配電網一二次融合關鍵技術及應用

項 林

（福建 廈門 361000）

0 引言

隨著我國智能電網建設水平的不斷提升，很多供電設施都朝著智能化、自動化、信息化的方向發展，不僅提高了配電網的運行效率，保證其質量，而且在很大程度上提高了供電服務質量與客戶滿意度。在這種背景之下，誕生了一二次融合技術。而且隨著這項技術投入使用，供電設備更加完善，提高了其運行質量，配電網智能化水平也獲得顯著提升。鑒于此，有必要針對配電網一二次融合關鍵技術進行系統化研究，持續推動該項技術的健康發展。

1 一二次融合技術的發展現狀

在傳統供電模式下，一次設備與二次終端之間主要通過電纜進行連接。但是，這種接線方式較為復雜，現場施工量較大。另外，在其運行過程中，還時常出現一、二次設備接口不匹配、二次設備端子標準化程度低等問題，導致一二次設備兼容性、擴展性、互換性均不夠理想。此外，對傳統一次設備而言，其IP防護以及EMC性能普遍偏低，時常在運行過程中出現遙信抖動、設備凝露等問題；在應用全間隔高速錄波功能時存在較大難度；由于單相接地故障監測存在一定的困難，在配電網運行過程中非常容易出現單相接地故障，阻礙了配電質量的提升[1]。

2 一二次融合技術的應用目標

在配電網中引進一二次融合技術，主要有以下應用目標：第一，弱化一二次設備的分界。一二次融合技術需要以防塵、防雨、防腐蝕、防凝露為目標進行高防護結構設計，消除一、二次設備之間的界限，確保一二次融合設備及配電網在惡劣天氣環境下，依然可以實現平穩運行，使供電質量獲得保障；第二，提高整體設計的耐用性。一二次融合設備不僅自帶整體模塊化設計和標準化接口，各模塊還具有小型化、可靠性強、實用性高、即插即用等特點，可滿足多種類型配電網的使用需求；第三，提高設備智能分析處理能力。通過應用一二次融合設備，可針對配電網故障進行快速精準定位，并且及時切除故障，盡快恢復供電；第四，獲得更加友好的運維體驗。一二次融合設備具有設備狀態集成化監測功能，該功能可以在設備運行過程中，對其運行狀態進行圖形化展示、智能化診斷以及科學化運維指導，幫助工作人員更加精準高效地開展供電線路運維工作，使運維工作水平獲得顯著提升。

3 一二次融合技術的優勢

第一，二次設備雖然是開關柜自動化成套設備中的1個核心部件，但其內部電子控制器卻是1個新增部件。即使如此，該部件可以針對中壓系統開關柜進行多功能控制與智能化控制；第二，一二次融合終端自帶信息采集DTU裝置，借助該裝置的信息技術可使傳統裝備得到智能化升級。升級之后的終端設備集成了工業自動化技術以及嵌入式智能控制單元，外加多個新增元器件的聯合應用，使開關設備的電氣性能獲得顯著提；第三，通過運用電子控制器，可以同時操控多種類型的開關。對開關柜而言，通過加裝電動機驅動結構，使開關柜操控方式從原有的手動操控轉變成遠程操控，傳統模式下的人工扳桿操作也轉換成按鈕操作，其操控過程更加高效、快捷、安全；第四，有利于制訂個性化方案[2]。

4 一二次融合融合關鍵技術原理

現如今，雖然一二次融合配電開關的使用率越來越高。但是，對于該類開關的運行質量和整體性能而言，一二次設備融合程度是一個非常關鍵的因素。要想發揮出一二次融合配電開關的技術優勢，務必根據以下原理，針對一二次融合配電開關設備融合方式進行科學合理地設計。首先，建議使用決策層融合方法，該方法可以對一二次融合配電開關數據信息及設備類型進行有效識別，進而幫助工作人員在各種分類器當中做出合理選擇，以此來滿足一次次融合開關的數據采集需求；其次，在針對一二次融合配電開關設備不同功能模塊進行分類時，假設同時存在n個模塊，則需要以n個模塊作為輸出基礎。在該基礎上，進行信息數據的接收，其模型結構示意圖參見圖1。

圖1 決策層融合模式識別模型示意圖

5 一二次融合開關設計原則

第一，可靠性。在終端整體結構設計階段，就要針對電氣接口、功能定義和設置配置以及運行維護等方面進行周全細致的考慮，確保所有運行裝置的安全穩定性，最大限度防止出現誤操作；第二，通用性。針對設備運行參數、切換開關、壓板等實現功能進行合理配置。由于真空斷路器與負荷開關的成本較為接近，為了提升便捷性，建議統一為斷路器。因為斷路器可同時支持電磁、電子和數字3種電氣量采集方式；還可以設置為集中型或者就地型饋線自動化模式。通過上述設計，可實現集成開關操作、隔離開關操作、儲能回路狀態監測，為一二次融合設計的通用性提供可靠保障；第三，小型化。在針對一二次融合開頭進行設計時，需要優先滿足各項功能要求，在此基礎上，盡量采用小型化罩式結構或箱式結構。但是，需要統一安裝尺寸和電氣接口，以此來適應批量制造和自動檢測的相關要求；第四，還需要針對饋線終端產品類別進行精簡，體現出設備小型化技術優勢；第五，先進性。一二次融合設備可以支持電子式傳感器及就地數字化等新技術的應用，內部集成開關還具備狀態監測功能。鑒于一二次融合設備存在上述技術優勢，當設備在運行過程中遇到小電流接地選線準確性問題、縮短FTU+斷路器動作時間問題、無(電壓)源跳閘問題、小電流(200A以下)計量等配電問題時，都可以第一時間提出相應的解決方案。這一特性決定了一二次融合開關的先進性，使其成為一項值得重點推廣的技術，也直接凸顯出一二次融合技術的實際應用價值[3]。

6 配電網一二次融合關鍵技術及應用

6.1 一體化檢測技術

如圖2所示，一二次融合設備一體化檢測技術是基于物聯網技術、信息技術構建起的一個綜合檢測平臺系統，該系統主要由檢測軟件、一次電壓電流功率源、一次信號驅動器、錄波儀、多通道高精度標準表、二次電壓電流源、開入開出通道以及綜合切換裝置共同構成。在實際應用過程中，該平臺既可以針對單臺設備進行一體化檢測，也可以針對多臺設備進行網架級檢測，而且憑借HIL的一次側注入FA檢測技術、多通道精度檢測、高精度故障反演和自動化流程控制等眾多功能模塊，對一二次設備核心部件進行精準檢測，為設備提供可靠保障，使其運行質量獲得大幅提升。在搭建組態式動模平臺時，同時引進了可視化組態建模技術和合閘角故障仿真技術，這2項技術為提高一二次融合設備的應用水平提供了極大的技術支持。

圖2 一二次融合綜合測試系統示意圖

在單臺設備進行一體化檢測方面，其工作原理如下。當一次電壓電流功率源所輸出的電壓電流信號經過一次信號驅動器升壓升流之后，即可輸出1000A暫態電流、720A穩態電流等模擬電流以及每相幅值11kV的一次模擬電壓，該電壓和電流經高壓電纜流入智能開關中；接著智能開關的PT、CT通過一次航插接口與綜合切換裝置相連接；然后，綜合切換裝置再通過二次航插接口與智能開關的控制終端端子相連接；最終，多通道高精度表、二次電壓電流功率源、開入/開出通道再通過各自相對應的信號線與綜合切換裝置相連接。在多臺設備網架級測試方面，其技術原理如下。一體測試系統以HIL一次側FA注入技術和組態式動模FA測試技術為依托，同時兼容多種負載類型、負載率、容流規模、中性點接地方式、故障場景等運行工況，再通過檢測接口將待測配電終端接入一體化檢測系統中，可針對該配電終端FA系統進行功能檢測。在這個過程中，需要實驗人員事先繪制好網絡拓撲圖，并且按照系統生成的組態導引流程逐步完成一次網絡接線，即可針對各種實驗場景進行全面部署。借助系統中的軟件，依次執行多種檢測案例。待檢測完成后，系統會自動生成檢測報告，為工作人員開展設備維修養護提供指導與參考。一體化檢測技術具有便捷、實用、靈活多樣等優勢，它不僅可以檢驗FA系統故障處理邏輯是否正確，還可以檢驗FA系統通信故障、開關拒動、開關慢動等多種故障；同時，針對大負荷投切、變壓器空投等多種復雜工況下FA動作邏輯的可靠性進行檢測與驗證，在FA系統出廠檢測時，為其提供一種高效、可靠的檢測技術，從而推動配電網自動化進程[4]。

6.2 故障隔離與自愈技術

一二次融合設備借助遍歷算法，可針對配電網拓撲圖形化進行智能識別。這對故障自動隔離與自愈技術而言，屬于必要條件之一。故障隔離與自愈技術具有配置簡單、可視性、擴展性等特點，而且其輻射范圍非常廣。不僅適用于輻射型網絡、花瓣型環網、鏈式單環網、鏈式雙環網等標準網絡拓樸，還適用于多T節、多電源、多聯絡等更加復雜的網絡拓撲。在區域型終端方向，可與區域內所有單元型配電終端之間進行信息交互。之后，再結合網絡拓撲以及檢測到的故障信息，針對非故障段有針對性地提出供電恢復方案。對單元型終端，可采集開關信息，使故障得到精準定位，實現故障段自動隔離，再以GOOSE報文形式將相關信息上傳至區域型終端的控制部件中[5]。當該部件接收到控制命令以后，便開始自動執行自愈分合閘命令。

6.3 單穩態分相直控永磁機構

與傳統的彈簧機構相比，單穩態永磁機構所采用的縱向對稱前后布置方式；三相采用的是獨立機構。因此，其傳動結構非常簡單，而且零部件數量較少，省去了傳統彈簧機構中分閘線圈、儲能電機、機械鎖扣連桿等零件。單穩態分相直控永磁機構不僅可以獨立完成直線運動，其使用壽命較長，可達到10萬次以上。因此，該機構具有操作簡便、使用壽命長，穩定可靠等優勢。該機構采用了雙斷口磁路結構，反應速度更快，分閘時間更短。通常情況下，分閘時間小于15ms，合閘時間小于25ms。在相同合閘電流情況下，合閘保持力更大，該機構還具有尺寸小、功耗低、可獨立安裝等特性。其驅動模塊采用的是IGBT控制技術，驅動力更強。其自帶防抖處理功能，可有效避免由外界干擾所造成的誤動；該機構還自帶監測回路，支持故障清除和狀態檢修功能，其控制器還配置了后備電源，可大幅降低設備運維成本[6]。

6.4 Web Server運維技術

現階段，運維App與終端業務App已經實現了完全獨立，從各自的硬件設備上看，也各自具備獨立端口。因此，完全可以實現保障維護功能與核心業務的安全隔離。Web Server運維技術支持運維端口管理，通常情況下，HTTPS-443、TFTP-69等端口只有在特定運維工況下，才予以啟動。Web Server運維技術除了可以同時兼容國網數字證書和南網數字證書的雙向認證以外，還可以針對芯片進行加密[7]。

6.5 接口匹配與防護

為了保證各個電力應用單位的有效執行，需要根據一二次設備相關標準以及設計文件對設置標準化設計進行清晰標注，還需要針對不同地域的市場需求進行歸類與分析，找出其中的共同點與差異性，還要考慮到當需求升級時，設備是否具備較強的兼容性與擴展性，滿足不同地區、不同時期的供電需求。在針對一二次設備接口進行標準化設計時，需要同時滿足測量接口、控制接口、通信接口及擴展接口的設計需求，并且落實標準化設計。其中，主要涉及接口尺寸定義、接口容量及接口電平匹配的標準化設計；還要遵守國際通信規約、各地域擴展規約開展標準化設計；在保護參數方面，主要包括三段電流保護、就地FA保護及小電流接地保護的參數標準化設計；還需要針對地域擴展功能設備接口進行標準化設計。如果采用的是全密封結構共箱式開關，則需要落實全絕緣、全密封的應用原則；對各個控制單元而言，要盡量采用非金屬全密封罩式結構，確保其防護等可滿足防潮、防凝露等相關要求。在設置電纜類設備控制單元時，建議采用分布式結構以及開關柜一體化設計方式，直接由設備供應商在生產加工過程中完成一二次聯調工作，從而大幅減少施工過程中的配線、接線以及調試工作[8]。

6.6 設備聯動測試機制

對一二次融合設備而言，除了保留原有的各自測試要求外，還新增第三類測試要求。在實際應用的過程中，雖然已針對現有的NB/T42044進行規范，但仍然需要基于市場對產品功能和設備技術進行完善，進一步擴充其測試內容，提高測試參數的科學合理性。目前，一次設備仍是第三類測試的主要載體。在進行這類測試之前，需要針對一二次設備的環境適應性以及運行可靠性進行測試。只有這樣，才能確保融合之后的產品性能符合用戶需求[9]。

7 結語

配電網一二次融合設備的安全穩定運行，對提高供電質量，保障供電安全具有重要的現實意義。因此，相關技術人員有必要針對一二次融合關鍵技術持續不斷地進行研究。確保在供電系統運行過程中，用戶能夠快速獲取一二次融合設備對電網故障的感知力，精準定位故障的時間和地點，并且具備自動隔離故障、故障自愈的能力。從以往的人工“被動”判斷過渡到更加先進科學的“主動”隔離操作，配電網的智能化控制與自動化管理，為配電網的正常運行提供技術支撐。