王黎明，陳 誠，王昊煒

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇南京 210000；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司鎮(zhèn)江供電分公司，江蘇鎮(zhèn)江 212000；3.國網(wǎng)鎮(zhèn)江供電公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

電網(wǎng)由輸變電系統(tǒng)和配電網(wǎng)兩部分組成，在輸變電系統(tǒng)中起著非常重要的作用。配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)是一種使配電網(wǎng)能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測、協(xié)調(diào)和操作配電網(wǎng)設(shè)備的系統(tǒng)[1]。合理規(guī)劃配電網(wǎng)，加強(qiáng)建設(shè)與改造，做好配電網(wǎng)自動(dòng)化規(guī)劃，是我國配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基本原則[2]。當(dāng)前，我國的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)都以計(jì)算機(jī)和通訊為基礎(chǔ)。一是建立了基于光纖通信網(wǎng)絡(luò)的配電網(wǎng)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)和遠(yuǎn)程終端，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測；在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了故障段定位、隔離與恢復(fù)功能的實(shí)現(xiàn)，并通過監(jiān)測系統(tǒng)的各個(gè)模塊，快速計(jì)算出故障段定位、隔離與恢復(fù)功能。在主站和分站之間，利用光纖通道傳送終端監(jiān)測數(shù)據(jù)信號[3-4]。

用傳統(tǒng)的方法采用信號微處理器和可編程邏輯芯片PLC 對配電網(wǎng)進(jìn)行智能控制設(shè)計(jì)，是配電網(wǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于PCI 的人機(jī)通信接口的配電網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)通過建立外部擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲，可以提高數(shù)據(jù)配電網(wǎng)自控系統(tǒng)的控制性能，但系統(tǒng)采用獨(dú)立部件設(shè)計(jì)，整體性能較差。為解決以上問題，提出了基于跟蹤優(yōu)化的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。但在電力控制運(yùn)行系統(tǒng)的實(shí)踐中，也存在著一些問題和缺陷。為進(jìn)一步提高電控運(yùn)行系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性，有必要針對這些缺陷和問題進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 自動(dòng)化調(diào)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是配電網(wǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分，在設(shè)計(jì)中采用了無源晶片處理技術(shù)[5-7]。對配電網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制信息的輸出電平傳輸和接收過程中的外部晶格進(jìn)行協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換和校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換處理[8]。在以上分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于跟蹤優(yōu)化的電力設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 電力設(shè)備自動(dòng)化調(diào)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

配電網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)包括時(shí)鐘頻率采集矩陣、收發(fā)信號轉(zhuǎn)換裝置、時(shí)鐘電路、功率放大器和輸入功率預(yù)處理程序[9]。配電網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制系統(tǒng)屬于寬帶系統(tǒng)。在配電網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，通過電源電路輸入信號，作為DSP 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)芯片的JTAG 接口。采用恒頻濾波器設(shè)計(jì)DSP 邏輯處理芯片，接收配電網(wǎng)絡(luò)配置和用戶信息反饋[10-11]。數(shù)據(jù)傳輸采用SOC，數(shù)據(jù)采集采用PCI 總線，干擾濾波采用JTAG 調(diào)試接口模塊，實(shí)時(shí)配電網(wǎng)自動(dòng)控制和傳輸優(yōu)化采用bit反向?qū)ぶ穂12]。

1.1 數(shù)字信號處理器

控制器采用以數(shù)字信號處理器和單片機(jī)為核心的雙CPU 系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。通信器件以AT89C558 單片機(jī)為核心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的通信與阻塞。分塊控制和開關(guān)輸出有助于減少控制器發(fā)生故障的可能性，提高可靠性[13-14]。單片機(jī)與DSP 的通訊采用雙口RAM 結(jié)構(gòu)，具有高速、大流量等特點(diǎn)，總體硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采集三相電壓、三相電流、零序電壓、零序電流等模擬信號。由電壓互感器和電流互感器獲得的電壓信號(100 V)和電流信號(5 A)進(jìn)入控制器后，需作進(jìn)一步調(diào)整，使之轉(zhuǎn)換成A/D 采樣電路所需的-5～5 V 電壓信號[15]。為避免硬件故障，采用兩路開關(guān)輸出的邏輯和操作方法驅(qū)動(dòng)開關(guān)式中間繼電器。該控制器帶有智能電源模塊，除向控制器提供正常工作狀態(tài)下的電源外，還可實(shí)現(xiàn)外部電源自動(dòng)切換、電源管理(充放電)、電池監(jiān)控等功能。

1.2 熔斷器開關(guān)設(shè)備

熔斷器是保護(hù)功能最簡單的開關(guān)，主要防止因電器設(shè)備的短路電流引起的過載損壞和長期沖擊[16]。電源線出現(xiàn)過載、過壓等故障時(shí)，熔斷器就會將故障電源線熔斷，從而對供電方的電氣設(shè)備起到保護(hù)作用。

1.3 饋線自動(dòng)化控制接線方式

遙控方法主要通過主站系統(tǒng)控制負(fù)荷開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)TU 發(fā)現(xiàn)故障后的電流變化，作出初步判斷，將失敗的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到主站。主站模塊完成了數(shù)據(jù)分析，準(zhǔn)確識別出故障區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了饋線的自動(dòng)化。

如圖3 所示，環(huán)形網(wǎng)柜一般用于城市建設(shè)，網(wǎng)箱分為室內(nèi)外兩種類型。一般環(huán)形網(wǎng)柜均采用雙進(jìn)雙出方式，進(jìn)線與環(huán)形網(wǎng)兩側(cè)相連。一些環(huán)形網(wǎng)柜構(gòu)成了一個(gè)小的環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)箱環(huán)網(wǎng)式配電網(wǎng)絡(luò)基本采用10 kV 電力電纜，變電站兩條母線連接兩條饋線可供供電，使變電站的供電線路更加可靠。

圖3 饋線自動(dòng)化控制接線方式

2 軟件功能設(shè)計(jì)

常規(guī)主周期加中斷序列軟件結(jié)構(gòu)難以滿足實(shí)時(shí)性要求，代碼復(fù)雜，擴(kuò)展性差，所以在控制器軟件設(shè)計(jì)中使用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性好，可靠性高。

2.1 三次重合閘程序流程

操作系統(tǒng)按照兩個(gè)單片機(jī)的分工，在DSP 芯片上進(jìn)行調(diào)度，包括采樣、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)檢測、分割控制和通信，控制器的主要任務(wù)之一是實(shí)現(xiàn)三級電氣保護(hù)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了8 通道采樣，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)后臺處理后，需要進(jìn)一步判定。若該值有限，則開始相應(yīng)計(jì)數(shù)，此時(shí)，快斷保護(hù)啟動(dòng)是沒有延遲的。三次重合閘程序流程如圖4 所示。

圖4 三次重合閘程序流程

該控制器可以實(shí)現(xiàn)三次或四次可調(diào)重合，重合閘門在跳閘后開始循環(huán)。當(dāng)一條關(guān)機(jī)命令發(fā)出后，啟動(dòng)延遲定時(shí)器，在延遲結(jié)束時(shí)，控制器檢測到故障，可加速跳閘并觸發(fā)下一個(gè)重合閘周期：若延遲后，控制器未發(fā)現(xiàn)故障，則可解除下一個(gè)重合閘周期并重新初始化重合閘過程。若每次重合閘周期結(jié)束后仍有故障發(fā)生，則發(fā)出永久性trip 命令，設(shè)定禁止延遲時(shí)間。如果在限定的延遲期間檢測到故障，則在重合閘周期之后釋放下一個(gè)重合閘周期。

2.2 基于跟蹤優(yōu)化故障定位矩陣算法

配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備種類繁多，分布范圍廣，具有不同的能量消耗特征。舊有的配線靠近建筑物、公路等設(shè)施，并與寬帶、通信光纜、天然氣管道等公用服務(wù)通道平行或交叉，故障發(fā)生后，操作人員很難檢查出故障點(diǎn)。針對這一問題，提出了一種基于有向圖網(wǎng)絡(luò)描述的故障定位算法。

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)描述矩陣

針對該饋線電路各個(gè)開關(guān)編號，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中存在的m個(gè)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)m階矩陣。如果網(wǎng)絡(luò)中a、b兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在一條饋線線路，那么網(wǎng)絡(luò)描述矩陣的第a行b列元素和第b行a列元素可用數(shù)字1 來表示，其余元素可用數(shù)字0 來表示，網(wǎng)絡(luò)描述矩陣W中，元素主要體現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如式（1）所示。

2.2.2 故障信息矩陣

按照電力設(shè)備終端上傳的各個(gè)開關(guān)超過最大負(fù)荷電流時(shí)出現(xiàn)的故障電流，可構(gòu)建故障信息矩陣H，如式（2）所示。

式（2）主要體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)b有故障電流通過，需將該元素設(shè)定為0，其余情況設(shè)為1。

2.2.3 故障判斷矩陣

將式（1）與式（2）相乘后得到矩陣Q，對矩陣Q進(jìn)行規(guī)格化處理后可得到判斷矩陣Q′，如式（3）所示。

如果判斷矩陣Q′中元素為1，那么需規(guī)格化處理矩陣Q中第i行j列元素設(shè)為0，否則保持不變。如果判斷矩陣Q′中元素為0，則表明線路中節(jié)點(diǎn)a、b之間是存在故障區(qū)域的。

3 實(shí)驗(yàn)分析

以某市電力設(shè)備為基礎(chǔ)，對基于跟蹤優(yōu)化的電力設(shè)備自動(dòng)化調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

3.1 電力設(shè)備運(yùn)行概況

到2019 年8 月，全區(qū)550 kV 輸變電線路總長度達(dá)到5 km。近年來，由于配電網(wǎng)建設(shè)滯后于負(fù)荷發(fā)展，導(dǎo)致該地區(qū)設(shè)備、設(shè)施相對落后，故障頻繁，供電可靠性不高。以前電力系統(tǒng)改造只注重對設(shè)備的改造，而忽略配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)，導(dǎo)致電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平和供電可靠性還處于低谷。

3.2 故障自動(dòng)化調(diào)控檢驗(yàn)

以故障前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為例，如圖5 所示。

圖5 故障前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

如果S7 與S8 之間存在故障，故障定位、隔離與恢復(fù)。假設(shè)S9 是處于分閘狀態(tài)，那么其他開關(guān)全部處于合閘狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)S7 與S8 之間出現(xiàn)故障時(shí)，電流方向由母線流向故障點(diǎn)，這就導(dǎo)致D1 處出現(xiàn)過流保護(hù)啟動(dòng)現(xiàn)象，如果故障是永久性的，那么勢必會出現(xiàn)二次故障電流，這就導(dǎo)致D1 出現(xiàn)跳閘。如果能夠接收到完整的D1 信號，則在S3、S4、S7 和S8 上傳故障信息，由此可判斷S7 和S8 之間出現(xiàn)故障。

基于此，將基于人機(jī)通信接口PCI 自動(dòng)化控制系統(tǒng)、以計(jì)算機(jī)為依托設(shè)計(jì)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)與基于跟蹤優(yōu)化的自動(dòng)化調(diào)控系統(tǒng)的故障檢驗(yàn)效果進(jìn)行對比分析。

正常情況下，流經(jīng)該兩個(gè)節(jié)點(diǎn)處的故障電壓和電流如表1 所示。

表1 流經(jīng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)故障電壓和電流正常值

分別采用3 種系統(tǒng)檢驗(yàn)出現(xiàn)故障的電壓和電流值，結(jié)果如圖6 所示。

根據(jù)圖6 可知，使用基于人機(jī)通信接口PCI 自動(dòng)化控制系統(tǒng)在人機(jī)通信接口處容易受到諧波影響，導(dǎo)致故障電壓和電流檢驗(yàn)值與實(shí)際值相差較大，其中當(dāng)統(tǒng)計(jì)次數(shù)為4 次時(shí)，電壓相差最大；使用以計(jì)算機(jī)為依托設(shè)計(jì)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)同樣容易受到諧波影響，導(dǎo)致故障電壓和電流檢驗(yàn)值與實(shí)際值也相差較大。而使用基于跟蹤化的自動(dòng)化調(diào)控系統(tǒng)與實(shí)際值一致，由此可知，使用該系統(tǒng)故障自動(dòng)化檢測精準(zhǔn)度較高。

圖6 3種系統(tǒng)檢驗(yàn)故障電壓和電流值

4 結(jié)束語

以電力設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)跟蹤優(yōu)化設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并對系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)描述和功能指標(biāo)進(jìn)行了分析，完成了自動(dòng)化控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)。

該系統(tǒng)雖然解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)不能識別饋線末端故障的缺點(diǎn)，大大提高了控制效率，但對單相接地故障時(shí)配電網(wǎng)過電流不大的情況，需要提高有效識別能力。在此基礎(chǔ)上對其不足進(jìn)行了深入研究，使電力設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)更加完善。