智能開關技術在山區配電線路的應用研究

李 龍

（國網寧波供電公司，浙江 寧波 315000）

0 引 言

隨著經濟的不斷發展，我國提出了堅強電網的發展規劃，開啟了智能電網發展的新篇章。同時，隨著農村經濟的不斷發展，農村智能電網建設也得到了重視。為了更好地促進農村電網的發展，應當重視山區電網的建設，將山區電網建設成為堅強智能化的配電網，以滿足農村智能電網發展的需要。當前，我國山區電網主要采用10 kV配電線路，抵御雷擊、冰災以及臺風等自然災害的能力較弱。山區電網供電可靠性并不只是依靠電力系統的工程質量，自然災害才是摧毀山區電網供電設備的主要因素。智能開關利用計算機監控系統實時監控電網運行情況。因此通過在配網上安裝智能開關可以極大提高山區電網輸配電的可靠性，保證供電質量，減少人員操作。

1 山區配電技術要求

隨著堅強電網計劃的實施，對農村山區配電技術提出了明確的要求，主要體現在以下幾個方面。

1.1 形成農網配電自動化平臺

農村配電網自動化建設目標包括兩個方面，一是建立合理的農村配電網結構，二是搭建一個綜合的自動化平臺。農村配電網需要預留多個標準通信接口，以實現電路負荷調度、電力生產管理以及電力營銷管理等功能。另外，電網運行的所有數據集成在一個系統中，通過大數據和數據挖掘等技術分析處理相關數據，為供電優化提供數據基礎。

1.2 滿足有效通信需求

我國農村山區具有道路崎嶇、輸配電線路長以及電力設備分散等特點，要想快速獲取終端監測裝置的數據難度較大。可以在配電網上建立多種通信方式，以滿足農村配電自動化的需求。如通過智能開關監測電能質量和負荷就是一種較為經濟和可靠的做法。

1.3 監測終端可靠穩定

山區的電力設備大多存放在室外，受自然環境等因素的影響，電力設施設備的壽命不長。這就要求終端監測裝置具備強大的防干擾和抗自然災害等功能，要求電力設施設備具備極強的穩定性，此外還要考慮成本問題，價格不能太貴。

2 智能開關的功能要求

隨著農村用電量的逐漸增加，山區配電線路對可靠性和安全性的要求也逐漸提高。但由于山區自然環境惡劣，不可抗因素較多，因此要想確保山區配送點的安全性和可靠性，用于山區的智能開關有以下的功能要求[1]。首先，通過設置最高限制值，預測潛在的事故隱患，以報警方式通知工作人員，最大限度避免事故發生。其次，電網故障發生后，能夠及時分析得出故障屬性、誘因以及事故地點等，通過中心站控制外部開關設備能夠快速識別故障發生的原因，實現自我恢復，避免人工到現場維修，從而縮短故障維修時間。再次，具備電能管理、配電能耗以及用電成本統計等功能，能夠實時采錄配電系統運行的各種數據量，盡可能減少跑、冒、滴以及漏等現象，提高電能管理效率。最后，實現中、低壓供配電系統一體化綜合管理和監控，接受中心站查詢命令并將相關數據傳輸到主站，實現無人值守，減少人力投入成本。山區智能開關主要包括智能測控保護單元模塊、監控智能通信接口模塊以及監控主機模塊。

2.1 智能測控保護單元模塊

該模塊的主要功能是實現現場設備的間隔層保護和智能保護裝置一體化。采用分布式配置，用RS-485總線連接，實現將保護、測量、控制以及信號通信等功能集合在一個封閉的測控保護單元內[2]。

2.2 監控智能通信接口模塊

該模塊的主要功能是采集前置智能監控單元上傳的設備狀態信息，運用無線通信設備將信號數據傳遞給監控主機，由監控主機完成數據的處理和分析。數據處理完畢后，監控智能通信接口將相關數據傳輸給監控設備，并發出設備操作指令。監控智能通信設備具有上傳下達的功能，是各設備單元和監控智能模塊信息傳遞的橋梁。

2.3 監控主機模塊

該模塊用于處理電網運行狀態的各種信息，實現遠程監控和管理。為了便于管理，該模塊有一個可視化的人機交換界面，通過CAN現場總線連接監控主機與智能通信接口。操作人員可以在可視化的人機交互界面實現信息的溝通與交流，操作監控主機。

3 智能開關的設計

智能開關是在繼電器和模擬儀表等監控設備的基礎上，與新型智能儀表配合，控制網絡通信接口于中央控制器的計算機網絡系統，能夠監測電流、電壓、有功功率、頻率以及電能等數據，實現斷路器的分合操作，實現遙測、遙信、遙控以及遙調。與傳統開關相比，智能開關具有監測和控制等功能，更加智能化和自動化[3]。山區配電線路線路長，由于極端天氣和道路等因素的影響，采用人工方式排除故障的難度較大。而智能開關可以在傳統開關功能的基礎上完成配電網的遙測、遙信、遙控以及遙調等，避免現場檢修，滿足配電網綜合智能化和自動化的要求。

3.1 硬件設計

智能開關的核心工作流程為電流回路串聯于電流互感器二次回路，電壓回路并聯于電壓測量回路，通過電流互感器、低通濾波器以及多路轉換開關將各設備的電信號轉變成相應的電壓值，然后由A/D轉換器進行數模轉換后將信息交給中央處理單元。如果中央處理單元計算得出的信息超過限制值范圍就會發出跳閘信號，并將事故發生的時間、誘因、屬性以及故障點等信息發送給工作人員，并且遠程進行操作，保護設備安全。智能開關主要由模擬量采集模塊、開關量輸入（出）模塊以及人機交互模塊等基本單元組成。

3.1.1 模擬量采集模塊

智能開關運行過程中，需要獲取一些設備電參量進行數據的分析和處理，以達到監控的目的。模擬量采集的具體工作流程包括以下幾個步驟。首先獲取二次電壓和電流信號，運用交流互感器將獲取到的強電信號轉換為弱電信號，并且由運算放大器分析處理弱電信號。其次通過低通濾波電路對弱電信號進行濾波處理，并將處理完畢的信號傳輸給一級A/D轉換電路。最后運用計算機對處理完畢的信號進行數據處理，分析智能開關運行的各種數據，并且根據分析結果發出預警和操控等指令。

3.1.2 開關量輸入（出）模塊

開關量的輸入信號是指設備的輔助常開節點信號，如斷路器的合閘和分閘狀態等，開關量的輸出信號是指報警提示信號等。為了便于管理和后續擴展，開關量的輸入和輸出信號應該分開。

3.1.3 人機交互模塊

人機交互模塊主要包括鍵盤顯示模塊、通信模塊以及主控模塊等，是工作人員與配電監控模塊實現信息交換的重要環節。工作人員根據MMI模塊的信息判斷配電系統的狀態，并運用MMI模塊對裝置進行遠程操作。

3.2 軟件設計

硬件電路是智能開關的肢體，是實現既定功能的重要基礎。但是，要想讓智能開關可靠運行，也必須有完善的軟件設計。本設計采用模塊化設計思路，將整體劃分為主程序、數據采集模塊、數據處理模塊、本地錄波模塊、報警模塊、故障判斷模塊以及通信模塊。每個模塊分開設計、編程并測試，確保各項功能的成功實現。最后，在完成各功能模塊測試后，接入主程序進行系統總體調試，以測試各功能模塊能否實現。本系統的主程序流程見圖1所示。程序初始化后，檢查所有外設，如果沒有中斷就判斷且標識優先級。根據優先級的閾值來判斷是否越限，如果有越限立即故障報警，并且存儲故障數據。

圖1 主程序流程圖

智能開關承擔著線路的開通使用、關斷退出以及檢測排除故障線路等功能，需要采集多種數據，并且按照規則存儲數據，以便后續查詢。數據采集結束后，需要分析和處理數據，查驗每個設備的工作情況和運行狀態，并以一定的表達形式呈現出來，以便讓工作人員及時了解設備運行狀態。當系統出現故障后，需要處理故障。這時，系統的主程序就會鍵盤中斷，并且接收到來自于工作人員發出的操作指令，執行相應的程序。通信處理是指對數據幀的發送和處理，以及數據幀發送失敗的處理等。為了確保數據處理成功，本系統采用模塊化設計思想，將每個獨立功能作為一個模塊，完成該模塊的程序設計以后，修改與其相關聯的程序即可。這樣可以極大提高工作效率，加強程序的可讀性。

4 應用效果

隨著智能開關的廣泛使用，對山區配電網管理的故障研判和運行安全等方面有著十分重要的影響。

4.1 提高了故障判斷處理的能力

智能開關的廣泛使用，能夠實時搜集配電網的運行數據。通過計算得知配電網各外設運行指標是否達到限定值，以便及時預測可能出現的故障并及時處理，減少故障發生頻率，節約故障維修時間。例如，2019年12月14日，由于雨雪冰凍的極寒天氣原因造成配電線路故障，發生7次合閘事故。其中，5次智能開關跳閘。智能開關跳閘后立即自檢，排查原因，自我恢復，減少了人工現場檢修的次數。如果沒有安裝智能開關，5次跳閘將會發生在變電所。如果變電所跳閘，將會造成大面積供電區域停電，而且很難找出故障發生的原因和故障點，增加停電時間，影響人們的生活生產。

4.2 提高了運行管理效率

利用智能開關進行開關集中管理，可以實現電網設備全程的實時監控，減少了人工投入，實現了無人值守和網絡監控相結合的監管模式，極大提高了電網的可靠性和管理效率。

4.3 降低了安全風險

由于山區的氣候環境惡劣，自然災害較多，電網線路上的瞬間故障較多。另外，山區道路曲折，在冰雪封路的情況下，如果采用人為方式巡查，必然會增加勞動成本，提高用工風險。巡檢人員發現故障后需要通知供電所斷電處理，這樣會增加停電面積、停電時間以及操作人員的安全風險。而通過智能開關可以遠程控制電網，可以快速處理故障，恢復供電，有效提高用電安全，具有極強的現實意義。

5 結 論

智能開關技術在山區配電線路的應用具有明顯效果，有效提高了故障判斷處理的能力、運行管理效率、安全穩定運行水平以及供電可靠性，降低了安全風險，可以遠程控制電網，快速處理故障并恢復供電，具有極強的現實意義。