地区级配网自动化PAS功能研究

    宗万隆+傅庆+腾飞

    

    

    摘 要：国家电网配网自动化是近些年智能电网建设的重点。文章就配网自动化PAS在配网工程中的应用，重点介绍了其拓扑结构、各功能模块的组成及基本工作原理、电网约束性分析的基本实现方法。

    关键词：配网自动化PAS；拓扑结构；功能模块；约束性

    国家能源局2015—2020年关于配电网建设改造计划（见国能电2015—290号文件）中指出：配电网改造到2020年投资不低于2万亿元。国家电网公司在“十三五”配网规划中明确要加强配网智能化、信息化建设，配网自动化是近些年智能电网建设的重点，配网自动化建设主要建立可靠、安全、具备可扩展性的主站，因此对配网自动化PAS的应用和功能研究有着十分重要的意义。

    1 配网自动化PAS简介

    配网高级应用软件（Power Application Software，PAS）主要是指：根据网络的拓扑结构及网络历史、实时运行状态或预估的运行动态为理论基础，通过计算机仿真计算，分析当前电网的运行、后期运行状态的安全性、经济性、鲁棒性等指标，为网络运行的经济性和安全性及其合理布置提供理论依据[1]。主要模块包括拓扑结构分析、潮流计算、状态评估、电网建模、动态涂色、载荷预报等。

    1.1 PAS的拓扑结构

    PAS的基本组成结构如图1所示。

    PAS的网络结构的主要功能是用于确定网络设备相互间的联接关系和运行状态。其核心思想是依据元件的实时状态（开关）和电网元件状态将实际物理模型转换成计算模型，把有电气联接关系的支路集成为岛，通过在线分析开关状态的变化，自动统计变电站、母联线、支路等的理论计算节点数，转换成新的网络联接，并提供测量和输入数据，为相关的应用板块提供更新后的理论分析依据。此模块为共享模块，是各子程序的运行基础，可被状态预估器、潮流分析、电量核格式无功功率优化、安全性分析等多种应用子程序块调用。

    1.2 配电网络分析的步骤

    网络结构分析包括两个基本步骤：电气岛分析和母线分析。母线分析的功能是将物理开关联接在一起的节点集定义成一条母线；而电气岛分析则是将变压器和线路联接在一起形成的母线“排”定义成一个“岛”。其中，含有电源和负荷的“岛”称为“活岛”，物理上对应系统带电部分，否则称为“死岛”，即对应系统不带电部分，而“活岛”才有计算意义。一般情况下，配电网络拓扑的启动在在线模式下应可直接根据开关变位和状态由诸如人工置数、线路接地等事件产生触发，而在研究模式中则可由运行调度人员在PAS/SCADA界面中对物理开关的在线操作进行人工启动。

    1.3 配电网络的主要功能

    配电网络的结构复杂，实现的功能很多，主要功能分为如下几种：（1）依据刀闸和开关的状态，确定网络的拓扑结构（节点-支路的联接关系）。（2）当系统发送解列时，对节点规模依照由大到小的顺序，推导出其子系统的拓扑结构。（3）对各子系统内的节点的优化进行排序。（4）可通过开关变位事件驱动或触发驱动。（5）对节点元件（变压器、线路、载荷、电容器等）设置投运/切除命令。（6）可清晰地指示出不带电网络是否接地。（7）当环网运行出现异常情况是可提供报警信息。

    2 配电网络PAS的功能模块

    PAS的主要功能由动态着色、潮流分析、状态估计、负荷计算、短路电流计算等部分组成，本文重点介绍状态估计、负荷计算、短路电流计算这三大模块。

    2.1 状态估计

    状态估计是指利用系统采集到的实时数据，通过计算机冗余计算来消除随机干扰而导致的错误信息，有效提高数据采集精度，对系统的运行状态提供预估或预警信息[2]。在实际电力系统中，由于远动信息不全，我们难以掌握电网重要的运行状态信息。一般通过增加远动设备精度和测量点的数量，可以提高系统收集數据的可靠性。但提出过高的技术要求，会在经济上付出过大的代价。如果能在状态估计技术的配合下，通过对已有的数据进行分析处理，同时增加适当的设备，则能充分发挥已有硬件的潜力。

    主要功能有：（1）预检测功能。（2）通过对变压器或线路的无功、有功潮流量的测量，母线所注入无功、有功量，母线电压量测、零序电流量测、变压器分档接头档位进行状态预估。（3）当带载调压变压器存在电压和潮流量测时，可估计带载调压变压器的档位。（4）对零阻抗支路进行处理。（5）对于无动载接头的可调变压器的分接头可以手动设置档位，把显然不合理的量测屏蔽掉或进行人工修改。（6）根据预估信息导出越限信息。（7）状态预估结果可在一次接线图上进行直观显示，产生具有实时值与预估值的对照列表，可在联接图上显示，并支持打印功能。

    2.2 负荷预估

    根据电网运行自动化的实时性要求，对载荷预测功能所提出的要求，主要是针对短时负荷预估，而短时负荷预估主要是对未来24小时内的负荷增量进行预估。由于负荷变化受诸多因素影响，而且相当部分的因素不方便量化，还是不确定的，所以在负荷预测中，如何把这类因素对负载的影响，就成为当前各类负荷预估模型和算法所主要面对的难点。

    主要功能有：（1）预报24小时内，以5～15分钟为时间分布段，向系统提供用电载荷和网侧载荷。在技术处理中，采样频率可变，即时间分布段的Δt可依据需要进行调节。（2）可在线针对负荷的计算出值进行修改或调整。（3）可对不同季节、正常工作日、节假日、休息日的不同模型分别提供预测载荷，针对预估的数学模型，我们必须事先考虑并包含进其他已知的人为因素，并可以根据实际负荷值修改模型参数。（4）把气象因素加入预估参考，如气温、晴、雨、云等。（5）提供以24小时为周期的负荷预测，并可由人工随时启动运行。（6）提供多种形式的负荷预估结果，包括画面（曲线）输出、显示、拷贝和打印。（7）依据用户需求将预测结果以一定的数据格式文件发送出去，并可为其他电网运维软件提供数据源。（8）可以对预估结果（曲线）进行人工修改，也可以在预估结果形成的表格中直接修改预估结果，并将修改结果用图形方式显示。（9）对负荷预测是否满足精度要求进行评估和统计分析。（10）预测结果同时以曲线和表格两种形式输出，以方便查询和修正，另外，对最大预测载荷、最小预估载荷及发生时间、平均预估载荷、预估电量等信息进行输出。（11）可以以曲线或表格的形式输出历史数据。（12）可显示某一历史日的数据和曲线，用于将预估结果和曲线结果进行比较，并给出预估值的平均误差和最大误差。

    2.3 短路電流计算

    短路电流计算是指在配电网络中某一点发生断路故障或短路故障时，电力系统中各节点电压和支路电流值的分布情况。短路电流计算是对电力元件进行安全校核的重要手段，也可以检查继电保护定值设置的合理性。

    其主要功能有：（1）可以对各种方式（如：历史、实时、检修或预想方式）进行故障计算；适应于各种网络结构，不仅可用于环网，也可以用于辐射网，不仅适用于高压输电系统，也适用于配电小电流接地系统或不接地系统。（2）可以直接取用实时或历史的网络数据和潮流信息，负荷采用二次模型，也可以将模型进行简化；可计算线路、母线、发电机、变压器等设备发生的各种短路故障，例如：单相接地、相间短路、两相接地、三相接地等。（3）可分析变压器、线路、发电机、开关等网络元件发生的各类断相故障，如：单相、两相、三相断相。（4）可分析同杆并架线之间的跨线短路故障；并分析各种元件同时或相继发生一个或多个故障，即可进行重复故障分析。（5）可考虑互感线路检修对运行线路的影响。（6）可给出故障后系统中各元件上的信息，如相分量形式的电压电流、序分量形式的电压电流、分支系数，包括正序、负序、零序分支系数、发电机流过的正序与负序电流的比值等。（7）可计算出短路后母联开关和其他重要联络开关上的短路电流。

    3 PAS的安全约束功能

    安全约束系统的主要功能包括：软件支撑平台、操作票规则维护、图形维护、操作票生成、操作票模拟培训、操作票管理、用户管理、通信管理、安全约束等功能模块，其功能组成如图2所示。

    操作约束系统是以实际网络模型与实时数据为基础，对遥控信息或指令信息下达过程进行校验、操控的软件系统。系统充分利用数据采集与监视控制系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系统提供的实时数据，将操作票智能生成系统、流程操控系统和智能约束系统三者进行有机结合，为集控操作人员或调度员提供一个功能齐全、操作简单、易于维护防操作失误工具，预先进行计算并控制电网操作，形成最终的、安全的、合理的操作规则[3]。该系统可提供操作模拟、智能操作票、操作过程和操作校验等控制功能，提供防误逻辑闭锁、错误警告功能、重要信息提示、操作员培训等功能。操作安全约束系统利用SCADA平台可将现有操作规范和工作流程统一进行管理，利用科学的算法和规则在各个环节中进行安全校验，尽可能地避免人为因素和电网自身因素而引起的误操作。

    4 PAS的电网分析性约束

    分析性约束是通过电网实际联接方式和运行模式，分析指令下达前后的运行状态，并合理性地给出约束条件或操作提示，主要分为操作自定义条件约束以及操作票约束两种。

    4.1 操作自定义条件约束

    对一些特殊设备的操作，可通过自定义条件逻辑来对设备的操作进行约束，其主要目的是满足设备操作的特殊性，其判别依据是用户自定义的逻辑单元，任何可操作设备都可通过逻辑表达式定义约束其操作的逻辑单元，逻辑单元的参数可是任何采集的遥信或遥测量，用户可根据需求和操作原则自编写操作逻辑，来形成对设备操作的约束。当进行某设备的某种操作时，系统利用当前状态通过逻辑计算得到的约束结果来判断是否允许操作。

    4.2 操作票约束

    在电力系统中，倒闸操作有着严格的操作流程，而操作票制度是避免电力系统常规的倒闸误操作的有力手段，即将操作票中的各种步骤同实际物理操作设备对应起来。这样，在进行遥控操作时，我们就可以通过操作票对所遥控的设备进行约束操作。这种约束充分复制了操作票制度的严格性和完整性。我们通过打开已获批的操作票，经过约束协议检查通过后，形成“预操作队列”，在实际操作时根据“预操作队列”中的每一个操作步骤，选择相应的遥控设备以及状态，综合进行比较后形成“约束结果”。能够实现的约束有：（1）操作设备是否误选。（2）跨步是否操作。（3）是否完成上一步操作（是否达到操作目的）。（4）操作队列中未操作设备状态是否与操作前保持一致等。

    5 结语

    配网自动化是集计算机技术、自动控制技术、电子技术、通信技术及新的高性能的配电设备于一体的高技术手段，作为软件系统的PAS，还有更深层次的功能等待着人们去研究、开发及应用。希望本文能起到抛砖引玉的作用，引导广大读者积极参与到我国配网自动化技术的工作中来，为国家的配网技术发展做出自己的一份贡献。

    [参考文献]

    [1]郭谋发.配电网自动化技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

    [2]肖金球.配电系统自动化[M].北京：中国电力出版社，2008.

    [3]冯庆东，毛为民.配电网自动化技术与工程实例分析[M].北京：中国电力出版社，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； constraint