電力系統(tǒng)中環(huán)網(wǎng)柜及分支箱的智能化改造應(yīng)用研究

武 剛，向珉江，貝太周，王 沖，馮立瑋

（國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012）

0 引言

對(duì)于供電企業(yè)來說，提高供電可靠性，減少用戶停電損失，既是履行社會(huì)責(zé)任，又是改善用戶服務(wù)水平的基本責(zé)任。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在用戶停電事件中，90%以上的停電事件為配電網(wǎng)故障，特別是中低壓配電網(wǎng)故障，而在配電網(wǎng)停電中，約有30%故障是由配電設(shè)備運(yùn)行環(huán)境改變導(dǎo)致的。由于用戶無法提前預(yù)知因設(shè)備運(yùn)行環(huán)境改變引發(fā)的故障，無法及時(shí)判斷、查找故障點(diǎn)，因此無法采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，故障停電造成的損失顯得尤為嚴(yán)重［1-2］。

配電網(wǎng)中的環(huán)網(wǎng)柜及分支箱是配電網(wǎng)中的重要組成部件，為了進(jìn)一步提高配電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性，必須提高環(huán)網(wǎng)柜及分支箱的可靠性和智能化水平。

經(jīng)過多年的配網(wǎng)自動(dòng)化改造，電力系統(tǒng)的配網(wǎng)自動(dòng)化水平已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的程度。但是仍然存在許多無法滿足配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的情況。

首先，智能環(huán)網(wǎng)柜的普及程度不夠，導(dǎo)致許多環(huán)網(wǎng)的智能化程度整體偏低，無法實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。沒有配備可用的數(shù)據(jù)通道，以及可供安裝智能設(shè)備使用的本地電源，因此難以實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)運(yùn)維中急需解決的在線環(huán)境監(jiān)測問題、故障預(yù)報(bào)以及故障判斷的問題。如國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司就曾多次發(fā)生因凝露引起的環(huán)網(wǎng)柜及分支箱故障，以及因電纜T頭發(fā)熱引起的電纜頭燒毀現(xiàn)象，最終導(dǎo)致線路故障停電［3-4］。

其次，環(huán)網(wǎng)柜因凝露現(xiàn)象帶來的線路故障問題沒有得到根本解決。在現(xiàn)有的配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)維護(hù)中，尚未妥善解決這個(gè)一直困擾配電網(wǎng)可靠運(yùn)行的安全隱患問題。在特定時(shí)期或季節(jié)內(nèi)，因凝露引發(fā)的電網(wǎng)停電事故時(shí)有發(fā)生，這無疑對(duì)配電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成了一定影響，同時(shí)破壞了電力供電可靠性的性能指標(biāo)。

再次，目前配網(wǎng)電路中的故障判斷，主要還是依靠電纜故障尋址器，這種設(shè)備雖然能夠幫助配網(wǎng)運(yùn)維人員加快故障查找速度，但是由于種種原因，靠人工查看尋址器的方法，不僅大大增強(qiáng)了勞動(dòng)強(qiáng)度，而且無法快速及時(shí)地對(duì)故障源進(jìn)行定位。

最后，環(huán)網(wǎng)柜電纜接頭的發(fā)熱問題也是多年來沒有解決的一個(gè)重要的問題。迫切需要一種方法或裝置，監(jiān)測電纜接頭的狀態(tài)，以便把故障消滅在萌芽狀態(tài)。

綜上所述，研究并推廣環(huán)網(wǎng)柜及分支箱的智能化改造技術(shù)，可以解決配網(wǎng)運(yùn)維管理工作中的凝露治理、故障預(yù)測以及城市配電網(wǎng)故障的快速查找等技術(shù)問題。可以用較少的資金投入，實(shí)現(xiàn)提高配電網(wǎng)的運(yùn)維管理水平、供電可靠性以及減少用戶停電損失的目標(biāo)，推進(jìn)一流智能配電網(wǎng)建設(shè)工作。

1 環(huán)網(wǎng)柜及分支箱智能化改造的基本目標(biāo)

目前城市配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)不具備運(yùn)行環(huán)境在線監(jiān)測、運(yùn)行環(huán)境治理、電纜T 頭故障監(jiān)測以及快速電纜故障分析判斷等智能化功能。

配網(wǎng)線路中存在大量的環(huán)網(wǎng)柜和分支箱?？紤]到配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的覆蓋面有限，在環(huán)網(wǎng)柜和分支箱的運(yùn)行安全和故障監(jiān)測方面存在著一定的局限性。為了及時(shí)、準(zhǔn)確、高效地發(fā)現(xiàn)和處理故障，亟需實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)網(wǎng)柜運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測功能，主要包括：在對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行運(yùn)維管理工作中，需要及時(shí)了解環(huán)網(wǎng)柜的凝露情況，同時(shí)采取有效措施及時(shí)予以處理，避免由此導(dǎo)致的線路故障的發(fā)生；電纜接頭故障同樣是困擾配網(wǎng)安全運(yùn)行維護(hù)的一個(gè)重要的問題，由于長期運(yùn)行導(dǎo)致設(shè)備老化，電纜壓接頭處一旦有發(fā)熱現(xiàn)象，將會(huì)為線路的安全運(yùn)行帶來安全隱患甚至線路故障，借助電纜接頭處的故障指示器，運(yùn)維人員可以快速查找設(shè)備的故障點(diǎn)。

研究一種簡單、方便、實(shí)用的技術(shù)方案，設(shè)計(jì)建立一種自動(dòng)化的改造系統(tǒng)，并依此不斷進(jìn)行技術(shù)升級(jí)和功能完善，為配電網(wǎng)的運(yùn)行維護(hù)工作衍生出更加簡單實(shí)用的輔助設(shè)施，進(jìn)一步提升配電網(wǎng)運(yùn)維的工作效率，提高電力系統(tǒng)的供電可靠性。

2 環(huán)網(wǎng)柜及分支箱智能化改造的設(shè)想及實(shí)現(xiàn)

2.1 通信信道和電源

現(xiàn)場測控終端與主站系統(tǒng)的通信信道采用GPRS 或光纖，也可以利用原有的DTU 信道?？紤]到部分非智能環(huán)網(wǎng)柜在出廠前沒有配備相應(yīng)供電電源，此時(shí)可以采用太陽能電池組供電。經(jīng)現(xiàn)場設(shè)備試用，效果良好。

2.2 凝露預(yù)警和凝露治理

1）凝露產(chǎn)生的原因及其危害。

外界氣候變化變化時(shí)，大部分環(huán)網(wǎng)柜及分支箱內(nèi)內(nèi)壁上會(huì)附著小水珠，即凝露現(xiàn)象。凝露的產(chǎn)生，是因?yàn)榇髿庵兴乃谝欢ǖ臏囟葪l件下，在環(huán)境中溫度低于露點(diǎn)溫度的物體上，產(chǎn)生凝結(jié)，變成水珠。當(dāng)該物體的溫度達(dá)到露點(diǎn)溫度時(shí)，水珠又會(huì)蒸發(fā)，變成水汽。如果凝露的數(shù)量比蒸發(fā)的數(shù)量大，就會(huì)在相應(yīng)的位置上產(chǎn)生水滴，造成危害。經(jīng)驗(yàn)表明，如果在同一位置上連續(xù)3 d 出現(xiàn)凝露時(shí)間占比均在60%以上，該處就會(huì)有水滴凝聚，造成危害。凝露產(chǎn)生的水滴，會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)位置的絕緣程度降低，嚴(yán)重時(shí)甚至造成短路，產(chǎn)生誤動(dòng)作，導(dǎo)致設(shè)備事故的發(fā)生［5-6］。

2）凝露監(jiān)測及基本治理方法。

根據(jù)氣象學(xué)原理，任何一個(gè)氣候環(huán)境的露點(diǎn)溫度，可以用式（1）和式（2）來計(jì)算。

式中：Ew為環(huán)境能量值；Dp為露點(diǎn)溫度；Rh為相對(duì)濕度；T 為空氣溫度。

因此，通過對(duì)環(huán)網(wǎng)柜及分支箱所處環(huán)境及疑似發(fā)生凝露的部位進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測，從而獲取凝露發(fā)生的條件。根據(jù)以天為單位凝露發(fā)生的時(shí)間積分值，以及不發(fā)生凝露的時(shí)間的積分值的比例，確認(rèn)凝露發(fā)生的可能性，從而進(jìn)行凝露的精準(zhǔn)預(yù)測，并為凝露的治理提供條件。凝露的治理方法主要是降低空氣中的相對(duì)濕度以及提高防凝露部位物體的溫度。

2.3 電纜T 接頭故障監(jiān)測

受環(huán)境或其他因素影響，在電纜接頭即將發(fā)生故障時(shí)，通常伴有溫度升高的情況。嚴(yán)重時(shí)，電纜接頭處會(huì)產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象。借助系統(tǒng)監(jiān)測平臺(tái)，獲得電纜接頭部位的溫度變化以及局部放電情況。檢測過程中一旦發(fā)生異常及時(shí)報(bào)警，便于運(yùn)維人員提前采取措施進(jìn)行處理，避免故障的發(fā)生。

2.4 故障尋址器狀態(tài)自動(dòng)檢測及故障點(diǎn)的自動(dòng)定位

配網(wǎng)線路發(fā)生故障時(shí)，線路上的故障尋址器會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，同時(shí)將故障信息報(bào)送至配網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)人員。配網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)人員此時(shí)按照發(fā)生故障的線路去巡查并觀察反轉(zhuǎn)的尋址器的位置，從而找到故障點(diǎn)。配電網(wǎng)故障尋址系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 配電網(wǎng)故障尋址系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 中的故障指示器、射頻收發(fā)裝置和GPRS數(shù)據(jù)終端等單元組成故障尋址系統(tǒng)的硬件設(shè)備，與故障尋址中心通過GPRS／Intemet 進(jìn)行連接。

當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，故障指示器將顯示故障并采集特征數(shù)據(jù)通過射頻通信和GPRS 通信傳送到故障尋址中心，應(yīng)用智能信息理論分析所得數(shù)據(jù)，并推算出可能的故障點(diǎn)，將告警結(jié)果在中心界面上進(jìn)行提示，并發(fā)信息到運(yùn)行維護(hù)人員手機(jī)上。維護(hù)人員需要確認(rèn)故障點(diǎn)并錄入數(shù)據(jù)庫，可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)修正故障指示器的誤動(dòng)率和拒動(dòng)率，以便提高故障指示器的準(zhǔn)確率和正確率。

在智能化改造方案中，設(shè)計(jì)故障尋址器的狀態(tài)遠(yuǎn)傳裝置，每個(gè)尋址器的地址都會(huì)實(shí)時(shí)地傳輸?shù)较到y(tǒng)主站。主站軟件系統(tǒng)會(huì)根據(jù)線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)快速分析出配網(wǎng)線路的故障點(diǎn)，再將相應(yīng)信息發(fā)送到運(yùn)行維護(hù)人員的移動(dòng)終端上，從而大大縮短了故障查找的時(shí)間，也進(jìn)一步減輕了運(yùn)維人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖2 給出了某10 kV 電纜線路的供電線路結(jié)構(gòu)，10 kV 電纜線路由變電站輸出，經(jīng)過多個(gè)環(huán)網(wǎng)柜設(shè)備，最終進(jìn)入多個(gè)用戶配電室，完成向用戶供電的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖2 中，假如某段電纜出現(xiàn)故障，則會(huì)引起單個(gè)用戶處斷電或整條線路斷電，具體由故障電纜的位置決定。如果故障電纜是直接連接用戶的電纜，根據(jù)環(huán)網(wǎng)柜的判定規(guī)則，斷開用戶側(cè)電纜，則表現(xiàn)為單個(gè)用戶斷電；如果故障電纜是連接線路的電纜，根據(jù)環(huán)網(wǎng)柜的判定規(guī)則，先重合閘，如果故障仍然存在，則線路斷開，整條線路停電。

圖2 10 kV 配網(wǎng)線路供電線路結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上規(guī)則首先將環(huán)網(wǎng)柜按連接順序進(jìn)行編號(hào)，按照從變電站開始經(jīng)過的環(huán)網(wǎng)柜數(shù)量進(jìn)行編號(hào)，如果直接與變電站相連，則編號(hào)為1，如果經(jīng)過一個(gè)環(huán)網(wǎng)柜后才能到達(dá)變電站則編號(hào)為2，以此類推。離變電站近的環(huán)網(wǎng)柜編號(hào)最小，離變電站遠(yuǎn)的環(huán)網(wǎng)柜編號(hào)最大。其次，將每個(gè)環(huán)網(wǎng)柜的內(nèi)部電纜按用途分為線路側(cè)和用戶側(cè)2 類。

當(dāng)某條電纜線路出現(xiàn)故障時(shí)，可能引起該線路上多個(gè)環(huán)網(wǎng)柜的故障指示器發(fā)生狀態(tài)變化。根據(jù)設(shè)定規(guī)則，使用網(wǎng)絡(luò)及鏈表遍歷的算法，首先判斷出故障指示器發(fā)生翻牌的電纜間隔，如用戶側(cè)電纜，則直接辨別出該段電纜有故障；如為線路側(cè)電纜，則比較該線路下，編號(hào)最大的環(huán)網(wǎng)柜的線路電纜間隔可能有故障，其他環(huán)網(wǎng)柜的故障則為傳遞過來的信號(hào)。從而確定故障發(fā)生的具體位置。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能定義，本系統(tǒng)采用C／S 架構(gòu)，客戶端通過TCP 協(xié)議和服務(wù)器通信；服務(wù)器通過ADO 和數(shù)據(jù)庫連接；數(shù)據(jù)庫儲(chǔ)存設(shè)備信息和系統(tǒng)管理員維護(hù)信息，為服務(wù)器提供初始化信息；用戶終端即無線移動(dòng)手持終端為用戶現(xiàn)場檢測工具，為現(xiàn)場施工管理者提供在線實(shí)時(shí)檢測功能。

經(jīng)過對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流分析，經(jīng)進(jìn)一步分析后，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的軟件框架，如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件框架結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的主站系統(tǒng)，負(fù)責(zé)管理所有設(shè)備的設(shè)置、通信調(diào)度和數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)通緝分析和相關(guān)報(bào)表的生成。系統(tǒng)主站存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，還可以作為工作記錄，以備將來必要的事件回溯。

主站系統(tǒng)還可以根據(jù)用戶不同的需要，提供各種需求的WEB 終端，便于各級(jí)運(yùn)維人員瀏覽。

手持移動(dòng)終端APP 應(yīng)以簡單實(shí)用為基本原則，可在安卓系統(tǒng)下安裝運(yùn)行。當(dāng)監(jiān)測到環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部凝露情況時(shí)，應(yīng)按照嚴(yán)重與否，分為3 個(gè)等級(jí)報(bào)警。運(yùn)行維護(hù)人員可以根據(jù)凝露的嚴(yán)重情況進(jìn)行相應(yīng)的處理。

電纜T 頭的溫度由溫度傳感器采集，采集的溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到系統(tǒng)主站。系統(tǒng)會(huì)在運(yùn)行維護(hù)人員使用的移動(dòng)終端上顯示溫度變化的曲線，在溫度異常的情況下發(fā)出報(bào)警，提醒運(yùn)行維護(hù)人員注意查看。

當(dāng)配網(wǎng)線路發(fā)生故障時(shí)，相應(yīng)的尋址器反轉(zhuǎn)，尋址器的狀態(tài)傳回主站系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件根據(jù)配網(wǎng)線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，快速分析計(jì)算出故障發(fā)生的具體位置，系統(tǒng)把這個(gè)信息發(fā)送到運(yùn)行維護(hù)人員的手持移動(dòng)終端上，提醒運(yùn)行維護(hù)人員快速找到線路的故障點(diǎn)。

4 應(yīng)用效果

4.1 應(yīng)用案例

自2015 年開始，國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司對(duì)轄區(qū)內(nèi)環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行智能化升級(jí)改造，到目前為止，已對(duì)轄區(qū)內(nèi)1 000 多臺(tái)環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行了智能化改造工程。由于處理及時(shí)，基本上限制了凝露而帶來的故障停電，T 接頭的故障也基本上得到了消除，電纜故障查找時(shí)間大幅度縮短，供電系統(tǒng)的供電可靠性指標(biāo)以及用戶用電滿意度也同步得到提升。

系統(tǒng)主站平臺(tái)界面如圖4 所示，可以全面觀察轄區(qū)內(nèi)所有的環(huán)網(wǎng)柜及分支箱的分布情況，以及出現(xiàn)報(bào)警設(shè)備的名稱，點(diǎn)擊可以進(jìn)入詳細(xì)的數(shù)據(jù)界面。

圖4 系統(tǒng)主站平臺(tái)

移動(dòng)終端APP 界面如圖5 所示，在運(yùn)行維護(hù)人員移動(dòng)終端上運(yùn)行，及時(shí)收到報(bào)警信息，并及時(shí)采取維護(hù)措施。

每個(gè)環(huán)網(wǎng)柜及分支箱，安裝一套凝露治理設(shè)備、電纜故障尋址器和狀態(tài)遠(yuǎn)傳定位分析設(shè)備，共用1個(gè)通信信道，如圖6 所示。

設(shè)備5 年的運(yùn)行情況證明，凝露預(yù)測的判斷準(zhǔn)確度、T 接頭溫度監(jiān)測的準(zhǔn)確度，以及電纜故障尋址器狀態(tài)遠(yuǎn)傳及定位分析的準(zhǔn)確度，均達(dá)到了100%。

4.2 成本和效益分析

進(jìn)行智能化改造的環(huán)網(wǎng)柜，利用廉價(jià)移動(dòng)通信公司的GPRS 數(shù)據(jù)通信通道，實(shí)現(xiàn)了環(huán)網(wǎng)柜的數(shù)字通信。該信道的費(fèi)用為3～5 元／（個(gè)·月）；安裝凝露預(yù)測裝置，每套裝置的所有成本，包括軟件及安裝費(fèi)用為每個(gè)環(huán)網(wǎng)柜或分支箱3 000 元；電纜插拔T 頭測溫以及電纜故障尋址器的狀態(tài)遠(yuǎn)傳及定位分析軟件的所有成本，包括安裝費(fèi)用2 000 元／套。

供電可靠性方面，杜絕了因凝露產(chǎn)生的停電事故的發(fā)生，電纜T 頭的溫度監(jiān)測也基本上限制了電纜T 頭故障的發(fā)生，電纜故障的定位速度和準(zhǔn)確性也得到了很大提高。同時(shí)也方便了運(yùn)行維護(hù)人員的維護(hù)操作，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。僅此一項(xiàng)，每年可以為運(yùn)行維護(hù)工作創(chuàng)造出數(shù)以百萬計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 推廣條件

對(duì)環(huán)網(wǎng)柜的智能化改造（對(duì)非智能化柜的改造和對(duì)智能化柜的功能性補(bǔ)充），是切實(shí)可行，不難實(shí)現(xiàn)的。

1）智能化柜與非智能化柜。

對(duì)現(xiàn)有的一定數(shù)量的非智能化柜，必須解決市電電源和通信信道的問題，通常的辦法，是可以使用公共無線信道，比如GPRS。至于電源，可以開通或另行安裝10 kV 電壓互感器實(shí)現(xiàn)?？紤]使用光伏電源也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。對(duì)于智能化柜，可以利用原有的DTU 信道和已有的市電電源。

2）系統(tǒng)的劃分與應(yīng)用的目的性。

經(jīng)過智能化改造實(shí)現(xiàn)的智能化系統(tǒng)，與原來的配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)不僅不會(huì)矛盾，而且還會(huì)實(shí)現(xiàn)功能上的互補(bǔ)。這個(gè)系統(tǒng)實(shí)際上可以是配電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)人員專用標(biāo)配的環(huán)網(wǎng)柜環(huán)境監(jiān)測和故障定位系統(tǒng)，這一點(diǎn)，正好是被配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)忽略而沒有具備的功能。因而可以專門為運(yùn)行維護(hù)人員使用。

3）異常狀態(tài)的監(jiān)測方法。

對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)而言，需要報(bào)警的方式基本上是2種，一種是被動(dòng)的查詢方式，一種是主動(dòng)的提醒方式，所研究的報(bào)警方式，因?yàn)楸O(jiān)測的點(diǎn)數(shù)巨大，是以提醒方式為主。這樣可以大大減輕運(yùn)維人員的工作量，并能及時(shí)得到系統(tǒng)的提醒，提高工作效率。

4）與PMIS 系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的同步。

作為一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)字化系統(tǒng)，從系統(tǒng)角度考慮，在實(shí)施過程中，需要為其準(zhǔn)備一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。PMS 系統(tǒng)中的單線圖足以滿足這一需求。在具體設(shè)計(jì)過程中，為了最大限度地減少數(shù)據(jù)冗余，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)同步，在系統(tǒng)實(shí)施之前，需要與PMS 的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)做好對(duì)接。

5 結(jié)語

提出對(duì)電力系統(tǒng)中環(huán)網(wǎng)柜及分支箱智能化改造的概念與方法。以一種簡單經(jīng)濟(jì)的模式，解決了配電運(yùn)維自動(dòng)化的問題，大大提高工作效率，增強(qiáng)電力系統(tǒng)的供電可靠性。若能在電力系統(tǒng)推廣應(yīng)用，必然會(huì)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)影響。