基于GIS技術(shù)的10kV配電網(wǎng)綜合自動化系統(tǒng)研究

山西潞光發(fā)電有限公司 王冬冬

1.引言

我國的配電網(wǎng)電壓有著不同的等級，其中10kV 配電網(wǎng)應(yīng)用較為廣泛，配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)主要是通過人工巡查等人為方式進(jìn)行控制和故障的檢測。這種方式工作效率較低，同時有些潛在的隱患也較難發(fā)現(xiàn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，配電網(wǎng)逐漸發(fā)展成為自動化控制形式。將先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用其中，可以顯著提高配電網(wǎng)的可靠性。將GIS 技術(shù)引入到10kV配電網(wǎng)的綜合自動化系統(tǒng)中，可以帶來良好的效果。

2 GIS技術(shù)與10kV配電網(wǎng)概述

GIS 技術(shù)指地理信息系統(tǒng)，可以應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、電力電信、土地資源以及生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域，實現(xiàn)地理信息的獲取、處理和交換。

配電網(wǎng)在電網(wǎng)系統(tǒng)中的作用是電力分配，主要由電纜、變壓器、輸電線路以及桿塔等組成。根據(jù)電壓的等級，可以將配電網(wǎng)分為三類。一是高壓配電網(wǎng)，配電范圍為35～110kV。二是中壓配電網(wǎng)，配電的范圍為6～10kV。三是低壓配電網(wǎng)，配電范圍為220V 或者380V。本文研究的10kV 配電網(wǎng)屬于中壓配電網(wǎng)，具有4 個特點。一是網(wǎng)絡(luò)分布多。10kV的配電網(wǎng)應(yīng)用十分廣泛，覆蓋面較廣，傳輸范圍遠(yuǎn)高于其他級別配電網(wǎng)。二是電力設(shè)備較多。10kV配電網(wǎng)會涉及很多電力設(shè)備，類型繁多，同時這些設(shè)備沒有完全實現(xiàn)自動化，在一定程度上增加了運維的成本。三是通信能力不足。由于電網(wǎng)分布廣泛，同時通信網(wǎng)又沒有實現(xiàn)全覆蓋，在一定程度上影響了通信能力。四是故障較多。通過統(tǒng)計分析，10kV配電網(wǎng)故障率一直較高，并且在發(fā)生故障后難以準(zhǔn)確定位，處理上較為困難?；诖耍仨殞?0kV配電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可以將GIS技術(shù)應(yīng)用到10kV 配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中，實現(xiàn)配電網(wǎng)的準(zhǔn)確調(diào)度。

3 GIS技術(shù)在10kV配電網(wǎng)綜合系統(tǒng)中的優(yōu)勢分析

GIS技術(shù)應(yīng)用于10kV配電網(wǎng)綜合系統(tǒng)中，主要優(yōu)勢有3方面。一是位置信息的自動獲取。GIS定位具有準(zhǔn)確、高效的特性，可以實現(xiàn)信息的實時同步。二是信息自動上傳，對采集的數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)自動上傳，時效性較高。三是具有較強的安全性。將GIS技術(shù)引入自動化系統(tǒng)中，可以提高信息傳輸?shù)陌踩裕M(jìn)而保證電力穩(wěn)定傳輸[1]。

4 基于GIS 技術(shù)的10 kV 配電網(wǎng)綜合自動化系統(tǒng)設(shè)計

4.1 配電網(wǎng)綜合自動化系統(tǒng)總體設(shè)計

第一，需要確定電氣設(shè)計和通信方式。電氣設(shè)計主要涉及電氣設(shè)備、輸電線路等。實現(xiàn)配電網(wǎng)綜合系統(tǒng)自動化的關(guān)鍵是通信方式，同時需要給相關(guān)的電氣設(shè)備增加自動控制模塊，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)自動化功能，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在工作中，相關(guān)工作人員在監(jiān)測中心結(jié)合配電網(wǎng)實際運行情況，發(fā)出具有針對性的指令，以實現(xiàn)對電氣設(shè)備的有效控制[2]。例如，在監(jiān)測的過程中，如果發(fā)現(xiàn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息存在異常，如電壓參數(shù)不正確等，能夠結(jié)合實際情況進(jìn)行分析處理，有效避免電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障。本設(shè)計采用的是無線通信方式。與傳統(tǒng)的電力線通信方式相比，無線通信更具優(yōu)勢，可以有效解決通信速率低、可靠性弱等問題。本文設(shè)計的綜合自動化系統(tǒng)利用5G技術(shù)進(jìn)行無線通信，可以實現(xiàn)穩(wěn)定、高效傳輸。

第二，明確GIS 信息獲取方式。GIS 是地理信息系統(tǒng)，主要作用是獲取地理位置信息。本設(shè)計在位置信息獲取上利用GPS 技術(shù)。GPS 定位技術(shù)在生活中一般在智能手機、導(dǎo)航系統(tǒng)中應(yīng)用較為常見。但是在配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中無法利用其實現(xiàn)，因此系統(tǒng)中選擇GPS 模塊。GPS 定位模塊在自動化系統(tǒng)中有兩種形式。第一種是將定位模塊加入電氣設(shè)備中，可以實現(xiàn)對各個電氣設(shè)備的定位，從而了解其位置信息。但是這種方式需要對電氣設(shè)備進(jìn)行改造，這并不是一件容易的事情，大部分電氣設(shè)備在出廠前都進(jìn)行了密封，不允許隨意拆卸改裝。如果想要將GPS 模塊安裝在電氣設(shè)備中，需要在廠商設(shè)計時加入。另一種是將定位模塊加入通信節(jié)點中，通過增加通信節(jié)點的方式，實現(xiàn)對電氣設(shè)備的定位。從配電網(wǎng)現(xiàn)場情況來看，兩個電氣設(shè)備間的距離并不遠(yuǎn)，可以在兩個設(shè)備間設(shè)計通信節(jié)點，實現(xiàn)一個節(jié)點定位兩個設(shè)備，可以滿足故障定位的要求。將兩種形式進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，第二種形式雖然沒有第一種定位精準(zhǔn)，但是能夠滿足故障定位要求。同時，這種方式無須對電氣設(shè)備進(jìn)行改造，也不需要增加通信線路，成本較低。因此，本配電網(wǎng)綜合自動化系統(tǒng)定位方式選擇的是在將GPS 定位模塊加入通信節(jié)點中[3-4]。

4.2 配電網(wǎng)綜合自動化系統(tǒng)通信節(jié)點設(shè)計

通信方式是實現(xiàn)10kV 配電網(wǎng)綜合系統(tǒng)實現(xiàn)自動化的關(guān)鍵，因此必須重視通信設(shè)計，促使數(shù)據(jù)信息可以高效地進(jìn)行傳輸。

首先，需要設(shè)計自動化通信形式。配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成。一是現(xiàn)場的電氣設(shè)備，包括繼電器、互感器、開關(guān)、變壓器等。二是上層控制中心。通信的作用主要是實現(xiàn)這系統(tǒng)中這兩部分的數(shù)據(jù)通信。電氣設(shè)備需要結(jié)合實際進(jìn)行選型。需要注意的是不同的設(shè)備在通信方式上存在一定的差異。以太網(wǎng)和RS485 是較為常見的通信形式。在無線通信中主要是4G、5G 等通信方式。對于上層控制中心，只能通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信。本設(shè)計電氣設(shè)備選用的是無線通信方式，要實現(xiàn)二者的通信，還需要設(shè)計通信轉(zhuǎn)接單元。同時對于專網(wǎng)通信上具有一定的要求。電力系統(tǒng)必須具備較強的穩(wěn)定性，如果電網(wǎng)不穩(wěn)定，不僅會給人們帶來不良的用電體驗，甚至?xí)斐梢欢ǖ慕?jīng)濟損失。在這樣的情況下，更應(yīng)該加強通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，避免有不法人員通過攻擊通信網(wǎng)絡(luò)，配電網(wǎng)失穩(wěn)，帶來嚴(yán)重后果。基于此，配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)通信要利用專網(wǎng)通信，保證電網(wǎng)通信和其他互聯(lián)網(wǎng)之間進(jìn)行物理隔離。其次，需要設(shè)計自動化通信單元。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖1可知，通信系統(tǒng)主要由3部分組成，分別是主站、接入單元以及通信網(wǎng)骨干。接入單元的作用實現(xiàn)通信的轉(zhuǎn)接，可以讓現(xiàn)場設(shè)備和上層監(jiān)測中心實現(xiàn)有效通信。主站在監(jiān)測中心，主要有交換機以及相關(guān)的服務(wù)器等組成。骨干網(wǎng)絡(luò)即現(xiàn)場和監(jiān)測中心的專網(wǎng)通信基礎(chǔ)，既支持無線專網(wǎng)通信，也可以支持光纖通信。如果采用光纖通信的方式，系統(tǒng)中的開關(guān)站使用OLT光線路終端進(jìn)行連接，這種方式功耗較低，可以實現(xiàn)一對多傳輸。如果采用專網(wǎng)通信，應(yīng)該重視傳輸方式的選擇，主要有GPRS、WIMAX、4G、5G 等方式。在目前的網(wǎng)絡(luò)通信中，WIMAX 應(yīng)用較少，主要應(yīng)用在專網(wǎng)領(lǐng)域。在配電網(wǎng)綜合自動化系統(tǒng)中，WIMAX 在專網(wǎng)通信上具有良好應(yīng)用效果，本設(shè)計采取WIMAX 專網(wǎng)實現(xiàn)通信。WIMAX實物如圖2所示。

圖2 WIMAX實物

最后，需要設(shè)計自動化通信接入單元。上文分析了通信的形式和通信單元，現(xiàn)場和上層監(jiān)測中心實現(xiàn)通信需要接入單元。本設(shè)計中的接入單元有4 種接口形式，是CAN 總線接口、RS-232 通信接口、RS-485 總線接口、以太網(wǎng)通信接口。同時，還設(shè)計了錯誤信息存儲模塊以及故障警報模塊。在通信過程中，如果輸配網(wǎng)存在問題，會將傳輸?shù)墓收闲畔⑦M(jìn)行存儲，同時發(fā)出警報，讓相關(guān)工作人員通過相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行故障分析，處理相關(guān)問題，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定傳輸。接口控制平臺共由五部分組成。一是GPS 模塊，主要的功能是對地理位置進(jìn)行定位。二是控制最小系統(tǒng)，主要包括時鐘電路、復(fù)位電路和調(diào)試電路。三是設(shè)備間通信模塊，主要包括CAN 總線、RS-232 通信接口等。四是上層監(jiān)測中心通信，主要包括以太網(wǎng)和WIMAX 通信。五是信息存儲和報警模塊。各個部分都由微控制器連接和控制。微控制器的種類很多，如ARM 系列控制器、單片機控制器等，不同的微控制器具有不同的特點和優(yōu)勢。經(jīng)過綜合分析，本設(shè)計選擇了單片機微控制器對各個模塊進(jìn)行控制，選擇的型號是MSP430，具有運算速率快、功耗低、較多的接口等性能，可以實現(xiàn)通信控制器平臺功能。

4.3 配電網(wǎng)綜合自動化系統(tǒng)集成方案設(shè)計

將GIS 技術(shù)應(yīng)用于配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中，主要實現(xiàn)位置信息的獲取，從而有效實現(xiàn)故障定位以及電力的合理調(diào)度。工作人員在獲取地理位置信息后，需要和系統(tǒng)進(jìn)行集成，以此實現(xiàn)統(tǒng)一管理。

關(guān)于系統(tǒng)集成，主要有幾方面要求。一是信息模型要具有一致性，配電網(wǎng)綜合自動化系統(tǒng)中涉及的所有子系統(tǒng)的信息模型，都需要進(jìn)行統(tǒng)一，可以選擇IEC61970 模型。二是編碼要具有統(tǒng)一性。對于自動化控制系統(tǒng)而言，主要是對各個電氣設(shè)備進(jìn)行控制，所以要給不同的設(shè)備根據(jù)統(tǒng)一的原則進(jìn)行編碼，以此來實現(xiàn)對電氣設(shè)備的精準(zhǔn)控制。三是數(shù)據(jù)具有唯一性。對于數(shù)據(jù)的輸入，需要保證從唯一端口輸入，數(shù)據(jù)輸入后在自動化系統(tǒng)內(nèi)共享。四是要保證網(wǎng)絡(luò)安全。各個子系統(tǒng)之間需要進(jìn)行安全防護(hù)，在主站與集控系統(tǒng)間進(jìn)行加密處理。

GIS 與自動化系統(tǒng)的集成。首先，在信息交互方面。選擇的信息模型是IEC61970，可以實現(xiàn)信息在GIS 系統(tǒng)中的補充。相關(guān)的數(shù)據(jù)信息通過CAN 總線傳輸?shù)礁鱾€子系統(tǒng)中，形成配網(wǎng)圖形數(shù)據(jù)，最后在主站中形成統(tǒng)一配網(wǎng)圖形數(shù)據(jù)。同時主站也能夠?qū)⒔邮盏降男畔鬏數(shù)紾IS 系統(tǒng)中，實現(xiàn)信息內(nèi)容的交互。其次，在交互流程方面。交互的信息是地理坐標(biāo)信息和實時配網(wǎng)信息。對于前者，主要從通信節(jié)點處采集，傳輸?shù)紾IS 系統(tǒng)中，在處理之后向主站系統(tǒng)傳輸。對于后者，信息傳輸?shù)牧鞒膛c地理位置信息的傳輸相反，由主站向GIS 系統(tǒng)傳輸。

自動化系統(tǒng)和PMS 系統(tǒng)的集成。PMS 是生產(chǎn)管理集成系統(tǒng)，作用是維護(hù)生產(chǎn)管理信息。在配電網(wǎng)綜合自動化系統(tǒng)中，需要增加電氣設(shè)備和通信節(jié)點，需要進(jìn)行維護(hù)，保證系統(tǒng)可以正常運行。交互的過程為與主站進(jìn)行信息傳輸以及與GIS 系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。

5 結(jié)語

本文分成3個部分基于GIS技術(shù)10kV配電網(wǎng)綜合自動化系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行研究。一是從GIS 技術(shù)以及10kV配電網(wǎng)兩個角度進(jìn)行了內(nèi)涵概述。二是從信息安全性、信息自動上傳以及信息自動獲取三方面分析GIS 技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢。三是從配電網(wǎng)綜合自動化系統(tǒng)總體設(shè)計、通信節(jié)點設(shè)計以及集成設(shè)計三方面對系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)地分析，在設(shè)備選型、通信方式選擇以及接口選擇等方面進(jìn)行了說明。