基于配網(wǎng)自動化的故障處理技術(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，是國家重點發(fā)展和投資的行業(yè)，但電力需求與電力供應(yīng)之間往往不能達到平衡，由電網(wǎng)規(guī)模急速擴大導(dǎo)致輸配電網(wǎng)饋線終端管理不足，進而造成的能源短缺現(xiàn)象嚴重[1]。特別地，在電網(wǎng)運行中，由于傳統(tǒng)的配電網(wǎng)模式以供方為主導(dǎo)，運行安全基本依賴于人工管理，故障決策主觀性強，而饋線終端出現(xiàn)故障后，地處偏遠地區(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)、高效運行無法得到有效保障，還會直接影響國家的經(jīng)濟利益和居民的生活品質(zhì)[2]。因此，發(fā)展電網(wǎng)故障處理的自動化是實現(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個街道和9個鎮(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CY區(qū)范圍內(nèi)的配電網(wǎng)規(guī)模進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1。從表1可看出，CY區(qū)的配電規(guī)模巨大，線路距離長，線路長時間運行后產(chǎn)生的故障將給故障監(jiān)測和處理工作帶來巨大的壓力，有必要尋求一個可行的自動化處理方式。

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，各項使用性能都會導(dǎo)致電網(wǎng)的功能失效，因此對這些設(shè)備的檢測和維修是一項必不可少的工作。該文對年度范圍內(nèi)配電網(wǎng)出現(xiàn)的計劃檢修、非計劃檢修、臨時檢修等執(zhí)行情況進行了統(tǒng)計，結(jié)果見表2。從表2可以看出，2021年對配電網(wǎng)的檢修次數(shù)一共是7577次，而緊急檢修執(zhí)行情況達到771次，約占總檢修次數(shù)的10.18%，這對配電網(wǎng)自動化故障處理的要求極高。只有數(shù)據(jù)的快速檢測、反饋和響應(yīng)，才能達到高效故障維修的目的，才能實現(xiàn)降低停電時間和縮小停電范圍的配網(wǎng)運行效果。

表2 2021年廣東省某市CY區(qū)的配電網(wǎng)檢修計劃

對2021年度CY區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的配電網(wǎng)饋線保護跳閘故障信息進行信息統(tǒng)計，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，達到204次，而GB鎮(zhèn)的總跳閘次數(shù)最小，達到57次。站內(nèi)跳閘失壓次數(shù)大于60次的有3個鄉(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，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，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)庫的建立[4-5]。在實際的電網(wǎng)工程運營維護中，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內(nèi)容，特別是針對某些高頻次跳閘的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，可以借助自動化的故障處理方式，選取綜合電壓合格率和綜合線損率2個指標進行故障處理效果的評判。

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)的自動化故障處理模式

目前，國內(nèi)電網(wǎng)運營企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了35kV電網(wǎng)運行的自動化，但10kV及以下的電網(wǎng)由于受到電壓等級、線路規(guī)模以及設(shè)備數(shù)量龐大等的影響，其自動化則未完全實現(xiàn)。因此對10kV及以下的配網(wǎng)自動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)的自動化故障處理模式，分別是就地式饋線自動化故障處理模式和主站集中型饋線自動化故障處理模式。以典型的電壓電流時間型配網(wǎng)故障為例，就地式饋線自動化故障處理模式和集中型饋線自動化故障的處理邏輯如圖2所示。該研究中采用的配網(wǎng)自動化故障處理模式為就地饋線自動化故障處理模式。

圖2 2種不同配網(wǎng)自動化故障的處理模式

3 基于卡曼濾波的配網(wǎng)系統(tǒng)自動化故障處理

在配網(wǎng)系統(tǒng)故障的數(shù)據(jù)采集中，由于采用的是遠程數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測設(shè)備存在于惡劣的戶外環(huán)境，不可避免地會受到環(huán)境的干擾以及設(shè)備自身因素的影響，導(dǎo)致這些監(jiān)測參數(shù)發(fā)生數(shù)據(jù)異常現(xiàn)象，在信號數(shù)據(jù)處理中可以認為是數(shù)據(jù)噪聲，因此對這些干擾信號進行剔除，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與真實情況的逼近是配網(wǎng)系統(tǒng)自動化故障處理的關(guān)鍵[7-8]。該文嘗試利用卡爾曼濾波對自動化故障進行數(shù)據(jù)濾波和最優(yōu)估計?？柭鼮V波對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)方程和觀測方程進行最小無偏方差性的系統(tǒng)輸出，并在運算過程中能夠不斷地修正測量值，具有實時動態(tài)性，計算的最優(yōu)估計值關(guān)注當前時刻的數(shù)據(jù)信息，與過往的觀測數(shù)據(jù)無關(guān)。在卡爾曼濾波中，計算過程主要分為5個步驟。

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

式中：xT為T時刻的估計值；xT-1為T-1時刻的觀測值；A為卡爾曼轉(zhuǎn)換矩陣。

步驟二為基于T-1時刻的系統(tǒng)協(xié)方差矩陣預(yù)測T時刻數(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時刻的系統(tǒng)協(xié)方差矩陣；PT-1為T-1時刻的觀測值中轉(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算，如公式（3）所示。

式中：KT為T時刻的卡爾曼濾波增益；HT為T時刻的卡爾曼增益矩陣。

步驟四為更新后卡爾曼濾波預(yù)估值計算，如公式（4）所示。

式中：zT為T時刻的測量值。

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

以上處理方法可以依靠編程實現(xiàn)，在程序中設(shè)定某個故障參數(shù)的閾值，當監(jiān)測模塊對故障數(shù)據(jù)進行采集，程序處理后數(shù)據(jù)超出閾值時，表示節(jié)點出現(xiàn)故障，發(fā)出報警提示，進行故障處理；反之，則認為當前數(shù)據(jù)采集節(jié)點正常。

4 配網(wǎng)自動化故障處理效果分析

對廣東省某市CY區(qū)下轄各鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道的配電自動化故障處理效果進行分析，選取的指標有2個，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)過自動化處理后，綜合電壓合格率得到了明顯提升，達到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)過自動化處理后，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)定運行。

圖3 配網(wǎng)自動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個街道和9個鎮(zhèn)的配網(wǎng)為研究對象，在分析電網(wǎng)自動化建設(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化數(shù)據(jù)處理，研究配網(wǎng)的自動化處理效率，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%，這對配電網(wǎng)自動化故障處理的要求極高，只有數(shù)據(jù)的快速檢測、反饋和響應(yīng)，才能達到高效故障維修的目的，才能實現(xiàn)降低停電時間和縮小停電范圍的配網(wǎng)運行效果。2）在自動化故障處理前，所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道的綜合電壓合格率在90%~94%，經(jīng)過自動化處理后，綜合電壓合格率得到了明顯提升，達到96%~97%；綜合線損率在自動化故障處理前為6.5%~7.5%，經(jīng)過自動化處理后，綜合線損率有明顯降低，為5.8%~6.3%。綜上所述，采用配網(wǎng)自動化故障處理系統(tǒng)后，配網(wǎng)的故障處理效果明顯。