基于配網(wǎng)自動(dòng)化的故障處理技術(shù)研究與應(yīng)用

黃銳東 郭思偉 周宗杰

（廣東正超電氣有限公司，廣東 汕頭 515000）

0 引言

電能是居民日常生活生產(chǎn)最重要的能源之一，是國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展和投資的行業(yè)，但電力需求與電力供應(yīng)之間往往不能達(dá)到平衡，由電網(wǎng)規(guī)模急速擴(kuò)大導(dǎo)致輸配電網(wǎng)饋線終端管理不足，進(jìn)而造成的能源短缺現(xiàn)象嚴(yán)重[1]。特別地，在電網(wǎng)運(yùn)行中，由于傳統(tǒng)的配電網(wǎng)模式以供方為主導(dǎo)，運(yùn)行安全基本依賴于人工管理，故障決策主觀性強(qiáng)，而饋線終端出現(xiàn)故障后，地處偏遠(yuǎn)地區(qū)的饋線信息受到地理因素和環(huán)境因素的影響，其故障信息在傳輸過(guò)程中容易產(chǎn)生遺漏、畸變等現(xiàn)象，加大了故障的定位難度，導(dǎo)致故障維修效率低下，甚至造成連鎖故障，因此電能的安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、高效運(yùn)行無(wú)法得到有效保障，還會(huì)直接影響國(guó)家的經(jīng)濟(jì)利益和居民的生活品質(zhì)[2]。因此，發(fā)展電網(wǎng)故障處理的自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)智能化電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵[3]。

1 配電網(wǎng)故障現(xiàn)狀分析

廣東省某市CY區(qū)下轄4個(gè)街道和9個(gè)鎮(zhèn)，在省市智能化電網(wǎng)建設(shè)中，市域范圍內(nèi)的10kV配電網(wǎng)建設(shè)日臻完善，在饋線線路長(zhǎng)度、饋線數(shù)量以及配變電站容量上都具有明顯的規(guī)模效應(yīng)。對(duì)CY區(qū)范圍內(nèi)的配電網(wǎng)規(guī)模進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可看出，CY區(qū)的配電規(guī)模巨大，線路距離長(zhǎng)，線路長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后產(chǎn)生的故障將給故障監(jiān)測(cè)和處理工作帶來(lái)巨大的壓力，有必要尋求一個(gè)可行的自動(dòng)化處理方式。

表1 廣東省某市CY區(qū)的配電網(wǎng)規(guī)模

由于配電網(wǎng)在運(yùn)行多年后出現(xiàn)設(shè)備老化、線路破損和短路等現(xiàn)象，各項(xiàng)使用性能都會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的功能失效，因此對(duì)這些設(shè)備的檢測(cè)和維修是一項(xiàng)必不可少的工作。該文對(duì)年度范圍內(nèi)配電網(wǎng)出現(xiàn)的計(jì)劃?rùn)z修、非計(jì)劃?rùn)z修、臨時(shí)檢修等執(zhí)行情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出，2021年對(duì)配電網(wǎng)的檢修次數(shù)一共是7577次，而緊急檢修執(zhí)行情況達(dá)到771次，約占總檢修次數(shù)的10.18%，這對(duì)配電網(wǎng)自動(dòng)化故障處理的要求極高。只有數(shù)據(jù)的快速檢測(cè)、反饋和響應(yīng)，才能達(dá)到高效故障維修的目的，才能實(shí)現(xiàn)降低停電時(shí)間和縮小停電范圍的配網(wǎng)運(yùn)行效果。

表2 2021年廣東省某市CY區(qū)的配電網(wǎng)檢修計(jì)劃

對(duì)2021年度CY區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的配電網(wǎng)饋線保護(hù)跳閘故障信息進(jìn)行信息統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，各街道和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的配網(wǎng)跳閘事故的頻次并非是均布出現(xiàn)的，其中HX鎮(zhèn)的總跳閘次數(shù)最大，達(dá)到204次，而GB鎮(zhèn)的總跳閘次數(shù)最小，達(dá)到57次。站內(nèi)跳閘失壓次數(shù)大于60次的有3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，分別為HX鎮(zhèn)、HM鎮(zhèn)和GR鎮(zhèn)；站內(nèi)跳閘失壓次數(shù)為50次~60次的鄉(xiāng)鎮(zhèn)或街道有4個(gè)，分別為GN街道、HP鎮(zhèn)、HP鎮(zhèn)和MB街道；站外跳閘失壓次數(shù)大于20次的鄉(xiāng)鎮(zhèn)或街道有6個(gè)，分別為HX鎮(zhèn)、HM鎮(zhèn)、HR鎮(zhèn)、MB街道、XL鎮(zhèn)和JP街道，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)或街道的站外跳閘失壓次數(shù)均小于10次。另外，鄉(xiāng)鎮(zhèn)間的配電網(wǎng)設(shè)備分布零散且種類、數(shù)量很多，采集的數(shù)據(jù)量巨大，配網(wǎng)故障的分布也不均衡，因此依賴人工管理的配網(wǎng)故障維修不僅響應(yīng)遲緩，而且也不利于故障數(shù)據(jù)庫(kù)的建立[4-5]。在實(shí)際的電網(wǎng)工程運(yùn)營(yíng)維護(hù)中，尋求一種快捷高效的故障判別方法和故障處理模式已成為極其重要的研究?jī)?nèi)容，特別是針對(duì)某些高頻次跳閘的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，可以借助自動(dòng)化的故障處理方式，選取綜合電壓合格率和綜合線損率2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行故障處理效果的評(píng)判。

圖1 2021年廣東省某市CY區(qū)的配電網(wǎng)故障分布

2 配網(wǎng)系統(tǒng)的自動(dòng)化故障處理模式

目前，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了35kV電網(wǎng)運(yùn)行的自動(dòng)化，但10kV及以下的電網(wǎng)由于受到電壓等級(jí)、線路規(guī)模以及設(shè)備數(shù)量龐大等的影響，其自動(dòng)化則未完全實(shí)現(xiàn)。因此對(duì)10kV及以下的配網(wǎng)自動(dòng)化故障處理模式的分析具有十分關(guān)鍵的作用[6]。目前主要發(fā)展出了2種配網(wǎng)系統(tǒng)的自動(dòng)化故障處理模式，分別是就地式饋線自動(dòng)化故障處理模式和主站集中型饋線自動(dòng)化故障處理模式。以典型的電壓電流時(shí)間型配網(wǎng)故障為例，就地式饋線自動(dòng)化故障處理模式和集中型饋線自動(dòng)化故障的處理邏輯如圖2所示。該研究中采用的配網(wǎng)自動(dòng)化故障處理模式為就地饋線自動(dòng)化故障處理模式。

圖2 2種不同配網(wǎng)自動(dòng)化故障的處理模式

3 基于卡曼濾波的配網(wǎng)系統(tǒng)自動(dòng)化故障處理

在配網(wǎng)系統(tǒng)故障的數(shù)據(jù)采集中，由于采用的是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測(cè)設(shè)備存在于惡劣的戶外環(huán)境，不可避免地會(huì)受到環(huán)境的干擾以及設(shè)備自身因素的影響，導(dǎo)致這些監(jiān)測(cè)參數(shù)發(fā)生數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象，在信號(hào)數(shù)據(jù)處理中可以認(rèn)為是數(shù)據(jù)噪聲，因此對(duì)這些干擾信號(hào)進(jìn)行剔除，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與真實(shí)情況的逼近是配網(wǎng)系統(tǒng)自動(dòng)化故障處理的關(guān)鍵[7-8]。該文嘗試?yán)每柭鼮V波對(duì)自動(dòng)化故障進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波和最優(yōu)估計(jì)。卡爾曼濾波對(duì)線性高斯模型具有良好的適應(yīng)性，能夠?qū)ο到y(tǒng)的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程進(jìn)行最小無(wú)偏方差性的系統(tǒng)輸出，并在運(yùn)算過(guò)程中能夠不斷地修正測(cè)量值，具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性，計(jì)算的最優(yōu)估計(jì)值關(guān)注當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)信息，與過(guò)往的觀測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)。在卡爾曼濾波中，計(jì)算過(guò)程主要分為5個(gè)步驟。

步驟一為在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間系列上，基于T-1時(shí)刻的觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)T時(shí)刻數(shù)據(jù)，如公式（1）所示。

式中：xT為T(mén)時(shí)刻的估計(jì)值；xT-1為T(mén)-1時(shí)刻的觀測(cè)值；A為卡爾曼轉(zhuǎn)換矩陣。

步驟二為基于T-1時(shí)刻的系統(tǒng)協(xié)方差矩陣預(yù)測(cè)T時(shí)刻數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)誤差協(xié)方差矩陣，如公式（2）所示。

式中：PT為T(mén)時(shí)刻的系統(tǒng)協(xié)方差矩陣；PT-1為T(mén)-1時(shí)刻的觀測(cè)值中轉(zhuǎn)誤差協(xié)方差矩陣；AT為卡爾曼轉(zhuǎn)換矩陣的轉(zhuǎn)置。

步驟三為卡爾曼濾波增益計(jì)算，如公式（3）所示。

式中：KT為T(mén)時(shí)刻的卡爾曼濾波增益；HT為T(mén)時(shí)刻的卡爾曼增益矩陣。

步驟四為更新后卡爾曼濾波預(yù)估值計(jì)算，如公式（4）所示。

式中：zT為T(mén)時(shí)刻的測(cè)量值。

步驟五為更新后卡爾曼濾波預(yù)估值誤差協(xié)方差矩陣計(jì)算，如公式（5）所示。

以上處理方法可以依靠編程實(shí)現(xiàn)，在程序中設(shè)定某個(gè)故障參數(shù)的閾值，當(dāng)監(jiān)測(cè)模塊對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，程序處理后數(shù)據(jù)超出閾值時(shí)，表示節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，發(fā)出報(bào)警提示，進(jìn)行故障處理；反之，則認(rèn)為當(dāng)前數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)正常。

4 配網(wǎng)自動(dòng)化故障處理效果分析

對(duì)廣東省某市CY區(qū)下轄各鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道的配電自動(dòng)化故障處理效果進(jìn)行分析，選取的指標(biāo)有2個(gè)，分別為綜合電壓合格率和綜合線損率，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，在自動(dòng)化故障處理前，所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道的綜合電壓合格率在90%~94%，其中，JZ鎮(zhèn)、HM鎮(zhèn)和TY鎮(zhèn)的綜合電壓合格率較低，分別為90.66%、91.89%和92.48%。經(jīng)過(guò)自動(dòng)化處理后，綜合電壓合格率得到了明顯提升，達(dá)到96%~97%，JZ鎮(zhèn)、HM鎮(zhèn)和TY鎮(zhèn)的綜合電壓合格率分別提高至97.49%、96.96%和96.92%。自動(dòng)化故障處理后的其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)綜合電壓合格率均呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的變化。綜合線損率在自動(dòng)化故障處理前介于6.5%至7.5%之間，其中，XL鎮(zhèn)、GR鎮(zhèn)和GY鎮(zhèn)的綜合線損率較高，分別為7.50%、7.44%和7.29%。經(jīng)過(guò)自動(dòng)化處理后，綜合線損率有明顯降低，為5.8%~6.3%，XL鎮(zhèn)、GR鎮(zhèn)和GY鎮(zhèn)的綜合線損率分別降低至6.28%、5.84%和6.18%。自動(dòng)化故障處理后的其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)綜合線損率均呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的變化。綜上所述，采用配網(wǎng)自動(dòng)化故障處理系統(tǒng)后，配網(wǎng)的故障處理效果明顯，有效保障了CY區(qū)下轄鄉(xiāng)鎮(zhèn)大面積電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 配網(wǎng)自動(dòng)化故障處理效果分析

5 結(jié)論

該文以廣東省某市CY區(qū)下轄4個(gè)街道和9個(gè)鎮(zhèn)的配網(wǎng)為研究對(duì)象，在分析電網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)現(xiàn)狀和故障發(fā)生情況的基礎(chǔ)上，基于卡曼濾波的自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理，研究配網(wǎng)的自動(dòng)化處理效率，得出如下結(jié)論：1）區(qū)域內(nèi)2021年緊急檢修執(zhí)行約占總檢修次數(shù)的10.18%，這對(duì)配電網(wǎng)自動(dòng)化故障處理的要求極高，只有數(shù)據(jù)的快速檢測(cè)、反饋和響應(yīng)，才能達(dá)到高效故障維修的目的，才能實(shí)現(xiàn)降低停電時(shí)間和縮小停電范圍的配網(wǎng)運(yùn)行效果。2）在自動(dòng)化故障處理前，所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道的綜合電壓合格率在90%~94%，經(jīng)過(guò)自動(dòng)化處理后，綜合電壓合格率得到了明顯提升，達(dá)到96%~97%；綜合線損率在自動(dòng)化故障處理前為6.5%~7.5%，經(jīng)過(guò)自動(dòng)化處理后，綜合線損率有明顯降低，為5.8%~6.3%。綜上所述，采用配網(wǎng)自動(dòng)化故障處理系統(tǒng)后，配網(wǎng)的故障處理效果明顯。