臺區低壓開關跳閘預防性運維系統設計

劉 哲，宋秋月，陳長金，吳 強

(1.國網河北省電力有限公司培訓中心，河北 石家莊 050031；2.北京科東電力控制系統有限責任公司，北京 100192)

配電網在電力系統中，因其運行方式復雜，使得臺區低壓開關跳閘導致人們日常生活受到嚴重影響，運維搶修占比超過一半以上，直接影響低壓開關跳閘供電指標[1-2]。當前臺區存在負載監測不全面、重過載臺區更新改造成本過高的問題，管理人員無法實時了解到臺區負載情況，也沒有實時監測到各線路負荷大小，導致差異化預防性運維效果較差，只能出現低壓開關跳閘后，才能進行運維搶修，嚴重影響供電達標率。

目前，對于臺變預防低壓開關跳閘措施主要有變壓器容量變大、供電線路改造、線路保護用低壓開關增大等，文獻[3]提出低壓框架斷路器頻繁跳閘故障預防系統分析，以河南丹尼斯百貨有限公司為例，對低壓框架斷路器頻繁調跳閘故障預防做出了有效分析，控制器為KST45-M型號，低壓主進框架式斷路器為RAW1-3200型號，其額定電流控制在2 500 A范圍內。文獻[4]提出直流接地導致開關跳閘事故預防系統，以某變電站為例，在運行過程中發生220 kV開關跳閘事故，找出事故發生的原因并依據原因及時做出相應的解決措施，排查出開關跳閘故障點，為后續的工作及時設計應對預防系統。

雖然上述研究取得一定進展，但對原始設備和線路調整所需投資金額較大，這與收益不成正比，無法進行差異化預防性運維[5]。基于該問題，提出了臺區低壓開關跳閘預防性運維系統設計，設計臺區低壓供電線路負載在線監測功能，通過平臺大數據分析，使運維檢修更有計劃性，確保供電指標達成。

1 系統總體結構設計

構建配網臺區運維平臺，實現臺區低壓開關跳閘的可預防性運維，通過提高線路監測數據采集精準度，深入研究臺區工作環境、線路負載特性等問題。建設低壓臺區管理平臺，并進行在線監測與長期跟蹤分析，根據低壓線路負載、線纜溫度等情況，構建預警運維模型，保障供電可靠，為改善電能質量、更換配電設備提供必要的決策依據。

根據臺區低壓供電線路現場需求，對當前移動數據通信技術展開研究，開發監測數據存儲方式、數據分析模型、移動管理APP、預警閾值設置等，研究供電線路負載動態變化，并以此構建預防性運維系統總體結構，如圖1所示。

圖1 預防性運維系統總體結構Fig.1 Overall structure of preventive operation and maintenance system

運維系統總體結構可分為2大部分，分別是現場配電線路負載智能采集裝置和遠程數據平臺終端。現場配電線路負載智能采集裝置包括箱變、JP柜、柱上開關、網關設備，其配電線路一般為三相負載，智能采集裝置的電流互感器安裝于每條線路的三相電纜上，電流互感器采用開口式設計，互感器緊固時穿刺電纜進行電壓采樣，同時通過開口互感器緊貼在電纜上的溫度傳感器采集電纜表層溫度，采集的電流、電壓、溫度量接入采集裝置的主模塊[6]。由電能芯片進行計算分析，智能采集裝置所采集的線路負載情況通過LoRa無線通信技術方式傳送至網關，網關通過4G技術將數據發送到遠程數據管理平臺；遠程數據平臺端包括云服務器、Web訪問、App推送，接收網關傳送回來的各配電線路負載情況(電流、電壓、溫度、頻率、功率因素、有功、無功、電度等電量參數)，并提供分析和預警功能[7]。一旦出現過負載、超溫、三相不平衡等情況，能快速明確指出問題部位，為檢修人員提供準確的檢修位置和相關參數[8]。

2 硬件結構設計

結合現場作業的特點，部署硬件設備結構，配電回路的電流、電壓、溫度采樣方式，直接安裝固定在電纜上，無需對原有設備進行改造，裝置的安裝和工作不影響供電線路的正常運行[9]。定期傳輸配電線路的負載數據，適應電力現場復雜情況，由此設計硬件結構，如圖2所示。由圖2可知，硬件結構是由用戶文件客戶端、交換服務器、傳感器、網關設備以及監測模塊組成的。由于用戶文件客戶端和交換服務器具有普遍性，在此對傳感器、網關設備以及檢測做具體描述。

圖2 臺區低壓開關跳閘預防性運維系統硬件結構Fig.2 Hardware structure of preventive operation and maintenance system for low voltage switch tripping

2.1 傳感器

采用ST X-NUCLEO-6180XA1 VL6180X 型號傳感器，能夠實時感知周圍環境信息，按照一定規律變為電信號形式輸出，滿足信息傳輸、處理、存儲與顯示要求[10]。傳感器是由敏感元件、轉換元件、變換電路和輔助電源組成的，其結構如圖3所示。

圖3 傳感器結構Fig.3 Sensor structure

通過敏感元件感知被測臺區低壓開關跳閘信息量，輸出與該量有關的信號，通過轉換元件將該信號轉化為電信號形式，經過變換電路完成信號放大調制。變換電路中的每個線路負載監測裝置的傳感器為3只，分別固定于線路的ABC相線上。每個傳感器包含：電流、電壓、溫度3個基本量的采集傳感單元[11]。傳感器采用開口設計，可直接安裝于工作電纜，電流采樣精度為0.5級，電流采樣范圍0～750 A；溫度采樣精度為±2 ℃。

2.2 網關設備

網關設備是一種協議轉換設備，在網絡層實現網絡連接。在不同通信協議支持下，網關為一個翻譯器，與網橋傳達信息，并將接收到的信息重新打包，適應運維系統設計需求。

采用智能通用網關，對同類設備建立標準數據模型，即使是不同廠家設備，也可以按照數據模型定義的標準私鑰數據，與云平臺、上位機監控系統進行通信，實現通訊數據標準化。建立設備與云端服務器的互聯互通數據通道；網關與設備層采用現場總線、LoRa無線通信方式組網；網關與服務器采用以太網、WiFi、4G等通信方式組網[12]。

網關的工作原理如圖4所示。

圖4 網關工作原理Fig.4 Schematic diagram of gateway

網關設備通向其他網絡IP地址時具有2個網絡通道，分別是網絡A和網絡B，其中網絡A的IP地址范圍為“192.168.1.1—192.168.1.254”，子網掩碼為255.255.255.0；網絡B的IP地址范圍為“192.168.2.1—192.168.2.254”，子網掩碼為255.255.255.0。在缺少路由器情況下，兩個網絡之間是無法進行IP通信的，即使A和B兩個網絡連接到同一臺交換機上，IP協議也會根據子網掩碼判定網絡中主機位置，實現2個網絡之間實時通信[13]。

2.3 監控模塊

監控模塊HZ-JK02B是新一代微機型直流電源屏監控模塊，采用集中式擴展單元結構，接線簡單、安裝方便，適用于7～200 Ah直流電源屏系統，可擴展絕緣檢測，通過RS485接口通信，實現支路絕緣監測[14]。以往運維系統受到噪聲干擾影響，無法對電信號進行監控，導致系統監控信息不全面，也就無法有效運維，為此需設計監控模塊，改善噪聲干擾問題[15]。運算放大器具有較高放大倍數電路單元，其工作原理如圖5所示。

圖5 運算放大器工作運行原理Fig.5 Operation principle of operational amplifier

運算放大器在實際電路中，結合反饋網絡組成功能模塊，因其具有特殊耦合電路，其輸出信號可以轉化為輸入信號加、減數學運算結果。運算放大器負責抑制電流值突然變大，而電容起到了抑噪作用，如果噪聲變大，那么需要通過運算放大器，抑制外界噪聲。

因此，設計運算放大器能夠使運維系統在無噪聲環境下，對臺區低壓開關跳閘預防性運維效果實時監控[16]。

3 系統技術設計

臺區低壓開關跳閘預防性運維系統的技術設計是由界面表示層、業務邏輯層、數據庫層組成，運維系統技術設計如圖6所示。

圖6 運維系統技術設計Fig.6 Technical design of operation and maintenance system

使用邏輯空間3層體系，研究運維系統技術，將數據庫、業務規則和合法檢測內容設置在中間層，客戶機通過無線通信與中間層取得聯系，并與數據庫交換數據[17]。臺區低壓開關跳閘預防性運維系統需要配電線路不停電采集，采用無線傳輸方式建立統一管理平臺，通過低壓供電線路負載在線監測，有針對性地對臺區低壓開關跳閘進行差異化預防性運維。

基于圖6，將臺區低壓開關出口處的電流用ITA表示，假設該臺區共配置了臺運維控制終端[18]，分別用m1，m2，…，mn表示，每臺控制終端分別有q條負荷支路，那么得到所有控制終端的支路電流就可以形成1個電流向量，表示為：

I=[ITA+qm1+，…，+qmn]

(1)

低壓臺區負荷以及開關跳閘預防性運維控制終端在沒有換相之前各支路對應的開關狀態矩陣為S0，用下式表示：

S0=[Sq1，Sq2，…，Sqn]

(2)

根據開關狀態矩陣結果，在臺區開關跳閘預防性運維控制終端中換相各負荷支路電流，則得到臺區不平衡度最小的目標函數為：

F=min{ΔImax(Q)}

(3)

式中，Imax為各支路上的相電流之和；Q為開關狀態矩陣的變化決定負荷相間切換次數。

在得到目標函數的基礎上，將預防性運維控制終端各負荷支路的開關投切變換因子組成為一個向量矩陣，其表示為：

M=[u1，…，uq1，uq1+1，…，uq1+q2，…，uqn]

(4)

式中，u為臺區開關跳閘預防性運維控制終端各負荷開關的投切變換因子。

此外，當受到雷電流影響時，需計算線路感應過電壓Uj：

(5)

式中，Iu為雷電流幅值；H為導線距離地面的高度；S為感應雷過電壓的最短距離。

當開關狀態矩陣S0與初始狀態矩陣S所對應位置的向量不相同時，將u記為1；如果其向量相同，則將u記為0[19]。因此，得到臺區開關跳閘預防性運維控制終端中所有負荷支路的開關切換次數為：

(6)

基于開關切換次數，根據智能化臺區低壓開關跳閘預防性運維系統技術示意圖，建立相應維護管理機制，在標準化作業書指導下采用繼電保護法進行跳閘預防性運維。

開關跳閘預防性運維要求各個工作人員能夠單獨高效完成運維工作，該過程不涉及設備更換與拆卸[20]，采用繼電保護法對設備運維工作內容見表1。依據表1，采用繼電保護法對臺區低壓開關跳閘進行維護檢修時，對開關跳閘設備維護工作、運維項目、檢修措施進行分析。

表1 設備運維工作內容Tab.1 Work content of equipment operation and maintenance

4 仿真實驗

設計的臺區低壓開關跳閘預防性運維系統在完成投入使用后，由仿真實驗驗證該系統設計合理性，并詳細記錄運維信息。利用仿真平臺得到臺區低壓開關跳閘模型如圖7所示。

圖7 臺區低壓開關跳閘模型Fig.7 Trip model of low-voltage switch in station area

4.1 實驗信息采集

依據臺區低壓開關跳閘同一實體間聯系，可按照相同比例情況分別處理數據信息，依據該準則，采集了3部分核心數據，見表2。

表2 核心數據采集Tab.2 Core data collection

4.2 實驗結果與分析

設計報文格式，使開關跳閘電纜互相連接，提高網絡數據交換可靠性。將繼電保護作為實際運維方式，設計運維方案如圖8所示。

圖8 運維實現方案Fig.8 Operation and maintenance implementation scheme

運維方案主要包括故障分析、工具使用、人員安排、維護流程，將運維實現方案設置為實體，減少冗余數據，增加開關跳閘數據利用效率，實現臺區低壓開關跳閘預防性運維。

雜散諧波是影響臺區低壓開關跳閘主要原因，傳統系統在該諧波影響下，運維效果較差。而使用所研究系統在運算放大器設備下，不會受到諧波影響，運維效果較好。

4.2.1 雜散諧波干擾對信息采集頻率的影響

受到雜散諧波干擾3種方法低壓開關跳閘信息采集頻率如圖9所示。

圖9 3種系統雜散諧波干擾對信息采集頻率影響Fig.9 Influence of three kinds of system spurious harmonic interference on information acquisition frequency

由圖9可知：所研究系統受諧波干擾強度的變化，頻率波動平緩，而文獻[3]系統和文獻[4]系統受到電波干擾，在2.8級到3.2級時頻率呈現上下大幅度隨機波動，此時頻率變化極其不穩定，而后又出現下降情況。受諧波干擾強度影響，文獻[3]系統和文獻[4]系統受到諧波干擾影響較大，所研究系統受到干擾影響較小。

4.2.2 運維效果的對比結果與分析

為了驗證臺區低壓開關跳閘預防性運維系統的有效性，基于上述對比內容，將3種系統的運維效果對比分析，得到結果見表3。

表3 三種系統運維效果對比分析Tab.3 Comparative analysis of operation and maintenance effects of three systems

由表3可知，在不同諧波干擾等級下，所研究系統的運維效果比傳統系統運維效果要好，當諧波干擾等級為3級時，所研究系統運維效果最高為0.935 4，而此時文獻[3]系統和文獻[4]系統運維效果僅僅分別為0.598 4和0.586 4。綜上所述，臺區低壓開關跳閘預防性運維系統設計是具有合理性的，且運維效果較好。

4.2.3 運維投資成本的對比結果與分析

為了驗證所研究系統進行預防性運維的差異化性能，分別運用三種系統進行運維投資成本的對比分析，得到結果如圖10所示。

圖10 三種系統運維投資成本對比結果Fig.10 Comparison results of three system operation and maintenance investment costs

由圖10可知：所研究系統的運維投資成本明顯要低于傳統系統的運維投資成本，在同等環境條件下，所研究系統的運維投資總成本成本低于100萬元，而文獻[3]系統和文獻[4]系統的運維投資總成本超過了120萬元。綜上所述，所研究的臺區低壓開關跳閘預防性運維系統設計能夠實現差異化預防性運維，使運維檢修更有計劃性。

5 結論

(1)運維系統測試是確保軟件功能可靠性的關鍵性步驟，也是軟件研發不可缺少的一部分，通過系統測試可將系統軟件、硬件結合起來運行，進而完善臺區低壓開關跳閘預防性運維系統。

(2)采用繼電保護法可改善傳統運維效果差的缺點，有效提高了臺區低壓開關跳閘預防性運維效果。通過仿真實驗可知，所研究系統受諧波干擾強度的頻率波動較為平緩，可見該系統容易受到諧波干擾的影響較小；同時，所研究系統運維效果最高可達到0.935 4，明顯高于傳統系統的數值；此外，所研究系統的運維投資成本最低，提高了差異化預防性運維的應用性能。綜上所述，該系統運維效果較好，能夠保障供電達到設定的指標。

(3)雖然所研究系統具有良好運維效果，但該系統缺少一體化管理模式，因此，為了縮短臺區低壓開關跳閘預防維護時間，在以后研究進程中，分析配電網業務運行效率，實現智能一體化配電網運行。