基于智能配變終端的配電網(wǎng)故障區(qū)段判斷

周 青，孫 俊，黃 冠，沈 偉，朱 能

(國網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司，上海 201799)

配電網(wǎng)作為連接輸電網(wǎng)和用戶的末端供電環(huán)節(jié)，在電網(wǎng)中起到分配電能的作用[1]，配電網(wǎng)自動化是目前主要的發(fā)展方向[2-3]。智能配電臺區(qū)解決方案是以臺區(qū)為最小管理單元，利用智能配變終端(Distribution Transformer Supervisory Terminal Unit,簡稱TTU)的邊緣計算能力，處理分析感知終端上傳的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)臺區(qū)拓撲動態(tài)識別、故障區(qū)段判斷、低壓配網(wǎng)運行監(jiān)測、供電質(zhì)量分析與管理等功能[4]。

臺區(qū)拓撲反映了配電變壓器、分支箱、表箱等設備之間的連接關系，是配電自動化的基礎。目前臺區(qū)拓撲關系主要根據(jù)臺區(qū)建設時留下的資料，采用人工錄入的方法建立，該方法前期工作量較大，隨著臺區(qū)改擴建及戶變關系的轉(zhuǎn)變，需及時更新臺區(qū)拓撲關系[5]。針對這些問題，文獻[6]提出一種基于LoRa技術和GPU加速的臺區(qū)拓撲辨識方法，但該方法運算量很大，需要配置GPU進行并行計算，成本較高。文獻[7]提出一種基于通信物理鏈路、幀同步技術的低壓配電臺區(qū)網(wǎng)絡拓撲識別方法，但該方法對信號同步性有較高的要求。為此提出一種基于智能配變終端和感知終端的臺區(qū)拓撲動態(tài)識別算法，通過注入及檢測非工頻信號實現(xiàn)對臺區(qū)拓撲動態(tài)、準確、快速識別。

目前用戶投訴和現(xiàn)場故障中，80%以上來源于臺區(qū)低壓側(cè)[8]，當前針對臺區(qū)的故障監(jiān)測僅限于配電房變壓器一側(cè)，而對于臺區(qū)以下的分支及表箱側(cè)的故障點定位，則主要采用逐段、逐線嘗試性送電來逐步定位故障區(qū)域的方法[9-10]，該方法不僅故障定位時間長，而且有可能對配網(wǎng)線路及電氣設備造成不良影響。針對這些問題，文獻[11]提出一種基于過熱弧搜尋算法的故障區(qū)段定位方法，但該方法無法定位樹狀分支末端的故障。文獻[12]提出一種Petri網(wǎng)和冗余糾錯技術結(jié)合的故障區(qū)段定位方法，但該方法需要提供大量的特征數(shù)據(jù)進行訓練。本文提出一種基于智能配變終端的故障區(qū)段定位方法，該方法在獲取臺區(qū)拓撲的基礎上，利用智能配變終端的邊緣計算能力，通過矩陣運算得到臺區(qū)的判斷矩陣，根據(jù)判斷矩陣實現(xiàn)故障區(qū)段快速定位。

1 智能配電臺區(qū)結(jié)構(gòu)

智能配電臺區(qū)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要的監(jiān)測設備包括末端感知終端、分支線路監(jiān)測終端和智能配變終端，能夠?qū)崿F(xiàn)臺區(qū)拓撲動態(tài)分析、停電事件實時上報、故障點定位等功能。

圖1 智能配電臺區(qū)結(jié)構(gòu)

1.1 末端感知終端

末端感知終端主要實現(xiàn)表箱進線數(shù)據(jù)采集及用戶停復電事件上報。表箱進線數(shù)據(jù)采集使用開口式電流互感器(CT)對電流進行采樣，用于表箱電量計量以及表箱停復電事件的研判。對于單戶表箱，末端感知終端可直接對用戶停復電狀態(tài)進行監(jiān)測；對于多戶表箱，需配套使用電源感知模塊，將電源感知模塊的220 V火線電壓感知線接入用戶表空開后端，通過感應磁場變化來判斷用戶停復電狀態(tài)，雖然增加了設備投入，但可實現(xiàn)對用戶停復電事件秒級上報。

末端感知終端與智能配變終端的通信采用寬帶電力線載波(High Speed Power Line Carrier,簡稱HPLC)和微功率無線(Radio Frequency,簡稱RF)結(jié)合的雙模通信方式。寬帶電力線載波通信利用終端設備所連接的電力線進行通信和數(shù)據(jù)傳輸，無需額外布線，并且與低壓集抄的窄帶載波通信不沖突，但容易受電網(wǎng)噪聲和干擾的影響[13-15]。微功率無線通信通過射頻電波傳輸數(shù)據(jù)，不受電網(wǎng)噪聲和干擾的影響[16-18]，但易受墻壁阻擋、金屬屏蔽、天氣環(huán)境等影響。HPLC與RF結(jié)合的雙模通信方式，充分發(fā)揮兩種通信技術的優(yōu)點，互補其缺點，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸。

1.2 分支線路監(jiān)測終端

分支線路監(jiān)測終端可對分支箱的主回路、分支回路的三相電壓和多路電流數(shù)據(jù)同時進行采集、處理、存儲和上傳。安裝在分支箱進出線側(cè)的互感器采集電壓、電流等用電信息，分支線路監(jiān)測終端對采集數(shù)據(jù)進行初步處理，并通過寬帶電力線載波、微功率無線方式與智能配變終端通信，分支線路監(jiān)測終端內(nèi)置雙模通信模塊和超級電容，當線路停電時，通過微功率無線方式實現(xiàn)分支箱進出線停電事件的主動上報。

1.3 智能配變終端

智能配變終端結(jié)合安裝在分支箱側(cè)的分支線路監(jiān)測終端、安裝在表箱側(cè)的末端感知終端，可實現(xiàn)對配電臺區(qū)內(nèi)的配變失電、低壓線路停電、表箱失電等信號的實時監(jiān)測。根據(jù)臺區(qū)拓撲及感知終端上傳的故障信息，運用其邊緣計算能力，對故障區(qū)段進行定位，并將停電事件信息實時上報主站。此外，智能配變終端還具有諧波分析、阻抗計算、無功調(diào)節(jié)分析等功能[19-20]。

2 臺區(qū)拓撲動態(tài)識別

臺區(qū)拓撲反映了設備之間的連接關系，是配電自動化的基礎，本文所提出的故障區(qū)段定位方法即建立在準確完整的臺區(qū)拓撲基礎上,臺區(qū)拓撲動態(tài)識別系統(tǒng)主要包括信號發(fā)送裝置和信號接收終端。

2.1 信號發(fā)送裝置

信號發(fā)送裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，發(fā)送裝置集成在智能配變終端內(nèi)，其信號接入點在配電變壓器的低壓側(cè)，主要由處理器、信號發(fā)生器、信號發(fā)生器換相開關、通信模塊，信號衰減電路等構(gòu)成。處理器控制信號發(fā)生器產(chǎn)生0～1 MHz的非工頻正弦測試信號，該正弦測試信號通過換相開關注入到A，B或C相上。信號發(fā)送裝置與信號接收終端之間通過寬帶電力線載波通信。為了避免不同臺區(qū)之間的注入正弦測試信號相互串擾，在信號發(fā)生器靠近配電變壓器一側(cè)配置信號衰減電路，其中衰減電路的換相開關與信號發(fā)生器的換相開關動作邏輯一致，衰減電路的陷波器阻礙工頻電壓信號并通流正弦測試信號，當信號發(fā)生器發(fā)出正弦測試信號時，正弦測試信號通過衰減電路換相開關、衰減電路陷波器、電阻R構(gòu)成回路，通過合理配置電阻值R，可大大削弱串入到其他臺區(qū)的正弦測試信號。

圖2 信號發(fā)送裝置結(jié)構(gòu)

2.2 信號接收終端

信號接收終端的結(jié)構(gòu)如圖3所示，接收終端集成在分支線路監(jiān)測終端或末端感知終端內(nèi)，其信號接入點在分支箱或表箱的進線側(cè)，主要由處理器、陷波器、狀態(tài)開關、換相開關、電流互感器、通信模塊等構(gòu)成。電流互感器將采集到的某相電流通過換相開關傳送給陷波器1，陷波器1去除采樣電流中的工頻分量，得到正弦測試信號分量，并將該信號傳送到處理器。處理器通過控制狀態(tài)開關可將陷波器2投入或切除，當狀態(tài)開關放置在空檔位時，即陷波器器2被切除時，信號接收終端處于空閑狀態(tài)；當陷波器2投入時，信號接收終端處于接收狀態(tài)，正弦測試信號通過換相開關、陷波器2、狀態(tài)開關、零線構(gòu)成回路。

圖3 信號接收終端結(jié)構(gòu)

2.3 拓撲識別算法

為了區(qū)分不同的信號接收終端，需要對其進行編碼，由于信號接收終端集成在分支線路監(jiān)測終端或末端感知終端內(nèi)，因此可以用分支線路監(jiān)測終端或末端感知終端的標識碼作為信號接收終端的ID碼。若臺區(qū)中某些表箱為單相接線，需要分相進行拓撲識別。在換相時，信號發(fā)生裝置的處理器控制換相開關，將信號發(fā)生器切換到A，B或C相上，同時通過HPLC通信模塊將換相信息發(fā)送到所有的信號接收終端，信號接收終端將換相開關切換到相同的相線上。

臺區(qū)拓撲識別的算法具體如下。

步驟1：信號發(fā)送裝置向本臺區(qū)所有的信號接收終端發(fā)送指令，要求上報其ID碼，形成信號接收終端設備清單。

步驟2：信號發(fā)送裝置發(fā)送指令，將本臺區(qū)所有信號接收終端設置為空閑狀態(tài)。

步驟3：信號發(fā)送裝置的處理器控制信號發(fā)生器開始工作。

步驟4：對設備清單中的所有信號接收終端，依次逐個進行以下操作。

步驟4.1：根據(jù)其ID，信號發(fā)送裝置向信號接收終端發(fā)送指令，將其設置為接收狀態(tài)；

步驟4.2：電流互感器檢測出電流變化的所有信號接收終端，上報信息給信號發(fā)送裝置進行存儲，然后將處于接收狀態(tài)的信號接收終端設置為空閑狀態(tài)；

步驟4.3：所有信號接收終端完成步驟4.2后，信號發(fā)送裝置關閉信號發(fā)生器。

步驟5：信號發(fā)送裝置根據(jù)步驟4得出的數(shù)據(jù)，對設備清單中的所有信號接收終端，依次逐個進行以下判斷，正在判斷的信號接收終端稱為判斷終端。

步驟5.1：找出判斷終端在接收狀態(tài)時，檢測到正弦測試信號的其他信號接收終端，如果找不到，與判斷終端關聯(lián)的分支箱或表箱的父節(jié)點是變壓器，針對判斷終端的判斷結(jié)束；如果找到，將找到的所有信號接收終端生成表單U，執(zhí)行步驟5.2；

步驟5.2：如果在表單U中，只有一個信號接收終端，則該信號接收終端關聯(lián)的分支箱或表箱，是判斷終端關聯(lián)的分支箱或表箱的父節(jié)點，針對判斷終端的判斷結(jié)束；如果多于一個，執(zhí)行步驟5.3；

步驟5.3：在表單U中任選一個信號接收終端，找出該信號接收終端在接收狀態(tài)時，檢測到電流發(fā)生變化的其他信號接收終端，將找到的所有信號接收終端生成表單V，從表單U中去除表單V中的信號接收終端，生成新的表單U，轉(zhuǎn)到步驟5.2。

步驟6：完成終端設備清單中所有信號接收終端的判斷后，將判斷結(jié)果生成臺區(qū)拓撲。

下面結(jié)合一個具體的臺區(qū)拓撲進行分析。根據(jù)配電網(wǎng)自動化設計要求，目前配電網(wǎng)主要采用樹狀網(wǎng)或開環(huán)運行的環(huán)網(wǎng)[21-22]。圖4為一個樹狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)的臺區(qū)拓撲，虛線框表示分支箱或表箱，節(jié)點0為信號發(fā)送裝置的信號接入點，節(jié)點1～5為信號接收終端R1～R5對應的信號接入點。

圖4 樹狀網(wǎng)臺區(qū)拓撲

當所有的信號接收終端均處于空閑狀態(tài)時，正弦測試信號無法經(jīng)過信號接收終端構(gòu)成回路，信號接收終端的電流互感器無法檢測到正弦測試信號。

若信號接收終端R5轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)，而其他接收終端仍處于空閑狀態(tài)時，正弦測試信號流經(jīng)節(jié)點1、節(jié)點3和節(jié)點5，并經(jīng)過信號接收終端R5構(gòu)成回路，則信號接收終端R1和R3檢測到正弦測試信號，于是生成表單U，U=[R1，R3]。

若選擇R1作為判斷終端，將信號接收終端R1置于接收狀態(tài)，其他接收終端置于空閑狀態(tài)，除R1以外沒有其他接收終端能夠檢測到正弦測試信號，則R1所關聯(lián)的分支箱或表箱的父節(jié)點是配電變壓器。

若選擇R3作為判斷終端，將信號接收終端R3置于接收狀態(tài)，其他接收終端置于空閑狀態(tài)，除R3以外R1也檢測到正弦測試信號，于是生成表單V，V={R1}。表單U中去除表單V中的信號接收終端，生成新的表單U，U={R3}。表單U中只有一個信號接收終端，則R5所關聯(lián)的分支箱或表箱的父節(jié)點是R3所關聯(lián)的分支箱或表箱。

采用類似方法可得到所有分支箱或表箱的父節(jié)點，將所有結(jié)果合并，即可得到臺區(qū)拓撲。

3 故障區(qū)段判斷

圖5為一個簡化后的樹狀網(wǎng)臺區(qū)拓撲示意圖，節(jié)點1至節(jié)點7為分支線路監(jiān)測終端或末端感知終端的電流采樣點，OC表示短路故障發(fā)生時，流過該節(jié)點的電流超過設定的閥值，即該節(jié)點流過故障電流，定義這種節(jié)點為故障信息點。

圖5 臺區(qū)拓撲示意圖

首先，根據(jù)臺區(qū)拓撲結(jié)構(gòu)建立節(jié)點信息矩陣D，節(jié)點信息矩陣D的定義：

D=[dij]N×N

(1)

(i，j=1，2，…，N)

(2)

定義故障信息矩陣F：

F=[fij]N×N

(3)

(i，j=1，2，…，N)

(4)

定義故障判斷矩陣J：

J=D×F

(5)

對于樹狀網(wǎng)或開環(huán)運行的環(huán)網(wǎng)，與故障區(qū)段內(nèi)的非故障信息點相鄰的所有節(jié)點中，最多只有一個故障信息點。若k為非故障信息點，則矩陣F中元素fkk=1，存在與節(jié)點k相鄰的節(jié)點m，n，…，v，即矩陣D中元素dmk=dnk=…=dvk=1，如果在節(jié)點m，n，…，v中有兩個及以上的故障信息點，即矩陣F中的元素fmm,fnn,…,fvv有兩個及以上為0，則非故障信息點k不是構(gòu)成故障區(qū)段的節(jié)點，需將節(jié)點k從故障區(qū)段節(jié)點判斷中去除，即矩陣J中第k行及第k列元素均置為0，得到更新后的判斷矩陣J′。

在樹狀網(wǎng)或開環(huán)運行的環(huán)網(wǎng)中，故障區(qū)段兩側(cè)的節(jié)點為不同類型的信息點，即一側(cè)為故障信息點，另一側(cè)為非故障信息點。對于一條兩端節(jié)點為p和q的區(qū)段，若節(jié)點p和q均為故障信息點或非故障信息點，則節(jié)點p和q在矩陣J′中對應的元素jpq和jqp相等；若節(jié)點p和q中一個為故障信息點，另一個為非故障信息點，則矩陣J′中元素jpq和jqp不相等。

用符號⊕表示異或運算，若jpq⊕jqp=0，則區(qū)段pq為非故障區(qū)段，若jpq⊕jqp=0，則區(qū)段pq為故障區(qū)段。

對于圖5所示的臺區(qū)拓撲，智能配變終端根據(jù)臺區(qū)拓撲關系建立節(jié)點信息矩陣D。

(6)

若節(jié)點5和節(jié)點7之間發(fā)生短路故障，節(jié)點1，2，4，5處的分支線路監(jiān)測終端或末端感知終端監(jiān)測到節(jié)點過流信號，并將過流信號上傳到智能配變終端，智能配變終端根據(jù)過流信號建立故障信息矩陣F。

(7)

智能配變終端通過矩陣運算得到判斷矩陣J。

(8)

由于

(9)

節(jié)點3和節(jié)點6為故障區(qū)段外的非故障信息節(jié)點，將矩陣J的第3行、第3列、第6行、第6列均置為0，得到矩陣J′。

(10)

(11)

所以故障點在區(qū)段57內(nèi)。

4 結(jié)語

本文在分析智能配電臺區(qū)結(jié)構(gòu)的基礎上，提出了一種基于智能配變終端、分支線路監(jiān)測終端和末端感知終端的臺區(qū)拓撲動態(tài)識別算法，通過信號注入法實現(xiàn)臺區(qū)拓撲動態(tài)識別。在獲取臺區(qū)拓撲的基礎上，提出了一種利用智能配變終端邊緣計算能力的矩陣判別法，實現(xiàn)故障區(qū)段快速定位。