（控制理论与控制工程专业论文）基于web的10kv开关远程监控系统设计.pdf

浙江大学硕上学位论文 摘要 实现对开关的远程监控，是实现配电网自动化监控系统重要的环节，对提高 电力系统的可靠性和经济效益具有重要现实意义，也是实现电力系统现代化管理 的关键。 针对国内的配电网现状，结合国内外配电网自动化监控系统的研究发展状 况，提出了基于w | e b 的1 0 k v 开关远程监控系统的设计方案，并予以软件实现。 本文主要研究内容有以下四个方面： 1 通过分析配电网的接线方式，提出了基于配电网网络拓扑分析的线路状态 判断算法。 2 根据配电网运行可靠性要求，对开关控制流程与指令数据格式进行了可靠 性设计，并提出了监控系统可靠性设计的其他三条思路。 3 从系统集成的角度出发，划分了系统的三个功能模块，并详细介绍了三个 功能模块的框架与作用，同时对基于w e b 的开关远程监控系统的若干关键技术 进行了分析，提出了实现配电网拓扑图动态编辑、线路状态判定与显示、实时动 态数据发布与实时图像显示的解决方案。 4 结合实际工程项目需求，开发了具体的开关远程监控系统的应用程序，同 时说明了系统整体架构，并结合系统的功能模块较详细地说明了系统各功能模块 的实现与技术难点。 关键词：配电网；监控系统；拓扑分析；实时动态数据； l l 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es w i t c hr e m o t em o n i t o r i n gi sa ni m p o n a n tp a r to fad i s t r i b m i o na u t o m a t i c m o l l i t o r i n gs y s t e mw h i c hi sm e 肌i n g f h lt 0i m p r o v et l l es t 乏山i l i 哆a 1 1 de c o n o m i ce 雎c t o ft l l ep o w e r s y s t e m i ti sac m c i a lp r o b l e mi nt h em o d e m i 础i o nm a n a g e m e n to f 也e p o w e rs y s t e m c o n s i d e r i n gt l l ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m a t i cs y s t e m so fd o m e s t i cd i s t r i b u t i o n a i l di m e m a t i o n a ld i s t r i b u t i o n ，t h ep a p e rp r o p o s e dt h ei m p l e m e n t a t i o no fw 曲- b a s e d r e m o t em o n i t o d n gs y s t e mf o r10 k vs w i t c h e s t h es t u d yw a sc o n c e n t r a t e do nm e f o l l o 砸n gp a n s ： 1 a na l g o r i t h mo fl i n es t a t u sd i s c r i m i n a t i o nb a s e do nd i 嘶b u t i o nn e t w o r k t o p o l o g y 锄a l y s i sw a sp r 0 1 ) o s e db ya 1 1 a l y z i n gt h ec o n n e c t i o nm o d eo fd i s t 曲u t i o n l i n e s 2 1 1 1 es w i t c hc o n t r o ln o wa i l di n s t m c t i o nd a t af o m a t 、懈d e s i 9 1 1 e dt 0 砌舢t h e r e l i a b i l i t ) ，r e q u i r e m e n t so ft h ed i s t r i b u t i o n 晰t 1 1o t h e rt h r e ei d e a sp r e s e n t e d 3 f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fs y s t e mi n t e 伊a t i o n ，t l l ew h o l em o i l i t o n gs y s t e mw 懿 d i v i d e di n t om r e em n c t i o n a lm o d u l e s a n dt h e nn l ef 锄e 、o r l ( sa n dr o l e so ft h e s e t l l r c e 向n c t i o n a lm o d u l e sw e r ei n t r o d u c e d _ i i ld e t a i l a c c o r d i n gt ot h ea i l a l y s i so f s e v e r a lk e yt e c l l l l o l o g i e s ，t h em e t h o d so fd i s t 曲u t i o nn e t 、o r kt o p o l o g i e se d i t i o n ，l i n e s t a ：t u sd i s c r i m i n a t i o n ，r e a l t i m ed y n 眦i cd a t ad i s t r i b u t i o na i l dd y n 锄i ci m a g ed i s p l a y w e r eg l v e n 4 a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to f t h ea c t u a lp r o j e c t ，l es o r 、a r ep r o 黟锄o fr e m o t e m o l l i t 嘶n gs y s t e mw a sd e v e l o p e d a n d t 1 1 e s y g t e m a t i ce n t i r e t ) r 鲫r u c t u r ew 硒 d e m o n s t r a t e d 1 kd e t a i l e di m p l e m e n t a t i o na n dt e c l u l i c a ld i 塌c u l t i e si nt l l es y s t e m d e v e l o p m e n tw e r ep a n i c u l a r l ye x p l a j n e d 、析m i nt 1 1 ea 1 1 a l y s i so ff u n c t i o n a lm o d u l e s 。 k e yw o r d s ：d i s 缸伯u t i o n ；m o i l i t o r i n gs y s t e m ；t o p o l o g ya n a l y s i s ；r e m t i m ed y n 锄i c i i l 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 浙江大学硕上学位论文 致谢 值此论文完成之际，谨向导师厉小润副教授致以最诚挚的谢意。厉老师渊博 的知识、丰富的经验、对科学的执着追求和严谨的治学态度为我树立了科学工作 者的榜样：厉老师的言传身教，将使我终身受益不尽。 课题进行过程中得到了赵光宙教授、齐冬莲副教授的指导，使我受益非浅。 项目组成员童普新、王晶等给予我极大的帮助，在此表示深深的谢意。 感谢裘君、包健、刘海涛、徐磊、陈孚、杨捷、王洪波、顾弘、张建良、王 乔、左萍平、王铭超、孙赞、伍小明、王晶等实验室的各位师兄，师弟和师妹， 和你们在一起的日子让我学到了很多，感受了很多，感谢你们在学习和生活上给 予我的帮助。同样感谢寝室同学，在与他们的交往中学到了许多书本上学不到的 知识。 最后，衷心感谢家人多年来给予我的关心和支持，祝愿他们身体健康，万事 安康。 再次将我诚挚的谢意献给所有曾经关心和帮助过我的师长，同学，朋友和亲 人! 虞 2 0 l d 舞t 囊 彪 于求是园 浙江大学硕七学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 电力系统是由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的，是将自然界的 一次能源转化为电能的生产与消费系统。由于电源点与负荷中心多数处于不同的 地区，且输电网多覆盖辽阔的地域，从而使电力系统形成了多层次、广分布的复 杂网络结构【lj 。 配电网，是指在电力系统中分配电能作用的网络，是电力系统的重要组成部 分，其运行的稳定性、可靠性，有效性等直接影响用户的生产与生活质量。但就 目前l o k v 配电网系统而言，普遍存在设备陈旧且科技含量低、配电网自动化差、 网络结构不合理等诸多严重现象，而且在实现控制上基本采用传统的人工就地手 动控制方式，考虑到户外高压开关多分散在各处，且装置在电杆上端，在遇到某 开关或线路故障，或需对某开关进行开闸、合闸控制时，有操作时间长、劳动强 度大、管理难度高等不足，如遇到恶劣天气，操作时还存在一定的安全隐患。正 因如此，实现配电网的自动化监控，特别是实现对配电网开关设备的远程监控， 对提高电力系统的可靠性和经济效益具有重要的现实意义，也是实现电力系统现 代化管理的当务之急。 基于此，通过分析与研制，本课题在对配电网原有的开关设备进行改进的基 础上，运用w 曲技术通过g p r s 网络实现对各个开关设备的控制与信息查询， 从而实现对整个1 0 k v 配电网系统的远程监控。 1 2 课题研究目的和意义 目前，整个电力系统在发电、变电、输电环节的自动化程度已有很大的提高， 也已引入现代化的管理系统，并逐步趋于完善，但是配电网的自动化程度仍停留 在较低的水平阶段，配电网地域分布广，接线结构不合理且负荷回路多，故障率 高的问题仍未能很好地解决【2 】进行配电网自动化及其监控系统的研究，对配电 网乃至整个电力系统实现自动化，提高配电网安全运行水平有着重要的意义。 实现对l o k v 开关的远程监控，是实现配电网自动化及其监控系统重要的环 节。配电网监控系统主要用于收集来自配电网各设备及线路的运行信息，在完成 浙江大学硕士学位论文 信息数据的预加工与处理后，运用通信技术、计算机网络等手段提供给位于配电 网终端的管理人员，自动地监视参数，在偏离正常值时给出报警，提醒工作人员 进行相关操作；并且管理人员可以将控制指令通过数据协议转换输送到配电网各 处，并予以执行，同时监视指令的执行情况，基本实现电力“四遥”( 遥信、遥 控、遥测、遥调) 功制3 1 。 在传统调度管理方式下，由于配电网分布广，且覆盖地理环境复杂，维护人 员往往无法及时了解所辖范围内线路的整体运行状况，在故障发生或是遇到恶劣 天气时，很难快速、正确地做出完成相关处理，从而容易造成事故，危及户外设 备的安全运行，难以保证供电可靠性，进而影响用户的生活及生产。 随着i n t e m e t 网络通讯技术的发展，基于网络的远程监控系统已经成为一种 趋势，将w - e b 技术引入配电网监控系统，通过g p r s 网络【4 】可以实现对配电网运 行情况实时监控，可以实现对开关进行开闸、合闸等进行远程控制，可以实现设 备或线路故障自动检测、报警、隔离、恢复；可以实现根据实时数据采集，分析 配电网运行状况，优化运行参数等等。基于w r e b 的配电网远程监控系统具有以 下几个优剧5 】，【6 1 ： ( 1 ) 能实时获取位于远程的开关的电流、电压等数据，并能快速得通过这 些数据信息，分析得到配电网故障所在的位置，自动隔离故障线路，并及时通过 变网供电等处理恢复供电，减少了停电时间，提高了可靠性； ( 2 ) 改变了传统通过电话等的调度方式，提高配电网系统信息的实时性与 准确性，减少了因信息错误而发生的误指令； ( 3 ) 改变了传统开关控制方式，无需操作人员进行户外操作，配电网工作 人员只要在操作问就能实现对位于远程开关的开闸、合闸等操作，提高了工作效 率，更能保证操作人员的生命安全； ( 4 ) 能对收集到配电网信息进行分类储存，方便配电网管理人员进行实时 信息或历史数据查询，更能按照各种需求对这些数据进行制表、制图等处理，用 以进一步分析； ( 5 ) 可形象地在配电网管理人员的电脑屏幕上实时、准确地显示出整个配 电网的运行情况，让管理人员能及时了解整个配电网络的信息，给出准确的调度 与控制命令。 浙江大学硕上学位论文 1 3 课题国内外研究发展现状 国内的配电网自动化及其监控系统的研制工作始于上世纪5 0 年代，6 0 年代 至7 0 年代开始，才将电子计算机运用于配电网系统进行数值计算，到1 9 7 8 年， 自行研制了第一套配电网安全监控系统并投入使用，揭开了国内配电网自动化监 控系统的序幕【7 】。目前，国内配电网络自动化系统在研发上虽取得了一定的效益， 但与国外发展研究状况相比仍有不足，存在着巨大的差距。 国外配电网自动化发展在经历了从专注于实现某环节单项模块的自动化转 向开放式、一体化和集成化的综合自动化的过程中，不仅研制了种类众多的配电 网自动化监控系统产品，而且经过多年的运行测试，己经具有一定的规模，逐步 提高了配电网络的运行可靠性、安全性与效率性，保证了供电质量，降低了配电 网操作人员的劳动强度，带来了可观的经济与社会效益【8 】。 从通信方式上看，国外配电网自动化监控系统往往采用多种通信技术来分别 满足监控系统各模块的通信需求，尚无一种既可靠又价格低廉的单一的通讯技术 能很好的满足整个配电网监控系统通信的要求。如在配电网自动化监控系统领域 研究发展比较快的日本，普遍采用通信电缆与配电网线路组合成通信系统来传送 信号。 与国外发展研究相比，国内的研究状况无论在配电网自身硬件架构的更改与 通信方式的选择上都存在的局限，这与国内配电网的现状相关。国内配电网大致 可分城网与农网，随着经济的发展，虽部分农网与城网的差距缩小，但仍有差别， 城网供电负荷相对集中，配电网络结构相对单一，而农网供电覆盖范围较大，地 理位置也极为复杂，事故率高且故障排查困难。为了提高整个电力系统的供电可 靠性，配电网络自动化监控系统就必须兼顾二者的特点；而且就国内而言，各地 各区域由于自身经济状况的不同，电力系统的硬件设备存在很大差异，所以配电 网络自动化监控系统还需兼顾各地电力系统的硬件条件1 9 】【1 0 1 。 九十年代初，计算机软硬件技术突发猛迸，计算机应用从单机操作向网络发 展。在考虑国内状况，结合自身特点后，我国在电网监控系统领域的应用技术也 日趋成熟，已经达到了实用化水平。但由于运用了多种技术手段】，在电力系统 在生产、管理过程中出现了各种各样的应用软件，甚至于同一个电力部门中往往 并存多个由不同第三方提供的软件系统，而这些系统可能采用不同的计算机平 浙江大学硕士学位论文 台、不同的数据通信协议、不同的数据库技术等，从而就整个电力系统在内部集 成与信息交互上变得复杂，因此，国内提出了新一代的配电网自动化监控系统。 在新一代配电网监控系统中，充分运用i n t e m c t 技术、通信技术、面向对象的编 程思想、数据库技术、j a v a 技术、信息安全技术等，对原有的一个或多个功能组 件，统一架构于整个自动化监控网络，以数据库为交互中心，实现信息传递与统 一管理。 1 4 论文所作的研究内容 本论文是从国内配电网自动化监控系统的特点与存在的问题出发，结合课题 所依托的硬件环境，研究如何通过w 曲技术实现对1 0 k v 配电网开关设备的远 程监型1 2 】，| 1 3 1 ，主要完成了以下几个部分的研究： ( 1 ) 线路状态判断算法：结合国内配电网的接线方式，对配电网络设备( 开 关、计量箱等) 及线路进行抽象化处理，使其适合网络拓扑结构的分析，在此基 础上，提出算法思路以完成线路有电无电故障的判断。 ( 2 ) 配电网监控系统可靠性设计：根据配电网运行可靠性需求，在“一次 操作，二次确认”等电力系统安全操作原则上，设计了监控系统下开关控制流程 与指令数据格式。同时，结合智能电网的基本要求，深入研究配电网网络拓扑结 构，使监控系统能在配电网发生故障( 短路等) 时，自动隔离故障，进行线路保 护；或是在某配电线路无法供电时，能实现智能地变网供电，保证配电网的运行 可靠，减少停电时间f 1 4 1 。 ( 3 ) 配电网拓扑图动态编辑：结合配电网拓扑化的要求，引入面向对象的 编程思路，抽象配电网各种设备与线路等，制定合适的类，编制类似于p r o t e l 、 p s p i c e 等等的c a d 软件，要求应用软件能使用户方便绘制出整个配电网拓扑图， 操作简单，界面友好且具有很好的扩展性，便于后期新元件的添加。 ( 4 ) w 曲应用程序设计：采用j a v a a p p l e t 程序实现监控画面的显示，以及监 控信息的实时传送。根据监控系统实时性要求，解决实时动态数据与动态图像的 发布的技术难点。 ( 5 ) 前台监控程序设计：研制界面友好、操作简单、运行可靠且能显示在 浏览器页面上的前台监控程序，嵌套w 曲应用程序，能使用户在监控页面上方 便地控制远程开关，查询设备状态，并自动完成故障报警，故障隔离，故障恢复 4 浙江大学硕_ 上学位论文 等操作，同时还能按用户需求提供各种数据报表。 ( 6 ) 后台管理软件设计：研制应用程序，使配电网管理人员能方便地实现 对整个配电网信息的管理( 如配电网开关属性的设置与更改、操作人员的权限设 置与更改等等) ，以保证配电网在新调度形式下安全可靠。 ( 7 ) 软硬件通讯模块设计：根据配电网监控系统的数据传输流程，编制功 能模块实现数据的接收、发送及存储，同时能对指令数据或状态数据进行有效性 验证，保证数据传输的可靠。 ( 8 ) 数据库表设计：根据各功能模块之间的数据交互要求，合理设计数据 表，并结合需求分析，建立索引。 ( 9 ) 系统测试与完善：将监控系统架构于某小型配电网试验田基地，反复 测试，不断完善，确保该监控系统的安全、可靠、效率。 浙江大学硕士学位论文 2 配电网拓扑图线路分析 近几年来，随着社会的发展，人们对生活质量的要求越来越高，持续可靠的 电能供应显得越发重要。运用信息化、自动化管理在原有的电力系统上加以改进， 实现现代化管理，确保电力系统更可靠、更稳定、更安全运行已渐渐成为主流意 识。但是长期以来，国内配电网的发展一直落后于电力系统的其他环节，接线形 式及结构不合理，导致事故频繁发生。为了能够更好地实现配电网监控，必须对 整个配电网络的结构进行研究，结合网络拓扑结构分析，实时了解并监控整个配 电网络线路的情况，从而保证用户的生活与生产。 2 1 配电网接线方式 配电网是电力系统的一个重要组成部分，是二次降压变电所低压侧直接或降 压后向用户供电的网络，由架空线、配电线路、配电所或柱上降压电压器直接接 入用户所构成( 见图2 1 电力系统示意图，其中虚框所示为配电网) 。配电网按电 压等级来分类，可分为高压配电网( 3 5 1 l o k v ) ，中压配电网( 6 一l o k v ，苏 州有2 0 l ( v ) ，低压配电网( 2 2 0 3 8 0 v ) 【15 1 。 图2 1 电力系统示意图 配电网的一般特点有： ( 1 ) 传输距离与功率不大； ( 2 ) 供电容量、供电质量、用户性质等等因地而异； ( 3 ) 深入城市或农村居民密集点 从体系结构上看，配电网接线方式大致可分为辐射型接线、树型接线、环型 6 浙江大学硕士学位论文 接线i 岫j 。 树型接线是应用最广泛的一种配电网接线方式，它造价低廉、保护整定、容 易排查与处理故障的发生，但与其他接线方式相比，可靠性与供电电压质量均不 太理想。树型接线是从变电站1 0 k v 出线，按树枝分叉的方式供电给柱上降压变 压器或高压用户( 见图2 2 ) 。由于在主干线路与分支线路上均未设置分段开关， 故当配电网线路任意一处发生永久性故障时，均将造成整条线路停电 图2 2 配电网树型接线图 环型接线是国内新工业开发区、新住宅小区普遍采用的配电网接线方式，故 障后损失较轻，可靠性与供电电压质量好，但线路的保护整定较复杂，短路电流 大。环型接线配电网经常采用光缆线路，按环型结构的方式在二个或二个以上变 电站之间依次连接各条供电线路上的柱上降压变压器或高压用户( 见图2 3 ) 。 浙江大学硕士学位论文 图2 3 配电网环型接线图 目前，国内县市地区的配电网络接线方式多为环型结构或其拓展结构，并采 用闭环设计、开环运行方式【1 7 】，即在变电站l o k v 侧的各馈电线相互之间无电气 联系，仅在母线上将馈电线连接在一起，分别向用户供电。 2 2 配电网网络拓扑分析 配电网网络拓扑分析( 或称网络结线分析) ，是指运用拓扑学的基本思想， 将整个配电网的物理构成与相互关系( 即配电网接线方式) 抽象成数学拓扑图模 型，并加以分析处理的过程【1 引。 一般来说，网络拓扑系统是由许多相互连接的线段构成的网状系统，是对现 实世界网络系统的抽象表达，常将线段称为拓扑连接，线段与线段的交点称为拓 扑节点，常见的网络拓扑结构主要有：总线型拓扑、星型拓扑、环型拓扑及总线 型与星型的复合型。在配电网系统中，配电线路就可以抽象为网络拓扑结构中的 拓扑连接，表示着配电网开关设备之间的联系；而配电网开关设备即可抽象为网 络拓扑结构中的拓扑节点【1 9 1 ，如图2 4 就是某个小型配电网试验田拓扑图。因为 配电网的主要控制手段是开关设备，所以如何通过了解整个配电网络各个开关设 备状态分析判断各条线路的状态显得极为重要的，关系到整个配电网能否安全、 可靠、有效运行。 8 浙江大学硕上学位论文 一 变电站l c 卜 变电站i i k k c 卜- 变电站i l l 图2 4 某小型配电网试验田拓扑图 k 从上面的分析可以看到，网络拓扑结构与配电网的接线方式有点相似性，具 有一定的可借鉴性，这也使得网络结线分析运用于配电网的线路状态分析多了层 理论支持。 ( 1 ) 配电网辐射型接线：类似于网络拓扑结构中的星型，在拓扑结构上有 一个中心节点，其他节点直接与中心节点相连。 ( 2 ) 配电网树型接线：类似于网络拓扑结构中的总线型，在拓扑结构上可 以包含分支，且每个分支又可包含多个节点。 ( 3 ) 配电网环型接线：类似于网络拓扑结构中的环型，在拓扑结构上节点 依次连接，成环状或链状。 在以往基于配电网接线方式的配电网拓扑模型研究成果中，已经提出过不少 配电网设备模型和拓扑模型，并在二者结合的理论基础上，取得了较好的应用效 果。但随着配电网的飞速发展，配电网的供电线路结构越来越复杂，已经不能用 某种单一的接线方式来描述，电网结构的开关，开关状态的改变也变得日趋频繁， 所以如何研究出一种应用域广泛，实现简单快捷的拓扑分析方法就显得非常必需 1 1 9 】 而且，在配电网拓扑结线分析的过程中时，不单单要去分析网络拓扑的逻辑 结构，还应考虑到配电网自身的几个特点： ( 1 ) 为了提高供电可靠性，配电网多采用闭环设计、开环运行的方式，即 9 浙江大学硕士学位论文 在设计时，各馈电线之间通过联络开关相互连接。同时，为了故障定位与实现继 电保护整定方便运行，运行结构上一般为辐射状； ( 2 ) 配电网的开关设备等的安放具有一定的要求，跟配电线路的长度相关， 往往装在电线杆上端，而不像输电网设备安置于变电站内； ( 3 ) 配电网线路类型众多，有架空线、地下电缆等等，并且配电线路的电 阻、电抗比一般输电线大，但其并联电导和容纳很小，在做拓扑分析时，可以忽 略不计； ( 4 ) 配电网因实际需求，信息变化快，数据量大。 2 3 配电网线路状态分析 配电网线路状态分析，是配电网拓扑分析的重要内容，即判断线路是否有电， 是否故障。配电网线路的状态关系到整个配电网络的是否正常可靠运行 ( 1 ) 实时了解各条线路的状态，有利于配电网操作人员及时调度，发布指 令； ( 2 ) 在遇到线路故障时，可迅速定位故障点并处理； ( 3 ) 在户外操作人员进行挂摘牌，进行设备维修时，确保线路没有电，可 保证人员安全等等。 2 3 1 线路状态的电气规定 一般来说，线路状态变化跟配电网开关设备状态变化与设备及线路故障的发 生相关。开关设备状态变化( 开闸、合闸或跳闸等等) ，可能仅是引起某条线路 的供电状态变化，也可能是投入或切除负荷线段，使母线路状态改变，引起配电 网开环，合环，解列或并列等。由开关设备状态变化引发的线路状态变化，有繁 有简，如何准确而快速地完成线路状态变化是保证配电网可靠有效运行所必需 的。 本课题的配电网开关设备是为了实现配电网自动监控而在传统开关设备上 更改设计的，开关设备具有一端电信息检测点，用以获取开关该端的电压，电流， 功率因素等信息，并能通过g p r s 模块将这些数据通过移动网络传输到远程的配 电网控制室主服务器电脑上，同时存储至数据库。 在此基础上，可以假定并获知，在开关设备无故障时，若开关闭合，开关两 端的电压均为开关电信息检测端电压；或开关打开，在没有获取开关所连接的线 1 0 浙江大学硕士学位论文 路状态前，暂定开关非电信息检测端电压为0 v ，在获取开关所连接的线路状态 后，若线路无故障，开关非电信息检测端电压为线路电压。 在判断线路状态时，可以假定并获知，若线路两端所连接的开关端电压数值 差不超过2 ，且电压值均不为零( 考虑到电压检测时的误差，与线路自身电阻) ， 即可判断线路正常，且线路电压值为开关端检测电压值；反之，则判断线路出现 故障。 当然，以上的判断原则仅是从电气原理上加以规定，在配电网结线分析中配 电线路的逻辑结构才是最主要的判断依据与难点。 2 3 2 典型接线方式下线路状态判断 从上面的分析可以知道，当配电网的接线方式为典型接线方式时，印接线方 式为辐射型、树型、环型其中一种时，此时拓扑逻辑关系相对简单，算法实现思 路如下： ( 1 ) 配电网辐射型接线：在分析采用辐射型接线的配电网时，可以参考星 型拓扑结构的一般处理方式，在分析某段线路时，只需获取与该线路相连的设备 即可，其中一个设备为拓扑结构的中心节点，然后根据这二个设备的开合状态， 结合线路状态判断的电气原则来进行分析。 ( 2 ) 配电网树型接线：在分析采用树型接线的配电网时，可以参考总线型 拓扑结构一般的处理方式，将配电网线路连接信息按多叉树的形式进行存储，寻 找供电线路时，可深度搜索，算法思路为多叉树搜索。 ( 3 ) 配电网环型接线：在分析采用环型接线的配电网，可以参考环型拓扑 结构一般的处理方式，将开关设备的连接信息按链表结构存储，在开关状态变化 时，按链表关系依次查询配电网所有设备，给出结论，算法思路为链表搜索。 但在目前的配电网系统中，配电网接线方式往往是几种典型模式的组合和拓 展，接线方式拓扑结构复杂，因此无法直接应用典型接线模式下线路判断的算法， 所以分析出一种适合于一般接线方式的线路判断算法是必须的。 2 3 3 线路状态判断算法 考虑到配电网网络拓扑结构，可以从拓扑结构的起始节点( 即配电网某变电 站) 出发，根据开关状态，找到拓扑结构图中闭合的线路，在物理意义上这些闭 合的线路中的各线路均是有电的，将这些线路放入某个集合中，继续查找，至所 有线路均判断完毕。 1 1 浙江大学硕士学位论文 在具体的程序实现中，定义以下几个集合来辅助配电网拓扑结构分析： ( 1 ) e l i n e s 集合：保存有电的线路； ( 2 ) n l i n e s 集合：保存未知状态的线路； ( 3 ) e k e y s 集合：保存闭合的开关设备； ( 4 ) b k e y s 集合：保存无电压的开关设备，初始默认开关所连接的线路无 电； ( 5 ) b l i n e s 集合：从b k e y s 集合连接线路中移除的无电线路； 具体算法的伪代码实现： i 配电网不供电时： 所有线路均为无电，配电网拓扑图上的线路全显示为黑色( 即无电) i i 配电网供电时： ( 1 ) 获取起始有电线路：从所有的变电站节点出发，找到与变电站节点相 连的线路，保存至e l i n e s 集合，并将线路显示为红色( 即有电) 。 ( 2 ) 获取有电闭合回路：从上述有电线路出发，找到与之相连且闭合的开 关，分别保存并返回一个b k e y s 集合，循环上述两个集合，依次从集合取出开关 设备，再根据取出的闭合开关依次查找开关两边连接的线路，返回至一个集合， 循环该集合，并取出每一条线路放到n l i n e s 集合中( 集合中的线路不能重复) 。 ( 3 ) 无电压报警排除：再查询e l i n e s 集合中的有电线路，寻找左，右两边 的闭合开关时，判断是否为无电压报警，即若接在此开关左右两边的闭合开关上 没有电压，则无电压报警，并记录该线要移除，保存至b l i n e s 集合。 ( 4 ) 继续寻找，直至n l i n e s 集合为空，即判断完所有线路状态。 浙江大学硕士学位论文 3 监控系统可靠性设计 随着用户对电能质量和供电可靠性的要求越来越高，配电网自动化监控日益 引起了重视，并在逐步推广，但如何使基于w 曲通过g p r s 通讯的配电网监控 系统安全而又可靠地运行是个问题。同时，近几年来，随着“智能电网”概念的 提出，也要求实现电力系统运行可靠、使用安全、经济高效、环境友好。 3 1 监控系统开关控制可靠性设计 配电网主要的控制手段是开关设备，对开关设备的开闸、合闸等操作，改变 开关设备的状态，即是改变整个配电网络的运行情况，可靠地开关操作关系着可 靠地配电网运行。 3 1 1 开关控制流程设计 在配电网监控系统中有“一次操作，二次确认”的基本原则，即某个配电网 操作人员在需对配电网某开关设备进行开闸、合闸操作时，应向上级监控人员确 认是否能进行对该开关设备的操作，这是第一次确认；上级监控人员在确认完毕 后，发送指令，再次向该操作人员确认是否进行操作，这是第二次确认；在操作 人员完成第二次确认后，对开关设备的操作指令才会被执行，即完成一次操作。 配电网自动化监控系统是基于w 曲与g p r s 通讯的，在指令发送的过程中， 因网络传输等问题，会不可避免地发生指令丢失的情况。指令丢失意味着需要执 行的操作未能及时得到处理，从而影响整个配电网络的正常运行，严重时甚至于 导致整个配电网瘫痪，造成巨大的社会经济损失。为了避免发生指令丢失的情况， 在设计配电网监控系统时，需要远程的开关设备不断地发送当前开关的状态，来 确认指令是否发送并被正确执行，若开关状态不符合所需指令操作后的状态，监 控系统的服务器能继续发送指令，直至指令被正确执行。 配电网监控系统从通讯的角度可划分为：客户端、服务器端、开关端。客户 端包含操作端、监控端、查询端三个部分，其中操作端主要负责操作指令的申请； 监控端主要负责操作指令的确认；查询端只负责查看配电网的运行与查询开关信 息。服务器端主要负责软硬件之间的通讯，包括指令的发送，开关状态的查询与 保存等等；开关端是整个监控系统的硬件部分，负责对指令进行解析并执行，并 能检测开关状态并将信息发送给服务端。服务器端是操作端与监控端的通讯中 l = ； 浙江大学硕上学位论文 介，操作端的申请请求，监控端的确认信息与再确认请求都是通过服务器端来传 递的，在服务器端还完成了操作指令有效性判断与格式转换，使通讯协议统一化。 在操作端、监控端、服务器端的配合下，完成了“一次操作，二次确认”，指令 可靠性发送等等设计。 ( 1 ) 开关控制流程 包括开关合闸、分闸、离线、挂牌、摘牌操作。由操作端发送分闸( o f f ) 、 合闸( o n ) 、挂牌( h a n g ) 、摘牌( p i c k ) 、离线( o f f l 烈e ) 的请求命令到服务器， 服务器将请求命令转发到监护端，监护端预审并确认后返回给服务器，服务器再 返回给操作端，操作端再次确认后，向开关发送分、合闸命令，一次控制操作完 成。此过程中有一端拒绝则流程终止，不向开关发送命令，而且一次控制操作 完成后会采用弹出界面的形式提示用户开关状态已改变。其中开关状态改 为分闸时，要询问用户是否要对该开关进行挂牌( 挂牌的开关无法对其进行 操作，需要先摘牌) 操作，如果要的话则要向开关发送挂牌命令。如果命令 发送下去以后开关没有动作，则要提示开关拒绝动作报警。下图便是开关 设备控制流程( 见图3 1 ) ： l “7 “”。o ”i7 r 1 一。懈几m 7 w l_ 燮j 算羊缇柱描垒盔；l 蔼蔼l l 蟹；兰嚣釜堪摊由港嵫叁l l 一一。1 一一l i l 撩作惠见麟1 ! i 劳主荚壕住坛案审谨耋斋夏 一 l 发送摄作捂龠确认结果l d “否掺 一、 ?j 、 ；i lii “ 一是 ， 、t 一 苎差撮俸指令再次确认西面i 悬 j 熊谨羿美操作指令1 4 l 显示 l 一1l ” 一十 ，“。” i f螯 ；l i 同_ - i ，“一- o 。 画函嗣新 群麓； l 蠕拒媸置憾强l | 画函翮新l l 1 l 一l t i l o b 更新l ；i ；i ，t v 图3 1 配电网开关设备控制流程 1 4 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 开关查询流程： 开关查询是指查询开关的实时或历史电压、电流、功率信息，由客户端( 操作 端、监护端、查询端) 发送查询命令到服务端，服务端对查询命令进行验证，并 转化后将有效的命令转发送到执行终端( 即开关) 。执行终端执行并返回查询结果 到服务端，由服务端再把返回的数据转发给请求查询的客户端以及其他的所有客 户端以更新界面电路图，请求查询的客户端把返回的查询数据以窗口的形式显示 给用户。下图便是开关设备查询流程( 见图3 2 ) ： 戮您缀撵馋瓣7 ：j 茹”j ；黪i 磊冬毫羹j j 酶繁睦：袋饕警警攀警巷器麓?；爱冀盛控蠛7 溺 4 1 作成开关查询指令l 一 4 2 发送开关查询指令 一- o 口；j z 4 1 “t y _ - r l l u “3 。、一4 目 i i ￥u k ；1 46 两而刷新i 君手友1 1 4 5 发送开关杏询指i 矸z i 爪l 4 7 画面刷新 i 1 4 4 d 日更新i ii i n 4 _ 女_ l i 戊尬川八旦唧? 不l 图3 2 配电网开关设备查询流程 3 1 2 控制指令数据格式设计 在配电网自动化监控设备中，配电网控制室的主服务器电脑与远程的开关设 备是通过g p r s 模块，利用移动无线网络进行传输的，指令的发送与开关状态的 实时返回要求一定的数据格式。若不规定统一的数据格式，在t c p 连接时，无 法从网络数据流中获得所需的数据段，加以解析，也就无法正确获得配电网各开 关设备的信息，无法正确下达指令，从而无法使配电网络可靠运行。 现结合配电网开关设备的基本属性、指令要求与软件系统设计所需，设计的 t c p 连接时的数据格式说明如下： ( 1 ) 上行数据结构 上行是指配电网中开关端向服务端发送数据，即开关设备发送电压、电流、 浙江大学硕士学位论文 功率因素信息至主服务器电脑。开关端向服务端发送的数据基本格式： ，其中： 区域号：表示开关设备在整个配电网系统中区域分块位置，如0 0 0 l ； 开关号：表示开关设备的开关标示，如0 0 0 l ； 状态：表示开关设备的开合状态，如n o ； 2 7 b ”e s 数据：表示开关设备的电压( 1 11 2 2 2 3 3 3 ) ，电流( 4 4 4 5 5 5 6 6 6 ) ， 功率因素( 7 7 7 8 8 8 9 9 9 ) ，每3 位为一个数据，有三相数据。 例1 ：接受到合闸状态数据： 0 0 0 1 ，0 0 0 l ，d a t a l l1 2 2 2 3 3 3 4 4 4 5 5 5 6 6 6 7 7 7 8 8 8 9 9 9 ，o n ，c l o s e ， 例2 ：接受到分闸状态数据： 例3 ：接受到异常状态数据： 其中： e 1 = 擅动( 分合) e 2 = 状态未知 e 3 = 拒动报警 e 4 = 缺相报警 e 5 _ 超过额定电流报警 o p e n = 挂牌 c l o s e = 摘牌 n o t v = 无高压电 ( 2 ) 下行数据结构 下行是指操作端或监控端向服务器端发送开关控制指令，即配电网操作人员 发送给服务器端的指令，用于操作开关。操作端或监控端向服务器端开关发送指 令的数据基本格式： ，其中： 区域号：表示开关设备在整个配电网系统中区域分块位置，如0 0 0 1 ； 开关号：表示开关设备的开关标示，如0 0 0 1 ： 1 6 浙江大学硕士学位论文 指令代码：表示指令动作，如n o ； 客户端编码：表示发送该指令的操作端或监控端编码，且不能为空，如 c l i e n t 0 1 。 指令样式： 其中： h a n g = 挂牌 p i c k = 摘牌 例l ：操作端或监控端第一次连接服务器，即第一次上线： 例2 ：发送合闸命令： 例3 ：发送分闸命令： 例4 ：发送测试命令： ( 3 ) 服务器端发送给开关指令数据结构 服务器端发送给开关的数据基本格式： ，其中： 区域号：表示开关设备在整个配电网系统中区域分块位置，如0 0 0 l ； 开关号：表示开关设备的开关标示，如0 0 0 l ； 指令代码：表示指令动作，如n o ； 例1 ：控制开关合闸 3 2 自恢复供电可靠性设计 配电网的接线方式，除了一般的辐射型接线，树型接线，环型接线，还有其 他拓展接线方式，如“手拉手”环型接线，双环路t 型接线哪! 等等。 q 手拉手”环型接线是在辐射型接线方式的基础上拓展而来，实际上是将以 往的辐射型接线方式改造成双电源或多电源供电，中间以联络开关将各配电线路 1 7 浙江大学硕士学位论文 连接起来。在正常供电运行时，将联络开关打开，至提供单条配电线路供电，以 用来减少短路电路或可能出现的环路电流等。当配电线路失去某端电源时，将其 中的联络开关关闭，从另一端电源对失去供电的线路上的柱上降压变压器和高压 用户供电，正是因为这种接线方式，可以快速地恢复供电，减少停电时间，保证 配电网运行的可能性，近几年来，被国内配电网广泛采用。根据“手拉手”开关 设备的所在的线路位置不同，“手拉手”环型接线可细分为相同变电站“手拉手” 环型接线( 见图3 3 ) 与不同变电站“手拉手”环型接线( 见图3 4 ) 。 正磊上i正常合上i 。 正常合上 正常打歼 图3 3 相同变电站“手拉手”环型接 厂、 正常台上正常打歼 正常合上一、 i 广_ _ 1 ， 变电站t 变电站 图3 4 不同变电站“手拉手”环型接线 双环路t 型接线是树型接线与辐射型接线的结合接线方式，是利用1 0 k v 配 电线路有同杆架设的可能性为改进供电可靠性而作出的改进。与“手拉手”环型 接线类似，双环路t 型接线也有单电源( 见图3 5 ) 与双电源( 见图3 6 ) 供电两 种接线方式，当采用双电源供电，供电可靠性又可进一步改善。 浙江大学硕上学位论文 燮 图3 5单变电站t 型环型接线 图3 6 多变电站t 型环型接 i i 配电网接线方式虽在硬件实现上完成了运行可靠性的设计，但在实际操作过 程中，如按传统的配电网调度方式，需人为地根据整个配电网的运行情况来确定 对哪些联络开关设备进行开合闸操作，这样的实现过程具有不可避免的滞后性 【3 1 。为了改变这种状况，在1 0 k v 远程监控系统设计时，引入软件实现的方式来 配合硬件设备的实施，将传统的人为调度操作方式转变为系统的自动判断实施， 从而保证整个配电网络的运行可靠性，及时恢复供电，减少停电时间【2 1 l ，【翻。 以“手拉手”环型接线为例，在开关设备的属性上，保存每个开关设备左右 端所连接的开关设备，保存每个开关设备是否为手拉手联络开关及“手拉手”开 关的优先等级等等。有了这样的设计，在配电网某开关设备状态发生变化时，根 据配电网拓扑结线分析，确定每条线路的通电情况，若出现因短路电流导致二个 或二个以上相邻开关连续跳闸( 时间间隔3 0 s ) ，出现线路无供电情况，则查询 该开关设备所连接的开关是否为“手拉手”开关，并按“手拉手”开关的优先等 级，由监控系统的服务端自动向开关端发送合闸指令，等待合闸完毕后，再次分 1 9 浙江大学硕上学位论文 析配电网运行情况做出相应处理，保证供电的持续可靠。 3 3 其他安全可靠性设计 3 3 1 挂摘牌操作 在配电网的日常调度的工程管理中，需要对某些硬件设备或配电线路做一些 特殊标示，用来指示该设备或线路目前所处的状态，如：正在检修、设备锁定等 等，这样的操作称为挂牌操作阿。 在不同的情况下，需要对发生故障的或某些需特殊标示的设备、线路挂不同 性质的警示牌，同时在配电网管理人员对挂警示牌的设备设置挂牌保护。挂牌操 作大致可分两种，分保护性挂牌操作和指示性挂牌操作。 ( 1 ) 保护性挂牌操作：主要用在设备、线路检修过程中，具有闭锁操作功 能。 ( 2 ) 指示性挂牌操作：用于为某些设备设置标示，指示用。 在进行保护性挂牌操作前，先通过配电网结线分析与开关状态判断需挂牌操 作的设备或