基于計算機網絡的智能配電網信息物理融合保護系統

趙興林

（云南電網有限責任公司迪慶供電局，云南 迪慶 674400）

0 前言

電力供應包括發電、輸電、配電等一系列過程，其中配電是其中較為重要的環節，主要任務是將電力能源按照用戶需求分配給用戶。隨著科學技術的發展，配電這一環節也逐漸向著智能化、自動化方向發展。在提高配電作業效率和質量的同時，也使得配電系統更緊密、更深層次地結合在一起，這就導致一旦其中一個節點出現故障問題，整個配電系統都會面臨癱瘓，因此配電系統中都會配有相應的控制保護設備，一旦發生故障或異常工況時，可以用最快的速度找出故障并排除[1]。然而，當前的保護系統發展較為滯后，無法完全跟上智能配電網故障蔓延的速度，因此如何快速且準確地分析智能配電網故障，并進行隔離和恢復成為當下研究的重點[2-3]。

關于配電網故障的研究在很多文獻中都進行相關分析和探討，張孟琛等人研究一種含DG配電網分層分區協同故障新解決方案，通過在線路不同位置安裝帶電子絕緣電阻測試儀和重合閘裝置的開關設備，實現故障點的自動定位，并以此排除故障，保證其余配電線路正常作業[4]。張麗虹等人開發一種基于地理信息系統的配電網分析平臺，通過節點與設備、電路之間的連接關系搜索異常區段，最后利用反向搜索法進行精準進行配電網故障定位[5]。該方法不僅能準確地定位故障與繼電保護的距離，而且能在配電網徑向布置中準確地定位線路。

基于上述研究，開發一種配電網保護系統。該系統集故障判斷、故障定位、故障處理為一體，提高彼此之間的交互效率，在發生故障和異常后，能夠以最快速度做出反應，隔離故障，保證非故障區域配電作業能夠正常運行，降低故障損失率。

1 智能配電網信息物理融合保護系統設計

配電網是電力系統發生故障最多的系統，常見故障類型和故障原因如表1 所示。

表1 智能配電網故障原因和類型

表2 計算機網絡傳輸組件構成

當前的智能配電網多數都是分布式配電網，這種方式最大的特點是不同配電線路彼此可以相互獨立，因此一旦其中一個節點發生故障或異常，可以通過隔離開關將故障段暫時排除配電系統，保證非故障配電網能夠繼續運行[6]。根據上述背景，本文研究一種保護系統。該系統通過計算機網絡實現故障自動檢測、隔離以及恢復。

1.1 系統框架設計

所設計系統框架搭建主要分為4 層，智能配電網物理信息采集層、計算機網絡傳輸層、數據分析層以及保護設備執行層，如圖1 所示[7]。

圖1 系統框架結構圖

采集層：位于系統最底層，主要用于采集配電網電力數據。

傳輸層：利用計算機網絡將采集到的配電網狀態信息傳輸到數據分析層，是采集層與數據分析層連接的紐帶。

分析層：系統中心層，利用采集到的配電網狀態信息檢測配電網是否發生異常或故障。一旦檢測出來故障，繼續進行故障定位，并發出故障隔離命令給執行層的保護設備，進行故障隔離[8]。

執行層：系統最上層。主要用于接收分析層指令，控制隔離設備，隔離故障節點，并盡快恢復正常配電作業。

1.2 系統主要硬件設計

1.2.1 電流互感器

電流互感器，用來檢測電流量的設備。配電線路從中穿心而過，采集交流電流信號，然后送入到與之配套的測量儀表當中，顯示電流值[9]。本系統當中的電流互感器為AKH-0.66，其內部采用優質純銅線圈專業機器繞制，精準平整安全可靠，經久耐用，外部采用優良ABS阻燃材質，抗高溫，防老化，時刻保護配電線安全。電流互感器、配電線和測量儀表之間的接線示意圖如圖2 所示。

圖2 電流互感器接線示意圖

1.2.2 計算機網絡傳輸組件

在電流互感器采集到配電網中電流之后，需要通過計算機網絡傳輸組件將其傳輸到中央處理器當中，進行數據分析[10]。計算機網絡傳輸組件中各個設備的作用和選型具體如2 所示。

1.2.3 DSP芯片

一個系統中最重要的就是數據的分析和計算。本系統當中選擇DSP 芯片來執行此項任務，具體為根據電流信號分析判斷是否發生故障行為，故障地點以及故障隔離方案的生產[11]。選擇的DSP 芯片為TI 公司研發的TMS320F28335。與其他DSP 相比，能耗低、運行速度快、存儲量大。TMS320F28335 芯片主要參數如下：

高性能32 位定點DSP TMS320F28035；時鐘頻率60 MHz；外擴存儲器IIC FLASH 512 K，SPI FLASH 512 K；144PIN 引出CPU所有IO，方便二次開發。

1.2.4 隔離保護設備

保護設備，顧名思義，就是指保護非故障配電網部分，自動將故障設備從配電系統中切除的設備[12]。本系統當中的隔離保護設備選型為MWE232-D。MWE232-D 組成結構如圖3 所示。

圖3 隔離保護設備組成結構

MWE232-D 優點是靈敏度高，可以在接收到命令后，0.01s 做出響應，迅速截斷故障部分，控制故障影響范圍。

1.3 系統運行程序設計

系統運行主程序如圖4 所示。

圖4 系統運行主程序

基于圖4 系統運行主程序，劃分三個主要功能模塊，包括故障判斷、故障定位、故障處理等[13]。下面進行具體分析。

1.3.1 故障判斷

故障判斷，即判斷是否發生故障或者異常問題。在這里需要用到分類算法。分類算法有很多，以其中的神經網絡為例，具體過程如下：

步驟1：確定配電網電流信號樣本；

步驟2：將配電網電流信號分為測試樣本和訓練樣本；

步驟3：訓練樣本訓練神經網絡；

步驟4：測試樣本得出測試結果；

步驟5：通過閾值函數，判斷輸出層單元輸出是否大于閾值θk，如輸出值大于θk，則認為存在故障，否則認為無故障。判定函數如下：

其中，θk為閾值；yk為輸出層輸出結果。

步驟6：進一步對比不同故障特征，識別出具體發生何種故障[14]。

1.3.2 故障定位

接著上述步驟完成故障識別和判斷之后，進入故障定位模塊，分析故障具體發生的位置。在這里需要用到免疫蟻群混合算法，具體過程如下：

步驟1：調用區域劃分子程序進行配電網區域劃分；

步驟2：抗元輸入、編碼；

步驟3：初始種群產生，設置t=0，t為迭代次數。

步驟4：抗體適成度計算；

步驟5：抗體多樣性計算；

步驟6：判斷是否結束操作？若結束，繼續進行步驟7；否則，作為父代種群進行免疫操作，并配合記憶庫，完成更新種群操作。

步驟7：將免疫算法計算出來的抗體的適應度值作為蟻群算法的輸入。

步驟8：蟻群算法初始化；

步驟9：按照各路徑信息素的濃度，選擇故障或非故障路徑；

步驟10：根據選擇結果，結合饋線終端的實際上傳信息和期望狀態求取評價函數，保留最優結果；

步驟11：計算信息素揮發系數，并計算各支路信息素增量；

步驟12：產生父代種群；

步驟13：執行免疫操作，生成新的種群。

步驟14：并且更新信息素；

步驟15：判斷是否滿足迭代終止條件？若滿足，輸出故障區段。否則，進入下一輪迭代，重新進行運算[15]。

1.3.3 故障處理

基于上述研究結果，進行故障處理，具體流程如下：

步驟1：輸入網絡參數及故障線路相關信息。

步驟2：對網絡進行簡化，生成配電網拓撲。

步驟3：查找失電區是否有分布式電源（DG）？若沒有DG，則進行隔離故障處理；若有DG，則進行DG 孤島劃分[16]。

步驟4：二進制混合算法求出供電恢復方案，恢復送電。

步驟5：故障處理完畢。

2 系統實現與測試

為驗證所設計系統在配電網故障處理中的應用性能，本章節進行系統實現與測試。

2.1 系統測試環境

系統測試的環境涉及網絡、軟件、客戶端、應用服務器和數據服務器等多個方面，見表3。

表3 系統測試環境

2.2 配電網簡化

以包含DG 的10 kV 配電網絡為例，對其進行簡化，并搭建配電網拓撲圖，進行仿真，如圖5 所示。

圖5 配電網拓撲圖

圖5 中基本參數設置情況如表4 所示。

表4 10 kV配電網絡基本參數

2.3 保護系統布置

在 區 段1、2、5、8、14、17、20、22、27、28、30、35、36 等處安裝電流互感器，在每兩個節點中間處安裝隔離保護設備。布置示意圖如圖6 所示。

圖6 保護系統布置圖

2.4 系統運行參數設置

故障判斷、故障定位、故障處理三個主要程序運行參數設置情況如表5 所示。

表5 系統軟件程序運行主要參數設置

2.5 保護功能實現

假設在節點1 和2 之間的線路發生了永久性故障，現在利用所設計的系統進行故障判斷、故障定位以及故障處理，結果如表6 所示。

表6 保護系統功能實現結果

從表6 中可以看出，所設計系統應用下，故障判斷、故障定位以及故障處理等系統模塊給出的結果與設定結果一致，且在10 s 之間完成一系列過程，速度較快。由此說明，本系統能夠快速且準確地分析配電網故障并給出處理方案，能盡快恢復供電作業。

3 結束語

綜上所述，智能配電網的出現為電力分配提供了極大的幫助，提高了配電作業的效率和質量。同時，智能配電網的高度集成性，使得故障控制變得更加困難，因此開發一款保護系統。該系統設計通過計算機網絡將故障判斷、故障定位以及故障處理集為一體，實現對配電網故障的全面處理。然而，本研究受到時間限制，還有問題有待進一步優化和改進，即故障處理模塊中所用的二進制混合算法的收斂性、穩定性有待進一步的優化，優化后能進一步提高系統對故障處理的速度。