配電網(wǎng)故障快速定位及圖形顯示軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郝玉東，包宇喆，楊淑霞，姜 燕

(1.鄭州牧業(yè)工程高等?？茖W(xué)校信息工程系，河南 鄭州450011;2.鄭州供電公司變電檢修部，河南 鄭州450001;3.三門峽供電公司，河南 三門峽472000;4.禹州供電公司，河南 禹州461670)

0 引言

目前國內(nèi)中壓配電網(wǎng)一般采用 35，20，10，6 kV等電壓等級，中壓配電網(wǎng)一般采用中性點(diǎn)非直接接地方式，即小電流接地系統(tǒng)［1－4］，而農(nóng)村配電網(wǎng)主要指10 kV電壓等級，10 kV線路由于數(shù)量多、分布面廣、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，尤其是架空裸導(dǎo)線受氣候等因素影響較大，經(jīng)常發(fā)生單相接地故障或短路以及斷線故障［5－6］，中斷對電力用戶的供電.

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人民生活水平的提高，電力用戶對供電可靠性的要求越來越高，10 kV中壓電網(wǎng)的可靠運(yùn)行是電網(wǎng)可靠性考核的重要指標(biāo).據(jù)統(tǒng)計(jì)，因電網(wǎng)故障而導(dǎo)致的停電占整個停電時(shí)間的80%以上，其中由于線路故障而導(dǎo)致的停電達(dá)到60%以上，由于配電網(wǎng)分布面廣，情況復(fù)雜，配電網(wǎng)故障占有較大比重，配電網(wǎng)故障處理中，查找故障的時(shí)間占整個故障處理時(shí)間的70%～90% ，由于線路的互聯(lián)以及電源布點(diǎn)較多，配電線路呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而不是原來的單輻射拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，故障查找更加困難，因此如何實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)故障的準(zhǔn)確定位、快速查找對提高配電網(wǎng)供電可靠性具有重要意義.

1 配電網(wǎng)故障查找的一般方式

當(dāng)某條10 kV線路發(fā)生故障時(shí)，運(yùn)行人員一般會從變電站出發(fā)沿著線路一個桿塔一個桿塔找下去，憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，甚至需要登上桿塔進(jìn)行查看，或者利用線路的分段開關(guān)一段一段進(jìn)行隔離，既要多次停電，又會對設(shè)備造成多次沖擊，減少設(shè)備壽命，由于運(yùn)行及成本等原因，只能將線路分成有限的幾段，查找故障的工作量依然很大.

由于10 kV線路分段多，線路型號不一，一般難以準(zhǔn)確進(jìn)行故障測距或定位，故障查找起來非常困難，例如河南某鄉(xiāng)鎮(zhèn)供電所10 kV配電網(wǎng)故障，查找了近50 h才確定故障的位置.

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

筆者利用10 kV架空線路連接點(diǎn)(節(jié)點(diǎn))上安裝的故障無線分機(jī)、載波分機(jī)、GSM分機(jī)等設(shè)備檢測10 kV線路各種故障信息，故障檢測分機(jī)檢測到的信息通過無線、通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)無線通信網(wǎng)絡(luò)或載波有線網(wǎng)絡(luò)送至相應(yīng)的主機(jī)(載波、無線、GPRS)，主機(jī)再將其接收到的故障信息送至鄉(xiāng)所的故障定位工控機(jī)，通過工控機(jī)的處理分析，就可以實(shí)現(xiàn)線路故障的快速自動定位，確定故障點(diǎn)的具體位置，為故障查找處理提供便利.

整個系統(tǒng)由故障分機(jī)檢測節(jié)點(diǎn)、接收故障信息主機(jī)、通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(無線和有線)和故障自動定位系統(tǒng)工控微機(jī)組成，如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Working principle of system

在圖1中，雖然列出了多種分機(jī)和主機(jī)，但是可以在一個鄉(xiāng)級變電所中靈活組合使用，像堆積木一樣.根據(jù)實(shí)際情況，選擇相應(yīng)的分機(jī)和主機(jī)，例如，一個鄉(xiāng)級變電所很大，有些節(jié)點(diǎn)比較遠(yuǎn)且分布復(fù)雜，用載波通信就不容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檩d波機(jī)通信距離相對比較近，且不適合分支比較多的線路.這種情況下用GPRS分機(jī)和主機(jī)比較合適.

有關(guān)各節(jié)點(diǎn)故障信息的檢測原理，由于篇幅限制不再贅述，可參見文獻(xiàn)［7］.

3 軟件實(shí)現(xiàn)故障自動定位的方法

根據(jù)各檢測節(jié)點(diǎn)上報(bào)的故障信息，利用故障定位矩陣算法可以定位出故障區(qū)段［8－9］.采用筆者設(shè)計(jì)的簡單方法可以判斷故障最可能發(fā)生在哪一段線路上，并且在鄉(xiāng)所的電網(wǎng)線路電子地圖上用紅色線條顯示出來.這種簡單故障定位方法的軟件實(shí)現(xiàn)，首先要對監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行命名，并要遵守一定的規(guī)則，其次要對監(jiān)控點(diǎn)信息進(jìn)行正確設(shè)置.

3.1 監(jiān)控點(diǎn)命名規(guī)則

將整個10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)抽象成一個樹狀結(jié)構(gòu)，樹狀結(jié)構(gòu)的根節(jié)點(diǎn)為“鄉(xiāng)變電所”，10 kV電網(wǎng)系統(tǒng)中的所有配電變壓器和線路網(wǎng)中的交叉點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn).把整個樹形結(jié)構(gòu)從上到下進(jìn)行搜索，可以采用多種樹形結(jié)構(gòu)搜索方法，按搜索順序?qū)λ阉鞯墓?jié)點(diǎn)依次從1到N進(jìn)行編號，搜索的結(jié)果要保證對于任意一個節(jié)點(diǎn)來說，從“變電所”根節(jié)點(diǎn)到該節(jié)點(diǎn)的路徑只有一條(可以看作一個矢量，在這個矢量上的節(jié)點(diǎn)稱為矢量點(diǎn))，在該矢量上的所有節(jié)點(diǎn)的編號都比該節(jié)點(diǎn)的編號小，或者說該節(jié)點(diǎn)編號比從“變電所”根節(jié)點(diǎn)到達(dá)該節(jié)點(diǎn)矢量上的任意一個節(jié)點(diǎn)的編號大，這樣可得一個簡單配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)編號示意圖，如圖2所示.

圖2 配電網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)編號圖Fig.2 The graph of numeral nodes for distribution network

其中，圖2中帶Q01(或編號為(1)、(2)、…)的節(jié)點(diǎn)為配電變壓器節(jié)點(diǎn)，并假定全部安裝有故障檢測裝置［10－11］，其它節(jié)點(diǎn)(編號為①、②、…)則沒有安裝故障檢測裝置.節(jié)點(diǎn)的命名還可有其它形式，但必須遵循以下原則.

(1)層次不重復(fù)，所有節(jié)點(diǎn)(包括葉點(diǎn)和終點(diǎn))都可以找回去，即倒推到根節(jié)點(diǎn).如圖2中的A01B02C02D01Q01終點(diǎn)(編號為⑾)，有4個層次(A，B，C，D)，Q 不代表層次，只是終點(diǎn)標(biāo)志而已，Q01不參加運(yùn)算，D后面的序號01－1=0，倒推到節(jié)點(diǎn)A01B02C02(編號為⑩)，該節(jié)點(diǎn)的C后面的序號02－1=01，倒推到節(jié)點(diǎn)A01B02C01(編號為⑨)，依次類推，可以倒推到節(jié)點(diǎn)A01(編號為①)，即根節(jié)點(diǎn).

(2)故障檢測裝置如果報(bào)出故障信息，則其所在的終點(diǎn)不參加矢量“或”運(yùn)算，或者將其所在的矢量終點(diǎn)處的“信息位”置為0參加“或”運(yùn)算，“或”運(yùn)算完成后，此終點(diǎn)處的值將為0.

(3)主干線以 A01，A02，…，An代表，其中，前面的字母A可以用其它字符代替，如zhu01等，n代表主干線的序號，只能是數(shù)字編號.

(4)次級干線以 A01B01，A01B02，A02B01，A02B02，…，AnBn 代表.

(5)第三級干線(或稱為支線)以A01B01C01，A01B01C02，…，A02B01C01，A02B02C01，…，代表.

(6)依此類推可以繼續(xù)分為4級干線甚至5級干線等等.

(7)在最后一級，即終點(diǎn)，本系統(tǒng)編號后面加上Q01作為標(biāo)志(或其它標(biāo)志)，如：A03Q01，A02B01C01D01Q01，A02B06C07D08E05Q01 等，代表配電變壓器所在的位置.

(8)每條線路通常選擇節(jié)點(diǎn)最多的路徑作為此線路的主干線，每條干線以其開頭字母區(qū)分，例如：主干線路以 A01，A02，A03等命名，次級干線則以B01，B02等命名，以此類推，每條干線的命名的開頭字母應(yīng)有所區(qū)別.

(9)一個節(jié)點(diǎn)只允許連接一個父節(jié)點(diǎn)(頂點(diǎn))，即如果實(shí)際節(jié)點(diǎn)有M個子節(jié)點(diǎn)(下級頂點(diǎn))分支，則該節(jié)點(diǎn)應(yīng)該有M－1個節(jié)點(diǎn)編號，例如圖2中A01B04節(jié)點(diǎn)即⑤號下有2個子節(jié)點(diǎn)，如果它下面再有一個子節(jié)點(diǎn)，則⑤號節(jié)點(diǎn)的編號要有兩個.

3.2 監(jiān)控點(diǎn)的信息設(shè)置方法

把監(jiān)控點(diǎn)的路徑(矢量)信息設(shè)置到一個初始(INI)文件里，設(shè)置的方法舉例說明如下：

假設(shè)在配電網(wǎng)中有A，B，C三臺配電變壓器，并裝有故障信息檢測裝置，該電網(wǎng)中一共有10個節(jié)點(diǎn)，編號為1到10，這里不采用圖2中分層的標(biāo)準(zhǔn)編號，前述分層的標(biāo)準(zhǔn)編號(物理編號)，可以轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ň幪?即1，2，3，…或叫邏輯編號).這里采用普通編號(邏輯編號)，“鄉(xiāng)變電所”為1號節(jié)點(diǎn)，A，B，C三臺變壓器的編號分別為7，9和10號，從“鄉(xiāng)變電所”到 A，B，C變壓器的三條路徑(或三個矢量)分別為1→2→3→4→5→6→7，1→2→3→4→5→6→8→9，1→2→3→4→5→6→8→10，把所有到達(dá)變壓器的路徑節(jié)點(diǎn)(或矢量點(diǎn))信息記錄到INI文件中，在該文件中矢量點(diǎn)信息記錄的格式如下：

變壓器A，其編號為7號，從1號到7號經(jīng)過1，2，3，4，5，6，7 號節(jié)點(diǎn)，把經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)全部設(shè)置為1，沒有經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)全部設(shè)置為0，對于其它的變壓器依次進(jìn)行同樣的操作.假設(shè)在某一時(shí)刻，變壓器B上的監(jiān)控裝置報(bào)出故障信息，導(dǎo)致變壓器B上的監(jiān)控裝置發(fā)出故障信息所在的地方(點(diǎn))可能是從“鄉(xiāng)變電所”到達(dá)該變壓器路徑上的任意一點(diǎn)，這時(shí)把 INI配置文件中的9號結(jié)點(diǎn)的信息改為 9=0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，更改后配置文件的內(nèi)容變成如下：

把INI文件中所有記錄的各個節(jié)點(diǎn)(終點(diǎn)或矢量點(diǎn))信息進(jìn)行“或”運(yùn)算(所有的1號節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息進(jìn)行“或”運(yùn)算，所有的2號節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息進(jìn)行“或”運(yùn)算，依次類推)，其運(yùn)算結(jié)果為9=1，1，1，1，1，1，1，1，0，1.按照從“鄉(xiāng)變電所”到該變壓器的路徑反向遞推，如果當(dāng)前的節(jié)點(diǎn)為0，前一個節(jié)點(diǎn)也為0，則兩個節(jié)點(diǎn)之間沒有故障;如果當(dāng)前的節(jié)點(diǎn)為0，前一個節(jié)點(diǎn)為1，則兩個節(jié)點(diǎn)之間有故障;如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為1，前一個節(jié)點(diǎn)也為1，則正常;如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為1，前一個節(jié)點(diǎn)為0，則兩個節(jié)點(diǎn)之間有故障.

4 故障點(diǎn)的圖形顯示

根據(jù)3.2節(jié)的分析，可以知道哪一段線路發(fā)生故障.根據(jù)編號，可以用文字描述出來并顯示相應(yīng)的故障信息，并打印輸出，但是很不直觀，難以引起運(yùn)行檢修人員的注意.使用 Mapobject組件+Delphi軟件開發(fā)并實(shí)現(xiàn)了故障點(diǎn)所在線路的圖形自動顯示等功能，可以用圖形形象地顯示出來.如果采用了配電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)(GIS)，則可更好的結(jié)合進(jìn)行故障定位.由于篇幅限制，這里僅討論軟件開發(fā)中的幾個關(guān)鍵問題.

(1)監(jiān)控點(diǎn)信息的錄入.新建監(jiān)控網(wǎng)主要是在新建圖形和增加圖形節(jié)點(diǎn)時(shí)，對CAD圖形監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行命名，命名規(guī)則按3.1小節(jié)的規(guī)定.對新增監(jiān)控點(diǎn)，為保證在圖形上準(zhǔn)確顯示報(bào)警信息，應(yīng)盡量在節(jié)點(diǎn)或頂點(diǎn)的中心位置雙擊鼠標(biāo)，即為了保證信息顯示的位置準(zhǔn)確.如果配電網(wǎng)CAD線路圖有變更，需要使用AUTOCAD或其它CAD制圖軟件來更改.

(2)故障點(diǎn)及線路在CAD線路圖上顯示.由于本管理軟件具有智能化的推理引擎，可以自動識別停電、斷線等故障，并根據(jù)故障信息自動判斷出哪些線路處于“故障”狀態(tài).其中，故障點(diǎn)，在圖形上用紅色圓點(diǎn)標(biāo)出;故障線路，在圖形上用紅色直線標(biāo)出.運(yùn)行管理人員只要一看圖形，就知道故障最可能發(fā)生在哪一條線路，這樣就有依據(jù)快速準(zhǔn)確找到實(shí)際的故障桿位.

5 結(jié)論

筆者采用的故障判別方法，可以對線路故障位置準(zhǔn)確、快速判斷并定位，并以圖形的方式直觀顯示，便于運(yùn)行人員快速查找和處理故障，最大限度減少故障停電時(shí)間，可以顯著提高配電網(wǎng)供電可靠性.對樹形結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的處理方法具有簡單、快速且容易用軟件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn).系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐證明，筆者開發(fā)的配電網(wǎng)故障自動定位系統(tǒng)對10 kV線路故障查找定位具有顯著優(yōu)勢.可以推廣用于縣級電網(wǎng)的配網(wǎng)自動監(jiān)控.

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