基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式FA故障處理技術研究

楊家全

（云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

隨著“云大物移智”新技術在電網(wǎng)的應用，特別是電力物聯(lián)網(wǎng)技術的深入研究和應用，配電饋線自動化（FA）的技術提升和實用化應用迎來新的發(fā)展機遇。配電自動化的深化改造和建設，配電終端數(shù)量快速增長，要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來越大。配電管理系統(tǒng)功能的拓展，也將增加終端向系統(tǒng)主站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，然而物聯(lián)網(wǎng)作為融合無線通信技術、嵌入式系統(tǒng)的新技術，將推動配電自動化一次全新的升級。

分布式FA故障處理技術是通過配電終端點對點通信方式，以就地運行,維護簡單，系統(tǒng)獨立，不受非相連配電網(wǎng)絡頻繁變更影響，減少就地型FA開關的多次分合，增加一次設備的使用壽命，同時配網(wǎng)自動化改造成本低?！拔铩笔俏锫?lián)網(wǎng)的基礎，通過物聯(lián)網(wǎng)技術可實現(xiàn)終端之間“物物相連”，配電終端通過物聯(lián)網(wǎng)的“物物相連”網(wǎng)絡實現(xiàn)終端之間進行信息交互，并向主站轉(zhuǎn)發(fā)終端數(shù)據(jù)。

本文融合分布式FA故障處理算法與物聯(lián)網(wǎng)技術，研究系統(tǒng)實現(xiàn)的技術要求、關鍵技術及異常情況處理方法等，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式FA故障處理方案，在實驗室及10 kV線路上進行了測試驗證和工程應用，取得理想的工程效果。

1 配電終端及分布式FA系統(tǒng)的技術要求

在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下實現(xiàn)分布式FA故障處理技術，配電終端的即插即用功能是基礎和核心。插即用配電終端即在物聯(lián)網(wǎng)下實現(xiàn)終端自識別、配電網(wǎng)絡自動拓撲、自動恢復策略生成、信息自反饋等功能。通過自描述模型可實現(xiàn)配電終端之間點對點信息交互，通過自描述模型獲取的開關參數(shù)可快速建立網(wǎng)絡拓撲。當線路中開關位置和網(wǎng)絡拓撲結構發(fā)生變化時，配電網(wǎng)絡自動拓撲能夠通過自描述模型所獲得的開關參數(shù)與相鄰的終端進行信息交互實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲的更新，整個過程不需要人工操作。即插即用終端通過信息自反饋實現(xiàn)過程追述，在分布式FA故障處理過程中，即插即用終端可以通過SOE向主站發(fā)送處理信息，同時將處理過程保存于本地日志文件中，故障時的波形根據(jù)時間相應保存在錄波文件中，主站可以通過查看日志文件和錄波文件追述整個FA處理流程，為工作人員分析判斷提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

因此，即插即用終端及分布式FA系統(tǒng)應具備以下主要技術要求：

1）可快速建立網(wǎng)絡拓撲，具備網(wǎng)絡自動拓撲、自恢復策略生成和信息自反饋等功能。

2）當終端發(fā)生網(wǎng)絡通信故障時，能夠快速更新分布式FA網(wǎng)絡拓撲結構。

3）當線路開關發(fā)生變化時，如開關位置發(fā)生變化或線路增加開關，能夠?qū)崟r更新網(wǎng)絡拓撲結構。

4）分布式FA系統(tǒng)可通過局域網(wǎng)遠程維護、查詢、監(jiān)視的功能。

5）一旦檢測通信故障分布式FA將停止；隔離故障時如果發(fā)生遙控拒動，智能分布式FA控制單元將直接停止動作進程，并閉鎖所在回路的FA功能，向配電自動化主站報告出錯情況。

6）分布式FA控制單元電源站內(nèi)具備投入/退出硬結點，控制本條饋線分布式FA投入與退出。

2 關鍵技術研究

2.1 分布式FA拓撲建立

網(wǎng)絡拓撲是實現(xiàn)分布式FA的關鍵，因此，分布式FA的拓撲建立非常重要。當配電終端上電后獲取FA配置參數(shù)，配電終端獲悉FA參數(shù)并解析，通訊方式采用用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議(UDP)與相鄰終端進行通信。電源點附近首端開關通過自描述模型獲取下一級開關參數(shù)，根據(jù)開關參數(shù)中IP地址即可與下一級進行通信，首端開關將發(fā)送一條鏈路拓撲報文，拓撲報文每間隔10秒鐘發(fā)送，拓撲報文中包含電源點開關ID號、是否帶電、開關狀態(tài)、電源點電流冗余量和故障信息等。

當下一級開關收到鏈路拓撲報文后，給首端開關回復一條確認幀，將首端信息更新至自身拓撲信息表中。然后通過自描述模型獲取下一級開關參數(shù)，根據(jù)開關參數(shù)中IP地址即可與下一級進行通信，并將自身拓撲信息表填充至拓撲報文中，發(fā)至下一級開關，終端每間隔2秒檢查是否收到拓撲確認幀，若沒有收到則再次重發(fā)，收到拓撲報文確認后等待下一次拓撲更新。

當鏈路拓撲報文發(fā)送至聯(lián)絡開關處時，聯(lián)絡開關形成自身的拓撲信息表，表中含有兩側的電源點信息，聯(lián)絡開關將自身的聯(lián)絡信息形成聯(lián)絡拓撲報文向另一側電源點傳遞，聯(lián)絡拓撲報文包含聯(lián)絡開關ID號、對側電源點ID、帶電狀態(tài)、聯(lián)絡開關ID等。聯(lián)絡開關通過自描述模型獲取另一側線路的相鄰開關參數(shù)，根據(jù)開關參數(shù)中IP地址即可與下一級進行通信，將聯(lián)絡報文發(fā)至下一級開關，下一級開關收到鏈路拓撲報文后進行返回確認，直至報文傳至到末端開關，最終完成整個網(wǎng)絡的拓撲。

2.2 分布式FA故障區(qū)域隔離

配電線路發(fā)生故障時，若配電線路一次開關為斷路器，線路中發(fā)生故障時，則分布式FA開始啟動。若配電線路一次開關為負荷開關，出口保護動作信號和出口開關跳閘信號同時產(chǎn)生，則分布式FA開始啟動。配電終端采用物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)對等式的通信方式進行信息交互，采用UDP網(wǎng)絡通信協(xié)議，實現(xiàn)終端彼此之間共享線路的電壓、開關位置和故障狀態(tài)等信息。當開關在獲悉過流或失壓信號后分別向相鄰發(fā)送故障信息報文，同時收集相鄰終端的故障信息，故障信息報文采取重發(fā)機制。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)通信的特點，設置重發(fā)時間為1 s，若1 s內(nèi)未收到相鄰終端的確認幀再次發(fā)送，在一定時間內(nèi)相鄰終端的故障信息收集完整后開始進行故障點判斷。根據(jù)故障點上游均存在故障，故障點下游無故障的策略確定故障點，從而將故障自動切除。

2.3 分布式FA非故障區(qū)域恢復

分布式FA系統(tǒng)中，在故障隔離完成之后，處在故障區(qū)域并成功隔離的配網(wǎng)終端啟動故障恢復，故障點下游的終端根據(jù)自身拓撲信息表中的聯(lián)絡信息，向非故障段的聯(lián)絡開關進行詢問是否可進行恢復供電，供電恢復策略如下描述。

線路正常運行時，線路首端的配電終端根據(jù)最大電流容量與當前負荷電流計算本電源側的冗余電流，并將冗余電流數(shù)據(jù)傳遞至聯(lián)絡開關。故障點隔離完成后，故障點下游終端啟動非故障區(qū)域恢復操作，首先從自身拓撲表中尋找聯(lián)絡開關，向聯(lián)絡開關請求冗余量報文，聯(lián)絡開關處的配電終端根據(jù)故障隔離信息及饋線拓撲結構識別故障線路，并從自身拓撲表中獲取非故障線路電源側的電流冗余量傳遞給發(fā)起聯(lián)絡請求的終端（即故障點下游終端），故障點下游終端收到非故障線路電源側的電流冗余量，與自身線路段正常供電時的負荷電流進行比較，即可判斷非故障線路電源側的電流冗余量是否滿足要求，如果備供不足，可根據(jù)備供電源不過流以及恢復供電范圍最大的原則，確認需要恢復供電的區(qū)段。當配電線路發(fā)生故障時，配電終端根據(jù)FA自描述文件中的故障處理參數(shù)和實時的網(wǎng)絡拓撲信息，自動生成故障處理策略，快速準確地定位故障點隔離故障。

分布式FA的故障處理機制是檢測到線路故障，通過相互通信確認出口保護動作并跳閘成功，確定故障點，將故障點前后的開關跳開隔離故障，隔離成功后，重合變電站出口開關和聯(lián)絡開關，恢復非故障區(qū)段供電。

3 異常狀況處理方法

在實現(xiàn)分布式FA時，通信的穩(wěn)定流暢是關鍵，而實際工程中用中，通信異常導致的FA功能失效或開關誤動造成停電事件是重點要解決的難題。當發(fā)生通信異常，主要包括聯(lián)絡開關控制策略、主干線發(fā)生通信故障、聯(lián)絡開關發(fā)生通信故障、首端發(fā)生通信故障和兩處開關發(fā)生通信故障等情況時的系統(tǒng)智能化處理是工程化應用重點。針對這些問題本文采用應用層協(xié)議控制與故障處理流程相結合的技術方案，通過完善和改進分布式FA故障處理算法，來應對物聯(lián)網(wǎng)的特殊性。

3.1 主干線開關發(fā)生通信故障

若當主干線路開關有一臺發(fā)生通信故障時，該通信故障開關自動切換為電壓時間型保護，其相鄰即插即用終端發(fā)現(xiàn)通信中斷后越過通信故障開關，通過自描述模型獲取下一級開關參數(shù)，根據(jù)開關參數(shù)中IP地址即可與下一級進行通信，并其更新自身的拓撲信息，并主動向下一級開關發(fā)送最新的拓撲連接報文，當下一級開關收到最新拓撲報文后，回復確認，并更新自身的拓撲結構以及相鄰開關的信息，更新完成后并通過自描述模型獲取下一級開關參數(shù)，根據(jù)開關參數(shù)中IP地址即可與下一級進行通信，直至末端整個拓撲信息完成更新。

以圖1為例，假設KG3發(fā)生通信故障，KG2、KG4分別檢測到KG3通信發(fā)生故障，設置聯(lián)絡開關位置為KG5（下同）。

圖1 線路通信故障模擬圖

KG2開關發(fā)現(xiàn)與KG3開關通信中斷后越過KG3開關，KG2開關通過自描述模型獲取KG4開關參數(shù)，根據(jù)開關參數(shù)中IP地址即可與KG4開關進行通信，并其更新自身的拓撲信息，并主動向KG4開關發(fā)送最新的拓撲連接報文，當KG4開關收到最新拓撲報文后，回復確認，并更新自身的拓撲結構以及相鄰開關的信息，更新完成后并通過自描述模型獲取KG5開關參數(shù)，根據(jù)開關參數(shù)中IP地址即可與KG5開關進行通信，直至末端整個拓撲信息完成更新。

在整個重建拓撲過程中，KG2、KG4之間直接建立鏈接，KG3從網(wǎng)絡拓撲中刪除，KG3自身切換成電壓時間型保護，S3、S4線路合并為一條線路，當故障發(fā)生在S3、S4段，則KG2、KG4跳閘，擴大隔離區(qū)域，KG4請求聯(lián)絡KG5合閘，恢復非故障區(qū)域供電，如圖2所示。

圖2 故障隔離模擬圖

3.2 聯(lián)絡開關發(fā)生通信故障

當聯(lián)絡開關發(fā)生通信故障時，該開關自動切換為電壓時間型保護，其相鄰即插即用終端發(fā)現(xiàn)通信中斷后越過聯(lián)絡開關，通過自描述模型獲取下一級開關參數(shù)。其網(wǎng)絡拓撲建立過程與上述過程類似，不再贅述。

以圖3為例：假設KG5發(fā)生通信故障，KG4開關發(fā)現(xiàn)與KG5開關通信中斷后越過KG5開關，KG4開關通過自描述模型獲取KG6開關參數(shù)，根據(jù)開關參數(shù)中IP地址即可與KG6開關進行通信，并其更新自身的拓撲信息，并主動向KG6開關發(fā)送最新的拓撲連接報文，當KG6開關收到最新拓撲報文后，回復確認，并更新自身的拓撲結構以及相鄰開關的信息，更新完成。

圖3 聯(lián)絡通信故障模擬圖

在整個重建拓撲過程中，KG4、KG6建立鏈接，KG5從網(wǎng)絡拓撲中刪除，KG5自身切換成電壓時間型保護，S5、S6合并為一條線路。當S3段發(fā)生故障后，KG2、KG3跳閘隔離故障，KG3請求聯(lián)絡失敗，KG5通過單側失壓合閘邏輯進行合閘，恢復非故障區(qū)域供電；當S5段發(fā)生故障后，KG4、KG6跳閘，擴大隔離區(qū)域，KG5兩側失電，不動作。

3.3 首端發(fā)生通信故障

當線路首端發(fā)生通信故障時，首端開關切換為電壓時間型保護，下一級開關檢測到首端通信異常，自動切為首端，首端開關獲悉FA參數(shù)并解析，通訊方式采用用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)與下級進行通信。

以圖4為例，KG1發(fā)生通信異常，KG2自動切換為首端，發(fā)起拓撲建立。

圖4 首端通信故障模擬圖

KG1切換成電壓時間型保護。當故障點發(fā)生在S2處，KG1失電后跳閘，KG2發(fā)現(xiàn)自身為首端且失電，表明故障在S2處，直接跳閘，并請求聯(lián)絡KG5合閘恢復供電；當故障點發(fā)生在其他線路，與正常通信時FA處理一致。

3.4 兩處開關通信異常

線路中出現(xiàn)兩處開關通信異常時，兩處開關不連續(xù)，則仍可按照上述方案進行FA處理。線路中出現(xiàn)連續(xù)兩個開關通信異常時，相鄰開關發(fā)起拓撲建立后，會發(fā)現(xiàn)下一級開關仍然無法建立通信，此時上報兩級通信故障遙信，故障隔離算法按照故障點位置的不同區(qū)別處理，故障點在通信異常開關周圍時FA閉鎖隔離，故障點在通信正常開關時FA正常隔離，非故障恢復此時全線閉鎖。

以圖5為例，KG3、KG4均發(fā)生通信異常，當故障點在S2段時，KG1、KG2正常隔離故障；當故障點在S3段時，由于KG2無法得到下游信息，KG2不動作；當故障點發(fā)生在S4時，KG3、KG4無法得到故障周圍信息，KG3、KG4不動作。

圖5 連續(xù)兩級開關通信異常模擬圖

3.5 通信延時與丟包處理

影響“物聯(lián)網(wǎng)”網(wǎng)絡通信性能的主要原因之一是網(wǎng)絡延時，網(wǎng)絡延時大以及丟包率高和通信中斷既有相同點也有不同之處：相同點是終端與終端之間無法有效地進行數(shù)據(jù)交互；不同點是網(wǎng)絡延時以及丟包具有時間段的特性，即特定時間段出現(xiàn)通信質(zhì)量下降，這種通信異常是可以恢復的，而通信中斷是不可恢復的。因此，本文采用基于應用層協(xié)議控制與故障處理流程相結合的技術方案對通信延時和丟包率高的異常進行處理。

通信延時處理機制主要如下：在線路無故障發(fā)生時，每個開關通過給相鄰開關發(fā)送拓撲報文和接收應答報文的時隙來評價各個相鄰開關的通信質(zhì)量Q，通信質(zhì)量Q的計算方法如下：

其中R為最近S幀拓撲報文在時間T內(nèi)收到應答的次數(shù)，S參數(shù)設定用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)對通信質(zhì)量的敏感程度，通常S=20；當Q小于最小值Qmin或大于最大值Qmax時動態(tài)更新時間T：如果Q＞Qmax，T縮小10%，如果Q＜Qmin，T放大10%；當T大于最大等待時間Tmax認為此開關出現(xiàn)通信中斷，當T小于最小等待時間Tmin將T置為最小值。等待時間T的變化在系統(tǒng)中是個隨通信質(zhì)量實時更新的過程，具體狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖6所示。

圖6 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

當線路發(fā)生故障時，報文發(fā)送裝置根據(jù)以時間T來設定詢問報文等待最大時限，大于時間T未接收到應答報文則重發(fā)詢問報文。

針對無線系統(tǒng)中的通信收到重復報文的小概率問題，分布式FA系統(tǒng)采用“重名丟棄”的處理方法。具體處理辦法：羅列系統(tǒng)中的所有報文，給每條報文獨立的“ID號”。當裝置收到一條報文后在裝置中記錄其“ID號”，如果在一段時間內(nèi)收到相同的報文則選擇丟棄且不發(fā)送應答報文，多包處理流程如圖7所示。

圖7 多包處理流程圖

4 工程驗證

為了測試驗證上述分布式FA系統(tǒng)功能和異常處理方法是否滿足工程應用要求，同時驗證即插即用終端的功能，在實驗室搭建了一套智能分布式FA系統(tǒng)，模擬云南電網(wǎng)玉溪地區(qū)2條線路10個站點，采用4G無線網(wǎng)絡進行組網(wǎng)，選擇集成物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)的智能FA終端進行分布式FA系統(tǒng)驗證，線路拓撲圖如圖8所示，實驗室環(huán)境如圖9所示。

圖8 實驗室驗證拓撲圖

采用配電自動化多場景仿真測試系統(tǒng)，以信號注入的方式，模擬現(xiàn)場故障發(fā)生前后的電氣信息，注入到擬安裝到現(xiàn)場的各個終端中，實現(xiàn)對智能分布式FA功能的驗證。實驗過程對實際線路的各種故障場景及第3節(jié)中的異常狀況均進行了驗證測試，系統(tǒng)動作結果均與預期結果一致，驗證了上述方法的有效性。

后期在某實際線路中按照實驗室驗證的策略進行了工程安裝應用，線路共發(fā)生3起故障，系統(tǒng)均按預期正確動作，減少了線路停電，提高了供電可靠性。

5 結束語

本文研究融合分布式FA故障處理技術和物聯(lián)網(wǎng)技術，通過物聯(lián)網(wǎng)的“物物相連”網(wǎng)絡實現(xiàn)終端之間進行信息交互，提出即插即用配電終端及分布式FA的技術要求和關鍵技術，考慮各種異常狀況的處理方法，形成基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式FA故障處理方案，并在實驗室開展系統(tǒng)功能驗證和實際工程線路應用，取得理想的工程應用效果。