一种基于边缘网关系统的自适应拓扑变化配电网保护方法
阅读说明：本技术 一种基于边缘网关系统的自适应拓扑变化配电网保护方法 (Self-adaptive topology change power distribution network protection method based on edge gateway system ) 是由 林军 蒋红亮 王旭杰 王申华 何韶华 徐政 曹俊 陈迪忠 钟超 刘吉权 熊庄 于 2021-07-05 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种基于边缘网关系统的自适应拓扑变化配电网保护方法。在配网各节点处部署边缘网关系统,通过系统中的终端控制器控制采集模块采集信息、控制节点开关进行开断操作,并通过无线边缘网关进行数据传输；包括步骤：配网拓扑变化时,节点边缘网关系统感知到开关变化量后采集电流数据并向配网中其他节点发送电流请求信号,收到该信号的节点将采集电流数据发送回拓扑变化的节点,由该节点对发来的电流数据进行相关性分析并根据相关性系数值判断新的拓扑关系；同时,依靠线路两端节点电流数据的相关性系数值判断故障区段,进而隔离故障。本发明优点在于能够自适应配网的拓扑变化而无需人为整定,同时克服了数据无线传输的时延和抖动问题。(The invention provides a self-adaptive topology change power distribution network protection method based on an edge gateway system. Deploying an edge gateway system at each node of a distribution network, controlling an acquisition module to acquire information and controlling a node switch to be switched on and off through a terminal controller in the system, and transmitting data through a wireless edge gateway; the method comprises the following steps: when the distribution network topology changes, the node edge gateway system acquires current data after sensing the switch variation and sends current request signals to other nodes in the distribution network, the nodes receiving the signals send the acquired current data back to the nodes with topology changes, and the nodes carry out correlation analysis on the transmitted current data and judge a new topology relation according to the correlation coefficient value; meanwhile, the fault section is judged according to the correlation coefficient value of the current data of the nodes at two ends of the line, and then the fault is isolated. The invention has the advantages that the topology change of the distribution network can be self-adapted without manual setting, and simultaneously, the problems of time delay and jitter of data wireless transmission are solved.)
技术领域
本发明属于配电网继电保护
技术领域
，尤其是涉及一种基于边缘网关系统的自适应拓扑变化配电网保护方法。背景技术
配电网是能源互联网的重要基础，是影响供电服务水平的关键环节。随着分布式能源的大量接入，对配电网的安全性、经济性、适应性提出更高要求。
目前国内配电网的自动化程度不高，且多为小电流接地方式，当发生线路故障时，多由变电站10kV出线保护装置动作隔离故障，停电范围较大。部分地区采用了集中型馈线自动化或者分段器-重合器模式来隔离故障，但集中型馈线自动化方式需要配网主站系统参与，保护动作时间长；电压/电流-时间型重合器模式需要变电站出口断路器多次重合闸，对系统冲击大。随着越来越多的分布式电源接入到10kV配电网中，配电网变成了具有双端或者多端电源的网络。另一方面，为进一步提高供电可靠性，一些重要负荷区域采用了多电源、多联络，甚至是合环运行的运行方式。这些都将改变配电网的故障电流分布，使得上述集中型馈线自动化以及电压/电流-时间型重合器模式不再适用。
智能分布式馈线自动化是通过配电终端之间对等通信，进行信息交互，不依赖于主站，自主快速的完成配网故障区段的定位、隔离、非故障区供电恢复。达到缩小停电面积，降低停电时间，减少停电次数的目的，极大提高配网供电可靠性。但智能分布式馈线自动化对通信要求较高，现场多采用光纤通信实现，成本较高。同时广大市郊、农电线路多为架空线，铺设光纤困难，部署智能分布式馈线自动化不易实现。
配电网在不同运行条件下表现出不同的拓扑结构，一般可分为经济性重构和故障性重构。当配网拓扑结构发生变化时，拓扑结构发送变化的部分其原有的继电保护逻辑将不再适用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于边缘网关系统的自适应拓扑变化配电网保护方法。
本发明方法有效解决配网拓扑变化带来的继电保护逻辑失效的问题，同时利用线路两端节点采集的电流序列进行相关性分析，克服了无线通信存在时延和抖动对传统配网差动保护可能造成误动的问题。
为实现以上发明目的，本发明所采用的技术方案是一种基于边缘网关系统的自适应拓扑变化配电网保护方法。
所述边缘网关系统包括：电流互感器、开关状态采集模块、数据存储器、节点开关、无线边缘网关、终端控制器；
所述终端控制器分别与所述的电流互感器、开关状态采集模块、数据存储器、节点开关、无线边缘网关通过有线方式依次连接；
所述自适应拓扑变化配电网保护方法包以下步骤：
步骤1：在配电网各节点位置部署边缘网关系统，所述电流互感器采集节点的实时电流序列，并通过终端控制器传输至所述无线边缘网关；所述开关状态采集模块采集节点的实时开关状态，并通过终端控制器传输至所述无线边缘网关；终端控制器将配电网中各节点电气连接状态录入所述数据存储器；
步骤2：若终端控制器通过开关状态采集模块检测到节点的实时开关状态由闭合变为断开状态，则开关状态变化的节点对应的终端控制器分析当前开关状态变化的节点与配电网中其他节点电气连接状态，终端控制器通过电流互感器采集带有时间标签的实时电流采样数据，并将报文请求信息通过无线边缘网关传输至与开关状态变化的节点电气连接状态为断开的配电网中节点对应的无线边缘网关，进一步由无线边缘网关传输至终端控制器，与开关状态变化的节点电气连接状态为断开的配电网中节点对应的终端控制器通过电流互感器采集带有时间标签的实时电流采样数据并通过无线边缘网关传输至开关状态变化的节点对应的无线边缘网关，进一步由无线边缘网关传输至终端控制器；
步骤3：当开关状态变化的节点收到与开关状态变化的节点电气连接状态为断开的配电网中节点对应的终端控制器通过电流互感器采集并通过无线边缘网关发送的带有时间标签的实时电流采样数据后，将其与开关状态变化的节点自身终端控制器控制电流互感器采集的带有时间标签的实时电流采样数据在同一时间标签下截取采样数量为N的数据进行相关性分析并得到相关性系数；
步骤4：将开关状态变化的节点自身终端控制器控制电流互感器采集的带有时间标签的实时电流采样数据与开关状态变化的节点电气连接状态为断开的配电网中各节点终端控制器通过电流互感器采集并通过无线边缘网关发送至开关状态变化的节点的带有时间标签的实时电流采样数据的相关性系数进行排序，选取其中最大的相关性系数绝对值|rij|；相关性系数绝对值最大的电流采样数据所对应的配电网节点间建立了新的电气连接，从而实现了拓扑自适应识别。
步骤5：若终端控制器通过电流互感器检测到节点的过电流信号,将采集的带有时间标签的实时电流采样数据通过无线边缘网关传输至与检测到过电流信号的节点存在电气连接的配电网中节点对应的无线边缘网关，进一步由无线边缘网关传输至终端控制器。与终端控制器通过电流互感器检测到过电流信号的节点存在电气连接的节点收到检测到过电流信号的节点发来的带有时间标签的实时电流采样数据后，自身终端控制器通过电流互感器采集带有时间标签的实时电流采样数据并与检测到过电流信号的节点通过无线边缘网关发来的带有时间标签的实时电流采样数据进行相关性分析，并通过相关性系数进行故障线路的识别得到故障线路两端的节点，故障线路两端节点的终端控制器控制线路两端节点的节点开关断开，实现故障线路的电气隔离。
作为优选，步骤1所述节点的实时电流虚序列，定义为：
Ii,k,i∈[1,M],k∈[1,N]
其中，Ii,k,i∈[1,M],k∈[1,N]表示配电网中第i个节点第k个时刻采集的电流，M表示配电网中节点的数量，N表示采集时刻的数量；
对实时电流序列正方向定义如下：若功率方向为经过开关流入节点，则定义电流为正向；若功率方向为经过节点流入开关，则定义电流为反向；
步骤1所述节点的实时开关状态，定义为：
Si,k,i∈[1,M],k∈[1,N]
其中，Si,k,i∈[1,M],k∈[1,N]表示配电网中第i个节点第k个时刻采集的开关状态，若Si,j＝1表示配电网中第i个节点第k个时刻采集的开关状态为闭合状态，若Si,j＝0表示配电网中第i个节点第k个时刻采集的开关状态为断开状态，M表示配电网中节点的数量，N表示采集时刻的数量；
步骤1所述配电网中各节点电气连接状态，定义为：
flagi,j,i∈[1,M],j∈[1,M],i≠j
其中，flagi,j表示配电网中第i个节点与第j个节点的电气连接状态，若flagi,j＝1表示配电网中第i个节点与第j个节点连接，若flagi,j＝0表示配电网中第i个节点与第j个节点断开；
作为优选，步骤2中所述报文请求信息指电流采集请求信号，收到该信号后终端控制器控制电流互感器进行实时电流数据采样；
步骤2中所述带有时间标签的实时电流采样数据为：
Ii,k,i∈[1,M],k∈[1,N]
其中，Ii,k,i∈[1,M],k∈[1,N]表示配电网中第i个节点第k个时刻采集的电流，k即为时间标签，M表示配电网中节点的数量，N表示采集时刻的数量；
作为优选，步骤3中所述同一时间标签下时间长度为N的实时电流采样数据定义为：
Ii,k＝{Ii,1,Ii,2,...Ii,N},i∈[1,M],k∈[1,N]；
Ij,k＝{Ij，1,Ij，2,...Ij,N},j∈[1,M],k∈[1,N]
其中，Ii,k,i∈[1,M],k∈[1,N]表示i节点终端控制器控制电流互感器采集的时间长度为N的实时电流采样数据；Ij,k,j∈[1,M],k∈[1,N]表示j节点终端控制器控制电流互感器采集的时间长度为N的实时电流采样数据
步骤3中所述对数据进行相关性分析为：
其中，和分别为序列Ii,k和Ij,k的平均值，相关系数取值范围为-1≤r≤1，当r＞0时两序列呈正相关，当r＜0时两序列呈负相关；
作为优选，步骤5中所述过电流信号指当采集的电流数据满足如下条件
I＞I0
其中，I0为终端控制器通过电流互感器检测到的实时电流采样数据，I0为线路正常运行的最大负荷电流。
步骤5中通过相关性系数进行故障线路的识别指，若i节点和j节点间的线路发生故障时，故障线路两端的i节点和j节点的功率方向相反，此时i节点和j节点的实时电流序列应呈正相关，即功率方向均由节点流向开关，即两端电流序列相关系数ri,j为正值；i节点和j节点间的线路为非故障线路时，i节点和j节点的功率方向相同，此时i节点和j节点的电流序列应呈负相关，即两端电流序列相关系数ri,j为负值；
本发明的有益效果是：
本发明所述的一种基于自适应拓扑变化的配电网分布式保护方法，通过对配电网中各开关节点处采集的实时电流序列进行相关性分析，实现故障线路的分布式隔离，克服了采用无线通信方式带来的数据传输时延和抖动问题。当配电网拓扑结构由于运行方式发生改变时，通过通信网采集各边缘网关的电流序列并进行相关分析，可以识别相关系数最高的两开关节点建立了新的电气连接，由此实现了对配电网拓扑结构变化的自适应识别，避免了由于配电网拓扑结构改变需要人为调整保护逻辑的困难。该方法采用电流序列进行相关分析，能够有效解决分布式电源大规模接入配电网所引起的配电网保护问题，克服了传统的电流保护及集中式配网保护的不足，解决了配网重构时保护逻辑失效的难题。同时应用5G切片技术，能够克服光纤造价高、运维困难的问题，该保护方法具有准确性高、自适应拓扑变化和便于运维的优点。
附图说明
图1：本发明方法流程图；
图2：为本发明提供的配电网边缘网关组网运行的一种具体实施例示意图；
图3：为本发明提供的配电网拓扑结构变化的一种具体实施例示意图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明具体实施方式所采用的技术方案是一种基于边缘网关系统的自适应拓扑变化配电网保护方法。
所述边缘网关系统包括：电流互感器、开关状态采集模块、数据存储器、节点开关、无线边缘网关、终端控制器；
所述终端控制器分别与所述的电流互感器、开关状态采集模块、数据存储器、节点开关、无线边缘网关通过有线方式依次连接。
所述电流互感器的型号为：LFZ-10Q
所述开关状态采集模块型号为：DATA-7215
所述数据存储器型号为：Intel2716
所述节点开关型号为：ZW32-12D
所述无线边缘网关型号为：AWT100
所述终端控制器型号为：S7-300
所述自适应拓扑变化配电网保护方法包括以下步骤：
步骤1：在配电网各节点位置部署边缘网关系统，所述电流互感器采集节点的实时电流序列，并通过终端控制器传输至所述无线边缘网关；所述开关状态采集模块采集节点的实时开关状态，并通过终端控制器传输至所述无线边缘网关；终端控制器将配电网中各节点电气连接状态录入所述数据存储器；
步骤1所述节点的实时电流虚序列，定义为：
Ii,k,i∈[1,M],k∈[1,N]
其中，Ii,k,i∈[1,M],k∈[1,N]表示配电网中第i个节点第k个时刻采集的电流，M表示配电网中节点的数量，N表示采集时刻的数量；
对实时电流序列正方向定义如下：若功率方向为经过开关流入节点，则定义电流为正向；若功率方向为经过节点流入开关，则定义电流为反向；
步骤1所述节点的实时开关状态，定义为：
Si,k,i∈[1,M],k∈[1,N]
其中，Si,k,i∈[1,M],k∈[1,N]表示配电网中第i个节点第k个时刻采集的开关状态，若Si,j＝1表示配电网中第i个节点第k个时刻采集的开关状态为闭合状态，若Si,j＝0表示配电网中第i个节点第k个时刻采集的开关状态为断开状态，M表示配电网中节点的数量，N表示采集时刻的数量；
步骤1所述配电网中各节点电气连接状态，定义为：
flagi,j,i∈[1,M],j∈[1,M],i≠j
其中，flagi,j表示配电网中第i个节点与第j个节点的电气连接状态，若flagi,j＝1表示配电网中第i个节点与第j个节点连接，若flagi,j＝0表示配电网中第i个节点与第j个节点断开；
步骤2：若终端控制器通过开关状态采集模块检测到节点的实时开关状态由闭合变为断开状态，则开关状态变化的节点对应的终端控制器分析当前开关状态变化的节点与配电网中其他节点电气连接状态，终端控制器通过电流互感器采集带有时间标签的实时电流采样数据，并将报文请求信息通过无线边缘网关传输至与开关状态变化的节点电气连接状态为断开的配电网中节点对应的无线边缘网关，进一步由无线边缘网关传输至终端控制器，与开关状态变化的节点电气连接状态为断开的配电网中节点对应的终端控制器通过电流互感器采集带有时间标签的实时电流采样数据并通过无线边缘网关传输至开关状态变化的节点对应的无线边缘网关，进一步由无线边缘网关传输至终端控制器；
步骤2中所述报文请求信息指电流采集请求信号，收到该信号后终端控制器控制电流互感器进行实时电流数据采样；
步骤2中所述带有时间标签的实时电流采样数据为：
Ii,k,i∈[1,M],k∈[1,N]
其中，Ii,k,i∈[1,M],k∈[1,N]表示配电网中第i个节点第k个时刻采集的电流，k即为时间标签，M表示配电网中节点的数量，N表示采集时刻的数量；
步骤3：当开关状态变化的节点收到与开关状态变化的节点电气连接状态为断开的配电网中节点对应的终端控制器通过电流互感器采集并通过无线边缘网关发送的带有时间标签的实时电流采样数据后，将其与开关状态变化的节点自身终端控制器控制电流互感器采集的带有时间标签的实时电流采样数据在同一时间标签下截取采样数量为N的数据进行相关性分析并得到相关性系数；
步骤3中所述同一时间标签下时间长度为N的实时电流采样数据定义为：
Ii,k＝{Ii,1,Ii,2,...Ii,N},i∈[1,M],k∈[1,N]；
Ij,k＝{Ij，1,Ij，2,...Ij,N},j∈[1,M],k∈[1,N]
其中，Ii,k,i∈[1,M],k∈[1,N]表示i节点终端控制器控制电流互感器采集的时间长度为N的实时电流采样数据；Ij,k,j∈[1,M],k∈[1,N]表示j节点终端控制器控制电流互感器采集的时间长度为N的实时电流采样数据
步骤3中所述对数据进行相关性分析为：
其中，和分别为序列Ii,k和Ij,k的平均值，相关系数取值范围为-1≤r≤1，当r＞0时两序列呈正相关，当r＜0时两序列呈负相关；
步骤4：将开关状态变化的节点自身终端控制器控制电流互感器采集的带有时间标签的实时电流采样数据与开关状态变化的节点电气连接状态为断开的配电网中各节点终端控制器通过电流互感器采集并通过无线边缘网关发送至开关状态变化的节点的带有时间标签的实时电流采样数据的相关性系数进行排序，选取其中最大的相关性系数绝对值|rij|；相关性系数绝对值最大的电流采样数据所对应的配电网节点间建立了新的电气连接，从而实现了拓扑自适应识别。
步骤5：若终端控制器通过电流互感器检测到节点的过电流信号,将采集的带有时间标签的实时电流采样数据通过无线边缘网关传输至与检测到过电流信号的节点存在电气连接的配电网中节点对应的无线边缘网关，进一步由无线边缘网关传输至终端控制器。与终端控制器通过电流互感器检测到过电流信号的节点存在电气连接的节点收到检测到过电流信号的节点发来的带有时间标签的实时电流采样数据后，自身终端控制器通过电流互感器采集带有时间标签的实时电流采样数据并与检测到过电流信号的节点通过无线边缘网关发来的带有时间标签的实时电流采样数据进行相关性分析，并通过相关性系数进行故障线路的识别得到故障线路两端的节点，故障线路两端节点的终端控制器控制线路两端节点的节点开关断开，实现故障线路的电气隔离。
步骤5中所述过电流信号指当采集的电流数据满足如下条件
I＞I0
其中，I0为终端控制器通过电流互感器检测到的实时电流采样数据，I0为线路正常运行的最大负荷电流。
步骤5中通过相关性系数进行故障线路的识别指，若i节点和j节点间的线路发生故障时，故障线路两端的i节点和j节点的功率方向相反，此时i节点和j节点的实时电流序列应呈正相关，即功率方向均由节点流向开关，即两端电流序列相关系数ri,j为正值；i节点和j节点间的线路为非故障线路时，i节点和j节点的功率方向相同，此时i节点和j节点的电流序列应呈负相关，即两端电流序列相关系数ri,j为负值；
如图2中的节点2与节点3具有电气连接。如图1，对配电网初始节点状态进行预设，边缘网关系统2和边缘网关系统3录入节点2与节点3的电气连接关系。
以图2中节点2和节点3之间的线路上F点发生故障为例，边缘网关系统1、边缘网关系统2和边缘网关系统3在感知到故障过流信号后分别通过对应的电流互感器采集到电流序列为：I1＝{I1,1,I1,2,...,I1,N}、I2＝{I2,1,I2,2,...,I2,N}、I3＝{I3,1,I3,2,...,I3,N}，分别向与本开关节点有电气连接的开关节点的边缘网关系统发送采集到的电流序列，即边缘网关系统1向边缘网关系统2发送电流序列、边缘网关系统2向边缘网关系统1和边缘网关系统3发送电流序列、边缘网关系统3向边缘网关系统2发送电流序列。各边缘网关系统的终端控制器收到电流序列后将其与本开关节点采集到的电流序列进行相关性分析，由于节点1与节点2间的线路区段为非故障区段，可以得到序列I1与序列I2的呈负相关，相关系数r1,2＜0；由于节点2与节点3间的线路区段为故障区段，所以序列I2与序列I3的呈正相关，相关系数r2,3＞0；即边缘网关系统2分析得到根据电流序列的相关系数为正值可以将故障区段定位于开关节点2与开关节点3之间；由边缘网关系统2和边缘网关系统3分别通过终端控制器控制断路器K22和K31断开，实现故障线路的隔离。
如图3所示是简单的配电网拓扑结构示意图，由图可得当前运行条件下节点7与节点3进行电气连接，当系统改变运行条件时，为了提高系统经济性和安全性，将节点7与节点3的电气连接通过开关设备断开，将节点7与节点4建立新的电气连接。拓扑条件改变后初始预设的参数将不再适用，即拓扑变化前节点7与节点3进行电流序列对比，而拓扑变化后节点将与节点4进行电流序列的对比。
本发明所述的自适应网络拓扑变化的流程如下。当节点7处的边缘网关系统通过开关状态检测模块检测到与节点3相连的节点开关主动断开后，向通信网中除节点3以外的各节点处的边缘网关系统(边缘网关系统1、2、4、5、6)发送电流序列请求信号。当以上开关节点处的边缘网关系统收到该信号后，向边缘网关系统7发送一段长度为N的带时标实时电流采样数据，边缘网关系统7收到各边缘网关系统发来的电流序列后分别进行相关性分析，将各组电流序列的相关系数进行排序，从而识别出与自身采集的电流序列相关系数绝对值最高的电流序列，即开关节点4采集的电流序列，因此系统定义开关节点7与开关节点4建立了新的电气连接。通过以上过程实现了当配网拓扑结构发生变化时不依赖人为干预，由系统自适应识别拓扑变化。
应说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或同等替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
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