基于無(wú)線通信和圖像識(shí)別的饋線自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)試

劉 彬，李 盼

(1.陜西電力科學(xué)研究院，陜西 西安710054；2.大唐移動(dòng)通信設(shè)備有限公司，陜西 西安710061)

0 引言

隨著用戶對(duì)供電可靠性需求的不斷提高，配電自動(dòng)化受到供電業(yè)界的廣泛重視。傳統(tǒng)的故障處理性能需要長(zhǎng)期運(yùn)行等待故障發(fā)生才能檢驗(yàn)，導(dǎo)致缺陷不能早期充分暴露和解決[1-3]。

文獻(xiàn)[4-6]對(duì)配電自動(dòng)化系統(tǒng)測(cè)試進(jìn)行了研究，側(cè)重對(duì)配電自動(dòng)化主戰(zhàn)、子站和終端的功能和性能進(jìn)行測(cè)試；文獻(xiàn)[7-8]針對(duì)配電自動(dòng)化在線仿真系統(tǒng)與仿真測(cè)試環(huán)境進(jìn)行了研究。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多電力科研單位企業(yè)已在配電自動(dòng)化故障處理性能測(cè)試方面取得了突破進(jìn)展。國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院提出二次同步注入測(cè)試法，并研制出DATS-2000二次同步注入測(cè)試設(shè)備[9-10]，上述成果能夠較好地解決配電自動(dòng)化系統(tǒng)故障處理測(cè)試問(wèn)題，保障了配電自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)質(zhì)量，使其提高供電可靠性的作用切實(shí)發(fā)揮出來(lái)。

二次同步注入測(cè)試法雖然可對(duì)主站、子站、終端、保護(hù)配合、備用電源、通信和饋線開(kāi)關(guān)等在故障處理過(guò)程中的相互配合進(jìn)行測(cè)試，但是需要對(duì)模擬故障區(qū)域上游所有的終端注入故障信息，既需要攜帶大量設(shè)備又需要大量測(cè)試人員，當(dāng)配電網(wǎng)規(guī)模較大時(shí)工作量很大[11-12]。

由于饋線自動(dòng)化牽扯主站、子站、通道、開(kāi)關(guān)、終端等各方面因素，并與相關(guān)設(shè)備的參數(shù)配置緊密相關(guān)，二次同步注入測(cè)試法在測(cè)試過(guò)程中需要專業(yè)技術(shù)人員在終端側(cè)完成接線后并與主站側(cè)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)溝通來(lái)確保試驗(yàn)方案是否正確執(zhí)行，造成了對(duì)測(cè)試人員技術(shù)要求高、測(cè)試結(jié)果不能自動(dòng)判別、測(cè)試效率低等問(wèn)題。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出一種基于無(wú)線通信[13-15]和圖像識(shí)別[16-18]的饋線自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)試方法。

1 配電網(wǎng)饋線自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試原理

基于無(wú)線通信和圖像識(shí)別的饋線自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)試示意圖如圖1所示，是一種完全自動(dòng)化閉環(huán)運(yùn)行的“配電自動(dòng)化系統(tǒng)二次同步注入測(cè)試法”。該方法需要在擬模擬故障區(qū)段上游的各個(gè)配電自動(dòng)化終端二次側(cè)，安置若干研發(fā)的移動(dòng)測(cè)試裝置。由測(cè)試主控平臺(tái)借助于加密的私有無(wú)線通信通道，分別向每個(gè)移動(dòng)測(cè)試裝置下發(fā)測(cè)試方案數(shù)據(jù)，控制移動(dòng)測(cè)試裝置在同一時(shí)刻向被測(cè)試配電網(wǎng)注入擬模擬故障場(chǎng)景的電流、電壓波形，并借助圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行采集及正確性判別。該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)配電自動(dòng)化主站、子站、終端、通信、開(kāi)關(guān)設(shè)備及繼電保護(hù)備用電源等各個(gè)環(huán)節(jié)在故障處理過(guò)程中的相互配合進(jìn)行閉環(huán)全自動(dòng)測(cè)試的技術(shù)。

圖1 基于無(wú)線通信和圖像識(shí)別的饋線自動(dòng)化 現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)試示意圖

2 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 基本組成

基于無(wú)線通信和圖像識(shí)別的配電網(wǎng)饋線自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，測(cè)試系統(tǒng)由測(cè)試主控平臺(tái)、圖像采集裝置、無(wú)線通信接口和移動(dòng)測(cè)試裝置模擬斷路器等組成。

圖2 饋線自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 測(cè)試主控平臺(tái)

測(cè)試主控平臺(tái)主要功能模塊包括圖形管理組態(tài)模塊、算法(網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、潮流?jì)算和短路電流計(jì)算)模塊、方案管理控制模塊、數(shù)據(jù)采集處理(圖像識(shí)別、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù))模塊、自動(dòng)測(cè)試控制模塊、三遙自動(dòng)測(cè)試模塊及故障自動(dòng)測(cè)試模塊。

首先，測(cè)試主控平臺(tái)借助CIM模型導(dǎo)入或人工編輯的方式對(duì)待測(cè)饋線進(jìn)行建模并完成相應(yīng)的參數(shù)配置。其次，測(cè)試主控平臺(tái)根據(jù)正常情況下的負(fù)荷參數(shù)設(shè)定故障場(chǎng)景時(shí)的參數(shù)，自動(dòng)生成測(cè)試方案。最后，測(cè)試主控平臺(tái)借助加密的私有無(wú)線通信通道分別向各個(gè)移動(dòng)測(cè)試裝置下發(fā)測(cè)試方案，測(cè)試過(guò)程包含對(duì)配電主站、子站、終端、保護(hù)配合、備用電源、通信和饋線開(kāi)關(guān)整個(gè)環(huán)節(jié)的故障處理過(guò)程進(jìn)行全程監(jiān)控，完成對(duì)待測(cè)饋線的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化測(cè)試。

2.3 圖像采集裝置

圖像采集為本方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)其工作流程如圖3所示，首先，分屏器將配電主站監(jiān)控工作站畫(huà)面進(jìn)行復(fù)制，將復(fù)制的監(jiān)控畫(huà)面輸出至圖像采集裝置中。其次，圖像采集裝置對(duì)復(fù)制的監(jiān)控畫(huà)面進(jìn)行灰度化、過(guò)濾、二值化處理，最終將識(shí)別的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、遙測(cè)信息、遙信信息等結(jié)果輸出至測(cè)試主控平臺(tái)。

圖3 圖像采集流程圖

圖像識(shí)別的流程如圖4所示，測(cè)試主控平臺(tái)通過(guò)圖像采集裝置選出所需識(shí)別的開(kāi)關(guān)狀態(tài)及對(duì)應(yīng)的模擬量信息。一方面用于開(kāi)關(guān)狀態(tài)識(shí)別，通過(guò)調(diào)用開(kāi)關(guān)識(shí)別模塊，將模擬斷路器上送的開(kāi)關(guān)變位信息與實(shí)際工作站中的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行比對(duì)，若比對(duì)結(jié)果一致，將結(jié)果進(jìn)行輸出；另一方面用于開(kāi)關(guān)模擬量的識(shí)別，調(diào)用數(shù)字識(shí)別模塊對(duì)采集的監(jiān)控畫(huà)面中開(kāi)關(guān)的模擬量進(jìn)行數(shù)字化處理，其輸出結(jié)果與被測(cè)線路中對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)模擬量進(jìn)行比對(duì)，若結(jié)果一致，將結(jié)果進(jìn)行輸出。

圖4 圖像識(shí)別流程圖

2.4 無(wú)線通信接口

無(wú)線通信接口組網(wǎng)方式作為本方案的關(guān)鍵點(diǎn)，其組成結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要包括移動(dòng)測(cè)試裝置內(nèi)置WIFI模塊、通信代理MIFI模塊、模擬斷路器內(nèi)置WIFI模塊、測(cè)試主控平臺(tái)內(nèi)置WIFI模塊、無(wú)線公網(wǎng)4G組成。移動(dòng)測(cè)試裝置內(nèi)置WIFI模塊通過(guò)通信代理MIFI模塊進(jìn)行上網(wǎng)、測(cè)試主控平臺(tái)通過(guò)通信代理MIFI模塊進(jìn)行上網(wǎng)、模擬斷路器內(nèi)置WIFI模塊直接上網(wǎng)，三者之間應(yīng)用無(wú)線公網(wǎng)4G移動(dòng)通信技術(shù)建立通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

圖5 無(wú)線通信接口組網(wǎng)示意圖

2.5 移動(dòng)測(cè)試裝置

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，將移動(dòng)測(cè)試裝置與各個(gè)配電終端二次回路進(jìn)行連接，向終端發(fā)送電壓信號(hào)和電流信號(hào)，并模擬產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)。移動(dòng)測(cè)試裝置主要由前端采樣模塊、同步故障發(fā)生器、GPS模塊和儲(chǔ)能蓄電池柜組成。

前端采樣模塊采集二次側(cè)的電壓、電流及勵(lì)磁涌流信息并輸出控制試驗(yàn)過(guò)程的開(kāi)關(guān)量，同步故障發(fā)生器根據(jù)測(cè)試主控平臺(tái)下裝的測(cè)試方案及前端采樣模塊輸出的開(kāi)關(guān)量向配電終端定時(shí)輸出電壓、電流信號(hào)，整個(gè)方案的執(zhí)行過(guò)程都是通過(guò)GPS衛(wèi)星時(shí)間同步系統(tǒng)同步完成工作，同時(shí)考慮戶外試驗(yàn)可能缺少電源的情況，使用儲(chǔ)能電池柜作為系統(tǒng)的備用電源對(duì)整個(gè)模塊進(jìn)行供電。

2.6 模擬斷路器

模擬斷路器由2個(gè)模擬控制模塊和內(nèi)置無(wú)線WIFI模塊組成。一方面2個(gè)控制模塊代替真實(shí)開(kāi)關(guān)，將配電自動(dòng)化終端到真實(shí)開(kāi)關(guān)的控制回路斷開(kāi)，而接至模擬斷路器，實(shí)現(xiàn)不停電測(cè)試功能；另一方面是內(nèi)置無(wú)線WIFI模塊借助其通信代理MIFI模塊將模擬斷路器的實(shí)時(shí)狀態(tài)上傳至無(wú)線通信接口處，此外，測(cè)試主控平臺(tái)也可通過(guò)無(wú)線公網(wǎng)4G實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬短路器的遠(yuǎn)程操作。

3 測(cè)試步驟

配電網(wǎng)饋線自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)試流程如圖6所示，具體步驟如下：

① 在測(cè)試主控平臺(tái)建立被測(cè)饋線電網(wǎng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停浫氡粶y(cè)饋線參數(shù)和策略表，設(shè)定被測(cè)饋線的運(yùn)行方式和故障場(chǎng)景。

② 布置于不同地點(diǎn)的移動(dòng)測(cè)試裝置接入相應(yīng)的被測(cè)配電終端的二次側(cè)，具體方法為：將配電終端二次電流回路在電流試驗(yàn)端子外側(cè)短連，移動(dòng)測(cè)試裝置電流輸出加入到電流試驗(yàn)端子內(nèi)側(cè)，其短連片打開(kāi)；將配電終端二次電壓回路斷開(kāi)，移動(dòng)測(cè)試裝置電壓輸出加入到配電終端電壓輸入端子；將配電終端的分合閘控制信號(hào)接入模擬斷路器。

③ 在配電自動(dòng)化主站系統(tǒng)側(cè)，測(cè)試主控平臺(tái)通過(guò)圖像采集裝置與主站系統(tǒng)監(jiān)控工作站連接，用于監(jiān)視采集被測(cè)饋線開(kāi)關(guān)狀態(tài)等量測(cè)信息。

④ 測(cè)試主控平臺(tái)通過(guò)無(wú)線通信接口與移動(dòng)測(cè)試裝置、模擬斷路器進(jìn)行組網(wǎng)，完成相關(guān)通信參數(shù)的配置，同時(shí)通過(guò)GPS對(duì)時(shí)技術(shù)完成各測(cè)試設(shè)備間的時(shí)間同步。

⑤ 測(cè)試主控平臺(tái)采用電網(wǎng)仿真計(jì)算生成各個(gè)測(cè)試裝置的測(cè)試方案，測(cè)試方案包括故障前場(chǎng)景數(shù)據(jù)、故障場(chǎng)景數(shù)據(jù)、故障后場(chǎng)景數(shù)據(jù)；每個(gè)場(chǎng)景數(shù)據(jù)包括電壓波形、電流波形及持續(xù)時(shí)間。

⑥ 測(cè)試主控平臺(tái)通過(guò)無(wú)線通信接口下發(fā)測(cè)試方案至各個(gè)移動(dòng)測(cè)試裝置。

⑦ 測(cè)試主控平臺(tái)下發(fā)試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)間，各個(gè)移動(dòng)測(cè)試裝置接收到開(kāi)始試驗(yàn)命令后，等待試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)刻。

⑧ 試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)間到時(shí)，各個(gè)移動(dòng)測(cè)試裝置按照測(cè)試方案同步輸出測(cè)試場(chǎng)景數(shù)據(jù)，即包括負(fù)荷場(chǎng)景、多個(gè)故障場(chǎng)景的電壓、電流模擬信號(hào)。

⑨ 在配電自動(dòng)化主站系統(tǒng)側(cè)，通過(guò)圖像采集裝置完成對(duì)被測(cè)饋線開(kāi)關(guān)狀態(tài)等測(cè)試數(shù)據(jù)的采集，并將測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸至測(cè)試主控平臺(tái)。

⑩ 測(cè)試主控平臺(tái)自動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與內(nèi)置策略表進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行正確性判斷、并形成測(cè)試報(bào)告。

圖6 配電網(wǎng)饋線自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)試方法流程

4 應(yīng)用情況

在西安、蘭州、西寧等地現(xiàn)場(chǎng)選擇部分線路采用基于具有無(wú)線通信和圖像識(shí)別的饋線自動(dòng)化自動(dòng)測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，主站側(cè)、現(xiàn)場(chǎng)終端側(cè)各安排1名測(cè)試人員，在現(xiàn)場(chǎng)操作人員按照標(biāo)準(zhǔn)化完成各移動(dòng)裝置之間的接線，測(cè)試主控平臺(tái)借助于加密的私有無(wú)線通信通道，分別向每個(gè)移動(dòng)測(cè)試裝置下發(fā)測(cè)試方案數(shù)據(jù)，控制移動(dòng)測(cè)試裝置在同一時(shí)刻向被測(cè)試配電網(wǎng)注入擬模擬故障場(chǎng)景的電流、電壓波形，并借助圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行采集及正確性判別。

試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)試主控平臺(tái)可通過(guò)無(wú)線通道平臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的模擬斷路器進(jìn)行復(fù)歸，減少測(cè)試人員的工作量，提高了測(cè)試效率。

除此之外，基于無(wú)線通信和圖像識(shí)別的配電網(wǎng)二次同步注入測(cè)試方法與其他測(cè)試方法相比，還具有以下優(yōu)勢(shì)：

在測(cè)試過(guò)程中所使用的無(wú)線通道與配電網(wǎng)自動(dòng)化主網(wǎng)相互隔離、相互獨(dú)立，從而保證了配電網(wǎng)主網(wǎng)的安全性。

在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，不僅不受主站廠家的約束，具有普遍推廣的價(jià)值，而且也無(wú)需配電自動(dòng)化主站系統(tǒng)開(kāi)放權(quán)限來(lái)采集所需的電壓、電流等數(shù)據(jù)信息，沒(méi)有與配電自動(dòng)化主站系統(tǒng)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，保障了配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的安全性。

測(cè)試過(guò)程中，只需終端側(cè)留守1名測(cè)試人員完成測(cè)試所需硬件設(shè)備的接線，主站側(cè)測(cè)試人員就可實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)饋線自動(dòng)化系統(tǒng)的閉環(huán)自動(dòng)測(cè)試，這樣以來(lái)，不僅降低了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員的技術(shù)要求，而且也減少了現(xiàn)場(chǎng)溝通時(shí)間，大大地提高了測(cè)試效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于無(wú)線通信和圖像識(shí)別的配電網(wǎng)二次同步注入測(cè)試的方法，該方法需要在擬模擬故障區(qū)段上游的各個(gè)配電自動(dòng)化終端二次側(cè)，安置若干研發(fā)的移動(dòng)測(cè)試裝置。由測(cè)試主控平臺(tái)借助于加密的私有無(wú)線通信通道，分別向每個(gè)移動(dòng)測(cè)試裝置下發(fā)測(cè)試方案數(shù)據(jù)，控制移動(dòng)測(cè)試裝置在同一時(shí)刻向被測(cè)試配電網(wǎng)注入擬模擬故障場(chǎng)景的電流、電壓波形，并借助圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行采集及正確性判別。該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)配電自動(dòng)化主站、子站、終端、通信、開(kāi)關(guān)設(shè)備、繼電保護(hù)備用電源等各個(gè)環(huán)節(jié)在故障處理過(guò)程中的相互配合進(jìn)行閉環(huán)全自動(dòng)測(cè)試的技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)饋線自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)試，提高了測(cè)試效率，降低了測(cè)試成本。

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