基于通信質(zhì)量檢測(cè)的自適應(yīng)復(fù)雜配電線路就地型饋線自動(dòng)化策略

劉肖驄，韓寶卿，李文娟，熊 鷹，索吉鑫

(1.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京 100000； 2.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司 信息通信公司，青海 西寧 810000)

“十三五”期間，青海公司開始進(jìn)行配電自動(dòng)化建設(shè)改造。截至2017年底，配電自動(dòng)化覆蓋率達(dá)到66.54%，配電自動(dòng)化終端覆蓋線路887條。但由于缺少配電自動(dòng)化主站的支撐，配電終端采集的數(shù)據(jù)無法充分發(fā)揮作用，導(dǎo)致對(duì)停電、故障等相關(guān)信息掌握不及時(shí)。通過對(duì)基于泛在電力配電設(shè)備狀態(tài)感知的配電自動(dòng)化管理信息大區(qū)主站系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)全省的配電數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、指標(biāo)分析和考核評(píng)估等功能。系統(tǒng)建成后，能夠充分利用終端采集的數(shù)據(jù)，提高調(diào)度運(yùn)行控制及故障處理能力，提高配電運(yùn)檢精益化管理水平。系統(tǒng)采用主流高配服務(wù)器(4臺(tái)應(yīng)用、2臺(tái)信息發(fā)布、4臺(tái)前置、2臺(tái)數(shù)據(jù)庫、2臺(tái)負(fù)載均衡)，提供強(qiáng)大的系統(tǒng)硬件支撐；新建網(wǎng)絡(luò)安防設(shè)備(2套配網(wǎng)加密、2套數(shù)據(jù)隔離、1套入侵檢測(cè)、3套防火墻)，提供了安全通信的可靠保障。配置數(shù)據(jù)采集處理、配電接地故障分析、配電網(wǎng)運(yùn)行趨勢(shì)分析、數(shù)據(jù)質(zhì)量管控、配電終端管理、配電自動(dòng)化缺陷分析、信息共享與發(fā)布、綜合告警分析、配電網(wǎng)故障精準(zhǔn)定位等功能，支撐配電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行、生產(chǎn)運(yùn)維，為配電網(wǎng)規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐[1-3]。配置信息交換總線，與PMS2.0、線損管理系統(tǒng)、指標(biāo)分析系統(tǒng)、供電搶修指揮平臺(tái)的信息交互。目前全省范圍內(nèi)已實(shí)現(xiàn)地市遠(yuǎn)程工作站全部上線并支持在線維護(hù)異動(dòng)的工作，主站已成功接入饋線745張、終端上線5 110臺(tái)，持續(xù)成功FA定位816次，及時(shí)有效地反饋出了問題故障發(fā)生時(shí)間及地點(diǎn)，為后續(xù)的搶修工作贏得了寶貴的時(shí)間[4]。

1 技術(shù)分析

配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是電力系統(tǒng)中供電企業(yè)與用戶互相聯(lián)系的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其供電可靠性水平的高低與用戶有著直接的關(guān)系。而且，配電系統(tǒng)也是整個(gè)電力系統(tǒng)與用戶相連的最后一個(gè)階段，故此，其供電可靠性的高低對(duì)用戶影響很大，如果它發(fā)生故障事件，用戶的供電會(huì)直接停止。當(dāng)前經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，用戶的數(shù)量與種類不斷增多，它們需要供應(yīng)電能的質(zhì)量不斷增高，配電系統(tǒng)規(guī)模也隨之不斷膨脹，其構(gòu)造也不斷變化，更加多樣智能；它的實(shí)際運(yùn)行方式變得越來越復(fù)雜、不容易控制。以前的學(xué)者也根據(jù)具體的配電系統(tǒng)自身的特點(diǎn)進(jìn)行過可靠性評(píng)估研究工作，但得到的效果并不太理想，所用方法消耗的計(jì)算時(shí)間相對(duì)來說比較長(zhǎng)，其計(jì)算精確度也比較低。它僅僅適合用在特定配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，只能對(duì)靜態(tài)可靠性問題進(jìn)行評(píng)估，所以不能很好地與配電系統(tǒng)可靠性的發(fā)展相適應(yīng)。

通過利用分段開關(guān)和重合器的配合動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)與主站通信，完成故障點(diǎn)的精確定位，尤其是在偏遠(yuǎn)交通不便捷區(qū)域，對(duì)其優(yōu)選實(shí)現(xiàn)饋線自動(dòng)化；當(dāng)故障發(fā)生后，變電站的出線斷路器要對(duì)故障處理完成需要2次合閘處理，存在問題是分段的參數(shù)與線路的運(yùn)行參數(shù)的配置，與多線路分支結(jié)構(gòu)的復(fù)雜處理相匹配，記憶過流次數(shù)和重合失壓是對(duì)隔離段故障和非故障區(qū)段恢復(fù)供電的方法；對(duì)于單項(xiàng)接地故障，尤其是永久性故障需要重合閘3次，這種處理方式缺點(diǎn)是處理時(shí)間慢，可移植性差，運(yùn)行模式改變就要同步調(diào)整開關(guān)的參數(shù)配置，但是在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)多次切斷故障電流，會(huì)引起變壓器多次高電流沖擊，致使變壓器壽命大幅度降低[5-7]。

針對(duì)以上問題，本文提出一種方法，將線路中的開關(guān)全部更換為斷路器，通過斷路器間的與或門配合，將延時(shí)合閘、重合閘等問題進(jìn)行消除，對(duì)故障電流和停電時(shí)間對(duì)線路及設(shè)備的沖擊危害消除，同時(shí)參考故障檢測(cè)方法，用案例分析進(jìn)行驗(yàn)證。

2 故障處理

配電線路如圖1所示。圖1中，用斷路器將開關(guān)替代，然后CB斷路器與變電站出線相連接，將Ⅰ段的速度斷電保護(hù)取消，同時(shí)過流保護(hù)Ⅱ、Ⅲ段和一級(jí)保護(hù)配置重復(fù)合閘，分支斷路器FZ1，分段斷路器FD0、FD1、FD2、FD3、FD4，分界斷路器FJ0、FJ1、FJ2、FJ3、FJ4、FJ5、FJ6、FJ7、FJ8、FJ9、FJ10、FJ11、FJ12，聯(lián)絡(luò)開關(guān)1LSW1，聯(lián)絡(luò)開關(guān)2LSW2，工作狀態(tài)時(shí)候斷開，異常情況合并。

圖1 配電線路

本算法是通過斷路器FZ1、FD0—FD4，F(xiàn)J0—FJ12，聯(lián)絡(luò)開關(guān)LSW1、LSW2，完成故障隔斷，不擴(kuò)大將停電區(qū)域隔離減少，縮減重合閘配置次數(shù)，實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)定位，開關(guān)參數(shù)不再受開關(guān)節(jié)點(diǎn)和線路的位置影響，實(shí)現(xiàn)配電線路的自適應(yīng)調(diào)整。

3 接地故障處理

零序電流方向如圖2所示，當(dāng)配電線路發(fā)生單相故障接地時(shí)候，上游的電流匯集后流向變電站母線，非故障線路電流和故障點(diǎn)下游電流流向線路。根據(jù)暫態(tài)零序方向的電流狀態(tài)，可以對(duì)故障點(diǎn)的方向進(jìn)行確認(rèn)。

圖2 零序電流方向

圖2中，根據(jù)特征頻段內(nèi)的電流和電壓的關(guān)系，將接地阻抗等效看做電容，根據(jù)電流在非故障和故障狀態(tài)下的方向不同的特點(diǎn)，確定故障線路。

故障點(diǎn)上游線路公式：

(1)

式中，i0i(t)、u0(t)分別為暫態(tài)零序電流、電壓。

無故障線路或者故障點(diǎn)下游線路公式：

(2)

式中，C0i、C0j分別為故障電容和非故障電容。

綜合式(1)和式(2)可以得出，故障點(diǎn)上游和下游的電流方向相反，將式(1)和式(2)的乘積進(jìn)而求導(dǎo)，根據(jù)所得的數(shù)值的正負(fù)進(jìn)而可以判斷上游線路和下游線路的電流方向是否一致，如果一致則是無故障線路，如果不一致則是故障線路。

(3)

式中，D為方向系數(shù)；T為持續(xù)時(shí)間。

D值為負(fù)數(shù)時(shí)，則可以判斷故障點(diǎn)上游線路與下游線路的電流方向不一致，此電路為故障線路；D值為正數(shù)時(shí)，則可以判斷故障點(diǎn)上游線路與下游線路的電流方向一致，此電路為無故障線路。根據(jù)式(3)可以精確地判斷出故障線路與非故障線路，從而可以對(duì)暫態(tài)方向進(jìn)行定位，將停電范圍縮小，將單項(xiàng)接地故障進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架改變。

通過對(duì)變電站的重合閘進(jìn)行一次性配置模擬，反饋程序如圖3所示，程序運(yùn)行故障觸發(fā)，分段斷路器開始對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否過流，如果否則再次判斷，進(jìn)入零秒速斷保護(hù)跳閘程序；如果是則進(jìn)入下一步程序，再次判斷是否過流；如果是進(jìn)入CBII段保護(hù)跳閘程序，然后進(jìn)入分段短路其失壓跳閘程序，CB一次重合閘程序，分段短路器合閘程序，再次判斷是否過流，如果是則進(jìn)入速斷保護(hù)跳閘程序，程序結(jié)束。仿真模擬100次，故障為接地故障和短路故障，通過加權(quán)對(duì)故障時(shí)間和動(dòng)作次數(shù)進(jìn)行求取平均值，仿真過程斷路器的設(shè)定時(shí)間為6 s，分支斷路器設(shè)定時(shí)間為8 s、分?jǐn)鄶嗦菲鲿r(shí)間為10 s、出線斷路器時(shí)間為12 s，停留時(shí)間為1 s。由仿真結(jié)果可以得出，模擬故障發(fā)生后處理能夠自適應(yīng)復(fù)雜的配電網(wǎng)架構(gòu)的變化，縮減了開關(guān)次數(shù)，可以延長(zhǎng)開關(guān)壽命，解決了線路網(wǎng)架構(gòu)改變后的重新取值問題，可實(shí)現(xiàn)配電線路的自適應(yīng)。

圖3 仿真流程

4 案例分析

本方法應(yīng)用于國(guó)網(wǎng)青海省電力公司配電網(wǎng)管理信息大區(qū)變電站工程，所選線路為中性點(diǎn)不接地的架空線路。改造斷路器需要配置四級(jí)差，配電線路復(fù)雜，故障處理較慢，改造后由原來的四級(jí)差變?yōu)榱艘患?jí)差，縮短了故障處理時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)用戶故障不出門，支線故障隔離化，同時(shí)解決了線路網(wǎng)架構(gòu)改變后的重新取值問題，實(shí)現(xiàn)了配電線路的自適應(yīng)。為驗(yàn)證以上所提方法在配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估的合理性和有效性，本文用 RBTS 母線 2(Bus2)作為被驗(yàn)證的配電系統(tǒng)。RBTS母線2的接線如圖4所示。圖4中，每個(gè)元器件的可靠性參數(shù)都從原來的文獻(xiàn)獲得。

圖4 RBTS母線2的接線

靜態(tài)BN模型如圖5所示。對(duì)以上所建BN可靠性參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)。設(shè)最大進(jìn)化代數(shù)為60，經(jīng)過多次調(diào)試，bunnin值為15，變異率為0.4，交叉率為0.7。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其經(jīng)過推理所得的結(jié)果與系統(tǒng)精確值非常吻合。用該方法對(duì)配電系統(tǒng)做了故障診斷推理，也就是假設(shè)當(dāng)系統(tǒng)在發(fā)生故障的時(shí)候，各個(gè)元器件發(fā)生故障的條件概率。取P-E -1| S -1(1為發(fā)生故障，0為工作正常，E為各個(gè)元器件，S為配電系統(tǒng))代指當(dāng)系統(tǒng)有故障產(chǎn)生時(shí)各個(gè)元器件也有故障產(chǎn)生的條件概率。由于元器件數(shù)量很多，為了更好地對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，令每一條饋線都要有一幅圖與之對(duì)應(yīng)，分為4幅圖，如圖6所示，縱軸數(shù)據(jù)為各元件對(duì)應(yīng)的故障概率。對(duì)圖6進(jìn)行分析可得出，若在系統(tǒng)有故障產(chǎn)生，此時(shí)元器件L1、L18、L29有故障產(chǎn)生的概率會(huì)比較大，由此可以判斷這3個(gè)元器件是導(dǎo)致配電系統(tǒng)產(chǎn)生故障的主要因素。故此，要想進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性水平，需要減少這些元器件的故障次數(shù)，縮短這些元件的修復(fù)時(shí)間。

圖5 BN 模型

圖6 各元器件發(fā)生故障的條件概率模擬值與精確值的比較

4.1 應(yīng)用及管理成效

國(guó)網(wǎng)青海省電力公司配電網(wǎng)管理信息大區(qū)主站系統(tǒng)采用BS架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要展示全省概要數(shù)據(jù)，方便使用者瀏覽及統(tǒng)計(jì)[6]。

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)展示。支持配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)各類指標(biāo)在web界面的綜合展示，可按照時(shí)間維度、地區(qū)維度進(jìn)行多維展示，支持餅圖、棒圖、曲線圖等多種展現(xiàn)方式，支持指標(biāo)排名[7]。

(2)指標(biāo)綜合展示。將多個(gè)關(guān)聯(lián)比較相近的指標(biāo)綜合一起，作為一個(gè)主題展示。將界面配置為各主題展示風(fēng)格，如監(jiān)視主題將統(tǒng)計(jì)的幾類比較關(guān)注的指標(biāo)統(tǒng)一展示、配電網(wǎng)考核指標(biāo)綜合展示[8]。

(3)單線圖展示。支持CIM/G、SVG格式的配電網(wǎng)圖形文件的導(dǎo)入及展示功能，支持重要用戶供電路徑圖的自動(dòng)展示，支持配網(wǎng)站所圖、線路單線圖、系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)圖、供電路徑圖等各類電氣圖的綜合展示。①成效1：通過對(duì)重要數(shù)據(jù)多元化的展示可以讓使用者對(duì)這些數(shù)據(jù)的指標(biāo)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)，引領(lǐng)使用者跨越了以往在后臺(tái)查詢匯總而且容易出錯(cuò)的年代。友好的界面，高效的統(tǒng)計(jì)使管理者能隨時(shí)隨地洞察到全省重要數(shù)據(jù)的運(yùn)行情況[9-11]。此系統(tǒng)對(duì)業(yè)務(wù)管理起到了質(zhì)的提升。②成效2：通過建設(shè)配電網(wǎng)管理信息大區(qū)主站系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的可觀可控，增強(qiáng)配電網(wǎng)故障快速響應(yīng)能力，有效支撐配網(wǎng)故障主動(dòng)搶修、設(shè)備狀態(tài)管控、建設(shè)改造精準(zhǔn)投資，全面提升配電網(wǎng)精益化管理水平。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

該系統(tǒng)在青海省試用以來，節(jié)省了故障排查時(shí)間，由先前的幾小時(shí)甚至幾天縮短為十幾分鐘。粗略計(jì)算每次故障派出巡視人員4人耗時(shí)5 h來看，從人工到時(shí)間約節(jié)省2 000元。每月下來全省故障定位成功次數(shù)約為50次，每月約節(jié)省成本10萬元，1年至少節(jié)約人工成本120萬元。同時(shí)，高精度高效的故障定位功能有效地縮短了停電時(shí)長(zhǎng)。如果每條10 kV的線路平均用電負(fù)荷為1 000 kW，平均電價(jià)為0.4元/kWh。2018—2019年，停電時(shí)長(zhǎng)縮短約為5 h，可為建設(shè)單位增加經(jīng)濟(jì)效益149萬元左右。

4.3 社會(huì)效益

通過配電網(wǎng)管理信息大區(qū)主站系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電設(shè)備運(yùn)行工況和狀態(tài)，提升配網(wǎng)線路的安全可靠運(yùn)行水平。系統(tǒng)還能提供及時(shí)、準(zhǔn)確、便于查詢的缺陷管理和設(shè)備檔案管理，提高配電網(wǎng)的供電可靠性?；谂潆娮詣?dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)，推進(jìn)供電服務(wù)指揮中心搭建的進(jìn)程，提高了運(yùn)維搶修效率。打破生產(chǎn)、營(yíng)銷業(yè)務(wù)壁壘，統(tǒng)一調(diào)度搶修、服務(wù)資源，各類業(yè)務(wù)均在中心形成閉環(huán)管理，提升工作效率，減少了人力成本。同時(shí)，用戶在用電過程中遇到突發(fā)故障導(dǎo)致停電，供電服務(wù)指揮中心運(yùn)用配電網(wǎng)管理信息大區(qū)主站系統(tǒng)的故障定位功能，可以及時(shí)有效的排查故障點(diǎn)，以最短的時(shí)間排除故障并恢復(fù)供電。通過高效精準(zhǔn)的技術(shù)手段切實(shí)為用戶排憂解難，可以大幅度降低用戶投訴，彰顯國(guó)家電網(wǎng)公司品牌形象。

5 結(jié)論

提出了一種自動(dòng)化策略算法，通過將斷路器替換開關(guān)方式，減少重合閘次數(shù)，縮減停電區(qū)域，同時(shí)設(shè)計(jì)了邏輯線路，精確定位故障點(diǎn)，同時(shí)配電網(wǎng)運(yùn)行方式改變，參數(shù)不用重新設(shè)置。青海公司配電自動(dòng)化站系統(tǒng)選用符合行業(yè)應(yīng)用方向的主流硬件、軟件產(chǎn)品。設(shè)計(jì)和架構(gòu)具有前瞻性，可利用云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)提升主站性能。支撐配電網(wǎng)狀態(tài)感知、數(shù)據(jù)融合、智能決策等。是目前電力市場(chǎng)中一套經(jīng)濟(jì)高效且具有科技感的泛在電力配電設(shè)備狀態(tài)感知智能故障定位系統(tǒng)。