基于靈活組網(wǎng)的智能配電自動化檢測系統(tǒng)

周建華, 朱衛(wèi)平, 孫 健, 凌萬水, 賈萌萌, 稽文路

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院, 江蘇省南京市 210013; 2. 上海金智晟東電力科技有限公司, 上海市 200233; 3. 國網(wǎng)南京供電公司, 江蘇省南京市 210019)

基于靈活組網(wǎng)的智能配電自動化檢測系統(tǒng)

周建華1, 朱衛(wèi)平1, 孫 健1, 凌萬水2, 賈萌萌1, 稽文路3

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院, 江蘇省南京市 210013; 2. 上海金智晟東電力科技有限公司, 上海市 200233; 3. 國網(wǎng)南京供電公司, 江蘇省南京市 210019)

針對傳統(tǒng)配電自動化系統(tǒng)檢測面臨的測試效率低、測試結(jié)果不可信等,設(shè)計了依托公共網(wǎng)絡(luò)、依托自建網(wǎng)絡(luò)、分階段逐層遞進等檢測方案,研究了基于靈活組網(wǎng)方式下的終端注入、不停電、主動干擾、場景重現(xiàn)和系統(tǒng)集成等技術(shù)?，F(xiàn)場檢測結(jié)果表明:與其他同類檢測手段相比,基于靈活組網(wǎng)方式下的智能檢測系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)干擾仿真測試,降低現(xiàn)場協(xié)調(diào)難度和檢測時間,提高配電系統(tǒng)的智能水平和運行可靠性。

靈活組網(wǎng); 智能配電; 配電自動化系統(tǒng); 現(xiàn)場檢測

0 引言

近年來,國家能源局、電網(wǎng)公司陸續(xù)出臺一系列關(guān)于配電網(wǎng)升級改造的行動計劃或文件,明確指出配電自動化(DA)將在全國范圍內(nèi)逐步推廣應(yīng)用[1-2]。為確保DA系統(tǒng)在正常運行及各種事故工況下實現(xiàn)可靠監(jiān)測、保護、控制和配電管理,如何開展系統(tǒng)性的檢測,成為業(yè)內(nèi)面臨的迫切問題[3-5]。DA檢測,通常是指基于通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù),通過采集梳理各種預(yù)想工況下配電網(wǎng)設(shè)備的在線/離線數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)、網(wǎng)架拓撲數(shù)據(jù)等,進行分析判斷DA能否正?？煽窟\行的一項專業(yè)測試工作[1,6]。

目前,對于DA系統(tǒng)的檢測,主要是利用繼電保護測試儀開展離線式接力仿真測試,主要包括以下幾類[6-8]:一是僅對配電終端設(shè)備,開展電磁兼容和三遙功能檢測;二是僅對主站,采用主站注入法配合標(biāo)準(zhǔn)模型庫的方式開展檢測;三是結(jié)合前兩類,分別開展配電終端設(shè)備和主站檢測。

上述幾類檢測,雖然解決了配電主站與終端的電磁兼容、功能測試及三遙檢測等基本問題,但檢測的效果和效率受制于以下因素。

1)DA終端數(shù)量眾多,大量設(shè)備安裝在戶外,設(shè)備損壞、通信中斷等情況時有發(fā)生[9-10]。

2)配網(wǎng)線路改建、擴建及運行方式的調(diào)整,聯(lián)絡(luò)開關(guān)經(jīng)常發(fā)生切換[11-12]。

3)饋線上多個監(jiān)測點的電氣數(shù)據(jù)需要時序與潮流上的配合[13-14]。

4)受制于通道建設(shè)、調(diào)試同步性差、通信聯(lián)調(diào)配合難、通信設(shè)備無電源等問題,在線路送電前,無法開展全線測試,DA的核心功能往往無法投入運行,而在線路送電后,開展全線停電測試則更為困難[15-16]。

這就使得開展實際現(xiàn)場測試時,需要頻繁地溝通、協(xié)調(diào)、拆/接線,不僅耗費大量的人力、物力,而且測試效率也非常低,無法實現(xiàn)真實可信的測試效果。并且,檢測過程中的頻繁停電操作,客觀上又降低了供電可靠性,違背了實施DA的初衷。

為提高DA系統(tǒng)的測試效率和測試結(jié)果可信度,基于終端注入、不停電、主動干擾、場景重現(xiàn)和系統(tǒng)集成等先進技術(shù),項目組研發(fā)了一套基于靈活組網(wǎng)的智能DA檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過簡單靈活的組網(wǎng)方式,在提高檢測效率的同時,解決了DA系統(tǒng)傳統(tǒng)測試中面臨的技術(shù)難度大、停電時間長、測試不全面等難題。

1 檢測方案設(shè)計

按照通信信號是否穩(wěn)定可靠,DA系統(tǒng)測試區(qū)域一般可分為兩類。一類是靠近城鎮(zhèn)中心區(qū)域的老舊配網(wǎng)改擴建區(qū)域,另一類是偏遠地區(qū)的配網(wǎng)新建區(qū)域。

基于靈活組網(wǎng)的智能DA檢測系統(tǒng),在現(xiàn)場通信信號穩(wěn)定可靠的情況下,依托公共網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場所有終端設(shè)備連接起來,實現(xiàn)對DA系統(tǒng)的測試;在現(xiàn)場通信信號穩(wěn)定可靠性較低的情況下,則通過預(yù)制多點同步案例,依托自建網(wǎng)絡(luò)開展測試。此外,針對通信中斷、運行方式調(diào)整、潮流時序配合困難等現(xiàn)場突發(fā)情況,智能DA檢測系統(tǒng)還采用參數(shù)模型測試、主站故障測試、現(xiàn)場三遙測試、不停電測試和全局性測試作為補充,來分階段逐層遞進完成整個測試工作。

1.1 依托公共網(wǎng)絡(luò)的DA測試

如圖1所示,依托公共網(wǎng)絡(luò)的DA測試,主要依靠饋線終端設(shè)備(FTU)、饋線自動化(FA)測試儀與測試工作站之間的協(xié)調(diào)來完成。中斷與現(xiàn)場開關(guān)的連接后,FTU轉(zhuǎn)接到FA測試儀上,再通過公共網(wǎng)絡(luò),全部連接到測試工作站。每臺FA測試儀均與配電網(wǎng)運行仿真系統(tǒng)保持實時通信,接收仿真系統(tǒng)傳遞的電氣數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)通過端子輸出給FTU,同時接受FTU的動作指令,回傳給仿真系統(tǒng)。配電網(wǎng)運行仿真系統(tǒng)根據(jù)動作指令以及開關(guān)動作策略改變開關(guān)狀態(tài),并重新計算整個配電系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù),再反饋給所有的FA測試儀。

圖1 依托公共網(wǎng)絡(luò)的DA測試數(shù)據(jù)流圖Fig.1 Data flow of DA testing by public network

1.2 依托自建網(wǎng)絡(luò)的DA測試

與公共網(wǎng)絡(luò)相比,依托自建網(wǎng)絡(luò)的DA測試,在系統(tǒng)組成方面,少了網(wǎng)絡(luò)組件,添加了斷面生成工具;在數(shù)據(jù)流上,沒有了基于網(wǎng)絡(luò)的實時數(shù)據(jù)傳遞,替代的是離線、預(yù)設(shè)的故障特性數(shù)據(jù)。

如圖2所示,依托自建網(wǎng)絡(luò)的DA測試基本原理是:基于配電網(wǎng)故障特性,依據(jù)待測配電網(wǎng)絡(luò)的拓撲關(guān)系與測試方案,將測試方案中各個測試用例對應(yīng)各個開關(guān)(監(jiān)測與控制點)的狀態(tài)序列預(yù)置到測試儀器中,在各臺測試儀保持精確時鐘的前提下,確定一個啟動時間,所有測試儀同時啟動測試,按照相同的測試用例切換原則與結(jié)束原則,自動對所有案例進行測試,實現(xiàn)對配電網(wǎng)故障場景的仿真。

圖2 依托自建網(wǎng)絡(luò)的DA測試數(shù)據(jù)流圖Fig.2 Data flow of DA testing by self-building network

1.3 分階段逐層遞進的DA測試

考慮到部分工況下,DA系統(tǒng)現(xiàn)場檢測不能夠在同一連續(xù)時間周期內(nèi)完成所有測試步驟。為此,項目組設(shè)計了一種分階段逐層遞進的DA測試方案。主要涵蓋以下幾個步驟。

步驟1:參數(shù)模型測試。測試時,首先采用DA系統(tǒng)的模型導(dǎo)入工具對模型進行檢查,主要檢查模型的完整性、連通性,然后結(jié)合實時數(shù)據(jù),對已加裝DA系統(tǒng)的線路開展網(wǎng)絡(luò)拓撲實時分析,檢查線路拓撲與現(xiàn)場工況的一致性。

步驟2:主站故障測試。測試時,所有參數(shù)(包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)拓撲、圖形等)全部調(diào)整到位,首先啟動DA系統(tǒng)的故障模擬程序開展內(nèi)部測試,然后以規(guī)約注入的方式,利用FA仿真測試軟件完成對系統(tǒng)故障處理能力的測試。

步驟3:現(xiàn)場三遙測試。測試時,對應(yīng)所有終端參數(shù)應(yīng)配置完成,DA系統(tǒng)也應(yīng)已配置好終端的所有數(shù)據(jù)點參數(shù),通過繼電保護測試儀開展逐點檢測。開展本項測試時,所有測試終端將會停電,僅需要DA系統(tǒng)主站、終端、通信配合完成即可。

步驟4:不停電測試。測試時,采用繼電保護測試儀仿真開關(guān)的所有電氣參數(shù),解決終端、通信、主站之間參數(shù)的協(xié)調(diào)性、一致性問題。大量現(xiàn)場實踐表明,這是最為復(fù)雜,最為艱難,也是檢查出問題最多的環(huán)節(jié)。

步驟5:全局性測試。在完成前述4階段測試后,需要對典型故障進行全局性測試,測試范圍是從開關(guān)到配電網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)器之間的整個系統(tǒng)。該階段是DA系統(tǒng)投運前最后的測試環(huán)節(jié),若發(fā)現(xiàn)問題,需重新執(zhí)行前面的所有測試步驟。

2 關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

2.1 終端注入技術(shù)

終端注入技術(shù),是指在配電終端或繼電保護二次端子上直接注入變化的電氣數(shù)據(jù)(如電壓、電流輸出,開關(guān)輔助觸點、刀閘輔助觸點,通信信號等),通過DA現(xiàn)場測試終端來實現(xiàn)這些模擬量與開關(guān)量的輸出[17]。

對于配電終端與繼電保護而言,盡管DA的算法與模式多種多樣,二次設(shè)備的通信方式也不同,但一次網(wǎng)絡(luò)遭受故障的電氣特征是一致的,因此,終端注入技術(shù)可以最大程度地仿真所有配電網(wǎng)絡(luò)的故障,可以測試所有類型的DA工作模式。

2.2 不停電技術(shù)

不停電技術(shù),是將功率源、開關(guān)狀態(tài)模擬器加以集成,通過模擬DA檢測所需各種信號的輸入輸出而實現(xiàn)[8]。

作為不停電技術(shù)檢測的核心設(shè)備,數(shù)字信號控制器通過采集各種狀態(tài)輸入的現(xiàn)場控制信號,可產(chǎn)生電流/電壓模擬量,以及用于模擬現(xiàn)場開關(guān)、接地刀、遠方就地開關(guān)以及其他智能裝置的輸出數(shù)字信號,并且能夠通過串行通信或者網(wǎng)絡(luò)通信口與DA系統(tǒng)通信。檢測系統(tǒng)的人機接口設(shè)有觸摸屏和維護口,輸入輸出信號線均采用航空插頭,可方便地將現(xiàn)場設(shè)備的插頭直接轉(zhuǎn)插過來,簡化現(xiàn)場接線工作量。

2.3 主動干擾技術(shù)

主動干擾技術(shù),是指通過人為模擬非理想運行狀況下的各種現(xiàn)場突發(fā)狀況,如通信中斷、斷路器拒動、誤動等,進而測試DA系統(tǒng)能否正確、可靠工作的一項測試技術(shù)[18]。

主動干擾檢測是通過主動干擾發(fā)生器實現(xiàn)的。該發(fā)生器以單片機為核心,可模擬通信中斷、開關(guān)拒動、開關(guān)慢動等場景,通過主動施加各種干擾措施,進而實現(xiàn)了對DA系統(tǒng)更全面的測試。

2.4 場景重現(xiàn)技術(shù)

現(xiàn)場測試時,如果發(fā)現(xiàn)被測DA系統(tǒng)有異常,則需要進行案例回顧。為盡可能提高供電可靠性,減少停電時間,案例回顧往往難以采用多次驗證,或者再次測試等方式進行,需要基于已有的測試數(shù)據(jù)進行反向分析,以查找被測DA系統(tǒng)發(fā)生異常的原因[19]。

場景重現(xiàn)技術(shù),就是基于測試數(shù)據(jù)的發(fā)生原理,利用關(guān)鍵性時間數(shù)據(jù),重新生成測試過程數(shù)據(jù),進而實現(xiàn)對測試場景的重現(xiàn)。

2.5 系統(tǒng)集成技術(shù)

如圖3所示,基于靈活組網(wǎng)的智能DA檢測系統(tǒng),由1套測試指揮系統(tǒng)和若干臺移動測試小車組成,可分別依托公共網(wǎng)絡(luò)和自建網(wǎng)絡(luò)開展測試。

測試指揮系統(tǒng),是DA系統(tǒng)測試的核心部件,具備被測配電線路建模、DA測試過程控制與記錄功能。每臺移動測試小車,均集成了1套模擬型FA測試儀和1套移動電源。每套移動電源除了可提供交流220 V電壓輸出外,還可以提供48 V和24 V的直流輸出。

圖3 智能DA檢測系統(tǒng)Fig.3 Intelligent DA detection system

3 工程應(yīng)用

3.1 實際現(xiàn)場檢測

系統(tǒng)自研發(fā)以來,已經(jīng)在揚州、南京等地開展了一系列的DA檢測工作。如附錄A圖A1所示,以在揚州瓊花變與石塔變之間開展的測試為例,主要分以下幾個步驟展開。

步驟1:指定淮海南路1號環(huán)網(wǎng)柜102作為主干聯(lián)絡(luò)開關(guān),隨機選擇9個節(jié)點作為故障點,分別測試智能分布式FA和主站集中式FA是否按設(shè)計預(yù)期處理故障。

步驟2:指定西門開關(guān)站101作為主干聯(lián)絡(luò)開關(guān),隨機選擇1個節(jié)點作為故障點,分別測試智能分布式FA和主站集中式FA是否按設(shè)計預(yù)期處理故障。

步驟3:模擬石塔變西門1號線電源檢修,將西門開關(guān)站101打到“就地”時,測試在西門開關(guān)站101合閘失敗后,智能分布式FA是否會去合西門開關(guān)站母聯(lián)110A。

測試過程中,技術(shù)人員開展了配電網(wǎng)終端及主站間的通信測試,主站集中式FA單獨運行時故障隔離以及恢復(fù)測試,智能分布式FA單獨運行時故障隔離以及恢復(fù)測試,智能分布式與主站集中式FA同時運行時的故障隔離以及恢復(fù)測試,及時發(fā)現(xiàn)并校核了部分配電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)柜中設(shè)備參數(shù)配置的錯誤,重點解決了DA操作機構(gòu)、配電終端與配電主站之間的時序配合問題。

某日,該地區(qū)發(fā)生單線接地故障,經(jīng)本系統(tǒng)平臺檢測完善后的DA系統(tǒng)隨之成功實現(xiàn)故障隔離、非故障區(qū)自動恢復(fù)供電等預(yù)期目標(biāo)。

3.2 性能指標(biāo)比較

本測試系統(tǒng)的研發(fā),促進了DA系統(tǒng)的進一步推廣和應(yīng)用?，F(xiàn)場檢測效果表明,該系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)并解決DA系統(tǒng)的各種隱患,為DA系統(tǒng)與設(shè)備的可靠運行、管理與維護提供了技術(shù)支撐。

功能性方面,與其他同類檢測手段相比,本檢測系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢,具體如表1所示。

表1 與其他同類測試手段功能性指標(biāo)比對Table 1 Comparing with functional indices of other testing programs

經(jīng)濟性方面,以在南京開展12條配電線路測試為例加以說明。采用本測試系統(tǒng)產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益,主要體現(xiàn)在電網(wǎng)公司檢測人力成本降低,以及因少停電而多供的電量。經(jīng)測算,人力成本降低約2.16萬元,因少停電而多供的電量約3.21萬元。間接經(jīng)濟效益主要體現(xiàn)在因采用本測試系統(tǒng)而提高DA系統(tǒng)供電可靠性,進而提升供電服務(wù)質(zhì)量和供電服務(wù)滿意度方面而創(chuàng)造的經(jīng)濟價值。經(jīng)測算,間接產(chǎn)生的經(jīng)濟效益約為30.84萬元。

4 結(jié)語

基于靈活組網(wǎng)的智能DA測試技術(shù),能夠滿足不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的測試要求,并依據(jù)不同工況要求,分階段逐層遞進地推進每項測試環(huán)節(jié),目前已在多地推廣應(yīng)用。該測試技術(shù)解決了投運前DA系統(tǒng)的技術(shù)驗證和投運后DA系統(tǒng)長期有效運維的難題,降低了多個測試地點的協(xié)調(diào)難度和現(xiàn)場測試時間,提高了配電網(wǎng)的智能水平和運行可靠性,具備較好的推廣條件和應(yīng)用前景。

后續(xù),根據(jù)現(xiàn)場工作環(huán)境的實際需求和終端設(shè)備的計算處理能力,可適當(dāng)開發(fā)小型化、手持式的便攜式測試裝置,以期在滿足現(xiàn)場檢測的前提下,進一步增強現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)性和操作靈活性。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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Automatic Detection System of Smart Distribution System Based on Flexible Network Configuration

ZHOUJianhua1,ZHUWeiping1,SUNJian1,LINGWanshui2,JIAMengmeng1,JIWenlu3

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Corporation, Nanjing 210013, China; 2. Shanghai Wiscom Sunest Electric Power Technology Co. Ltd., Shanghai 200233, China; 3. State Grid Nanjing Power Supply Company, Nanjing 210019, China)

In view of low efficiency, poor accuracy of traditional distribution automation system detection, some detection schemes are developed according to public and self-built network and implemented step by step. On the basis of flexible network configuration, advanced techniques, such as terminal injection, uninterrupted power, active interference, scenario reproduction are studied. Field detection shows that: compared with other testing programs, the detection schemes supported by flexible network configuration can realize sustainable interference simulation detection and successfully reduce detection coordination difficulty and detection time, while improving distribution system intelligence level and operational reliability.

flexible network configuration; smart distribution; distribution automation system; field detection

2016-12-23;

2017-03-20。

上網(wǎng)日期: 2017-07-14。

周建華(1983—),男,通信作者,博士,主要研究方向:智能配用電。E-mail：zhoujianhua83@126.com

朱衛(wèi)平(1983—),男,博士,主要研究方向:電網(wǎng)及新能源接入運行分析。E-mail: 15105173955@163.com

孫 健(1978—),男,碩士,主要研究方向:配電網(wǎng)。E-mail: eprisunjian@163.com

(編輯 代長振)