配電網(wǎng)智能化狀態(tài)監(jiān)測與故障處理平臺設(shè)計(jì)

劉 煒

（國網(wǎng)漢中供電公司 陜西 漢中 723000）

0 引言

配電網(wǎng)故障搶修是一項(xiàng)系統(tǒng)、復(fù)雜、精細(xì)的工作，其中涉及到多個(gè)環(huán)節(jié)、專業(yè)，配電網(wǎng)故障指揮業(yè)務(wù)是否高效，能直觀反映出供電企業(yè)處理用戶故障綜合能力和服務(wù)水平。對于部分地區(qū)而言，因?yàn)槿狈ε潆娋W(wǎng)自動化設(shè)備，配電網(wǎng)在搶修指揮業(yè)務(wù)方面存在很多不足，大部分故障維修相對被動，都是用戶直接電話報(bào)修或是總部直接下達(dá)維修指令，很難形成主動搶修的局面。因此，立足于現(xiàn)有實(shí)際情況，做好配電網(wǎng)自動化改造工作，需要從設(shè)備、技術(shù)、資金、人工這幾個(gè)方面入手，開發(fā)專門的監(jiān)測與故障處理平臺。

1 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

1.1 故障研判原理

通常配電網(wǎng)自動化主站在進(jìn)行線路故障診斷時(shí)，主要通過遙信方式實(shí)現(xiàn)定位。若線路本身出現(xiàn)短路故障，終端檢測系統(tǒng)會根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)、及時(shí)判斷停電過程，進(jìn)而做出科學(xué)有效的解決措施［1］。

1.2 接地故障判斷原理

對于不接地的配電網(wǎng)，或者是使用小電流方式進(jìn)行接地的配電網(wǎng)，故障發(fā)生初期會出現(xiàn)短暫停止現(xiàn)象，此過程持續(xù)時(shí)間大約為5 ～20 ms。配電網(wǎng)內(nèi)部的監(jiān)測裝置可迅速捕獲該信號，并與零序電場信號之間相互配合，可直接檢測故障位置、原因。

在監(jiān)測時(shí)，一旦出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會及時(shí)發(fā)出錄波，迅速記錄下故障發(fā)生瞬間產(chǎn)生的波形。同時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)還應(yīng)對終端內(nèi)部出現(xiàn)的所有波形進(jìn)行全面對比、系統(tǒng)分析，得出最終結(jié)果，將結(jié)果直接輸送到終端系統(tǒng)，或是通過系統(tǒng)直接發(fā)送短信到維修部。

1.3 應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對接地故障進(jìn)行檢測

1.3.1 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障特征分析

小電流接地系統(tǒng)配電網(wǎng)中，通常會采用中性點(diǎn)不接地和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈這兩種接地方式。

（1）中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。當(dāng)該系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時(shí)，可以使用序分量變換的方法計(jì)算，得出暫態(tài)零序電流的暫態(tài)等值電路。具體如圖1 所示。

圖1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障暫態(tài)等值電路

在圖1 中，u（t） 作為虛擬故障電源，R作為接地電流沿途的總電阻，L則為各種線路的等效電感，C0則為系統(tǒng)對地的等效電容。

假設(shè)虛擬電源uf（t）＝Umsin（ωt＋?），根據(jù)圖1 可以建立微分方程并對其進(jìn)行求解。當(dāng)故障接地電阻較小時(shí)，其故障點(diǎn)暫態(tài)電流可以按照公式（1）表示：

式（1）中，Um為系統(tǒng)相電壓峰值；ω為工頻頻率；?為故障瞬間電壓相位；為主諧振頻率；為主諧振分量的衰減系數(shù)。

根據(jù)配電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)和參數(shù)，主諧振頻率通常維持在200～2 000 Hz 的范圍，穩(wěn)定接地故障暫態(tài)過程持續(xù)時(shí)間通常維持在2 ～3 ms 的范圍，在處于暫態(tài)的狀態(tài)下，零序電流上的態(tài)信號通常以高頻阻尼振蕩作為主要特征。

（2）中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。當(dāng)該系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，暫態(tài)零序電流的暫態(tài)等值電路如圖2所示。

圖2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障暫態(tài)等值電路

經(jīng)過計(jì)算得到新的暫態(tài)零序電流公式，具體如公式（2）所示。該電流也呈現(xiàn)出與圖1 相類似的高頻阻尼振蕩特征。

1.3.2 應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行小電流單相接地故障檢測

人腦相對復(fù)雜，內(nèi)部有多個(gè)相互連通單元，通常稱之為神經(jīng)元，不同神經(jīng)元共同構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模擬人腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年發(fā)展，目前已經(jīng)出現(xiàn)了多種不同的結(jié)構(gòu)及算法。在本設(shè)計(jì)中，采用了反向傳播（back propagation， BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該模型主要包含輸入層、隱含層、輸出層這幾個(gè)部分。每一個(gè)層面中，都包含了多個(gè)神經(jīng)元，同時(shí)，還可以有效直接地模擬出人腦神經(jīng)元對于信號的處理過程。該網(wǎng)絡(luò)的搭建主要使用了BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具包［2］。每一個(gè)層級的神經(jīng)元輸入過程，都能清晰反映上一層輸出信號的變化趨勢：

式（3）中，Xn，Yn－1，out，Wn都為矩陣，每一個(gè)單獨(dú)的一行中都包含著一組單獨(dú)的數(shù)據(jù)。Xn代表著第n層神經(jīng)元的有效輸入，其中不同的層面都會存在一個(gè)與之相對應(yīng)的神經(jīng)元。Yn－1，out代表著n －1 層的有效輸出，每在其中不同的列都會對應(yīng)上一層次（n －1）的神經(jīng)元。同時(shí)，bn代表著偏移項(xiàng)，列數(shù)可以與對應(yīng)層次的神經(jīng)元的個(gè)數(shù)基本一致。

其中輸入層以及隱含層神經(jīng)元的激活函數(shù)，通常選取雙曲函數(shù)tanh，那么神經(jīng)元輸出就為：

其中輸出層的神經(jīng)元激活函數(shù)，通常選擇使用sigmoid 函數(shù)：

當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成構(gòu)建后，需要使用標(biāo)準(zhǔn)化的方式對每一層的輸入和輸出進(jìn)行有效的處理，這主要是為了防止系統(tǒng)內(nèi)部的神經(jīng)元激活，以此導(dǎo)致出現(xiàn)函數(shù)飽和的現(xiàn)象。在對整個(gè)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，應(yīng)使用后向傳播網(wǎng)絡(luò)。具體公式如式（6）所示：

1.4 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)終端取電技術(shù)

監(jiān)測系統(tǒng)終端需要保持24 h 運(yùn)行的狀態(tài)，不僅配置了專門的太陽能電源，還配置了專門的蓄電池，當(dāng)太陽能電源供電不足，蓄電池就會持續(xù)供電，保證供電不間斷。當(dāng)光照充足時(shí)，太陽可以為終端提供與之相對應(yīng)的電能；從另一方面來看，可以為免維護(hù)的蓄電池進(jìn)行相應(yīng)的充電操作；當(dāng)光照不足時(shí)，蓄電池就可以直接代替太陽能電池進(jìn)行供電，以此保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性［3］。

1.5 狀態(tài)檢測系統(tǒng)通信技術(shù)

通用分組無線服務(wù)（general packet radio service，GPRS）所覆蓋的范圍比較廣，可以不受空間的局限，隨時(shí)進(jìn)行漫游，信號較強(qiáng)，信息傳輸速度快，所使用到的通信技術(shù)不僅需要具備覆蓋更廣泛面積的能力，還能在各種惡劣環(huán)境下進(jìn)行信息傳輸，因此選取了GPRS 技術(shù)。在該系統(tǒng)內(nèi)部，每組故障檢測都將數(shù)據(jù)傳輸包含其中，若終端系統(tǒng)通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)明顯變化，就可以直接通過GPRS網(wǎng)絡(luò)反饋該信息。

2 平臺設(shè)計(jì)

基于國家電網(wǎng)公司所給出的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的定義和框架，提出了電網(wǎng)數(shù)據(jù)共享功能，可以對所出現(xiàn)的故障區(qū)域進(jìn)行迅速、精準(zhǔn)定位，同時(shí)，為后續(xù)的電網(wǎng)搶修提出精確的處理方案。配電網(wǎng)智能化狀態(tài)監(jiān)測與故障處理平臺的設(shè)計(jì)、應(yīng)用具有重要作用，不僅能夠改善盲目搶修的被動局面，還能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的全面共享。隨著通信方式的增多以及現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用，使得國家配電網(wǎng)絡(luò)朝著智能化方向快速發(fā)展，不僅提高解決故障效率，還能夠提高電力企業(yè)的服務(wù)質(zhì)量，使得電力企業(yè)具備可持續(xù)發(fā)展的充足動力。

2.1 配電網(wǎng)數(shù)據(jù)共享功能

配電網(wǎng)智能化狀態(tài)監(jiān)測及故障處理平臺的建設(shè)具有重要意義，不僅包含多樣使用功能，還能夠進(jìn)行高質(zhì)量的質(zhì)量監(jiān)測與故障處理任務(wù)。配電網(wǎng)數(shù)據(jù)共享功能，一方面加快創(chuàng)建新的配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行模式，另一方面還實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量信息交互和信息共享，以此實(shí)現(xiàn)更智能化的配電網(wǎng)絡(luò)。配電網(wǎng)數(shù)據(jù)共享功能優(yōu)化故障指揮模式，更能推動配電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享，進(jìn)一步提高配電網(wǎng)絡(luò)故障處理能力和配電網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

為了改變當(dāng)前配電網(wǎng)故障定位信息獲取過慢問題，需要繼續(xù)探索新的方向，因此，結(jié)合當(dāng)下用電信息采集系統(tǒng)，充分利用系統(tǒng)信息交互功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享。也可以通過對電壓等數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)行綜合性的分析，滿足數(shù)據(jù)共享這一需求［4］。

對于配電網(wǎng)采集的終端部分，可以使用同步相量數(shù)據(jù)集中這一裝置，集中化處理這部分?jǐn)?shù)據(jù)，通過該裝置可以迅速收集、有效匯總、合理存儲、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。當(dāng)下通信方式較多，可鏈接不同的通信路徑，參與到數(shù)據(jù)共享這一功能。在采集的數(shù)據(jù)到達(dá)同步相量數(shù)據(jù)集中器裝置后，同步相量數(shù)據(jù)集中器裝置就能迅速對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、收集、處理、發(fā)送，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。

2.2 配電網(wǎng)故障區(qū)域快速定位功能

在整個(gè)配電網(wǎng)內(nèi)部，主要是通過共享數(shù)據(jù)所反饋的信息實(shí)現(xiàn)對故障區(qū)域迅速精準(zhǔn)判斷，最終形成專門用于故障診斷的信息數(shù)據(jù)庫，同時(shí)，應(yīng)重視故障診斷條件與結(jié)果間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，充分挖掘，構(gòu)建專門的信息數(shù)據(jù)庫。在此過程中，為了能促使故障診斷自身速度提升，可借助于使用模式樹組織其中的數(shù)據(jù)，集中掃描其各項(xiàng)數(shù)據(jù)，提取出最為頻繁的項(xiàng)集，提高數(shù)據(jù)挖掘的效率。

在對故障進(jìn)行診斷時(shí)，需要將其中有待診斷的條件特征和規(guī)則庫中各項(xiàng)規(guī)則的條件特征進(jìn)行匹配，若缺乏匹配的規(guī)則，就斷定未發(fā)生故障，在此過程中，對于所匹配到的規(guī)則，可以通過系統(tǒng)直接找到相對應(yīng)的結(jié)果特征，迅速找到故障出現(xiàn)的原因。

在該系統(tǒng)中，所挖掘得出的強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則不僅用于故障診斷，還需及時(shí)、精準(zhǔn)定位發(fā)生的故障位置，結(jié)合規(guī)則內(nèi)容，推斷故障位置。因規(guī)則庫內(nèi)部的各項(xiàng)數(shù)據(jù)都來源于各個(gè)電路的電流、電壓等一系列信息，在經(jīng)過系統(tǒng)故障診斷后，就可以及時(shí)檢測、判斷發(fā)生的故障，系統(tǒng)可以直接精準(zhǔn)推斷出故障所發(fā)生的位置和原因。

2.3 配電網(wǎng)搶修指揮服務(wù)功能

配電網(wǎng)絡(luò)搶修指揮服務(wù)功能是狀態(tài)監(jiān)測和故障處理平臺的核心，不僅會接收到配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行信息，還能及時(shí)掌握故障發(fā)生位置，并根據(jù)實(shí)際情況對配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行指揮、搶修工作，維護(hù)配電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行秩序和穩(wěn)定，也可大幅度提高電力用戶的滿意度。同時(shí)，配電網(wǎng)絡(luò)搶修指揮服務(wù)功能具備智能化特征，能根據(jù)配電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)變化預(yù)估故障以及異常情況，制定科學(xué)完善的應(yīng)急制度，主動處理安全隱患或者故障。另外，配電網(wǎng)絡(luò)搶修指揮服務(wù)功能還拉近電力企業(yè)與用戶的距離，既能及時(shí)發(fā)布停電或者維修，還會利用網(wǎng)絡(luò)平臺獲取用戶反饋以及建議，不斷完善配電網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量，構(gòu)建更優(yōu)質(zhì)的配電服務(wù)模式。

在智能化平臺上，主要是通過對終端上報(bào)配電臺的電壓、電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并進(jìn)行綜合性的分析和判斷，精準(zhǔn)掌握配電網(wǎng)電臺區(qū)低壓網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行特性，對整個(gè)配電臺進(jìn)行更精細(xì)、全面的管理，促使配電網(wǎng)電臺功能可以得到有效強(qiáng)化。在常規(guī)情況下，傳統(tǒng)監(jiān)測方式無法有效對電網(wǎng)信息進(jìn)行全面監(jiān)測和獲取，而智能化平臺不僅解決了常規(guī)監(jiān)測方式下存在的問題，還實(shí)現(xiàn)了信息數(shù)據(jù)的智能化處理，提供更智能、更高效率的電網(wǎng)配電服務(wù)。同時(shí)，可將配電臺區(qū)以及各項(xiàng)數(shù)據(jù)的變化作為主要參考依據(jù)，可精準(zhǔn)、及時(shí)地預(yù)判其中的異常情況，以此實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測的功能，使用數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)及時(shí)發(fā)出搶修信息，這樣可以及時(shí)處理各類故障信息，達(dá)到降低投訴率的目的［5］。

3 結(jié)語

綜上所述，本文立足于當(dāng)下配電網(wǎng)智能化狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，從配電網(wǎng)數(shù)據(jù)共享功能、故障區(qū)域快速定位功能、搶修指揮服務(wù)功能等角度對配電網(wǎng)智能化監(jiān)測狀態(tài)與故障處理平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決當(dāng)下配電網(wǎng)所出現(xiàn)的故障信息滯后的問題，可以對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行更加全面、充分的分析，開發(fā)智能化監(jiān)測狀態(tài)與故障處理平臺，以此達(dá)到控制成本，提高智能化水平的目的。