配電網智能化狀態(tài)監(jiān)測與故障處理平臺設計

劉 煒

（國網漢中供電公司 陜西 漢中 723000）

0 引言

配電網故障搶修是一項系統(tǒng)、復雜、精細的工作，其中涉及到多個環(huán)節(jié)、專業(yè)，配電網故障指揮業(yè)務是否高效，能直觀反映出供電企業(yè)處理用戶故障綜合能力和服務水平。對于部分地區(qū)而言，因為缺乏配電網自動化設備，配電網在搶修指揮業(yè)務方面存在很多不足，大部分故障維修相對被動，都是用戶直接電話報修或是總部直接下達維修指令，很難形成主動搶修的局面。因此，立足于現有實際情況，做好配電網自動化改造工作，需要從設備、技術、資金、人工這幾個方面入手，開發(fā)專門的監(jiān)測與故障處理平臺。

1 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

1.1 故障研判原理

通常配電網自動化主站在進行線路故障診斷時，主要通過遙信方式實現定位。若線路本身出現短路故障，終端檢測系統(tǒng)會根據收集到的數據，精準、及時判斷停電過程，進而做出科學有效的解決措施［1］。

1.2 接地故障判斷原理

對于不接地的配電網，或者是使用小電流方式進行接地的配電網，故障發(fā)生初期會出現短暫停止現象，此過程持續(xù)時間大約為5 ～20 ms。配電網內部的監(jiān)測裝置可迅速捕獲該信號，并與零序電場信號之間相互配合，可直接檢測故障位置、原因。

在監(jiān)測時，一旦出現故障，系統(tǒng)會及時發(fā)出錄波，迅速記錄下故障發(fā)生瞬間產生的波形。同時，監(jiān)測系統(tǒng)還應對終端內部出現的所有波形進行全面對比、系統(tǒng)分析，得出最終結果，將結果直接輸送到終端系統(tǒng)，或是通過系統(tǒng)直接發(fā)送短信到維修部。

1.3 應用人工神經網絡對接地故障進行檢測

1.3.1 小電流接地系統(tǒng)單相接地故障特征分析

小電流接地系統(tǒng)配電網中，通常會采用中性點不接地和中性點經消弧線圈這兩種接地方式。

（1）中性點不接地系統(tǒng)。當該系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時，可以使用序分量變換的方法計算，得出暫態(tài)零序電流的暫態(tài)等值電路。具體如圖1 所示。

圖1 中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障暫態(tài)等值電路

在圖1 中，u（t） 作為虛擬故障電源，R作為接地電流沿途的總電阻，L則為各種線路的等效電感，C0則為系統(tǒng)對地的等效電容。

假設虛擬電源uf（t）＝Umsin（ωt＋?），根據圖1 可以建立微分方程并對其進行求解。當故障接地電阻較小時，其故障點暫態(tài)電流可以按照公式（1）表示：

式（1）中，Um為系統(tǒng)相電壓峰值；ω為工頻頻率；?為故障瞬間電壓相位；為主諧振頻率；為主諧振分量的衰減系數。

根據配電網的基本結構和參數，主諧振頻率通常維持在200～2 000 Hz 的范圍，穩(wěn)定接地故障暫態(tài)過程持續(xù)時間通常維持在2 ～3 ms 的范圍，在處于暫態(tài)的狀態(tài)下，零序電流上的態(tài)信號通常以高頻阻尼振蕩作為主要特征。

（2）中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)。當該系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，暫態(tài)零序電流的暫態(tài)等值電路如圖2所示。

圖2 中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障暫態(tài)等值電路

經過計算得到新的暫態(tài)零序電流公式，具體如公式（2）所示。該電流也呈現出與圖1 相類似的高頻阻尼振蕩特征。

1.3.2 應用人工神經網絡進行小電流單相接地故障檢測

人腦相對復雜，內部有多個相互連通單元，通常稱之為神經元，不同神經元共同構成神經網絡。人工神經網絡是一種模擬人腦神經元結構的網絡。人工神經網絡經過多年發(fā)展，目前已經出現了多種不同的結構及算法。在本設計中，采用了反向傳播（back propagation， BP）神經網絡。該模型主要包含輸入層、隱含層、輸出層這幾個部分。每一個層面中，都包含了多個神經元，同時，還可以有效直接地模擬出人腦神經元對于信號的處理過程。該網絡的搭建主要使用了BP 神經網絡工具包［2］。每一個層級的神經元輸入過程，都能清晰反映上一層輸出信號的變化趨勢：

式（3）中，Xn，Yn－1，out，Wn都為矩陣，每一個單獨的一行中都包含著一組單獨的數據。Xn代表著第n層神經元的有效輸入，其中不同的層面都會存在一個與之相對應的神經元。Yn－1，out代表著n －1 層的有效輸出，每在其中不同的列都會對應上一層次（n －1）的神經元。同時，bn代表著偏移項，列數可以與對應層次的神經元的個數基本一致。

其中輸入層以及隱含層神經元的激活函數，通常選取雙曲函數tanh，那么神經元輸出就為：

其中輸出層的神經元激活函數，通常選擇使用sigmoid 函數：

當神經網絡完成構建后，需要使用標準化的方式對每一層的輸入和輸出進行有效的處理，這主要是為了防止系統(tǒng)內部的神經元激活，以此導致出現函數飽和的現象。在對整個神經元網絡進行訓練時，應使用后向傳播網絡。具體公式如式（6）所示：

1.4 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)終端取電技術

監(jiān)測系統(tǒng)終端需要保持24 h 運行的狀態(tài)，不僅配置了專門的太陽能電源，還配置了專門的蓄電池，當太陽能電源供電不足，蓄電池就會持續(xù)供電，保證供電不間斷。當光照充足時，太陽可以為終端提供與之相對應的電能；從另一方面來看，可以為免維護的蓄電池進行相應的充電操作；當光照不足時，蓄電池就可以直接代替太陽能電池進行供電，以此保證整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性［3］。

1.5 狀態(tài)檢測系統(tǒng)通信技術

通用分組無線服務（general packet radio service，GPRS）所覆蓋的范圍比較廣，可以不受空間的局限，隨時進行漫游，信號較強，信息傳輸速度快，所使用到的通信技術不僅需要具備覆蓋更廣泛面積的能力，還能在各種惡劣環(huán)境下進行信息傳輸，因此選取了GPRS 技術。在該系統(tǒng)內部，每組故障檢測都將數據傳輸包含其中，若終端系統(tǒng)通過監(jiān)測發(fā)現系統(tǒng)數據明顯變化，就可以直接通過GPRS網絡反饋該信息。

2 平臺設計

基于國家電網公司所給出的泛在電力物聯(lián)網的定義和框架，提出了電網數據共享功能，可以對所出現的故障區(qū)域進行迅速、精準定位，同時，為后續(xù)的電網搶修提出精確的處理方案。配電網智能化狀態(tài)監(jiān)測與故障處理平臺的設計、應用具有重要作用，不僅能夠改善盲目搶修的被動局面，還能夠實現電網數據的全面共享。隨著通信方式的增多以及現代信息技術的應用，使得國家配電網絡朝著智能化方向快速發(fā)展，不僅提高解決故障效率，還能夠提高電力企業(yè)的服務質量，使得電力企業(yè)具備可持續(xù)發(fā)展的充足動力。

2.1 配電網數據共享功能

配電網智能化狀態(tài)監(jiān)測及故障處理平臺的建設具有重要意義，不僅包含多樣使用功能，還能夠進行高質量的質量監(jiān)測與故障處理任務。配電網數據共享功能，一方面加快創(chuàng)建新的配電網絡運行模式，另一方面還實現了高質量信息交互和信息共享，以此實現更智能化的配電網絡。配電網數據共享功能優(yōu)化故障指揮模式，更能推動配電網絡數據共享，進一步提高配電網絡故障處理能力和配電網絡服務質量。

為了改變當前配電網故障定位信息獲取過慢問題，需要繼續(xù)探索新的方向，因此，結合當下用電信息采集系統(tǒng)，充分利用系統(tǒng)信息交互功能，實現數據的實時共享。也可以通過對電壓等數據的采集，進行綜合性的分析，滿足數據共享這一需求［4］。

對于配電網采集的終端部分，可以使用同步相量數據集中這一裝置，集中化處理這部分數據，通過該裝置可以迅速收集、有效匯總、合理存儲、實時轉發(fā)數據。當下通信方式較多，可鏈接不同的通信路徑，參與到數據共享這一功能。在采集的數據到達同步相量數據集中器裝置后，同步相量數據集中器裝置就能迅速對數據進行匯總、收集、處理、發(fā)送，最終實現數據的共享。

2.2 配電網故障區(qū)域快速定位功能

在整個配電網內部，主要是通過共享數據所反饋的信息實現對故障區(qū)域迅速精準判斷，最終形成專門用于故障診斷的信息數據庫，同時，應重視故障診斷條件與結果間的關聯(lián)規(guī)則，充分挖掘，構建專門的信息數據庫。在此過程中，為了能促使故障診斷自身速度提升，可借助于使用模式樹組織其中的數據，集中掃描其各項數據，提取出最為頻繁的項集，提高數據挖掘的效率。

在對故障進行診斷時，需要將其中有待診斷的條件特征和規(guī)則庫中各項規(guī)則的條件特征進行匹配，若缺乏匹配的規(guī)則，就斷定未發(fā)生故障，在此過程中，對于所匹配到的規(guī)則，可以通過系統(tǒng)直接找到相對應的結果特征，迅速找到故障出現的原因。

在該系統(tǒng)中，所挖掘得出的強關聯(lián)規(guī)則不僅用于故障診斷，還需及時、精準定位發(fā)生的故障位置，結合規(guī)則內容，推斷故障位置。因規(guī)則庫內部的各項數據都來源于各個電路的電流、電壓等一系列信息，在經過系統(tǒng)故障診斷后，就可以及時檢測、判斷發(fā)生的故障，系統(tǒng)可以直接精準推斷出故障所發(fā)生的位置和原因。

2.3 配電網搶修指揮服務功能

配電網絡搶修指揮服務功能是狀態(tài)監(jiān)測和故障處理平臺的核心，不僅會接收到配電網絡運行信息，還能及時掌握故障發(fā)生位置，并根據實際情況對配電網絡進行指揮、搶修工作，維護配電網絡的運行秩序和穩(wěn)定，也可大幅度提高電力用戶的滿意度。同時，配電網絡搶修指揮服務功能具備智能化特征，能根據配電網絡數據變化預估故障以及異常情況，制定科學完善的應急制度，主動處理安全隱患或者故障。另外，配電網絡搶修指揮服務功能還拉近電力企業(yè)與用戶的距離，既能及時發(fā)布停電或者維修，還會利用網絡平臺獲取用戶反饋以及建議，不斷完善配電網服務質量，構建更優(yōu)質的配電服務模式。

在智能化平臺上，主要是通過對終端上報配電臺的電壓、電流等數據進行采集，并進行綜合性的分析和判斷，精準掌握配電網電臺區(qū)低壓網絡運行特性，對整個配電臺進行更精細、全面的管理，促使配電網電臺功能可以得到有效強化。在常規(guī)情況下，傳統(tǒng)監(jiān)測方式無法有效對電網信息進行全面監(jiān)測和獲取，而智能化平臺不僅解決了常規(guī)監(jiān)測方式下存在的問題，還實現了信息數據的智能化處理，提供更智能、更高效率的電網配電服務。同時，可將配電臺區(qū)以及各項數據的變化作為主要參考依據，可精準、及時地預判其中的異常情況，以此實現實時監(jiān)測的功能，使用數據信息處理技術，通過網絡及時發(fā)出搶修信息，這樣可以及時處理各類故障信息，達到降低投訴率的目的［5］。

3 結語

綜上所述，本文立足于當下配電網智能化狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，從配電網數據共享功能、故障區(qū)域快速定位功能、搶修指揮服務功能等角度對配電網智能化監(jiān)測狀態(tài)與故障處理平臺進行設計，解決當下配電網所出現的故障信息滯后的問題，可以對所采集的數據進行更加全面、充分的分析，開發(fā)智能化監(jiān)測狀態(tài)與故障處理平臺，以此達到控制成本，提高智能化水平的目的。