基于4G/5G物聯網技術的無線組網選線系統在配電網的應用及展望

童雪燕，吳桂林

（1.安徽合凱電氣科技股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.上海合凱電氣科技有限公司，上海 201612；3.湖北三寧化工股份有限公司，湖北 枝江 443206）

0 引言

對于生產型的化工企業，供電連續性、可靠性、安全性要求較高，如果發生停電事故對企業正常生產造成不可估計的損失，當系統發生單相接地故障時，按照電力系統規程單相接地故障可以帶故障運行2個小時，但是單相接地故障引起相電壓的升高，有可能導致絕緣擊穿造成事故擴大，甚至發展成相間短路，對系統運行安全性造成更大的危害，因此必須快速的查找出故障線路并加以排除。

某化工企業東區10 kV各配電室的小電流選線裝置品牌雜亂，通信協議轉化難，通信協議互相不兼容，并且小電流選線裝置未接入該企業的電力調度系統，當發生單相接地故障時不能準確判斷故障支路，調度人員不能第一時間收到報警信息，并通知運維人員進行下一步故障處理，導致故障進一步擴大的幾率增大，以致引起大面積的停產停電事故。原選線裝置采樣精度低，聯動選線的故障邏輯算法復雜，導致選線不準未能及時準確的查找故障線路，發生故障時還是采用傳統的人工拉路這一傳統的方法來查找故障線路，效率低下導致故障由單相接地演變成相間短路事故可能進一步加大，使得該企業的連續性供電可靠性和經濟效益造成了很大損失，同時也耗費了更多人力和物力。

隨著配電網線路入地率的提高，聚乙烯交聯電纜線路的比重隨之增大，在接地大電弧和高幅值的弧光接地過電壓的作用下，大大加速了故障的發展。一旦系統發生單相接地故障，少則數秒鐘多則十幾分鐘就會發展成為相間短路事故。原有小電流選線不準，人工拉路選線來不及，致使單相接地故障跳閘率大幅度提高。諧波干擾、電磁環境、高頻大電流可能破壞小電流選線的工作條件導致選線不準，一旦發生單相接地故障，為了在單相接地時迅速選出故障線路，降低事故持續時間，縮小事故范圍，組網式高精度快速選線裝置必須在接地故障時迅速選出故障回路，并通知運行人員進行下一步處理。因此選擇選線準確率高，抗干擾能力強的小電流選線裝置十分必要。

基于以上種種原因，該企業采用了合凱公司研制的基于4G/5G物聯網技術的無線組網選線系統（SHKWLS2），巧妙地解決了諧波干擾、電磁環境、高頻大電流，可以在各種惡劣環境下實現選線準確率100%，支持多種通信規約的兼容，能與變電站綜合自動化系統進行遠程數據交換。

1 傳統小電流選線裝置存在的問題

1.1 目前市面上一般選線方法

市面上傳統的小電流選線裝置，存在選線準確率低的缺陷，不能準確選出故障線路，仍需靠人工拉路選線的方法，降低了供電可靠性。

關于配電網單相接地故障的選線算法，大致可以分為四大類，如圖1所示。

圖1 接地故障選線算法分類圖

影響選線精度的因素主要是中性點的運行方式和故障特征量的大小。選線裝置的啟動一般要借助于對零序電壓的監測，一旦零序電壓超過預期限制，選線程序才會啟動。而故障大多是漸進發展的，故障過程中可能在最初的暫態過程發生一段時間后零序電壓才越限，選線程序才剛剛啟動，而此時記錄的暫態波形不一定能滿足暫態信號選線的要求。但同時，三相電流合成的暫態信號的幅值比穩態信號更高，信噪比也更高。

因此，這些算法受眾多因素的影響，存在局限性，使得選線準確率和時間都得不到保證。

1.2 選線不準的原因

（1）小電流選線廠家技術參差不齊，選線方法單一，無法滿足實際的工況。

（2）小電流選線裝置采樣精度不高，導致采樣誤差大，影響選線準確率。

（3）小電流選線裝置廠家服務跟不上，導致產品在投運后的維護、異常處理以及升級服務得不到保障。

（4）小電流選線的安裝調試未受到足夠的重視，往往由于現場的零序CT的精度以及安裝方式導致線路的零序電流無法被準確的采集。

（5）多級的電力系統，多臺選 線同時啟動選線，無法分辨最終故障線路。

2 4G/5G物聯網技術的無線組網選線系統

2.1 4G/5G物聯網系統

某化工企業致力于智能化的發展建設，為滿足各智能項目的通信需求，該企業完成東區無線4G/5G專網的建設。通過1個總站+12個分站+1個移動站，共13個配電室，實現東區各個配電室及盲點的全覆蓋，實現了該化工東區的智能化和高效化。4G/5G專網系統主要由核心網、網管系統、基站、CPE終端組成。

（1）核心網：主要提供簽約數據管理、鑒權管理、移動性管理、會話管理、承載管理及數字集群業務等相關功能。

（2）網管系統：位于網絡層，負責管理基站、核心網網元、寬接終端設備（CPE）和業軟設備（調度機、錄音錄像服務器、專網用戶和設備管理平臺），包括了集中配置管理，集中告警管理，集中性能管理等EMS層級的操作維護中心，還包括單點維護工具，網元日志離線分析工具等工具級別的解決方案。

（3）基站：采用分布式基站系統架構，最大程度實現了部件共享。系統由BBU和RRU兩個基本功能模塊構成，采用射頻模塊拉遠技術，形成可以獨立安裝、擴容和演進的基站解決方案，以適應各種網絡建設需求。

（4）CPE終端：一款基于TD-LTE的無線路由器，通過CPE終端可接入到IP網絡，完成各種數據的業務傳輸。

2.2 無線組網選線系統

無線組網選線[2]系統是帶遠程通信的選線定位系統，該系統集電壓、電流測量、故障監測、故障錄波、定位/指示等功能于一體，與配電選線定位主站通信，完成配網線路的運行狀態監測[3]、故障監測與指示等功能。在線選線定位系統具有高穩定性、高安全性、功能完善、抗干擾能力強、故障定位準確等優點，進一步提高了故障巡線的效率，縮短故障停電的時間，保障了線路的安全穩定，同時也減少了人力資源的浪費，降低了企業的經濟損失。

主要實現的功能如下：

（1）小電流接地故障監測[4]與指示功能：實時在線監測系統電壓和饋出線回路的零序電流，對數據采樣的可信度進行全面分析，在此基礎上，使用“多重判據模糊推論綜合選線”方法，綜合“首半波基波比幅比相法”“最大增量法”“智能高次諧波法”“基波有功功率比較法”等8種選線方法針對不同狀況進行選線判定，從而實現系統綜合選線，能夠識別系統單相接地、系統短路、系統諧振、PT斷線等多種故障狀態，并在發生單相接地故障以及短路故障時，準確判定故障線路，并將故障信息傳送至后臺，方便運維人員進行故障隔離，恢復系統正常供電。

（2）運行狀態監測功能：實時在線監測系統三相電壓、各饋出線回路的零序電流等運行信息以及主供電源、后備電源等狀態信息，并將以上信息上送至主站。

（3）線路故障手機APP推送：手機APP不僅可以接收管控平臺推送的預警信息和設備報警信號，更能夠接收所有選線裝置的實時運行數據、歷史故障記錄（1000條事件記錄）以及發生故障時的故障錄波等信息。

（4）規模不受限制：一個工程下最多可以安裝255臺選線裝置組織成為一個虛擬局域網。

（5）選線速度快：最快可以在20 ms之內準確選出故障線路，配合專用跳閘模塊可以快速地對故障線路進行隔離。

（6）微信推送：通過掃碼關注并授權之后，用戶可以指定微信賬號用于接收故障信息，在系統發生接地故障時，在10 s之內可以接收到故障信息和故障線路。

（7）U盤接口：裝置帶有U盤接口，可以方便用戶將故障錄波數據導出，導出數據為標準的Comtrade99錄波文件格式。

3 4G/5G物聯網技術的無線組網選線系統的應用

4G/5G物聯網技術的無線組網選線系統是由一系列安裝在配電線路上的無線采集單元和無線匯集單元構成，無線采集單元實時采集線路運行狀況，并通過微功率通信發送數據（三相電壓、回路零序電流、故障回路電流、主供電源、后備電源等信息）到無線匯集單元。無線匯集單元無線模塊連接CPE發出的Wi-Fi信號接入至4G/5G無線專網，并將采集到的數據傳送至控制網絡內的配電定位主站。

3.1 網絡拓撲圖

圖3 通信圖

無線組網選線系統主要有終端層、通信層和主站層組成，三層分別由不同的設備構成。該系統網絡拓撲圖如圖2所示。

圖2 網絡拓撲圖

3.2 設備配置及安裝

（1）SHK-WLS2總站型無線組網選線系統。總站無線組網選線SHK-WLS2負責總站母線的故障線路定位；通過GPRS+4G/5G無線通信從云服務器獲取分站無線組網選線裝置選線信息、計算分析出最終選線結果并上傳最終選線結果至云服務器，并將相關單相接地故障點信息上報給用戶后臺監控系統。

（2）SHK-WLS2分站型無線組網選線系統。負責分站選線數據采集預判，并將采集數據信息通過GPRS+4G/5G無線通信方式傳遞至云服務器，由總站無線組網選線裝置集中分析計算，確定分站母線故障線路的定位。

（3）合凱云平臺。負責匯總各選線裝置數據信息及故障信息，并通過手機APP時時查看裝置運行信息，并通過微信及時推送故障信息。

4 4G/5G物聯網技術的無線組網選線系統的應用效果

圖4 SHK-WLS2系統實時數據顯示

圖5 SHK-WLS2系統正確動作波形及實時數據顯示

5 結束語

通過基于4G/5G物聯網技術的無線組網選線系統在某化工企業的應用，實現了配網線路的短路、接地故障的準確定位，實現了對線路的運行在線監測和報警功能。大大提高了供電可靠性，同時也減少了故障巡線人員的數量和巡線時間，提高了工作效率。下一步，該企業將該系統擴展至其他區域的10 kV系統，最終實現全部配網線路的智能在線監測。并為以后類似項目實施具有指導意義。值得在配網供電系統的廣泛推廣。