基于4G/5G物聯網技術的無線組網選線系統(tǒng)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(yè)，供電連續(xù)性、可靠性、安全性要求較高，如果發(fā)生停電事故對企業(yè)正常生產造成不可估計的損失，當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，按照電力系統(tǒng)規(guī)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(fā)展成相間短路，對系統(tǒng)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(yè)東區(qū)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(yè)的電力調度系統(tǒng)，當發(fā)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(fā)生故障時還是采用傳統(tǒng)的人工拉路這一傳統(tǒng)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(yè)的連續(xù)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(fā)展。一旦系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，少則數秒鐘多則十幾分鐘就會發(fā)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(huán)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(fā)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(xù)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(yè)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(tǒng)（SHKWLS2），巧妙地解決了諧波干擾、電磁環(huán)境、高頻大電流，可以在各種惡劣環(huán)境下實現選線準確率100%，支持多種通信規(guī)約的兼容，能與變電站綜合自動化系統(tǒng)進行遠程數據交換。

1 傳統(tǒng)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(tǒng)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(jiān)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(fā)展的，故障過程中可能在最初的暫態(tài)過程發(fā)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(tài)波形不一定能滿足暫態(tài)信號選線的要求。但同時，三相電流合成的暫態(tài)信號的幅值比穩(wěn)態(tài)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(tǒng)，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(tǒng)

2.1 4G/5G物聯網系統(tǒng)

某化工企業(yè)致力于智能化的發(fā)展建設，為滿足各智能項目的通信需求，該企業(yè)完成東區(qū)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(qū)各個配電室及盲點的全覆蓋，實現了該化工東區(qū)的智能化和高效化。4G/5G專網系統(tǒng)主要由核心網、網管系統(tǒng)、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(yè)務等相關功能。

（2）網管系統(tǒng)：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(yè)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(tǒng)架構，最大程度實現了部件共享。系統(tǒng)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(yè)務傳輸。

2.2 無線組網選線系統(tǒng)

無線組網選線[2]系統(tǒng)是帶遠程通信的選線定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)集電壓、電流測量、故障監(jiān)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(tài)監(jiān)測[3]、故障監(jiān)測與指示等功能。在線選線定位系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性、高安全性、功能完善、抗干擾能力強、故障定位準確等優(yōu)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(wěn)定，同時也減少了人力資源的浪費，降低了企業(yè)的經濟損失。

主要實現的功能如下：

（1）小電流接地故障監(jiān)測[4]與指示功能：實時在線監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)綜合選線，能夠識別系統(tǒng)單相接地、系統(tǒng)短路、系統(tǒng)諧振、PT斷線等多種故障狀態(tài)，并在發(fā)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(tǒng)正常供電。

（2）運行狀態(tài)監(jiān)測功能：實時在線監(jiān)測系統(tǒng)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(tài)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(fā)生故障時的故障錄波等信息。

（4）規(guī)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(tǒng)發(fā)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(tǒng)的應用

4G/5G物聯網技術的無線組網選線系統(tǒng)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(fā)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)。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(jiān)控系統(tǒng)。

（2）SHK-WLS2分站型無線組網選線系統(tǒng)。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(tǒng)的應用效果

圖4 SHK-WLS2系統(tǒng)實時數據顯示

圖5 SHK-WLS2系統(tǒng)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(tǒng)在某化工企業(yè)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(jiān)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(yè)將該系統(tǒng)擴展至其他區(qū)域的10 kV系統(tǒng)，最終實現全部配網線路的智能在線監(jiān)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(tǒng)的廣泛推廣。