辨識算法,一般為基于鄰接矩陣的策略算法,外圍樹或森林采用停電研判算法(本文為深度優(yōu)先遍歷),這二者相結(jié)合可大大減少整體的拓撲結(jié)構(gòu)采用單一算法的復(fù)雜度,減少算法的計算時間,提高研判實時響應(yīng)效率。

圖2 拓撲網(wǎng)絡(luò)虛擬優(yōu)化

1.2 動態(tài)樹模型停電研判過程

配電系統(tǒng)配置生成饋線網(wǎng)絡(luò)拓撲,人機界面同步展示網(wǎng)絡(luò)拓撲信息,對各設(shè)備帶電或失電著色,進而提示網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點設(shè)備的帶電或失電狀態(tài)。停電研判是分析和邏輯推理網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、停電和復(fù)電的關(guān)鍵基礎(chǔ)功能[2,10]。結(jié)合圖3,基于森林與動態(tài)樹模型實現(xiàn)的配電自動化快速停電研判實現(xiàn)方法,重點過程闡述如下。

圖3 森林模型停電研判原理

依據(jù)配電實際網(wǎng)路抽象化建立饋線網(wǎng)絡(luò)拓撲,同時結(jié)合地理信息系統(tǒng)GIS形成配電WebGIS信息網(wǎng)絡(luò)。拓撲計算程序啟動運行時,從實時庫中加載模型數(shù)據(jù)存入程序內(nèi)存,可以根據(jù)原始拓撲網(wǎng)絡(luò) (此時計算量較大)或采用優(yōu)化虛擬節(jié)點后的拓撲和實時庫中的實時數(shù)據(jù),通過拓撲計算策略得到拓撲結(jié)果,存入程序內(nèi)存,然后將設(shè)備帶電狀態(tài)、拓撲節(jié)點和拓撲島信息存入實時庫。

圖2原始復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)形成全局Map圖拓撲,而斷路器及其子斷路器虛擬為一個虛擬區(qū)域,形成虛擬節(jié)點,這是倒樹的網(wǎng)絡(luò)模型,可以形成多棵虛擬倒樹形的饋線網(wǎng)路。非虛擬區(qū)域可以采用拓撲辨識算法,虛擬區(qū)域可以采用停電研判算法(本文為深度優(yōu)先算法,因為要基于研判規(guī)則來統(tǒng)計分析各類信息點),當簡單拓撲網(wǎng)絡(luò)時可以直接采用停電研判。

依據(jù)饋線網(wǎng)絡(luò)模型建立饋線分枝倒樹模型,該模型包括各個節(jié)點設(shè)備的相關(guān)信息描述、各個節(jié)點設(shè)備的分枝或父子關(guān)系、設(shè)備節(jié)點全局唯一性的設(shè)備編碼(objected)識別編碼、父子關(guān)系內(nèi)存指針。同時,對該分枝饋線的樹形模型建立與此對應(yīng)的哈希索引列表,該索引列表與樹形模型共享節(jié)點信息,包括計算機內(nèi)存地址等所有信息。哈希索引列表通過objectid可以快速選擇命中節(jié)點,然后結(jié)合樹形的各節(jié)點關(guān)系采用廣度或深度優(yōu)先遍歷方法,可以向根節(jié)點方向或子節(jié)點方向邏輯推理,建立分析統(tǒng)計的數(shù)理基礎(chǔ)。

各節(jié)點設(shè)備的信息包括斷路器動作、配電變壓器報警、客戶報修、計劃停電等信息,這些信息通過整理與量化,演變成各設(shè)備狀態(tài)實時或計劃屬性,然后寫入配電自動化系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫中。

停電研判算法程序在核心區(qū)域圖鄰接矩陣拓撲辨識算法結(jié)果基礎(chǔ)上,獲取實時庫中的各個設(shè)備實時屬性。結(jié)合哈希索引列表,樹形饋線模型的雙重搜索數(shù)據(jù),采用深度優(yōu)先遍歷法,依據(jù)判據(jù)原理的算法分析過程,可以快速得到一系列相關(guān)決策和分析結(jié)果。

拓撲結(jié)構(gòu)(動態(tài)著色)算法、停電研判算法和停電研判規(guī)則這3個模塊實行分層分離綜合考慮,可根據(jù)結(jié)果的準確性和實時快速性、計算過程復(fù)雜性等因素選擇不同方法多次對比分析優(yōu)化設(shè)計。計算結(jié)果可以服務(wù)器/客戶端方式展示。這些記錄主要包括研判記錄表、研判配電變壓器表、停電斷路器記錄表、停電配電變壓器記錄表、停電饋線記錄表、實時停電饋線表等。這些結(jié)果也可輸出到與配電自動化系統(tǒng)其他相關(guān)管理模塊,如GIS系統(tǒng)、負控計量系統(tǒng)、配電搶修系統(tǒng)等,以供各個模塊使用。

1.3 復(fù)雜度與實時性能分析

查閱拓撲結(jié)構(gòu)(動態(tài)著色)算法、停電研判算法等相關(guān)研究資料或成果很多。在設(shè)計考慮或選擇算法時,一要注重算法結(jié)果的準確性、前置條件簡單化(有些算法有特殊前置條件要求,條件不滿足,結(jié)果就失真)、實踐可行性(有些算法限于一些特定應(yīng)用場合,沒有通用適用性);二要注重算法本身的復(fù)雜度、高效性與計算量大小。如文獻[17]中的方法復(fù)雜度較低,只在最不理想的情況下才遍歷所有區(qū)域,但其要求分別從不同的電源區(qū)域分別遍歷,每次斷路器動作都要遍歷1次,其中包含大量的重復(fù)操作;且無法查詢電氣島的組成,不利于擴展,主站計算工作量非常大。

拓撲結(jié)構(gòu)(動態(tài)著色)、停電研判算法作為配電自動化主站軟件模塊或服務(wù)程序運行時,非常強調(diào)實時性,需要在數(shù)百毫秒內(nèi),整個算法本身、讀寫實時數(shù)據(jù)庫、更新界面顏色變化顯示(告警信息等)作為1個周期完成,而且觸發(fā)或循環(huán)模式時刻周期性運行。很多算法對該模塊程序的代碼實現(xiàn)、計算機性能和成本都是嚴峻挑戰(zhàn),不易于實施。顯然,上述方法實時性能需要更多優(yōu)化。而圖鄰接矩陣是很多拓撲結(jié)構(gòu)算法的基礎(chǔ),文獻[17]也分析了基于鄰接矩陣自乘得到全連通矩陣的鄰接矩陣準平方法和具有特殊含義的矩陣關(guān)聯(lián)矩陣標記法的優(yōu)點和缺點,進一步提出更加高效的核心優(yōu)化策略。文獻[14]和本文區(qū)域虛擬化節(jié)點設(shè)計都是為了努力減少拓撲和停電研判算法本身計算以及和實時數(shù)據(jù)庫交互的工作量,提高實時效率。

2 判據(jù)規(guī)則與結(jié)果

停電研判判據(jù)主要來源于配電自動化系統(tǒng)饋線實時拓撲狀態(tài)、斷路器位置、配電開關(guān)監(jiān)控終端(FTU)在線運行狀態(tài)等實時信息和用電系統(tǒng)中的配電變壓器實時數(shù)據(jù)。

2.1 規(guī)則設(shè)計原理和分析

本停電研判系統(tǒng)基于配電自動化系統(tǒng)和負控數(shù)據(jù),主要生成以研判分析、斷路器跳閘、人工操作和就地操作為停電類型的4類工單。本文將從非智能斷路器和智能斷路器引發(fā)停電的研判判據(jù)和工單類型進行闡述。

2.1.1 非智能斷路器

基于配電變壓器的研判分析,首斷路器位置判定:以非智能斷路器A作為起點,即饋線上超過80%配電變壓器出現(xiàn)故障的最上游斷路器。

研判特點:圖4中各條件需同時滿足,使用接入的負控數(shù)據(jù),解決非智能斷路器引發(fā)線路停電難以分析定位的技術(shù)難點,具有高效智能、實時性和準確性高的研判特點。

圖4 非智能斷路器配電變壓器停電研判分析

2.1.2 智能斷路器

a.基于FTU和配電變壓器的研判分析

首斷路器位置判定:以智能斷路器A作為起點,即饋線智能斷路器節(jié)點及其下游斷路器節(jié)點的所有FTU通道狀態(tài)均為停止的最上游斷路器。

研判特點:圖5中各條件需同時滿足,使用饋線FTU通道信息并結(jié)合接入的負控數(shù)據(jù),解決單一依靠FTU通道狀態(tài)研判,導(dǎo)致由于現(xiàn)場智能斷路器FTU的通斷抖動性過大從而產(chǎn)生研判誤差大的后果,可有效避免單純依靠配電自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)不充足導(dǎo)致研判誤差大的問題,提高準確性和快速性,降低誤判的可能性。

圖5 基于FTU的配電變壓器停電研判分析

b.其他方面

人工操作、斷路器跳閘、就地操作引起停電的首斷路器位置判定:若饋線上多個斷路器在閾值內(nèi)接連跳閘,則合并成1條停電工單,首斷路器以引起停電的最上游斷路器作為起點;若多個跳閘斷路器間的跳閘時間間隔超過20 s,按時間順序分別生成多條停電工單,首斷路器以引起停電的各對應(yīng)斷路器作為起點,即智能斷路器A,如圖6所示。

圖6 基于人工操作的配電變壓器停電研判分析

研判特點:這些行為均是基于配電自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的停電研判,可以準確得到智能斷路器的位置,故而具有停電范圍定位明確、判據(jù)精準、實時性和準確性高的特點。參考文獻[3]對部分停電研判規(guī)則設(shè)計原理與過程做了深入闡述。

2.2 結(jié)果分析

停電研判可產(chǎn)生故障停電、人工操作、就地操作、通道停止、配電變壓器故障、配電變壓器帶電寫絲具狀態(tài)、配電變壓器失電寫絲具狀態(tài)等停電類型和記錄報告。

本文在上述森林與動態(tài)樹模型和判據(jù)規(guī)則基礎(chǔ)上,開發(fā)了停電研判應(yīng)用軟件,部分基礎(chǔ)功能包括實時停電研判和復(fù)電驗證,通過該軟件來查閱相關(guān)地域的停電研判結(jié)果和輸出記錄、實時停電工單和復(fù)電驗證過程工單,提供告警信息和各類數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計?；诒疚耐ｋ娧信兴枷霕?gòu)成的配電自動化系統(tǒng)已在寶雞供電公司8個縣地區(qū)全面使用,實現(xiàn)停電復(fù)電智能研判,運維搶修現(xiàn)場實時監(jiān)督,故障搶修全過程管控,大大提高配電網(wǎng)監(jiān)督運行的自動化水平,有效提高了配電搶修效率[3]。

3 停電研判圖形展示

配電主站系統(tǒng)依據(jù)實際網(wǎng)路抽象化建立饋線網(wǎng)絡(luò)拓撲原理圖,結(jié)合地理信息系統(tǒng)GIS形成配電信息網(wǎng)絡(luò)圖,依據(jù)停電研判算法建立停電研判地理GIS圖。

3.1 系統(tǒng)拓撲計算服務(wù)化及圖形

基于圖模一體化設(shè)計理念的華電睿藍主站系統(tǒng),配置數(shù)據(jù)庫中虛擬抽象設(shè)計為數(shù)眾多一次設(shè)備和二次設(shè)備信息模型。圖形組態(tài)編輯工具設(shè)計眾多的一次圖元及二次圖元,可以便捷構(gòu)建配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲原理圖。

依據(jù)主站系統(tǒng)運行時實時數(shù)據(jù)庫的一次或二次設(shè)備的各類信息,實時展示各信息點變化與告警信息、網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點狀態(tài)等。拓撲計算程序后臺獨立服務(wù)化運行,圖7界面實時展示網(wǎng)絡(luò)拓撲和設(shè)備信息,可為客戶和工程人員提供參考。

圖7 配電主站系統(tǒng)拓撲圖

3.2 主站系統(tǒng)WebGIS實現(xiàn)

結(jié)合GIS的設(shè)備管理需要標識地理位置的空間數(shù)據(jù)和設(shè)備屬性的臺帳數(shù)據(jù),而運行管理又需要設(shè)備的實時數(shù)據(jù)和拓撲信息。這些數(shù)據(jù)包括圖形空間數(shù)據(jù)、設(shè)備屬性數(shù)據(jù)、設(shè)備和實時數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)信息、實時數(shù)據(jù)、拓撲信息等。

當WebGIS地理信息在主站圖形設(shè)計工具上引用與編輯時,將電網(wǎng)分成點和線兩大部分,線表示線路,點表示線路中坐標位置點,通過自定義數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)包括線路上某個點的坐標信息和各類設(shè)備抽象化設(shè)計數(shù)據(jù)信息。GIS地圖作為背景,各類設(shè)備一次或二次圖元相應(yīng)設(shè)計嵌入地圖。

這樣就實現(xiàn)了配電自動化主站系統(tǒng)依據(jù)配電網(wǎng)路形成饋線網(wǎng)絡(luò)拓撲和人機界面展示W(wǎng)ebGIS的饋線網(wǎng)絡(luò)圖,再對各設(shè)備帶電或失電進行著色,形象表達各節(jié)點設(shè)備的帶電或失電狀態(tài)。依據(jù)停電研判可實時分析和預(yù)測,邏輯推理拓撲網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

4 結(jié)語

本文討論了一種基于動態(tài)樹模型的配電變壓器停電研判系統(tǒng),涉及智能配電變壓器停運系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、配電自動化系統(tǒng)、智能調(diào)度管理系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)和低壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)眾多模塊。從這些模塊中獲取多源數(shù)據(jù)有效信息,采用森林和動態(tài)樹模型及深度遍歷技術(shù),結(jié)合配電系統(tǒng)常用停電研判規(guī)則對異常停電事件進行分類篩選和甄別,快速定位,并針對不同類型的配電變壓器停運事故推送相應(yīng)的停運工單和搶修策略,減少停電時間及提高用戶用電滿意度。WebGIS提供更直觀和形象的友好界面,這是配電主站系統(tǒng)和WebGIS融合的一個重要實踐,對電力調(diào)度系統(tǒng)、管理系統(tǒng)等各種系統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)用和管理實踐具有重要的支撐作用,應(yīng)用前景廣泛。