基于无线通信和图像识别的馈线自动化现场自动测试

刘 彬，李 盼

(1.陕西电力科学研究院，陕西 西安710054；2.大唐移动通信设备有限公司，陕西 西安710061)

0 引言

随着用户对供电可靠性需求的不断提高，配电自动化受到供电业界的广泛重视。传统的故障处理性能需要长期运行等待故障发生才能检验，导致缺陷不能早期充分暴露和解决[1-3]。

文献[4-6]对配电自动化系统测试进行了研究，侧重对配电自动化主战、子站和终端的功能和性能进行测试；文献[7-8]针对配电自动化在线仿真系统与仿真测试环境进行了研究。

近年来，国内许多电力科研单位企业已在配电自动化故障处理性能测试方面取得了突破进展。国网陕西省电力公司电力科学研究院提出二次同步注入测试法，并研制出DATS-2000二次同步注入测试设备[9-10]，上述成果能够较好地解决配电自动化系统故障处理测试问题，保障了配电自动化系统的建设质量，使其提高供电可靠性的作用切实发挥出来。

二次同步注入测试法虽然可对主站、子站、终端、保护配合、备用电源、通信和馈线开关等在故障处理过程中的相互配合进行测试，但是需要对模拟故障区域上游所有的终端注入故障信息，既需要携带大量设备又需要大量测试人员，当配电网规模较大时工作量很大[11-12]。

由于馈线自动化牵扯主站、子站、通道、开关、终端等各方面因素，并与相关设备的参数配置紧密相关，二次同步注入测试法在测试过程中需要专业技术人员在终端侧完成接线后并与主站侧人员进行实时沟通来确保试验方案是否正确执行，造成了对测试人员技术要求高、测试结果不能自动判别、测试效率低等问题。

为了解决上述问题，本文提出一种基于无线通信[13-15]和图像识别[16-18]的馈线自动化现场自动测试方法。

1 配电网馈线自动化现场测试原理

基于无线通信和图像识别的馈线自动化现场自动测试示意图如图1所示，是一种完全自动化闭环运行的“配电自动化系统二次同步注入测试法”。该方法需要在拟模拟故障区段上游的各个配电自动化终端二次侧，安置若干研发的移动测试装置。由测试主控平台借助于加密的私有无线通信通道，分别向每个移动测试装置下发测试方案数据，控制移动测试装置在同一时刻向被测试配电网注入拟模拟故障场景的电流、电压波形，并借助图像识别技术对测试结果进行采集及正确性判别。该方法实现了对配电自动化主站、子站、终端、通信、开关设备及继电保护备用电源等各个环节在故障处理过程中的相互配合进行闭环全自动测试的技术。

图1 基于无线通信和图像识别的馈线自动化 现场自动测试示意图

2 测试系统结构

2.1 基本组成

基于无线通信和图像识别的配电网馈线自动化现场自动测试系统结构如图2所示，测试系统由测试主控平台、图像采集装置、无线通信接口和移动测试装置模拟断路器等组成。

图2 馈线自动化现场自动测试系统结构图

2.2 测试主控平台

测试主控平台主要功能模块包括图形管理组态模块、算法(网络拓扑、潮流计算和短路电流计算)模块、方案管理控制模块、数据采集处理(图像识别、实时数据库)模块、自动测试控制模块、三遥自动测试模块及故障自动测试模块。

首先，测试主控平台借助CIM模型导入或人工编辑的方式对待测馈线进行建模并完成相应的参数配置。其次，测试主控平台根据正常情况下的负荷参数设定故障场景时的参数，自动生成测试方案。最后，测试主控平台借助加密的私有无线通信通道分别向各个移动测试装置下发测试方案，测试过程包含对配电主站、子站、终端、保护配合、备用电源、通信和馈线开关整个环节的故障处理过程进行全程监控，完成对待测馈线的现场自动化测试。

2.3 图像采集装置

图像采集为本方案设计的重点其工作流程如图3所示，首先，分屏器将配电主站监控工作站画面进行复制，将复制的监控画面输出至图像采集装置中。其次，图像采集装置对复制的监控画面进行灰度化、过滤、二值化处理，最终将识别的开关状态、遥测信息、遥信信息等结果输出至测试主控平台。

图3 图像采集流程图

图像识别的流程如图4所示，测试主控平台通过图像采集装置选出所需识别的开关状态及对应的模拟量信息。一方面用于开关状态识别，通过调用开关识别模块，将模拟断路器上送的开关变位信息与实际工作站中的开关状态进行比对，若比对结果一致，将结果进行输出；另一方面用于开关模拟量的识别，调用数字识别模块对采集的监控画面中开关的模拟量进行数字化处理，其输出结果与被测线路中对应开关模拟量进行比对，若结果一致，将结果进行输出。

图4 图像识别流程图

2.4 无线通信接口

无线通信接口组网方式作为本方案的关键点，其组成结构如图5所示，主要包括移动测试装置内置WIFI模块、通信代理MIFI模块、模拟断路器内置WIFI模块、测试主控平台内置WIFI模块、无线公网4G组成。移动测试装置内置WIFI模块通过通信代理MIFI模块进行上网、测试主控平台通过通信代理MIFI模块进行上网、模拟断路器内置WIFI模块直接上网，三者之间应用无线公网4G移动通信技术建立通信实现数据交互。

图5 无线通信接口组网示意图

2.5 移动测试装置

现场测试时，将移动测试装置与各个配电终端二次回路进行连接，向终端发送电压信号和电流信号，并模拟产生相应的开关量信号。移动测试装置主要由前端采样模块、同步故障发生器、GPS模块和储能蓄电池柜组成。

前端采样模块采集二次侧的电压、电流及励磁涌流信息并输出控制试验过程的开关量，同步故障发生器根据测试主控平台下装的测试方案及前端采样模块输出的开关量向配电终端定时输出电压、电流信号，整个方案的执行过程都是通过GPS卫星时间同步系统同步完成工作，同时考虑户外试验可能缺少电源的情况，使用储能电池柜作为系统的备用电源对整个模块进行供电。

2.6 模拟断路器

模拟断路器由2个模拟控制模块和内置无线WIFI模块组成。一方面2个控制模块代替真实开关，将配电自动化终端到真实开关的控制回路断开，而接至模拟断路器，实现不停电测试功能；另一方面是内置无线WIFI模块借助其通信代理MIFI模块将模拟断路器的实时状态上传至无线通信接口处，此外，测试主控平台也可通过无线公网4G实现对模拟短路器的远程操作。

3 测试步骤

配电网馈线自动化现场自动测试流程如图6所示，具体步骤如下：

① 在测试主控平台建立被测馈线电网试验模型，录入被测馈线参数和策略表，设定被测馈线的运行方式和故障场景。

② 布置于不同地点的移动测试装置接入相应的被测配电终端的二次侧，具体方法为：将配电终端二次电流回路在电流试验端子外侧短连，移动测试装置电流输出加入到电流试验端子内侧，其短连片打开；将配电终端二次电压回路断开，移动测试装置电压输出加入到配电终端电压输入端子；将配电终端的分合闸控制信号接入模拟断路器。

③ 在配电自动化主站系统侧，测试主控平台通过图像采集装置与主站系统监控工作站连接，用于监视采集被测馈线开关状态等量测信息。

④ 测试主控平台通过无线通信接口与移动测试装置、模拟断路器进行组网，完成相关通信参数的配置，同时通过GPS对时技术完成各测试设备间的时间同步。

⑤ 测试主控平台采用电网仿真计算生成各个测试装置的测试方案，测试方案包括故障前场景数据、故障场景数据、故障后场景数据；每个场景数据包括电压波形、电流波形及持续时间。

⑥ 测试主控平台通过无线通信接口下发测试方案至各个移动测试装置。

⑦ 测试主控平台下发试验开始时间，各个移动测试装置接收到开始试验命令后，等待试验开始时刻。

⑧ 试验开始时间到时，各个移动测试装置按照测试方案同步输出测试场景数据，即包括负荷场景、多个故障场景的电压、电流模拟信号。

⑨ 在配电自动化主站系统侧，通过图像采集装置完成对被测馈线开关状态等测试数据的采集，并将测试数据传输至测试主控平台。

⑩ 测试主控平台自动对测试结果数据进行分析，与内置策略表进行对比分析，对测试结果进行正确性判断、并形成测试报告。

图6 配电网馈线自动化的现场自动测试方法流程

4 应用情况

在西安、兰州、西宁等地现场选择部分线路采用基于具有无线通信和图像识别的馈线自动化自动测试方法进行测试，主站侧、现场终端侧各安排1名测试人员，在现场操作人员按照标准化完成各移动装置之间的接线，测试主控平台借助于加密的私有无线通信通道，分别向每个移动测试装置下发测试方案数据，控制移动测试装置在同一时刻向被测试配电网注入拟模拟故障场景的电流、电压波形，并借助图像识别技术对测试结果进行采集及正确性判别。

试验结束后，测试主控平台可通过无线通道平台对现场的模拟断路器进行复归，减少测试人员的工作量，提高了测试效率。

除此之外，基于无线通信和图像识别的配电网二次同步注入测试方法与其他测试方法相比，还具有以下优势：

在测试过程中所使用的无线通道与配电网自动化主网相互隔离、相互独立，从而保证了配电网主网的安全性。

在整个测试过程中，不仅不受主站厂家的约束，具有普遍推广的价值，而且也无需配电自动化主站系统开放权限来采集所需的电压、电流等数据信息，没有与配电自动化主站系统直接进行数据交互，保障了配电网网络的安全性。

测试过程中，只需终端侧留守1名测试人员完成测试所需硬件设备的接线，主站侧测试人员就可实现对待测馈线自动化系统的闭环自动测试，这样以来，不仅降低了对现场测试人员的技术要求，而且也减少了现场沟通时间，大大地提高了测试效率。

5 结束语

本文提出了一种基于无线通信和图像识别的配电网二次同步注入测试的方法，该方法需要在拟模拟故障区段上游的各个配电自动化终端二次侧，安置若干研发的移动测试装置。由测试主控平台借助于加密的私有无线通信通道，分别向每个移动测试装置下发测试方案数据，控制移动测试装置在同一时刻向被测试配电网注入拟模拟故障场景的电流、电压波形，并借助图像识别技术对测试结果进行采集及正确性判别。该方法实现了对配电自动化主站、子站、终端、通信、开关设备、继电保护备用电源等各个环节在故障处理过程中的相互配合进行闭环全自动测试的技术，从而实现了对馈线自动化的现场自动测试，提高了测试效率，降低了测试成本。

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