城市配電網(wǎng)自愈系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

逯懷東，王思源，武剛，張聰，嚴(yán)璽

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南250012；2.山東理工大學(xué)，山東淄博255000）

·電網(wǎng)技術(shù)·

城市配電網(wǎng)自愈系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

逯懷東1，王思源1，武剛1，張聰2，嚴(yán)璽1

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南250012；2.山東理工大學(xué)，山東淄博255000）

以自愈為特征的智能配電網(wǎng)是未來電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，使配電網(wǎng)具有自我感知、自我診斷、自我決策、自我恢復(fù)的能力。介紹城市配電網(wǎng)自愈控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)，給出主站系統(tǒng)硬件、軟件及終端設(shè)備的具體實(shí)現(xiàn)方案及功能，能夠顯著提高城市配電網(wǎng)的供電可靠性。

智能配電網(wǎng)；自愈控制；系統(tǒng)架構(gòu)；可靠性

0 引言

以自愈為特征的智能配電網(wǎng)是未來電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)［1-5］，可以有效提升配電系統(tǒng)的安全性、可靠性與運(yùn)行效率。自愈控制的概念最早由美國(guó)電科院（EPRI）和美國(guó)國(guó)防部在“復(fù)雜交互網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)計(jì)劃（The Complex Interactive Networks／Systems Initiative）”中提出，目的是開發(fā)電力基礎(chǔ)設(shè)施戰(zhàn)略防護(hù)系統(tǒng)（SPID）。智能配電網(wǎng)自愈控制可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)、預(yù)防和隔離各種可能的故障和隱患，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)并有效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)外發(fā)生的各種擾動(dòng)，抵御外部嚴(yán)重故障的沖擊，具有在故障情況下維持系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行、自主修復(fù)故障并快速恢復(fù)供電的能力，通過減少配電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的人為干預(yù)，降低擾動(dòng)或故障對(duì)電網(wǎng)和用戶的影響。

配電網(wǎng)自愈控制通過在配電網(wǎng)的不同層次和區(qū)域內(nèi)實(shí)施充分協(xié)調(diào)且技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的控制手段與策略，使其具有自我感知、自我診斷、自我決策、自我恢復(fù)的能力，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)在不同狀態(tài)下的安全、可靠與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［6-8］。配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)特別強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性與適應(yīng)性，因此需要對(duì)自愈控制系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)及相關(guān)支撐體系加以研究［9-11］。詳細(xì)介紹城市配電網(wǎng)自愈控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)，給出了主站系統(tǒng)硬件軟件及終端設(shè)備的具體實(shí)現(xiàn)方案及功能，為智能配電網(wǎng)自愈提供基礎(chǔ)的技術(shù)與設(shè)備支撐，能夠顯著提高城市配電網(wǎng)供電可靠性及配電網(wǎng)資產(chǎn)運(yùn)行效率。

1 主站硬件構(gòu)成設(shè)計(jì)

面向城市配電網(wǎng)自愈控制，研發(fā)KH-6000高級(jí)自動(dòng)化主站系統(tǒng)，采用分布式結(jié)構(gòu)，由服務(wù)器、工作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全防護(hù)設(shè)備、時(shí)鐘同步裝置等硬件設(shè)備及配套軟件構(gòu)成，典型配置如圖1所示。系統(tǒng)中所有計(jì)算機(jī)通過高速以太網(wǎng)（Ethernet）連接，可采用互為備用的雙以太網(wǎng)，以提高系統(tǒng)可靠性。

服務(wù)器主要包括DSCADA服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、WEB服務(wù)器等，通過運(yùn)行應(yīng)用服務(wù)程序，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算分析等功能，并提供相應(yīng)的功能服務(wù)。服務(wù)器一般采用雙機(jī)、雙網(wǎng)冗余配置，選用兼容性好、易維護(hù)的通用服務(wù)器或者小型機(jī)，并采取多種容錯(cuò)措施，如雙CPU、雙電源、雙風(fēng)扇等，滿足可靠性和系統(tǒng)性能指標(biāo)要求。

對(duì)于服務(wù)器的配置，可以按照微網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)模進(jìn)行取舍，對(duì)于中小規(guī)模的系統(tǒng)，SCADA服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器可以合到一起，由一組（2臺(tái)）互為備用的服務(wù)器組成。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的配置要根據(jù)具體的信息采集量和通信方式，一般公網(wǎng)與專網(wǎng)需要分別單獨(dú)配置服務(wù)器。

圖1 KH-6000高級(jí)自動(dòng)化主站典型配置結(jié)構(gòu)

圖2 主站系統(tǒng)的軟件框架結(jié)構(gòu)

2 主站軟件平臺(tái)

主站系統(tǒng)的軟件框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。主站平臺(tái)采用基于ICE和ICEStorm的軟總線，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)服務(wù)器之間數(shù)據(jù)通信和應(yīng)用管理服務(wù)?；贗CE的同步方法調(diào)用，實(shí)現(xiàn)小數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)可靠傳輸；基于ICEStorm的異步發(fā)布訂閱機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)靈活、高效傳輸。應(yīng)用管理服務(wù)采用Ice-Grid的注冊(cè)和節(jié)點(diǎn)管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)各個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)一注冊(cè)、配置及管理；實(shí)現(xiàn)各個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、主備切換、啟停操作和互訪問。

2.1 接地故障定位功能的實(shí)現(xiàn)

KH-6000高級(jí)自動(dòng)化主站系統(tǒng)根據(jù)故障點(diǎn)上、下游間的暫態(tài)電流幅值、頻率差異較大（不相似）的特點(diǎn)，采用暫態(tài)零序電流相似性定位法。

當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，前置機(jī)會(huì)收到線路終端上送的故障事項(xiàng)，同時(shí)會(huì)收到變電站選線裝置上送的故障事項(xiàng)，將故障事項(xiàng)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)解析故障事項(xiàng)中包含的暫態(tài)零序電流波形，形成故障事項(xiàng)報(bào)告信息，然后啟動(dòng)故障定位計(jì)算程序，其計(jì)算流程為：

1）主站系統(tǒng)通過選線裝置上報(bào)的選線結(jié)果確定故障線路。

2）計(jì)算故障線路上各相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)暫態(tài)零序電流波形的相似性系數(shù)。

3）如果一個(gè)區(qū)段由多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍成，則計(jì)算上游（靠近出線開關(guān)）監(jiān)測(cè)點(diǎn)與各下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相似系數(shù)。

4）從線路出口處向線路末端搜索，對(duì)于兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍成的區(qū)段，如果該區(qū)段對(duì)應(yīng)的相似系數(shù)小于或等于門檻值，則為故障區(qū)段，停止搜索；否則為健全區(qū)段，繼續(xù)向線路末端搜索。

5）對(duì)于3個(gè)及以上監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍成的區(qū)段，如果上游（電源側(cè)）監(jiān)測(cè)點(diǎn)與各個(gè)下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相似系數(shù)均小于或等于門檻值，則為故障區(qū)段；否則為健全區(qū)段，向與上游監(jiān)測(cè)點(diǎn)相似系數(shù)大于且暫態(tài)電流幅值最大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)下游方向繼續(xù)搜索。

6）如果最末一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上游所有區(qū)段均為健全區(qū)段，則其下游區(qū)段為故障區(qū)段。

2.2 終端即插即用功能的實(shí)現(xiàn)

建立完善的終端即插即用機(jī)制，終端即插即用的過程，可分為主動(dòng)注冊(cè)，獲取、發(fā)送、解析自描述文件，數(shù)據(jù)交互，設(shè)備控制，設(shè)備事件等步驟。

終端向主站端發(fā)送Register信息，包括終端版本信息、IP地址及端口號(hào)、唯一標(biāo)識(shí)名稱等信息。

如果主站端無該終端注冊(cè)信息或版本信息不符，則通過webservice通信接口向配電終端獲取模型信息，包括邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)等信息，并更新主站端的模型信息文件。

根據(jù)IEC61850-80-1標(biāo)準(zhǔn)，主站端將IEC61850模型文件解析成IEC 104規(guī)約通信點(diǎn)表。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的IEC 104通信規(guī)約，終端按本地模型文件上送配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行信息（遙測(cè)、遙信等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)），主站端接收終端該信息，并可通過相應(yīng)的命令對(duì)配電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，包括開關(guān)的遙控。

實(shí)現(xiàn)IEC61850終端方式字和CID文件結(jié)合的配置。編寫配置工具，實(shí)現(xiàn)能根據(jù)CID的模板文件配置生成裝置使用的CID文件，同時(shí)將CID的模型信息與方式字建立映射。

2.3 主要功能、特點(diǎn)與技術(shù)指標(biāo)

運(yùn)用先進(jìn)的軟件底層及ICE（Internet Communications Engine）中間件技術(shù)，研發(fā)出了KH-6000高級(jí)自動(dòng)化主站系統(tǒng)，其主要的功能特點(diǎn)如下。

SCADA功能。主要包括數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、遠(yuǎn)方控制與調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等。

小電流接地故障定位功能。利用接地故障暫態(tài)電流分布特征，與智能終端和小電流接地選線裝置配合，主站系統(tǒng)根據(jù)故障點(diǎn)上、下游間的暫態(tài)電流幅值、頻率差異較大的特性，采用暫態(tài)零序電流相似性定位法，實(shí)現(xiàn)小電流接地故障的自動(dòng)定位。

實(shí)現(xiàn)了基于IEC61850模型的智能終端在主站平臺(tái)上自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、自動(dòng)注冊(cè)，主站與終端通過交換模型信息，實(shí)現(xiàn)終端在主站的自我描述，從而實(shí)現(xiàn)了終端的即插即用，具有易分拆、易擴(kuò)展的系統(tǒng)架構(gòu)。

主站系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

委托山東省軟件測(cè)評(píng)中心對(duì)系統(tǒng)主站實(shí)現(xiàn)的SCADA功能與小電流接地故障區(qū)段定位功能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明這兩項(xiàng)功能滿足設(shè)計(jì)要求。所研發(fā)的主站系統(tǒng)已成功應(yīng)用到山東理工大學(xué)有源配電網(wǎng)靜態(tài)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，以及福建省電力有限公司泉州供電公司和云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司大理供電局的示范工程現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明，該主站系統(tǒng)能夠滿足廣域測(cè)控平臺(tái)及保護(hù)控制高級(jí)應(yīng)用要求。

表1 主站系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

3 智能終端

目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的配電終端功能單一，不能很好地支持就地控制和分布式智能控制、軟件系統(tǒng)開放性差，不能提供開放的應(yīng)用程序接口，不能實(shí)現(xiàn)即插即用。針對(duì)這些問題，研發(fā)PZK-36智能終端。

3.1 核心測(cè)控單元設(shè)計(jì)

將智能終端核心測(cè)控單元的硬件模塊分為中心處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制輸出模塊、通信模塊4類。各模塊功能獨(dú)立，模塊間接口定義簡(jiǎn)單明確，方便進(jìn)行模塊的升級(jí)。

圖3 智能終端核心測(cè)控單元硬件電路結(jié)構(gòu)

PZK-36智能終端核心測(cè)控單元硬件電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用高性能數(shù)字信號(hào)處理器DSP BF536、大規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列（FPGA）等構(gòu)造硬件系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)能力，支持各種就地與分布式智能控制應(yīng)用。應(yīng)用串行總線技術(shù)，可方便地?cái)U(kuò)展I/O與通信接口；研發(fā)了一種支持開關(guān)量輸入（DI）接入的專用高速串行總線。接口電路采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)工程需要靈活選配。

3.2 主要功能、特點(diǎn)與技術(shù)指標(biāo)

測(cè)量功能。除常規(guī)的電氣量測(cè)量外，還能夠測(cè)量零、負(fù)序電流等不平衡程度電氣參數(shù)。

短路故障檢測(cè)功能。能躲過變壓器、大容量電機(jī)等投入運(yùn)行時(shí)的電流沖擊，避免誤報(bào)故障。能夠?qū)植际诫娫吹木€路進(jìn)行故障定位。

小電流接地故障檢測(cè)。采用高速數(shù)據(jù)采集及處理技術(shù)，檢測(cè)并記錄單相接地故障時(shí)小電流接地系統(tǒng)的暫態(tài)電壓、電流信號(hào)。

支持終端之間對(duì)等數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)分布式控制應(yīng)用，如分布式饋線自動(dòng)化、分布式電流差動(dòng)保護(hù)。

支持IP網(wǎng)絡(luò)通信，采用IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)即插即用。采用層次化結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)思想，將數(shù)據(jù)與應(yīng)用分離，應(yīng)用程序通過API接口訪問數(shù)據(jù)，能夠動(dòng)態(tài)加載、卸載應(yīng)用程序，可方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行裁減，擴(kuò)展新的應(yīng)用功能。

4 結(jié)語

配電網(wǎng)自愈控制是未來智能配電網(wǎng)的核心技術(shù)，以研發(fā)的自愈控制系統(tǒng)為例介紹了系統(tǒng)整體架構(gòu)，圍繞建設(shè)安全可靠、優(yōu)質(zhì)高效、“即插即用”的智能配電網(wǎng)總體目標(biāo)，突破即插即用、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)等快速交換、分布式智能自愈控制技術(shù)，為智能配電網(wǎng)自愈提供基礎(chǔ)的技術(shù)與設(shè)備支撐，能夠顯著提高城市配電網(wǎng)供電可靠性、提高配電網(wǎng)資產(chǎn)運(yùn)行效率。

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Design and Realization of Self-healing System Architecture for Urban Distribution System

LU Huaidong1，WANG Siyuan1，WU Gang1，ZHANG Cong2，YAN Xi1
（1.State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China；2.Shandong University of Technology，Zibo 255000，China）

Intelligent distribution system with self-healing is the inevitable trend of the future power grid technology development.Distribution system with self perception，self diagnosis，self decision and self recovery will be realized.The whole structure of self-healing control system for city distribution system is introduced，and the design scheme for hardware and software of main station system and terminal equipment are presented，which can significantly improve the power supply reliability of city distribution system.

intelligent distribution system；self healing control；system architecture；reliability

TM63

A

1007－9904（2016）11－0001－04

2016-06-15

逯懷東（1963），男，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)運(yùn)維管理等。

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（2015AA050202）