基于智能配變終端的配電網故障區段判斷

2020-09-04 06:26:44周青，孫俊，黃冠，沈偉，朱能

電力與能源 2020年4期

周青，孫俊，黃冠，沈偉，朱能

(國網上海市電力公司青浦供電公司，上海 201799)

配電網作為連接輸電網和用戶的末端供電環節，在電網中起到分配電能的作用[1]，配電網自動化是目前主要的發展方向[2-3]。智能配電臺區解決方案是以臺區為最小管理單元，利用智能配變終端(Distribution Transformer Supervisory Terminal Unit,簡稱TTU)的邊緣計算能力，處理分析感知終端上傳的數據，實現臺區拓撲動態識別、故障區段判斷、低壓配網運行監測、供電質量分析與管理等功能[4]。

臺區拓撲反映了配電變壓器、分支箱、表箱等設備之間的連接關系，是配電自動化的基礎。目前臺區拓撲關系主要根據臺區建設時留下的資料，采用人工錄入的方法建立，該方法前期工作量較大，隨著臺區改擴建及戶變關系的轉變，需及時更新臺區拓撲關系[5]。針對這些問題，文獻[6]提出一種基于LoRa技術和GPU加速的臺區拓撲辨識方法，但該方法運算量很大，需要配置GPU進行并行計算，成本較高。文獻[7]提出一種基于通信物理鏈路、幀同步技術的低壓配電臺區網絡拓撲識別方法，但該方法對信號同步性有較高的要求。為此提出一種基于智能配變終端和感知終端的臺區拓撲動態識別算法，通過注入及檢測非工頻信號實現對臺區拓撲動態、準確、快速識別。

目前用戶投訴和現場故障中，80%以上來源于臺區低壓側[8]，當前針對臺區的故障監測僅限于配電房變壓器一側，而對于臺區以下的分支及表箱側的故障點定位，則主要采用逐段、逐線嘗試性送電來逐步定位故障區域的方法[9-10]，該方法不僅故障定位時間長，而且有可能對配網線路及電氣設備造成不良影響。針對這些問題，文獻[11]提出一種基于過熱弧搜尋算法的故障區段定位方法，但該方法無法定位樹狀分支末端的故障。文獻[12]提出一種Petri網和冗余糾錯技術結合的故障區段定位方法，但該方法需要提供大量的特征數據進行訓練。本文提出一種基于智能配變終端的故障區段定位方法，該方法在獲取臺區拓撲的基礎上，利用智能配變終端的邊緣計算能力，通過矩陣運算得到臺區的判斷矩陣，根據判斷矩陣實現故障區段快速定位。

1 智能配電臺區結構

智能配電臺區的結構如圖1所示，主要的監測設備包括末端感知終端、分支線路監測終端和智能配變終端，能夠實現臺區拓撲動態分析、停電事件實時上報、故障點定位等功能。

圖1 智能配電臺區結構

1.1 末端感知終端

末端感知終端主要實現表箱進線數據采集及用戶停復電事件上報。表箱進線數據采集使用開口式電流互感器(CT)對電流進行采樣，用于表箱電量計量以及表箱停復電事件的研判。對于單戶表箱，末端感知終端可直接對用戶停復電狀態進行監測；對于多戶表箱，需配套使用電源感知模塊，將電源感知模塊的220 V火線電壓感知線接入用戶表空開后端，通過感應磁場變化來判斷用戶停復電狀態，雖然增加了設備投入，但可實現對用戶停復電事件秒級上報。

末端感知終端與智能配變終端的通信采用寬帶電力線載波(High Speed Power Line Carrier,簡稱HPLC)和微功率無線(Radio Frequency,簡稱RF)結合的雙模通信方式。寬帶電力線載波通信利用終端設備所連接的電力線進行通信和數據傳輸，無需額外布線，并且與低壓集抄的窄帶載波通信不沖突，但容易受電網噪聲和干擾的影響[13-15]。微功率無線通信通過射頻電波傳輸數據，不受電網噪聲和干擾的影響[16-18]，但易受墻壁阻擋、金屬屏蔽、天氣環境等影響。HPLC與RF結合的雙模通信方式，充分發揮兩種通信技術的優點，互補其缺點，可實現數據可靠傳輸。

1.2 分支線路監測終端

分支線路監測終端可對分支箱的主回路、分支回路的三相電壓和多路電流數據同時進行采集、處理、存儲和上傳。安裝在分支箱進出線側的互感器采集電壓、電流等用電信息，分支線路監測終端對采集數據進行初步處理，并通過寬帶電力線載波、微功率無線方式與智能配變終端通信，分支線路監測終端內置雙模通信模塊和超級電容，當線路停電時，通過微功率無線方式實現分支箱進出線停電事件的主動上報。

1.3 智能配變終端

智能配變終端結合安裝在分支箱側的分支線路監測終端、安裝在表箱側的末端感知終端，可實現對配電臺區內的配變失電、低壓線路停電、表箱失電等信號的實時監測。根據臺區拓撲及感知終端上傳的故障信息，運用其邊緣計算能力，對故障區段進行定位，并將停電事件信息實時上報主站。此外，智能配變終端還具有諧波分析、阻抗計算、無功調節分析等功能[19-20]。

2 臺區拓撲動態識別

臺區拓撲反映了設備之間的連接關系，是配電自動化的基礎，本文所提出的故障區段定位方法即建立在準確完整的臺區拓撲基礎上,臺區拓撲動態識別系統主要包括信號發送裝置和信號接收終端。

2.1 信號發送裝置

信號發送裝置的結構如圖2所示，發送裝置集成在智能配變終端內，其信號接入點在配電變壓器的低壓側，主要由處理器、信號發生器、信號發生器換相開關、通信模塊，信號衰減電路等構成。處理器控制信號發生器產生0～1 MHz的非工頻正弦測試信號，該正弦測試信號通過換相開關注入到A，B或C相上。信號發送裝置與信號接收終端之間通過寬帶電力線載波通信。為了避免不同臺區之間的注入正弦測試信號相互串擾，在信號發生器靠近配電變壓器一側配置信號衰減電路，其中衰減電路的換相開關與信號發生器的換相開關動作邏輯一致，衰減電路的陷波器阻礙工頻電壓信號并通流正弦測試信號，當信號發生器發出正弦測試信號時，正弦測試信號通過衰減電路換相開關、衰減電路陷波器、電阻R構成回路，通過合理配置電阻值R，可大大削弱串入到其他臺區的正弦測試信號。

圖2 信號發送裝置結構

2.2 信號接收終端

信號接收終端的結構如圖3所示，接收終端集成在分支線路監測終端或末端感知終端內，其信號接入點在分支箱或表箱的進線側，主要由處理器、陷波器、狀態開關、換相開關、電流互感器、通信模塊等構成。電流互感器將采集到的某相電流通過換相開關傳送給陷波器1，陷波器1去除采樣電流中的工頻分量，得到正弦測試信號分量，并將該信號傳送到處理器。處理器通過控制狀態開關可將陷波器2投入或切除，當狀態開關放置在空檔位時，即陷波器器2被切除時，信號接收終端處于空閑狀態；當陷波器2投入時，信號接收終端處于接收狀態，正弦測試信號通過換相開關、陷波器2、狀態開關、零線構成回路。

圖3 信號接收終端結構

2.3 拓撲識別算法

為了區分不同的信號接收終端，需要對其進行編碼，由于信號接收終端集成在分支線路監測終端或末端感知終端內，因此可以用分支線路監測終端或末端感知終端的標識碼作為信號接收終端的ID碼。若臺區中某些表箱為單相接線，需要分相進行拓撲識別。在換相時，信號發生裝置的處理器控制換相開關，將信號發生器切換到A，B或C相上，同時通過HPLC通信模塊將換相信息發送到所有的信號接收終端，信號接收終端將換相開關切換到相同的相線上。

臺區拓撲識別的算法具體如下。

步驟1：信號發送裝置向本臺區所有的信號接收終端發送指令，要求上報其ID碼，形成信號接收終端設備清單。

步驟2：信號發送裝置發送指令，將本臺區所有信號接收終端設置為空閑狀態。

步驟3：信號發送裝置的處理器控制信號發生器開始工作。

步驟4：對設備清單中的所有信號接收終端，依次逐個進行以下操作。

步驟4.1：根據其ID，信號發送裝置向信號接收終端發送指令，將其設置為接收狀態；

步驟4.2：電流互感器檢測出電流變化的所有信號接收終端，上報信息給信號發送裝置進行存儲，然后將處于接收狀態的信號接收終端設置為空閑狀態；

步驟4.3：所有信號接收終端完成步驟4.2后，信號發送裝置關閉信號發生器。

步驟5：信號發送裝置根據步驟4得出的數據，對設備清單中的所有信號接收終端，依次逐個進行以下判斷，正在判斷的信號接收終端稱為判斷終端。

步驟5.1：找出判斷終端在接收狀態時，檢測到正弦測試信號的其他信號接收終端，如果找不到，與判斷終端關聯的分支箱或表箱的父節點是變壓器，針對判斷終端的判斷結束；如果找到，將找到的所有信號接收終端生成表單U，執行步驟5.2；

步驟5.2：如果在表單U中，只有一個信號接收終端，則該信號接收終端關聯的分支箱或表箱，是判斷終端關聯的分支箱或表箱的父節點，針對判斷終端的判斷結束；如果多于一個，執行步驟5.3；

步驟5.3：在表單U中任選一個信號接收終端，找出該信號接收終端在接收狀態時，檢測到電流發生變化的其他信號接收終端，將找到的所有信號接收終端生成表單V，從表單U中去除表單V中的信號接收終端，生成新的表單U，轉到步驟5.2。

步驟6：完成終端設備清單中所有信號接收終端的判斷后，將判斷結果生成臺區拓撲。

下面結合一個具體的臺區拓撲進行分析。根據配電網自動化設計要求，目前配電網主要采用樹狀網或開環運行的環網[21-22]。圖4為一個樹狀網結構的臺區拓撲，虛線框表示分支箱或表箱，節點0為信號發送裝置的信號接入點，節點1～5為信號接收終端R1～R5對應的信號接入點。

圖4 樹狀網臺區拓撲

當所有的信號接收終端均處于空閑狀態時，正弦測試信號無法經過信號接收終端構成回路，信號接收終端的電流互感器無法檢測到正弦測試信號。

若信號接收終端R5轉為接收狀態，而其他接收終端仍處于空閑狀態時，正弦測試信號流經節點1、節點3和節點5，并經過信號接收終端R5構成回路，則信號接收終端R1和R3檢測到正弦測試信號，于是生成表單U，U=[R1，R3]。

若選擇R1作為判斷終端，將信號接收終端R1置于接收狀態，其他接收終端置于空閑狀態，除R1以外沒有其他接收終端能夠檢測到正弦測試信號，則R1所關聯的分支箱或表箱的父節點是配電變壓器。

若選擇R3作為判斷終端，將信號接收終端R3置于接收狀態，其他接收終端置于空閑狀態，除R3以外R1也檢測到正弦測試信號，于是生成表單V，V={R1}。表單U中去除表單V中的信號接收終端，生成新的表單U，U={R3}。表單U中只有一個信號接收終端，則R5所關聯的分支箱或表箱的父節點是R3所關聯的分支箱或表箱。

采用類似方法可得到所有分支箱或表箱的父節點，將所有結果合并，即可得到臺區拓撲。

3 故障區段判斷

圖5為一個簡化后的樹狀網臺區拓撲示意圖，節點1至節點7為分支線路監測終端或末端感知終端的電流采樣點，OC表示短路故障發生時，流過該節點的電流超過設定的閥值，即該節點流過故障電流，定義這種節點為故障信息點。

圖5 臺區拓撲示意圖

首先，根據臺區拓撲結構建立節點信息矩陣D，節點信息矩陣D的定義：

D=[dij]N×N

(1)

(i，j=1，2，…，N)

(2)

定義故障信息矩陣F：

F=[fij]N×N

(3)

(i，j=1，2，…，N)

(4)

定義故障判斷矩陣J：

J=D×F

(5)

對于樹狀網或開環運行的環網，與故障區段內的非故障信息點相鄰的所有節點中，最多只有一個故障信息點。若k為非故障信息點，則矩陣F中元素fkk=1，存在與節點k相鄰的節點m，n，…，v，即矩陣D中元素dmk=dnk=…=dvk=1，如果在節點m，n，…，v中有兩個及以上的故障信息點，即矩陣F中的元素fmm,fnn,…,fvv有兩個及以上為0，則非故障信息點k不是構成故障區段的節點，需將節點k從故障區段節點判斷中去除，即矩陣J中第k行及第k列元素均置為0，得到更新后的判斷矩陣J′。

在樹狀網或開環運行的環網中，故障區段兩側的節點為不同類型的信息點，即一側為故障信息點，另一側為非故障信息點。對于一條兩端節點為p和q的區段，若節點p和q均為故障信息點或非故障信息點，則節點p和q在矩陣J′中對應的元素jpq和jqp相等；若節點p和q中一個為故障信息點，另一個為非故障信息點，則矩陣J′中元素jpq和jqp不相等。

用符號⊕表示異或運算，若jpq⊕jqp=0，則區段pq為非故障區段，若jpq⊕jqp=0，則區段pq為故障區段。

對于圖5所示的臺區拓撲，智能配變終端根據臺區拓撲關系建立節點信息矩陣D。