基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和暫態(tài)能量函數(shù)的支路暫態(tài)脆弱性評估

李凱恩，石定中，張 磊，楊明貴，劉 勇

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司臨滄供電局，云南 臨滄 677000

0 引言

近年來，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，系統(tǒng)元件越來越復(fù)雜，影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的因素越來越多，嚴(yán)重時局部故障甚至影響整個電網(wǎng)。文章主要對電力系統(tǒng)進(jìn)行脆弱性評估，通過對預(yù)想事故分析，計算各種故障后輸電線路的脆弱性，找出電網(wǎng)中存在的脆弱環(huán)節(jié)，提前進(jìn)行預(yù)防和控制，以提高電網(wǎng)的抗干擾能力和故障承受能力。

1 支路暫態(tài)脆弱性評估概述

智能化配電網(wǎng)線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是創(chuàng)新的配電線路智能監(jiān)測產(chǎn)品，高精度采集單是該系統(tǒng)的核心傳感單元，適用于10 kV配電網(wǎng)架空線路。依托創(chuàng)新的小電流自取電技術(shù)和無線通信技術(shù)，高精度采集單元可實時上報監(jiān)測數(shù)據(jù)，使電力工作人員可以隨時掌握線路工況。

電子控制系統(tǒng)是電力系統(tǒng)（如物理系統(tǒng)）和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相互依賴形成的綜合系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個非常重要的控制和監(jiān)控系統(tǒng)，以確保電力系統(tǒng)（例如物理）的安全。通常包括測量單元、控制單元、保護(hù)單元、通信基礎(chǔ)設(shè)施、決策軟件如EMS、SCADA等。電氣網(wǎng)絡(luò)的實時數(shù)據(jù)包括設(shè)備狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)由計算機系統(tǒng)發(fā)送到控制中。同時，控制中心對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行決策。然后，相應(yīng)的控制命令通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在需要的時候發(fā)送至相應(yīng)的設(shè)備。此外，許多分布式控制系統(tǒng)在控制中心的監(jiān)督下也作為地方?jīng)Q策單元進(jìn)行快速和地方控制，因此網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在電力網(wǎng)絡(luò)和控制中心之間起著重要作用。一旦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)失靈，控制中心與電網(wǎng)之間可能失去聯(lián)系，使電網(wǎng)可能處于不安全的運行狀態(tài)。由此可知，電氣物理系統(tǒng)的安全運行在很大程度上依賴于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)交換中心傳輸可靠、準(zhǔn)確的實時信息。

同時，隨著智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，各級電網(wǎng)（從控制中心到家庭內(nèi)部的設(shè)備）都可以接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)用戶和系統(tǒng)之間的實時交互。雖然電子網(wǎng)絡(luò)可以從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的有效監(jiān)測和控制中獲益匪淺，但網(wǎng)絡(luò)安全必須優(yōu)先考慮。例如，網(wǎng)絡(luò)攻擊包括未經(jīng)授權(quán)的登錄，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上的惡意代碼可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延遲，甚至數(shù)據(jù)篡改或丟失。在這些情況下，由于缺乏數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)延遲，控制中心無法做出合理的決策。特別是當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，控制中心必須通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)迅速提供有效的控制，以防止連鎖故障的發(fā)生。然而，由于與物理系統(tǒng)（即電子CPS）的集成，對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的攻擊可能會影響電網(wǎng)的運行，并可能帶來更嚴(yán)重的后果。

為了分析計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響，有研究學(xué)者從脆弱性評估的角度，提出了一個考慮電網(wǎng)通信服務(wù)中斷概率和后果的通信網(wǎng)絡(luò)脆弱性評估框架。網(wǎng)絡(luò)物理事故分析工具是用來評估網(wǎng)絡(luò)物理脆弱性考慮網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)配置和電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時，考慮了不完全信息來模擬智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)物理脆弱性。上述研究表明，通信網(wǎng)絡(luò)中的一些脆弱點會對電網(wǎng)造成損害，從而使電網(wǎng)的故障機理變得更加復(fù)雜和不確定，特別是一些受到攻擊的通信節(jié)點可能會導(dǎo)致電力系統(tǒng)的不利停電。為了揭示通信故障干擾下的級聯(lián)傳播特性，從拓?fù)鋵W(xué)的角度研究了通信網(wǎng)與電網(wǎng)之間不同的連通模式（即耦合模式）。雖然上述方法揭示了連鎖故障與電網(wǎng)和通信網(wǎng)之間不同類型鏈路之間的關(guān)系，但僅從單純的拓?fù)浣嵌冉沂竟收蟼鞑C制還不夠全面，忽略了電網(wǎng)在故障傳播過程中的運行特征，因此一些研究側(cè)重于綜合電網(wǎng)在相互依賴故障傳播下的運行特征。

2 基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和暫態(tài)能量函數(shù)的系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

在系統(tǒng)的工作過程中，每個裝置由3個探頭和1個通信終端組成，安裝在配電網(wǎng)的架空線路上。監(jiān)測線路運行參數(shù)，現(xiàn)場檢測和識別各種短路和接地故障，并給出故障指示，同時將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到配電線路監(jiān)控和配電自動化主站，給出故障區(qū)段的位置信息。

對于配電網(wǎng)短路故障的處理和排查，可以通過探頭的采集線路電流數(shù)據(jù)分析得到，探頭實時采集線電流和電場信息。當(dāng)線路正常運行時，相電流突然變化，進(jìn)而判斷線路停電為相間短路故障。

對于系統(tǒng)的單相接地故障的處理則是通過對電路中的實時電流有效值進(jìn)行計算而得到的，探針實時計算電流和電壓的有效值（間隔10 ms），檢測是否有突變，并標(biāo)記突變后突變點的位置。如果有效值大于Uset的極限值，超限時間大于抗干擾時間，則開始記錄，調(diào)用算法庫，分析故障的存在，然后驗證電壓超限時間的條件，從而給出故障報警[1]。

2.2 采集單元設(shè)計

該設(shè)備能夠準(zhǔn)確識別電路工作狀態(tài)，并支持電流記錄。采用新穎的精密電流測量技術(shù)和地面電場檢測技術(shù)，可獲得0～630 A線電流范圍內(nèi)的測量精度，可以高靈敏度地檢測出電場幅值±10%變化，并能準(zhǔn)確識別線路的工作狀態(tài)。其可以在線路出現(xiàn)故障或需要測試時記錄電流，以積累操作經(jīng)驗，不斷改進(jìn)。

在準(zhǔn)確識別線路運行工況的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)線路故障的智能檢測，避免誤操作和拒絕運行，能夠準(zhǔn)確地檢測出線路間短路、單相接地等故障。借助于強大的信號處理和計算機運行能力，可自動確定故障電流報警動作值，有效防止負(fù)荷波動和合閘勵磁涌流引起的誤動作和拒動，并具有反時限動作的特點，可配合變電站保護(hù)的運行特點，避免瞬時干擾，保證正確運行。同時，還可以為主站系統(tǒng)提供豐富的線路電流、接地電場、故障狀態(tài)、帶電或死機等運行信息，以及無線信號強度、蓄電池電壓等輔助信息，充分掌握線路運行狀態(tài)，實現(xiàn)多種線路運行狀態(tài)指示，提供360°全方位超亮度可視狀態(tài)指示，并通過不同閃爍頻率的組合顯示當(dāng)前線路運行狀態(tài)。線路故障排除后，電源恢復(fù)，電源自動復(fù)位，故障狀態(tài)可定時自動復(fù)位或通過無線遠(yuǎn)程定位，實時在線復(fù)位，可隨時控制線路狀態(tài)。采用短距離無線和遠(yuǎn)距離無線混合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，支持多種復(fù)雜線路周期性（默認(rèn)5 min，可設(shè)置）報告線路狀態(tài)，具有雙向確認(rèn)和重傳功能，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

此外，可以隨時控制線路的實時運行狀態(tài)，消除傳統(tǒng)故障指示器“一天醒來，永不醒來”的現(xiàn)象，同時可以有效地減少無線通信流資金，采用創(chuàng)新的小電流在線供電技術(shù)，通過應(yīng)用新材料和創(chuàng)新的電源技術(shù)，可以在線電流0～630 A的連續(xù)供電，線電流1 A可以滿足自供電的最低要求，無須使用電池，從而有效地延長產(chǎn)品壽命。同時，設(shè)備免維護(hù)設(shè)計，可進(jìn)行遠(yuǎn)程無線升級，線路運行后可自主運行，完全免維護(hù)設(shè)計，必要時可以通過遠(yuǎn)程無線維護(hù)更新故障判據(jù)或升級軟件程序，方便靈活，提高了工作效率。該設(shè)備還可實現(xiàn)現(xiàn)場裝卸，安裝拆卸安全方便，可使用綠色操縱桿現(xiàn)場使用。

該設(shè)備還具有高水平的安全防護(hù)。采用可靠的工業(yè)設(shè)計，具有優(yōu)良的電磁兼容性防護(hù)能力，強大的寬壓寬溫工作特性，外殼保護(hù)級別達(dá)到IP67，能抵御8級臺風(fēng)和暴雨，結(jié)構(gòu)件防腐防銹處理，能抵抗鹽霧腐蝕，確保在惡劣環(huán)境下長期安全穩(wěn)定運行[2]。

2.3 能量匯集單元的設(shè)計

合用單元的主要優(yōu)點是靈活的網(wǎng)絡(luò)和安全的數(shù)據(jù)傳輸。利用采集單元建立一個支持星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的短距離無線網(wǎng)絡(luò)，基于4G無線網(wǎng)絡(luò)的電力VPN專用網(wǎng)絡(luò)與主站監(jiān)控平臺建立通信，并將數(shù)據(jù)上傳到主站，通過GPS高精度授時業(yè)務(wù)可以監(jiān)控配電網(wǎng)的故障信息和運行狀態(tài)，獲得精確的絕對時間尺度。采集單元內(nèi)置GPS定時模塊、高增益有源天線和短距離無線定時，使采集單元能夠在工作過程中獲得準(zhǔn)確的絕對時間尺度，能夠有效地合成三相零序電流和電場信號，并能在現(xiàn)場準(zhǔn)確地檢測和定位接地故障。

該通信模塊采用國際主流廠家生產(chǎn)的工業(yè)級無線通信芯片，具有信道監(jiān)控、信道開關(guān)和故障報警等功能，支持系統(tǒng)診斷意識，支持通信中斷和恢復(fù)后數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸，防止數(shù)據(jù)丟失。

采集單元主板采用低功耗CPU和工業(yè)級無線通信模塊，并采用專用編程技術(shù)實現(xiàn)采集單元與監(jiān)控平臺軟件的連接，采集單元與采集單元的連接，實時雙向通信，功耗非常低。

該系統(tǒng)采用太陽能電源板作為主電源，同時采用免維護(hù)長壽命蓄電池作為備用電源。對于太陽能供電，優(yōu)先使用太陽能供電；對于沒有太陽能供電的情況，使用備用電源，備用電源可以連續(xù)支持集熱器單元15 d（取決于選定的備用電池容量）。內(nèi)置的高性能處理器基于對太陽能電池板和電池的實時監(jiān)控，在主電源和備用電源之間切換，具有遠(yuǎn)程維護(hù)和升級功能，支持多個終端批量，逐一自動維護(hù)或升級，安全可靠，操作方便。同時，支持短信管理功能。底盤堅固耐用，防銹，采用密封環(huán)形防水連接器，IP55防塵防水等級，確保在戶外長期安全穩(wěn)定運行[3]。

3 結(jié)束語

綜上所述，文章借助基于大數(shù)據(jù)的配網(wǎng)線路綜合分析技術(shù)，智能化配電網(wǎng)線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對包括線路故障、線路負(fù)荷、電能質(zhì)量等線路狀態(tài)進(jìn)行分析，為優(yōu)化配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)提供了全面可靠的數(shù)據(jù)支撐。