基于智能电表的低压电网故障预判系统

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(1.河南科技学院，河南 新乡 453003； 2.许继集团有限公司，河南 许昌 461000)

0 引言

随着国家经济的快速发展，人民生活对电力系统安全稳定要求不断提高，配电网发生故障时迅速诊断并隔离故障区域，及时恢复供电，成为配电自动化最重要的功能之一[1]。

对于10 kV配电网的故障定位、隔离、恢复，目前可以采用馈线自动化系统，通过馈线开关、分段开关、联络开关、用户出线开关、智能终端来实现配电网主干线、分支线故障精确定位、快速处理[2]。但对于直接与用户连接的0.4 kV低压配电网故障来说，由于技术及经济原因，现仍需采用人工进行故障报修、定位、维修，造成故障处理时间长，客户满意度不高。如何提升低压供电故障处理效率，对于我国建设世界一流配电网、提升供电可靠性、提高电网服务水平具有重大意义[3]。

1 问题分析

根据统计信息得知，电力系统中80%以上的故障发生在配电网，其中0.4 kV配点网故障占比超过50%[4]，目前我国0.4 kV配电网主要通过95598电力热线接受用户报修停电事件，然后由电力客服人工登记故障，并指派查勘人员勘察现场，确认故障信息后派发抢修工单，安排抢修班组完成现场抢修任务。所有过程人工参与，造成事故处理时间长、故障定位不准确、重复报修等一系列问题。其问题的核心是没有可支撑的信息化技术手段，配电系统末端运行状态不清晰，不能建立有效、可见的电网拓扑，无法及时上送故障信息，实现准确定位故障区域[5]。

国家电网有限公司印发的《关于全面推荐智能计量体系建设的意见》指出，“2016年，新装智能电能表6 058万台，采集用户将达到37 758万户，总采集覆盖率95.5%。预计到2017年国家电网公司将建成国际上最大的用电信息采集系统，实现全域39 500万户的智能电表全覆盖。”该项措施解决了配用电网络最后100 m终端设备无法覆盖的问题，为技术实现0.4 kV配电网故障定位提供了契机。在智能电表全覆盖的基础上，依托低压电表集抄系统[6]，利用信息技术、通信技术，为解决用户供电低压故障快速定位提供一种有效的解决手段。

2 方案设计

2.1 整体思路

用于0.4 kV配电网故障预判的系统，首先利用电力企业现有多个自动化信息平台的既有数据实现低压故障的快速预判以及快速抢修。

如图1所示，用于低压配电网故障预判的信息可分为设备信息和运行信息。设备信息包括从电力公司现有生产管理系统(PMS)获得的配用电设备网络节点及设备台账信息，从地理信息系统(GIS)获得的配用电设备地理位置信息及相关GIS服务，从营销用户档案管理系统获得的电表资产数据及相关用户信息。

图1 系统架构Fig.1 System architecture

运行信息包括从配电自动化系统获得的10.0 kV配电网设备运行信息，从用电信息采集系统获得的低压用户电压、电流、电量、开关状态等信息，从95598人工客服系统获得的用户电话故障报修信息[7]。

低压故障预判系统利用低压供电设备信息和运行信息，结合电网拓扑分析，经故障推理模块判断出低压故障类型、故障区间，推送给故障抢修管理系统(TCM)，结合GIS服务实现低压故障的报警管理、抢修资源分配、抢修工作评级及优化[8]。

2.2 智能电表功能扩展

为实现用户低压故障信息快速研判，需在智能电表用电计量、电量采集、数据通信、峰谷计费功能的基础上扩展“失电”、“上电”信号处理功能，信号处理逻辑如图2所示。

图2 智能电表报警逻辑Fig.2 Smart meter alarm logic

(1)用户“失电”故障信息(lastgasp)上送功能，考虑到瞬时性故障影响，智能电表须对失电信息进行过滤，仅将故障时间超过30 s的停电信息上报系统。

(2)用户恢复供电“上电”信息报警(firstbreath)上送功能。

把智能电表和GIS结合，通过故障点的分布和拓扑关系可进一步显示各故障点的相关性。调度中心的操作人员可通过下发指令到相关的电表判断是否断电，减少故障误报。智能电表在恢复供电后也会上报“上电”信息。智能电表和操作人员之间的这种互动过程能帮助确认故障修复并检测是否有多重电网故障存在。

2.3 系统模型

公共信息模型(CIM)可以描述电力系统生产过程涉及的所有对象的抽象数据模型[9]，用数据的共有类、属性及之间的关系描述电力资源。

抽象模型包括电力设备模型和连接关系模型，其中电力设备模型是电力网络中所有一次元件的模型。连接关系模型定义了导电设备类的电气端点和这类端点的连接节点，他们共同描述了各个设备的电气连接关系。0.4 kV配电网故障定位模型就是对配电变压器(以下简称配变)下侧与配变有从属关系的低压开关箱、低压分支箱、表箱和电表单元进行拓扑分析。通常低压用户供电回路涵盖低压变压器经低压开关、低压分支箱、单元楼表箱后接入各家各户范围，如图3所示。

图3 用户典型低压供电回路Fig.3 Typical low voltage power supply circuit of users

通过性能比较，方案采用广度优先搜索法进行网络建模[10]。如图4所示，首先从某顶点出发，依次搜索该顶点各个未曾遍历过的相邻顶点，然后再从这些相邻顶点出发依次搜索他们的邻接顶点，直到所有节点遍历完成为止。利用配电线模型对任何一节点可进行电源点追踪到变电站母线，得到针对该节点的一条供电路径。

图4 低压配电典型线路Fig.4 Typical line of low voltage distribution

2.4 故障处理逻辑

根据2.3节所构建的模型，对给定配电网络中的节点进行编号、拓扑分析，形成配电网络供电联络模型。当低压故障预判系统收到电表上送的“失电”告警信息后，首先对故障电表进行电源点追踪分析，判断电表节点所在拓扑树的位置及与其他节点的关系，考虑到只要是用户上侧的故障都可能造成用户停电，所以按照用户的供电路径往上侧搜索并判断相关节点“失电”故障信息状态，判定故障发生的位置，然后将预判结果推送到TCM进行下一步处理。

考虑到配网拓扑结构复杂，方案采用递归方法进行故障判断，以收到电表上送“失电”信息作为启动条件，定位过程如图5所示，具体步骤描述如下。

图5 故障处理逻辑Fig.5 Troubleshooting Logic

(1)设置“失电”电表为报警电表，通过拓扑服务电源点追踪分析报警电表的供电路径。以电表49报送“失电”信号为例：供电路径由下向上表箱B7→低压分支箱41→低压开关柜40→配变T2→台区高压侧3→馈线开关1。

(2)设置“失电”电表为预判节点，搜索设置预判节点的上级节点为当前节点。

(3)判断当前节点类型，如果是表箱节点，则进行步骤(4)判断，否则进行步骤(6)判断。

(4)判断当前节点下非报警电表失电信号状态，如不存在失电信号则判定预判节点为故障节点，进行步骤(8)操作，否则进行步骤(5)判断。

(5)更改当前节点为预判节点，搜索预判节点供电路径的上级节点并设置为当前节点；进行步骤(3)操作。

(6)搜索当前节点下级非预判节点，设置为佐证节点，根据佐证节点类型判断，递归调用操作步骤(6)，直到佐证节点类型为表箱节点进行步骤(7)操作。

(7)判断佐证节点下属非报警电表失电信号状态，如不存在失电信号则判断为预判节点故障，进行步骤(8)操作，否则进行步骤(5)判断。

(8)设置预判节点为故障节点，设置故障节点下所有电表“失电”信息处理标志，防止故障重复判断，通知TCM进行低压故障抢修操作。

通过以上步骤，可以准确发现故障节点，界定故障范围，大大提高故障处理效率。

3 案例分析

国内某城市进行低压故障智能研判工程实施，当智能电表探测到某用户电力供应中断经延时判断后上送“失电”报警信息至低压用采系统，结合GIS信息，可准确判断出故障变压器位置，实现低压故障快速定位，将故障查找时间由传统的2.35 h缩减为2 min， 极大提升了供电可靠性。

4 系统优势

低压故障预判系统利用智能电表的非计量功能实现配网低压故障定位，促进营配贯通，提升供电运营管理效能，具有广泛推广意义。

(1)增强供电安全性。低压供电网距离用户最近，故障早发现、早处理将减少安全隐患。

(2)提高供电可靠性。低压故障预判快速精确故障定位，将改善系统平均停电时间指标，减少客户停电时间。据统计，低压故障预判系统可以将单用户停电报送平均时间缩短10 min，多用户停电报送平均时间缩短37 min，夜间停电故障保修时间缩短282 min，系统平均停电时间每年可以减少4 min。

(3)提升供电服务水平。精确判定低压故障位置、停电范围，按照事故处理优先级安排现场工作力量，有效避免重复、错误动用抢修车辆造成的生产资源浪费。同时与客服中心、抢修中心实现故障信息共享，提升用户体验。

5 结束语

智能电表非计费信息接入低压故障预判系统，从而可以收集用户侧用电状态，实现低压故障快速预判、精确定位，在低压电网故障第一时间派出抢修班组，大大减少了停复电时间，提高了故障抢修速度，提高了配电网应急抢修管理水平，提高了供电质量和客户满意度，对整体提高配电网供电可靠性具有重要意义。