配網饋線自動化系統設計及應用實踐分析

袁志偉

（中國安能集團第二工程局有限公司廈門分公司，福建 廈門 361022）

0 引言

由于配電網具有復雜的特點，提升其運行穩定性、響應速度和精度已成為配電網設計工作中需要關注的三個重要方面[1]。設計配網饋線自動化系統是實現這些目標的關鍵途徑。因此，在本次研究中，我們將以分層結構的SCADA 系統為基礎，整合雙環自愈網通信模式、SQL（Structured Query Language）數據庫和FTU 設備等技術，進行全面的研究。某地開發區配電網絡采用傳統SCADA 系統進行饋線自動化系統設計，以保證配電網絡的運行穩定性，但在該系統的運行過程中，存在數據交換便利度低、無法進行互聯以及用戶無法進行二次開發的局限。對此，技術部門決定對SCADA 系統進行重新設計，以提升系統的數據交換便利度、互聯程度和靈活性[2]。

1 系統整體結構設計

根據上述需要，本次采用效率和精度更具優勢的分層結構式SCADA 系統進行整體架構設計，其結構如圖1 所示。

圖1 系統整體結構圖

如圖1 所示，在本次設計的配網饋線自動化SCADA 系統中，該主站作為核心，對目標區域配電網進行全面監視與控制；該子站又稱為“前置機子站”，其主要作用是規約管理，同時與FTU（饋線終端裝置）和RTU（遠程終端單元）之間進行通信[3]。

2 系統主要模塊設計

2.1 通信網絡及通信規約設計

因電網系統復雜程度較高，通信網絡采用雙環自愈網模式下的饋線自動化光纖網，其具體設計如圖2所示。

圖2 通信網絡示意圖

如圖2 所示，如果配電網運行正常，那么通信網絡中將存在四個數據傳輸路徑情況為：從光端機A的Ta 口到光端機B 的Ra 口、從光端機B 的Ta 口到光端機C 的Ra 口、從光端機C 的Ta 口到光端機D的Ra 口以及從光端機D 的Ta 口到光端機A 的Ra口。基于上述路徑，當配電網出現故障后，光端機D的信號無法傳遞到光端機A，此時通信網絡只能依靠內環進行運行，因此數據傳輸路徑發生變化：從光端機A 的Ta 口到光端機B 的Ra 口、從光端機B 的Ta口到光端機C 的Ra 口、從光端機C 的Tb 口到光端機B 的Rb 口以及從光端機B 的Tb 口到光端機A 的Rb 口。

針對實時采集分析數據的需求，本設計采用IEC標準下的101 規約，并對其OSI 開放式7 層協議進行了簡化處理，僅采用增強型的三層模型：物理層、鏈路層和應用層。其中，物理層由控制站的數據終端設備（DTE）和數據電路終接設備（DCE）組成，二者通過異步ITU-TV.24 接口進行通信，從低向高傳輸通信數據。鏈路層的信息傳輸規則如下：（1）接收站在檢查傳輸數據是否存在差錯后，確定是否傳輸該數據并進行發送/確認、請求/響應服務；（2）動站和啟動站之間互相傳遞信息并保存；（3）各次服務傳輸過程之間相互獨立，僅在當前一次服務傳輸全部結束后才會執行發送幀操作。

2.2 數據庫設計

結合實際需要，數據庫選用SQL2019 型數據庫，并確定數據見表1。

表1 主要選定數據

在此基礎上，對數據庫進行優化設計，訪問流程如圖3 所示。

圖3 數據庫訪問流程

如圖3 所示，在配電網運行的過程中，所有產生的數據都被備份在SQL Server 數據庫中。實時數據庫每五分鐘進行一次寫入操作，更新最新的數據并將舊有數據保存作為歷史數據。如果客戶端需要訪問內存數據，就必須通過RTDBMS，并使用標準的SQL 語言指令對其進行訪問。在上述基礎上，應用C4.5 算法實現配電網數據的統計分析功能，通過劃分數據集并選出最優特征索引，為保證數據庫安全性，引入云端加密程序生成密鑰。其主要流程是：（1）根據數據的字節數，應用DES 密鑰生成器隨機生成一個密鑰并轉換為密文；（2）在云端保存密文；（3）客戶端重新生成隨機密鑰內容，循環往復進行。

2.3 終端設備選型設計

首先，使用保護功能較為完備的RWK-551B-G型FTU 饋線終端設備，將其安裝于配電網的柱上開關側，對FTU 饋線終端設備進行選型設計，FTU 饋線終端設備數量則與配電網柱上負荷開關數量相等。其次，選用功耗較低且普適性較強的AD2066L 型RTU地調開關設備，將其安裝于配電網的變電站出線開關附近，對RTU 地調開關設備進行選型設計，使之與變電站、FTU 之間組成閉合回路。當該閉合回路中出現故障且繼電器重合閘操作失敗后，RTU 將向回路上的各個FTU 設備發送指令，以判斷故障點位置，進而控制故障點兩側最近的開關分閘，實現隔離故障和非故障區域恢復送電的目標，以實現降低停電面積和停電時間的作用。

2.4 運行狀態檢測功能模塊設計

為實現對配電網運行狀態的實時監測，主要通過以下幾個方面分別進行設計。

（1）拓撲解析模塊設計，以獲取故障定位信息，該模塊主要基于以下幾個函數加以實現：①parseAcline函數，其主要對CIM 文件中的交流線路元素進行解析，得出各個交流線路元素之間的聯結關系；②parse-Breaker 函數，該函數的作用是解析CIM 文件中的開關元素，得到各個開關元素之間的聯結關系；③parse-Busber 函數，其用于對CIM 文件中的母線元素進行解析，得到其聯結關系；④parseTopology 函數，其根據前三個函數輸出的結果進行整合分析，以最終得到配電網拓撲結構信息。

（2）界面展示模塊設計。參考B/S 架構的設計理念，采用AngularJS 框架并使用路由來實現頁面切換控制，確保每個分界面都有唯一的視圖模板與之對應，同時通過routeProvider 服務上的函數加載不同界面。最終得到界面如圖4 所示。

圖4 界面展示示意圖

3 系統應用

在完成整個配網饋線自動化系統的設計后，進行了應用實驗以檢驗系統的綜合性能。在某地開發區的配電網中應用該系統，對6 條線路和一座開閉變電所進行了配網饋線自動化改造，涉及15 臺FTU 和三個變電站的RTU 設備[4]。通過雙環自愈網絡將這些設備連接起來，同時配置了三臺數據服務器和三臺工作站，以實現系統搭建中的信息傳遞。系統搭建完成后，首先對系統的故障隔離與恢復功能進行測試。在模擬某節點出現跳閘故障后，該系統自動進行故障診斷和定位，其遠程開關也自動執行遙控，在12 s 內即完成故障識別與處理的全過程，證明該系統故障隔離與恢復功能取得了預期效果。在對系統的主要性能指標進行測試之后，得出測試結果見表2。

表2 系統性能測試結果

根據上表中的數據信息可知，系統主要指標均滿足實際需要，因此證明本次配網饋線自動化系統設計工作取得了初步成功。

4 結語

隨著電力市場化和可再生能源逐步普及，配網饋線自動化技術將越來越受到重視。配網饋線自動化系統將向著更加智能、高效、可靠、安全的方向發展[5]。具體來說，其發展前景主要體現在以下幾個方面：

（1）智能化：配網饋線自動化系統將向著更加智能化、自適應的方向發展，通過引入人工智能、大數據等新技術，實現對系統運行狀態的實時監測與優化調控。

（2）高效化：未來的配網饋線自動化系統將更加注重運行效率和節能減排，并通過優化調度算法、可靠性評估等手段，提高系統運行效率和經濟性。

（3）安全可靠：隨著電力市場化的推進和用戶需求的不斷提高，配網饋線自動化系統的安全可靠性將成為其發展的重中之重，未來的系統將采用更加嚴格的安全標準和技術手段，以確保系統運行的安全可靠。

在基于SCADA 的配網饋線自動化系統設計中，采用分層設計理念并加強通信信道建設以及正確選取通信規約是設計過程中需要重點考慮的內容。這些措施對于提升系統性能指標具有重要作用，同時在本次系統實踐測試中也得以證明。