基于能源互联网大数据云平台的主配协同安全稳定与自愈控制技术应用

罗金龙，王 杰，宁 楠，贾 波，杨政校，孙睿择，陈 元

(1. 贵州电网有限责任公司贵安供电局，贵州 贵安550025;2.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)

随着“碳达峰，碳中和”目标的提出，以及“构建以新能源为主体的新型电力系统”重要方针政策的制定，我国能源领域特别是电力系统将面临深刻变革[1-3]。以电能为中心，通过先进信息通信技术、控制技术与能源技术深度融合应用的能源互联网技术，将是新型电力系统构建过程中的重要实施路径。

配电网作为电力系统的“最后一公里”以及能源供应面向终端用户的重要环节，对提高和改善用户用能体验起到重要作用。随着分布式电源以及储能、充电桩等设备大量接入配电网，使得配电网由传统的单电源辐射状变为多电源复杂网络，将对配电网的运行特性、保护配置、故障隔离和自愈方式等带来诸多挑战[4-6]。目前国内外对上述内容开展了广泛的研究，主要集中在：对分布式电源的故障特性分析以及分布式电源接入对配电网保护产生的不利影响[7-10]；通过广域差动保护，构建网络化的配电网保护，并借助智能分布式配网终端和5G技术，实现配电网的快速故障隔离及自愈[11-15]等。

本文利用能源互联网在信息采集和共享方面的巨大优势，提出了一种基于能源互联网大数据云平台的主配协同安全稳定与自愈控制技术，并给出了系统的架构设计方案，通过在贵安新区的相关应用试点，验证了该技术在配电网中应用的可行性，为能源互联网广泛应用条件下配电网的安全运行提供了有效借鉴，并提出了该技术应用过程中与现有配网自动化以及继电保护手段的协调配合建议。

1 主配协同的安全稳定与自愈控制技术概述

1.1 主配协同安稳与自愈控制理念

与能源互联网系统相类似的电力系统，在成熟运行经验的基础上建立起了以“三道防线”为核心的电力系统安全稳定防御体系[16]，GB 38755-2019《电力系统安全稳定导则》中将此体系以电力系统承受大扰动能力作为安全稳定标准，并划分为三个等级：

(1)第一级标准：保持稳定运行和电网的正常供电。

(2)第二级标准：保持稳定运行，但允许损失部分负荷。

(3)第三级标准：当系统不能保持稳定运行时，必须尽量防止系统崩溃并减少负荷损失。

传统的三级稳定标准主要面向大电网运行和稳定控制，并不关注配电网层面的相关运行问题，然而随着配电网层面接入的分布式电源和储能等设施的渗透率提高，一方面，配电网对于主网而言，不再是单纯的能可靠预测的负荷侧，而是呈现源↔荷动态变化的多元状态，在某些情况下，参与主网的安全稳定控制是具有一定价值的；另一方面，主网对于配电网而言，不再是单一的电网和系统支撑侧，局部配电网在某些情况下，完全具有在一定时期内单独运行的能力，即构成某一局部微电网运行。

因此，在此基础上，借鉴电力系统的“三道防线”理念，可以提出类似的主配协同的配网侧稳定运行“三级标准”：

(1)第一级：通过可靠快速的就地保护和全区域速动的网络化区域保护，快速切除概率较高的单一故障，确保配电网稳定运行并最大程度保证配网正常供电。

(2)第二级：通过网络化的故障定位和隔离手段，并采用低频低压减载、过频过压切机、线路过载联切负荷等手段，实现故障快速隔离和自愈，并切除一部分无法稳定运行的元件，维持正常供电的配电网的稳定运行。

(3)第三级：当出现概率很低的配电网多重、严重故障或者主网供电中断时，通过局部配电网构成微网主动解列的方式，防止局部配电网系统崩溃并尽量减少负荷损失。在故障消除以及主网恢复正常后，通过再并列恢复控制，实现配电网的恢复正常运行。

图1 主配协同的安全稳定与自愈控制“三级标准”体系Fig.1 System of “three level standard” for safety, stability and self healing control with transmission and distribution coordination

1.2 主要关键技术

实现上述主配协同的安稳和自愈控制，需以构建快速描述主配网拓扑结构模型并能自适应为前提，并利用自适应动态拓扑的保护技术，实现差异化的跳闸动作行为和自适应的重构，需要用到以下关键技术：

(1)主配网拓扑描述与解析。该技术需基于图论模型对电网动态结构进行建模表征，通过建立主配网合理统一的配置描述文件，从某些节点开始(一般而言为主配之间的主网供电变电站出线开关)，进行配电网一次设备关联信息的描述，关键信息包括Substation(变电站)、PowerTransformer(变压器)、Voltagelevel(电压等级)、Bay(间隔)、ConnectivityNode(连接点)、ConductingEquipment(导电设备)、接线端子(Terminal)及LNode(逻辑节点)等。拓扑连接关系的建立通过对SSD文件进行解析来获取，并对运行状态下的网络拓扑进行分析从而实时修正，快速生成电网一次的网络拓扑，完成对主配网拓扑结构的实时分析识别。

(2)适应动态拓扑的就地和网络保护技术。配电网开关状态可以直接反映运行接线的变化，通过Dijkstra算法，得到不同开关之间的距离，用于描述任意两组开关之间串联的元件数目。若在配电网各节点设置相应终端，依托主站可实现配电网保护控制与定点电流采样的关联解耦以及与定点开关操作的关联解耦，实现就地和网络拓扑保护，进而实现配电网最小切除区和最小隔离区的确定。

(3)考虑恢复效益最大化的自适应重构和微电网解列、再并网控制技术。通过对维持正常供电所需负荷以及具备转供条件的电源点容量的评估计算，进行两者的匹配，结合自适应拓扑分析功能，形成最优的故障情况复电路径搜索分析，并生成恢复效益最大化的自适应重构策略；选取合适的解列点，通过P-f下垂控制等控制策略实现局部微网的解列运行和再并网控制[17-21]。

2 基于能源互联网大数据云平台的系统设计方案

2.1 能源互联网大数据云平台整体构架

能源互联网大数据云平台由终端层、平台层和应用层三层结构构成。与传统电网EMS系统区别在于，终端层接入对象可包括各种终端能源，如充电桩、建筑或园区内的水、热、气等；平台层主要基于大数据和云技术，通过中心数据库、烟囱架构、微服务架构的开发模式，提供快速和灵活的响应，并为应用层提供可靠和安全的数据及平台支撑；应用层可以根据实际需求，采用模块化方式部署各类应用[22-24]。以贵安新区建设的能源互联网运行控制平台项目为例，该平台建设了主配协同的安稳与自愈控制、多网多主体协同优化决策、智能运维、智慧用能共4个功能应用模块，贵安能源互联网大数据云平台整体构架如图2所示。

从系统内部功能层次而言，平台设计为“六横一纵”的框架，“六横”从底向上依次为资源层、通用平台层、业务平台层、服务层、访问层、应用层，“一纵”为实现DevOps和数据治理的管理平台。

图3 贵安能源互联网大数据云平台功能框架Fig.3 Functional framework of Gui’an energy Internet big data cloud platform

2.2 基于能源互联网大数据云平台的安稳及自愈控制系统层级与架构设计

2.2.1 总体架构

依托能源互联网大数据云平台构建的主配协同安稳自愈控制系统，总体架构可以分为主站层、子站层、通讯层、终端间隔层4层结构，如下图所示：

图4 基于能源互联网大数据云平台的安稳及自愈控制系统总体架构图Fig.4 Overall architecture of stability and self healing control system based on energy Internet big data cloud platform

2.2.2 主站层

主站层可作为一个功能模块集成于能源互联网大数据云平台之中，通过大数据云平台与现有的主网及配网OCS系统采集主网及配网模型和实时数据。通过通信方式获取终端间隔层的采集信息，结合主配网数据，完成对接入终端乃至整个主配网拓扑结构的实时分析识别。

主站层功能侧重于主网和配网的协同管控，即在上述分析识别的基础上，决策出主网所需的配网侧切机切负荷命令，并下发至子站层，以及子站闭锁信号的下发与解除，同时可实现对子站层的远程控制与管理、展示。

2.2.3 子站层

配网网络化速动保护、重构自愈、频率及电压控制等核心功能均部署在子站层，主要实现部署区域内的配电网信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化的基本要求。通过系统集成优化，达到部署区域内终端的信息统一接入、统一存储和统一上送的目的，实现保护、运行监视、操作与控制、信息综合分析及智能告警、运行管理等功能。同时，子站通过通信网络与主站实时进行信息交互，完成信息的上传与控制及闭锁命令的接收。

2.2.4 通讯层

通讯层主要通过光纤通信网络，实现终端层与子站层、子站层与主站层的通信互联，保证系统间电力数据传输与交互的实时性和可靠性，从而实现可靠与稳定的主配协同的保护、安稳及自愈控制。

光纤通信网络分为终端至子站网络，子站至主站网络，其中子站至主站网络一般借助配电网现有通信网，目前配网中广泛应用的以太无源光网络(EPON)或工业交换机网络等均能满足要求[25-27]。而终端至子站网络，一般均随新增终端同步建设，多采用专用光纤，为提高可靠性，推荐采用光纤环网结构。

整个系统的对时功能均借助通信网络完成，网络对时采用自身SNTP协议，SV采样同步采用基于交换机数据传输延时测量的解决方案。

2.2.5 终端间隔层

终端间隔层设备主要包括一体化智能终端，作为安全稳定与自愈控制系统的重要组成部分，承担着信息采集、故障检测、信息上送、控制命令的接受与执行等功能。就地智能终端内部由合并单元模块、执行单元模块、保护单元模块构成，并具有终端自检和通信及对时功能。

3 测试系统搭建及测试结论

3.1 测试试验系统

为验证上述主配协同的安稳与自愈控制系统的动作正确性和其他特性，搭建如图5所示的测试系统。系统由4面环网柜构成，2路电源构成“1供1备”，N2及N3环网柜负荷侧接有分布式光伏及风电。正常情况下，该手拉手环网供电结构开口点位于SW5开关处。

图5 主配协同的安稳与自愈控制系统测试模型Fig.5 Test model of stability and self-healing control system based on transmission and distribution coordination

试验模型参数参考贵安A类负荷地区110kV变电站及户外环网柜实际情况设定，具体如表1～表3所示。

表1 测试试验系统电源参数Tab.1 Power parameters of test system

表2 测试试验系统线路参数Tab.2 Line parameters of test system

表3 测试试验系统负荷参数Tab.3 Load parameters of test system

测试系统各定值参数按如下值进行整定：系统跳闸时间定值为0.01s，隔离等待时间间隔为0.3s；电源及负荷过流保护I段时间定值均为0.01s，零序过流保护I段时间定值均为0.10s。

3.2 主要测试结论

在系统正常运行情况下，模拟K1～K11发生故障，检查装置的动作情况，故障类型包括单相接地、两相接地、两相短路和三相短路。具体动作情况如表4所示：

根据上述测试结果可知，在测试系统环网柜母线、线路、负荷侧、分布式电源侧的各类故障情况下，本安稳与自愈控制系统均能正确切除、隔离故障并完成网络自愈，各项指标满足配网相间故障保护出口≤100ms，单相接地故障保护出口≤300ms，非故障段配网自愈时间≤60s的要求。

4 示范点建设方案简介

为了满足贵安配电网对供电高可靠性以及分布式电源、CCHP(冷热电三联供)等的接入需求，依托贵安国家级新区建设“智慧低碳新区”和“能源互联网示范基地”的建设，在贵安新区开展了基于能源互联网大数据云平台主配协同安稳及自愈控制技术的示范建设。为适应配电网故障隔离自愈和主配协同的安稳两方面需求，选取了两个典型区域开展了示范点建设。

4.1 示范点基本情况

(1)示范点1-电子信息产业园

表4 测试试验系统动作情况Tab.4 The action results of the test system

续表4

贵安电子信息产业园配电网结构为典型的放射型结构，该示范点共由8面环网柜组成，其中部分环网柜规划有燃气发电、光伏、风电、充电桩等分布式电源接入(目前暂未投运)，环网柜均为2进4出，进线为断路器，出线为负荷开关。示范点1的电气一次拓扑如下图所示。

图6 示范点1-电子信息产业园一次拓扑图Fig.6 Primary topological graph of demonstration site 1-Electronic Information Industrial Park

(2)示范点2-高端装备制造产业园

贵安高端装备制造产业园配电网结构为典型的手拉手环网结构，该示范点共由15面环网柜组成，由于有5面环网柜内部未配置PT、开关未配置电操机构，且无法通过改造更换，达不到远方监控及远程控制的要求，因此在构建本示范点模型以及实际建设时，将这5面环网柜作为线路来“直线”处理，该“直线”区域内的任一环网柜内部处故障即视为整个区域故障，系统对该整体区域进行故障跳闸与隔离。示范点2的电气一次拓扑如下图所示，其中打虚线框的为需进行“直线”处理的环网柜。

图7 示范点2-高端装备制造产业园一次拓扑图Fig.7 Primary topological graph of demonstration site 2-High end equipment manufacturing Industrial Park

4.2 示范点主要建设方案

按2.2节所述，以上两个示范点均采用终端层、通信层、子站层、主站层的构架进行系统建设。其中主站层为内置在贵安能源互联网大数据云平台系统中的主配协同安稳及自愈控制功能模块；两个示范点的子站层均设置在110kV磊庄变，配置2面子站设备屏；在示范点1以及示范点2各环网柜间敷设光缆，并在环网柜旁设置安稳及自愈系统终端柜，内含终端及交换机，通过柜间光缆构成通信环网。子站设备屏通过贵安配网现有的工业交换机网络接入主站侧，完成终端信息的上传及主站相关命令的下发。

此外，为满足示范方案的建设，需对2个示范点现有环网柜进行必要的改造，主要包括：

(1)与安稳及自愈策略相关的开关，应具备电操机构，无电操机构的应进行改造；

(2)各环网柜内开关、隔离刀闸、地刀应具有备用辅助接点，安稳及自愈系统需接入相关辅助接点信号；

(3)各环网柜应配置有PT，用于给终端柜供应正常工作电源，无PT的需进行加装。

4.3 与现有主配相关系统的运行协调配合方案

对于试点区域，配电网同时具有原环网柜上安装的就地保护以及安稳及自愈系统的就地+网络保护两重功能；此外，若环网柜已实现了配电自动化，一般还配置有DTU等配电自动化设备，配电自动化主站一般也具有故障自愈FA功能以及三遥功能。因此，试点区域存在有与原有保护协调配合以及与配电自动化协调配合两个问题。

考虑到保护对可靠性的要求，安稳及自愈系统的就地及网络保护，与环网柜已有的就地保护，均投入使用，互为近后备。

但现有的配电自动化FA及三遥功能和安稳及自愈系统，由于网架整体的运行状态对各自逻辑有较大影响，因此正常情况下应只使用其中一个主站的自愈和相关远方功能，具体是在环网柜处通过远方就地转换开关以及DTU和安稳自愈系统终端的压板的投退来实现。

5 结语

能源互联网以能源流、业务流、数据/信息流的深度融合为基本特征，在此背景下，高可靠供电以及分布式电源广泛接入背景下的配电网运行面临一定的挑战。另一方面，能源互联网提供的全景信息和数据，又为以上问题的解决提供了良好的基础条件。本文基于能源互联网大数据云平台的信息共享机制，并借鉴电力系统主网的“三道防线”理念，以主配协同的配网侧稳定运行“三级标准”为出发点，对该主配协同的安稳及自愈控制系统的关键技术和系统实施方案进行了详细阐述，并通过搭建典型配网网架对该技术进行了测试，结果表明能够满足各项指标要求。目前，已经在贵安新区进行了两个示范点的建设，通过相关试验示范，将对该技术的推广应用具有很强的示范和参考价值。