配电自动化数据传输有误对配电系统供电可靠性的影响

罗凤章, 杨文涛, 张天宇, 王成山, 魏冠元, 姚良忠

(1. 智能电网教育部重点实验室, 天津大学, 天津市 300072; 2. 国网能源研究院有限公司, 北京市 102209; 3. 中国电力科学研究院有限公司, 北京市 100192)

0 引言

配电自动化系统(distribution automation system,DAS)以一次网架和设备为基础,综合利用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术,集成配电网实时信息、离线信息、用户信息、电网结构参数、地理信息等,实现配电系统正常运行及事故情况下的监测、保护、控制和配电自动化管理,是电力系统稳定运行与用户安全用电的重要保障,也是实现未来智能电网和能源互联网的重要组成部分[1-2]。

配电自动化系统加上其所管理的配电物理系统,可视为一类典型的信息物理系统(cyber-physical system,CPS)[3]。其信息环节对所管理的物理配电系统的安全可靠供电具有不可忽略的影响。一方面,若配电终端单元故障或由于不可控因素导致的配电终端单元数据传输有误,将会使主站得到错误数据而拒绝或错误执行命令,从而影响整个配电网的可靠性;另一方面,由于不同通信网络结构和通信方式引起的通信网络堵塞[4]、通信延时与中断等将可能导致系统所承受的扰动无法及时反馈[5-6],从而影响配电网的可靠性。不同于主网调度自动化电网节点全覆盖、设备全监控的要求,由于配电网设备点多面广和辐射状运行的特点以及投资等方面的原因,配电自动化的建设一般采取部分节点遥控、部分节点遥测的方式实现10 kV配电网信息采集,通过数据共享完成配电网信息全覆盖和10 kV关键节点控制。配电终端单元和通信网络作为信息系统中的重要组成部分,其在保证配电系统连续可靠供电中的作用也愈发重要。

目前有关信息—物理电力系统可靠性的研究已经成为业界所关注的重要热点之一。一类研究关注应用于电力系统中的各类信息系统,如数据采集与监控(supervisory control and data acquisition,SCADA)系统[7-8]、广域闭环控制系统[9-10]、广域保护系统[10]等,仅对信息物理系统信息部分进行建模,分析信息系统数据采集环节、数据通信环节等各个环节故障对整个信息系统可靠性的影响,此类研究没有进一步研究信息系统故障对电力物理系统的影响。还有一类研究关注配电自动化系统终端的类型、位置对电力系统可靠性的影响,但没有计及配电自动化系统终端本身的故障对配电系统供电可靠性的影响。针对配电自动化系统中信息传输问题的研究也已有一些成果,主要集中于配电自动化信息安全方案设计[11]、信息安全评估[12]、检测[13]与信息通信[14-15]方面。而“三遥”和“二遥”终端[16]作为实现配电自动化系统信息采集、监测和远程控制的重要组成部分,也是耦合信息物理两大系统的关键环节,如何考虑其信息传输有误对电力系统供电可靠性的影响仍有较多基础工作亟待开展。

为评估配电自动化信息传输错误对配电系统供电可靠性的影响,本文首先以馈线分段联络模型为基础,构建基于供电可靠性指标以及包含故障定位、故障隔离和故障处理恢复环节细分的馈线故障模式后果分析解析模型;随后,引入信息环节数据传输有误场景,提出相应的可靠性指标修正模型和修正策略;最后,以系统停电时间和系统缺供电量为指标,评估配电自动化信息传输有误对配电系统供电可靠性的影响。通过算例验证了模型和算法的有效性。

1 配电网络m分段n联络模型

为研究问题的方便,本文将所研究的配电自动化终端主要限于随分段开关和联络开关设置的馈线自动化终端。实际配电网络可以抽象为一系列配备分段联络开关的馈线组的形式。其中,一条典型馈线主干的分段联络示意图如图1所示。

图1 典型馈线m分段n联络示意图Fig.1 Schematic diagram of typical feeder with m subsection switches and n tie switches

图1中,该馈线含有m-1个线路分段开关,被分为m段,同时含有n个联络开关(一般m≥n)。i为分段区域的编号,并称其逆潮流方向编号小于i的区段为其上游分段区域,而称其顺潮流方向编号大于i的区段为其下游分段区域。Pi为第i个分段区域供电的全部负荷的等效负荷之和;Ui为第i个分段区域供电的用户总数;li为第i个分段区域的等效线路长度;fi为第i个分段区域的等效设备故障率;zk为该分段开关位置处配置配电自动化终端的配置状态,zk=0表示相应位置配置配电终端,zk=1表示相应位置不配置配电终端;yn为联络开关的配置状态,考虑联络开关位置设置有配电终端。

2 考虑配电自动化的馈线故障后果分析模型

这里以系统停电时间和系统缺供电量作为考察量对馈线故障模式的后果予以量化分析。

馈线发生故障后的故障处理过程一般可分为故障定位、故障隔离和故障恢复三个主要的子处理过程。据此,整个故障处理过程的处理时间可以表示为:

T=T1+T2+T3

(1)

式中:T为整个故障处理所需的时间;T1为故障定位阶段的故障查找时间;T2为故障隔离时间,即故障被有效隔离所需时间;T3为故障恢复时间。

相应的系统缺供电量也可表示为:

E=E1+E2+E3

(2)

式中:E为整个故障处理阶段对应的系统缺供电量;E1,E2和E3分别对应故障三个子处理阶段的细分系统缺供电量。

2.1 全部配置“三遥”配电终端

针对全部配置“三遥”配电终端的情况,假设在馈线第i段区域发生故障,分析前述T1,T2,T3三个阶段的系统停电时间和系统缺供电量。

1)故障定位阶段

考虑“三遥”配电终端具备遥测功能,能够支撑该段故障的及时定位,此时每一区域的故障位置查找时间t1i为配电自动化软件的判断决策时间,可近似为0,即第i段区域线路故障时故障定位阶段对应系统停电时间为:

(3)

式中:t1i为第i段区域的故障查找时间。式(3)等号右侧第1部分表示第i段区域的系统停电时间,第2部分表示第i段区域故障导致的系统陪停时间。

相应的系统缺供电量为:

(4)

式(4)等号右侧第1部分表示第i段区域的系统停电负荷引起的缺供电量,第2部分表示第i段区域故障导致的系统陪停负荷引起的缺供电量。

2)故障隔离阶段

考虑“三遥”配电终端具备遥控功能,能够支撑自动隔离故障,此时每一段区域的故障负荷隔离时间t2i也可近似为0,即第i段区域线路故障的故障隔离阶段对应的系统停电时间为:

(5)

式中:t2i为第i段区域的故障隔离时间。式(5)等号右侧第1部分表示第i段区域的系统停电时间,第2部分表示第i段区域故障导致的系统陪停时间。

相应的系统缺供电量为:

(6)

式(6)等号右侧第1部分表示第i段区域的系统停电负荷引起的缺供电量,第2部分表示第i段区域故障导致的系统陪停负荷引起的缺供电量。

3)故障恢复阶段

考虑馈线互联转供电对供电可靠性的支撑作用,这里对于馈线分支是否装设联络开关的情况予以分开考虑。

对于未装设联络开关的馈线分支,第i段区域发生故障时,第i段及其下游负荷均失电;而对于第i段上游负荷而言,考虑通过其上游安装的配备配电终端的分段开关的动作可以使得上游部分负荷恢复供电,停电时间近似为0。

因此,第i段区域线路故障的故障恢复阶段对应的系统停电时间为:

(7)

式中:t3i为第i段区域的故障恢复时间。式(7)等号右侧第1部分表示第i段负荷的系统停电时间,第2部分和第3部分分别表示第i段上游负荷和第i段下游负荷的系统停电时间。

相应的系统缺供电量为:

(8)

式(8)等号右侧第1部分表示第i段负荷的系统缺供电量,第2部分和第3部分分别表示第i段上游负荷和第i段下游负荷的系统缺供电量。

而对于存在联络开关的馈线分支,当故障发生在第i段时,除第i段负荷外,考虑对第i段下游负荷和上游负荷,均可以通过配备配电终端的相应开关的动作使该部分负荷恢复供电。

因此,第i段区域线路故障的故障恢复阶段对应的系统停电时间为:

(9)

对应的系统缺供电量为:

(10)

2.2 全部配置“二遥”配电终端

考虑“三遥”配电终端和“二遥”配电终端的功能特点,对于全部配置“二遥”配电终端的情况,其故障定位阶段和恢复阶段的系统停电时间和系统缺供电量指标与2.1节全部配置“三遥”终端的情况一致,这里仅需要对其故障隔离阶段的指标进行分析。

由于“二遥”配电终端不具备遥控功能,需要人工对负荷进行隔离操作,此时每一段区域的故障负荷隔离时间t2i不为0。因此第i段区域线路发生故障时的故障隔离阶段对应的系统停电时间和系统缺供电量与式(5)和式(6)表达式一致,但结果不为0。

2.3 “三遥”和“二遥”配电终端结合配置

针对“三遥”和“二遥”配电终端相结合配置的情况,考虑其故障定位阶段和故障恢复阶段的系统停电时间和系统缺供电量与2.1节全部配置“三遥”配电终端的情况一致,仅需对其故障隔离阶段的指标进行建模分析即可。

这里考虑“二遥”和“三遥”终端的配合策略:首先,馈线主干的首尾两端,即线路出口开关位置处和联络开关位置处均装设“三遥”终端;其次,无论故障发生在馈线的任何区域位置,总是优先通过控制与故障区域前后最近的两个“三遥”终端,保证“三遥”前后区域的负荷总能够得到及时有效的隔离;最后,如果包含故障的两个“三遥”终端区域内配置有“二遥”终端,则需要再手动操作隔离负荷,保证故障隔离区域范围最小。

类似于图1所示的馈线区域划分思路,设配置“三遥”终端的线路分段开关共M-1个,则基于所有“三遥”开关划分得到的“三遥”区域共M个。为分析故障隔离阶段的系统停电时间和系统缺供电量,用Ωi′表示第i′个“三遥”区域内包含的负荷编号集合,|Ωi′|为该区域内包含的用户总数;用事件组W=1,w2,…,w2i′-1,w2i′,…,w2M-1,w2M]表示故障位置所处的“三遥”区域及区域中“二遥”终端的配置情况,共包括2M个事件。其中w2i′-1表示故障发生在第i′个“三遥”区域,且该区域内配置有“二遥”终端;w2i′表示故障发生第i′个“三遥”区域,但区域内未配置有“二遥”终端。

因此,当第i段发生故障时的故障隔离阶段因故障所导致系统停电时间指标为:

(11)

相应系统缺供电量指标为:

(12)

2.4 缺供电量和停电时间模型的一般公式

为简洁同时也方便使用,将以上三种配置情况下基于馈线故障模式后果分析的系统停电时间指标和系统缺供电量指标整理成表,如附录A表A1和表A2所示。

3 考虑数据传输有误的馈线故障后果分析量化模型

一般地,配电自动化系统利用配电终端的遥信功能反映所配位置开关的实时状态;利用遥测功能对电力系统运行的实时参数进行采集,经过高级应用程序计算确定故障位置和故障类型;利用遥控以及现场设备实现开关的闭合与断开操作,完成对故障区域的隔离和故障恢复。配电终端遥信、遥测、遥控三种功能的实现均离不开信息的传递。对配有配电终端的馈线系统来说,由于终端量大、分布广同时也并非全覆盖,终端传输信息有误可能会极大影响系统的系统停电时间和系统缺供电量指标。在信息系统数据传输有误情况下,需要对第2节所述馈线故障后果分析指标进行修正,思路如下。

首先,基于可靠性状态分析理念构建馈线故障发生及修复前后的馈线状态转换图;其次,基于遥信、遥测、遥控终端特性对信息系统数据传输有误事件进行分类细化建模,分析其对故障处理各阶段的影响,建立考虑数据传输有误的馈线故障后果分析量化模型;最后,运用期望值分析法对第2节所述馈线故障后果分析指标进行修正。考虑数据传输有误的馈线故障后果分析思路具体如图2所示。

图2 考虑配电自动化终端数据传输有误影响的馈线状态转换模型Fig.2 Feeder state transition model considering data transmission errors of distribution automation terminal

3.1 配置“三遥”终端的故障后果分析修正模型

根据“三遥”功能间的耦合特点,可将数据信息有误事件(假设其发生概率为p)的集合分为三类独立事件:事件A——配电终端的遥信—遥控有误但遥测无误,事件B——遥信—遥控无误但遥测有误,事件C——遥信—遥控和遥测均有误。针对配电终端信息传输有误的分析具体如下。

3.1.1遥信—遥控有误但遥测无误

事件A(假设其发生概率为p1)又可分为以下三类独立的子事件。

(13)

此场景下,可考虑故障查找时间和故障隔离时间均不受影响。

2)事件A2:遥控信息有误,但遥信信息无误。设其发生的概率为p12。此场景下,在故障发生后,由于遥控信息有误导致故障未被有效隔离,且遥信信息正确反映出故障未被隔离的信息,同时子站通过故障指示器检测到馈线存在故障,此时需要对遥控功能进行检查并对信息进行修正,之后再重新对故障进行隔离处理。由于故障未被有效隔离,故障隔离阶段的系统缺供电量可以表示为:

(14)

3.1.2遥信—遥控无误但遥测有误

配电自动化系统根据遥测采集到的信息,可以实现确定故障位置和故障种类等功能。基于此,本文将事件B(设其发生概率为p2)分为以下三类独立的子事件。

1)事件B1:遥测信息错误影响故障位置的确定。设其发生的概率为p21。此场景下,在故障发生后,配电终端通过遥测采集得到的信息确定的定位信息有误,影响故障的有效隔离和恢复。此时需要对遥测功能进行检查并对信息进行纠正,人工寻找定位正确的故障位置。

(15)

此场景下,可考虑故障隔离时间和故障恢复时间均不受影响。

2)事件B2:信息错误影响故障种类的确定。设其发生的概率为p22。此场景下,在故障发生后,配电终端通过遥测采集得到的信息确定的故障种类判断有误,影响故障的有效隔离和恢复。此时需要对遥测信息进行纠正,重新判断故障种类,以便进行故障的隔离工作。

(16)

此场景下,可考虑故障隔离时间和故障恢复时间均不受影响。

3)事件B3:遥测信息错误同时影响故障位置和种类的确定。设其发生的概率为p23。此时故障查找时间为:

(17)

此场景下,可考虑故障隔离时间和故障恢复时间均不受影响。

3.1.3遥信—遥控有误且遥测有误

由于事件A1至A3和事件B1至B3属于相互独立事件,因此事件C(设其发生概率为p3)可以由事件A1至A3和事件B1至B3组合得到。

信息系统数据信息传输有误的事件整理如图3所示。

图3 信息系统数据传输有误事件关系图Fig.3 Relationship diagram of data transmission error events in information system

假设遥控信息的正确率为pc,遥信信息的正确率为ps,遥测信息的正确率为pm,其又可以表示为:

(1-pm)=pm1+pm2+pm3

(18)

式中:pm1为遥测有误影响故障位置但不影响故障种类确定的事件发生的概率;pm2为遥测有误影响故障种类但不影响位置确定的事件发生的概率;pm3为遥测有误影响故障种类和位置确定的事件发生的概率。

在仅考虑信息系统数据传输有误影响情况下,相应各事件发生的概率及时间修正表达式见表1。

运用期望值分析法对各阶段时间进行修正,修正后配置有“三遥”终端情况下修正的时间如式(19)至式(22)所示。

1)故障定位阶段的时间修正

(19)

表1 配置有“三遥”终端的信息系统数据传输有误修正Table 1 Data transmission errors correction of information system equipped with three-remote terminal

整理后得到:

(20)

式(20)等号右侧第1部分表示正常情况下的故障查找时间,第2部分表示事件遥测信息错误影响故障位置确定事件及遥测信息错误影响故障位置和种类确定事件对故障查找时间的影响,第3部分表示遥测信息错误影响故障种类确定事件及遥测信息错误影响故障位置和种类确定事件对故障隔离时间的影响。

2)故障隔离阶段的时间修正

(21)

式(21)等号右侧第1部分表示正常情况下的故障隔离时间,第2部分表示事件遥控信息有误、遥信信息无误事件对故障隔离时间的影响,第3部分表示遥控信息有误、遥信信息有误事件对故障查找时间的影响。

3)故障恢复阶段的时间修正

(22)

式(22)等号右侧第1部分表示正常情况下的故障恢复时间,第2部分表示遥控信息无误、遥信信息有误事件对故障隔离时间的影响。

将式(20)至式(22)代入相应公式中,即可计算得到修正后的系统停电时间和系统缺供电量。

3.2 未配置“三遥”终端的故障后果分析修正模型

未配置“三遥”终端的情况即全部配置“二遥”终端的情况。考虑遥信功能的特殊性,这种情况下信息系统数据信息传输有误的事件及其发生的概率及其子事件的时间修正如表2所示。

由于全部配置二遥终端的情况下,系统不具备遥控功能,因此对全部配置二遥终端的时间修正只考虑在故障定位阶段进行。利用期望值法对各阶段时间进行修正,配置有“二遥”终端情况下修正的时间如式(23)所示(正常情况下t1为0)。

(23)

4 算例分析

4.1 算例简介

本文选取改进的IEEE 33节点配电系统为例(拓扑结构如图4所示),利用本文提出的考虑配电自动化信息传输有误的配电系统可靠性评估方法,对配电自动化终端对配电系统可靠性的影响进行分析。

图4 IEEE 33节点配电系统Fig.4 IEEE 33-node distribution system

图4中母线至节点0馈线出口开关,节点1-2,2-3,4-5,8-9和14-15间线路分段开关及联络开关将该系统分为6个分段区域,分别如图中z1,z2,…，z6所示。各分段区域内负荷P1,P2，…,P5依次为100,400,400,500,2 500,400 kW;分段区域用户数均为10;等效线路长度l1,l2,…,l6依次为1.275,0.26,0.108,0.17,0.09,0.22 km;馈线故障率为0.23次/(km·a);对应故障三个子处理阶段的故障处理时间t1,t2,t3依次为1,0.5,4 h。

4.2 信息传输有误对配电系统可靠性的影响分析

当配电自动化终端配置恒定为z2和z6处配置“二遥”终端,z5处配置“三遥”终端时,附录A图A1给出了场景1,2,3对系统停电时间和年缺供电量的影响状况。从图A1可见,“三遥”功能的正确率同时影响着系统的年缺供电量与停电时间,并且年缺供电量与停电时间随“三遥”功能正确率的提高而降低。具体的增幅比例情况如附录A表A3至表A5所示。从表A3至表A5的纵向对比上可以看出:随着遥信功能正确率的降低,系统的年缺供电量和停电时间的增幅比例基本不变;随着遥测正确率的降低,系统的年缺供电量和停电时间的增幅比例略有减少;随着遥控正确率的降低,系统的年缺供电量和停电时间降低幅度较大,说明在遥控正确率较高时,系统可获得较大的经济性和可靠性收益。从表A3至表A5的横向对比上可以看出:遥控、遥测和遥信功能的正确率对系统可靠性和年缺供电量影响程度呈现很明显的依次递减趋势,说明在相同的初始投资情况下,保证遥控功能的正确率可获得较大的经济和可靠性收益。

5 结语

本文考虑配电自动化信息系统数据传输有误影响,构建了基于系统停电时间和系统缺供电量指标的馈线故障模式后果分析模型,进而考虑信息传输有误对配电系统可靠性的影响,建立配电系统可靠性评估修正模型。通过IEEE 33节点算例验证了所提模型和算法的有效性。主要结论如下。

1)由于配电终端数量多、分布广,同时由于投资等原因不可能覆盖配电网全部,配电自动化信息系统对配电网供电可靠率的影响不可忽略。

2)遥信、遥测和遥控正确率升高带来的配电网供电可靠率的升高幅度并不一致,所以在投资金额有限情况下,终端设备的采购建议按照保障“三遥”功能中遥控、遥测、遥信的顺序进行;另外当遭遇恶劣天气或不明原因导致“三遥”功能正确率下降时,供电公司应优先检查和维护遥控功能,优先保障遥控功能的正确率,有条件的情况下再对遥测和遥信功能按顺序进行检查与修复。

需要指出的是,虽然本文的方法与分析结论是在一定的假设情况下得出的,但依旧可以得到具有指导性意义的结果,实际应用中可以结合具体的情况进行适当调整。同时本文模型中还存在一定未考虑到的因素,如故障修复时间的不确定性、负荷可转移特性等,在后续研究的研究中将予以计及。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。