智能開關(guān)技術(shù)在山區(qū)配電線路的應(yīng)用研究

李 龍

（國網(wǎng)寧波供電公司，浙江 寧波 315000）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國提出了堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃，開啟了智能電網(wǎng)發(fā)展的新篇章。同時(shí)，隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，農(nóng)村智能電網(wǎng)建設(shè)也得到了重視。為了更好地促進(jìn)農(nóng)村電網(wǎng)的發(fā)展，應(yīng)當(dāng)重視山區(qū)電網(wǎng)的建設(shè)，將山區(qū)電網(wǎng)建設(shè)成為堅(jiān)強(qiáng)智能化的配電網(wǎng)，以滿足農(nóng)村智能電網(wǎng)發(fā)展的需要。當(dāng)前，我國山區(qū)電網(wǎng)主要采用10 kV配電線路，抵御雷擊、冰災(zāi)以及臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害的能力較弱。山區(qū)電網(wǎng)供電可靠性并不只是依靠電力系統(tǒng)的工程質(zhì)量，自然災(zāi)害才是摧毀山區(qū)電網(wǎng)供電設(shè)備的主要因素。智能開關(guān)利用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控電網(wǎng)運(yùn)行情況。因此通過在配網(wǎng)上安裝智能開關(guān)可以極大提高山區(qū)電網(wǎng)輸配電的可靠性，保證供電質(zhì)量，減少人員操作。

1 山區(qū)配電技術(shù)要求

隨著堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)計(jì)劃的實(shí)施，對(duì)農(nóng)村山區(qū)配電技術(shù)提出了明確的要求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1 形成農(nóng)網(wǎng)配電自動(dòng)化平臺(tái)

農(nóng)村配電網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)目標(biāo)包括兩個(gè)方面，一是建立合理的農(nóng)村配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，二是搭建一個(gè)綜合的自動(dòng)化平臺(tái)。農(nóng)村配電網(wǎng)需要預(yù)留多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通信接口，以實(shí)現(xiàn)電路負(fù)荷調(diào)度、電力生產(chǎn)管理以及電力營銷管理等功能。另外，電網(wǎng)運(yùn)行的所有數(shù)據(jù)集成在一個(gè)系統(tǒng)中，通過大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)分析處理相關(guān)數(shù)據(jù)，為供電優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2 滿足有效通信需求

我國農(nóng)村山區(qū)具有道路崎嶇、輸配電線路長以及電力設(shè)備分散等特點(diǎn)，要想快速獲取終端監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)難度較大。可以在配電網(wǎng)上建立多種通信方式，以滿足農(nóng)村配電自動(dòng)化的需求。如通過智能開關(guān)監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量和負(fù)荷就是一種較為經(jīng)濟(jì)和可靠的做法。

1.3 監(jiān)測(cè)終端可靠穩(wěn)定

山區(qū)的電力設(shè)備大多存放在室外，受自然環(huán)境等因素的影響，電力設(shè)施設(shè)備的壽命不長。這就要求終端監(jiān)測(cè)裝置具備強(qiáng)大的防干擾和抗自然災(zāi)害等功能，要求電力設(shè)施設(shè)備具備極強(qiáng)的穩(wěn)定性，此外還要考慮成本問題，價(jià)格不能太貴。

2 智能開關(guān)的功能要求

隨著農(nóng)村用電量的逐漸增加，山區(qū)配電線路對(duì)可靠性和安全性的要求也逐漸提高。但由于山區(qū)自然環(huán)境惡劣，不可抗因素較多，因此要想確保山區(qū)配送點(diǎn)的安全性和可靠性，用于山區(qū)的智能開關(guān)有以下的功能要求[1]。首先，通過設(shè)置最高限制值，預(yù)測(cè)潛在的事故隱患，以報(bào)警方式通知工作人員，最大限度避免事故發(fā)生。其次，電網(wǎng)故障發(fā)生后，能夠及時(shí)分析得出故障屬性、誘因以及事故地點(diǎn)等，通過中心站控制外部開關(guān)設(shè)備能夠快速識(shí)別故障發(fā)生的原因，實(shí)現(xiàn)自我恢復(fù)，避免人工到現(xiàn)場(chǎng)維修，從而縮短故障維修時(shí)間。再次，具備電能管理、配電能耗以及用電成本統(tǒng)計(jì)等功能，能夠?qū)崟r(shí)采錄配電系統(tǒng)運(yùn)行的各種數(shù)據(jù)量，盡可能減少跑、冒、滴以及漏等現(xiàn)象，提高電能管理效率。最后，實(shí)現(xiàn)中、低壓供配電系統(tǒng)一體化綜合管理和監(jiān)控，接受中心站查詢命令并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髡荆瑢?shí)現(xiàn)無人值守，減少人力投入成本。山區(qū)智能開關(guān)主要包括智能測(cè)控保護(hù)單元模塊、監(jiān)控智能通信接口模塊以及監(jiān)控主機(jī)模塊。

2.1 智能測(cè)控保護(hù)單元模塊

該模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的間隔層保護(hù)和智能保護(hù)裝置一體化。采用分布式配置，用RS-485總線連接，實(shí)現(xiàn)將保護(hù)、測(cè)量、控制以及信號(hào)通信等功能集合在一個(gè)封閉的測(cè)控保護(hù)單元內(nèi)[2]。

2.2 監(jiān)控智能通信接口模塊

該模塊的主要功能是采集前置智能監(jiān)控單元上傳的設(shè)備狀態(tài)信息，運(yùn)用無線通信設(shè)備將信號(hào)數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)控主機(jī)，由監(jiān)控主機(jī)完成數(shù)據(jù)的處理和分析。數(shù)據(jù)處理完畢后，監(jiān)控智能通信接口將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控設(shè)備，并發(fā)出設(shè)備操作指令。監(jiān)控智能通信設(shè)備具有上傳下達(dá)的功能，是各設(shè)備單元和監(jiān)控智能模塊信息傳遞的橋梁。

2.3 監(jiān)控主機(jī)模塊

該模塊用于處理電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的各種信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。為了便于管理，該模塊有一個(gè)可視化的人機(jī)交換界面，通過CAN現(xiàn)場(chǎng)總線連接監(jiān)控主機(jī)與智能通信接口。操作人員可以在可視化的人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)信息的溝通與交流，操作監(jiān)控主機(jī)。

3 智能開關(guān)的設(shè)計(jì)

智能開關(guān)是在繼電器和模擬儀表等監(jiān)控設(shè)備的基礎(chǔ)上，與新型智能儀表配合，控制網(wǎng)絡(luò)通信接口于中央控制器的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠監(jiān)測(cè)電流、電壓、有功功率、頻率以及電能等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)斷路器的分合操作，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控以及遙調(diào)。與傳統(tǒng)開關(guān)相比，智能開關(guān)具有監(jiān)測(cè)和控制等功能，更加智能化和自動(dòng)化[3]。山區(qū)配電線路線路長，由于極端天氣和道路等因素的影響，采用人工方式排除故障的難度較大。而智能開關(guān)可以在傳統(tǒng)開關(guān)功能的基礎(chǔ)上完成配電網(wǎng)的遙測(cè)、遙信、遙控以及遙調(diào)等，避免現(xiàn)場(chǎng)檢修，滿足配電網(wǎng)綜合智能化和自動(dòng)化的要求。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

智能開關(guān)的核心工作流程為電流回路串聯(lián)于電流互感器二次回路，電壓回路并聯(lián)于電壓測(cè)量回路，通過電流互感器、低通濾波器以及多路轉(zhuǎn)換開關(guān)將各設(shè)備的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電壓值，然后由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后將信息交給中央處理單元。如果中央處理單元計(jì)算得出的信息超過限制值范圍就會(huì)發(fā)出跳閘信號(hào)，并將事故發(fā)生的時(shí)間、誘因、屬性以及故障點(diǎn)等信息發(fā)送給工作人員，并且遠(yuǎn)程進(jìn)行操作，保護(hù)設(shè)備安全。智能開關(guān)主要由模擬量采集模塊、開關(guān)量輸入（出）模塊以及人機(jī)交互模塊等基本單元組成。

3.1.1 模擬量采集模塊

智能開關(guān)運(yùn)行過程中，需要獲取一些設(shè)備電參量進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理，以達(dá)到監(jiān)控的目的。模擬量采集的具體工作流程包括以下幾個(gè)步驟。首先獲取二次電壓和電流信號(hào)，運(yùn)用交流互感器將獲取到的強(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)，并且由運(yùn)算放大器分析處理弱電信號(hào)。其次通過低通濾波電路對(duì)弱電信號(hào)進(jìn)行濾波處理，并將處理完畢的信號(hào)傳輸給一級(jí)A/D轉(zhuǎn)換電路。最后運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)處理完畢的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分析智能開關(guān)運(yùn)行的各種數(shù)據(jù)，并且根據(jù)分析結(jié)果發(fā)出預(yù)警和操控等指令。

3.1.2 開關(guān)量輸入（出）模塊

開關(guān)量的輸入信號(hào)是指設(shè)備的輔助常開節(jié)點(diǎn)信號(hào)，如斷路器的合閘和分閘狀態(tài)等，開關(guān)量的輸出信號(hào)是指報(bào)警提示信號(hào)等。為了便于管理和后續(xù)擴(kuò)展，開關(guān)量的輸入和輸出信號(hào)應(yīng)該分開。

3.1.3 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊主要包括鍵盤顯示模塊、通信模塊以及主控模塊等，是工作人員與配電監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)信息交換的重要環(huán)節(jié)。工作人員根據(jù)MMI模塊的信息判斷配電系統(tǒng)的狀態(tài)，并運(yùn)用MMI模塊對(duì)裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

硬件電路是智能開關(guān)的肢體，是實(shí)現(xiàn)既定功能的重要基礎(chǔ)。但是，要想讓智能開關(guān)可靠運(yùn)行，也必須有完善的軟件設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將整體劃分為主程序、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、本地錄波模塊、報(bào)警模塊、故障判斷模塊以及通信模塊。每個(gè)模塊分開設(shè)計(jì)、編程并測(cè)試，確保各項(xiàng)功能的成功實(shí)現(xiàn)。最后，在完成各功能模塊測(cè)試后，接入主程序進(jìn)行系統(tǒng)總體調(diào)試，以測(cè)試各功能模塊能否實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)的主程序流程見圖1所示。程序初始化后，檢查所有外設(shè)，如果沒有中斷就判斷且標(biāo)識(shí)優(yōu)先級(jí)。根據(jù)優(yōu)先級(jí)的閾值來判斷是否越限，如果有越限立即故障報(bào)警，并且存儲(chǔ)故障數(shù)據(jù)。

圖1 主程序流程圖

智能開關(guān)承擔(dān)著線路的開通使用、關(guān)斷退出以及檢測(cè)排除故障線路等功能，需要采集多種數(shù)據(jù)，并且按照規(guī)則存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以便后續(xù)查詢。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，需要分析和處理數(shù)據(jù)，查驗(yàn)每個(gè)設(shè)備的工作情況和運(yùn)行狀態(tài)，并以一定的表達(dá)形式呈現(xiàn)出來，以便讓工作人員及時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，需要處理故障。這時(shí)，系統(tǒng)的主程序就會(huì)鍵盤中斷，并且接收到來自于工作人員發(fā)出的操作指令，執(zhí)行相應(yīng)的程序。通信處理是指對(duì)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和處理，以及數(shù)據(jù)幀發(fā)送失敗的處理等。為了確保數(shù)據(jù)處理成功，本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將每個(gè)獨(dú)立功能作為一個(gè)模塊，完成該模塊的程序設(shè)計(jì)以后，修改與其相關(guān)聯(lián)的程序即可。這樣可以極大提高工作效率，加強(qiáng)程序的可讀性。

4 應(yīng)用效果

隨著智能開關(guān)的廣泛使用，對(duì)山區(qū)配電網(wǎng)管理的故障研判和運(yùn)行安全等方面有著十分重要的影響。

4.1 提高了故障判斷處理的能力

智能開關(guān)的廣泛使用，能夠?qū)崟r(shí)搜集配電網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。通過計(jì)算得知配電網(wǎng)各外設(shè)運(yùn)行指標(biāo)是否達(dá)到限定值，以便及時(shí)預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的故障并及時(shí)處理，減少故障發(fā)生頻率，節(jié)約故障維修時(shí)間。例如，2019年12月14日，由于雨雪冰凍的極寒天氣原因造成配電線路故障，發(fā)生7次合閘事故。其中，5次智能開關(guān)跳閘。智能開關(guān)跳閘后立即自檢，排查原因，自我恢復(fù)，減少了人工現(xiàn)場(chǎng)檢修的次數(shù)。如果沒有安裝智能開關(guān)，5次跳閘將會(huì)發(fā)生在變電所。如果變電所跳閘，將會(huì)造成大面積供電區(qū)域停電，而且很難找出故障發(fā)生的原因和故障點(diǎn)，增加停電時(shí)間，影響人們的生活生產(chǎn)。

4.2 提高了運(yùn)行管理效率

利用智能開關(guān)進(jìn)行開關(guān)集中管理，可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備全程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，減少了人工投入，實(shí)現(xiàn)了無人值守和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控相結(jié)合的監(jiān)管模式，極大提高了電網(wǎng)的可靠性和管理效率。

4.3 降低了安全風(fēng)險(xiǎn)

由于山區(qū)的氣候環(huán)境惡劣，自然災(zāi)害較多，電網(wǎng)線路上的瞬間故障較多。另外，山區(qū)道路曲折，在冰雪封路的情況下，如果采用人為方式巡查，必然會(huì)增加勞動(dòng)成本，提高用工風(fēng)險(xiǎn)。巡檢人員發(fā)現(xiàn)故障后需要通知供電所斷電處理，這樣會(huì)增加停電面積、停電時(shí)間以及操作人員的安全風(fēng)險(xiǎn)。而通過智能開關(guān)可以遠(yuǎn)程控制電網(wǎng)，可以快速處理故障，恢復(fù)供電，有效提高用電安全，具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

5 結(jié) 論

智能開關(guān)技術(shù)在山區(qū)配電線路的應(yīng)用具有明顯效果，有效提高了故障判斷處理的能力、運(yùn)行管理效率、安全穩(wěn)定運(yùn)行水平以及供電可靠性，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，可以遠(yuǎn)程控制電網(wǎng)，快速處理故障并恢復(fù)供電，具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。