趙興林

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司迪慶供電局，云南 迪慶 674400）

0 前言

電力供應(yīng)包括發(fā)電、輸電、配電等一系列過程，其中配電是其中較為重要的環(huán)節(jié)，主要任務(wù)是將電力能源按照用戶需求分配給用戶。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，配電這一環(huán)節(jié)也逐漸向著智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展。在提高配電作業(yè)效率和質(zhì)量的同時(shí)，也使得配電系統(tǒng)更緊密、更深層次地結(jié)合在一起，這就導(dǎo)致一旦其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障問題，整個(gè)配電系統(tǒng)都會面臨癱瘓，因此配電系統(tǒng)中都會配有相應(yīng)的控制保護(hù)設(shè)備，一旦發(fā)生故障或異常工況時(shí)，可以用最快的速度找出故障并排除[1]。然而，當(dāng)前的保護(hù)系統(tǒng)發(fā)展較為滯后，無法完全跟上智能配電網(wǎng)故障蔓延的速度，因此如何快速且準(zhǔn)確地分析智能配電網(wǎng)故障，并進(jìn)行隔離和恢復(fù)成為當(dāng)下研究的重點(diǎn)[2-3]。

關(guān)于配電網(wǎng)故障的研究在很多文獻(xiàn)中都進(jìn)行相關(guān)分析和探討，張孟琛等人研究一種含DG配電網(wǎng)分層分區(qū)協(xié)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(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的自動(dòng)定位，并以此排除故障，保證其余配電線路正常作業(yè)[4]。張麗虹等人開發(fā)一種基于地理信息系統(tǒng)的配電網(wǎng)分析平臺，通過節(jié)點(diǎn)與設(shè)備、電路之間的連接關(guān)系搜索異常區(qū)段，最后利用反向搜索法進(jìn)行精準(zhǔn)進(jìn)行配電網(wǎng)故障定位[5]。該方法不僅能準(zhǔn)確地定位故障與繼電保護(hù)的距離，而且能在配電網(wǎng)徑向布置中準(zhǔn)確地定位線路。

基于上述研究，開發(fā)一種配電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(fā)生故障和異常后，能夠以最快速度做出反應(yīng)，隔離故障，保證非故障區(qū)域配電作業(yè)能夠正常運(yùn)行，降低故障損失率。

1 智能配電網(wǎng)信息物理融合保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)發(fā)生故障最多的系統(tǒng)，常見故障類型和故障原因如表1 所示。

表1 智能配電網(wǎng)故障原因和類型

表2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸組件構(gòu)成

當(dāng)前的智能配電網(wǎng)多數(shù)都是分布式配電網(wǎng)，這種方式最大的特點(diǎn)是不同配電線路彼此可以相互獨(dú)立，因此一旦其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障或異常，可以通過隔離開關(guān)將故障段暫時(shí)排除配電系統(tǒng)，保證非故障配電網(wǎng)能夠繼續(xù)運(yùn)行[6]。根據(jù)上述背景，本文研究一種保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)檢測、隔離以及恢復(fù)。

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架搭建主要分為4 層，智能配電網(wǎng)物理信息采集層、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)分析層以及保護(hù)設(shè)備執(zhí)行層，如圖1 所示[7]。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

采集層：位于系統(tǒng)最底層，主要用于采集配電網(wǎng)電力數(shù)據(jù)。

傳輸層：利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將采集到的配電網(wǎng)狀態(tài)信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析層，是采集層與數(shù)據(jù)分析層連接的紐帶。

分析層：系統(tǒng)中心層，利用采集到的配電網(wǎng)狀態(tài)信息檢測配電網(wǎng)是否發(fā)生異?；蚬收?。一旦檢測出來故障，繼續(xù)進(jìn)行故障定位，并發(fā)出故障隔離命令給執(zhí)行層的保護(hù)設(shè)備，進(jìn)行故障隔離[8]。

執(zhí)行層：系統(tǒng)最上層。主要用于接收分析層指令，控制隔離設(shè)備，隔離故障節(jié)點(diǎn)，并盡快恢復(fù)正常配電作業(yè)。

1.2 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 電流互感器

電流互感器，用來檢測電流量的設(shè)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(dāng)中，顯示電流值[9]。本系統(tǒng)當(dāng)中的電流互感器為AKH-0.66，其內(nèi)部采用優(yōu)質(zhì)純銅線圈專業(yè)機(jī)器繞制，精準(zhǔn)平整安全可靠，經(jīng)久耐用，外部采用優(yōu)良ABS阻燃材質(zhì)，抗高溫，防老化，時(shí)刻保護(hù)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸組件

在電流互感器采集到配電網(wǎng)中電流之后，需要通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸組件將其傳輸?shù)街醒胩幚砥鳟?dāng)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[10]。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸組件中各個(gè)設(shè)備的作用和選型具體如2 所示。

1.2.3 DSP芯片

一個(gè)系統(tǒng)中最重要的就是數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算。本系統(tǒng)當(dāng)中選擇DSP 芯片來執(zhí)行此項(xiàng)任務(wù)，具體為根據(jù)電流信號分析判斷是否發(fā)生故障行為，故障地點(diǎn)以及故障隔離方案的生產(chǎn)[11]。選擇的DSP 芯片為TI 公司研發(fā)的TMS320F28335。與其他DSP 相比，能耗低、運(yùn)行速度快、存儲量大。TMS320F28335 芯片主要參數(shù)如下：

高性能32 位定點(diǎn)DSP TMS320F28035；時(shí)鐘頻率60 MHz；外擴(kuò)存儲器IIC FLASH 512 K，SPI FLASH 512 K；144PIN 引出CPU所有IO，方便二次開發(fā)。

1.2.4 隔離保護(hù)設(shè)備

保護(hù)設(shè)備，顧名思義，就是指保護(hù)非故障配電網(wǎng)部分，自動(dòng)將故障設(shè)備從配電系統(tǒng)中切除的設(shè)備[12]。本系統(tǒng)當(dāng)中的隔離保護(hù)設(shè)備選型為MWE232-D。MWE232-D 組成結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 隔離保護(hù)設(shè)備組成結(jié)構(gòu)

MWE232-D 優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，可以在接收到命令后，0.01s 做出響應(yīng)，迅速截?cái)喙收喜糠郑刂乒收嫌绊懛秶?/p>

1.3 系統(tǒng)運(yùn)行程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行主程序如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行主程序

基于圖4 系統(tǒng)運(yùn)行主程序，劃分三個(gè)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(jìn)行具體分析。

1.3.1 故障判斷

故障判斷，即判斷是否發(fā)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例，具體過程如下：

步驟1：確定配電網(wǎng)電流信號樣本；

步驟2：將配電網(wǎng)電流信號分為測試樣本和訓(xùn)練樣本；

步驟3：訓(xùn)練樣本訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；

步驟4：測試樣本得出測試結(jié)果；

步驟5：通過閾值函數(shù)，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(rèn)為存在故障，否則認(rèn)為無故障。判定函數(shù)如下：

其中，θk為閾值；yk為輸出層輸出結(jié)果。

步驟6：進(jìn)一步對比不同故障特征，識別出具體發(fā)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(jìn)入故障定位模塊，分析故障具體發(fā)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(diào)用區(qū)域劃分子程序進(jìn)行配電網(wǎng)區(qū)域劃分；

步驟2：抗元輸入、編碼；

步驟3：初始種群產(chǎn)生，設(shè)置t=0，t為迭代次數(shù)。

步驟4：抗體適成度計(jì)算；

步驟5：抗體多樣性計(jì)算；

步驟6：判斷是否結(jié)束操作？若結(jié)束，繼續(xù)進(jìn)行步驟7；否則，作為父代種群進(jìn)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(jì)算出來的抗體的適應(yīng)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(jù)選擇結(jié)果，結(jié)合饋線終端的實(shí)際上傳信息和期望狀態(tài)求取評價(jià)函數(shù)，保留最優(yōu)結(jié)果；

步驟11：計(jì)算信息素?fù)]發(fā)系數(shù)，并計(jì)算各支路信息素增量；

步驟12：產(chǎn)生父代種群；

步驟13：執(zhí)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(qū)段。否則，進(jìn)入下一輪迭代，重新進(jìn)行運(yùn)算[15]。

1.3.3 故障處理

基于上述研究結(jié)果，進(jìn)行故障處理，具體流程如下：

步驟1：輸入網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及故障線路相關(guān)信息。

步驟2：對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡化，生成配電網(wǎng)拓?fù)洹?/p>

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

步驟4：二進(jìn)制混合算法求出供電恢復(fù)方案，恢復(fù)送電。

步驟5：故障處理完畢。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測試

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在配電網(wǎng)故障處理中的應(yīng)用性能，本章節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測試。

2.1 系統(tǒng)測試環(huán)境

系統(tǒng)測試的環(huán)境涉及網(wǎng)絡(luò)、軟件、客戶端、應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器等多個(gè)方面，見表3。

表3 系統(tǒng)測試環(huán)境

2.2 配電網(wǎng)簡化

以包含DG 的10 kV 配電網(wǎng)絡(luò)為例，對其進(jìn)行簡化，并搭建配電網(wǎng)拓?fù)鋱D，進(jìn)行仿真，如圖5 所示。

圖5 配電網(wǎng)拓?fù)鋱D

圖5 中基本參數(shù)設(shè)置情況如表4 所示。

表4 10 kV配電網(wǎng)絡(luò)基本參數(shù)

2.3 保護(hù)系統(tǒng)布置

在 區(qū) 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(gè)節(jié)點(diǎn)中間處安裝隔離保護(hù)設(shè)備。布置示意圖如圖6 所示。

圖6 保護(hù)系統(tǒng)布置圖

2.4 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置

故障判斷、故障定位、故障處理三個(gè)主要程序運(yùn)行參數(shù)設(shè)置情況如表5 所示。

表5 系統(tǒng)軟件程序運(yùn)行主要參數(shù)設(shè)置

2.5 保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)

假設(shè)在節(jié)點(diǎn)1 和2 之間的線路發(fā)生了永久性故障，現(xiàn)在利用所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行故障判斷、故障定位以及故障處理，結(jié)果如表6 所示。

表6 保護(hù)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)結(jié)果

從表6 中可以看出，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用下，故障判斷、故障定位以及故障處理等系統(tǒng)模塊給出的結(jié)果與設(shè)定結(jié)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(tǒng)能夠快速且準(zhǔn)確地分析配電網(wǎng)故障并給出處理方案，能盡快恢復(fù)供電作業(yè)。

3 結(jié)束語

綜上所述，智能配電網(wǎng)的出現(xiàn)為電力分配提供了極大的幫助，提高了配電作業(yè)的效率和質(zhì)量。同時(shí)，智能配電網(wǎng)的高度集成性，使得故障控制變得更加困難，因此開發(fā)一款保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將故障判斷、故障定位以及故障處理集為一體，實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)故障的全面處理。然而，本研究受到時(shí)間限制，還有問題有待進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，即故障處理模塊中所用的二進(jìn)制混合算法的收斂性、穩(wěn)定性有待進(jìn)一步的優(yōu)化，優(yōu)化后能進(jìn)一步提高系統(tǒng)對故障處理的速度。