配電網饋線故障區段定位系統①

郭謀發， 楊耿杰， 黃建業， 陳亞民

(福州大學電氣工程與自動化學院， 福州 350108)

配電網饋線故障區段定位系統①

郭謀發， 楊耿杰， 黃建業， 陳亞民

(福州大學電氣工程與自動化學院， 福州 350108)

提出了基于動態拓撲分析的配電網饋線故障區段定位系統。系統由饋線終端單元FTU、通用無線分組業務GPRS通信網絡及主站構成。主站與FTU間的GPRS通信采用標準負控規約。FTU以32位ARM7芯片為CPU，硬件分為系統和接口2部分。FTU的軟件基于μc/os-Ⅱ嵌入式操作系統設計為多任務、多緩沖區的結構，采用相電流突變量算法實現對短路故障的判斷。主站的故障區段定位軟件在基本故障區段定位矩陣算法基礎上，考慮GPRS通信延時的隨機性、聯絡開關狀態及通道異常等工程實際情況，采用網絡動態拓撲分析方法實現了故障區段定位的改進矩陣算法。運行表明，該設計系統簡潔、實用、運行穩定。

饋線自動化； 饋線終端單元； 動態拓撲分析； 故障區段定位算法； 通用無線分組業務

配電網饋線自動化的作用是提高供電的可靠性與質量，減少配電網運行與檢修費用。在饋線自動化的所有功能中，故障區段定位、隔離及恢復非故障區域供電是一個主要的功能。該功能對于縮小故障停電范圍，減少對用戶的停電時間，提高供電可靠性起到重要作用。20世紀90年代末，國內很多電力單位在局部進行配電網饋線自動化建設試點，但因功能上一味追求大而全，系統實用性不好，后期運行維護和使用跟不上[1]等原因推廣應用并取得經濟效益的單位極少。因此，研制一種簡潔實用的配電網饋線故障區段定位系統是有意義的。

系統由安裝于各饋線分段開關處的饋線終端單元FTU、通用無線分組業務GPRS通信網絡及主站構成。主站與FTU間的通信采用配電網需求側管理系統的通信規約《Q/GDW 130-2005電力負荷管理系統數據傳輸規約》(下稱負控規約)[2]，通信方式為GPRS。配電網正常運行時，系統可監視饋線運行方式和負荷。當故障發生后，FTU將檢測故障信息通過GPRS網絡主動發送到主站，主站軟件采用基于動態拓撲分析的故障區段定位改進矩陣算法可及時準確地確定故障區段，并可通過遠方控制開關實現故障區段的隔離及非故障區域的供電恢復。

1 FTU的設計

1.1 硬件

由太陽能發電系統供電的FTU由CPU系統板及外圍接口等構成，如圖1所示。目前配電網架空饋線分段開關常采用戶外固封式真空斷路器，裝

圖1 FTU硬件結構圖Fig.1 Hardware structure diagram of FTU

設有A相和C相電流互感器，但無配置電壓互感器?？紤]到安裝方便及饋線停電后斷路器直流24 V操作電源及FTU工作電源獲取等問題，FTU采用24 V太陽能發電系統供電，發電系統由太陽能電池組件、太陽能控制器、蓄電池組及隔離DC/DC變換器組成。CPU板是一個ARM7嵌入式模塊，由飛利浦公司LPC2220 CPU擴展256KB SRAM程序運行存儲器、1MB NOR FLASH程序存儲器、32MB NAND FLASH數據存儲器、時鐘芯片及復位電源管理芯片構成。CPU系統板設計為獨立的嵌入式模塊，將LPC2220 CPU的硬件資源以雙列插座形式預留出，通過擴展不同外圍接口實現不同應用。LPC2220 CPU擴展帶同步串行接口的16位模數轉換芯片AD73360[3]，該芯片具有6路抗頻率混疊濾波器的同時采樣通道，僅需一階RC濾波器，硬件簡潔。其采樣頻率可達64 kHz，內置程控可變增益放大器，適合A相電流、C相電流及蓄電池電壓的檢測。LPC2220 CPU具有兩個串行異步通信接口，一個通過SP3232芯片實現RS232電平轉換用于軟件調試，另一個通過中興公司的ME3000模塊[4]實現與主站GPRS通信。LPC2220 CPU的一個PWM通道擴展集成式紅外收發管實現與手持終端的通信。LPC2220 CPU同時擴展3路繼電器型開關量輸出及6路隔離的開關量輸入。開關量輸出用于開關的分閘、合閘及儲能控制；開關量輸入用于檢測開關狀態、故障指示器報警、現地遠方控制切換、開關儲能完成情況等。

1.2 軟件

CPU系統板內嵌基于優先級的搶占式多任務調度操作系統μC/OS-Ⅱ[5]。軟件分成應用層和系統層兩部分，如圖2所示。系統層包括μC/OS-Ⅱ內核和硬件驅動程序，系統層將自身全部功能統一為API接口向應用層提供服務。應用層由多個μC/OS-Ⅱ任務組成，任務通過調用系統層提供的應用程序編程接口API(application program interface)函數實現需要的功能。FTU程序采用多任務、多緩沖區結構。任務操作對象為緩沖區，操作過程為非阻塞查詢方式，緩沖區被多個任務操作時，通過信號量進行同步，或通過緩沖區自身結構的設計避免同步問題。

圖2 FTU軟件結構圖Fig.2 Software structure diagram of FTU

1.2.1 應用層數據

全局數據：包括臨時數據暫存區、文件系統、用戶參數區及標志位系統。臨時數據暫存區以多個結構體方式開辟在系統RAM中，存儲一些臨時數據或中間變量，如電流采集數據、蓄電池電壓采集數據等，數據凍結任務根據用戶設置的參數對這些數據凍結并存入FLASH中。臨時數據暫存區在程序開始運行時被創建，采集任務完成一次采集后對其更新。文件系統開辟在系統的FLASH中，用于保存凍結數據及饋線故障發生前后一段時間內的電流波形數據。用戶參數區用于保存負控規約全部的設置參數，這些參數控制著FTU運行。運行時，用戶參數區存在于RAM中，并以結構體形式被訪問。參數區數據更新時其最新狀態被保存到FLASH中，并在FTU啟動時再次加載到RAM。標志位系統是個全局標志位集合，實現開關量輸入/輸出、CPU系統操作及某些任務間通信等功能。

收發緩沖區：GPRS、調試口、紅外口等通信數據緩沖區統稱收發緩沖區，一般為先進先出FIFO(first in first out)結構，每個緩沖區均由收、發兩個子緩沖區組成，采用環形隊列實現，開辟在系統RAM中，通信調度任務負責操作緩沖區。

1.2.2 應用層任務

數據采集及故障判斷任務采集A相和C相電流及蓄電池電壓，根據相電流數據判別饋線是否發生故障，同時監測蓄電池電壓是否低于設定值，并記錄饋線故障或蓄電池電壓低的相關信息。數據凍結任務從臨時數據暫存區取出A相和C相電流數據并根據用戶設定的凍結控制參數將數據保存在FLASH文件系統中。系統及部分規約功能處理任務的流程分兩部分：一是系統功能部分，如喂狗、指示燈狀態控制，這些操作與其他任務相對獨立，只涉及對少量全局標志位系統訪問；二是實現負控規約部分功能，如開關量變位處理、開關量輸出處理、終端停/上電處理、心跳包處理等，這些操作定時執行。通信規約解析任務實現終端通信數據準備及分析，與通信調度任務配合實現終端數據通信。該任務接收來自通信調度任務的規約數據，根據來幀要求構建回幀，構建過程涉及對各個全局緩沖區及FLASH文件系統訪問，最后將回幀交給通信調度任務。該任務封裝了絕大部分負控規約的實現，設計時將其核心功能封裝成一個通用模塊，實現多種接口方式，并提供接口擴展能力，可在其他應用中復用。由于FTU有GPRS網絡、調試口、紅外口多種通信方式，需一個通信調度任務協調這些數據通道工作。通信調度任務基于會話的處理方式，即監測到某通道一幀有效數據后就立刻將其發送到通信規約解析任務進行處理，并將處理結果返回給通道，若通信過程涉及多幀會話式通信，則處理該通道會話請求直到會話結束，通信調度任務必須保證同一時刻只有一個請求發給通信規約解析任務。

1.2.3 數據采集及故障判斷任務

饋線正常運行時，FTU每周波采集A相和C相電流各48點數據，計算出有效值并通過GPRS通信網絡上傳到主站。饋線發生短路故障后，真空斷路器約180 ms后跳開，FTU在這段時間內可采用有效值的大小或相電流突變量的大小兩種方法進行故障的判斷。根據有效值大小進行故障判斷存在時間長及閾值設定較困難等問題，故FTU采用相電流突變量法[6]進行饋線故障判斷。當相電流突變量超過設定的閾值且相電流的值由小變大，CPU將啟動相電流波形記錄并產生一個表示該開關流過故障電流的虛擬開關變位信息，相電流波形記錄結束后FTU可將波形數據及故障虛擬開關變位信息主動上傳到主站。主站也可采用召測的方式獲取故障相電流波形數據。

相電流突變量可用式(1)表示。

Δik=‖ik-ik-N|-|ik-N-ik-2N‖

(1)

式中：Δik為相電流突變量k時刻(t=kTs)的計算值(采樣間隔Ts基本固定，省略Ts，下同)；ik為k時刻的電流采樣值；ik-N為k時刻之前一周期的電流采樣值(N是一個工頻周期的采樣點數)；ik-2N為k時刻之前二周期的電流采樣值。

若式(2)成立則判定饋線發生故障。

Δik≥k×ie

(2)

式(2)中的系數k及真空斷路器額定電流ie可遠方設置。采用連續多次判斷的方法來提高可靠性，如連續計算k時刻、k+1時刻和k+2時刻的相電流突變量Δik、Δik+1和Δik+2。

真空斷路器在饋線正常運行時斷開或變壓器空載合閘產生勵磁涌流均會使FTU檢測到較大相電流突變量。通過比較ik和ik-N值大小可區分真空斷路器在饋線正常運行時斷開和故障后斷開2種情況；變壓器空載合閘產生勵磁涌流可采用2次諧波制動方法進行判別，且真空斷路器控制電路安裝有涌流控制器，勵磁涌流一般不會使真空斷路器跳閘，主站故障區段定位軟件還可進一步根據真空斷路器的狀態進行判別，也就是故障信息和開關變位信息同時存在時，才啟動故障區段的定位軟件。

2 配電網饋線故障區段定位系統主站設計

2.1 主站構成

配電網饋線故障區段定位系統主站按功能分為3層：數據采集層、數據管理層和綜合應用層，如圖3。數據采集層以GPRS通信方式接入饋線終端單元，按照負控規約解析數據并進行初步處理，監視通信質量，管理通信資源。它主要由通信接入設備、前置通信服務器、支持軟件、通信協議解析軟件等構成。數據管理層對采集數據進行加工處理、分類存儲，建立和管理配電網饋線故障區段定位系統一體化數據平臺，與其他系統接口并交換數據。主要由數據庫服務器、數據存儲和備份設備、接口設備及數據庫管理軟件等構成。根據應用需求，在綜合應用層開發應用軟件支持數據應用功能，如：終端管理、告警信息管理、圖形建模、可視化拓撲分析、饋線故障區段定位、報表管理、系統管理等。

圖3 主站結構圖Fig.3 Structure diagram of main station

2.2 配電網饋線故障區段定位改進算法

基于FTU上報的故障過流信息的配電網故障區段定位算法主要有兩類：一類是以遺傳算法、神經網絡算法等為代表的人工智能型故障區段定位算法[7～9]；另一類是以圖論知識為基礎，結合FTU上報的故障信息，根據配電網的拓撲結構進行故障區段定位的矩陣算法[10～16]。矩陣算法因其簡明直觀、計算量小等特點，應用更多。矩陣算法首先針對配電網的拓撲結構獲得一個網絡描述矩陣，在發生故障時，根據FTU上報的故障信息生成一個故障信息矩陣，通過網絡描述矩陣及故障信息矩陣運算得到故障判定矩陣，再根據故障區段定位判據就可判斷出故障區段。矩陣算法分為基于網基結構矩陣算法[10]和基于網形結構矩陣算法[16]兩大類。基于網基結構矩陣算法的計算過程較繁瑣，無法判斷末梢饋線段的故障，對多重故障的判斷也具有一定的局限性。目前對基于網形結構矩陣算法的研究較多，但許多研究未考慮到實際網絡通信情況及實際配電網的設備、接線及運行情況。

基于網形結構矩陣算法用到的網形結構矩陣及故障信息矩陣均要考慮電流方向。目前配電網饋線分段開關處裝設有A相和C相電流互感器，但無裝設電壓互感器，電流方向難以檢測。考慮到配電網饋線一般為環網結構、開環運行，故障或檢修時通過聯絡開關進行負荷轉帶，但一般不合環運行，可看作單電源供電的輻射狀結構。因此，根據饋線輻射狀結構特點，可知電流方向從電源點指向饋線末梢。在文獻[16]所介紹的基本算法的基礎上，考慮GPRS通信延時的隨機性、饋線聯絡開關狀態及通信通道異常等工程實際情況，提出一種基于動態拓撲分析的改進算法。主站配電網饋線故障區段定位軟件根據FTU上報的故障信息、開關變位信息及饋線電源開關和聯絡開關的狀態信息起動網絡拓撲分析，由圖形建模軟件模塊提供開關連接關系等信息動態生成故障饋線及其聯絡的饋線的網形結構矩陣及故障信息矩陣，進而進行故障區段定位、故障區域隔離以及非故障區域供電的恢復。

2.2.1 配電網的描述矩陣

主站的圖形建模軟件模塊組態生成配電網單線圖并進行元件參數配置。將饋線上的開關看作節點并按任意順序進行不重復的編號；將相鄰兩節點間的饋線段看作邊并規定正常運行時負荷供出的方向為其正方向。圖形建模軟件對開關、饋線段及兩者的端點進行編號。若饋線段和開關一端相連，則相連端點的編號相同，若饋線段處于饋線的末梢位置，其末端點沒有連接開關不進行編號。由圖形建模軟件的搜索功能可獲得源點分布向量S、末梢開關分布向量E、網基結構矩陣D。假設一個待分析故障饋線區域的節點數為N。網基結構矩陣取決于實際饋線的架設，是一個N維方陣，由圖形建模軟件對組態的單線圖進行廣度優先搜索遍歷得到。若開關i的一個端點編號與開關j的一個端點編號分別與某饋線段兩端點的編號相同，那么開關i和開關j通過該饋線段連接，將網基結構矩陣第i行第j列元素和第j行第i列元素置“1”。源點分布向量為一個1×N維向量，若搜索到開關i與母線相連，則將源點分布向量第i列元素置“1”。末梢開關分布向量也是一個1×N維向量，若開關i所連接的饋線段只有一個端點有編號，則該開關為末梢開關，將末梢開關分布向量第i列元素置“1”。聯絡開關分布向量L和開關狀態矩陣T都是1×N維向量。在配電網單線圖建立后將開關屬性配置為聯絡開關并存入數據庫，聯絡開關信息從數據庫獲?。婚_關狀態則是由FTU檢測后通過GPRS通信網絡發送至主站。網形結構矩陣C可由網基結構矩陣、源點分布向量、末梢開關分布向量、聯絡開關分布向量在開關狀態矩陣作用下變換得到[17]。

2.2.2 動態拓撲分析

系統采用動態拓撲分析技術即主站接收到FTU上傳的故障信息后以電氣上沒有連通關系的故障饋線為區域起動拓撲分析。以故障信息和開關變位信息同時存在作為拓撲分析觸發的基本條件。GPRS通信延時的隨機性將產生兩個問題：①全部的故障信息不能在同一時間內收到；②故障信息和開關變位信息的接收時間存在間隔。因此，接收到第1個故障信息后需延時一段時間以確定全部的故障信息是否接收完畢。還需設定一個信息過期時間，接收到1個故障信息(或開關變位信息)后，若在信息過期時間內接收到另一個開關變位信息(或故障信息)，則啟動拓撲分析及故障區段定位程序；若超過信息過期時間才接收到另外一個信息，拓撲分析及故障區段定位程序不啟動。拓撲分析是在故障發生后進行的，當某條饋線通過聯絡開關轉帶另一條饋線，故障導致聯絡開關或者該饋線的電源開關跳閘，拓撲分析是以該饋線及其轉帶的饋線為整體進行的，因此聯絡開關或者該饋線電源開關的狀態應采用故障前的狀態。

找出所有流過故障電流的饋線源點開關，這些源點開關所在的饋線及其實際轉帶的饋線所構成的區域為故障區域，僅對故障區域進行拓撲分析。配電網饋線數量的增加不會導致計算速度的下降，形成的網形結構矩陣節點位置是固定的，易與故障信息矩陣G中節點位置相配合。從故障區域源點開關開始搜索，直到該區域末梢點或斷開聯絡開關或斷開的另一饋線源點開關為止，對該故障區域節點搜索完畢，開始另一個故障區域節點搜索，直至全部故障區域搜索完畢，拓撲分析結束。故障區域拓撲分析形成網形結構矩陣的具體步驟如下。

①定義三個1×N維向量：循環隊列Q1、存儲隊列Q2、鏡像源點分布向量S1；②將源點分布向量S中所有故障過流的源點存入S1中，Q1中所有元素初值置為“-1”；③Q2中所有元素初值置為“-1”，搜索S1中第一個為“1”的元素，將其編號存入Q1和Q2首個值為“-1”的元素位置，同時將S1中相應位置元素置零；④從Q1中首取節點k，Q1所有元素左移1位，Q1第N列元素補“-1”，j從0開始循環，搜索網基結構矩陣D，若Dkj=Djk=1且j不在Q2中，則說明節點j為節點k的子節點，置Ckj=1，同時將編號j存入Q2中首個元素值為“-1”的位置，判斷節點j是否為斷開的聯絡開關或者末梢開關或者斷開母線開關，不是則將編號j存入Q1首個元素值為“-1”位置，反之則不保存；繼續循環直至j=N-1；⑤判斷Q1所有元素是否全為“-1”，不是則返回步驟④；⑥判斷S1所有元素是否全為“-1”，不是則返回步驟③，是則結束。

2.2.3 故障區段定位

配電網發生故障后，由FTU上報的開關過流信息可得一個N×N維故障信息矩陣G。若第i個開關節點經歷了超過整定值的故障電流，則故障信息矩陣的第i行第i列元素置“1”，否則置“0”，若未接收到i節點的信息則第i行第i列元素為初值“1”；故障信息矩陣的非對角元素均置為“0”。定義故障區間判斷矩陣P為

P=D+G

(3)

故障區段定位判據如下。

①開關之間的饋線段故障

若故障判定矩陣中的元素滿足兩個條件：Pii=1且對所有Pij=1的j(j≠i)都有Pjj=0，則故障區域為開關i和j之間的饋線段。

②末梢饋線段故障

若故障判定矩陣中的元素滿足兩個條件：Pii=1且對于所有的j(j≠i)都有Pij=0，則故障區域為開關i末梢饋線段。

③單個FTU通信通道異常

若開關i的FTU通信通道異常，需分析確定故障信息矩陣第i行第i列元素值，其父節點通信正常且上傳了故障信息，分2種情況討論。

若開關i的某個子開關節點j有故障電流流過，則開關i也有故障電流流過，將故障信息矩陣第i行第i列元素置“1”，根據故障區段定位判據①②獲得的故障區域是確定的。

若開關i所有子節點無故障電流流過，假設開關i有過流，故障信息矩陣第i行第i列元素置“1”，根據判據①②得一個故障區域；假設開關i無過流，故障信息矩陣第i行第i列元素置“0”，根據判據①②得另一故障區域；合并這兩個區域。定位故障區域擴大，但保證了結果的準確。

3 結語

從配電網運行實際出發，設計了基于GPRS通信網絡的配電網饋線故障區段定位系統。FTU的硬件采用模塊化設計，由CPU系統板、GPRS通信模塊、外圍接口板等構成；FTU的軟件基于嵌入式操作系統μC/OS-Ⅱ實現了開關狀態監測、故障判別、開關控制、GPRS通信等任務。主站故障區段定位軟件考慮GPRS通信延時的隨機性、饋線聯絡開關狀態及通信通道異常等工程實際情況，采用提出的基于動態拓撲分析的改進故障區段定位矩陣算法。系統于2009年7月投入現場運行，遠方分合開關控制、現地分合開關操作等功能正常；實時數據、歷史數據及事件數據上傳正確；模擬故障區段定位準確。現場運行表明，該系統簡潔實用、可靠性高、故障區段定位準確，應用前景廣闊。

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FeederFaultSectionLocationSysteminDistributionNetwork

GUO Mou-fa， YANG Geng-jie， HUANG Jian-ye， CHEN Ya-min

(College of Electric Engineering and Automation， Fuzhou University,Fuzhou 350108, China)

Feeder fault section location system in distribution network based on dynamic topology analysis is proposed.The system consists of FTU,GPRS communication network and the main station.The standard power load management system data transmission protocaol is adopted in GPRS communication between the main station and the FTU.The FTU applies a 32-bit ARM7 ship as the CPU and its hardware is divided into system part and peripheral part.Based on the μc/os-Ⅱ embedded operation system,the FTU software is designed into a multi-tasking and multi-buffer structure,which uses mutation in the volume of phase current algorithm to realize the judgment of the fault of short-circuit.Based on the fundamental fault section location matrix algorithm,the fault section location software in the main station takes into account the actual situation in the project such as randomness of GPRS communication delay,the status of tie switch and abnormity of communication channel,and uses dynamic network topology analysis to achieve the improved matrix algorithm for fault section location.The on site running proves that the designed system is concise,practical and running steadily.

feeder automation； feeder terminal unit(FTU)； dynamic Topology analysis； algorithm for fault section location； general packet radio service(GPRS)

2010-03-15

2010-04-23

福建省教育廳科技項目(JA07008)

TM76

A

1003-8930(2011)02-0018-06

郭謀發(1973-)，男，副教授，研究方向為電力系統自動化。Email:gmf@fzu.edu.cn

楊耿杰(1966-)，男，教授，研究方向為電力系統分析。Email:ygj23802@fzu.edu.cn

黃建業(1986-)，男，碩士研究生，研究方向為配電網自動化。Email:jianyehuang1986@qq.com