彭道剛 宋 磊 趙斌斌 黃義超 朱 灝 胡 迅

(上海電力學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院1，上海 200090；上海發(fā)電過程智能管控工程技術(shù)研究中心2，上海 200090；上海翔騁電氣設(shè)備有限公司3，上海 201900)

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智能配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

彭道剛1宋 磊1趙斌斌1黃義超3朱 灝1胡 迅1

(上海電力學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院1，上海 200090；上海發(fā)電過程智能管控工程技術(shù)研究中心2，上海 200090；上海翔騁電氣設(shè)備有限公司3，上海 201900)

針對(duì)現(xiàn)有的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)存在準(zhǔn)確性和可靠性不高等問題，提出了基于饋線終端單元(FTU)技術(shù)和遺傳算法的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)。系統(tǒng)由FTU和主站SCADA構(gòu)成，其中FTU由主控模塊、輸入輸出模塊及通信模塊等構(gòu)成。FTU的硬件采用雙CPU體系結(jié)構(gòu)，主控模塊以數(shù)字信號(hào)處理器DSP為核心，通過相電流突變量法進(jìn)行故障判斷；通信模塊以32位ARM嵌入式處理器為核心，負(fù)責(zé)與主站進(jìn)行實(shí)時(shí)通信以及外圍事物管理。FTU的軟件則基于μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了多任務(wù)、多緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)。主站的故障區(qū)段定位軟件以遺傳算法為核心，根據(jù)FTU傳遞來的故障電流信息迅速找到故障區(qū)段。仿真試驗(yàn)表明，該算法容錯(cuò)性和實(shí)用性強(qiáng)。

配電網(wǎng) 智能電網(wǎng) 饋線終端單元(FTU) 相電流突變量法 遺傳算法 故障定位 μC/OS-II

0 引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展以及經(jīng)濟(jì)水平的提高，社會(huì)和個(gè)人都對(duì)供電可靠性提出越來越高的要求。因此，配電自動(dòng)化作為提高電力系統(tǒng)供電可靠性的重要手段之一，也受到了越來越多的關(guān)注。饋線自動(dòng)化是配電自動(dòng)化的主要功能之一，由饋線終端實(shí)時(shí)監(jiān)控電網(wǎng)的運(yùn)行狀況。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障后，饋線終端將故障信息上報(bào)給主站；主站根據(jù)上報(bào)的故障信息，通過相關(guān)算法快速找到故障區(qū)段并隔離，同時(shí)迅速恢復(fù)非故障失電區(qū)域的供電。因此，研究配電網(wǎng)的故障定位與隔離技術(shù)，對(duì)提高配電網(wǎng)的供電可靠性具有十分重要的意義。

1 FTU的設(shè)計(jì)

1.1 FTU硬件部分

配電自動(dòng)化饋線終端單元(feeder terminal unit,FTU)的硬件采用雙CPU體系結(jié)構(gòu)。主控模塊以數(shù)字信號(hào)處理器DSP為核心，負(fù)責(zé)交流采樣與保護(hù)計(jì)算；通信模塊以32位ARM嵌入式處理器為核心，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信以及外圍事物管理。FTU系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

FTU由交流輸入模塊、主控模塊、通信模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、無線模塊、人機(jī)交互模塊以及電源管理模塊構(gòu)成。交流輸入模塊通過電壓互感器(potential transformer,PT)和電流互感器(current transformer,CT)獲取電網(wǎng)上的電壓電流模擬信號(hào)，并經(jīng)一階RC濾波器處理后傳送給主控模塊；主控模塊使用高速16位高精度A/D芯片，將電網(wǎng)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并進(jìn)行處理；通信模塊主要負(fù)責(zé)終端設(shè)備和監(jiān)控主站之間的數(shù)據(jù)交換；開關(guān)量輸入輸出模塊掃描開關(guān)位置信號(hào)、彈簧儲(chǔ)能信號(hào)、接地開關(guān)信號(hào)和工作電源失電信號(hào)等信息，并且執(zhí)行監(jiān)控主站發(fā)來的遙控命令， 如分閘、合閘信號(hào)；無線模塊則包括藍(lán)牙模塊和GPRS，主要實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備就地操作、無線通信以及GPRS對(duì)時(shí)功能；在人機(jī)交互模塊中，操作人員可以通過人機(jī)交互界面配置故障檢測(cè)功能的相關(guān)參數(shù)；電源管理模塊主要負(fù)責(zé)為主控模塊、通信模塊等其他模塊供電，并負(fù)責(zé)蓄電池活化和充電等功能的管理。

圖1 FTU硬件總體架構(gòu)圖

系統(tǒng)通過交流輸入模塊的精密電壓電流互感器，取得電網(wǎng)電壓電流模擬信號(hào)，并由主控模塊的16位高精度AD7606芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；測(cè)頻電路采集電網(wǎng)實(shí)時(shí)頻率，能精準(zhǔn)地安排電壓電流的采集時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)同步采樣功能、保證數(shù)據(jù)采集的精確性。通信模塊負(fù)責(zé)FTU與監(jiān)控主站之間的數(shù)據(jù)交換。

1.2 FTU軟件部分

1.2.1 FTU系統(tǒng)軟件

對(duì)于一些簡(jiǎn)單的控制應(yīng)用，過去常把整個(gè)軟件設(shè)計(jì)成前后臺(tái)系統(tǒng)。但是在情況比較復(fù)雜的時(shí)候，應(yīng)用一個(gè)合適的操作系統(tǒng)能降低系統(tǒng)開發(fā)的難度，同時(shí)也易于應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和任務(wù)的擴(kuò)展，無需對(duì)整體構(gòu)架作大的改動(dòng)。μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，故比較適合本項(xiàng)目的開發(fā)應(yīng)用。FTU系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的軟件分成系統(tǒng)層和應(yīng)用層兩部分。系統(tǒng)層包括μC/OS-II內(nèi)核和應(yīng)用編程序接口API，應(yīng)用層通過API接口訪問系統(tǒng)層,從而提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。應(yīng)用層由各種不同的任務(wù)組成，只需通過調(diào)用系統(tǒng)層提供的應(yīng)用編程接口API函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。μC/OS-II的任務(wù)調(diào)度是基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度，即最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦處于就緒狀態(tài)，那么正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)將被搶占。

圖2 FTU系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 FTU應(yīng)用層軟件

全局?jǐn)?shù)據(jù)則包括用戶參數(shù)區(qū)、臨時(shí)數(shù)據(jù)暫存區(qū)、Flash文件系統(tǒng)及標(biāo)志位系統(tǒng)。在系統(tǒng)RAM中開辟臨時(shí)數(shù)據(jù)暫存區(qū)，它用來存儲(chǔ)一些中間變量或臨時(shí)數(shù)據(jù)，包括電網(wǎng)電壓電流、開關(guān)位置信號(hào)等采集數(shù)據(jù)。程序開始運(yùn)行時(shí)，創(chuàng)建臨時(shí)數(shù)據(jù)暫存區(qū)。當(dāng)數(shù)據(jù)采集任務(wù)完成后，其將自動(dòng)更新。Flash文件系統(tǒng)用于保存故障電流波形數(shù)據(jù)(配電網(wǎng)故障發(fā)生前后一小段時(shí)間內(nèi)的電流波形)以及凍結(jié)數(shù)據(jù)。用戶參數(shù)區(qū)用于保存控制FTU運(yùn)行的負(fù)控規(guī)約設(shè)置參數(shù)。用戶參數(shù)區(qū)存在于RAM中，但其數(shù)據(jù)更新時(shí)的最新狀態(tài)將保存在Flash中，并在FTU啟動(dòng)時(shí)被加載到RAM中。標(biāo)志位系統(tǒng)反映CPU的狀態(tài)及運(yùn)算結(jié)果，用于實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)與主循環(huán)之間的通信及開關(guān)信號(hào)的輸入掃描與輸出置位等。收發(fā)緩沖區(qū)包括通信口、調(diào)試口、紅外口等，一般為先入先出隊(duì)列(first input first output,FIFO)結(jié)構(gòu)，采用環(huán)形隊(duì)列的形式實(shí)現(xiàn)。

1.2.3 故障電流判斷

配電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)TU在一個(gè)工頻周期內(nèi)采集任意兩相電流各64點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出有效值后上傳給主站。若配電網(wǎng)發(fā)生短路故障，線路上的真空斷路器將在極短的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)斷開，同時(shí)FTU將利用相應(yīng)算法進(jìn)行故障判斷。目前一般采用兩種方法進(jìn)行故障判斷，一是直接根據(jù)有效值的大小來判斷，二是采用相電流突變量法[1]來判斷。根據(jù)有效值大小進(jìn)行故障判斷，存在故障電流閥值難確定且判斷時(shí)間長(zhǎng)等問題；而相電流突變量法不受故障位置、過渡電阻及負(fù)荷電流的影響，具有較高的可靠性，故本文采用后者進(jìn)行饋線故障判斷。當(dāng)相電流突變量超過某一設(shè)定的閾值且相電流的值呈遞增趨勢(shì)時(shí)，F(xiàn)TU將開始記錄相電流波形并產(chǎn)生一個(gè)過流變位信息，同時(shí)FTU會(huì)將過流變位信息及故障電流波形數(shù)據(jù)上傳給主站。相電流突變量為：

Δik=||ik-ik-N|-|ik-N-ik-2N||

(1)

式中:Δik為相電流突變量k時(shí)刻(t=kTs)的計(jì)算值(采樣間隔Ts由DSP對(duì)A/D芯片進(jìn)行設(shè)定，其值基本固定，以下省略Ts)；ik為k時(shí)刻的電流采樣值；ik-N為k時(shí)刻之前一周期的電流采樣值(N是每周波的采樣點(diǎn)數(shù)，本文采用64點(diǎn))。若式(2)成立，則判定該區(qū)段發(fā)生饋線故障。

Δik≥k×ie

(2)

式中:ie為真空斷路器額定電流;k為突變量系數(shù)。為了提高故障判斷的可靠性，可以計(jì)算連續(xù)的k時(shí)刻、(k+1)時(shí)刻和(k+2)時(shí)刻的相電流突變量Δik、Δik+1和Δik+2，取均值后再作判斷?？紤]到非理想變壓器對(duì)不同頻率電流突變量諧波的影響程度不同，可在濾得合適的高次諧波后再對(duì)相電流的突變量大小進(jìn)行判別。同時(shí)主站故障區(qū)段定位軟件還可根據(jù)真空斷路器的開關(guān)狀態(tài)作進(jìn)一步判別，也就是只有當(dāng)故障電流變位信息和真空斷路器開關(guān)變位信息兩者同時(shí)存在時(shí)，才啟動(dòng)下文配電網(wǎng)故障定位軟件，確定故障區(qū)段。

2 配電網(wǎng)故障定位遺傳算法

目前，配電網(wǎng)故障區(qū)段定位算法主要有兩類，它們都是基于饋線終端FTU上報(bào)的故障過流信息來判斷的。一類是根據(jù)配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備FTU上報(bào)的故障過流信息的矩陣算法[2-4]；另一類是人工智能型故障區(qū)段定位算法[5-7]，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、遺傳算法(genetic algorthin,GA)、專家系統(tǒng)等。遺傳算法具有良好的魯棒性、全局優(yōu)化性和可并行性，故本文選擇該算法進(jìn)行故障定位。在進(jìn)行故障定位時(shí)，首先對(duì)上傳的故障信息進(jìn)行編碼，依賴構(gòu)造的開關(guān)函數(shù)及適應(yīng)度函數(shù)對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算求解，并對(duì)種群進(jìn)行遺傳操作，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)故障設(shè)備的定位。

2.1 遺傳算法概述

遺傳算法是模擬生物界自然選擇和自然遺傳機(jī)制的算法，它將復(fù)雜的問題空間轉(zhuǎn)換為編碼空間，以編碼群體為進(jìn)化基礎(chǔ)，以適應(yīng)度的計(jì)算進(jìn)行尋優(yōu)，并通過對(duì)群體中個(gè)體位串的遺傳操作實(shí)現(xiàn)選擇和遺傳機(jī)制。遺傳算法使用適者生存的原則，在迭代中逐次產(chǎn)生一個(gè)近似最優(yōu)解。在遺傳算法的每一代中，根據(jù)個(gè)體在問題域中的計(jì)算得到的適應(yīng)度值進(jìn)行個(gè)體選擇，產(chǎn)生一個(gè)新的近似解，這樣每一代的個(gè)體將不斷進(jìn)化，并逐漸逼近問題的最優(yōu)解，最終達(dá)到求解問題的目的。

2.2 配電網(wǎng)故障定位關(guān)鍵技術(shù)

配電網(wǎng)發(fā)生故障后，由配電網(wǎng)各FTU采集相應(yīng)分段開關(guān)處的過流信息及電流波形， 并上傳給主站數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(supervisory control and data acquisition,SCADA)系統(tǒng)[8]。配電網(wǎng)主站的故障區(qū)段定位和隔離模塊在接收到FTU處的過流變位信息后，結(jié)合饋線真空斷路器的開關(guān)變位信息和主站的刀閘信息，控制故障定位軟件的啟動(dòng)。

2.2.1 編碼方法

GA不能直接對(duì)參數(shù)進(jìn)行操作，因此必須將參數(shù)編碼成二進(jìn)制的數(shù)字串。遺傳操作只對(duì)由這些編碼(基因)組成的數(shù)字串(染色體)進(jìn)行操作。配電網(wǎng)故障定位問題按照GA的要求進(jìn)行0/1編碼，有過電流或設(shè)備故障表示為1，無過電流或設(shè)備正常表示為0。

2.2.2 開關(guān)函數(shù)的構(gòu)造

遺傳算法通過分析饋線終端單元的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)故障定位。開關(guān)函數(shù)是根據(jù)配電網(wǎng)中原件設(shè)備的信息確定各分段開關(guān)的狀態(tài)信息，它反映了配電網(wǎng)各元件與開關(guān)之間的關(guān)系。對(duì)于單電源供電網(wǎng)絡(luò)，開關(guān)函數(shù)可定義為 ：

X(i+N-1)

(3)

2.2.3 適應(yīng)度函數(shù)的構(gòu)造

利用遺傳算法進(jìn)行故障定位，就是找到一個(gè)能解釋故障電流信號(hào)的最優(yōu)解，也就是找到能解釋配電網(wǎng)中故障電流的最優(yōu)設(shè)備原件。適應(yīng)度函數(shù)構(gòu)造如下：

(4)

式中：ffit(X)為解空間中每個(gè)節(jié)所對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度值；X為配電網(wǎng)中元件設(shè)備狀態(tài)(n為元件數(shù))，用1表示設(shè)備原件故障(有過電流)，用0表示設(shè)備原件正常(無過電流)；Ij為第j個(gè)開關(guān)實(shí)際狀態(tài)，用1表示有故障電流，用0表示無故障電流。故障定位就是在解空間中搜索開關(guān)實(shí)際狀態(tài)值與推導(dǎo)出來的狀態(tài)值的最小差值，也就是找出式(4)的最小解，那么適應(yīng)度最小值所對(duì)應(yīng)的解就是實(shí)際的故障原件設(shè)備。

2.2.4 遺傳操作

遺傳操作包括選擇、交叉和變異等。其通過選擇、交叉和變異等運(yùn)算，把優(yōu)化的個(gè)體遺傳給下一代。

3 仿真算例

以中低壓雙電源單環(huán)配電網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行仿真計(jì)算，接線方式如圖3所示。

圖3中：CB1、CB2為進(jìn)線斷路器;S1、S2、S3、S5、S6及S7為分段開關(guān);SL為配電網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，它將整個(gè)配電網(wǎng)分成兩個(gè)局部配電區(qū)域，正常運(yùn)行時(shí)SL斷開，其他分段開關(guān)閉合，且各個(gè)開關(guān)均配備FTU或遠(yuǎn)程終端單元(remoteterminalunit,RTU)。配電區(qū)域A包含進(jìn)線斷路器CB1,分段開關(guān)S1、S2、S3及設(shè)備D1、D2、D3、D3。配電區(qū)域B包含進(jìn)線斷路器CB2、分段開關(guān)S5、S6、S7及設(shè)備D5、D6、D7、D8。

圖3 中低壓雙電源單環(huán)配電網(wǎng)絡(luò)

按照式(3)和式(4),分別為獨(dú)立配電區(qū)域A和B建立開關(guān)函數(shù)和適應(yīng)度函數(shù)，并最終建立環(huán)網(wǎng)開環(huán)運(yùn)行統(tǒng)一故障定位數(shù)學(xué)模型。

3.1 數(shù)學(xué)模型

假設(shè)圖 3中設(shè)備Di(i=1，2，…，8)的狀態(tài)信息為X(i)(i=1，2，…，8)，設(shè)備故障時(shí)X(i)=1，正常運(yùn)行時(shí)X(i)=0。根據(jù)式(3)開關(guān)函數(shù)的構(gòu)造方法，獨(dú)立配電區(qū)域A和B的開關(guān)函數(shù)構(gòu)造如下：

式中的“‖”為“或”(OR)運(yùn)算符號(hào)。當(dāng)?shù)仁接叶四骋辉O(shè)備發(fā)生故障時(shí)，左端的分段開關(guān)處就有故障電流流過，此時(shí)左端的開關(guān)函數(shù)值I*取1。

ffit(X)=CAffit,A(X)+CBffit,B(X)

(5)

式中：CA和CB為權(quán)重因子，可用于設(shè)定獨(dú)立配電區(qū)域A和B故障定位的優(yōu)先級(jí)。如果獨(dú)立配電區(qū)域A發(fā)生故障，則CA=1，否則CA=0；同理，如果獨(dú)立配電區(qū)域B發(fā)生故障，則CB=1，否則CB=0。

3.2 測(cè)試結(jié)果

對(duì)圖3雙電源單環(huán)網(wǎng)絡(luò)仿真算例測(cè)試結(jié)果序列如表1所示。表1中：輸入1、2、5表示輸入沒有發(fā)生畸變的測(cè)試結(jié)果，輸入3、4、6表示輸入有一位發(fā)生畸變的測(cè)試結(jié)果。由其相應(yīng)的輸出可知，本文基于FTU和GA的配電網(wǎng)故障定位算法具有很高的容錯(cuò)能力。

表1 獨(dú)立配電區(qū)域仿真測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文提出了基于FTU技術(shù)和GA算法的配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，通過FTU采集配網(wǎng)各分段開關(guān)處的故障電流信號(hào)并傳送給主站，主站利用本GA算法迅速進(jìn)行故障定位。該系統(tǒng)將高速的DSP芯片和32位ARM嵌入式處理器引入配電終端設(shè)備FTU中，以μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)操作，利用DSP的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高速運(yùn)算的特點(diǎn)，并結(jié)合相電流突變量算法快速地進(jìn)行饋線故障判斷，提高了故障定位的實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)的可靠性。仿真試驗(yàn)證明，本文的故障定位軟件具有很高的容錯(cuò)能力，且在信息畸變的情況下，故障定位仍然具有很高的準(zhǔn)確性。

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Design and Research of Intelligent Fault Location System for Distribution Network

Due to the problems of the low accuracy and reliability in existing fault location systems for distribution network,a fault locating system for distribution network is proposed based on feeder terminal unit (FTU) technology and genetic algorithm. The system consists of FTU and master station SCADA,in which the FTU is made up of main control module,input and output module,and communication module,etc. The dual-CPU architecture is adopted in hardware of FTU,and digital signal processor (DSP) is the core of main control module; though the method of phase current mutation,fault judgement is conducted. The 32 bit ARM embedded processor is used as the core in communication module,for communicating with master station in real time and taking care of peripheral transaction management. The software of FTU is designed based on μC/OS-II embedded operating system with multi-tasking,multi-buffer structure. The genetic algorithm is the kernel of the fault section locating software in master station.According to the fault current information transferred from FTU,the fault section is quickly found. The simulation experiments show that the algorithm is fault-tolerant and with strong practicability.

Distribution network Smart grid Feeder terminal unit(FTU) The method of phase current mutation Genetic algorithm Fault location μC/OS-II

上海市“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”高新技術(shù)領(lǐng)域基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：15111106800)；

上海市“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”社會(huì)發(fā)展領(lǐng)域基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：16DZ1202500);

上海市發(fā)電過程智能管控工程技術(shù)研究中心基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：14DZ2251100)；

上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：13DZ2273800)。

彭道剛(1977—)，男，2009年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)系統(tǒng)工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，教授；主要從事發(fā)電過程自動(dòng)化、電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與嵌入式測(cè)控技術(shù)等方向的研究。

TH3；TP23

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201608005

修改稿收到日期：2015-10-09。