智能配电网分布式拓扑识别与应用方法

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1、智能配电网分布式拓扑识别与应用方法武奕彤期刊名称】电力系统保护与控制年(卷),期】2019(047)016【总页数】7页(P136-142) 【关键词】 智能配电网;拓扑识别; 拓扑应用;分布式存储【作 者】 武奕彤【作者单位】 河海大学能源与电气学院 江苏 南京 210098【正文语种】 中 文对于配电网的智能化保护与控制，配电网拓扑信息的识别与应用必不可少。在现有 的配电网控制系统中，大多是将拓扑信息集中存储于主站中，主站根据各子站上传 的开关动作信息完成配电网的拓扑识别并下达控制指令1-2。近年来，一种无主 站的分布式控制概念逐渐兴起3-7，如何在这种情况下实现配电网拓扑信息的识 别与应

2、用成为了现阶段需要研究的问题。文献8对主站集中控制型拓扑识别与应用方法进行了介绍，这种方法简单直观， 但是对主站的数据存储与计算能力要求较高，数据更新的实时性较差。文献9-12 研究了邻接矩阵法与树搜索法的改进算法，使拓扑分析速度有所提高。文献13- 14首次提出基于智能终端逐级查询的馈线拓扑识别方案，该方法的优势在于网络 拓扑结构发生改变时，主控智能终端能够自适应地改变拓扑识别结果。逐级查询的 方式虽然利用了分布式的结构，但其实质仍然是一个或几个主控智能终端存储并识 别网络拓扑信息，当网络结构复杂时，主控智能终端中存储的拓扑信息量仍然较大 在一些情况下，逐级查询的方式所需查询的级数较多，拓扑

3、更新有较大延时。 上述拓扑识别与应用方法的实质都是将拓扑信息集中存储，即使是逐级查询的拓扑 识别方法也没有充分发挥分布式智能终端的优势。文献15提出了一种适用于分布 式馈线自动化的馈线拓扑分析方法，利用配电终端之间信息交互建立馈线拓扑。文 献16提出了一种智能配电网拓扑信息的分布式存储和管理方法，将整个配电网的 拓扑信息分散到众多分布式智能配电终端，逐级设立代理终端节点，依靠各代理节 点的相互通信实现配电网的拓扑识别与应用。在配电网节点较多的情况下，该方案 需要多个代理节点逐级交换信息，对通信网络要求较高，可能造成较大通信延时。 本文在已有研究的基础上，提出了一种配电网分布式拓扑识别与应用方法

4、。该方法 充分利用了智能终端单元的分布式优势，将配电网拓扑信息分散存储到各个智能终 端单元。为了缓解网络通信压力，减少通信延时，本文重新定义了“支路集”的概 念，将支路集边界的智能终端单元作为完成拓扑识别的关键一环，有效降低了通信 层级，加快了拓扑信息的传递速度，可以为需要拓扑信息快速更新的配电网功能做 支撑。文献17在研究配电网重构时提出了“支路集”的概念。支路集代表一组支路的集 合，不同支路集的连接点称为边界节点，边界节点上所连的支路数应大于2。在图 1所示的配电网接线图中，可以看出支路集合5 25 26 27 28就是一组支路集，将 图中所有支路集找出，可以得到如图2所示的仅剩支路集与边

5、界节点的简化系统 模型图，经过简化，可使配电网重构的复杂程度降低。在配电网重构中，借助支路集的概念可以将原本复杂的配电网模型进行简化，其简 化的本质就是对支路间“连通性”的概括，而拓扑识别与应用的实质恰恰就是对连 通性的识别与应用。例如基于拓扌卜识别的孤岛检测，DG与主电源是否连通决定了 它是否处于孤岛运行状态。因此，通过引入支路集的概念，有望使拓扑识别与应用 得到简化。考虑到分布式电源的存在，本文重新定义了支路集的概念，使之适用于 含分布式电源的配电网。在配电网中，如果某几条连通的馈线区段首尾相连，且各区段的分界母线上仅有两 条出线(负荷支路除外)，那么这几条馈线区段就被定义为一组“支路集”

6、。不同支 路集连接的母线可以称为“边界母线”或“边界节点”，边界母线上的馈线开关称 为“边界开关，边界开关处的STU称为“边界STU”。需要说明的是，在判断 母线上有几条出线时，认为分布式电源(Distributed Generation, DG)支路属于出 线，且认为DG的公共连接点(Point of Common Coupling, PCC)处的开关属于 边界开关，但是为简化起见，不认为DG支路属于支路集。图3是一个含DG的配电网模型图，智能终端STU安装在各开关处，STU是具备 独立数据处理能力且能够自主控制开关动作的保护单元，它们之间能够进行基于多 种通信网络的对等通信。因STU与其所

7、控制的开关是一一对应的关系，所以图中 均用符号“S”表示，黑色开关代表闭合，白色代表断开；负荷用符号“ L”表示； 支路用符号“B”表示；开关S10为联络开关，正常运行时处于断开位置。图中3 组支路集分别为B1-B2，B3，B4-B5；边界母线为母线1、3、4、6;边界 STU 与边界开关为 S1、S4、S9、S10、S5、S8、S11。静态网络拓扑信息是指每个STU所在位置的基本拓扑信息，是拓扑识别的基础。 静态网络拓扑信息需要人工配置，一般不做更改，在网络结构发生变化后，需要手 动修改。初次配置时，每个STU中存储的静态网络拓扌卜信息如表1所示。 在网络拓扑信息分布式存储的前提下，拓扑识别

8、的目的已不再是使某一个或某几个 STU识别到全网完备的拓扑信息，而是使每个STU分别识别并存储与之关联的局 部拓扑信息，各STU在具备局部拓扑信息的基础上，通过信息交换完成相关拓扑 功能。本节仅介绍所提方案中拓扑识别的规则与策略，具体如何对拓扑信息加以利 用将在后文介绍。为简单起见，认为配电网中各处电压近似相同，负荷功率因数相近，可以用负荷电流的大小近似表示功率大小。为了使每个STU经过拓扑识别过程获取相关拓扑信 息，需遵循如下的拓扑识别规则。1）规则1 :将电源侧母线的出线开关视为支路集的始端边界开关，始端边界STU 向同一区段内的对端STU发送“开关状态查询指令”，令其查询自身所监控开关

9、的开合状态。2）规则2 : STU收到来自区段对端的开关状态查询命令时。 若自身控制的开关为闭合状态，标记自身为远电源侧，接着查询所连接母线上 的馈线支路条数。如果馈线条数为2，则向相邻馈线的STU继续转发查询命令； 如果馈线条数不为2 ，则设定自身控制的开关是本支路集的末端边界开关，发送“边界确定指令”给所连接母线上的其他STU，使它们作为支路集的始端边界STU继续向馈线末端进行查询。 若自身为断开状态，通知同区段的对端STU自身的断开状态，对端STU收到 消息后，将“边界确定指令”转发给所连母线上连接的其他所有的智能终端单元， 使其确认自身的末端边界STU地位。3）规则3 : STU收到相

10、邻区段的STU发送来的开关状态查询指令时。 若自身控制的开关为闭合状态，则向本区段的对端STU转发“开关状态查询指 令”。 若自身控制的开关为断开状态，则确认自身的边界开关地位，向所连母线的其 他STU发送“边界确定指令”，使其确认自身的末端边界STU地位。4）规则4 :在同一支路集内转发的“开关状态查询指令”中，应携带支路集始端 边界STU的通信地址，在该支路集末端边界开关确定时，末端边界STU将自身通 信地址、正常运行时的开关电流iz返回给始端边界STU。支路集始端与末端开关 电流的电流差ih，可以代表本支路集内部所有负荷的功率和（除始末两端边界节点 上的负荷）。5）规则5 :连接于同一母

11、线上的边界STU在识别到自身为边界STU时，存储相互 之间最初的信息传递顺序，处于信息传递“源头”的 STU 负责计算所连母线上的 负荷功率对应的电流值 im。6）规则 6:从某电源侧母线开始识别时，该侧电源最大容量所代表的电流值减去 电源侧STU的开关电流，即可得到该侧电源裕量对应的电流值iy。电源侧STU计 算iy，并在以上拓扑查询过程中将该值逐级向下游传递，直至断开开关，在断开 开关确认为联络开关后，记录该裕量大小及信息来源。现根据图 4 说明配电网拓扑识别的具体流程，图中箭头方向代表信息传递的方向， 箭头上的数字代表信息传递的先后顺序。电源侧S1向S2发送“开关状态查询指 令”，同时发

12、送自身的通信地址与本侧电源裕量iy。由于S2为闭合状态，所以设 定自身为本区段的远电源侧。母线2的馈线出线数量为2，因此S2向S3发送查 询指令、S1的通信地址及iy。随后，S3、S4、S9重复上述过程，直至S10。由 于S10为断开状态，则S10记录iy大小及信息来源为S9，并将自身断开状态发 回给S9，S9收到消息后，再将“边界确定指令”转发给母线3上的S4。S4得知 自己是支路集末端边界开关，且所处支路集的上游边界开关是S1,于是将自身的 通信地址、开关电流发送给S1。经过查询，开关S2、S3、S4均知晓所在支路集 的始端是S1,并存有S1的通信地址；S1作为该支路集的始端边界开关，获知

13、末 端边界开关S4的通信地址，并计算得到代表本支路集内部的负荷功率的ih ;母线 3上所连的开关S4与S9存储它们之间“最初”传递信息的先后顺序，由于最初 是S4将开关状态查询指令转发给了 S9，所以在此处信息传递的先后顺序为S4至 S9；S4与S9的开关电流差im即可代表边界母线3上的负荷功率。类似地，另一查询流程从S5开始。由于从两条查询路径都可以查询到S10的断开 状态，于是确认S10为联络开关。S10中存储着两个裕量信息，分别来源于S9和S8，可以作为联络开关的可用裕量。动态网络拓扑信息是配电网分布式拓扑识别的结果，也是分布式拓扑信息能够得以 应用的基础，动态拓扑信息表如表 2 所示。

14、动态拓扑信息取决于配电网的实时运 行方式，变化的频率较高，为保持动态网络拓扑信息的实时性，可以规定各 STU 每经过一段时间进行一次拓扑更新，或者是在网络中出现开关状态变化后进行一次 拓扑更新。进行一次拓扑识别后，表 2 中的大部分信息均可获得，其余数据可在 具体的拓扑应用中计算得到。信息传递顺序代表相邻边界 STU 之间第一次传递“开关状态查询指令”、“边界 确定指令”的顺序，在每个边界 STU 中都应存储。该顺序不仅代表着相邻边界 STU 的连接关系，也代表着不同支路集相对于系统电源的上下游关系。 拓扑识别的目的是将拓扑信息加以利用，为配电网的高级功能提供拓扑信息支撑。 本节将介绍在所提方

15、案下，如何将拓扑信息应用于重合闸、分布式电源孤岛识别、 非故障区段供电恢复。在始端边界STU向末端边界STU转发查询命令的过程中，STU可识别自身相对于 电源的远近关系。那么经历一次拓扑识别后，该拓扑信息就可以应用于近电源侧先 合闸，合闸成功后远电源侧再合闸的配电网重合闸策略18-24。图5是图3所示网络中的一处局部网络，经过前述网络拓扌卜识别过程，S5与S6 已经知晓相对于对方的上下游关系。在f2处发生故障且故障区段被隔离后，上游 开关S5首先发出重合闸指令，若重合闸成功，则S5通知S6合闸，否则S5跳开 且不再重合。由于定义了支路集的概念，可通过如下流程进行分布式电源孤岛运行状态识别。1）

16、某区段内的开关跳开后，通知所处支路集的始端边界STU ,始端边界STU得到 消息后，更新表 2 中的支路集通断信息，通知末端边界 STU 本支路集的断开情况2）末端边界STU得到消息后，同样更新表2，按照自身所存储的边界开关信息传 递顺序，将自身支路集断开的消息传递给相邻边界STU。 若相邻边界开关有分布式电源PCC处的开关，则该分布式电源处于孤岛状态。 若相邻边界开关并非分布式电源PCC处的开关，则相邻边界STU设定自身所 处的支路集断开，更新表2，并通知本支路集末端边界STU，重复本流程，直至馈 线末端。如图3所示的f2处发生故障，S5与S6跳开，S5得知本支路集有开关断开后， 随即通知本支路集末端边界开关S8，令其按照自身存储的信息传递顺序，将支路 集断开消息通知S10与S11。由于S11为DG的PCC处开关，所以DG识别到自 身