基于跟蹤優化的電力設備自動化調控系統設計

王黎明，陳 誠，王昊煒

（1.國網江蘇省電力有限公司，江蘇南京 210000；2.國網江蘇省電力有限公司鎮江供電分公司，江蘇鎮江 212000；3.國網鎮江供電公司，江蘇 鎮江 212000）

電網由輸變電系統和配電網兩部分組成，在輸變電系統中起著非常重要的作用。配電網自動化系統是一種使配電網能夠遠程實時監測、協調和操作配電網設備的系統[1]。合理規劃配電網，加強建設與改造，做好配電網自動化規劃，是我國配電網實現自動化的基本原則[2]。當前，我國的配電網自動化系統都以計算機和通訊為基礎。一是建立了基于光纖通信網絡的配電網計算機實時監測系統和遠程終端，實現了配電網運行狀態的實時監測；在此基礎上，重點研究了故障段定位、隔離與恢復功能的實現，并通過監測系統的各個模塊，快速計算出故障段定位、隔離與恢復功能。在主站和分站之間，利用光纖通道傳送終端監測數據信號[3-4]。

用傳統的方法采用信號微處理器和可編程邏輯芯片PLC 對配電網進行智能控制設計，是配電網自動控制系統的主要設計方法。在此基礎上，設計了基于PCI 的人機通信接口的配電網絡。該系統通過建立外部擴展數據存儲，可以提高數據配電網自控系統的控制性能，但系統采用獨立部件設計，整體性能較差。為解決以上問題，提出了基于跟蹤優化的自動控制系統設計方法。但在電力控制運行系統的實踐中，也存在著一些問題和缺陷。為進一步提高電控運行系統的運行穩定性和安全性，有必要針對這些缺陷和問題進行相應優化設計。

1 自動化調控系統總體結構設計

數據采集與處理系統的設計是配電網自動控制系統的核心部分，在設計中采用了無源晶片處理技術[5-7]。對配電網絡自動控制信息的輸出電平傳輸和接收過程中的外部晶格進行協調轉換和校準轉換處理[8]。在以上分析的基礎上，設計了基于跟蹤優化的電力設備自動控制系統的總體結構，如圖1 所示。

圖1 電力設備自動化調控系統總體結構

配電網絡自動控制系統的總體設計包括時鐘頻率采集矩陣、收發信號轉換裝置、時鐘電路、功率放大器和輸入功率預處理程序[9]。配電網絡自動控制系統屬于寬帶系統。在配電網絡自動控制系統中，通過電源電路輸入信號，作為DSP 系統驅動芯片的JTAG 接口。采用恒頻濾波器設計DSP 邏輯處理芯片，接收配電網絡配置和用戶信息反饋[10-11]。數據傳輸采用SOC，數據采集采用PCI 總線，干擾濾波采用JTAG 調試接口模塊，實時配電網自動控制和傳輸優化采用bit反向尋址[12]。

1.1 數字信號處理器

控制器采用以數字信號處理器和單片機為核心的雙CPU 系統，提高了系統的可靠性和實時性。通信器件以AT89C558 單片機為核心，負責系統的通信與阻塞。分塊控制和開關輸出有助于減少控制器發生故障的可能性，提高可靠性[13-14]。單片機與DSP 的通訊采用雙口RAM 結構，具有高速、大流量等特點，總體硬件結構如圖2 所示。

圖2 系統硬件結構設計

控制系統采集三相電壓、三相電流、零序電壓、零序電流等模擬信號。由電壓互感器和電流互感器獲得的電壓信號(100 V)和電流信號(5 A)進入控制器后，需作進一步調整，使之轉換成A/D 采樣電路所需的-5～5 V 電壓信號[15]。為避免硬件故障，采用兩路開關輸出的邏輯和操作方法驅動開關式中間繼電器。該控制器帶有智能電源模塊，除向控制器提供正常工作狀態下的電源外，還可實現外部電源自動切換、電源管理(充放電)、電池監控等功能。

1.2 熔斷器開關設備

熔斷器是保護功能最簡單的開關，主要防止因電器設備的短路電流引起的過載損壞和長期沖擊[16]。電源線出現過載、過壓等故障時，熔斷器就會將故障電源線熔斷，從而對供電方的電氣設備起到保護作用。

1.3 饋線自動化控制接線方式

遙控方法主要通過主站系統控制負荷開關來實現，FTU 發現故障后的電流變化，作出初步判斷，將失敗的數據信息發送到主站。主站模塊完成了數據分析，準確識別出故障區域，實現了饋線的自動化。

如圖3 所示，環形網柜一般用于城市建設，網箱分為室內外兩種類型。一般環形網柜均采用雙進雙出方式，進線與環形網兩側相連。一些環形網柜構成了一個小的環形配電網絡，網箱環網式配電網絡基本采用10 kV 電力電纜，變電站兩條母線連接兩條饋線可供供電，使變電站的供電線路更加可靠。

圖3 饋線自動化控制接線方式

2 軟件功能設計

常規主周期加中斷序列軟件結構難以滿足實時性要求，代碼復雜，擴展性差，所以在控制器軟件設計中使用實時多任務操作系統，實時性好，可靠性高。

2.1 三次重合閘程序流程

操作系統按照兩個單片機的分工，在DSP 芯片上進行調度，包括采樣、數據處理、狀態檢測、分割控制和通信，控制器的主要任務之一是實現三級電氣保護。該系統實現了8 通道采樣，采集的數據經后臺處理后，需要進一步判定。若該值有限，則開始相應計數，此時，快斷保護啟動是沒有延遲的。三次重合閘程序流程如圖4 所示。

圖4 三次重合閘程序流程

該控制器可以實現三次或四次可調重合，重合閘門在跳閘后開始循環。當一條關機命令發出后，啟動延遲定時器，在延遲結束時，控制器檢測到故障，可加速跳閘并觸發下一個重合閘周期：若延遲后，控制器未發現故障，則可解除下一個重合閘周期并重新初始化重合閘過程。若每次重合閘周期結束后仍有故障發生，則發出永久性trip 命令，設定禁止延遲時間。如果在限定的延遲期間檢測到故障，則在重合閘周期之后釋放下一個重合閘周期。

2.2 基于跟蹤優化故障定位矩陣算法

配電網絡設備種類繁多，分布范圍廣，具有不同的能量消耗特征。舊有的配線靠近建筑物、公路等設施，并與寬帶、通信光纜、天然氣管道等公用服務通道平行或交叉，故障發生后，操作人員很難檢查出故障點。針對這一問題，提出了一種基于有向圖網絡描述的故障定位算法。

2.2.1 網絡描述矩陣

針對該饋線電路各個開關編號，假設網絡中存在的m個節點對應m階矩陣。如果網絡中a、b兩個節點之間存在一條饋線線路，那么網絡描述矩陣的第a行b列元素和第b行a列元素可用數字1 來表示，其余元素可用數字0 來表示，網絡描述矩陣W中，元素主要體現為網絡拓撲結構，如式（1）所示。

2.2.2 故障信息矩陣

按照電力設備終端上傳的各個開關超過最大負荷電流時出現的故障電流，可構建故障信息矩陣H，如式（2）所示。

式（2）主要體現在節點b有故障電流通過，需將該元素設定為0，其余情況設為1。

2.2.3 故障判斷矩陣

將式（1）與式（2）相乘后得到矩陣Q，對矩陣Q進行規格化處理后可得到判斷矩陣Q′，如式（3）所示。

如果判斷矩陣Q′中元素為1，那么需規格化處理矩陣Q中第i行j列元素設為0，否則保持不變。如果判斷矩陣Q′中元素為0，則表明線路中節點a、b之間是存在故障區域的。

3 實驗分析

以某市電力設備為基礎，對基于跟蹤優化的電力設備自動化調控系統設計的合理性進行實驗驗證分析。

3.1 電力設備運行概況

到2019 年8 月，全區550 kV 輸變電線路總長度達到5 km。近年來，由于配電網建設滯后于負荷發展，導致該地區設備、設施相對落后，故障頻繁，供電可靠性不高。以前電力系統改造只注重對設備的改造，而忽略配電網自動化系統建設，導致電力系統自動化水平和供電可靠性還處于低谷。

3.2 故障自動化調控檢驗

以故障前的網絡狀態為例，如圖5 所示。

圖5 故障前的網絡狀態

如果S7 與S8 之間存在故障，故障定位、隔離與恢復。假設S9 是處于分閘狀態，那么其他開關全部處于合閘狀態。當開關S7 與S8 之間出現故障時，電流方向由母線流向故障點，這就導致D1 處出現過流保護啟動現象，如果故障是永久性的，那么勢必會出現二次故障電流，這就導致D1 出現跳閘。如果能夠接收到完整的D1 信號，則在S3、S4、S7 和S8 上傳故障信息，由此可判斷S7 和S8 之間出現故障。

基于此，將基于人機通信接口PCI 自動化控制系統、以計算機為依托設計的自動化控制系統與基于跟蹤優化的自動化調控系統的故障檢驗效果進行對比分析。

正常情況下，流經該兩個節點處的故障電壓和電流如表1 所示。

表1 流經兩個節點故障電壓和電流正常值

分別采用3 種系統檢驗出現故障的電壓和電流值，結果如圖6 所示。

根據圖6 可知，使用基于人機通信接口PCI 自動化控制系統在人機通信接口處容易受到諧波影響，導致故障電壓和電流檢驗值與實際值相差較大，其中當統計次數為4 次時，電壓相差最大；使用以計算機為依托設計的自動化控制系統同樣容易受到諧波影響，導致故障電壓和電流檢驗值與實際值也相差較大。而使用基于跟蹤化的自動化調控系統與實際值一致，由此可知，使用該系統故障自動化檢測精準度較高。

圖6 3種系統檢驗故障電壓和電流值

4 結束語

以電力設備自動化控制系統跟蹤優化設計方法為基礎，進行了系統的硬件設計和軟件設計，并對系統的總體設計描述和功能指標進行了分析，完成了自動化控制系統的硬件設計和軟件開發。

該系統雖然解決了傳統控制系統不能識別饋線末端故障的缺點，大大提高了控制效率，但對單相接地故障時配電網過電流不大的情況，需要提高有效識別能力。在此基礎上對其不足進行了深入研究，使電力設備自動控制系統更加完善。