10 kV配电网在线合环辅助决策系统的设计与实现

裴星宇，梁飞强，翁奕珊，彭显刚，王星华

(1. 广东电网有限责任公司珠海供电局，广东 珠海 519000；2. 广东工业大学 自动化学院，广东 广州 510006)



10 kV配电网在线合环辅助决策系统的设计与实现

裴星宇1，梁飞强2，翁奕珊1，彭显刚2，王星华2

(1. 广东电网有限责任公司珠海供电局，广东 珠海 519000；2. 广东工业大学 自动化学院，广东 广州 510006)

摘要：为了避免配电网合环操作可能产生较大的冲击电流导致保护装置误动或元件过载，从而影响电网的安全稳定运行，提出并实现了10 kV配电网在线合环辅助决策系统。首先，依据系统需求分析设计了系统各模块功能、功能流程图、合环操作决策方案、数据库、软件层次结构；其次，从系统软件的层次结构方案出发，给出支撑服务层、专用平台层以及应用层的具体实现；最后，通过系统应用实例验证了该系统的精确性和时效性。

关键词：配电网；合环操作；决策系统；功能模块；层次结构

随着社会的发展，人们对电力系统的供电可靠性要求越来越高，在中国的城市中，配电网通常采用闭环设计，开环运行的供电方式[1-4]，当配电网进行网络重构、负荷转移或者设备检修时通过合环操作可以缩短停电时间，提高供电可靠性。然而，传统合环风险分析方法是根据经验或者离线分析，能适应特定的运行方式或者电网规模较小的情况，而不适用于日益复杂的大电网合环风险分析[5]，在实际应用中，一般采用“合环点两端相序尽量一致，最大允许电压差(绝对值)为20%，电压相位差不超过20%”[6]的方法，如满足条件则进行合环，不满足再进行分析计算；或根据仿真、理论计算，判断在执行合环操作之后是否会出现环网内各元件过载的情况[7-9]。

针对传统合环方式存在的时效性、精确性差等局限，本文设计并实现了10 kV配电网在线安全合环辅助决策系统，根据系统的需求分析设计了各模块功能、功能流程图、决策方案、数据库，给出软件层次结构设计，完成了系统开发实现，并结合实际应用案例验证了该系统的时效性与精确性。

1系统需求分析

1.1合环模型

本系统在计算合环电流时用的模型如图1所示。

i(i=0，1，…，6)为相对应线路的传输功率；为对应的母线电压；Z为等值阻抗。图1　合环电流计算基本模型

需要说明的是，该合环模型是基于配电网处的合环开关两端出发，然后依据深度优先的方法分两端搜索到220 kV变电站即可，220 kV变电站之间的连接关系，用外网等值的方法计算即可。其中，合环回路经过了各电压等级的交流线路与变压器，在进行合环电流计算时，需要部分数据作为计算的基础数据。

裴星宇，等：10 kV配电网在线合环辅助决策系统的设计与实现

1.2数据需求

根据合环电流计算等值模型，计算合环电流时，需提供以下数据：

a)合环馈线两侧母线电压幅值及相位；

b)合环等值回路总阻抗，包括主电网等值至10 kV母线的两点等值阻抗参数和合环馈线分段及每段阻抗；

c)合环前初始电流，两侧馈线出口电流或有功功率P、无功功率Q。

1.3数据源

电网拓扑参数源来自主网调度自动化系统(DF800X系列)提供的基于公共信息模型(common information model，CIM)的可扩展标记语言(extensive markup language，XML)文件，包括所有电网一次设备、端点(连接点)及其相互的拓扑关系。

电网开关运行状态及遥测量参数来自调度自动化系统的TXT文本文件。

影响合环电流计算大小的还包括合环馈线的基本元件参数及运行参数，这部分数据来自配电自动化系统数据平台以及计量自动化系统采集的数据。

1.4功能需求分析

能够根据在线数据完成合环电流的核算，校验合环操作的安全性，并在出现校验不合格时提出相应的修正建议。为实现上述整体功能，依据在线合环电流计算理论，系统应具备以下功能：电网拓扑及运行状态获取、合环回路搜索、合环母线电压差计算、合环电流计算、合环安全校验、合环电流与保护定值及线路极限电流比较、形成合环电流分析报告、合环计算任务管理、图形化操作、系统配置及管理等。

2系统架构设计

2.1系统设计思路

系统的总体设计思路如下：系统必须对各个子系统实现无缝集成，在统一平台上完成各功能模块的功能，并能够友好地为用户提供一个操作统一、任务智能、人机界面友善、图形与数据同步的界面。于此同时，系统具备一套能够运行在异构平台环境下，功能强大、界面风格统一且便于应用人员操作的系统。

2.2系统模块功能简述

在线安全合环辅助决策系统的主要功能是为相关操作人员提供合环决策依据，按功能结构来划分，本系统主要由5大模块构成，即数据管理模块、合环任务管理模块、核心合环电流计算模块、分析报告模块和WebService接口模块。

2.2.1数据管理模块

本系统在进行合环相关计算时需要对大量的数据进行管理，数据从内容上包括三部分：

a)网络结构参数数据，指网络拓扑模型信息以及相应的元件固有参数；

b)实时运行参数数据，主要保存主电网及配网的实时运行数据，主要是各采集点的遥测量和遥信量；

c)合环计算任务管理数据，包含合环操作涉及到的合环开关及其相关的运行参数数据，包括人工设置的馈线相关参数，当前运行方式的计算结果参数和极端运行方式的组合计算结果。

2.2.2合环任务管理模块

在进行合环模拟计算前，需预先把需要合环的开关从硬盘数据库中检索出来，可以根据合环模拟的方式(分为实时态和研究态)设置是实时计算还是依据设置的合环时间进行计算。并提供合环任务导入接口，还可以删除合环任务。

2.2.3核心合环电流计算模块

在正确自动获取电网拓扑模型并形成等值计算模型，自动获取电网实时运行数据、合环电流计算模型的前提下，完成核心合环电流计算模型。从功能上来说，合环电流计算子模块是整个系统最为关键的模块，而从子模块内部的结构而言，可以将其分为以下几个小模块：

a)电网拓扑模型数据获取模块。读取基于CIM标准的XML文件，获得元件参数和拓扑连接关系，并应用可缩放向量图形(scalable vector graphics，SVG)技术在Web界面自动生成合环回路和相关信息。

b)实时数据获取模块。读取基于E格式的TXT文件，获得监测控制和数据采集系统/能量管理系统(supervisory control and data acquisition/energy management system，SCADA/EMS)采集的所有运行参数，主要指遥测量和遥信量。

c)合环母线电压差计算模块。利用合环回路沿线采集的相关参数与网络参数，计算合环母线的电压差。

d)馈线参数获取模块。在配电自动化数据平台完备的前提下，与前述3个模块类似，获得合环馈线相关参数。

e)合环电流计算模块。利用上述合环回路参数进行合环电流计算，并自动进行极端方式组合。

f)合环安全性分析模块。利用计算得到的合环电流，进行相关的安全校验，并得出合环是否成功的结论。

g)合环分析报告生成模块。根据用户需要有选择性地生成DOC格式的报告。

2.2.4分析报告模块

合环计算是该系统的核心，在进行合环计算时需要分析合环相关数据，特别是模拟合环不成功时的数据，并根据分析结果作出适当的调整或改进。

2.2.5WebService接口模块

该系统集成了调度自动化系统、配电网自动化系统、计量自动化系统，其管理的部分参数数据和实时数据需要用于本系统的分析计算功能。调度自动化系统、配电网自动化系统、计量自动化系统均为建立在.Net体系中的典型浏览器-服务器结构，所有的访问服务需通过Web界面提供，而系统所需的各种数据均通过通用分组无线业务(ge-neral packet radio service，GPRS)传入调度中心，并由数据库进行管理。

利用.Net体系中的WebService接口服务，外部应用可以访问调度自动化系统、配电网自动化系统、计量自动化系统允许访问的服务。本系统可以通过WebService接口获得分析计算所需要的各类实时、历史数据。WebService平台需要一套协议来实现分布式应用程序的创建。任何平台都有它的数据表示方法和类型系统。要实现互操作性，WebService平台必须提供一套标准的类型系统，用于沟通不同平台、编程语言和组件模型中的不同类型系统，目前这些协议有[10]：可扩展的标记语言及其结构定义；简单对象访问协议；Web服务描述语言；统一描述、发现和集成；远程过程调用与消息传递。系统数据逻辑结构如图2所示。

图2　系统数据逻辑结构

2.3系统功能流程图阐述

系统为实现合环转电的在线安全评估，利用来自多个不同的实时系统的数据，对这些数据进行集成、管理、运算，最终达到安全、高效合环计算的目的。具体功能实现流程如图3所示。

图3　系统功能流程

a)数据融合层。从多种数据源获取电网拓扑结构、元件参数、开关状态以及实时采集的各种模拟量数据。数据融合层同时负责各类标准的数据文件格式转换，包括基于IEC 61970 CIM的XML文件，标准的E格式TXT文本文件，与配电自动化系统的数据交互接口文件。

b)数据库层。存储电网模型及运行参数，分为参数数据库(硬盘数据库)和实时数据库(内存数据库)，并负责提供数据库接口，访问相应的数据。从数据属性及存储效率的角度出发，系统数据库层的处理模式按如下方式：由于一般地市供电局现有的SCADA系统具备遵循IEC 61970标准CIM支持功能，即可以把电网数据导出为XML格式数据文件，而XML格式数据中有包含主网网架数据(包涵各种设备参数及设备的物理连接关系)，形成参数数据库；通过符合IEC 61970标准的实时数据接口从配电自动化系统和计量自动化系统获取相关数据形成实时数据库，实现合环计算需要的电网网架数据文件和实时运行数据文件(TXT文件)的自动获取，通过数据接口程序和信息融合技术，对来自不同系统的有关数据进行集成处理，为合环计算需要的数据作好准备。

c)核心计算及安全校验层。根据用户界面中选择的开关及合环馈线对应的母线，形成合环回路，构造合环计算等值模型并进行合环电流的计算。同时利用环路搜索得到的拓扑及元件形成SVG 文件，显示合环回路的单线图。合环计算软件通过数据接口访问并获取数据库，并对数据进行正确解析，再根据开关状态进行电网拓扑分析，完成相关元件电气参数的计算，对合环两侧母线电压(包括幅值与相角)与合环馈线实时电流、有功、无功等数据进行综合分析处理，建立合环模型，同时能够实现合环环网拓扑结构可视化功能。基于以上合环回路的物理实时连接模型、网架实时参数、合环实时潮流等基础，可以进行合环电流计算，并基于此时的各种电流进行相关校验(包括短路电流、冲击电流、继电保护装置整定值、线路极限电流等)，最终形成合环分析报告(涵盖所有计算方式和计算内容，突出当前方式下合环校验结果)。

d)界面展示层。基于Web界面显示各种计算相关内容，包括计算任务、开关管理、参数管理等，并且在具体的合环计算中显示完整的合环回路单线图及相关数据。基于合环计算核心模块，提供DOC格式的合环分析报告，用于对计算信息的存档管理。

2.4合环操作决策方案的设计

根据该系统的实际功能需求及相关校验流程，设计了合环相关操作决策方案，以及合环操作分析与决策技术路线，具体流程如图4所示。

图4　合环操作分析与决策技术路线

首先，在合环之前必须确定合环任务及相关的合环方案，并紧接着计算确定环路等值阻抗与合环点两侧的电压幅值和相位(其中研究态涉及负荷预测及快速潮流计算)，为计算合环电流作准备。

其次，通过相关仿真计算，依据校验结果判断合环电流是否越限，判断对应的合环开关能否合环。

最后，对于不允许合环的情况给出原因(主要是网架结构和负荷分布导致的负荷转带与电磁环流)，并根据此提出相应的操作(如在合环线路上级变电站之间选取合适的位置对输电线路进行联络)，并对配电网的潮流进行适当调整，在同时满足上述合环要求后才能够执行合环操作。

2.5数据库设计

为了实现部分运行数据、合环计算结果数据、网络参数数据的数据存储与管理，系统采用了SQL Server系统，按照数据库存储的物理位置划分，整个系统的数据库分为硬盘数据库和内存数据库。其中硬盘数据库存储于硬盘，由数据库管理系统SQL Server提供数据库搜索引擎，网络拓扑模型参数、元件设备的固有参数、计算任务的管理信息和计算结果等信息均存储于硬盘数据库中。由于完整的电网物理模型元件及拓扑关系数量庞大，如果在进行合环电流计算时临时读取硬盘数据库中的完整模型参数则耗时较多，而且EMS的实时数据刷新速度较快，频繁操作硬盘数据库显然不现实，因此构造实时内存数据库，主要起到为合环电流计算提供快速搜索合环回路及元件参数的作用，并能实现与EMS的实时运行数据同步刷新。系统的内存数据库中主要存储元件拓扑关系、固有参数与实时运行数据，同时建立元件与实时数据之间的关联关系，并提供合环回路的拓扑搜索引擎(函数)。

2.6软件层次结构设计

10 kV配电网在线安全合环辅助决策系统软件结构可以按照如图5所示的层次关系进行设计。

图5　软件设计的层次结构

a)硬件层。包含服务器及各类相关工作站，为该应用系统提供硬件支撑，也是该系统的基础。

b)系统平台层。为了尽可能满足各种类型用户的需求实现了该系统可以兼容Linux/Unix/Windows多种操作系统。

c)支撑服务层。主要为该系统提供实时、历史数据库服务和通用的网络通信支撑平台，通信平台(服务访问服务、数据传输服务等)应基于标准的传输控制协议/互联网络协议(Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP)，以提高数据交换的可靠性；在此基础上，提供统一的数据传输接口、数据库访问接口以及控制命令接口等，使上层的应用服务开发可以专注于业务功能的实现，而无需关心底层的通信和交互细节。

d)专用平台层。在支撑服务层的基础上，专用平台层实现了各种应用，主要包含事件服务、数据采集、系统管理、数据管理、图形一体化平台、插件管理、分析报告管理、权限管理等。提供并实现统一的接口，尽量使各个应用系统实现共享，以提高代码复用性，从而提高开发效率，也为公用服务的开发和维护提供便利。

e)应用层。实现业务数据的管理、分析处理、图形化展示、合环计算相关结果展示、Web信息发布等。

3系统实现

3.1支撑服务层的实现

支撑服务层可以增强系统的可扩展性，建立统一规范的底层交互平台。要完成支撑服务平台首先需要设计并实现跨平台的通用网络通信平台，以提高操作系统平台数据交换的可靠性；基于此，建立统一的数据接口以实现系统数据传输的规范化；实现并提供统一的数据库访问接口，上层服务或应用可以通过这一接口透明访问应用系统需要的实时数据库和历史数据库数据[7]。

3.2专用平台层的实现

专用平台层的实现是以支撑服务层为基础的，支撑服务层为专用平台层提供数据基础以及相关服务支持。该层包含了各主要功能模块，由于篇幅的限制，现仅对合环回路单线图的功能实现进行阐述。

为了能够在核心合环计算(包含实时态与研究态)的Web界面更直观地呈现合环计算的相关数据，该系统实现了基于CIM/SVG/XML的合环回路单线图的自动生成功能。它的实现需要各种技术的支持，包括SVG技术、统一建模语言(unified modeling language，UML)技术、接口技术、Web开发技术、结构化查询语句(structured query language，SQL)技术等。

3.3应用层的实现

在支撑服务层与公共服务层基础上，根据业务功能按规范开发了在线安全合环辅助决策系统中的各个功能模块，实现了合环回路单线图的自动生成、合环相关计算与校验的Web界面显示、生成DOC格式合环分析报告等，能够在统一平台上有机整合，且协同有序地为合环辅助决策系统服务。

4系统应用实例

目前，该系统已用于珠海电网，经过实际应用不断完善，该系统能够很好地对合环操作起到辅助决策作用。

本实例选取新沙乙线新城支线1号塔1T1开关为合环开关，选用系统的实时态合环计算界面如图6所示，根据该系统界面显示的稳态电流的有效值与冲击电流的最大值跟实际测量结果进行比较，结果见表1。

图6　系统实时态合环计算界面

表1合环电流计算结果比较

参数实际测量/A系统显示/A误差/%稳态电流有效值166.2164.3-1.1冲击电流最大值200.4196.8-1.8

由表1的数据分析可以得到该系统模拟计算出来的合环电流具有较高的精确度，满足工程应用需要。

依据该系统Web界面显示的合环安全校验结果，合环开关的合环成功率有比较明显的提高。投放该系统后，与没投放系统前比较，投放系统后统计出来的成功合环次数与总合环次数(包含失败的合环)的比例提高了12.1%，即提高了合环的成功率，也就是说该系统的投放对合环的辅助决策有显著的作用。

与此同时，还对系统的实时性进行了追踪。由于对大量数据的获取、存储、计算需要一定的时间，通过跟踪计时，该系统完成所有计算需要的时间是13 s，可以认为该系统基本满足实时性。

5结束语

目前，本文研究成果已在某地区供电局得到很好的调试效果，并且最终得以应用。经过工程实践与系统的不断完善，系统不断扩展、优化，顺利实现了配电网在线合环辅助决策。结合系统的现场试验验证，充分证明该系统能够基于实时数据进行在线分析，较高精度地计算合环电流。结合校验结果，可以对合环开关能否合环提供清晰的辅助决策依据，现场的运行情况表明，该系统设计精确可靠、合理可行、有时效性，能提高合环操作成功率，最终有效提高配电网的供电可靠性。

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裴星宇(1982)，男，贵州贵阳人。工程师，工程硕士，主要从事电力系统运行分析与控制方面的工作。

梁飞强(1988)，男，湖北咸宁人。在读硕士研究生，研究方向为电力系统运行分析与控制。

翁奕珊(1964)，女，广东潮阳人。高级工程师，工学学士，主要从事电力系统运行分析与设备管理工作。

(编辑彭艳)

Design and Realization of Online Closed-loop Aided Decision-making System for

10 kV Power Distribution Network

PEI Xingyu1, LIANG Feiqiang2, WENG Yishan1, PENG Xiangang2, WANG Xinghua2

(1. Zhuhai Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid, Zhuhai, Guangdong 519000,China; 2. School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510006, China)

Abstract：In order to avoid large impact current probably caused by closed-loop operation of power distribution network which may cause malfunction of protective devices or elements over-loading, thereby affect safe and stable operation of the power grid, this paper proposes and realizes an online closed-loop aided decision-making system for 10 kV power distribution network. Firstly according to system demands, it analyzes and designs each modularized function of the system, function flow diagram, closed-loop operation decision-making scheme, database, hierarchical structure of the software. Secondly, starting from hierarchical structure scheme for the system software, it provides detailed realization of supporting service layer, dedicated platform layer and application layer. Finally, it verifies veracity and timeliness of this system by means of application examples.

Key words：power distribution network; closed-loop operation; decision-making system; function module; hierarchical structure

作者简介：

中图分类号：TM744

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)01-0058-07

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.01.012

基金项目：中国南方电网有限责任公司科技项目(K-GD2014-0891)

收稿日期：2015-07-14修回日期：2015-10-08