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(guī)模和電力用戶的總數(shù)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(tǒng)故障而導致跨區(qū)域大規(guī)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(tǒng)自動化管理是未來供電產業(yè)主要的發(fā)展趨勢之一，而在電網結構體系中饋線系統(tǒng)自動化管理是其中關鍵[2]。饋線系統(tǒng)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(qū)域，因此提高電網供電的穩(wěn)定性首先應提高饋線系統(tǒng)設計的合理性與可靠性[3]?；谧詣踊夹g的饋線系統(tǒng)在電網發(fā)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(tǒng)，避免出現(xiàn)長時間電網停機?，F(xiàn)有電網饋線系統(tǒng)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(tǒng)一下達指令，可以實現(xiàn)對電能傳輸和電網系統(tǒng)的集中化管理[4]。

但在集中式饋線系統(tǒng)模式下，對于饋線拓撲系統(tǒng)網絡中控制中心的供電可靠性和穩(wěn)定性有著極高的要求，一旦饋線系統(tǒng)的控制中心出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)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(tài)。隨著電網規(guī)模逐漸擴大，饋線系統(tǒng)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(xiàn)實意義。因此本文基于電力系統(tǒng)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(tǒng)[5]。在分布式的拓撲結構下饋線系統(tǒng)的自動化控制，不再依賴于系統(tǒng)的控制中心，區(qū)域范圍內的全部電網節(jié)點和智能終端都可以執(zhí)行上一級電力系統(tǒng)的任務，具有更強的故障處理能力[6]。當分布式饋線系統(tǒng)中的某一個節(jié)點出現(xiàn)供電故障時，并不影響其他節(jié)點和整個電力系統(tǒng)的正常運行。鑒于分布式饋線系統(tǒng)拓撲結構的應用優(yōu)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)拓撲結構下，系統(tǒng)控制中心與其他節(jié)點的地位和功能不對等，終端節(jié)點的功能設計與發(fā)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(jiān)控和分布式的饋線系統(tǒng)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(jié)點控制主機在地位上是一種平等的關系，而非傳統(tǒng)模式下的主從關系。在分布式饋線系統(tǒng)中，終端節(jié)點與控制中心一樣能夠自由接收上級電力網絡系統(tǒng)所傳遞的指令，也能夠自由地向上級電網系統(tǒng)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(jié)點均可知。分布式的饋線網絡系統(tǒng)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(tǒng)電網系統(tǒng)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(tǒng)工作模式

當分布式饋線系統(tǒng)采用了對等通通信模式后，對于系統(tǒng)線路繼電器和開關而言，可以同時上報信息及向其他節(jié)點廣播，這樣能更好地解決饋線系統(tǒng)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(jié)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(jiān)控終端系統(tǒng)為例，基于對等式通信的饋線拓撲系統(tǒng)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(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)設計中，由于在每一個分開關處都設置了一個監(jiān)控終端，在任一個主機節(jié)點處如果發(fā)現(xiàn)故障可以直接將故障點隔離，無須通過主站即可以實現(xiàn)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(jié)點，故障點隔離后其他的饋線系統(tǒng)節(jié)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(tǒng)有著更高的電力故障信息利用效率和傳遞效率。節(jié)點主機之間除了可以實現(xiàn)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(xiàn)電力數(shù)據(jù)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(xiàn)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(fā)生故障的節(jié)點會自動切斷該節(jié)點與其他層和節(jié)點間的聯(lián)系，保證其他模塊的穩(wěn)定運行[10-11]。為提高系統(tǒng)模塊和節(jié)點之間通信的穩(wěn)定性，基于對等式通信技術的分布式饋線系統(tǒng)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(tǒng)提供了更為穩(wěn)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(tǒng)的通信穩(wěn)定性也改善了容錯能力。在多數(shù)情況下一條通信總線上節(jié)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(tǒng)結構的穩(wěn)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(tǒng)自動化管理，是實現(xiàn)整個電網系統(tǒng)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(tǒng)發(fā)生故障時，利用系統(tǒng)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(qū)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(tǒng)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(jié)點在饋線系統(tǒng)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(jié)點又細分為饋線監(jiān)控終端(FTU)、開閉終端(DTU)和配電終端(TTU)?；緦訌慕Y構設計上充當系統(tǒng)的控制中心，主要負責對電力故障信息的系統(tǒng)廣播和信息匯總，同樣子站層節(jié)點和終端層節(jié)點在功能設計上也具有故障信息的系統(tǒng)廣播功能；終端層的節(jié)點主要負責區(qū)域范圍內故障的識別、測量與控制，終端節(jié)點本身具有系統(tǒng)廣播的功能，也可將節(jié)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(tǒng)模塊邏輯結構

在對等式通信模式下饋線拓撲系統(tǒng)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(tǒng)，并匹配HL2323DS型通信芯片。這種結構設計既可以滿足饋線系統(tǒng)拓撲結構對通信方式的要求，還可以提高分布式饋線系統(tǒng)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(tǒng)模塊邏輯結構

STM32H7型單片機負責完成分布式饋線系統(tǒng)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(tǒng)模塊連接，收發(fā)饋線系統(tǒng)的故障信息、模擬系統(tǒng)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(shù)據(jù)交換窗口，分布式饋線系統(tǒng)各模塊的運行信息通過顯示模塊更直觀地展示出來?；趯Φ仁酵ㄐ艠嫿ǖ姆植际金伨€系統(tǒng)穩(wěn)定運行需要可靠的電源模塊供電，由于饋線系統(tǒng)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(tài)下，分布式饋線拓撲結構的工作電源還負責對PT線路的穩(wěn)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(xiàn)故障時，蓄電池可以保證給系統(tǒng)提供短時間正常運轉。

3 分布式饋線系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的基礎性功能，具體包括數(shù)據(jù)運算、供電調度、設備管理和數(shù)據(jù)共享等。軟件系統(tǒng)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(tǒng)自動搜索故障點并在拓撲關系的輔助下實現(xiàn)故障點的隔離與修復。

智能分布式饋線系統(tǒng)通過對網絡拓撲結構分析和終端采集到的電網運行數(shù)據(jù)的分析，獲取智能饋線系統(tǒng)的實時狀態(tài)，對等式通信模式保證了饋線系統(tǒng)中的每一個節(jié)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(tǒng)將故障點位置和故障類別傳遞到其他的電網節(jié)點，并對故障區(qū)域快速隔離。本文設計的分布式饋線系統(tǒng)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(jié)點形成拓撲樹結構，并按照節(jié)點所處的最優(yōu)位置選舉簇心，形成若干個節(jié)點簇。故障定位時首先遍歷每一個簇的簇心節(jié)點，當從簇心節(jié)點獲得信息該簇內有異常節(jié)點狀態(tài)，再遍歷該簇內的全部節(jié)點，即可識別出故障節(jié)點的位置并隔離故障區(qū)域，同步將故障信息傳遞到其他簇心節(jié)點。故障的定位過程如圖6所示。

圖6 智能饋線系統(tǒng)故障定位識別過程

在故障節(jié)點遍歷過程中，當識別到某一個節(jié)點簇內存在故障節(jié)點時，應優(yōu)先定位和隔離后再遍歷其他的節(jié)點簇。由于智能饋線系統(tǒng)采用了分布式的結構設計和對等通信方式，處理故障節(jié)點時并不會對其他的節(jié)點運行構成影響，對等式通信設計也節(jié)省了故障點信息傳遞的網絡時延。在饋線系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)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(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)故障檢測中的信息孤島問題，為分布式饋線系統(tǒng)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(tǒng)在通信數(shù)據(jù)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(huán)境下搭建仿真測試系統(tǒng)。電網故障性能測試系統(tǒng)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(tǒng)構成

從終端層的一個FTU模塊隨機向其他3個終端節(jié)點的FTU模塊發(fā)送報文，發(fā)送的故障數(shù)據(jù)集長度分布為176、241和153，終端節(jié)點的故障數(shù)據(jù)的發(fā)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(tǒng)拓撲結構，保證了饋線系統(tǒng)能夠直接訪問網絡鏈路的底層。從終端節(jié)點發(fā)送報文與接收報文的具體情況分析，三次數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)通信時延

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

表3 集中式饋線系統(tǒng)通信時延

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

圖8 分布式饋線系統(tǒng)拓撲結構結果

在圖8的拓撲網絡環(huán)境下，測試對等式通信模式下的分布式饋線系統(tǒng)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(tǒng)故障檢測率與檢測耗時

當終端節(jié)點數(shù)量部署與節(jié)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(tǒng)的網絡故障識別率和定位耗時并沒有出現(xiàn)性能降低的趨勢，因為在對等式通信模式下，終端節(jié)點之間可以實現(xiàn)自由通信，無需在經過饋線系統(tǒng)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(tǒng)相對于現(xiàn)有系統(tǒng)效率更高、更有優(yōu)勢，也為饋線系統(tǒng)的故障搶修贏得更多的時間。

5 結 語

電力系統(tǒng)要實現(xiàn)穩(wěn)定、持續(xù)供電，必須對饋線系統(tǒng)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(xiàn)高效自由傳輸，對于饋線網絡系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的創(chuàng)新點是提出分布式饋線通信體系拓撲結構。當個別終端節(jié)點出現(xiàn)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(jié)點和控制中心，并準確定位和隔離故障點，減少饋線系統(tǒng)故障給整個電網和電力用戶帶來的不利影響。