基于4G/5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線組網(wǎng)選線系統(tǒng)在配電網(wǎng)的應(yīng)用及展望

童雪燕，吳桂林

（1.安徽合凱電氣科技股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.上海合凱電氣科技有限公司，上海 201612；3.湖北三寧化工股份有限公司，湖北 枝江 443206）

0 引言

對(duì)于生產(chǎn)型的化工企業(yè)，供電連續(xù)性、可靠性、安全性要求較高，如果發(fā)生停電事故對(duì)企業(yè)正常生產(chǎn)造成不可估計(jì)的損失，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，按照電力系統(tǒng)規(guī)程單相接地故障可以帶故障運(yùn)行2個(gè)小時(shí)，但是單相接地故障引起相電壓的升高，有可能導(dǎo)致絕緣擊穿造成事故擴(kuò)大，甚至發(fā)展成相間短路，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行安全性造成更大的危害，因此必須快速的查找出故障線路并加以排除。

某化工企業(yè)東區(qū)10 kV各配電室的小電流選線裝置品牌雜亂，通信協(xié)議轉(zhuǎn)化難，通信協(xié)議互相不兼容，并且小電流選線裝置未接入該企業(yè)的電力調(diào)度系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)不能準(zhǔn)確判斷故障支路，調(diào)度人員不能第一時(shí)間收到報(bào)警信息，并通知運(yùn)維人員進(jìn)行下一步故障處理，導(dǎo)致故障進(jìn)一步擴(kuò)大的幾率增大，以致引起大面積的停產(chǎn)停電事故。原選線裝置采樣精度低，聯(lián)動(dòng)選線的故障邏輯算法復(fù)雜，導(dǎo)致選線不準(zhǔn)未能及時(shí)準(zhǔn)確的查找故障線路，發(fā)生故障時(shí)還是采用傳統(tǒng)的人工拉路這一傳統(tǒng)的方法來查找故障線路，效率低下導(dǎo)致故障由單相接地演變成相間短路事故可能進(jìn)一步加大，使得該企業(yè)的連續(xù)性供電可靠性和經(jīng)濟(jì)效益造成了很大損失，同時(shí)也耗費(fèi)了更多人力和物力。

隨著配電網(wǎng)線路入地率的提高，聚乙烯交聯(lián)電纜線路的比重隨之增大，在接地大電弧和高幅值的弧光接地過電壓的作用下，大大加速了故障的發(fā)展。一旦系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，少則數(shù)秒鐘多則十幾分鐘就會(huì)發(fā)展成為相間短路事故。原有小電流選線不準(zhǔn)，人工拉路選線來不及，致使單相接地故障跳閘率大幅度提高。諧波干擾、電磁環(huán)境、高頻大電流可能破壞小電流選線的工作條件導(dǎo)致選線不準(zhǔn)，一旦發(fā)生單相接地故障，為了在單相接地時(shí)迅速選出故障線路，降低事故持續(xù)時(shí)間，縮小事故范圍，組網(wǎng)式高精度快速選線裝置必須在接地故障時(shí)迅速選出故障回路，并通知運(yùn)行人員進(jìn)行下一步處理。因此選擇選線準(zhǔn)確率高，抗干擾能力強(qiáng)的小電流選線裝置十分必要。

基于以上種種原因，該企業(yè)采用了合凱公司研制的基于4G/5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線組網(wǎng)選線系統(tǒng)（SHKWLS2），巧妙地解決了諧波干擾、電磁環(huán)境、高頻大電流，可以在各種惡劣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)選線準(zhǔn)確率100%，支持多種通信規(guī)約的兼容，能與變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換。

1 傳統(tǒng)小電流選線裝置存在的問題

1.1 目前市面上一般選線方法

市面上傳統(tǒng)的小電流選線裝置，存在選線準(zhǔn)確率低的缺陷，不能準(zhǔn)確選出故障線路，仍需靠人工拉路選線的方法，降低了供電可靠性。

關(guān)于配電網(wǎng)單相接地故障的選線算法，大致可以分為四大類，如圖1所示。

圖1 接地故障選線算法分類圖

影響選線精度的因素主要是中性點(diǎn)的運(yùn)行方式和故障特征量的大小。選線裝置的啟動(dòng)一般要借助于對(duì)零序電壓的監(jiān)測(cè)，一旦零序電壓超過預(yù)期限制，選線程序才會(huì)啟動(dòng)。而故障大多是漸進(jìn)發(fā)展的，故障過程中可能在最初的暫態(tài)過程發(fā)生一段時(shí)間后零序電壓才越限，選線程序才剛剛啟動(dòng)，而此時(shí)記錄的暫態(tài)波形不一定能滿足暫態(tài)信號(hào)選線的要求。但同時(shí)，三相電流合成的暫態(tài)信號(hào)的幅值比穩(wěn)態(tài)信號(hào)更高，信噪比也更高。

因此，這些算法受眾多因素的影響，存在局限性，使得選線準(zhǔn)確率和時(shí)間都得不到保證。

1.2 選線不準(zhǔn)的原因

（1）小電流選線廠家技術(shù)參差不齊，選線方法單一，無法滿足實(shí)際的工況。

（2）小電流選線裝置采樣精度不高，導(dǎo)致采樣誤差大，影響選線準(zhǔn)確率。

（3）小電流選線裝置廠家服務(wù)跟不上，導(dǎo)致產(chǎn)品在投運(yùn)后的維護(hù)、異常處理以及升級(jí)服務(wù)得不到保障。

（4）小電流選線的安裝調(diào)試未受到足夠的重視，往往由于現(xiàn)場(chǎng)的零序CT的精度以及安裝方式導(dǎo)致線路的零序電流無法被準(zhǔn)確的采集。

（5）多級(jí)的電力系統(tǒng)，多臺(tái)選 線同時(shí)啟動(dòng)選線，無法分辨最終故障線路。

2 4G/5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線組網(wǎng)選線系統(tǒng)

2.1 4G/5G物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

某化工企業(yè)致力于智能化的發(fā)展建設(shè)，為滿足各智能項(xiàng)目的通信需求，該企業(yè)完成東區(qū)無線4G/5G專網(wǎng)的建設(shè)。通過1個(gè)總站+12個(gè)分站+1個(gè)移動(dòng)站，共13個(gè)配電室，實(shí)現(xiàn)東區(qū)各個(gè)配電室及盲點(diǎn)的全覆蓋，實(shí)現(xiàn)了該化工東區(qū)的智能化和高效化。4G/5G專網(wǎng)系統(tǒng)主要由核心網(wǎng)、網(wǎng)管系統(tǒng)、基站、CPE終端組成。

（1）核心網(wǎng)：主要提供簽約數(shù)據(jù)管理、鑒權(quán)管理、移動(dòng)性管理、會(huì)話管理、承載管理及數(shù)字集群業(yè)務(wù)等相關(guān)功能。

（2）網(wǎng)管系統(tǒng)：位于網(wǎng)絡(luò)層，負(fù)責(zé)管理基站、核心網(wǎng)網(wǎng)元、寬接終端設(shè)備（CPE）和業(yè)軟設(shè)備（調(diào)度機(jī)、錄音錄像服務(wù)器、專網(wǎng)用戶和設(shè)備管理平臺(tái)），包括了集中配置管理，集中告警管理，集中性能管理等EMS層級(jí)的操作維護(hù)中心，還包括單點(diǎn)維護(hù)工具，網(wǎng)元日志離線分析工具等工具級(jí)別的解決方案。

（3）基站：采用分布式基站系統(tǒng)架構(gòu)，最大程度實(shí)現(xiàn)了部件共享。系統(tǒng)由BBU和RRU兩個(gè)基本功能模塊構(gòu)成，采用射頻模塊拉遠(yuǎn)技術(shù)，形成可以獨(dú)立安裝、擴(kuò)容和演進(jìn)的基站解決方案，以適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求。

（4）CPE終端：一款基于TD-LTE的無線路由器，通過CPE終端可接入到IP網(wǎng)絡(luò)，完成各種數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)傳輸。

2.2 無線組網(wǎng)選線系統(tǒng)

無線組網(wǎng)選線[2]系統(tǒng)是帶遠(yuǎn)程通信的選線定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)集電壓、電流測(cè)量、故障監(jiān)測(cè)、故障錄波、定位/指示等功能于一體，與配電選線定位主站通信，完成配網(wǎng)線路的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)[3]、故障監(jiān)測(cè)與指示等功能。在線選線定位系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性、高安全性、功能完善、抗干擾能力強(qiáng)、故障定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步提高了故障巡線的效率，縮短故障停電的時(shí)間，保障了線路的安全穩(wěn)定，同時(shí)也減少了人力資源的浪費(fèi)，降低了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失。

主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）小電流接地故障監(jiān)測(cè)[4]與指示功能：實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電壓和饋出線回路的零序電流，對(duì)數(shù)據(jù)采樣的可信度進(jìn)行全面分析，在此基礎(chǔ)上，使用“多重判據(jù)模糊推論綜合選線”方法，綜合“首半波基波比幅比相法”“最大增量法”“智能高次諧波法”“基波有功功率比較法”等8種選線方法針對(duì)不同狀況進(jìn)行選線判定，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綜合選線，能夠識(shí)別系統(tǒng)單相接地、系統(tǒng)短路、系統(tǒng)諧振、PT斷線等多種故障狀態(tài)，并在發(fā)生單相接地故障以及短路故障時(shí)，準(zhǔn)確判定故障線路，并將故障信息傳送至后臺(tái)，方便運(yùn)維人員進(jìn)行故障隔離，恢復(fù)系統(tǒng)正常供電。

（2）運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能：實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三相電壓、各饋出線回路的零序電流等運(yùn)行信息以及主供電源、后備電源等狀態(tài)信息，并將以上信息上送至主站。

（3）線路故障手機(jī)APP推送：手機(jī)APP不僅可以接收管控平臺(tái)推送的預(yù)警信息和設(shè)備報(bào)警信號(hào)，更能夠接收所有選線裝置的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、歷史故障記錄（1000條事件記錄）以及發(fā)生故障時(shí)的故障錄波等信息。

（4）規(guī)模不受限制：一個(gè)工程下最多可以安裝255臺(tái)選線裝置組織成為一個(gè)虛擬局域網(wǎng)。

（5）選線速度快：最快可以在20 ms之內(nèi)準(zhǔn)確選出故障線路，配合專用跳閘模塊可以快速地對(duì)故障線路進(jìn)行隔離。

（6）微信推送：通過掃碼關(guān)注并授權(quán)之后，用戶可以指定微信賬號(hào)用于接收故障信息，在系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，在10 s之內(nèi)可以接收到故障信息和故障線路。

（7）U盤接口：裝置帶有U盤接口，可以方便用戶將故障錄波數(shù)據(jù)導(dǎo)出，導(dǎo)出數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)的Comtrade99錄波文件格式。

3 4G/5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線組網(wǎng)選線系統(tǒng)的應(yīng)用

4G/5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線組網(wǎng)選線系統(tǒng)是由一系列安裝在配電線路上的無線采集單元和無線匯集單元構(gòu)成，無線采集單元實(shí)時(shí)采集線路運(yùn)行狀況，并通過微功率通信發(fā)送數(shù)據(jù)（三相電壓、回路零序電流、故障回路電流、主供電源、后備電源等信息）到無線匯集單元。無線匯集單元無線模塊連接CPE發(fā)出的Wi-Fi信號(hào)接入至4G/5G無線專網(wǎng)，并將采集到的數(shù)據(jù)傳送至控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的配電定位主站。

3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖3 通信圖

無線組網(wǎng)選線系統(tǒng)主要有終端層、通信層和主站層組成，三層分別由不同的設(shè)備構(gòu)成。該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.2 設(shè)備配置及安裝

（1）SHK-WLS2總站型無線組網(wǎng)選線系統(tǒng)?？傉緹o線組網(wǎng)選線SHK-WLS2負(fù)責(zé)總站母線的故障線路定位；通過GPRS+4G/5G無線通信從云服務(wù)器獲取分站無線組網(wǎng)選線裝置選線信息、計(jì)算分析出最終選線結(jié)果并上傳最終選線結(jié)果至云服務(wù)器，并將相關(guān)單相接地故障點(diǎn)信息上報(bào)給用戶后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）SHK-WLS2分站型無線組網(wǎng)選線系統(tǒng)。負(fù)責(zé)分站選線數(shù)據(jù)采集預(yù)判，并將采集數(shù)據(jù)信息通過GPRS+4G/5G無線通信方式傳遞至云服務(wù)器，由總站無線組網(wǎng)選線裝置集中分析計(jì)算，確定分站母線故障線路的定位。

（3）合凱云平臺(tái)。負(fù)責(zé)匯總各選線裝置數(shù)據(jù)信息及故障信息，并通過手機(jī)APP時(shí)時(shí)查看裝置運(yùn)行信息，并通過微信及時(shí)推送故障信息。

4 4G/5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線組網(wǎng)選線系統(tǒng)的應(yīng)用效果

圖4 SHK-WLS2系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示

圖5 SHK-WLS2系統(tǒng)正確動(dòng)作波形及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示

5 結(jié)束語

通過基于4G/5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線組網(wǎng)選線系統(tǒng)在某化工企業(yè)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了配網(wǎng)線路的短路、接地故障的準(zhǔn)確定位，實(shí)現(xiàn)了對(duì)線路的運(yùn)行在線監(jiān)測(cè)和報(bào)警功能。大大提高了供電可靠性，同時(shí)也減少了故障巡線人員的數(shù)量和巡線時(shí)間，提高了工作效率。下一步，該企業(yè)將該系統(tǒng)擴(kuò)展至其他區(qū)域的10 kV系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)全部配網(wǎng)線路的智能在線監(jiān)測(cè)。并為以后類似項(xiàng)目實(shí)施具有指導(dǎo)意義。值得在配網(wǎng)供電系統(tǒng)的廣泛推廣。