CN112615368A - 一种基于分布式感知的台区拓扑生成方法及感知终端装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分布式感知的台区拓扑生成方法及感知终端装置。首先，定义了“支路桥”的概念，将配电台区线路模型简化，加快了拓扑信息的传递速度。其次，采用无主站的分布式控制策略，将配电网静态拓扑信息分散存储至各个感知终端，通过各个感知终端间的信息交换，确定馈线支路桥的边界，形成动态网络拓扑信息，从而实现台区配电网实时拓扑的生成。最后，介绍了本发明方法的物理载体，即感知终端装置，包括其内部结构和工作原理。与现有技术相比，本发明可实现配电台区线路拓扑的快速识别，准确度较高，能够满足后续配电网的电力业务需求。
Description
技术领域
本发明涉及智能电网技术领域，特别涉及一种基于分布式感知的台区拓扑生成方法及感知终端装置。
背景技术
配电网规模庞大、接线复杂，分布式电源的接入增加了配电网自动化的控制难度，对配电自动化技术的要求越来越高。配电网拓扑识别是配电网智能化保护与控制中十分重要的一环。现有的研究主要以集中式的方式对全配电网的设备进行建模，生成全网的拓扑结构。该方式依赖于集中控制器，对主站的数据存储能力与计算能力要求较高，数据更新的实时性较差，无法满足较高的拓扑分析速度要求。若为各个终端配置全局静态拓扑信息，并通过获取关联区域内开关的实时状态信息生成实时拓扑，人工配置的工作量巨大。此外，在各个节点或开关位置安装通信设备的基础上进行全***通信，经济性不高且通信压力随着全网拓扑的复杂程度增加而持续上升，严重影响***的安全性和工作效率。
因此，采取分布式控制策略成为配电网拓扑识别的新研究方向，如何实现基于感知终端的配电网拓扑结构快速、准确的识别与应用成为现阶段亟待解决的问题。
发明内容
为解决集中式配电网拓扑识别实时性差的技术问题，本发明提供了一种基于分布式感知的台区拓扑生成方法及感知终端装置，可实现配电台区线路拓扑的快速识别，准确度较高，能够满足后续配电网的电力业务需求。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种基于分布式感知的台区拓扑生成方法，采用无主站形式的分布式控制策略，首先简化配电网网络结构，确定各支路边界节点，并根据支路端节点数量与支路连接情况最优配置感知终端；将配电网静态拓扑信息分散存储至各个感知终端，各感知终端存储与之关联的局部静态拓扑信息，并通过感知终端间的信息交换实现配电网拓扑的快速识别；具体包括以下步骤：
1)简化配电网网络结构，总结归纳支路桥，确定各支路桥的端节点；
2)以设备投资成本最优为目标，以安全可靠性为约束，建立感知终端最优配置模型，求解配电台区所需的感知终端数量，并确定各感知终端安装位置；根据感知终端最优配置模型的求解结果，将感知终端优先安装在支路桥的两端，即各支路桥的首端和末端节点处，并对各感知终端进行相关的局部静态拓扑信息配置；
3)确定拓扑感知的初始节点即网络中某一支路桥的首端节点，由初始节点向所在支路桥的末端节点(对端节点)发送查询指令，查询末端节点处开关的开合状态，若为开状态，则执行步骤4)，否则执行步骤5)；
4)该末端节点为边界节点，初始节点继续向所在支路桥内部的其他节点发送边界确定指令，将这些节点均标记为边界节点；
5)该末端节点为非边界节点，初始节点继续查询所在支路桥末端节点所连接的母线上的馈线支路数，根据馈线支路数量判断是否需要查询该支路桥内部其他节点的开关状态，若馈线支路数小于2则执行步骤6)，馈线支路数等于2则执行步骤7)；
6)则支路桥内部的其他节点开关状态需要查询，初始节点向这些内部节点发送边界确定指令，依次将这些内部节点作为新支路桥的首端节点，继续向原支路桥的末端节点发送开关状态查询指令；
7)则支路桥内部的其他节点开关状态无需查询，该支路桥的末端节点向相邻馈线的首端节点发送开关状态查询指令，若监控开关为开状态，则执行步骤8)，否则执行步骤9)；
8)该馈线的首端节点为边界节点，初始节点继续向其所在支路桥内部的其他节点发送边界确定指令，将这些内部节点均标记为边界节点；
9)该馈线的首端节点为非边界节点，初始节点继续向所在支路桥的末端节点发送开关状态查询指令；
10)根据查询指令得到的各节点的开关状态，生成配电网实时拓扑结构。
进一步地，所述步骤1)中，支路桥的概念为：在配电网中，若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)，则将这几条馈线区段定义为一组“支路桥”。
进一步地，所述步骤3)中，感知终端的配置信息包括当地开关的名称、开关的属性、开关的拓扑连接关系以及相邻感知终端的通信地址等，保存配电网络的局部拓扑信息。
进一步地，所述步骤4)中，边界节点的概念为：不同支路桥的末端节点开关为断开状态时，称该末端节点为边界节点。
进一步地，用于所述的一种基于分布式感知的台区拓扑生成方法的感知终端装置，包括中央控制模块、电源模块、存储模块、5G通信模块和采集计量模块；中央控制模块与各模块连接，用于调配各个模块的正常运行，内含边缘计算棒可及时进行数据处理，更适合分布式感知的计算需求；电源模块与其余各模块连接，为各模块供电，内含光伏电源和储能电源，能够保证不间断持续供电；存储模块用于存放采集信息和计算结果等数据，分为内存和硬盘两部分，当日数据存放在内存中，历史数据存放在硬盘中；5G通信模块负责进行感知终端间的数据信息交换，并将监测数据和拓扑信息上传至主控中心；采集计量模块通过多路I/O模块和FPGA数据处理，负责进行状态量与开关量的采集工作，状态量包括电网电压、电流、功率、功率因数、谐波含量等电参数，跟踪状态量变化能够及时发现异常用电情况，有利于故障检测和故障排除等保护工作；采集低压断路器、隔离开关和柜门开合等开关量的位置状态信息可用于生成配电网的实时拓扑结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用无主站形式的分布式控制策略，将配电网拓扑信息分散存储至各个感知终端，并通过感知终端间的信息交换实现对配电网的拓扑识别，降低了主站集中控制型拓扑识别方法中的对感知终端数据存储能力与计算能力的要求，充分发挥了分布式控制的优势。
2、本发明定义了支路桥的概念，简化了配电网模型，通过定义支路桥的端节点有效降低了通信层级，加快了拓扑信息的传递速度，规避了主站集中控制型拓扑识别方法中因设立分级节点，多个节点逐级交换信息，造成的较大通信延时问题。
3、本发明中感知终端需要人工配置的信息较少，仅需配置各感知终端自身所处位置的静态网络拓扑信息，在拓扑结构发生变化时便于修改。
4、本发明中的动态网络拓扑信息可经由拓扑识别获取，无需进行人工配置，该方法能够根据网络运行情况自动更新拓扑识别结果，智能化程度较高。
附图说明
图1为本发明的配电台区实时拓扑识别流程图；
图2为本发明的拓扑识别配电网模型；
图3为本发明的感知终端装置结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
本发明提供了一种基于分布式感知的台区拓扑生成方法及感知终端装置，第一部分为一种基于分布式感知的台区拓扑生成方法，其流程如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤1：简化配电网网络结构，总结归纳支路桥，确定各支路桥的端节点。
在配电网中，若存在首尾相连的馈线区段，且各区段的分界母线上仅有2条出线(负荷支路除外)，则将这些馈线区段定义为一组“支路桥”。支路桥的两端节点为首、末端节点，是分布式感知中的重要感知层级，首端与末端的定义视感知初始节点所在位置而定。通过归纳支路桥，可以大大减少需要查询的开关数量，能够有效加快拓扑识别过程。
步骤2：以设备投资成本最优为目标，以安全可靠性为约束，建立感知终端最优配置模型，求解配电台区所需的感知终端数量，并确定各感知终端安装位置。
在配电***中，安全可靠性指标主要包括***平均停电频率、***平均停电持续时间指标、平均供电可靠率指标、用户平均停电指标等，本发明仅考虑平均供电可靠率指标进行可靠性计算，感知终端最优配置模型的建立与求解过程如下：
(1)建立以安全可靠性为约束的最优配置模型
综合考虑感知终端设备投资费用和运行维护费用。目标函数如下：
C＝min(Fcost+Wcost) (1)
Fcost＝kBcost (2)
Wcost＝βFcost (3)
式中：Fcost为设备投资总费用，k为感知终端数量，Bcost为单台感知终端设备投资费用；Wcost为运行维护总费用，β为每年运行维护费用占投资的百分数；C为可靠性约束下的最小投资成本。
可靠性约束条件为：
R0>Rset (4)
式中：R0为某种终端配置模式下的***可靠性指标；Rset为配电网要求的可靠性水平。
(2)计算可靠性指标
平均供电可用率是一年中用户的不停电小时数与用户要求的总供电小时数之比。
式中：Nc为用户数；T＝8760h为年小时数；TI为所有用户的年停电总时间(h)。
假设供电区域内用户数为n且均匀分布，在馈线上安装k台感知终端设备，当线路出现故障时，停电时间由3部分组成：t1为故障区域查找时间，t2为故障隔离时间，t3为故障修复时间。对于感知终端设备，t1和t2均为0。则一条馈线的平均供电可靠率指标为：
式中：Fi为第i个区域的故障率，近似认为各个区域故障率相等，F为该段馈线故障率，k为感知终端总数。
根据可靠性指标的约束，可以计算出感知终端的数量需满足：
然后，根据感知终端最优配置模型的求解结果，将感知终端优先安装在支路桥的两端，即各支路桥的首端和末端节点处，并对各感知终端进行相关的局部静态拓扑信息配置。以某一支路桥的任一端节点为初始节点，则该端节点为该支路桥的首端节点，其对端节点即为该支路桥的末端节点。由初始节点向相邻支路桥的首端节点发送开关状态查询指令，若为开状态，则向支路桥内其他节点发送边界确定指令，否则继续向下一支路桥首端节点发送开关状态查询指令，直至遍历所有感知终端，完成配电网拓扑的快速识别。
所述感知终端的主要功能如下：(1)监测馈电线路电压电流，记录电流、电压、用电量等用电信息数据；(2)监测并记录漏电保护开关状态；(3)将监测到的数据通过通信网络上传到主站；(4)配置并存储局部静态拓扑信息。
感知终端配置的静态拓扑信息包括监控开关的名称、开关的属性、开关的拓扑连接关系、自身通信地址、同一支路桥对端感知终端的通信地址、相邻支路桥相邻侧感知终端的通信地址等，使感知终端具备相关的局部拓扑信息。
步骤3：确定拓扑感知的初始节点即网络中某一支路桥的首端节点，由初始节点向所在支路桥的末端节点(对端节点)发送查询指令，查询末端节点处开关的开合状态，若为开状态，则执行步骤4，否则执行步骤5；
步骤4：该末端节点为边界节点，初始节点继续向所在支路桥内部的其他节点发送边界确定指令，将这些节点均标记为边界节点；
步骤5：该末端节点为非边界节点，初始节点继续查询所在支路桥末端节点所连接的母线上的馈线支路数，根据馈线支路数量判断是否需要查询该支路桥内部其他节点的开关状态，若馈线支路数小于2则执行步骤6，馈线支路数等于2则执行步骤7；
步骤6：支路桥内部的其他节点开关状态需要查询，初始节点向这些内部节点发送边界确定指令，依次将这些内部节点作为新支路桥的首端节点，继续向原支路桥的末端节点发送开关状态查询指令；
步骤7：支路桥内部的其他节点开关状态无需查询，该支路桥的末端节点向相邻馈线的首端节点发送开关状态查询指令，若监控开关为开状态，则执行步骤8，否则执行步骤9；
步骤8：该馈线的首端节点为边界节点，初始节点继续向其所在支路桥内部的其他节点发送边界确定指令，将这些内部节点均标记为边界节点；
步骤9：该馈线的首端节点为非边界节点，初始节点继续向所在支路桥的末端节点发送开关状态查询指令；
步骤10：根据查询指令得到的各节点的开关状态，生成配电网实时拓扑结构。
在每个支路桥内部的开关状态查询过程中，末端节点将自身通信地址返回给首端节点；拓扑识别过程中，各节点开关的通信地址都将返回到初始节点，以形成完整的实时拓扑信息，生成对应的拓扑结构；当查询遍历所有感知终端时，即可生成实时拓扑。规定各感知终端每经过一段时间进行一次拓扑更新，以保证动态网络拓扑信息的实时性。信息传递顺序为相邻支路桥之间第一次传递开关状态查询指令与边界确定指令的顺序，该顺序代表着不同支路桥相对于初始节点的上下游关系。
下面举例说明配电网拓扑识别的具体流程，图2为某一配电网络模型，其中节点开关均用符号“S”表示，黑色开关代表闭合，白色开关代表断开，支路用符号“B”表示。初始节点S1向S2发送开关状态查询指令，同时发送自身的通信地址。由于S2为闭合状态，且母线2的馈线出线数量为2，则S2向S3、S5发送查询指令和S1的通信地址。同理，S3、S5为闭合状态，继续向S4、S6发送开关状态查询指令和S1的通信地址。而S4和S6为闭合状态，且母线3和母线4的馈线支路数量均为2，则S4向S7发送查询指令，S6向S8发送查询指令和S1的通信地址。S7为闭合状态，S8为断开状态，则确定S8为边界节点，位于同一支路桥的S7也被定义为边界节点，S7、S8的通信地址按照信息传递顺序返回到S1处，而S2、S3、S4、S5、S6均与初始节点S1进行通信并交换拓扑信息，最后即可得到配电网模型的实时拓扑。
第二部分为感知终端装置，结构如图3所示。本发明的感知终端装置包括：
中央控制模块1，内部为边缘计算棒101，采用边缘计算技术更适合分布式感知的数据计算需求，在提高计算力的同时能够降低时延，适用于5G网络中的信息传输。中央控制模块1与各模块连接，用于调配各个模块的运行。
电源模块2，内部包含光伏电源201和储能电源202，两种电源配合供电，有效降低供电成本。电源模块2与中央控制模块1连接，因含有储能电源，可在断电情况下确保装置正常运行，并且对存储模块3、5G通信模块4、采集计量模块5进行供电。
存储模块3，用于终端感知信息的存放，内部分为内存301与硬盘302两部分，当日数据存放在内存中并用于计算，历史数据存放在硬盘中。
5G通信模块4，与中央控制模块1连接，包括WIFI接口、以太网接口和移动网络接口等，用于实现信息传输，可将节点感知信息发送到远方的感知终端，或者发送到主控中心。
采集计量模块5，与中央控制模块1连接，包含多路I/O模块501和FPGA数据处理502，用于实现对状态量与开关量的采集，状态量包括电网电压、电流、功率、功率因数、谐波含量等电参数，跟踪状态量变化能够及时发现异常用电情况，有利于故障检测和故障排除等保护工作；采集低压断路器、隔离开关和柜门开合等开关量的位置状态信息可用于生成配电网的实时拓扑结构。
本发明的工作原理为：电源模块2分别对中央控制模块1、存储模块3、5G通信模块4、采集计量模块5进行供电；中央控制模块1用于调配各个模块的运行；采集计量模块5通过多路I/O模块和FPGA数据处理，实现对开关量和状态量的监测；感知数据存放在存储模块3中，当日数据存放在内存中，历史数据存放在硬盘中；通过5G通信模块4进行感知终端间的信息交换，并且可将监测数据和拓扑信息上传至主控中心。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
Claims (5)
1.一种基于分布式感知的台区拓扑生成方法，其特征在于，采用无主站形式的分布式控制策略，首先简化配电网模型，确定各支路边界节点，并根据支路端节点个数与支路连接情况进行感知终端最优配置；将配电网静态拓扑信息分散存储至各个感知终端，各感知终端存储与之关联的局部静态拓扑信息，并通过感知终端间的信息交换实现配电网拓扑的快速识别；具体包括以下步骤：
1)简化配电网网络结构，总结归纳支路桥，确定各支路桥的端节点；
2)以设备投资成本最优为目标，以安全可靠性为约束，建立感知终端最优配置模型，求解配电台区所需的感知终端数量，并确定各感知终端安装位置；
根据感知终端最优配置模型的求解结果，将感知终端优先安装在支路桥的两端，即各支路桥的首端和末端节点处，并对各感知终端进行相关的局部静态拓扑信息配置；
3)确定拓扑感知的初始节点即网络中某一支路桥的首端节点，由初始节点向所在支路桥的末端节点即对端节点发送查询指令，查询末端节点处开关的开合状态，若为开状态，则执行步骤4)，否则执行步骤5)；
4)该末端节点为边界节点，初始节点继续向所在支路桥内部的其他节点发送边界确定指令，将这些节点均标记为边界节点；
5)该末端节点为非边界节点，初始节点继续查询所在支路桥末端节点所连接的母线上的馈线支路数，根据馈线支路数量判断是否需要查询该支路桥内部其他节点的开关状态，若馈线支路数小于2则执行步骤6)，馈线支路数等于2则执行步骤7)；
6)支路桥内部的其他节点开关状态需要查询，初始节点向这些内部节点发送边界确定指令，依次将这些内部节点作为新支路桥的首端节点，继续向原支路桥的末端节点发送开关状态查询指令；
7)支路桥内部的其他节点开关状态无需查询，该支路桥的末端节点向相邻馈线的首端节点发送开关状态查询指令，若监控开关为开状态，则执行步骤8)，否则执行步骤9)；
8)该馈线的首端节点为边界节点，初始节点继续向其所在支路桥内部的其他节点发送边界确定指令，将这些内部节点均标记为边界节点；
9)该馈线的首端节点为非边界节点，初始节点继续向所在支路桥的末端节点发送开关状态查询指令；
10)根据查询指令得到的各节点的开关状态，生成配电网实时拓扑结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式感知的台区拓扑生成方法，其特征在于，所述步骤1)中，支路桥的概念为：在配电网中，若几条连通的馈线区段首尾相连，且各区段的分界母线上除负荷支路外仅有两条出线，则将这几条馈线区段定义为一组“支路桥”。
3.根据权利要求1所述的一种基于分布式感知的台区拓扑生成方法，其特征在于，所述步骤3)中，感知终端的配置信息包括当地开关的名称、开关的属性、开关的拓扑连接关系以及相邻感知终端的通信地址等，保存配电网络的局部拓扑信息。
4.根据权利要求1所述的一种基于分布式感知的台区拓扑生成方法，其特征在于，所述步骤4)中，边界节点的概念为：不同支路桥的末端节点开关为断开状态时，称该末端节点为边界节点。
5.用于权利要求1所述的一种基于分布式感知的台区拓扑生成方法的感知终端装置，其特征在于，包括中央控制模块、电源模块、存储模块、5G通信模块和采集计量模块；中央控制模块与各模块连接，用于调配各个模块的运行，内含边缘计算棒可及时进行数据处理，更适合分布式感知的计算需求；电源模块与其余各模块连接，为各模块供电，内含光伏电源和储能电源，能够保证不间断持续供电；存储模块用于存放采集信息和计算结果数据，分为内存和硬盘两部分，当日数据存放在内存中，历史数据存放在硬盘中；5G通信模块负责进行感知终端间的数据信息交换，并将监测数据和拓扑信息上传至主控中心；采集计量模块通过多路I/O模块和FPGA数据处理进行状态量与开关量的采集工作，状态量包括电网电压、电流、功率、功率因数、谐波含量，跟踪状态量变化能够及时发现异常用电情况，有利于故障检测和故障排除等保护工作；采集低压断路器、隔离开关和柜门开合的位置状态信息开关量用于生成配电网的实时拓扑结构。
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