基于逻辑节点的分布式馈线自动化拓扑识别

0 引言

分布式馈线自动化（FA）能够实现馈线的快速故障定位、隔离和恢复,将非故障区段的停电时间缩短至秒级,提高了供电可靠性［1］。分布式FA 不依赖主站,仅需要配电终端之间相互通信进行决策,故可以有效地提高配电网故障的处理速度［2-5］。分布式FA 功能的实现需要明确馈线当前的实时拓扑［6-11］,特别是进行供电恢复时需要知道联络开关的位置,而配电网结构由于故障隔离、负荷转供和网络优化等操作,使得联络开关位置有可能发生变化。因此,对于分布式FA,如何进行配电网实时拓扑识别是需要解决的关键问题［12-14］。

配电网的实时拓扑由其静态拓扑结合线路上开关状态决定。拓扑识别的目的是根据开关实时状态,形成当前的馈线实时拓扑,供配电网运行控制使用［15］。目前,配电网拓扑处理有2 种模式,一种是主站处理模式,另一种是分布式处理模式。配电主站中的部分高级功能需要配电网的实时拓扑,例如:集中式FA,其采用的拓扑识别算法主要包括树搜索法和邻接矩阵法这2 类［16-17］。在集中式FA 模式下,配电线路上的配电终端不存储馈线拓扑信息。馈线的静态拓扑存储在主站中,通过拓扑识别算法计算获得实时拓扑。当配电线路拓扑发生改变时,则在主站内更新馈线的完整拓扑,这种方式拓扑信息齐全,但只能供集中式处理使用。分布式控制应用为了完成控制需要线路实时拓扑,一般不需要馈线的完整拓扑,只需要控制域内的拓扑信息［18］。为满足分布式控制拓扑信息的需求,已有文献进行了实时配电线路拓扑识别的研究。对于拓扑的表达和配置,文献［19-20］基于自定义格式配置馈线上相邻开关的邻接关系,实现FA 功能。文献［21-22］基于IEC 61850 系统配置描述语言（SCL）的Process 和Line 模型描述配电网拓扑。其中,文献［21］提出一种基于图分割的分布式拓扑处理方式,利用智能终端（STU）的相互通信实现配电网的拓扑识别。基于SCL 的拓扑描述方式需要生成拓扑配置文件储存在STU 中,通过传输交换拓扑配置文件获取实时拓扑,除拓扑配置外其他功能都是通过逻辑节点完成［21］。对于局部拓扑信息的查询和传输,文献［18］提出一种基于STU 存储局部拓扑,采用拓扑描述矩阵表示静态拓扑,通过矩阵运算获取应用拓扑,通过STU 之间的通信实现静态拓扑拼接和联络开关识别,实现了馈线实时拓扑的逐级查询。

本文针对分布式FA 应用对配电网拓扑的需求,使用IEC 61850 的建模方法新建单元拓扑逻辑节点（RTCN）和拓扑片节点（RTPM）来表达馈线域内的拓扑。基于逻辑节点研究了拓扑识别算法完成馈线拓扑搜索来满足分布式FA 应用需求。与基于SCL 描述配电网拓扑方法相比,基于逻辑节点的方式描述拓扑信息,局部拓扑的配置与获取方式则与其他功能逻辑节点一致,更加便于分布式FA 应用推广。

1 分布式FA 应用拓扑

1.1 分布式FA

分布式FA 技术将故障定位和隔离功能部署到线路开关上的STU,利用STU 的相互通信来交换故障检测信息,实现故障区段的识别,通过跳开故障区域两侧的开关完成故障隔离。故障区段隔离成功后,故障上游的非故障区段由出线开关合闸恢复供电,若故障点下游的非故障区段有联络开关,则由联络开关合闸恢复供电。

以图1 为例,图中出线开关CB1 和CB2 均为断路器；S1,S2,S3 和S5 为分段开关；S4 为联络开关。变电站出线开关、分段开关和联络开关处分别安装STU1 至STU7,各STU 通过对等通信网络进行通信。

图1 典型的配电网和FA 系统
Fig.1 Typical distribution network and FA system

在进行分布式FA 应用时,需要知道每个设备的连接关系,当分布式FA 完成故障隔离后,需要进行非故障区段的供电恢复。系统需要明确故障线路下游的拓扑结构以确定合适的供电恢复路径。

1.2 静态拓扑

网络静态拓扑指系统配电设备与线路的静态连接关系,配电设备连接关系的变化会导致静态拓扑的变化。配电线路的建设,例如:线路延伸、开关增减和新的设备投入运行都会改变网络的静态拓扑。

1.3 实时拓扑

应用拓扑指实现某一具体功能时,其控制作用域内相关设备的实时连接关系。馈线实时拓扑是由静态拓扑结合开关状态决定。以分布式FA 为例,实时拓扑一般是指中压配电线路上,起点为变电站母线,终点为负荷、对端变电站母线、分布式电源和常开的联络开关等设备的实时连接关系。当进行故障定位、隔离和恢复时,需要实时掌握STU 上下游的连接关系。本文基于新建逻辑节点表达馈线的静态拓扑,结合当前的开关状态信息,使用搜索算法获得该馈线的实时应用拓扑。

开关状态的变化会引起应用拓扑变化,如图1所示配电线路,故障发生前配电网的连接关系为CB1-S1-S2-S3 和CB2-S5-S4。故障发生后,由于开关操作,应用拓扑发生改变,如图2 所示。其连接关系变为CB1-S1 和CB2-S5-S4-S3。

图2 故障后的配电网拓扑
Fig.2 Distribution network topology after a fault

2 配电网拓扑的表达

2.1 现有的配电网拓扑模型描述

网络的拓扑模型是所有网络分析应用的基础。IEC 61850-6 定义的变电站SCL 可进行系统的一次拓扑、智能电子设备（IED）信息模型和通信服务的描述。文献［22］研究了IEC 61850-6 通过新建的Process 和Line 元素来描述配电网拓扑。在SCL 模型描述中,配电网中的主干线路和分支线路都用Line 元素表示,配电网中压/低压配电所和开关站等都用Substation 描述［23］。

当网络中既包含Substation,又包含Line 时,需要在其上层使用Process 容器,表示一个系统的局部网络。基于SCL 描述的馈线拓扑模型建立之后,需要将拓扑模型配置在馈线上的STU 中。配置模式有2 种。第1 种将馈线的完整拓扑模型在主站进行分割,然后通过主站下发给馈线上相应的STU 完成配置。第2 种是在STU 上使用SCL 文件描述局部拓扑,由STU 上传主站,形成馈线的完整拓扑。

2.2 基于拓扑节点的拓扑描述解决思路

对于分布式FA 应用,STU 需要确定当前的拓扑连接关系来执行故障的定位和隔离,还需要明确本馈线完整拓扑来确定最优的恢复供电转供路径［24］。完成分布式FA 应用需要将拓扑存储在STU中,将详细的馈线完整拓扑配置到STU 中,所需存储空间大,使用时处理较为困难,因此,需要研究如何有效地简化表达拓扑。

分布式FA 应用在使用拓扑关系时,需要导线连接的导电设备的连接关系,并不需要导线的长度和其他详细电气参数。在进行拓扑描述时,可以将导线进行抽象,将导线视为逻辑上的连接线。将导线进行抽象后,导线可以视为一个节点,隐藏导线的属性,可以简化对STU 的配置,更好地支持分布式FA 应用的实现。

本文基于此进行了拓扑描述的研究,使用IEC 61850 建模方法新建逻辑节点来表示拓扑结构。

2.2.1 单元RTCN

基于IEC 61850 的逻辑节点建模规则新建了单元RTCN,该逻辑节点是馈线拓扑的最小逻辑单元。每个单元RTCN 表示馈线上的导电设备及其邻近导电设备的连接关系。馈线拓扑是配电线路上的导电设备的邻接关系,配电线路上的导电设备的连接关系在逻辑上可以用单元RTCN 的邻接关系来表示。

在公共信息模型（CIM）的设备建模中,将设备分为导体、变压器绕组、负载、连接器、等效电源、调节设备和开关［25-26］。本文将配电线路上的设备分为具备开断能力的设备和不具备开断能力的设备。具备开断能力的设备统一规定为开关类型,不具备开断能力但影响拓扑识别边界判断的母线和变压器也分别定义设备类型。

由单元RTCN 表示出馈线最小单元,局部的馈线拓扑可以用多个单元RTCN 来表示,再由RTPM整合单元RTCN 形成局部拓扑［27-28］。当网络发生变动时,只需要更新发生改变的设备所对应的单元RTCN 的数据。

2.2.2 RTPM

RTPM 表示馈线的局部拓扑,局部拓扑是由多个单元RTCN 所构成,所以RTPM 中包含所有构成局部拓扑的单元RTCN。馈线的完整拓扑是由多个局部拓扑拼接组合而成的,表示局部拓扑的拓扑片也有相应的邻接关系。RTPM 的邻接关系可以反映出局部拓扑的邻接关系。当局部拓扑的邻接关系表达清楚后,可以将多个局部拓扑组合成馈线的完整拓扑。

在描述馈线拓扑关系时,所有的导电设备有唯一名称。拓扑片描述需要采用分区的方式,在进行拓扑片描述时,需要明确拓扑片的边界,拓扑片以母线、变压器和联络开关为边界。拓扑片中的单元RTCN 搜索限定在拓扑片边界以内,拓扑片一般可以和STU 的控制区域对应。

3 RTCN 建模

3.1 单元RTCN 建模

根据分布式FA 应用对于拓扑的需求,单元RTCN 的数据对象包括:①馈线上的导电设备；②导电设备的类型；③与本设备相邻的导电设备；④相邻的导电设备的个数。

单元RTCN 中CEName 属性表示导电设备的名称。PTRType 表示导电设备的类型,按照是否具备开断能力来进行区分,线路上具备开断能力的设备是开关,在PTRType 属性中由数字常量1 来表示,不具备开断能力的设备有变电站母线、开闭所母线和变压器,在PTRType 属性中分别由数字常量2,3 和4 来表示。AdjRTCN 属性表示与本单元RTCN 相连的其他单元RTCN,在这个数据对象里可以包含多个与之相邻接的单元RTCN,多个单元RTCN 组成一个数组,其属性类型为字符串。AdjRTCNNum 属性表示相邻的单元RTCN 的个数。

3.2 RTPM 建模

在具体导电设备单元RTCN 的基础上,需要新建RTPM 来描述馈线的局部拓扑。RTPM 同样属于保护相关功能节点组,RTPM 的数据对象包括:①本拓扑片涵盖的RTCN；②本RTPM 邻接的其他拓扑片；③邻接拓扑片的个数。

RTPM 的作用是描述拓扑片之间的连接关系,同时包含本拓扑片内的所有单元RTCN。以下是RTPM 主要数据对象的说明。

1）AdjRTPM 属性是表示本拓扑片的邻接拓扑片,所有的邻接拓扑片组成一个数组,其属性类型是字符串。

2）AdjRTPMNum 属性表示邻接拓扑片的数量,属性类型是数字常量。

3）RTPMCovRTCN 属性表示本拓扑片所涵盖的单元RTCN,所有的单元RTCN 组成一个数组,其属性类型是字符串。

单元RTCN 与RTPM 的包含关系以及局部拓扑存储在对应的STU 的关系示例如图3 所示,单元RTCN1 至RTCN6 属于拓扑片RTPM1,拓扑片RTPM1 存储在STU1 中。图3 中,红色框中的名称为对应的建模名称。

以图3 为例,用单元RTCN 和RTPM 描述其拓扑如下。

1）STU1 中 存 储 的 拓 扑 片 RTPM1,其AdjRTPM 属 性 表 示RTPM1 的 邻 接RTPM 是RTPM2,AdjRTPMNum 表示邻接拓扑片个数为1,RTPMCovRTCN 属性表示RTPM1 中包含单元RTCN1 至RTCN6。RTPM1 数据帧格式如图4所示。

2）RTPM1 中包含的RTCN3,表示线路上的开关设备K1。RTCN3 中AdjRTCN 属性表示本单元RTCN 的 邻 接 单 元RTCN 是RTCN2,RTCN4 和RTCN6。其PTRType 属性为数字常量1,表示本单元RTCN 代表线路上的开关。CeName 属性表示单元RTCN 对应配电线路的具体设备名称。RTCN3 数据帧格式如图5 所示。

图3 配电网拓扑示意图
Fig.3 Schematic diagram of distribution network topology

图4 RTPM1 的数据帧格式
Fig.4 Data frame format of RTPM1

图5 RTCN3 的数据帧格式
Fig.5 Data frame format of RTCN3

4 基于RTCN 的拓扑识别

当配电线路中新增、减少设备或联络开关状态发生改变时,监控该设备的STU 通知分布式FA 应用主控STU 发起拓扑搜索,更新应用拓扑。应用拓扑需要读取配置到各STU 中的局部静态拓扑并根据当前开关状态进行搜索获得。

拓扑识别的关键是2 个步骤:首先在STU 自身配置的局部拓扑内搜索。当某一单元RTCN 的相邻单元RTCN 不在本拓扑片内时。由本拓扑片所对应的STU 向相邻RTPM 对应的STU 发起通信,获取相邻拓扑片的单元RTCN 信息,进行跨拓扑片搜索,将多个局部拓扑连接形成馈线的完整应用拓扑。

单元RTCN 相互连接形成拓扑片的过程就是线路局部拓扑识别的过程。要实现线路实时拓扑识别,首先要完成图的遍历。从已给定的连通图中某1 个单元RTCN 出发,访问图中的所有单元RTCN,且每个单元RTCN 仅访问1 次。连通图遍历的方法有深度优先搜索（DFS）算法和广度优先搜索（BFS）算法这2 种。本文以单元RTCN 为最小拓扑单元,通过STU 存储的静态拓扑信息结合馈线上的开关状态使用DFS 算法完成拓扑片内局部拓扑识别。

单元RTCN 和RTPM 表示的馈线拓扑信息保存在线路上的STU 中,且每个STU 仅存储与本STU 控制域相关的拓扑信息。将多个RTPM 连接形成馈线的完整拓扑,需要进行跨拓扑片的实时拓扑搜索,传递各STU 保存的局部拓扑信息。跨拓扑片的馈线完整拓扑搜索需要选定1 个主控STU,由主控STU 获取其他STU 所保存的拓扑信息,从而组成馈线的完整拓扑信息。

单元RTCN 与深度优先算法结合搜索馈线拓扑,以母线为拓扑搜索起点。以图3 所示配电线路为例,当配电网拓扑发生改变时,选定STU1 作为主控STU,发起单元RTCN 搜索。具体搜索步骤如下。

步骤1:从RTCN1 开始遍历。RTCN1 代表母线A,访问RTCN1 并将此节点标记为已遍历,RTCN1 中AdjRTCN 元素指向未遍历的相邻单元RTCN2。

步骤2:访问单元RTCN2。RTCN2 代表出线开关CB1,获取出线开关CB1 的开关状态,并将此节点标记为已遍历,拓扑搜索继续进行。RTCN2的AdjRTCN 元 素 中RTCN1 已 遍 历,RTCN3 未遍历。

步骤3:访问单元RTCN3。RTCN3 代表开关K1,获取K1 的开关状态,并将此节点标记为已遍历,拓扑搜索继续进行。RTCN3 的AdjRTCN 元素中RTCN2 已遍历,RTCN4 和RTCN6 未遍历。

步骤4:访问单元RTCN4。RTCN4 代表开关K2,获取K2 的开关状态,并将此节点标记为已遍历,拓扑搜索继续进行。RTCN4 的AdjRTCN 元素中RTCN3 已遍历,RTCN5 和RTCN6 未遍历。

步骤5:访问单元RTCN5。RTCN5 代表变压器T1,将此节点标记为已遍历,返回上一节点RTCN4。RTCN4 的AdjRTCN 元 素 中RTCN3 和RTCN5 已 遍 历,RTCN6 未 遍 历。

步骤6:访问单元RTCN6。RTCN6 代表开关K3,获取K3 的开关状态,将此节点标记为已遍历。开关K3 是联络开关,记录联络开关信息,方便分布式FA 应用的执行。RTCN6 的AdjRTCN 元素中RTCN3 和RTCN4 已 遍 历,RTCN7 和RTCN8 未 遍历。本拓扑片RTPM1 中没有RTCN7 和RTCN8的信息,则STU1 与相邻拓扑片RTPM2 所对应的STU2 进行通信,获得拓扑片RTPM2 中的单元逻辑节点信息,进行下一步跨拓扑片的拓扑搜索。

拓扑片RTPM2 内单元RTCN 搜索步骤与上述步骤相同。拓扑片RTPM2 内单元RTCN13 的AdjRTCN 元 素 中RTCN12 已 遍 历,RTCN16 未 遍历。本拓扑片RTPM2 中没有RTCN16 的信息,则STU1 与拓扑片RTPM3 所对应的STU3 进行通信,获得拓扑片RTPM3 中的单元逻辑节点信息,进行跨拓扑片搜索。跨拓扑片搜索完成后,拓扑片RTPM1,RTPM2 和RTPM3 相连,构成了整个馈线拓扑。

至此就完成了馈线的完整拓扑识别,当开关发生动作或馈线结构发生改变时,仅需要更新发生改变的拓扑片信息,完成实时拓扑的更新。

5 结语

分布式控制性能完善,反应速度快,可以有效提高配电网的安全性,提高配电网的供电质量。分布式FA 中STU 可以不依赖于主站而进行分布式控制。

本文基于IEC 61850 建模技术,在分析分布式FA 拓扑需求基础上新建单元RTCN 和拓扑片逻辑节点,使用逻辑节点表达配电线路。该方法由于不需要对线路各段导线进行命名,简化了拓扑结构的描述,可更好地支持分布式FA 的实现。

本文以分布式FA 为研究对象,进行拓扑的表达和识别的初步研究。对于其他分布式控制应用还需要根据其自身的特点进行进一步的研究。