配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與故障定位技術(shù)探討

湖南郴電國際發(fā)展股份有限公司宜章分公司 向東華

本文以本公司參與的城市配電網(wǎng)項(xiàng)目為例，建設(shè)過程中對(duì)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，包括終端系統(tǒng)、主站系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及饋線自動(dòng)化設(shè)計(jì)內(nèi)容，組建了性能水平較高的自動(dòng)化系統(tǒng)。

1 案例分析

該區(qū)域配電網(wǎng)最高用電負(fù)荷為5.10×106kW，該供電區(qū)域內(nèi)的用電用戶共計(jì)101.3萬戶。本公司技術(shù)人員對(duì)該區(qū)域的配電網(wǎng)線路數(shù)的實(shí)際設(shè)置情況進(jìn)行調(diào)查分析，結(jié)論為：該區(qū)域內(nèi)共涵蓋6種配電線路，線路長度存在差異，區(qū)域內(nèi)共有94座變電站，變電強(qiáng)度不低于35kV，容量9.04×106kVA。為便于分析與測(cè)試，本公司技術(shù)人員甄選110kV/10kV 變壓器所對(duì)應(yīng)的母線作為本次分析與測(cè)試線路，以此來對(duì)電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行分析。

在測(cè)試階段，本公司技術(shù)人員對(duì)具有配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的母線與另一條母線的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行對(duì)比分析，并得出其初始線路、自動(dòng)化線路數(shù)據(jù)如下：空載耗損0.07/0.02kW、負(fù)載耗損0.22/0.11kW、空載電流2.86/1.23%。

根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，應(yīng)用電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的母線在空載、負(fù)載以及空載電流方面與初始線路相比較而言，皆出現(xiàn)了明顯的下降，其中空載耗損下降0.05kW，負(fù)載耗損下降0.11kW，空載電流下降1.63%。由此可知，根據(jù)本公司技術(shù)人員所提出的電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可以有效的降低母線耗損，最大限度的幫助供電企業(yè)節(jié)約電力輸送成本，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，并在一定程度上降低電力資源的浪費(fèi)，提高電網(wǎng)資源利用效率。

2 項(xiàng)目配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

2.1 終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目終端系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，如電流、電壓和開關(guān)狀態(tài)，同時(shí)還要控制斷路器、隔離開關(guān)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控和控制，具體設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：

第一硬件設(shè)計(jì)。終端系統(tǒng)的硬件包括微處理器、數(shù)據(jù)采集模塊、輸入輸出接口、通訊模塊等。選擇合適的微處理器十分重要，其性能需要滿足數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度的需求，例如采用ARM Cortex-M 系列微處理器，其以較低的功耗提供高性能計(jì)算能力，適合于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，而數(shù)據(jù)采集模塊需要有足夠的精確度和速度，例如使用16位或更高精度的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），以確保電量測(cè)量的準(zhǔn)確性。

第二軟件設(shè)計(jì)。軟件是終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)核心部分，主要包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）、驅(qū)動(dòng)程序、通信協(xié)議棧和應(yīng)用程序，其中RTOS 選型至關(guān)重要，需要保證任務(wù)的實(shí)時(shí)性和可靠性，如FreeRTOS 可以提供靈活的任務(wù)管理和較小的占用空間，應(yīng)用程序需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、故障檢測(cè)、控制命令下發(fā)等功能，同時(shí)還需開發(fā)相應(yīng)的通訊協(xié)議棧，以支持與上級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)的通信，如IEC 61850或DNP3協(xié)議。

第三通信能力的提升。終端系統(tǒng)需要通過無線或有線方式與控制中心通信，在設(shè)計(jì)通信模塊時(shí)考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，可以采用4G LTE 或未來的5G 技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提供高速率和低延遲的通信能力，同時(shí)考慮到通信的穩(wěn)定性和安全性，引入VPN 或加密技術(shù)以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?/p>

在本項(xiàng)目中，本公司設(shè)計(jì)了一種新型的遠(yuǎn)程終端單元，該終端采用了ARM Cortex-M7微處理器，頻率高達(dá)400MHz，能夠快速處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)算法，數(shù)據(jù)采集模塊選用24位ADC，提高了測(cè)量精度，所有的設(shè)計(jì)都在支持FreeRTOS 操作系統(tǒng)下進(jìn)行，確保了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性；而在通信方面，終端支持LTE 和以太網(wǎng)雙備份通信方式，有效提高了系統(tǒng)的通信可靠性。為測(cè)試系統(tǒng)的性能，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中模擬故障情況，從故障發(fā)生到終端檢測(cè)并上報(bào)控制中心的時(shí)間平均為150ms 內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了原先系統(tǒng)500ms 的要求[1]。

2.2 主站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在硬件架構(gòu)方面，主站系統(tǒng)通常包含服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和備份設(shè)備等，為確保系統(tǒng)的高可靠性和可用性，通常采用高性能的服務(wù)器群，通過冗余設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)故障切換，比如可以采用熱備份的方式，當(dāng)主服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)備份服務(wù)器立即接管，保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面采用高速的SSD 陣列，并通過RAID 技術(shù)提高數(shù)據(jù)的安全性和訪問速度。

軟件平臺(tái)的選擇對(duì)主站系統(tǒng)的功能和性能同樣至關(guān)重要，主站軟件不僅需要實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)中各類設(shè)備（如變壓器、斷路器等）的監(jiān)控和控制，還需具備數(shù)據(jù)分析、故障診斷和決策支持等功能，并且軟件平臺(tái)應(yīng)支持模塊化設(shè)計(jì)，便于后續(xù)的升級(jí)和擴(kuò)展，本項(xiàng)目使用基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的軟件平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)與各種智能電網(wǎng)設(shè)備的兼容和互操作。

此外數(shù)據(jù)處理能力是衡量主站系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，主站系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)處理和分析來自配電網(wǎng)的海量數(shù)據(jù)，不僅包括電流、電壓等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還包括設(shè)備狀態(tài)、故障記錄等信息，利用高效的數(shù)據(jù)處理算法和技術(shù)，如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和內(nèi)存計(jì)算技術(shù)可以大大提高數(shù)據(jù)處理速度和準(zhǔn)確性；例如通過引入復(fù)雜事件處理（CEP）技術(shù)，可以在數(shù)據(jù)生成的同時(shí)進(jìn)行分析處理，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)警系統(tǒng)中的異常情況。

最后通信協(xié)議的選擇也是主站系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要考慮因素，主站系統(tǒng)需要與配電網(wǎng)中的各類設(shè)備進(jìn)行通信，因此需要支持多種通信協(xié)議，如Modbus、DNP3和IEC 60870-5-101/104等， 為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，?yīng)采用加密和認(rèn)證機(jī)制，防止數(shù)據(jù)被篡改或泄露[2]。

2.3 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通信系統(tǒng)是連接終端系統(tǒng)與主站系統(tǒng)的重要橋梁，自動(dòng)化系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)相對(duì)較為復(fù)雜，一般情況下可以分為兩種類型，分別為生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。其中實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)是終端系統(tǒng)與主站系統(tǒng)之間最為常見的傳輸數(shù)據(jù)，生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)則是各個(gè)主站系統(tǒng)之間的主要傳遞數(shù)據(jù)。

為保證電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信傳播質(zhì)量，設(shè)計(jì)人員在對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，需要對(duì)以下設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行注意：通信系統(tǒng)可以應(yīng)對(duì)多元化的復(fù)雜環(huán)境，并且可以長時(shí)間運(yùn)行，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性；在保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，降低傳輸成本；在對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要預(yù)留設(shè)計(jì)空間；系統(tǒng)需要具有一定靈活性，并且可以保證雙向傳輸；需要將多種通信方式進(jìn)行整合，降低人力資源消耗。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中還需要對(duì)通信介質(zhì)進(jìn)行甄選，當(dāng)前相對(duì)較為常見的通信介質(zhì)主要涵蓋微波通信、載波通信、光纖通信、金屬線通信以及GPRS 通信[3]。

2.4 饋線自動(dòng)化設(shè)計(jì)

饋線不僅是保證電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)正常平穩(wěn)運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，也是保證電力資源高效運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，配電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)形式以及運(yùn)行線路中的負(fù)荷，都會(huì)對(duì)電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)造成影響，從而導(dǎo)致電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中的饋線出現(xiàn)不同程度變化，是進(jìn)而使得配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)難以始終維持較高水平的重要原因。所以，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)饋線進(jìn)行全面設(shè)計(jì)，根據(jù)電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的執(zhí)行負(fù)荷配置以及供電半徑，對(duì)饋線供電區(qū)域進(jìn)行劃分，從而規(guī)避線路重合問題。

在對(duì)饋線線路進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員還需要對(duì)故障問題進(jìn)行考量，所以為最大限度的保證配電網(wǎng)系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行效果，需要以供電區(qū)域的覆蓋情況為管理參數(shù)進(jìn)行如下計(jì)算，計(jì)算公式如下：P=I/L×100%，式中：P代表著配電網(wǎng)饋線的有效覆蓋參數(shù)，I代表著饋線自動(dòng)化建設(shè)線路數(shù)量，L代表著配電網(wǎng)饋線總數(shù)。

值得設(shè)計(jì)人員注意的是，當(dāng)有效覆蓋率滿足閾值標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，配電網(wǎng)饋線方可對(duì)線路中的負(fù)荷變化進(jìn)行自動(dòng)化的獲取。通常情況下，覆蓋范圍越小饋線自動(dòng)化覆蓋率越高，反之則越低[4]。

3 配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)故障定位技術(shù)分析

3.1 故障指示定位技術(shù)

故障指示定位技術(shù)主要目標(biāo)是快速準(zhǔn)確地識(shí)別出發(fā)生故障的位置，以便及時(shí)處理，減少停電的影響，其中以安裝一系列故障指示器于配電線路沿線為主，這些指示器能夠檢測(cè)過電流或短路故障，并通過無線通信技術(shù)實(shí)時(shí)將故障信號(hào)回傳至控制中心，且某些故障指示器采用磁敏傳感器來監(jiān)測(cè)電流變化，當(dāng)檢測(cè)到異常高的電流時(shí)，指示器會(huì)立即激活警告信號(hào)[5]。

3.2 行波電壓分布故障定位技術(shù)

行波定位技術(shù)，即通過測(cè)量故障時(shí)的行波信號(hào)來確定故障發(fā)生在什么位置。行波法可以分為兩相接地以及單相接地等類型。以單向接地為例，單相接地行波法的基本原理是：利用電流互感器和電壓互感器中的兩種信號(hào)，將電流互感器、電壓互感器輸出信號(hào)進(jìn)行有效隔離。由于配電網(wǎng)的電流比較小且分布較為復(fù)雜，因此單相接地故障定位較難實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)人員還可根據(jù)雙端行波定位解析圖像對(duì)具體的故障部位進(jìn)行定位分析，該方法需在線路兩端設(shè)置測(cè)量點(diǎn)M、N，若F點(diǎn)發(fā)生意外事故，其會(huì)沿著線路發(fā)射脈沖信號(hào)，行波速度為V，技術(shù)人員需對(duì)脈沖最開始到達(dá)測(cè)量點(diǎn)M、N的時(shí)刻進(jìn)行記錄，分別為tM、tN，所以配電網(wǎng)意外故障事故發(fā)生點(diǎn)之間的距離如下：

lMF=[lMN+v×（tM-tN）]/2，lNF=[lMN+v×（tN-tM）]/2

式中：lMF代表著線路M點(diǎn)至F點(diǎn)之間的距離，lMN代表著測(cè)量點(diǎn)M至測(cè)量點(diǎn)N之間的距離，lNF代表著線路F點(diǎn)至測(cè)量點(diǎn)N的距離，v代表著行波速度，tM代表著脈沖抵達(dá)測(cè)量點(diǎn)M的時(shí)刻，tN代表著脈沖抵達(dá)測(cè)量點(diǎn)N的時(shí)刻。

高斯窗口的寬度以及長度會(huì)隨著頻率的變化而變化，頻率越高窗口越窄。當(dāng)線路出現(xiàn)故障時(shí)，故障點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)負(fù)電源，該項(xiàng)電源會(huì)對(duì)線路兩端傳輸電壓行波以及電流行波，根據(jù)分布參數(shù)模型，技術(shù)人員對(duì)電流行波以及電壓行波進(jìn)行計(jì)算，具體如下：

u=u1（t-x/v）+u2（t+x/v）

i=1/Ze[u1（t-x/v）+u2（t+x/v）]

式中：u代表著電流行波，i代表著電壓行波，u1代表著故障點(diǎn)的初始電壓前行波，u2代表著故障點(diǎn)初始電壓的反行波，Ze代表著線路波阻抗，v代表著行波速度，x代表著零序電流細(xì)節(jié)分量幅值，t為時(shí)間軸，可以根據(jù)上述計(jì)算公式對(duì)行波的傳輸特征進(jìn)行分析，以此來更好的完成故障定位。

3.3 小波分析故障定位技術(shù)

小波法是一種應(yīng)用比較廣泛的基于故障信息分析的方法，小波分析是利用電壓和電流的低頻信號(hào)來確定故障發(fā)生在什么位置，通常采用分解提取信號(hào)和傅里葉變換等方法來實(shí)現(xiàn)。小波法和行波法有很大的區(qū)別，前者具有比較高的靈敏度，而后者則具有較高的分辨率。由于小波分析在配電網(wǎng)故障定位中能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)搜索，因此具有比較高的定位精度。故障定位過程中，需要根據(jù)不同類型的故障來選擇不同類型的算法。如果配電線路發(fā)生單相接地故障可以采用行波法；如果出現(xiàn)兩相接地故障則可以采用小波分析法[6]。

綜上所述，切實(shí)做好配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，全面應(yīng)用故障定位技術(shù)，不僅可以有效地提高配電網(wǎng)系統(tǒng)的高效運(yùn)行，滿足現(xiàn)代化配電網(wǎng)建設(shè)需求，降低配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行成本，保證供電運(yùn)行安全，還可最大限度地提高電力能源使用質(zhì)量，減少電力傳輸浪費(fèi)，促進(jìn)電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，滿足用戶基本用電需求。