刘思尧,于 烨,吴宗后

(国网宁夏电力有限公司信息通信公司,宁夏 银川 750001)

0 引言

随着科技的进步、城市电力需求的增加,对于电网技术的要求逐渐提高。传统中压配网设备管理技术落后,设备维护、更换缓慢,影响电力输送水平,已难以满足社会需求[1]。

学者针对中压配网管理方式开展了相关研究。文献[2]提出配网精益化管理模式,通过多功能集成技术对设备数据进行集成管理,利用跨平台终端深度融合技术提高中压配网数据分析能力,以增强中压配网的供电效率。但这种方式对于设备管控较为严格,对设备精度要求较高,不具有普适性。文献[3]设计全生命周期管理方式,采用机器学习的设备检修技术快速处理设备故障,利用地理信息系统(geographic information system,GIS)和全球定位系统(global positioning system,GPS)定位技术确定配网故障位置,以提高中压配网设备的持续供电能力。但这种方式无法检测移动频繁的设备,会导致配网管理中断。

针对上述研究中的问题,本文参考物联网技术[4],对管理模式进行全面改进。本文对指令制定方式和信号传输方式进行研究,通过融合物联网技术完成管理功能的更新,使设备各项功能更完美地应用于中压配网管理系统,从而保证配网供电的持续稳定性,进而提高供电效率[5]。同时,本文在设计的管理模式中融入网格化管理理念,采用两芯环形通信技术和算法程序快速反映设备问题,大幅提高了中压设备维修效率,进而保证了电网持续供电。

1 中压配网设备管理系统

本文设计系统的主要改进方案如下。

①通过网格化管理模式对设备管理系统进行优化,使管理更集中化、控制方式更严谨。

②设计两芯环形通信方式增加设备信号的传输速度,同时对控制指令信号进行增强,以提高管理效率。

③通过改进信赖域算法快速制定管理指令,对设备状态进行数据化转换,以保证设备的安全检测。

中压配网设备管理系统如图1所示。

图1 中压配网设备管理系统

中压配网设备管理系统的核心设备为DC2001主站柜。本文通过对主站柜的参数设置、指令控制和数据分析,完成中压配网设备管理系统的改进。该系统围绕主站柜分别进行控制指令制定速度、传输速度、管理模式以及数据分析效率的改进。在中压配网设备管理系统运作方式中:首先对DC2001主站柜进行数据控制,主要通过数据库、Web服务器、建立工作站和生成数据报表的形式完成数据汇总[6];然后配网控制室根据汇总的数据制定管理指令,并通过分析主站柜运行状态实时更新指令。管理指令主要应用于网格化管理模式。设备的安装和调节遵从网格化管理条例。网格化管理方式主要通过多种终端完成设备的管理,能够根据不同设备的性能制定合适的生产任务,使设备应用效率最大化。管理指令信号通过两芯环形通信方式传输到不同的变电所,使信号传输速度更快,并提高供电能力。变电所设备主要由抄表集中器和电表组成。通过实时参数表可得到准确的变电所供电数据,并完成电能分配[7]。

中压配网管理系统的设计融合了物联网技术更快、更强的特点,通过网格化管理方式增强中压配网供电能力,利用两芯环形通信方式加快控制室指令传达速度,使配网效率最大化,从而满足用户供电需求。

2 网格化管理模式

网格化管理模式如图2所示。

图2 网格化管理模式

传统中压配网管理模式较为松散,控制方式存在漏洞。为改善中压配网管理环境、提升配网设备控制能力,本文通过设计网格化的管理方式完成中压配网管理模式的更新,使配网供电能力得到提高[8]。

网格化管理模式通过100 Mbit/s实时交换网连接服务器和通信机。管理服务器主要由数据库服务器A、B及Web服务器和路由器组成。路由器完成Internet、管理信息系统(management information system,MIS)和其他系统的数据交互。通信机主要由通信前置机A、B完成功能运行。系统通过建立操作员工作站控制数据库服务器A;利用通信前置机A控制数据库服务器B;利用通信前置机B控制路由器;通过网络打印机形成报表[9]。通信机传输数据利用通信系统与终端进行对接,主要通信方式为无线、光纤以及载波等。终端管理主要由负控、配变、简易、配电开关监控装置(feeder terminal unit,FTU)、集抄和其他终端组成。针对中压配网管理数据状态调节不同终端,进而通过无线、微波或者专线的形式控制中压配网电力线的供电量。电力线主要采用中压300/220完成供电。具体应用方式为电表记录。通过采集终端对电表数据进行汇总,形成终端网格化的管理模式,从而完成中压配网的集中化管理[10]。

网格化的管理模式对中压配网管理系统具有重要作用。其快速处理数据的方式和集中化的管理模式提高了中压配网数据的处理能力,使配网电力数据分析效率得到极大改善,并使中压配网管理能够根据终端结果及时制定配电策略,从而实现快速供电[11]。

3 两芯环形通信方式

为改善中压配网控制室与设备之间的指令传输速度、提高控制指令的控制力度,本文通过设计两芯环形通信方式将配网主站与光端机进行环形连接,从而增加配网各站台与FTU设备的联系性、实现中压配网供电能力的增益和改进。

两芯环形通信方式的主站系统融合了数据采集与监视控制(supervisory control and data acquisition,SCADA)系统和数据库管理系统(database management system,DMS),同时搭配自动成图(automation mapping,AM)/设施管理(facility management,FM) /GIS等高科技通信技术,形成一体化通信网络,实现了中压配网管理信息集成的功能。在此基础上构建的两芯自愈环光纤通道可实现集成数据的完整通信和传输。通信环具有配置完整、技术先进的特点,能够满足中压配网系统数据的通信传输需求。两芯环形通信方式如图3所示。

图3 两芯环形通信方式

以SCADA和DMS联合设计的通信主站系统采用24端口100 Mbit/s以太网交换机组成双局域网,主要通信形式为两芯自愈环光纤通道[12-13]。图3中,FS为光纤接口模块。FTU采用光纤网与光端机的连接,在有线传输线路断线或光端机传输设备发生故障时,可自动调节信号传输方式和光端机的线路搭配问题,完成两芯环形的重建过程,组成新的环路以完成本次信号传输,进而降低配网指令传达的延迟性和损失。光端机建造采用了时分复用(time-division multiplexing,TDM)技术,实现了光纤的多通道传输功能,可以在中压配网发布指令的同时完成多个信号的送达。光端机的下属结构主要由配电变压器监测终端(transformer supervisory terminal unit,TTU)组成,通过异步传输标准接口RS-232线路完成连接。TTU设计方式为串口通信转换器。其将转换信号通过总线的形式进行传输或者接收,以及各自信号的分配。

4 改进信赖域算法

信赖域算法通过对数据制定一定的原则,将数据结构通过一定方式进行位移变换,使其搜索位置发生变化,从而保证数据存储位置的安全。核心算法方式为制定的“某种原则”。而目标数据具体位移距离和方向由函数信赖域决定。信赖域范围大,则位移距离远;信赖域范围小,则位移距离近[14]。

传统信赖域算法针对中压配网数据分析方式,主要根据运行状态中的有功和无功功率的分析得到。通过计算配网有功和无功的变化规律确定指令数据传达的有效性,即:

(1)

本文对中压配网管理系统接入位置进行分析,通过标注接入节点OPQ位置建立方程组,从而准确了解接入点的数据变化[15]。OPQ信赖域方程为:

(2)

式中:SPQ为网格化管理系统节点集合;FPpQi为OPQ的配网有功输出方程;FQPQi为OPQ的配网无功输出方程;PGi为OPQ位置的有功输出;QG为OPQ位置的无功输出;Pi为节点有功总量;Qi为节点无功总量。

若系统节点不存在节点变换装置,则PGi=0、QGi=0;若节点上存在变换装置,则PGi为指定设备管理下的有功功率输出、QGi为指定设备管理下的无功功率输出。

本文对式(2)中管理节点的信赖域函数进行下垂改进,以进一步增强中压配网设备管理的安全性,使节点数据信赖域范围得到进一步延伸。

(3)

式中:SD为下垂节点集合;FPDi为下垂节点的有功功率;FQDi为下垂节点的无功功率;mPi为有功功率信赖域范围;mQi为无功功率信赖域范围。

本文通过下垂方程式确定管理数据的节点移动范围。在此信赖域范围内,指令数据的传达过程为:

(4)

根据系统节点变化后指令传输规律,可进一步判断管理系统的安全性,并对其进行整定:

(5)

式中:yk=gk+1-gk;η1为信赖域半径阈值。

本文设Bk为对称整定,则修正可保证Bk+1为对称整定性矩阵。一般设B0为单位矩阵。比较可知,由系统节点位移产生的Bk+1比计算矩阵更简单。所以,系统节点下垂的改进更有利于中压配网管理的安全运行[16]。同时,在设备管理指令传达过程中,若rk接近1,则信赖域半径Δk范围扩大;若rk>0但不接近1,则保持Δk不变;若rk接近0,则信赖域半径范围Δk缩小。

5 试验结果与分析

本文针对中压配网设备管理问题进行研究,通过分析市场需求和现有技术的不足,并融合物联网技术进行管理方式改进,对中压配网设备管理过程进行试验。试验过程在Intel i9 9600KF计算机(4.0 GHz)中央处理器(central processing unit,CPU)上运行。现场设置试验环境。记录表格通过数据统计法完成。设备采用网格化管理模式。微机运算速度达到25亿次。算法程序运算误差小于2.0%。

中压配电所结构如图4所示。

图4 中压配电所结构图

本文对6～10 kV中压配网设备管理模式进行研究。本文先根据试验的数据分析对网格化管理模式进行试验,再根据Proteus仿真软件对中压配网管理线路运行过程进行仿真。

由于通信网络的波动,两芯环形通信方式可消除中压配网系统数据管理产生的波动影响,达到系统稳定的目的,以提高管理效率。消除的波动数据为:

g(k′)=LT[F×l(k′)]-M×y(k′)-A×u(k′)

(6)

式中:k′为中压配网系统数据;LT为通信网络传输数据器件产生的总数据量;T为传输时间;F为变化后的传输反馈约束条件;l(k′)为初始中压配网系统数据变化比例;M为无波动时中压配网系统数据变化轨迹;y(k′)为无波动时受影响数据;A为出现波动期间中压配网系统数据变化轨迹;u(k′)为波动缓冲时间内受影响数据。

中压配网系统数据管理效率为:

(7)

本文根据配电所运行结果,由式(7)推断设备管理效果。为验证本文系统的有效性,本文汇总试验结果数据,得到的配网设备管理试验数据如表1所示。

表1 配网设备管理试验数据

由表1可知,本文系统网格化管理模式具有较高可行性。试验结果显示了3种不同方案的管理指令传输速度变化规律。通过对比分析各系统性能,设备管理指令传输速度曲线如图5所示。

图5 管理指令传输速度曲线

图5结果显示,在配网负荷量为200～500 kVA时,本文系统传输速度整体变化曲线始终优于其他两种方案。

本文通过对比各设计方案的设备管理效率,进一步完成对比试验,根据Proteus软件实现中压配网设备运行的仿真。中压配网设备管理效率曲线如图6所示。

图6 中压配网设备管理效率曲线

对比图6可知,3种方案设备管理效率均受到配网负荷量的影响。在同一配网负荷量下,本文系统的管理效率最高。

综上所述,本文系统对中压设备管理的改进具有明显效果。试验结果表明,本文系统负荷量最大、管理指令传输速度最快、设备管理效率最高。这体现出本文系统网格化管理模式的优越性。

6 结论

为了提高中压配网设备管理系统的工作性能,本文提出1种中压配网设备管理系统,并通过对主站柜的参数设置、指令控制和数据分析完成中压配网设备管理系统的改进。本文采用网格化管理模式,通过100 Mbit/s实时交换网对服务器和通信机进行连接。该系统能够改善中压配网控制室与设备之间的指令传输速度,并通过信赖域算法实现数据信息存储。通过测试并将试验结果汇总为配网设备管理试验数据表可知,本文系统负荷量更大、管理指令传输速度更快、设备管理效率更高。通过仿真对比分析,证明本文系统具有明显优势。但是本文系统在试验过程中仍存在问题,如设备过载运行时间长会发生误报警、管理指令设置不够严谨、不具有时效性等。这有待后续的进一步研究。