地區(qū)級(jí)配網(wǎng)自動(dòng)化PAS功能研究

宗萬(wàn)隆+傅慶+騰飛

摘 要：國(guó)家電網(wǎng)配網(wǎng)自動(dòng)化是近些年智能電網(wǎng)建設(shè)的重點(diǎn)。文章就配網(wǎng)自動(dòng)化PAS在配網(wǎng)工程中的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、各功能模塊的組成及基本工作原理、電網(wǎng)約束性分析的基本實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：配網(wǎng)自動(dòng)化PAS；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；功能模塊；約束性

國(guó)家能源局2015—2020年關(guān)于配電網(wǎng)建設(shè)改造計(jì)劃（見(jiàn)國(guó)能電2015—290號(hào)文件）中指出：配電網(wǎng)改造到2020年投資不低于2萬(wàn)億元。國(guó)家電網(wǎng)公司在“十三五”配網(wǎng)規(guī)劃中明確要加強(qiáng)配網(wǎng)智能化、信息化建設(shè)，配網(wǎng)自動(dòng)化是近些年智能電網(wǎng)建設(shè)的重點(diǎn)，配網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)主要建立可靠、安全、具備可擴(kuò)展性的主站，因此對(duì)配網(wǎng)自動(dòng)化PAS的應(yīng)用和功能研究有著十分重要的意義。

1 配網(wǎng)自動(dòng)化PAS簡(jiǎn)介

配網(wǎng)高級(jí)應(yīng)用軟件（Power Application Software，PAS）主要是指：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)歷史、實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)或預(yù)估的運(yùn)行動(dòng)態(tài)為理論基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算，分析當(dāng)前電網(wǎng)的運(yùn)行、后期運(yùn)行狀態(tài)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、魯棒性等指標(biāo)，為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性及其合理布置提供理論依據(jù)[1]。主要模塊包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析、潮流計(jì)算、狀態(tài)評(píng)估、電網(wǎng)建模、動(dòng)態(tài)涂色、載荷預(yù)報(bào)等。

1.1 PAS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PAS的基本組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

PAS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要功能是用于確定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相互間的聯(lián)接關(guān)系和運(yùn)行狀態(tài)。其核心思想是依據(jù)元件的實(shí)時(shí)狀態(tài)（開(kāi)關(guān)）和電網(wǎng)元件狀態(tài)將實(shí)際物理模型轉(zhuǎn)換成計(jì)算模型，把有電氣聯(lián)接關(guān)系的支路集成為島，通過(guò)在線分析開(kāi)關(guān)狀態(tài)的變化，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)變電站、母聯(lián)線、支路等的理論計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)，轉(zhuǎn)換成新的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，并提供測(cè)量和輸入數(shù)據(jù)，為相關(guān)的應(yīng)用板塊提供更新后的理論分析依據(jù)。此模塊為共享模塊，是各子程序的運(yùn)行基礎(chǔ)，可被狀態(tài)預(yù)估器、潮流分析、電量核格式無(wú)功功率優(yōu)化、安全性分析等多種應(yīng)用子程序塊調(diào)用。

1.2 配電網(wǎng)絡(luò)分析的步驟

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析包括兩個(gè)基本步驟：電氣島分析和母線分析。母線分析的功能是將物理開(kāi)關(guān)聯(lián)接在一起的節(jié)點(diǎn)集定義成一條母線；而電氣島分析則是將變壓器和線路聯(lián)接在一起形成的母線“排”定義成一個(gè)“島”。其中，含有電源和負(fù)荷的“島”稱為“活島”，物理上對(duì)應(yīng)系統(tǒng)帶電部分，否則稱為“死島”，即對(duì)應(yīng)系統(tǒng)不帶電部分，而“活島”才有計(jì)算意義。一般情況下，配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膯?dòng)在在線模式下應(yīng)可直接根據(jù)開(kāi)關(guān)變位和狀態(tài)由諸如人工置數(shù)、線路接地等事件產(chǎn)生觸發(fā)，而在研究模式中則可由運(yùn)行調(diào)度人員在PAS/SCADA界面中對(duì)物理開(kāi)關(guān)的在線操作進(jìn)行人工啟動(dòng)。

1.3 配電網(wǎng)絡(luò)的主要功能

配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)的功能很多，主要功能分為如下幾種：（1）依據(jù)刀閘和開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，確定網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（節(jié)點(diǎn)-支路的聯(lián)接關(guān)系）。（2）當(dāng)系統(tǒng)發(fā)送解列時(shí)，對(duì)節(jié)點(diǎn)規(guī)模依照由大到小的順序，推導(dǎo)出其子系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（3）對(duì)各子系統(tǒng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化進(jìn)行排序。（4）可通過(guò)開(kāi)關(guān)變位事件驅(qū)動(dòng)或觸發(fā)驅(qū)動(dòng)。（5）對(duì)節(jié)點(diǎn)元件（變壓器、線路、載荷、電容器等）設(shè)置投運(yùn)/切除命令。（6）可清晰地指示出不帶電網(wǎng)絡(luò)是否接地。（7）當(dāng)環(huán)網(wǎng)運(yùn)行出現(xiàn)異常情況是可提供報(bào)警信息。

2 配電網(wǎng)絡(luò)PAS的功能模塊

PAS的主要功能由動(dòng)態(tài)著色、潮流分析、狀態(tài)估計(jì)、負(fù)荷計(jì)算、短路電流計(jì)算等部分組成，本文重點(diǎn)介紹狀態(tài)估計(jì)、負(fù)荷計(jì)算、短路電流計(jì)算這三大模塊。

2.1 狀態(tài)估計(jì)

狀態(tài)估計(jì)是指利用系統(tǒng)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)冗余計(jì)算來(lái)消除隨機(jī)干擾而導(dǎo)致的錯(cuò)誤信息，有效提高數(shù)據(jù)采集精度，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)提供預(yù)估或預(yù)警信息[2]。在實(shí)際電力系統(tǒng)中，由于遠(yuǎn)動(dòng)信息不全，我們難以掌握電網(wǎng)重要的運(yùn)行狀態(tài)信息。一般通過(guò)增加遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備精度和測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量，可以提高系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)的可靠性。但提出過(guò)高的技術(shù)要求，會(huì)在經(jīng)濟(jì)上付出過(guò)大的代價(jià)。如果能在狀態(tài)估計(jì)技術(shù)的配合下，通過(guò)對(duì)已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時(shí)增加適當(dāng)?shù)脑O(shè)備，則能充分發(fā)揮已有硬件的潛力。

主要功能有：（1）預(yù)檢測(cè)功能。（2）通過(guò)對(duì)變壓器或線路的無(wú)功、有功潮流量的測(cè)量，母線所注入無(wú)功、有功量，母線電壓量測(cè)、零序電流量測(cè)、變壓器分檔接頭檔位進(jìn)行狀態(tài)預(yù)估。（3）當(dāng)帶載調(diào)壓變壓器存在電壓和潮流量測(cè)時(shí)，可估計(jì)帶載調(diào)壓變壓器的檔位。（4）對(duì)零阻抗支路進(jìn)行處理。（5）對(duì)于無(wú)動(dòng)載接頭的可調(diào)變壓器的分接頭可以手動(dòng)設(shè)置檔位，把顯然不合理的量測(cè)屏蔽掉或進(jìn)行人工修改。（6）根據(jù)預(yù)估信息導(dǎo)出越限信息。（7）狀態(tài)預(yù)估結(jié)果可在一次接線圖上進(jìn)行直觀顯示，產(chǎn)生具有實(shí)時(shí)值與預(yù)估值的對(duì)照列表，可在聯(lián)接圖上顯示，并支持打印功能。

2.2 負(fù)荷預(yù)估

根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行自動(dòng)化的實(shí)時(shí)性要求，對(duì)載荷預(yù)測(cè)功能所提出的要求，主要是針對(duì)短時(shí)負(fù)荷預(yù)估，而短時(shí)負(fù)荷預(yù)估主要是對(duì)未來(lái)24小時(shí)內(nèi)的負(fù)荷增量進(jìn)行預(yù)估。由于負(fù)荷變化受諸多因素影響，而且相當(dāng)部分的因素不方便量化，還是不確定的，所以在負(fù)荷預(yù)測(cè)中，如何把這類因素對(duì)負(fù)載的影響，就成為當(dāng)前各類負(fù)荷預(yù)估模型和算法所主要面對(duì)的難點(diǎn)。

主要功能有：（1）預(yù)報(bào)24小時(shí)內(nèi)，以5～15分鐘為時(shí)間分布段，向系統(tǒng)提供用電載荷和網(wǎng)側(cè)載荷。在技術(shù)處理中，采樣頻率可變，即時(shí)間分布段的Δt可依據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。（2）可在線針對(duì)負(fù)荷的計(jì)算出值進(jìn)行修改或調(diào)整。（3）可對(duì)不同季節(jié)、正常工作日、節(jié)假日、休息日的不同模型分別提供預(yù)測(cè)載荷，針對(duì)預(yù)估的數(shù)學(xué)模型，我們必須事先考慮并包含進(jìn)其他已知的人為因素，并可以根據(jù)實(shí)際負(fù)荷值修改模型參數(shù)。（4）把氣象因素加入預(yù)估參考，如氣溫、晴、雨、云等。（5）提供以24小時(shí)為周期的負(fù)荷預(yù)測(cè)，并可由人工隨時(shí)啟動(dòng)運(yùn)行。（6）提供多種形式的負(fù)荷預(yù)估結(jié)果，包括畫(huà)面（曲線）輸出、顯示、拷貝和打印。（7）依據(jù)用戶需求將預(yù)測(cè)結(jié)果以一定的數(shù)據(jù)格式文件發(fā)送出去，并可為其他電網(wǎng)運(yùn)維軟件提供數(shù)據(jù)源。（8）可以對(duì)預(yù)估結(jié)果（曲線）進(jìn)行人工修改，也可以在預(yù)估結(jié)果形成的表格中直接修改預(yù)估結(jié)果，并將修改結(jié)果用圖形方式顯示。（9）對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)是否滿足精度要求進(jìn)行評(píng)估和統(tǒng)計(jì)分析。（10）預(yù)測(cè)結(jié)果同時(shí)以曲線和表格兩種形式輸出，以方便查詢和修正，另外，對(duì)最大預(yù)測(cè)載荷、最小預(yù)估載荷及發(fā)生時(shí)間、平均預(yù)估載荷、預(yù)估電量等信息進(jìn)行輸出。（11）可以以曲線或表格的形式輸出歷史數(shù)據(jù)。（12）可顯示某一歷史日的數(shù)據(jù)和曲線，用于將預(yù)估結(jié)果和曲線結(jié)果進(jìn)行比較，并給出預(yù)估值的平均誤差和最大誤差。endprint

2.3 短路電流計(jì)算

短路電流計(jì)算是指在配電網(wǎng)絡(luò)中某一點(diǎn)發(fā)生斷路故障或短路故障時(shí)，電力系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流值的分布情況。短路電流計(jì)算是對(duì)電力元件進(jìn)行安全校核的重要手段，也可以檢查繼電保護(hù)定值設(shè)置的合理性。

其主要功能有：（1）可以對(duì)各種方式（如：歷史、實(shí)時(shí)、檢修或預(yù)想方式）進(jìn)行故障計(jì)算；適應(yīng)于各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不僅可用于環(huán)網(wǎng)，也可以用于輻射網(wǎng)，不僅適用于高壓輸電系統(tǒng)，也適用于配電小電流接地系統(tǒng)或不接地系統(tǒng)。（2）可以直接取用實(shí)時(shí)或歷史的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和潮流信息，負(fù)荷采用二次模型，也可以將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化；可計(jì)算線路、母線、發(fā)電機(jī)、變壓器等設(shè)備發(fā)生的各種短路故障，例如：?jiǎn)蜗嘟拥亍⑾嚅g短路、兩相接地、三相接地等。（3）可分析變壓器、線路、發(fā)電機(jī)、開(kāi)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)元件發(fā)生的各類斷相故障，如：?jiǎn)蜗唷上?、三相斷相。?）可分析同桿并架線之間的跨線短路故障；并分析各種元件同時(shí)或相繼發(fā)生一個(gè)或多個(gè)故障，即可進(jìn)行重復(fù)故障分析。（5）可考慮互感線路檢修對(duì)運(yùn)行線路的影響。（6）可給出故障后系統(tǒng)中各元件上的信息，如相分量形式的電壓電流、序分量形式的電壓電流、分支系數(shù)，包括正序、負(fù)序、零序分支系數(shù)、發(fā)電機(jī)流過(guò)的正序與負(fù)序電流的比值等。（7）可計(jì)算出短路后母聯(lián)開(kāi)關(guān)和其他重要聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)上的短路電流。

3 PAS的安全約束功能

安全約束系統(tǒng)的主要功能包括：軟件支撐平臺(tái)、操作票規(guī)則維護(hù)、圖形維護(hù)、操作票生成、操作票模擬培訓(xùn)、操作票管理、用戶管理、通信管理、安全約束等功能模塊，其功能組成如圖2所示。

操作約束系統(tǒng)是以實(shí)際網(wǎng)絡(luò)模型與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)遙控信息或指令信息下達(dá)過(guò)程進(jìn)行校驗(yàn)、操控的軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)充分利用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將操作票智能生成系統(tǒng)、流程操控系統(tǒng)和智能約束系統(tǒng)三者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，為集控操作人員或調(diào)度員提供一個(gè)功能齊全、操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)防操作失誤工具，預(yù)先進(jìn)行計(jì)算并控制電網(wǎng)操作，形成最終的、安全的、合理的操作規(guī)則[3]。該系統(tǒng)可提供操作模擬、智能操作票、操作過(guò)程和操作校驗(yàn)等控制功能，提供防誤邏輯閉鎖、錯(cuò)誤警告功能、重要信息提示、操作員培訓(xùn)等功能。操作安全約束系統(tǒng)利用SCADA平臺(tái)可將現(xiàn)有操作規(guī)范和工作流程統(tǒng)一進(jìn)行管理，利用科學(xué)的算法和規(guī)則在各個(gè)環(huán)節(jié)中進(jìn)行安全校驗(yàn)，盡可能地避免人為因素和電網(wǎng)自身因素而引起的誤操作。

4 PAS的電網(wǎng)分析性約束

分析性約束是通過(guò)電網(wǎng)實(shí)際聯(lián)接方式和運(yùn)行模式，分析指令下達(dá)前后的運(yùn)行狀態(tài)，并合理性地給出約束條件或操作提示，主要分為操作自定義條件約束以及操作票約束兩種。

4.1 操作自定義條件約束

對(duì)一些特殊設(shè)備的操作，可通過(guò)自定義條件邏輯來(lái)對(duì)設(shè)備的操作進(jìn)行約束，其主要目的是滿足設(shè)備操作的特殊性，其判別依據(jù)是用戶自定義的邏輯單元，任何可操作設(shè)備都可通過(guò)邏輯表達(dá)式定義約束其操作的邏輯單元，邏輯單元的參數(shù)可是任何采集的遙信或遙測(cè)量，用戶可根據(jù)需求和操作原則自編寫(xiě)操作邏輯，來(lái)形成對(duì)設(shè)備操作的約束。當(dāng)進(jìn)行某設(shè)備的某種操作時(shí)，系統(tǒng)利用當(dāng)前狀態(tài)通過(guò)邏輯計(jì)算得到的約束結(jié)果來(lái)判斷是否允許操作。

4.2 操作票約束

在電力系統(tǒng)中，倒閘操作有著嚴(yán)格的操作流程，而操作票制度是避免電力系統(tǒng)常規(guī)的倒閘誤操作的有力手段，即將操作票中的各種步驟同實(shí)際物理操作設(shè)備對(duì)應(yīng)起來(lái)。這樣，在進(jìn)行遙控操作時(shí)，我們就可以通過(guò)操作票對(duì)所遙控的設(shè)備進(jìn)行約束操作。這種約束充分復(fù)制了操作票制度的嚴(yán)格性和完整性。我們通過(guò)打開(kāi)已獲批的操作票，經(jīng)過(guò)約束協(xié)議檢查通過(guò)后，形成“預(yù)操作隊(duì)列”，在實(shí)際操作時(shí)根據(jù)“預(yù)操作隊(duì)列”中的每一個(gè)操作步驟，選擇相應(yīng)的遙控設(shè)備以及狀態(tài)，綜合進(jìn)行比較后形成“約束結(jié)果”。能夠?qū)崿F(xiàn)的約束有：（1）操作設(shè)備是否誤選。（2）跨步是否操作。（3）是否完成上一步操作（是否達(dá)到操作目的）。（4）操作隊(duì)列中未操作設(shè)備狀態(tài)是否與操作前保持一致等。

5 結(jié)語(yǔ)

配網(wǎng)自動(dòng)化是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)及新的高性能的配電設(shè)備于一體的高技術(shù)手段，作為軟件系統(tǒng)的PAS，還有更深層次的功能等待著人們?nèi)パ芯?、開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。希望本文能起到拋磚引玉的作用，引導(dǎo)廣大讀者積極參與到我國(guó)配網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)的工作中來(lái)，為國(guó)家的配網(wǎng)技術(shù)發(fā)展做出自己的一份貢獻(xiàn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]郭謀發(fā).配電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2]肖金球.配電系統(tǒng)自動(dòng)化[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[3]馮慶東，毛為民.配電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)與工程實(shí)例分析[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

Abstract：The automation of state grid distribution network is the key point of smart grid construction in recent years. Based on the application of the automatic PAS of distribution network in distribution network engineering， this paper mainly introduces the topological structure， composition and basic working principle of each functional module， and the basic realization method of grid constraint analysis.

Key words：automatic PAS of distribution network； topological structure； functional module； constraintendprint