基于GPRS通信故障指示器在配網(wǎng)自動(dòng)化中的應(yīng)用

何 鋒

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基于GPRS通信故障指示器在配網(wǎng)自動(dòng)化中的應(yīng)用

何 鋒

莆田電業(yè)局

針對(duì)10kV山區(qū)配電線路故障頻繁的現(xiàn)象，采用基于GPRS通信故障指示器的配電自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)定位指示系統(tǒng)的必要性。通過應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能及時(shí)準(zhǔn)確地確定出故障點(diǎn)的確切位置，縮短了故障修復(fù)時(shí)間，提高了供電的可靠性。

通信 故障指示器 配網(wǎng)自動(dòng)化 應(yīng)用

在配電系統(tǒng)中，由于線路數(shù)量多、分支多，運(yùn)行方式復(fù)雜，故障發(fā)生頻繁。在線路發(fā)生故障后，故障的查找費(fèi)時(shí)費(fèi)力，維護(hù)線路的工作量較大，故障快速準(zhǔn)確定位對(duì)于提高供電可靠性具有重要意義。目前對(duì)于故障點(diǎn)的檢測，主要有線路故障指示器和線路FTU兩種方式。利用普通故障指示器實(shí)現(xiàn)線路故障分段定位，問題是多數(shù)故障指示器沒有自動(dòng)定位功能，配電線路出現(xiàn)故障，需要人工沿線查找，增加了故障查找時(shí)間和難度。而利用FTU能夠?qū)崿F(xiàn)故障的自動(dòng)定位和隔離，但現(xiàn)場運(yùn)行的大量配網(wǎng)設(shè)備無光纖通道，也無預(yù)留自動(dòng)化所必須的接入點(diǎn)，大量的設(shè)備更換和專用通訊通道的架設(shè)造成巨額的資金投入，一次設(shè)備改造困難，工程費(fèi)用高，對(duì)如何提高故障（特別是接地故障）檢測的準(zhǔn)確性、安全轉(zhuǎn)供和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行關(guān)注不夠，過分要求通訊和故障的隔離速度，經(jīng)濟(jì)效益不明顯，同時(shí)因?yàn)榇罅康木€路和電力設(shè)備異動(dòng)頻繁，專用的通訊光纜維護(hù)難于跟上，造成后期的運(yùn)行維護(hù)和使用困難。

針對(duì)上述問題，經(jīng)過與各方面的技術(shù)分析，恰當(dāng)?shù)剡x擇必要的功能，尋求一種符合配網(wǎng)現(xiàn)況及現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展方向，能夠“統(tǒng)一規(guī)劃，分步實(shí)施”，不致因系統(tǒng)發(fā)展或技術(shù)進(jìn)步而“推倒重來”，具有重要的意義。

基于GPRS通信的故障指示器能實(shí)現(xiàn)線路故障自動(dòng)定位，從而改變過去人工巡視查找故障的落后做法，將配電網(wǎng)上的故障報(bào)警數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、離線數(shù)據(jù)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備參數(shù)和地理信息等諸多信息進(jìn)行綜合處理和集成，構(gòu)成功能完整的配電自動(dòng)化系統(tǒng)。配電控制中心的故障定位軟件系統(tǒng)與大量現(xiàn)場的故障檢測和指示裝置相配合，在故障發(fā)生后的幾分鐘（與當(dāng)?shù)鼗巨D(zhuǎn)發(fā)短消息的延時(shí)有關(guān)）內(nèi)即可在控制中心通過與地理信息系統(tǒng)的結(jié)合，給出故障位置和故障時(shí)間的指示信息，幫助維修人員迅速趕赴現(xiàn)場，排除故障，恢復(fù)正常供電，大大提高供電可靠性，同時(shí)大大減少故障巡線人員，提高工作效率，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的控制和監(jiān)測。

1 基于GPRS通信故障指示器配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)組成

基于GPRS通信故障指示器應(yīng)用在配網(wǎng)自動(dòng)化中主要是通過配電控制中心實(shí)現(xiàn)的，主要由故障指示器、數(shù)據(jù)采集裝置、信息處理單元及配網(wǎng)故障定位分析軟件組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，檢測節(jié)點(diǎn)通過GPRS通訊方式將報(bào)警信息發(fā)送到移動(dòng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)APN專線傳送到監(jiān)控中心服務(wù)器，通過安裝在中心服務(wù)器上的故障自動(dòng)定位分析軟件，就可以自動(dòng)定位找出故障區(qū)段。

FCI：Digital Fault Current Indicator 數(shù)字化的故障指示器 DCU：Data Collecting Unit 數(shù)據(jù)采集器（內(nèi)置低功耗GPRS DTU），可選電動(dòng)開關(guān)儲(chǔ)能和遙控功能GPRS DTU：GPRS Data Terminal Uint GPRS通訊終端 EFU：Earth Fault Line Select Unit 接地選線裝置

1.1 監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)備組成

由3～30只數(shù)字化的故障指示器，1臺(tái)數(shù)據(jù)采集器（含太陽能電池板和后備鋰電池）。

1.2 信息處理單元

信息處理單元收集分布在附近的一組指示器發(fā)送的的故障狀態(tài)。由一個(gè)無線射頻收發(fā)模塊和一個(gè)GPRS通訊模塊構(gòu)成。當(dāng)發(fā)生相間短路故障時(shí)，故障指示器檢測到故障信號(hào)后，由GPRS通訊模塊將帶有節(jié)點(diǎn)編號(hào)的報(bào)警信息發(fā)送到配電控制中心。

1.3 配網(wǎng)故障定位分析軟件組成

故障指示器節(jié)點(diǎn)通過射頻技術(shù)和GPRS無線通訊網(wǎng)絡(luò)上報(bào)信息，自動(dòng)定位分析軟件根據(jù)各節(jié)點(diǎn)上報(bào)的的故障檢測信息，利用相應(yīng)的故障定位算法，就可以定位出故障所在區(qū)段。

2 基于GPRS通信故障指示器配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)原理

故障指示器探頭安裝在線路主干分段處（可裝在住上開關(guān)所在的電桿上）或分支線上，當(dāng)線路出現(xiàn)相間短路接地故障時(shí)，故障指示器就能及時(shí)檢測到短路故障電流，通過無線射頻收發(fā)模塊，將動(dòng)作信號(hào)傳送給安裝在線路上的GPRS通訊模塊。GPRS通訊模塊在收到動(dòng)作信息后，將故障指示器地址信息通過遠(yuǎn)距離無線通訊系統(tǒng)發(fā)回控制中心。控制中心主站接收GPRS通訊模塊發(fā)來的信息后，經(jīng)過進(jìn)行解調(diào)、解碼，可就地顯示地址信息，同時(shí)將地址信息送給配電控制中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。配電控制中心在接收到這些動(dòng)作信息后，經(jīng)過計(jì)算機(jī)分析，與配電地理信息系統(tǒng)GIS相結(jié)合，就可以直接顯示出故障點(diǎn)地理位置信息，并在地理背景上顯示出來，同時(shí)還可以通過打印機(jī)將地理位置信息打印出來。根據(jù)這些信息運(yùn)行維修人員就可以迅速到達(dá)故障地點(diǎn)及時(shí)排除故障。

2.1 帶通訊的故障指示器

帶通訊的故障指示器主要由故障電流檢測電路、就地指示部分、數(shù)字編碼及無線調(diào)制發(fā)射單元組成。在線路發(fā)生相間短路、接地故障時(shí)，故障指示器在故障后將被觸發(fā)，給出紅色顯示，同時(shí)將其數(shù)字編碼信號(hào)通過無線射頻進(jìn)行傳送，發(fā)射頻率一般在220MHz，通訊距離在50m。其短路檢測部分的工作原理是：根據(jù)線路短路時(shí)的特征，通過電磁感應(yīng)方法測量線路中的電流突變及持續(xù)時(shí)間判斷故障，因而它是一種適應(yīng)負(fù)荷電流變化，只與故障時(shí)電流分量有關(guān)的故障檢測裝置。它的判據(jù)比較全面，可以大大減少誤動(dòng)作的可能性。只有流過故障電流時(shí)才給出故障指示。

2.2 GPRS通訊模塊

GPRS通訊模塊一般安裝在故障指示器安裝附近，它能接收多個(gè)故障指示器的編碼信息，當(dāng)它收到故障指示器的動(dòng)作信號(hào)并經(jīng)處理后，通過地址編碼和時(shí)序控制，再將信息以無線電波方式發(fā)射出去，它的發(fā)射頻率為220MHz左。GPRS通訊模塊的所有元件安裝在一個(gè)鐵箱中，內(nèi)部包含一個(gè)鉛酸蓄電池。箱體外部安裝一個(gè)太陽能電池板，用以給蓄電池充電，并在白天作為工作電源。在夜晚或陰雨天氣時(shí)，由蓄電池供電。蓄電池在充足電后的情況下，可以維持子站連續(xù)20天工作，不需要補(bǔ)充能量。短距離用無線調(diào)頻通訊，通訊能量主要取自導(dǎo)線電流感應(yīng)取電（掛在線路上的數(shù)字化指示器）或者CT二次電流取電（掛在開關(guān)支架上的數(shù)字化指示器）。遠(yuǎn)距離用GPRS通訊，通訊能量主要來自太陽能電池板（架空線路）或者特制取電CT（電纜線路）以及大容量的后備鋰電池。如果架空線路長期處于陰雨天氣，不能保證GPRS實(shí)時(shí)在線工作電源要求（至少100mA/5V），則自動(dòng)切換到低功耗運(yùn)行方式：平時(shí)以20%-50%全天候定時(shí)上線，檢測到故障動(dòng)作信息以后立即上線。

2.3 通訊主站

通訊主站的功能是將GPRS通訊模塊送來的無線信息接收后進(jìn)行解調(diào)后并進(jìn)行解碼處理，最后將數(shù)據(jù)送往配電控制中心。

2.4 基于GIS平臺(tái)的故障定位系統(tǒng)軟件

定位系統(tǒng)軟件是配電控制中心的核心組成部分，它的主要作用是搜集通訊主站傳送的地址信息，對(duì)其進(jìn)行糾錯(cuò)、校正后，通過拓?fù)浞治龊陀?jì)算找出故障位置，最終顯示在GIS 信息系統(tǒng)的背景上。

2.4.1故障指示器動(dòng)作信息和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)搜集

由于故障指示器的動(dòng)作信息和開關(guān)動(dòng)作到達(dá)通訊主站的時(shí)間也是不同步的，而故障定位是以故障前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)為基礎(chǔ)的。因此，系統(tǒng)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集時(shí)隨時(shí)保留故障前的開關(guān)狀態(tài)，待搜集到完整的故障指示器動(dòng)作信息時(shí)，作為拓?fù)浞治龅幕A(chǔ)。

2.4.2故障通路和故障點(diǎn)的查找

故障通路和故障點(diǎn)的確定是故障定位系統(tǒng)主站軟件的核心。首先輸人故障前網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)狀態(tài)和故障指示器的動(dòng)作信息，調(diào)用拓?fù)浞治龀绦颍h(huán)讀取記錄，找到發(fā)生報(bào)警的所有線路的干線。由干線開始分析，首先確定該干線有無支線報(bào)警，如果沒有支線報(bào)警，則直接分析該干線；如果存在著支線報(bào)警，則必須分析干線與支線的報(bào)警數(shù)據(jù)的關(guān)系，根據(jù)分析結(jié)果報(bào)警。

2.4.3糾錯(cuò)和補(bǔ)漏

通訊主站在采集故障指示器動(dòng)作信息時(shí)，偶爾會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)，故障指示器本身也會(huì)出現(xiàn)異常。因此，糾錯(cuò)和補(bǔ)漏是故障定位系統(tǒng)的一個(gè)必不可少的組成部分。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)智能糾錯(cuò)模塊，它在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鲞^程中，不但可以有效地濾除錯(cuò)報(bào)的指示器信息，而且可以自動(dòng)填補(bǔ)漏報(bào)的指示器信息。

2.4.4 GIS支撐平臺(tái)

該定位系統(tǒng)是以地理信息系統(tǒng)GI S 為圖形支攆平臺(tái)，可以單獨(dú)運(yùn)行。系統(tǒng)的核心算法（如拓?fù)浞治觥⒐收喜檎摇⒓m錯(cuò)和補(bǔ)漏）是采用組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

3 基于GPRS通信故障指示器配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用

2010年3月份，莆田電業(yè)局在荔城區(qū)常太鎮(zhèn)院里線設(shè)了基于GPRS通信故障指示器配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)，共在主干線及分支線安裝了9組帶通訊的故障指示器和9套GPRS通訊模塊（含太陽能蓄電池裝置），從線路先后發(fā)生的幾次事故看，該系統(tǒng)均能及時(shí)準(zhǔn)確地顯示線路故障的地點(diǎn)等，從而縮短了故障修復(fù)時(shí)間，節(jié)省了大量的人力、物力。原來線路發(fā)生故障時(shí)，一般每次都要?jiǎng)佑?0人左右、2~3輛車，少則半天、多則2~3天方能找出故障點(diǎn)，而現(xiàn)在只需2人最多半小時(shí)就可發(fā)現(xiàn)并將故障處理完畢。按照莆田電業(yè)局目前的情況，全部應(yīng)用該系統(tǒng)，每年可多供電量620萬千瓦時(shí)，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益310萬元左右。采用基于GPRS通信故障指示器配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)，符合國際先進(jìn)企業(yè)的發(fā)展要求，可使供電企業(yè)的配電管理水平和服務(wù)水平全方位、全過程的提高，是未來能夠?qū)崿F(xiàn)多方面、巨大經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)，該系統(tǒng)應(yīng)用、推廣將起到經(jīng)濟(jì)和社會(huì)雙重效益的效果。

[1] 配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)功能規(guī)范,DL/T814-2002

[2] 配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)方終端,DL/T721-2000

[3] 農(nóng)網(wǎng)自動(dòng)化及通信系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)指導(dǎo)意見（試行）,2002,國家電力公司農(nóng)電部 [農(nóng)電2002-32號(hào)]

[4] 國家電網(wǎng)公司縣城電網(wǎng)建設(shè)與改造技術(shù)導(dǎo)則,2003年,國家電力公司農(nóng)電部

[5] 配電系統(tǒng)自動(dòng)化規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則,中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)城市供電專業(yè)委員會(huì)

[6] 10千伏配網(wǎng)自動(dòng)化發(fā)展規(guī)劃要點(diǎn),國電公司發(fā)輸電運(yùn)營部.