一种基于分布式存储的配电网拓扑自适应保护方法与流程

本发明公开了一种基于分布式存储的配电网拓扑自适应保护方法，属于配电网自动化领域。

背景技术：

随着电力系统的建设和发展，配电网自动化成为必然趋势，其中网络拓扑的分析和自适应成为研究的关键问题。现有的研究主要以集中式的方式面向对象对全配电网的设备进行建模，生成全网的拓扑，该方式依赖于集中控制器，且通讯的负担随着全网拓扑的复杂度增加，将持续增加，严重影响系统的可靠性、安全性和工作效率。

近年来提出了分布式存储的概念，目标是将数据分散存储在多台独立的设备上，减少集中式存储的存储压力。然而在配电网中尚未对该技术充分应用，且结合配电网的特点，以及配电网中新能源接入后，即插即用、分布式保护技术的迫切需求，需要对分布式存储进行升级，参考配网主站的DMS系统，实现局部网络的分布式数据存储和管理，提高配电网对新能源的接纳能力。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，需要解决的技术问题包括：

(1)解决配电网集中式控制方式下的对集中控制器的过渡依赖性，可靠性差的问题。

(2)解决集中式控制方式下通讯的负担大的问题，且随着全网拓扑的复杂度增加，将持续增加，严重影响系统的可靠性、安全性和工作效率。

(3)解决分布式存储在配电网拓扑自适应中的应用问题，满足配电网中新能源接入后，即插即用、分布式保护技术的迫切需求，需要对分布式存储进行升级的应用需求。

为了更好地理解本申请的技术方案，现对本申请中出现的技术术语说明如下：

配电网终端单元：配电网测控保护一体化设备，可作为实现本发明的硬件基础，该设备以开关为单位进行测量、控制、保护。

分布式存储单元：配电网终端单元的信息存储部分。

开关：线路通断设备，可以代表某段线路的基本情况。因此配电网中一般以开关为对象，对该开关的电气量开关量进行测量和控制。每一开关均对应一配电网终端单元，相应地也唯一对应一分布式存储单元。

上下游节点：开关上游或者下游开关连接点为开关的上下游节点，在本申请中也称作分布式存储单元上下游节点或者配电网终端单元的上下游节点。

上下游开关：开关两侧的开关分别为上游开关和下游开关，上下游开关对应的配电网终端单元(分布式存储单元)在本申请中又称作上下游配电网终端单元(分布式存储单元)。

据此，本发明提供了一种基于分布式存储的配电网拓扑自适应保护方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种基于分布式存储的配电网拓扑自适应保护方法，其特征在于，所述自适应保护方法包括以下步骤：

步骤1：以配电网终端单元的信息存储部分作为分布式存储单元，对配电网中所有分布式存储单元进行初始化，构建通用的分布式存储单元拓扑信息模型，基于分布式存储单元进行保护配置，所有配电网终端单元通过采集本配电网终端单元所对应开关即本开关信息、基于SV实时快速通讯获取相邻上游配电网终端单元对应开关即上游开关的信息和下游配电网终端单元对应开关即下游开关的信息；

步骤2：当配电网中有开关退出或增加引起配电网拓扑变化时，根据增加或退出的开关及其两侧相邻开关的拓扑信息模型实现配电网拓扑配置自适应；

步骤3：任一配电网终端单元能够向上下游配电网终端单元下发获取指令获取整个配电网拓扑信息；

步骤4：分别通过投入分布式差动保护功能和分布式馈线自动化功能实现分布式差动保护和分布式馈线自动化。

本发明进一步包括以下优选方案：

所述步骤1具体包括以下内容：

步骤1.1：建立分布式存储单元拓扑信息模型，拓扑信息模型包括本配电网终端单元对应的开关即本开关信息存储集KGx、上游开关信息存储集KGm[i]、下游开关信息存储集:KGn[j]，其中i为上游开关的个数，j为下游开关的个数；所述上游为以本开关任意一侧定义为上游，则另一侧定义为下游；

步骤1.2：基于分布式存储单元，进行保护配置，分别以一个开关的上下游节点为对象，对节点上的所有开关做差动电流计算，设定差动保护定值，并且设定上下游节点各支路的正方向为流向节点的方向；

步骤1.3：分布式存储单元采集本开关信息，本开关信息包括本开关的地址信息、本开关的电压和电流、本开关的开关量信息；

步骤1.4：分布式存储单元基于SV实时快速通讯获取相邻的上游开关信息和相邻的下游开关信息；上下游开关信息包含上下游开关的地址信息、上下游开关的电压和电流、上下游开关的开关量信息；

步骤1.5：将步骤1.3、步骤1.4获取的本开关信息以及相邻上游开关、相邻下游开关信息分别存储在本开关信息存储集KGx、上游信息存储集KGm[i]、下游信息存储集:KGn[j]中。

在步骤2中，当有开关退出时，配电网的拓扑自适应包括以下内容：

步骤2.1.1：退出开关向相邻配电网终端单元发送“开关退出指令”；

步骤2.1.2：当退出开关的下游配电网终端单元接收到退出开关所发送的“开关退出指令”后，将所存储的该退出开关的信息存储集删除，并将退出开关分所对应的布式存储单元存储的所有上游开关信息存储集增加到下游分布式存储单元的上游开关信息存储集中；

步骤2.1.2：当退出开关的上游配电网终端单元接收到退出开关所发送的“开关退出指令”后，将所存储的该退出开关的信息存储集删除，并将退出开关所对应的分布式存储单元存储的所有下游开关信息存储集增加到下游分布式存储单元的下游开关信息存储集中。

在步骤2中，当有开关增加时，配电网的拓扑自适应包括以下内容：

步骤2.2.1：增加开关建立分布式存储单元拓扑信息模型，并向相邻配电网终端单元发送“开关增加指令”；

步骤2.2.2：当增加开关的下游配电网终端单元接收到增加开关所发送的“开关增加指令”后，下游分布式存储单元获取增加开关所对应的分布式存储单元存储的所有上游开关信息存储集以替代该下游分布式存储单元所存储的相同的上游开关信息，并添加增加开关对应分布式存储单元所存储的该增加开关的信息存储集；步骤2.2.3：当增加开关的上游配电网终端单元接收到增加开关所发送的“开关增加指令”后，上游分布式存储单元获取增加开关所对应的分布式存储单元存储的所有下游开关信息存储集以替代该上游分布式存储单元所存储的相同的下游开关信息并添加增加开关对应分布式存储单元存储的该增加开关的信息存储集。

在步骤3中，任一配电网终端单元获取配电网拓扑信息的步骤如下：

步骤3.1：以当前配电网终端单元的分布式存储单元为起点，逐级向上游和下游分布式存储单元发送“获取指令”以及当前分布式存储单元的“目标地址”，直至无下游或无上游的末端分布式存储单元；

步骤3.2：收到“获取指令”的分布式存储单元记录需要获取配电网拓扑信息的当前配电网终端单元的“目标地址”；

步骤3.3：所有下游分布式存储单元按照从下游至上游的次序依次将对应开关信息按“目标地址”向相邻上游分布式存储单元发送，当相邻上游分布式存储单元接收到相邻下游分布式存储单元发送的开关信息后，将下游各开关信息与本分布式存储单元对应的开关信息拼接后再次按“目标地址”向相邻上游分布式存储单元发送；所有上游分布式存储单元按照从上游至下游的次序依次将对应开关信息按“目标地址”向相邻下游分布式存储单元发送，当相邻下游分布式存储单元接收到相邻上游分布式存储单元发送的开关信息后，将上游各开关信息与本分布式存储单元对应开关信息拼接后再次按“目标地址”向相邻下游分布式存储单元发送；

步骤3.4：需要获取配电网拓扑信息的当前分布式存储单元收到所有上下游分布式存储单元拼接后的开关信息后通过结合当前分布式存储单元对应的开关配置拼接生成全配电网的拓扑信息。

在步骤4中，分布式差动保护的具体内容如下：

步骤4.1.1：判断当前分布式存储单元上游节点差动电流是否大于差动保护定值，大于则控制当前分布式存储单元对应的开关跳开；

步骤4.1.2：判断当前分布式存储单元下游节点差动电流是否大于差动保护定值，大于则控制当前分布式存储单元对应的开关跳开。在步骤4中，分布式馈线自动化的具体内容如下：

步骤4.2.1：判断当前分布式存储单元对应的本地开关电流是否超过设定的过流定值，若当前分布式存储单元对应的本地开关电流超过设定的过流定值，则进一步判断电流方向；

步骤4.2.2：当电流方向指向上游且上游所有开关电流方向均流向本地开关时，或者，当电流方向指向下游且下游所有开关电流方向流向本地开关时，当前分布式存储单元所对应的本地开关跳开。

本发明可以实现以下有益效果：

(1)区别与传统的集中式拓扑，需要根据实际现场的情况配置，无法建立通用的拓扑模型。基于分布式数据存储和管理的配网拓扑配置自适应方法所建立的分布式存储单元拓扑模型能够实现通用化，易用性更高。

(2)本发明实现了配网信息的分布式的数据存储和管理，解决了传统的集中式存储和管理的可靠性、安全性差，效率低的弊端。

(3)本发明考虑了配电网线路拓扑变化的情况，实现拓扑的自适应配置，满足新能源接入即插即用后的需求，提高了配电网对新能源的接纳能力。

(4)本发明基于分布式存储单元，提出相应的分布式差动保护和分布式馈线自动化的实现方法，一定程度上为分布式的故障定位技术提供了有效解决途径，且逻辑更为简单，实现了通讯与保护的独立配置与控制，可靠性更高。

附图说明

图1是本发明基于分布式存储的配电网拓扑自适应保护方法流程示意图；

图2是通用分布式存储单元模型图；

图3是开关退出拓扑自适应方法示意图；

图4是开关增加拓扑自适应方法示意图；

图5是典型配网图例；

图6是基于配网图例的分布式数据存储系统图例；

图7是配网全局拓扑获取使能发送示意图；图8是配网全局拓扑拼接示意图；

图9是基于分布式存储单元的分布式差动保护实现示意图；

图10是基于分布式存储单元的分布式馈线自动化实现示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明公开的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明公开的一种配电网拓扑配置自适应保护实现方法，包含以下4个步骤：

步骤1：对所有配电终端单元进行基于分布式存储的配电网拓扑自适应及保护方法的初始化，并实现信息获取：由配电网终端单元的信息存储部分作为分布式存储单元，对配电网所有分布式存储单元进行初始化，构建通用的分布式存储单元拓扑信息模型，基于分布式存储单元进行保护配置，所有分布式存储单元通过采集本分布式存储单元对应开关(在本申请中，也简称“本开关”)的实时信息、基于SV实时快速通讯获取相邻上游和下游分布式存储单元对应开关(简称“上游开关”“下游开关”)的实时信息；

其详细步骤包括：

步骤1.1建立分布式存储单元拓扑信息模型：本开关信息存储集KGx；上游开关信息存储集:KGm[i]；下游开关信息存储集:KGn[j]。其中i为上游开关的个数，j为下游开关的个数；其中所述上游为以开关任意一侧定义为上游，则另一侧定义为下游，进一步确定全网中其他开关的上下游关系。

步骤1.2基于分布式存储单元，进行保护配置：(1)分布式差动保护：分别以一个开关的上下游节点为对象，对节点上的所有开关做差动电流计算，设定差动保护定值；(2)分布式馈线自动化：分别以一个开关上下游节点为对象，设定上下游节点各支路的正方向为流向节点的方向。

步骤1.3分布式存储单元采集本开关信息：KGx，本开关信息包括本开关的地址信息、本开关的电压和电流、本开关的开关量信息。

步骤1.4分布式存储单元基于SV实时快速通讯获取相邻上游开关信息Ux[i]和下游开关信息Dx[j]。所述Ux[i]为上游任一分布式存储单元的信息数据集；所述Dx[j]为下游任一分布式存储单元的信息数据集；信息数据集包含所有开关的通讯地址、模拟电气量信息(电压、电流)、开关量电气量信息。

步骤1.5将步骤1.3、步骤1.4获取的本开关信息以及相邻上游开关、相邻下游开关信息分别存储在本开关信息存储集KGx、上游信息存储集KGm[i]、下游信息存储集KGn[j]中：KGm[i]＝Ux[i]，KGn[j]＝Dx[j]。

若未初始化则按照步骤1.1～1.5的顺序进行初始化和信息获取，若已初始化则直接进入步骤1.3进行信息获取。

步骤2：开关退出或增加引起拓扑变化的拓扑自适应方法：当开关退出或增加引起拓扑变化，可通过对增加或退出的开关和两侧开关的信息模型按照拓扑自适应方法升级实现拓扑配置自适应；

当有开关退出时，配电网的拓扑自适应包括以下内容：

步骤2.1.1：退出开关向相邻配电网终端单元发送“开关退出指令”；

步骤2.1.2：当退出开关的下游配电网终端单元接收到退出开关所发送的“开关退出指令”后，将所存储的该退出开关的信息存储集删除，并将退出开关分所对应的布式存储单元存储的所有上游开关信息存储集增加到下游分布式存储单元的上游开关信息存储集中；

步骤2.1.2：当退出开关的上游配电网终端单元接收到退出开关所发送的“开关退出指令”后，将所存储的该退出开关的信息存储集删除，并将退出开关所对应的分布式存储单元存储的所有下游开关信息存储集增加到下游分布式存储单元的下游开关信息存储集中。

当有开关增加时，配电网的拓扑自适应包括以下内容：

步骤2.2.1：增加开关建立分布式存储单元拓扑信息模型，并向相邻配电网终端单元发送“开关增加指令”；

步骤2.2.2：当增加开关的下游配电网终端单元接收到增加开关所发送的“开关增加指令”后，下游分布式存储单元获取增加开关所对应的分布式存储单元存储的所有上游开关信息存储集以替代该下游分布式存储单元所存储的相同的上游开关信息，并添加增加开关对应分布式存储单元所存储的该增加开关的信息存储集；

步骤2.2.3：当增加开关的上游配电网终端单元接收到增加开关所发送的“开关增加指令”后，上游分布式存储单元获取增加开关所对应的分布式存储单元存储的所有下游开关信息存储集以替代该上游分布式存储单元所存储的相同的下游开关信息并添加增加开关对应分布式存储单元存储的该增加开关的信息存储集。

步骤3：全局信息获取拓扑自适应方法：向任一分布式存储单元下发获取指令获取全网拓扑信息；步骤3所述的全局信息获取拓扑自适应方法具体包括以下内容：

步骤3.1：以当前配电网终端单元的分布式存储单元为起点，逐级向上游和下游分布式存储单元发送“获取指令”以及当前分布式存储单元的“目标地址”，直至无下游或无上游的末端分布式存储单元；

步骤3.2：收到“获取指令”的分布式存储单元记录需要获取配电网拓扑信息的当前配电网终端单元的“目标地址”；

步骤3.3：所有下游分布式存储单元按照从下游至上游的次序依次将对应开关信息按“目标地址”向相邻上游分布式存储单元发送，当相邻上游分布式存储单元接收到相邻下游分布式存储单元发送的开关信息后，将下游各开关信息与本分布式存储单元对应的开关信息拼接后再次按“目标地址”向相邻上游分布式存储单元发送；所有上游分布式存储单元按照从上游至下游的次序依次将对应开关信息按“目标地址”向相邻下游分布式存储单元发送，当相邻下游分布式存储单元接收到相邻上游分布式存储单元发送的开关信息后，将上游各开关信息与本分布式存储单元对应开关信息拼接后再次按“目标地址”向相邻下游分布式存储单元发送；

步骤3.4：需要获取配电网拓扑信息的当前分布式存储单元收到所有上下游分布式存储单元拼接后的开关信息后通过结合当前分布式存储单元对应的开关配置拼接生成全配电网的拓扑信息。

步骤4：基于分布式存储的配电网保护方法：分别通过投入分布式差动保护功能和分布式馈线自动化功能实现分布式差动保护和分布式馈线自动化。

当已投入分布式差动保护，分布式差动保护的方法具体步骤为：

步骤4.1.1：判断当前分布式存储单元上游节点差动电流是否大于差动保护定值，大于则控制当前分布式存储单元对应的开关跳开；

步骤4.1.2：判断当前分布式存储单元下游节点差动电流是否大于差动保护定值，大于则控制当前分布式存储单元对应的开关跳开。

当已投入分布式馈线自动化，分布式馈线自动化的方法具体步骤为：

步骤4.2.1：判断当前分布式存储单元对应的本地开关电流是否超过设定的过流定值，若当前分布式存储单元对应的本地开关电流超过设定的过流定值，则进一步判断电流方向；

步骤4.2.2：当电流方向指向上游且上游所有开关电流方向均流向本地开关时，或者，当电流方向指向下游且下游所有开关电流方向流向本地开关时，当前分布式存储单元所对应的本地开关跳开。

下面结合具体案例对配电网拓扑配置自适应与保护实现方法进行详细描述。

由配电网终端单元(DTU)构成分布式存储单元建立通用的分布式存储单元拓扑信息模型，如图2所示，分布式存储单元拓扑信息模型包含上游5个开关对应的5个信息存储集：KGm[1]～KGm[5]，下游5个开关对应的5个信息存储集KGn[1]～KGn[5]，以及本地开关信息存储集KG0。分布式存储单元之间通过信息模型中存储的关联信息进行局部信息的交互。

存储单元通过采集本开关的信息、基于SV实时快速通讯获取相邻上游和下游的实时信息。

其中KGm[i]的数据获取通过与DTUm-i通讯获取；KGn[i]的数据获取通过与DTUn-i通讯获取。

当开关退出或增加引起拓扑变化，可通过增加或退出的开关和两侧开关的信息模型升级实现拓扑配置自适应，其策略为：如图3所示当线路取消引起的开关退出，其局部信息模型升级方法为，由退出开关KG0向相邻开关的分布式存储单元发送“开关退出指令”，将本分布式存储单元中原上游信息存储集发送给下游所有的信息存储单元DTUn-1～DTUn-5，替代KG0信息存储集；将本分布式存储单元原下游数据信息集发送给上游所有的分布式存储单元DTUm-1～DTUm-5，替代KG0数据集；如图4所示当线路增加引起的开关增加，其局部信息模型升级方法为，首先配置增加开关KG0所属存储单元的配置信息，并向相邻存储单元发送“开关增加指令”:将KG0信息存储集发送给下游的所有的信息存储单元DTUn-1～DTUn-5，替换原上游信息存储集；将KG0信息存储集发送给上游的所有的信息存储单元DTUm-1～DTUm-5，替换原下游信息存储集。

以如图5所示的典型配网图例为对象，建立如图6所示的分布式数据存储系统。包含DTU1～DTU10，分别以10个开关为对象，分别存储了10个开关及其相邻所有的开关的电气量信息、关系信息、地址信息等。

基于分布式存储单元可通过全局信息获取拓扑自适应方法获取全网拓扑信息，其策略为：如图7所示，以DTU3分布式存储单元为起点，逐级向上和下游发送“获取指令”，直至下发至配置中无下游或无上游的分布式存储单元，收到“获取指令”的分布式存储单元记录获取源分布式存储单元的“目标地址”，无下游的分布式存储单元DTU1、DTU4、DTU8、DTU6和DTU10向按照“目标地址”上游分布式存储单元发送本地开关信息，无上游的分布式存储单元“目标地址”向上游分布式存储单元发送本地开关信息，当任一分布式存储单元收到下游发来的开关信息，将本地的开关信息与之拼接后按照“目标地址”向上游分布式存储单元发送拼接后的开关信息，当任一分布式存储单元收到上游发来的开关信息，将本地的配置信息与之拼接后按照“目标地址”向下游分布式存储单元发送拼接后的开关信息。如图8所示DTU2、DTU4、DTU5、DTU7收到其一侧发来的拓扑后，拼接生成了更大的局部拓扑，并发送给获取源DTU3，DTU3通过拼接生成了全网的拓扑，该拓扑与图4所示的典型配网拓扑一致。

分布式存储单元可实现分布式差动保护、分布式馈线自动化：如图9所示基于分布式存储单元可配置分布式差动保护：分别以一个开关上下游节点为对象，对节点上的所有开关做差动电流计算，生成上游差动电流Ic-1和下游差动电流Ic-2,当差动电流Ic-1或Ic-2超过差动保护定值，控制本开关跳开。实现了差动保护的分布式独立配置，且逻辑清晰简单，实现了通讯与保护独立配置和控制。

如图10所示基于分布式存储单元可可配置分布式馈线自动化：分别以一个开关上下游节点为对象，当本地开关KG0的电流I超过过流定值，电流方向指向上游，则在上游节点上所有开关电流方向流向该节点时，认为故障K在KG0的上游，控制本地开关KG0保护动作；类似的电流方向指向下游，则在下游节点上所有开关电流方向流向该节点时，控制本地开关保护动作。同样的实现了馈线自动化的分布式独立配置、以及通讯和保护也独立配置和控制。

因此，通过上述一种基于分布式存储的配电网拓扑自适应及保护方法，可以实现配电网电气的分布式存储与控制，满足配网自适应配置的要求、具备获取全局拓扑的能力，可灵活切换分布式和集中式存储与控制方式，可达到新能源或者线路即插即入的目标。基于分布式存储与控制，可实现分布式差动保护和分布式馈线自动化技术，控制逻辑清晰简单，实现了通讯与保护的独立配置与控制，可靠性更高。

以上实施例仅用于帮助理解本发明的核心思想，不能以此限制本发明，对于本领域的技术人员，凡是依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上所做的任何改动，均应包含在本发明的保护范围之内。