城市配电网自愈系统架构设计与实现

逯怀东，王思源，武刚，张聪，严玺

（1.国网山东省电力公司济南供电公司，济南250012；2.山东理工大学，山东淄博255000）

·电网技术·

城市配电网自愈系统架构设计与实现

逯怀东1，王思源1，武刚1，张聪2，严玺1

（1.国网山东省电力公司济南供电公司，济南250012；2.山东理工大学，山东淄博255000）

以自愈为特征的智能配电网是未来电网技术发展的必然趋势，使配电网具有自我感知、自我诊断、自我决策、自我恢复的能力。介绍城市配电网自愈控制系统的整体架构，给出主站系统硬件、软件及终端设备的具体实现方案及功能，能够显著提高城市配电网的供电可靠性。

智能配电网；自愈控制；系统架构；可靠性

0 引言

以自愈为特征的智能配电网是未来电网技术发展的必然趋势［1-5］，可以有效提升配电系统的安全性、可靠性与运行效率。自愈控制的概念最早由美国电科院（EPRI）和美国国防部在“复杂交互网络与系统计划（The Complex Interactive Networks／Systems Initiative）”中提出，目的是开发电力基础设施战略防护系统（SPID）。智能配电网自愈控制可以及时发现、预防和隔离各种可能的故障和隐患，优化系统运行状态并有效应对系统内外发生的各种扰动，抵御外部严重故障的冲击，具有在故障情况下维持系统连续运行、自主修复故障并快速恢复供电的能力，通过减少配电网运行时的人为干预，降低扰动或故障对电网和用户的影响。

配电网自愈控制通过在配电网的不同层次和区域内实施充分协调且技术经济优化的控制手段与策略，使其具有自我感知、自我诊断、自我决策、自我恢复的能力，实现配电网在不同状态下的安全、可靠与经济运行［6-8］。配电网自愈控制技术的实现特别强调系统的协调性与适应性，因此需要对自愈控制系统技术架构及相关支撑体系加以研究［9-11］。详细介绍城市配电网自愈控制系统的整体架构，给出了主站系统硬件软件及终端设备的具体实现方案及功能，为智能配电网自愈提供基础的技术与设备支撑，能够显著提高城市配电网供电可靠性及配电网资产运行效率。

1 主站硬件构成设计

面向城市配电网自愈控制，研发KH-6000高级自动化主站系统，采用分布式结构，由服务器、工作站、网络设备、安全防护设备、时钟同步装置等硬件设备及配套软件构成，典型配置如图1所示。系统中所有计算机通过高速以太网（Ethernet）连接，可采用互为备用的双以太网，以提高系统可靠性。

服务器主要包括DSCADA服务器、历史数据服务器、数据采集服务器、WEB服务器等，通过运行应用服务程序，完成数据采集、数据存储、计算分析等功能，并提供相应的功能服务。服务器一般采用双机、双网冗余配置，选用兼容性好、易维护的通用服务器或者小型机，并采取多种容错措施，如双CPU、双电源、双风扇等，满足可靠性和系统性能指标要求。

对于服务器的配置，可以按照微网系统的规模进行取舍，对于中小规模的系统，SCADA服务器、历史数据服务器、应用服务器可以合到一起，由一组（2台）互为备用的服务器组成。数据采集服务器的配置要根据具体的信息采集量和通信方式，一般公网与专网需要分别单独配置服务器。

图1 KH-6000高级自动化主站典型配置结构

图2 主站系统的软件框架结构

2 主站软件平台

主站系统的软件框架结构如图2所示。主站平台采用基于ICE和ICEStorm的软总线，实现了各个服务器之间数据通信和应用管理服务。基于ICE的同步方法调用，实现小数据量的数据可靠传输；基于ICEStorm的异步发布订阅机制，实现了大数据量的数据灵活、高效传输。应用管理服务采用Ice-Grid的注册和节点管理机制，实现各个服务器节点的统一注册、配置及管理；实现各个服务器节点的状态监测、主备切换、启停操作和互访问。

2.1 接地故障定位功能的实现

KH-6000高级自动化主站系统根据故障点上、下游间的暂态电流幅值、频率差异较大（不相似）的特点，采用暂态零序电流相似性定位法。

当发生接地故障时，前置机会收到线路终端上送的故障事项，同时会收到变电站选线装置上送的故障事项，将故障事项保存到数据库，同时解析故障事项中包含的暂态零序电流波形，形成故障事项报告信息，然后启动故障定位计算程序，其计算流程为：

1）主站系统通过选线装置上报的选线结果确定故障线路。

2）计算故障线路上各相邻监测点暂态零序电流波形的相似性系数。

3）如果一个区段由多个监测点围成，则计算上游（靠近出线开关）监测点与各下游监测点的相似系数。

4）从线路出口处向线路末端搜索，对于两个监测点围成的区段，如果该区段对应的相似系数小于或等于门槛值，则为故障区段，停止搜索；否则为健全区段，继续向线路末端搜索。

5）对于3个及以上监测点围成的区段，如果上游（电源侧）监测点与各个下游监测点对应的相似系数均小于或等于门槛值，则为故障区段；否则为健全区段，向与上游监测点相似系数大于且暂态电流幅值最大的监测点下游方向继续搜索。

6）如果最末一个监测点上游所有区段均为健全区段，则其下游区段为故障区段。

2.2 终端即插即用功能的实现

建立完善的终端即插即用机制，终端即插即用的过程，可分为主动注册，获取、发送、解析自描述文件，数据交互，设备控制，设备事件等步骤。

终端向主站端发送Register信息，包括终端版本信息、IP地址及端口号、唯一标识名称等信息。

如果主站端无该终端注册信息或版本信息不符，则通过webservice通信接口向配电终端获取模型信息，包括逻辑设备、逻辑节点等信息，并更新主站端的模型信息文件。

根据IEC61850-80-1标准，主站端将IEC61850模型文件解析成IEC 104规约通信点表。

根据标准的IEC 104通信规约，终端按本地模型文件上送配电网实时运行信息（遥测、遥信等实时数据），主站端接收终端该信息，并可通过相应的命令对配电网设备进行控制，包括开关的遥控。

实现IEC61850终端方式字和CID文件结合的配置。编写配置工具，实现能根据CID的模板文件配置生成装置使用的CID文件，同时将CID的模型信息与方式字建立映射。

2.3 主要功能、特点与技术指标

运用先进的软件底层及ICE（Internet Communications Engine）中间件技术，研发出了KH-6000高级自动化主站系统，其主要的功能特点如下。

SCADA功能。主要包括数据采集、运行状态监视、远方控制与调节、数据统计等。

小电流接地故障定位功能。利用接地故障暂态电流分布特征，与智能终端和小电流接地选线装置配合，主站系统根据故障点上、下游间的暂态电流幅值、频率差异较大的特性，采用暂态零序电流相似性定位法，实现小电流接地故障的自动定位。

实现了基于IEC61850模型的智能终端在主站平台上自动发现、自动注册，主站与终端通过交换模型信息，实现终端在主站的自我描述，从而实现了终端的即插即用，具有易分拆、易扩展的系统架构。

主站系统的主要技术指标如表1所示。

委托山东省软件测评中心对系统主站实现的SCADA功能与小电流接地故障区段定位功能进行测试，结果表明这两项功能满足设计要求。所研发的主站系统已成功应用到山东理工大学有源配电网静态模拟试验系统，以及福建省电力有限公司泉州供电公司和云南电网有限责任公司大理供电局的示范工程现场，测试与现场运行结果表明，该主站系统能够满足广域测控平台及保护控制高级应用要求。

表1 主站系统主要技术指标

3 智能终端

目前国内外市场上的配电终端功能单一，不能很好地支持就地控制和分布式智能控制、软件系统开放性差，不能提供开放的应用程序接口，不能实现即插即用。针对这些问题，研发PZK-36智能终端。

3.1 核心测控单元设计

将智能终端核心测控单元的硬件模块分为中心处理模块、数据采集模块、控制输出模块、通信模块4类。各模块功能独立，模块间接口定义简单明确，方便进行模块的升级。

图3 智能终端核心测控单元硬件电路结构

PZK-36智能终端核心测控单元硬件电路结构如图3所示。采用高性能数字信号处理器DSP BF536、大规模现场可编程逻辑阵列（FPGA）等构造硬件系统，具有强大的数据处理与存储能力，支持各种就地与分布式智能控制应用。应用串行总线技术，可方便地扩展I/O与通信接口；研发了一种支持开关量输入（DI）接入的专用高速串行总线。接口电路采用模块化设计，可根据工程需要灵活选配。

3.2 主要功能、特点与技术指标

测量功能。除常规的电气量测量外，还能够测量零、负序电流等不平衡程度电气参数。

短路故障检测功能。能躲过变压器、大容量电机等投入运行时的电流冲击，避免误报故障。能够对含分布式电源的线路进行故障定位。

小电流接地故障检测。采用高速数据采集及处理技术，检测并记录单相接地故障时小电流接地系统的暂态电压、电流信号。

支持终端之间对等数据交换，实现分布式控制应用，如分布式馈线自动化、分布式电流差动保护。

支持IP网络通信，采用IEC61850通信标准，实现即插即用。采用层次化结构化的设计思想，将数据与应用分离，应用程序通过API接口访问数据，能够动态加载、卸载应用程序，可方便地对系统进行裁减，扩展新的应用功能。

4 结语

配电网自愈控制是未来智能配电网的核心技术，以研发的自愈控制系统为例介绍了系统整体架构，围绕建设安全可靠、优质高效、“即插即用”的智能配电网总体目标，突破即插即用、实时数据对等快速交换、分布式智能自愈控制技术，为智能配电网自愈提供基础的技术与设备支撑，能够显著提高城市配电网供电可靠性、提高配电网资产运行效率。

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Design and Realization of Self-healing System Architecture for Urban Distribution System

LU Huaidong1，WANG Siyuan1，WU Gang1，ZHANG Cong2，YAN Xi1
（1.State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China；2.Shandong University of Technology，Zibo 255000，China）

Intelligent distribution system with self-healing is the inevitable trend of the future power grid technology development.Distribution system with self perception，self diagnosis，self decision and self recovery will be realized.The whole structure of self-healing control system for city distribution system is introduced，and the design scheme for hardware and software of main station system and terminal equipment are presented，which can significantly improve the power supply reliability of city distribution system.

intelligent distribution system；self healing control；system architecture；reliability

TM63

A

1007－9904（2016）11－0001－04

2016-06-15

逯怀东（1963），男，高级工程师，从事电力系统运维管理等。

国家高技术研究发展计划（863计划）（2015AA050202）