基于控制中心和现场的馈电线路供电恢复

发布时间：2010-04-27 作者：王振远 杨 芳

        恶劣抑或不甚恶劣的天气条件都有可能对电力公司的输配电系统造成破坏。恢复供电的 速度和效率主要取决于输配电公司决策支持系统的类型和所用工具。
        恢复电力供应的传统程序 (即故障呼叫系统和人员派遣) 可能需要数小时才能完成。最近 几年，电力公司已经配备了带通信功能的自动馈电线开关装置，如具有智能电子装置 (IEDs) 的自动重合开关和断路器用于保护和控制电网，这样可以缩短断电持续时间和改 善系统的可靠性。智能电子装置所提供的信息易于系统进行故障位置的自动识别和故障 隔离。但自动恢复供电则完全是另一回事。

        ABB 开发出两种互补的恢复供电控制方案，实际上就是自检和自我修复配电网络解决方案。
        电力公司传统上使用故障呼叫 系统来检测断电事故，当遇 到断电时，用户发出报告。然后， 配电控制中心派遣维修人员到现 场检测故障位置后，再执行各种开 关操作方案，采取故障隔离和恢复 供电。根据用户报告断电事故以及 维修人员确定故障点的速度快慢， 这一过程可能要花费几个小时才能 完成。
        多年来，由于对电力公司的要求不 断提高，许多配电网开始减少被动 性 (传统方式)，加强主动性或动态 适应性。
        现在，识别和隔离故障相对容 易。但自动恢复供电仍是一项 颇具挑战性的难题。
        可自行思考的电网
        对有些电力公司而言，智能电网是 指能够自动预测系统受到的扰动并 加以恢复，可有效提高电网可靠性 和效率的电力系统。为了在配电系 统层次上实现智能电网，已在系统 计量、保护和控制领域，使用了各 种自动控制技术。在这些技术范围 内，自动恢复供电也是智能电网修 复的重要部分。
        为了更加接近智能电网概念，近年 来，电力公司安装了不少馈电线开 关装置用于保护和控制电网，如配 备智能电子装置 (IEDs) 的自动重合 开关和断路器。智能电子装置的自 动化功能 (如测量、监测、控制和通 信功能) 使自动故障识别、故障隔离 和恢复供电等变得可行。
        智能电子装置的数据传回变电站计 算机或控制中心，根据这些信息， 可实现故障位置自动识别和隔离。 这样就缩短了断电时间，提高了系 统可靠性。
        现在，虽然识别和隔离故障相对容 易，但自动恢复供电仍是一项颇具 挑战性的工作。为了解决这个问 题，开展了许多研究工作，包括运 行约束条件、负荷均衡和其他大家 关心的实际问题。
        ABB 自身也开展了大量研究工作， 并开发出两种互补的恢复供电控制 方案：基于现场的方案和基于控制 中心的方案。为了实现反馈恢复供 电，两种方案都进行了恢复供电开 关操作分析 (RSA)，即负荷正常的 断电区域通过边界连接开关装置从 接壤的电源恢复供电。基于现场的 方案使用变电站计算机 COM600 进行 RSA 分析，而基于控制中心的方案则 使用 Network Manager-DMS 断电管理 系统进行分析。
        ABB 开发出两种互补的恢复供 电控制方案：基于现场的方案 和基于控制中心的方案，这两 种方案都进行恢复供电开关 操作分析，以实现反馈恢复 供电。
        基于现场的方案
        在基于现场的方案中，变电站计算 机 COM600 拥有 RSA 引擎，用于与馈 线智能电子装置进行通信。它同 时也起着柔性可编程逻辑控制器 (SoftPLC) 的作用，根据 RSA 引擎产 生的恢复供电开关顺序，给智能电 子装置下达指令。
        COM600 计算机中的 RSA 引擎有一个 包括主要馈线部件的简单配电网 模型：如配电变电站变压器的电源、 开关装置 (即将电网分成若干段的 开关)、负荷开关、断路器和自动重 合开关及负荷等。它使用一种基于 网络跟踪的算法，寻找有效的恢复 供电电网，该电网满足下列要求： 网络是放射状的。
        对任何电网部件没有电流超限。 对任何电网节点没有电压超限。 所以，恢复开关操作顺序根据故障 前的电网状态生成，而不是根据预 先编制的规则以通常的离线方式 生成。
        在基于现场的方案中，恢复开 关操作顺序根据故障前的电网 状态生成，而不是根据预先编 制的规则以通常的离线方式 生成。
        潜在反馈电源的容量或许有限，有 的情况下，要实现一个可行的恢复 供电解决方案，可能需要多重反馈 电源。在本文中，如果一个电源能 够通过单一路径给停止供电服务的 负荷区域恢复供电，此种恢复称作 “单一路径恢复”。否则，停止供电 服务的负荷区域必须分成两个或更 多的负荷区域加以反馈供电，被称 作“多路径恢复”。万一反馈电源容 量或馈线部件负荷能力不够，“单一 路径恢复”和“多路径恢复”都有 可能甩负荷运行。
        RSA 引擎算法从搜索反馈隔离开关 开始，这种搜索在以跳闸断路器 (自 动重合开关) 作为根基的故障前网 络树状结构上展开，顺树干向下延 伸，找到有故障电流通过的最下游 开关。这个开关被称作“前馈隔离 开关”。然后，继续向下搜索到下游第一层开关——被称作“后馈隔离 开关”。之后，算法采取多种递归步 骤，包括：
        通过跟踪，识别任何多路连接的负 荷节点 (也称为“ T 型节点”)。 确定通过单一电源能否实现单一路 径恢复。如果不能，则算法将继续 搜索电网中的其他开关，实现多路 径恢复。
        在多路径恢复情况下，算法尽量确 定最好的重新配置。在某些情况 下，为了恢复所有可能不受影响的 负荷， 必须将电网分成两个子电 网，将一个或多个正常开启的连线 开关移动到其他开关设备的位置。 在另外情况下，即使已经移动了多 个连线开关的位置，也不能完全恢 复所有不受影响的负荷。
        典型 RSA 引擎搜索结果如图 1 和图 2 所示。在图 1a 中，使用了单路径 全面恢复，T 型节点 L3 上的故障必 须开启前馈隔离开关 (R3) 和两个后 馈隔离开关 (R6 和 R10 ) 进行隔离1)。 反馈电源 (S3 和 S4) 都有足够容量， 在其相应恢复路径上承担停止供 电服务的负荷，为了实现恢复，每 个连接开关 (R9 和 R12) 都可关闭。 恢复后的线路布局如图 1b 所示。图 2a 显示了多路径全面恢复的一个案 例，其中，位于负荷节点 L1 的故障 必须通过前馈隔离开关 (R1) 和后馈 隔离开关 (R2) 进行隔离 2)。在这个 案例中，没有任何反馈电源 (S2 至 S5) 能完全承担故障隔离后的所有 不受影响的负荷。因此，通过打开 R13，算法规则将网络分成两部分， 通过关闭 R8 和 R11 (来自 S3 和 S4)， 恢复了停止供电服务的负荷。恢复 供电后的线路布局如图 2b 所示。 通过采用包括 3 个电源、5 个开关和 3 个负荷的配电演示系统 (见图 3 )， 验证了基于现场方案的运行。通 过利用COM600 计算机中的算法控 制 5 个智能电子装置，该演示说明 了如何实现单一路径和多重路径的 恢复。例如，由于电源 S2 和 S3 的 给定电源容量均不足于恢复负荷 L1 和 L3 之和，负荷 L1 上的一个故障 使 R3 打开，随之，拆分了由 L2、R3 和 L3 组成的停止供电服务网络 (见图 3b )。R4 和 R5 两个连接开关闭合，恢复断电负荷的电力 (见图 3c )。

        Network Manager-DMS 是 ABB 的停电管理和 故障呼叫系统，包含用 于整个电力公司配电系 统的网络模型。
        基于控制中心的方案
        在基于控制中心的方案里， 变电站计算机 COM600 可以 作为网关，将现场智能电子 装置数据返回给控制中心的 停电管理系统，反过来，亦 可将控制中心的控制指令传 输给现场智能电子装置。 计算机 COM600 首先使用行 业许可协议，如 IEC 61850、 DNP3 和 Modbus，从每个 馈线智能电子装置获得必 要数据，然后分析这些数 据，以检测系统内是否发生故障。
        如果出现故障，计算机 COM600 通 过专有方法， 使用实时报文系 统，将此信息传输给上游 Network Manager-DMS。当 Network Manager- DMS 接收数据时，随即加以分析，以确定故障位置，随后运行RSA， 确定应该采取的适当隔离和恢复开 关措施。然后，Network Manager- DMS 向计算机 COM600 下达开关控 制指令，指令的下达可自动进行， 也可经操作人员授权后执行，具体方式取决于控制中心 DMS 应用软件的预先设定。该 方案的高级系统结构如图 4 所示。

        Network Manager-DMS 是 ABB 的停电管理和故障呼 叫系统。它包含的网络模 型一般存储在一个甲骨 文 (Oracle) 的数据库内， 可用于整个电力公司的配 电系统，包括所有路径的变 电站部件一直到住宅服务变 压器。图 5 所示为典型住 宅配电系统控制中心操作人 员界面，系统模型存储在 Network Manager-DMS 中。 实线代表架空配电线路，虚 线表示地下配电线路。方框 表示重合闸或开关，红色方 框表示常闭装置，绿色方框 表示常开装置 (即潜在恢复 路径)，红色三角代表服务 变压器。

        以往，当客户断电时，他们给电力 公司的自动应答系统打电话，自动 应答系统将停电数据录入 Network Manager-DMS，然后显示在操作员界面上。如果更多电话打 进来，Network Manager- DMS 试图确定停电原因， 如某个变压器或其他部件 发生故障，现场某个开关装 置或熔断器起动运行。操作 人员便利用界面和 Network Manager-DMS 的 RSA 输出， 派遣人员控制开关运行，以 帮助馈线的隔离和恢复。
        采用基于控制中心的综合恢 复方案，COM600 计算机将 根据智能电子装置检测的网 络事件，查找断电情况，并 自动通知 Network Manager- DMS。当 Network Manager- DMS 接收到该通知时，它将 运行有关断电区域的 RSA， 生成恢复供电方案，这种方 案也称作恢复供电开关操作 计划 (RSP)。在进行 RSA 分 析之后，是否将 RSP 立即发 送给 COM600 计算机执行， 由操作人员选择的参数确 定。操作员界面应用软件 容许三种类型的恢复控制 (见图 6 )：

        完全自动化的控制，操作 人员不介入 RSP 执行过程 根据操作人员点击确认执 行 RSP 操作人员辅助下的 RSP 选 择和执行 RSA 需依据详细的网络模型进行不 平衡潮流分析，以防止恢复后电网 电流和电压超限。RSA 综合了网络 拓扑树状跟踪和通用算法，使其能 应对网络负荷轻重情况。如果网络 负荷轻， 则单一路径恢复就足够 了。如果网络负荷重，则需要多路 径恢复以及采用多层 RSA。
        图 7 对多层 RSA 概念作出了解释， 其中，绿色方块代表馈线开关或故 障清除/隔离开关。连接没有负荷 区域的馈线开关称为恢复馈线开关 的第一层。层级按顺序进行命名 (如第二层，第三层等)。在大负荷 条件下，仅仅闭合第一层恢复开关 还不能满足电力要求。因此， 需 要将负荷从第一层与第二层之间传输给第二层和第三层之 间。ABB 使用基于遗传算 法的通用方法解决了这个 问题。

        ABB 已经在试验室研发并 验证了基于控制中心的 方案，建造了一个演示模 型， 用于说明这种概念 (见图 8 )。配置 Network Manager-DMS 服务器用来 储存一个范例网络模型， 并配置 Network Manager- DMS 客户笔记本电脑可存 取和显示这个模型。这些 电脑与 COM600 变电站计 算机和两台 REF6 1 5 配电 智能电子装置一起，通过 以太网开关利用 TCP/IP 互 相通信。两台 PCD 重合闸 控制器采用 Modbus 协议 与 COM600 计算机串联进 行通信。
        图 8 显示，负荷 1 是可调负 荷——由调光开关控制的 灯泡，通过遥控调光。负 荷 2 是一个固定负荷——没 有配备调光开关的灯泡。按 动调光开关遥控按钮，可在 负荷 1 上模拟一个故障，通 过开关设定负荷水平 (灯泡 照明度) 从半负荷增加到满 负荷。这个动作会造成一个 故障，强迫 PCD1 经过一个重合顺序 进入锁定状态：其过电流检测设定 值在故障前负荷水平 (设定值为半负 荷) 与故障负荷水平 (设定值为满负 荷) 之间。

        切断 PCD1 时，该动作触发 COM600故 障检测功能。当检测出故障时， Network Manager-DMS 接到通知，RSA 自动运行，确定所有恢复路径。 由 RSA 设定值确定隔离和恢复措施 是否为全自动化，还是需要操作人 员点击确认的半自动化，或需要操 作人员选择恢复路径的半自动化。 前两种情况下，最佳恢复路径由 RSA 自动确定。后一种情况，则通过分 析 RSA 输出数据，如允许容量、负 载水平和潮流超限数据，由操作人 员手动选择最佳路径。图 9 和图 10 所示为 Network Manager-DMS 操作人 员界面，通过操作人员点击确认， 实现半自动隔离和恢复。

        这种演示器曾多次在 2009 年召开的 各种会议上展示过，包括配电技术 (DistribuTech)、ABB 自动化与电 力世界 (见图 11 ) 和 FERC 博览会日 等。

        ABB 正积极开发智能电网技 术，特别在配电自动化、馈电 自动化和配电控制应用领域。
        自我修复的配电网
        ABB 正积极开发智能电网技术，特别 在配电自动化、馈电自动化和配电 控制应用领域。基于现场和基于控 制中心的恢复供电控制方案仅仅是这些开发工作的两个例子。这些技 术提供自检和自我修复的配电网解 决方案，极大缩短了客户的停电时 间，提高了服务可靠性。