基于GIS的配电网停电管理系统探讨

摘要：停电管理作为配电服务的一项重要内容，科学高效地管理停电可以提高供电可靠性和配电服务质量。该文介绍了利用GIS技术研究配电网停电管理系统的功能以及系统的设计实现,分析了配电网停电分类，按照不同的停电分类研究处理停电的流程，着重阐述了故障停电处理的思路。

关键词：停电管理系统；GIS；故障停电

中图分类号：TM76　　文献标志码：A　　　文章编号:1003-0867(2006)02-0039-03

影响供电可靠性的最直接原因在于配电网的停电。研究设计停电管理系统统一高效地管理配电网的停电，减少停电次数、缩小停电范围、缩短停电时间。配电网包括有众多的地理位置各异的设备、网络、用户等，数据形式复杂多样, 既包括变电站、用户及杆塔等电力设备的位置（称为空间定位数据），也包括电力设备运行情况与潮流分布等数据,无法和地理坐标直接联系（称为非空间定位数据）[1]。利用GIS强大空间数据管理与分析功能能够有效地对配电网系统相关数据进行管理。结合许多配电网正在建设的电力GIS系统，本文将探讨利用GIS来研究停电管理系统。

停电管理系统(outage management system 简称OMS)在国外（尤其是美国）已经研究得相对成熟，并且已经有应用产品。美国的太平洋电气公司以及底特律爱迪生公司都建有基于地理信息系统的停电管理系统,在国外把停电管理系统与地理信息系统、SCADA、集中抄表系统连接可以获取实时的数据。

国内利用GIS对配电网停电管理系统的研究还不多见，有鉴于此，结合国内配电网自动化水平的实际情况，参照国外的成功经验,对配电网停电管理系统功能以及结构进行了设计。

1 停电分类

配电网系统中配电设备由于故障、缺陷或检修、维修、试验，与配电系统断开而不带电的状态称之为停运状态。停运状态又可以分为：预安排停运和故障停运，相应地配电网停电从停电性质上可以分为预安排停电和故障停电两大类（见图1）。

预安排停电是指事先有计划安排使设备退出运行的停电（如预先安排的计划检修、施工、试验等），或在6 h前按规定程序经过调度批准的临时性检修、施工、试验等的停电。包括计划停电、临时停电、限电,其中产生计划停电的原因包括对配电网线路和设备计划检修，以及由于工程施工进行计划停电或者由于配电网用户申请停电安排。计划检修：在配电设备正常运行一定时间以后或者由于技术改进需要等因素影响设备出力时，在没有严重缺陷的情况下进行检修（导致计划停电）；临时检修：设备在运行中出现严重缺陷，影响电网安全运行或设备发生故障后必须对设备进行临时性检修（导致临时停电）。在设备检修期间，还需要把某些不需要停电的设备上的负荷转移到其他线路上，因此需要进行节点有功传输容量校验，即利用负荷预测结果，判断各节点、设备的供电能力和用电能力是否可以达到平衡，从而为检修时间合理安排提供依据。

临时停电由于时效性比较强,决策的时间相对较短。要求严格控制临时停电。原则上除设备故障抢修外，一般不安排配电线路临时停电。由于线路负荷容量有限，为了保证线路负荷平衡以及线路安全，需要进行限电；另外由于线路或者设备出现故障要进行抢修时，在考虑了供电可靠性的前提下，经过权衡，部分负荷无法转移被迫进行限电抢修。将限电分为：拉闸限电：由于电力系统设备故障或设备容量不足而引起对用户的停电拉闸。 非拉闸限电：由于配电系统本身设备容量不足，或配电系统异常，不能完成预定的计划供电而对用户的限电。

故障停电是由于发生了与配电设备直接有关的危急状态（如设备发生故障），而要求元件立即退出运行的停电，或由于人为的误操作和其他原因未能在6 h前向调度提出申请的停电。

配电网故障主要包括线路故障、杆塔故障、变压器故障、断路器故障、隔离开关故障、小电流接地故障、电容器组故障、继电保护故障,上述故障可能导致单相接地、两相短路、三相短路、缺相,造成电器设备损坏，停电事故[1]。包括内部故障停电：凡属本企业管辖范围以内的电网或设施等故障引起的故障停电。外部故障停电：凡属本企业管辖范围以外的电网或设施等故障引起的故障停电。

2 系统功能设计

停电管理系统的主要功能（见图2）如下：

·支持计划及非计划停电；

·对停电的模拟预演以及倒闸操作模拟；

·对停电进行分析（包括停电范围、受影响的设备）；

·对于故障停电制定辅助停电方案；

·支持故障定位、故障隔离以及网络重构、供电服务恢复；

·故障分析(通过获取SCADA信息对开关状态变位信息)；

·线路供电可靠率的计算；

·按照停电管理工作流程，实现对工作票和操作票的统一管理；

·制作相关报告，包括：所有开关操作过程作存档（日期、状态、操作者、受影响区域、操作清单），制作所有被停电设备的相关停电数据；

·对历史故障记录进行统计分析预测配电网的故障。

停电显示：利用GIS 可视化界面直观显示计划和故障停电，与SCADA连接获取实时的线路运行数据，在系统上实时显示故障停电。故障实时显示功能的实现，给电力部门提供了一个直观的故障实时监视与显示的功能，方便了电力部门对电力线路运行的监视以及对停电的管理。

停电模拟：对于制定的检修方案或者在制定检修方案的过程中，通过在系统上进行模拟，分析停电影响范围以及影响的用户数，线路供电可靠率的变化，既可以辅助检修计划的制定也可以对检修方案进行校核，保证线路的供电可靠率。配网调度在下倒闸操作票之前在系统上进行倒闸操作的模拟，主要是模拟开关设备的断开与闭合，挂牌与摘牌。

停电分析：当系统显示停电以后或者接到停电警报后，系统即刻进行停电分析，确定停电性质（计划停电还是故障停电），停电影响的范围，受本次停电影响的设备，并且自动找出可隔离的设备点，予以列出。

辅助停电方案：在故障停电处理期间，系统能够生成辅助的停电方案，通过对配电网线路供电可靠率的计算，在保证线路供电可靠性的前提下，进行最优化隔离点分析决策以及线路负荷转移分析决策，最后通过GIS系统的网络分析功能，制定出最佳的抢修路径。

工作票、操作票的管理：主要依据停电管理的规范操作流程，对工作票和操作票进行集中统一管理，包括第一种、第二种工作票、停电申请票以及倒闸操作票，能够实现对工作票和操作票的查询[3]。

统计分析预测故障：对保存在数据库中的配电网停电历史记录，尤其是线路以及设备的故障记录采用数据挖掘技术进行分析,统计分析出配网停电的规律,对配电网线路以及设备未来可能产生的故障进行预测并给出纠正对策。

3 停电处理流程

按照对配电网停电的分类，分为预安排停电与故障停电两大类进行停电处理。

预安排停电：在制定停电计划进行预安排停电时计算线路供电可靠率进行供电可靠性分析，考虑停电影响范围最小。在执行预安排停电时进行最佳停电隔离点决策和负荷转移决策，通过负荷转移改变供电路径保证对重点用电户的供电，并对制定计划、执行计划和恢复供电的流程进行管理。对于预安排停电重点研究的是工作流程以及对停电事项的记录通知,把握好供电可靠率,并且在实施停电计划之前要进行断路器和隔离开关操作的模拟校核。按照对预安排停电的分类，利用停电管理系统的功能设计中设计的系统功能，对预安排停电进行显示，停电范围分析，停电模拟，最后对预安排停电涉及的工作票、操作票进行统一的管理。通过与客户服务中心连接，利用停电电话语音系统通知用户停电安排。

故障停电：在自动收到SCADA故障停电信息或在图上选取故障停电位置后，系统进行最佳停电隔离点决策和负荷转移决策，并将发生故障到恢复供电的整个流程信息记载在故障停电表中，作为供电可靠性分析的依据。 处理故障停电的基本流程：故障定位、故障隔离、抢修恢复供电、故障记录。

故障定位：配电网系统发生故障引起停电，在地理图上渲染显示停电区域。故障定位有两种方法，取决于所采用保护和遥测实际的解决方案。

故障分析定位：根据采集到的网络信息以及故障投诉数据为基础，判断故障馈线部分。

故障分段搜索：通过试合闸操作进一步缩小故障馈线部分的范围。

确定故障位置的信息可源自如下设备：RTU、数字式距离保护、遥测接地故障仪、遥测故障电流传感器、故障投诉等。故障定位目标是将故障或者可疑线路与无故障发生的线路分离开（故障隔离），保证其他线路的持续供电，通常的做法是逐步减少连接在故障或者可能发生故障的线路上的运行正常的设备数量。

故障隔离，将整个配网故障子系统分为3个部分：故障上游区、故障区、故障下游区。故障定位确定故障区后采取有效措施以隔离故障线路；在故障隔离后进行网络重构执行一系列的开关操作，目的是尽快向故障上游区和故障下游区用户迅速恢复供电服务，尽可能地把停电影响降到最小。一旦故障的位置被确定，网络重构将完成如下工作：

·隔离故障设备或故障区域网络；

·恢复开关跳闸或隔离而停电的非故障区域供电；

·网络恢复正常状态。

抢修恢复供电：根据故障隔离分析的结果，在需要恢复供电的区域中设备与开关之间，由边界开关构成了一条最短供电路径。还须定义在供电路径中包含至少一个断路器，这样规定是很有用的，因为只有断路器才能在有负荷时进行操作，而隔离开关只能在无负荷时进行操作。

所有属于被选定供电线路上的，以及那些在模拟分析中保持开路状态的开关，都作为在恢复供电的方案。这些开关是这样的方式被存储的，首先按照隔离开关的拓扑逻辑顺序，接着按照断路器的拓扑逻辑顺序[14]。

故障记录：记录故障抢修恢复供电的整个流程，包括产生故障的原因，故障影响的区域、用户、停电时间以及处理故障的辅助方案等。将故障记录保存到系统数据库中，以利于进行供电可靠性分析，以及对配电网故障进行数据挖掘分析预测配网故障，同时生成故障停电报告供打印使用。

4 停电管理系统设计

标准性：系统采用开放性设计，使用标准的数据接口，能与配电网目前已有的系统如MIS、DMS、GIS、SCADA等进行互连，共享数据。

可扩展性: 随着配电自动化水平的进一步提高，充分考虑到系统的可扩展性，方便系统以后的升级。

安全性： 使用用户权限分级管理策略以及数据备份方案、灾难恢复方案，保证系统的安全性。

以ORACLE作为后台数据库软件，以ArcGIS软件作为前台开发平台，通过与其他配电系统监控设备（如SCADA系统、客户服务系统、集中抄表系统）数据库接口互连，获取配电线路运行的数据，在构建的基于GIS的停电管理系统上实现停电显示、停电分析、停电模拟。通过对最优化隔离点分析与负荷转移分析，研究制定故障停电期间的辅助停电方案。利用ArcGIS软件提供的可视化界面实现停电显示、模拟，通过构建的GIS系统的网络拓扑分析功能，实现对抢修最佳路径的分析。通过对停电管理的工作流程的规范化操作，实现对工作票和操作票的统一集中管理。

参考文献:

[1] 孙才新, 周泉, 刘理峰, 雷绍兰. 电力地理信息系统及其在配电网中的应用[M].北京:科学技术出版社,2003.

[3] 李千波. GE Smallworld开发的配电网GIS中停电管理系统的研究与应用[D]. 北方交通大学硕士论文,2003.

[3] 曾伟坚, 李志强. 配电网故障管理系统[J]. 农村电气化, 2003,(8).