基于智能電表的低壓電網(wǎng)故障預(yù)判系統(tǒng)

，，

(1.河南科技學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003； 2.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民生活對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定要求不斷提高，配電網(wǎng)發(fā)生故障時迅速診斷并隔離故障區(qū)域，及時恢復(fù)供電，成為配電自動化最重要的功能之一[1]。

對于10 kV配電網(wǎng)的故障定位、隔離、恢復(fù)，目前可以采用饋線自動化系統(tǒng)，通過饋線開關(guān)、分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)、用戶出線開關(guān)、智能終端來實現(xiàn)配電網(wǎng)主干線、分支線故障精確定位、快速處理[2]。但對于直接與用戶連接的0.4 kV低壓配電網(wǎng)故障來說，由于技術(shù)及經(jīng)濟原因，現(xiàn)仍需采用人工進(jìn)行故障報修、定位、維修，造成故障處理時間長，客戶滿意度不高。如何提升低壓供電故障處理效率，對于我國建設(shè)世界一流配電網(wǎng)、提升供電可靠性、提高電網(wǎng)服務(wù)水平具有重大意義[3]。

1 問題分析

根據(jù)統(tǒng)計信息得知，電力系統(tǒng)中80%以上的故障發(fā)生在配電網(wǎng)，其中0.4 kV配點網(wǎng)故障占比超過50%[4]，目前我國0.4 kV配電網(wǎng)主要通過95598電力熱線接受用戶報修停電事件，然后由電力客服人工登記故障，并指派查勘人員勘察現(xiàn)場，確認(rèn)故障信息后派發(fā)搶修工單，安排搶修班組完成現(xiàn)場搶修任務(wù)。所有過程人工參與，造成事故處理時間長、故障定位不準(zhǔn)確、重復(fù)報修等一系列問題。其問題的核心是沒有可支撐的信息化技術(shù)手段，配電系統(tǒng)末端運行狀態(tài)不清晰，不能建立有效、可見的電網(wǎng)拓?fù)?，無法及時上送故障信息，實現(xiàn)準(zhǔn)確定位故障區(qū)域[5]。

國家電網(wǎng)有限公司印發(fā)的《關(guān)于全面推薦智能計量體系建設(shè)的意見》指出，“2016年，新裝智能電能表6 058萬臺，采集用戶將達(dá)到37 758萬戶，總采集覆蓋率95.5%。預(yù)計到2017年國家電網(wǎng)公司將建成國際上最大的用電信息采集系統(tǒng)，實現(xiàn)全域39 500萬戶的智能電表全覆蓋?！痹擁棿胧┙鉀Q了配用電網(wǎng)絡(luò)最后100 m終端設(shè)備無法覆蓋的問題，為技術(shù)實現(xiàn)0.4 kV配電網(wǎng)故障定位提供了契機。在智能電表全覆蓋的基礎(chǔ)上，依托低壓電表集抄系統(tǒng)[6]，利用信息技術(shù)、通信技術(shù)，為解決用戶供電低壓故障快速定位提供一種有效的解決手段。

2 方案設(shè)計

2.1 整體思路

用于0.4 kV配電網(wǎng)故障預(yù)判的系統(tǒng)，首先利用電力企業(yè)現(xiàn)有多個自動化信息平臺的既有數(shù)據(jù)實現(xiàn)低壓故障的快速預(yù)判以及快速搶修。

如圖1所示，用于低壓配電網(wǎng)故障預(yù)判的信息可分為設(shè)備信息和運行信息。設(shè)備信息包括從電力公司現(xiàn)有生產(chǎn)管理系統(tǒng)(PMS)獲得的配用電設(shè)備網(wǎng)絡(luò)節(jié)點及設(shè)備臺賬信息，從地理信息系統(tǒng)(GIS)獲得的配用電設(shè)備地理位置信息及相關(guān)GIS服務(wù)，從營銷用戶檔案管理系統(tǒng)獲得的電表資產(chǎn)數(shù)據(jù)及相關(guān)用戶信息。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture

運行信息包括從配電自動化系統(tǒng)獲得的10.0 kV配電網(wǎng)設(shè)備運行信息，從用電信息采集系統(tǒng)獲得的低壓用戶電壓、電流、電量、開關(guān)狀態(tài)等信息，從95598人工客服系統(tǒng)獲得的用戶電話故障報修信息[7]。

低壓故障預(yù)判系統(tǒng)利用低壓供電設(shè)備信息和運行信息，結(jié)合電網(wǎng)拓?fù)浞治?，?jīng)故障推理模塊判斷出低壓故障類型、故障區(qū)間，推送給故障搶修管理系統(tǒng)(TCM)，結(jié)合GIS服務(wù)實現(xiàn)低壓故障的報警管理、搶修資源分配、搶修工作評級及優(yōu)化[8]。

2.2 智能電表功能擴展

為實現(xiàn)用戶低壓故障信息快速研判，需在智能電表用電計量、電量采集、數(shù)據(jù)通信、峰谷計費功能的基礎(chǔ)上擴展“失電”、“上電”信號處理功能，信號處理邏輯如圖2所示。

圖2 智能電表報警邏輯Fig.2 Smart meter alarm logic

(1)用戶“失電”故障信息(lastgasp)上送功能，考慮到瞬時性故障影響，智能電表須對失電信息進(jìn)行過濾，僅將故障時間超過30 s的停電信息上報系統(tǒng)。

(2)用戶恢復(fù)供電“上電”信息報警(firstbreath)上送功能。

把智能電表和GIS結(jié)合，通過故障點的分布和拓?fù)潢P(guān)系可進(jìn)一步顯示各故障點的相關(guān)性。調(diào)度中心的操作人員可通過下發(fā)指令到相關(guān)的電表判斷是否斷電，減少故障誤報。智能電表在恢復(fù)供電后也會上報“上電”信息。智能電表和操作人員之間的這種互動過程能幫助確認(rèn)故障修復(fù)并檢測是否有多重電網(wǎng)故障存在。

2.3 系統(tǒng)模型

公共信息模型(CIM)可以描述電力系統(tǒng)生產(chǎn)過程涉及的所有對象的抽象數(shù)據(jù)模型[9]，用數(shù)據(jù)的共有類、屬性及之間的關(guān)系描述電力資源。

抽象模型包括電力設(shè)備模型和連接關(guān)系模型，其中電力設(shè)備模型是電力網(wǎng)絡(luò)中所有一次元件的模型。連接關(guān)系模型定義了導(dǎo)電設(shè)備類的電氣端點和這類端點的連接節(jié)點，他們共同描述了各個設(shè)備的電氣連接關(guān)系。0.4 kV配電網(wǎng)故障定位模型就是對配電變壓器(以下簡稱配變)下側(cè)與配變有從屬關(guān)系的低壓開關(guān)箱、低壓分支箱、表箱和電表單元進(jìn)行拓?fù)浞治?。通常低壓用戶供電回路涵蓋低壓變壓器經(jīng)低壓開關(guān)、低壓分支箱、單元樓表箱后接入各家各戶范圍，如圖3所示。

圖3 用戶典型低壓供電回路Fig.3 Typical low voltage power supply circuit of users

通過性能比較，方案采用廣度優(yōu)先搜索法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建模[10]。如圖4所示，首先從某頂點出發(fā)，依次搜索該頂點各個未曾遍歷過的相鄰頂點，然后再從這些相鄰頂點出發(fā)依次搜索他們的鄰接頂點，直到所有節(jié)點遍歷完成為止。利用配電線模型對任何一節(jié)點可進(jìn)行電源點追蹤到變電站母線，得到針對該節(jié)點的一條供電路徑。

圖4 低壓配電典型線路Fig.4 Typical line of low voltage distribution

2.4 故障處理邏輯

根據(jù)2.3節(jié)所構(gòu)建的模型，對給定配電網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點進(jìn)行編號、拓?fù)浞治?，形成配電網(wǎng)絡(luò)供電聯(lián)絡(luò)模型。當(dāng)?shù)蛪汗收项A(yù)判系統(tǒng)收到電表上送的“失電”告警信息后，首先對故障電表進(jìn)行電源點追蹤分析，判斷電表節(jié)點所在拓?fù)錁涞奈恢眉芭c其他節(jié)點的關(guān)系，考慮到只要是用戶上側(cè)的故障都可能造成用戶停電，所以按照用戶的供電路徑往上側(cè)搜索并判斷相關(guān)節(jié)點“失電”故障信息狀態(tài)，判定故障發(fā)生的位置，然后將預(yù)判結(jié)果推送到TCM進(jìn)行下一步處理。

考慮到配網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，方案采用遞歸方法進(jìn)行故障判斷，以收到電表上送“失電”信息作為啟動條件，定位過程如圖5所示，具體步驟描述如下。

圖5 故障處理邏輯Fig.5 Troubleshooting Logic

(1)設(shè)置“失電”電表為報警電表，通過拓?fù)浞?wù)電源點追蹤分析報警電表的供電路徑。以電表49報送“失電”信號為例：供電路徑由下向上表箱B7→低壓分支箱41→低壓開關(guān)柜40→配變T2→臺區(qū)高壓側(cè)3→饋線開關(guān)1。

(2)設(shè)置“失電”電表為預(yù)判節(jié)點，搜索設(shè)置預(yù)判節(jié)點的上級節(jié)點為當(dāng)前節(jié)點。

(3)判斷當(dāng)前節(jié)點類型，如果是表箱節(jié)點，則進(jìn)行步驟(4)判斷，否則進(jìn)行步驟(6)判斷。

(4)判斷當(dāng)前節(jié)點下非報警電表失電信號狀態(tài)，如不存在失電信號則判定預(yù)判節(jié)點為故障節(jié)點，進(jìn)行步驟(8)操作，否則進(jìn)行步驟(5)判斷。

(5)更改當(dāng)前節(jié)點為預(yù)判節(jié)點，搜索預(yù)判節(jié)點供電路徑的上級節(jié)點并設(shè)置為當(dāng)前節(jié)點；進(jìn)行步驟(3)操作。

(6)搜索當(dāng)前節(jié)點下級非預(yù)判節(jié)點，設(shè)置為佐證節(jié)點，根據(jù)佐證節(jié)點類型判斷，遞歸調(diào)用操作步驟(6)，直到佐證節(jié)點類型為表箱節(jié)點進(jìn)行步驟(7)操作。

(7)判斷佐證節(jié)點下屬非報警電表失電信號狀態(tài)，如不存在失電信號則判斷為預(yù)判節(jié)點故障，進(jìn)行步驟(8)操作，否則進(jìn)行步驟(5)判斷。

(8)設(shè)置預(yù)判節(jié)點為故障節(jié)點，設(shè)置故障節(jié)點下所有電表“失電”信息處理標(biāo)志，防止故障重復(fù)判斷，通知TCM進(jìn)行低壓故障搶修操作。

通過以上步驟，可以準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)故障節(jié)點，界定故障范圍，大大提高故障處理效率。

3 案例分析

國內(nèi)某城市進(jìn)行低壓故障智能研判工程實施，當(dāng)智能電表探測到某用戶電力供應(yīng)中斷經(jīng)延時判斷后上送“失電”報警信息至低壓用采系統(tǒng)，結(jié)合GIS信息，可準(zhǔn)確判斷出故障變壓器位置，實現(xiàn)低壓故障快速定位，將故障查找時間由傳統(tǒng)的2.35 h縮減為2 min， 極大提升了供電可靠性。

4 系統(tǒng)優(yōu)勢

低壓故障預(yù)判系統(tǒng)利用智能電表的非計量功能實現(xiàn)配網(wǎng)低壓故障定位，促進(jìn)營配貫通，提升供電運營管理效能，具有廣泛推廣意義。

(1)增強供電安全性。低壓供電網(wǎng)距離用戶最近，故障早發(fā)現(xiàn)、早處理將減少安全隱患。

(2)提高供電可靠性。低壓故障預(yù)判快速精確故障定位，將改善系統(tǒng)平均停電時間指標(biāo)，減少客戶停電時間。據(jù)統(tǒng)計，低壓故障預(yù)判系統(tǒng)可以將單用戶停電報送平均時間縮短10 min，多用戶停電報送平均時間縮短37 min，夜間停電故障保修時間縮短282 min，系統(tǒng)平均停電時間每年可以減少4 min。

(3)提升供電服務(wù)水平。精確判定低壓故障位置、停電范圍，按照事故處理優(yōu)先級安排現(xiàn)場工作力量，有效避免重復(fù)、錯誤動用搶修車輛造成的生產(chǎn)資源浪費。同時與客服中心、搶修中心實現(xiàn)故障信息共享，提升用戶體驗。

5 結(jié)束語

智能電表非計費信息接入低壓故障預(yù)判系統(tǒng)，從而可以收集用戶側(cè)用電狀態(tài)，實現(xiàn)低壓故障快速預(yù)判、精確定位，在低壓電網(wǎng)故障第一時間派出搶修班組，大大減少了停復(fù)電時間，提高了故障搶修速度，提高了配電網(wǎng)應(yīng)急搶修管理水平，提高了供電質(zhì)量和客戶滿意度，對整體提高配電網(wǎng)供電可靠性具有重要意義。