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)項目為例，建設過程中對配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)進行合理設計，包括終端系統(tǒng)、主站系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及饋線自動化設計內(nèi)容，組建了性能水平較高的自動化系統(tǒng)。

1 案例分析

該區(qū)域配電網(wǎng)最高用電負荷為5.10×106kW，該供電區(qū)域內(nèi)的用電用戶共計101.3萬戶。本公司技術人員對該區(qū)域的配電網(wǎng)線路數(shù)的實際設置情況進行調(diào)查分析，結論為：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，變電強度不低于35kV，容量9.04×106kVA。為便于分析與測試，本公司技術人員甄選110kV/10kV 變壓器所對應的母線作為本次分析與測試線路，以此來對電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的應用效果進行分析。

在測試階段，本公司技術人員對具有配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的母線與另一條母線的實際運行情況進行對比分析，并得出其初始線路、自動化線路數(shù)據(jù)如下：空載耗損0.07/0.02kW、負載耗損0.22/0.11kW、空載電流2.86/1.23%。

根據(jù)數(shù)據(jù)對比可知，應用電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的母線在空載、負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)本公司技術人員所提出的電網(wǎng)自動化系統(tǒng)設計方案，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，具有良好的實際應用價值，并在一定程度上降低電力資源的浪費，提高電網(wǎng)資源利用效率。

2 項目配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)設計分析

2.1 終端系統(tǒng)設計

本項目終端系統(tǒng)主要負責收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，如電流、電壓和開關狀態(tài)，同時還要控制斷路器、隔離開關等設備，實現(xiàn)對配電網(wǎng)絡的監(jiān)控和控制，具體設計要點包括：

第一硬件設計。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)處理和實時任務調(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算能力，適合于實時數(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），以確保電量測量的準確性。

第二軟件設計。軟件是終端系統(tǒng)設計的另一個核心部分，主要包括實時操作系統(tǒng)（RTOS）、驅(qū)動程序、通信協(xié)議棧和應用程序，其中RTOS 選型至關重要，需要保證任務的實時性和可靠性，如FreeRTOS 可以提供靈活的任務管理和較小的占用空間，應用程序需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、故障檢測、控制命令下發(fā)等功能，同時還需開發(fā)相應的通訊協(xié)議棧，以支持與上級監(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，在設計通信模塊時考慮到系統(tǒng)的實時性和可靠性，可以采用4G LTE 或未來的5G 技術進行數(shù)據(jù)傳輸，提供高速率和低延遲的通信能力，同時考慮到通信的穩(wěn)定性和安全性，引入VPN 或加密技術以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?/p>

在本項目中，本公司設計了一種新型的遠程終端單元，該終端采用了ARM Cortex-M7微處理器，頻率高達400MHz，能夠快速處理復雜的數(shù)據(jù)算法，數(shù)據(jù)采集模塊選用24位ADC，提高了測量精度，所有的設計都在支持FreeRTOS 操作系統(tǒng)下進行，確保了系統(tǒng)的實時性和穩(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。為測試系統(tǒng)的性能，在實驗室環(huán)境中模擬故障情況，從故障發(fā)生到終端檢測并上報控制中心的時間平均為150ms 內(nèi)，遠遠超出了原先系統(tǒng)500ms 的要求[1]。

2.2 主站系統(tǒng)設計

在硬件架構方面，主站系統(tǒng)通常包含服務器、存儲設備、網(wǎng)絡設備和備份設備等，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器群，通過冗余設計實現(xiàn)故障切換，比如可以采用熱備份的方式，當主服務器出現(xiàn)故障時備份服務器立即接管，保證系統(tǒng)的連續(xù)運行；數(shù)據(jù)存儲方面采用高速的SSD 陣列，并通過RAID 技術提高數(shù)據(jù)的安全性和訪問速度。

軟件平臺的選擇對主站系統(tǒng)的功能和性能同樣至關重要，主站軟件不僅需要實現(xiàn)對配電網(wǎng)中各類設備（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，并且軟件平臺應支持模塊化設計，便于后續(xù)的升級和擴展，本項目使用基于IEC 61850標準的軟件平臺以實現(xiàn)與各種智能電網(wǎng)設備的兼容和互操作。

此外數(shù)據(jù)處理能力是衡量主站系統(tǒng)性能的關鍵指標，主站系統(tǒng)需要實時處理和分析來自配電網(wǎng)的海量數(shù)據(jù)，不僅包括電流、電壓等實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，還包括設備狀態(tài)、故障記錄等信息，利用高效的數(shù)據(jù)處理算法和技術，如實時數(shù)據(jù)庫和內(nèi)存計算技術可以大大提高數(shù)據(jù)處理速度和準確性；例如通過引入復雜事件處理（CEP）技術，可以在數(shù)據(jù)生成的同時進行分析處理，實時發(fā)現(xiàn)和預警系統(tǒng)中的異常情況。

最后通信協(xié)議的選擇也是主站系統(tǒng)設計中的重要考慮因素，主站系統(tǒng)需要與配電網(wǎng)中的各類設備進行通信，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?，應采用加密和認證機制，防止數(shù)據(jù)被篡改或泄露[2]。

2.3 通信系統(tǒng)設計

通信系統(tǒng)是連接終端系統(tǒng)與主站系統(tǒng)的重要橋梁，自動化系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)相對較為復雜，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)以及實時監(jiān)控數(shù)據(jù)。其中實時監(jiān)控數(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)則是各個主站系統(tǒng)之間的主要傳遞數(shù)據(jù)。

為保證電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信傳播質(zhì)量，設計人員在對該系統(tǒng)進行設計的過程中，需要對以下設計內(nèi)容進行注意：通信系統(tǒng)可以應對多元化的復雜環(huán)境，并且可以長時間運行，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性；在保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定的基礎上，降低傳輸成本；在對通信系統(tǒng)進行設計時，需要預留設計空間；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行整合，降低人力資源消耗。設計人員在設計過程中還需要對通信介質(zhì)進行甄選，當前相對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 饋線自動化設計

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

在對饋線線路進行設計的過程中，設計人員還需要對故障問題進行考量，所以為最大限度的保證配電網(wǎng)系統(tǒng)的自動化運行效果，需要以供電區(qū)域的覆蓋情況為管理參數(shù)進行如下計算，計算公式如下：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代表著饋線自動化建設線路數(shù)量，L代表著配電網(wǎng)饋線總數(shù)。

值得設計人員注意的是，當有效覆蓋率滿足閾值標準時，配電網(wǎng)饋線方可對線路中的負荷變化進行自動化的獲取。通常情況下，覆蓋范圍越小饋線自動化覆蓋率越高，反之則越低[4]。

3 配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)故障定位技術分析

3.1 故障指示定位技術

故障指示定位技術主要目標是快速準確地識別出發(fā)生故障的位置，以便及時處理，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過電流或短路故障，并通過無線通信技術實時將故障信號回傳至控制中心，且某些故障指示器采用磁敏傳感器來監(jiān)測電流變化，當檢測到異常高的電流時，指示器會立即激活警告信號[5]。

3.2 行波電壓分布故障定位技術

行波定位技術，即通過測量故障時的行波信號來確定故障發(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，將電流互感器、電壓互感器輸出信號進行有效隔離。由于配電網(wǎng)的電流比較小且分布較為復雜，因此單相接地故障定位較難實現(xiàn)。

技術人員還可根據(jù)雙端行波定位解析圖像對具體的故障部位進行定位分析，該方法需在線路兩端設置測量點M、N，若F點發(fā)生意外事故，其會沿著線路發(fā)射脈沖信號，行波速度為V，技術人員需對脈沖最開始到達測量點M、N的時刻進行記錄，分別為tM、tN，所以配電網(wǎng)意外故障事故發(fā)生點之間的距離如下：

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

式中：lMF代表著線路M點至F點之間的距離，lMN代表著測量點M至測量點N之間的距離，lNF代表著線路F點至測量點N的距離，v代表著行波速度，tM代表著脈沖抵達測量點M的時刻，tN代表著脈沖抵達測量點N的時刻。

高斯窗口的寬度以及長度會隨著頻率的變化而變化，頻率越高窗口越窄。當線路出現(xiàn)故障時，故障點會出現(xiàn)負電源，該項電源會對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，技術人員對電流行波以及電壓行波進行計算，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代表著故障點的初始電壓前行波，u2代表著故障點初始電壓的反行波，Ze代表著線路波阻抗，v代表著行波速度，x代表著零序電流細節(jié)分量幅值，t為時間軸，可以根據(jù)上述計算公式對行波的傳輸特征進行分析，以此來更好的完成故障定位。

3.3 小波分析故障定位技術

小波法是一種應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來確定故障發(fā)生在什么位置，通常采用分解提取信號和傅里葉變換等方法來實現(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，切實做好配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)設計，全面應用故障定位技術，不僅可以有效地提高配電網(wǎng)系統(tǒng)的高效運行，滿足現(xiàn)代化配電網(wǎng)建設需求，降低配電網(wǎng)系統(tǒng)運行成本，保證供電運行安全，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，促進電力企業(yè)的經(jīng)濟發(fā)展，滿足用戶基本用電需求。