劉 哲，宋秋月，陳長金，吳 強

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司培訓(xùn)中心，河北 石家莊 050031；2.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責任公司，北京 100192)

配電網(wǎng)在電力系統(tǒng)中，因其運行方式復(fù)雜，使得臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘導(dǎo)致人們?nèi)粘Ｉ钍艿絿乐赜绊懀\維搶修占比超過一半以上，直接影響低壓開關(guān)跳閘供電指標[1-2]。當前臺區(qū)存在負載監(jiān)測不全面、重過載臺區(qū)更新改造成本過高的問題，管理人員無法實時了解到臺區(qū)負載情況，也沒有實時監(jiān)測到各線路負荷大小，導(dǎo)致差異化預(yù)防性運維效果較差，只能出現(xiàn)低壓開關(guān)跳閘后，才能進行運維搶修，嚴重影響供電達標率。

目前，對于臺變預(yù)防低壓開關(guān)跳閘措施主要有變壓器容量變大、供電線路改造、線路保護用低壓開關(guān)增大等，文獻[3]提出低壓框架斷路器頻繁跳閘故障預(yù)防系統(tǒng)分析，以河南丹尼斯百貨有限公司為例，對低壓框架斷路器頻繁調(diào)跳閘故障預(yù)防做出了有效分析，控制器為KST45-M型號，低壓主進框架式斷路器為RAW1-3200型號，其額定電流控制在2 500 A范圍內(nèi)。文獻[4]提出直流接地導(dǎo)致開關(guān)跳閘事故預(yù)防系統(tǒng)，以某變電站為例，在運行過程中發(fā)生220 kV開關(guān)跳閘事故，找出事故發(fā)生的原因并依據(jù)原因及時做出相應(yīng)的解決措施，排查出開關(guān)跳閘故障點，為后續(xù)的工作及時設(shè)計應(yīng)對預(yù)防系統(tǒng)。

雖然上述研究取得一定進展，但對原始設(shè)備和線路調(diào)整所需投資金額較大，這與收益不成正比，無法進行差異化預(yù)防性運維[5]。基于該問題，提出了臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘預(yù)防性運維系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計臺區(qū)低壓供電線路負載在線監(jiān)測功能，通過平臺大數(shù)據(jù)分析，使運維檢修更有計劃性，確保供電指標達成。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

構(gòu)建配網(wǎng)臺區(qū)運維平臺，實現(xiàn)臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘的可預(yù)防性運維，通過提高線路監(jiān)測數(shù)據(jù)采集精準度，深入研究臺區(qū)工作環(huán)境、線路負載特性等問題。建設(shè)低壓臺區(qū)管理平臺，并進行在線監(jiān)測與長期跟蹤分析，根據(jù)低壓線路負載、線纜溫度等情況，構(gòu)建預(yù)警運維模型，保障供電可靠，為改善電能質(zhì)量、更換配電設(shè)備提供必要的決策依據(jù)。

根據(jù)臺區(qū)低壓供電線路現(xiàn)場需求，對當前移動數(shù)據(jù)通信技術(shù)展開研究，開發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲方式、數(shù)據(jù)分析模型、移動管理APP、預(yù)警閾值設(shè)置等，研究供電線路負載動態(tài)變化，并以此構(gòu)建預(yù)防性運維系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 預(yù)防性運維系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of preventive operation and maintenance system

運維系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)可分為2大部分，分別是現(xiàn)場配電線路負載智能采集裝置和遠程數(shù)據(jù)平臺終端。現(xiàn)場配電線路負載智能采集裝置包括箱變、JP柜、柱上開關(guān)、網(wǎng)關(guān)設(shè)備，其配電線路一般為三相負載，智能采集裝置的電流互感器安裝于每條線路的三相電纜上，電流互感器采用開口式設(shè)計，互感器緊固時穿刺電纜進行電壓采樣，同時通過開口互感器緊貼在電纜上的溫度傳感器采集電纜表層溫度，采集的電流、電壓、溫度量接入采集裝置的主模塊[6]。由電能芯片進行計算分析，智能采集裝置所采集的線路負載情況通過LoRa無線通信技術(shù)方式傳送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過4G技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)管理平臺；遠程數(shù)據(jù)平臺端包括云服務(wù)器、Web訪問、App推送，接收網(wǎng)關(guān)傳送回來的各配電線路負載情況(電流、電壓、溫度、頻率、功率因素、有功、無功、電度等電量參數(shù))，并提供分析和預(yù)警功能[7]。一旦出現(xiàn)過負載、超溫、三相不平衡等情況，能快速明確指出問題部位，為檢修人員提供準確的檢修位置和相關(guān)參數(shù)[8]。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合現(xiàn)場作業(yè)的特點，部署硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)，配電回路的電流、電壓、溫度采樣方式，直接安裝固定在電纜上，無需對原有設(shè)備進行改造，裝置的安裝和工作不影響供電線路的正常運行[9]。定期傳輸配電線路的負載數(shù)據(jù)，適應(yīng)電力現(xiàn)場復(fù)雜情況，由此設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)，如圖2所示。由圖2可知，硬件結(jié)構(gòu)是由用戶文件客戶端、交換服務(wù)器、傳感器、網(wǎng)關(guān)設(shè)備以及監(jiān)測模塊組成的。由于用戶文件客戶端和交換服務(wù)器具有普遍性，在此對傳感器、網(wǎng)關(guān)設(shè)備以及檢測做具體描述。

圖2 臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘預(yù)防性運維系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of preventive operation and maintenance system for low voltage switch tripping

2.1 傳感器

采用ST X-NUCLEO-6180XA1 VL6180X 型號傳感器，能夠?qū)崟r感知周圍環(huán)境信息，按照一定規(guī)律變?yōu)殡娦盘栃问捷敵?，滿足信息傳輸、處理、存儲與顯示要求[10]。傳感器是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、變換電路和輔助電源組成的，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)Fig.3 Sensor structure

通過敏感元件感知被測臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘信息量，輸出與該量有關(guān)的信號，通過轉(zhuǎn)換元件將該信號轉(zhuǎn)化為電信號形式，經(jīng)過變換電路完成信號放大調(diào)制。變換電路中的每個線路負載監(jiān)測裝置的傳感器為3只，分別固定于線路的ABC相線上。每個傳感器包含：電流、電壓、溫度3個基本量的采集傳感單元[11]。傳感器采用開口設(shè)計，可直接安裝于工作電纜，電流采樣精度為0.5級，電流采樣范圍0～750 A；溫度采樣精度為±2 ℃。

2.2 網(wǎng)關(guān)設(shè)備

網(wǎng)關(guān)設(shè)備是一種協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。在不同通信協(xié)議支持下，網(wǎng)關(guān)為一個翻譯器，與網(wǎng)橋傳達信息，并將接收到的信息重新打包，適應(yīng)運維系統(tǒng)設(shè)計需求。

采用智能通用網(wǎng)關(guān)，對同類設(shè)備建立標準數(shù)據(jù)模型，即使是不同廠家設(shè)備，也可以按照數(shù)據(jù)模型定義的標準私鑰數(shù)據(jù)，與云平臺、上位機監(jiān)控系統(tǒng)進行通信，實現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)標準化。建立設(shè)備與云端服務(wù)器的互聯(lián)互通數(shù)據(jù)通道；網(wǎng)關(guān)與設(shè)備層采用現(xiàn)場總線、LoRa無線通信方式組網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器采用以太網(wǎng)、WiFi、4G等通信方式組網(wǎng)[12]。

網(wǎng)關(guān)的工作原理如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)工作原理Fig.4 Schematic diagram of gateway

網(wǎng)關(guān)設(shè)備通向其他網(wǎng)絡(luò)IP地址時具有2個網(wǎng)絡(luò)通道，分別是網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B，其中網(wǎng)絡(luò)A的IP地址范圍為“192.168.1.1—192.168.1.254”，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0；網(wǎng)絡(luò)B的IP地址范圍為“192.168.2.1—192.168.2.254”，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0。在缺少路由器情況下，兩個網(wǎng)絡(luò)之間是無法進行IP通信的，即使A和B兩個網(wǎng)絡(luò)連接到同一臺交換機上，IP協(xié)議也會根據(jù)子網(wǎng)掩碼判定網(wǎng)絡(luò)中主機位置，實現(xiàn)2個網(wǎng)絡(luò)之間實時通信[13]。

2.3 監(jiān)控模塊

監(jiān)控模塊HZ-JK02B是新一代微機型直流電源屏監(jiān)控模塊，采用集中式擴展單元結(jié)構(gòu)，接線簡單、安裝方便，適用于7～200 Ah直流電源屏系統(tǒng)，可擴展絕緣檢測，通過RS485接口通信，實現(xiàn)支路絕緣監(jiān)測[14]。以往運維系統(tǒng)受到噪聲干擾影響，無法對電信號進行監(jiān)控，導(dǎo)致系統(tǒng)監(jiān)控信息不全面，也就無法有效運維，為此需設(shè)計監(jiān)控模塊，改善噪聲干擾問題[15]。運算放大器具有較高放大倍數(shù)電路單元，其工作原理如圖5所示。

圖5 運算放大器工作運行原理Fig.5 Operation principle of operational amplifier

運算放大器在實際電路中，結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)組成功能模塊，因其具有特殊耦合電路，其輸出信號可以轉(zhuǎn)化為輸入信號加、減數(shù)學(xué)運算結(jié)果。運算放大器負責抑制電流值突然變大，而電容起到了抑噪作用，如果噪聲變大，那么需要通過運算放大器，抑制外界噪聲。

因此，設(shè)計運算放大器能夠使運維系統(tǒng)在無噪聲環(huán)境下，對臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘預(yù)防性運維效果實時監(jiān)控[16]。

3 系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計

臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘預(yù)防性運維系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計是由界面表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)庫層組成，運維系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計如圖6所示。

圖6 運維系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計Fig.6 Technical design of operation and maintenance system

使用邏輯空間3層體系，研究運維系統(tǒng)技術(shù)，將數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)規(guī)則和合法檢測內(nèi)容設(shè)置在中間層，客戶機通過無線通信與中間層取得聯(lián)系，并與數(shù)據(jù)庫交換數(shù)據(jù)[17]。臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘預(yù)防性運維系統(tǒng)需要配電線路不停電采集，采用無線傳輸方式建立統(tǒng)一管理平臺，通過低壓供電線路負載在線監(jiān)測，有針對性地對臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘進行差異化預(yù)防性運維。

基于圖6，將臺區(qū)低壓開關(guān)出口處的電流用ITA表示，假設(shè)該臺區(qū)共配置了臺運維控制終端[18]，分別用m1，m2，…，mn表示，每臺控制終端分別有q條負荷支路，那么得到所有控制終端的支路電流就可以形成1個電流向量，表示為：

I=[ITA+qm1+，…，+qmn]

(1)

低壓臺區(qū)負荷以及開關(guān)跳閘預(yù)防性運維控制終端在沒有換相之前各支路對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)矩陣為S0，用下式表示：

S0=[Sq1，Sq2，…，Sqn]

(2)

根據(jù)開關(guān)狀態(tài)矩陣結(jié)果，在臺區(qū)開關(guān)跳閘預(yù)防性運維控制終端中換相各負荷支路電流，則得到臺區(qū)不平衡度最小的目標函數(shù)為：

F=min{ΔImax(Q)}

(3)

式中，Imax為各支路上的相電流之和；Q為開關(guān)狀態(tài)矩陣的變化決定負荷相間切換次數(shù)。

在得到目標函數(shù)的基礎(chǔ)上，將預(yù)防性運維控制終端各負荷支路的開關(guān)投切變換因子組成為一個向量矩陣，其表示為：

M=[u1，…，uq1，uq1+1，…，uq1+q2，…，uqn]

(4)

式中，u為臺區(qū)開關(guān)跳閘預(yù)防性運維控制終端各負荷開關(guān)的投切變換因子。

此外，當受到雷電流影響時，需計算線路感應(yīng)過電壓Uj：

(5)

式中，Iu為雷電流幅值；H為導(dǎo)線距離地面的高度；S為感應(yīng)雷過電壓的最短距離。

當開關(guān)狀態(tài)矩陣S0與初始狀態(tài)矩陣S所對應(yīng)位置的向量不相同時，將u記為1；如果其向量相同，則將u記為0[19]。因此，得到臺區(qū)開關(guān)跳閘預(yù)防性運維控制終端中所有負荷支路的開關(guān)切換次數(shù)為：

(6)

基于開關(guān)切換次數(shù)，根據(jù)智能化臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘預(yù)防性運維系統(tǒng)技術(shù)示意圖，建立相應(yīng)維護管理機制，在標準化作業(yè)書指導(dǎo)下采用繼電保護法進行跳閘預(yù)防性運維。

開關(guān)跳閘預(yù)防性運維要求各個工作人員能夠單獨高效完成運維工作，該過程不涉及設(shè)備更換與拆卸[20]，采用繼電保護法對設(shè)備運維工作內(nèi)容見表1。依據(jù)表1，采用繼電保護法對臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘進行維護檢修時，對開關(guān)跳閘設(shè)備維護工作、運維項目、檢修措施進行分析。

表1 設(shè)備運維工作內(nèi)容Tab.1 Work content of equipment operation and maintenance

4 仿真實驗

設(shè)計的臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘預(yù)防性運維系統(tǒng)在完成投入使用后，由仿真實驗驗證該系統(tǒng)設(shè)計合理性，并詳細記錄運維信息。利用仿真平臺得到臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘模型如圖7所示。

圖7 臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘模型Fig.7 Trip model of low-voltage switch in station area

4.1 實驗信息采集

依據(jù)臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘同一實體間聯(lián)系，可按照相同比例情況分別處理數(shù)據(jù)信息，依據(jù)該準則，采集了3部分核心數(shù)據(jù)，見表2。

表2 核心數(shù)據(jù)采集Tab.2 Core data collection

4.2 實驗結(jié)果與分析

設(shè)計報文格式，使開關(guān)跳閘電纜互相連接，提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換可靠性。將繼電保護作為實際運維方式，設(shè)計運維方案如圖8所示。

圖8 運維實現(xiàn)方案Fig.8 Operation and maintenance implementation scheme

運維方案主要包括故障分析、工具使用、人員安排、維護流程，將運維實現(xiàn)方案設(shè)置為實體，減少冗余數(shù)據(jù)，增加開關(guān)跳閘數(shù)據(jù)利用效率，實現(xiàn)臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘預(yù)防性運維。

雜散諧波是影響臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘主要原因，傳統(tǒng)系統(tǒng)在該諧波影響下，運維效果較差。而使用所研究系統(tǒng)在運算放大器設(shè)備下，不會受到諧波影響，運維效果較好。

4.2.1 雜散諧波干擾對信息采集頻率的影響

受到雜散諧波干擾3種方法低壓開關(guān)跳閘信息采集頻率如圖9所示。

圖9 3種系統(tǒng)雜散諧波干擾對信息采集頻率影響Fig.9 Influence of three kinds of system spurious harmonic interference on information acquisition frequency

由圖9可知：所研究系統(tǒng)受諧波干擾強度的變化，頻率波動平緩，而文獻[3]系統(tǒng)和文獻[4]系統(tǒng)受到電波干擾，在2.8級到3.2級時頻率呈現(xiàn)上下大幅度隨機波動，此時頻率變化極其不穩(wěn)定，而后又出現(xiàn)下降情況。受諧波干擾強度影響，文獻[3]系統(tǒng)和文獻[4]系統(tǒng)受到諧波干擾影響較大，所研究系統(tǒng)受到干擾影響較小。

4.2.2 運維效果的對比結(jié)果與分析

為了驗證臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘預(yù)防性運維系統(tǒng)的有效性，基于上述對比內(nèi)容，將3種系統(tǒng)的運維效果對比分析，得到結(jié)果見表3。

表3 三種系統(tǒng)運維效果對比分析Tab.3 Comparative analysis of operation and maintenance effects of three systems

由表3可知，在不同諧波干擾等級下，所研究系統(tǒng)的運維效果比傳統(tǒng)系統(tǒng)運維效果要好，當諧波干擾等級為3級時，所研究系統(tǒng)運維效果最高為0.935 4，而此時文獻[3]系統(tǒng)和文獻[4]系統(tǒng)運維效果僅僅分別為0.598 4和0.586 4。綜上所述，臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘預(yù)防性運維系統(tǒng)設(shè)計是具有合理性的，且運維效果較好。

4.2.3 運維投資成本的對比結(jié)果與分析

為了驗證所研究系統(tǒng)進行預(yù)防性運維的差異化性能，分別運用三種系統(tǒng)進行運維投資成本的對比分析，得到結(jié)果如圖10所示。

圖10 三種系統(tǒng)運維投資成本對比結(jié)果Fig.10 Comparison results of three system operation and maintenance investment costs

由圖10可知：所研究系統(tǒng)的運維投資成本明顯要低于傳統(tǒng)系統(tǒng)的運維投資成本，在同等環(huán)境條件下，所研究系統(tǒng)的運維投資總成本成本低于100萬元，而文獻[3]系統(tǒng)和文獻[4]系統(tǒng)的運維投資總成本超過了120萬元。綜上所述，所研究的臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘預(yù)防性運維系統(tǒng)設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)差異化預(yù)防性運維，使運維檢修更有計劃性。

5 結(jié)論

(1)運維系統(tǒng)測試是確保軟件功能可靠性的關(guān)鍵性步驟，也是軟件研發(fā)不可缺少的一部分，通過系統(tǒng)測試可將系統(tǒng)軟件、硬件結(jié)合起來運行，進而完善臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘預(yù)防性運維系統(tǒng)。

(2)采用繼電保護法可改善傳統(tǒng)運維效果差的缺點，有效提高了臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘預(yù)防性運維效果。通過仿真實驗可知，所研究系統(tǒng)受諧波干擾強度的頻率波動較為平緩，可見該系統(tǒng)容易受到諧波干擾的影響較小；同時，所研究系統(tǒng)運維效果最高可達到0.935 4，明顯高于傳統(tǒng)系統(tǒng)的數(shù)值；此外，所研究系統(tǒng)的運維投資成本最低，提高了差異化預(yù)防性運維的應(yīng)用性能。綜上所述，該系統(tǒng)運維效果較好，能夠保障供電達到設(shè)定的指標。

(3)雖然所研究系統(tǒng)具有良好運維效果，但該系統(tǒng)缺少一體化管理模式，因此，為了縮短臺區(qū)低壓開關(guān)跳閘預(yù)防維護時間，在以后研究進程中，分析配電網(wǎng)業(yè)務(wù)運行效率，實現(xiàn)智能一體化配電網(wǎng)運行。