基于智能配变终端的配电网故障区段判断

周 青，孙 俊，黄 冠，沈 伟，朱 能

(国网上海市电力公司青浦供电公司，上海 201799)

配电网作为连接输电网和用户的末端供电环节，在电网中起到分配电能的作用[1]，配电网自动化是目前主要的发展方向[2-3]。智能配电台区解决方案是以台区为最小管理单元，利用智能配变终端(Distribution Transformer Supervisory Terminal Unit,简称TTU)的边缘计算能力，处理分析感知终端上传的数据，实现台区拓扑动态识别、故障区段判断、低压配网运行监测、供电质量分析与管理等功能[4]。

台区拓扑反映了配电变压器、分支箱、表箱等设备之间的连接关系，是配电自动化的基础。目前台区拓扑关系主要根据台区建设时留下的资料，采用人工录入的方法建立，该方法前期工作量较大，随着台区改扩建及户变关系的转变，需及时更新台区拓扑关系[5]。针对这些问题，文献[6]提出一种基于LoRa技术和GPU加速的台区拓扑辨识方法，但该方法运算量很大，需要配置GPU进行并行计算，成本较高。文献[7]提出一种基于通信物理链路、帧同步技术的低压配电台区网络拓扑识别方法，但该方法对信号同步性有较高的要求。为此提出一种基于智能配变终端和感知终端的台区拓扑动态识别算法，通过注入及检测非工频信号实现对台区拓扑动态、准确、快速识别。

目前用户投诉和现场故障中，80%以上来源于台区低压侧[8]，当前针对台区的故障监测仅限于配电房变压器一侧，而对于台区以下的分支及表箱侧的故障点定位，则主要采用逐段、逐线尝试性送电来逐步定位故障区域的方法[9-10]，该方法不仅故障定位时间长，而且有可能对配网线路及电气设备造成不良影响。针对这些问题，文献[11]提出一种基于过热弧搜寻算法的故障区段定位方法，但该方法无法定位树状分支末端的故障。文献[12]提出一种Petri网和冗余纠错技术结合的故障区段定位方法，但该方法需要提供大量的特征数据进行训练。本文提出一种基于智能配变终端的故障区段定位方法，该方法在获取台区拓扑的基础上，利用智能配变终端的边缘计算能力，通过矩阵运算得到台区的判断矩阵，根据判断矩阵实现故障区段快速定位。

1 智能配电台区结构

智能配电台区的结构如图1所示，主要的监测设备包括末端感知终端、分支线路监测终端和智能配变终端，能够实现台区拓扑动态分析、停电事件实时上报、故障点定位等功能。

图1 智能配电台区结构

1.1 末端感知终端

末端感知终端主要实现表箱进线数据采集及用户停复电事件上报。表箱进线数据采集使用开口式电流互感器(CT)对电流进行采样，用于表箱电量计量以及表箱停复电事件的研判。对于单户表箱，末端感知终端可直接对用户停复电状态进行监测；对于多户表箱，需配套使用电源感知模块，将电源感知模块的220 V火线电压感知线接入用户表空开后端，通过感应磁场变化来判断用户停复电状态，虽然增加了设备投入，但可实现对用户停复电事件秒级上报。

末端感知终端与智能配变终端的通信采用宽带电力线载波(High Speed Power Line Carrier,简称HPLC)和微功率无线(Radio Frequency,简称RF)结合的双模通信方式。宽带电力线载波通信利用终端设备所连接的电力线进行通信和数据传输，无需额外布线，并且与低压集抄的窄带载波通信不冲突，但容易受电网噪声和干扰的影响[13-15]。微功率无线通信通过射频电波传输数据，不受电网噪声和干扰的影响[16-18]，但易受墙壁阻挡、金属屏蔽、天气环境等影响。HPLC与RF结合的双模通信方式，充分发挥两种通信技术的优点，互补其缺点，可实现数据可靠传输。

1.2 分支线路监测终端

分支线路监测终端可对分支箱的主回路、分支回路的三相电压和多路电流数据同时进行采集、处理、存储和上传。安装在分支箱进出线侧的互感器采集电压、电流等用电信息，分支线路监测终端对采集数据进行初步处理，并通过宽带电力线载波、微功率无线方式与智能配变终端通信，分支线路监测终端内置双模通信模块和超级电容，当线路停电时，通过微功率无线方式实现分支箱进出线停电事件的主动上报。

1.3 智能配变终端

智能配变终端结合安装在分支箱侧的分支线路监测终端、安装在表箱侧的末端感知终端，可实现对配电台区内的配变失电、低压线路停电、表箱失电等信号的实时监测。根据台区拓扑及感知终端上传的故障信息，运用其边缘计算能力，对故障区段进行定位，并将停电事件信息实时上报主站。此外，智能配变终端还具有谐波分析、阻抗计算、无功调节分析等功能[19-20]。

2 台区拓扑动态识别

台区拓扑反映了设备之间的连接关系，是配电自动化的基础，本文所提出的故障区段定位方法即建立在准确完整的台区拓扑基础上,台区拓扑动态识别系统主要包括信号发送装置和信号接收终端。

2.1 信号发送装置

信号发送装置的结构如图2所示，发送装置集成在智能配变终端内，其信号接入点在配电变压器的低压侧，主要由处理器、信号发生器、信号发生器换相开关、通信模块，信号衰减电路等构成。处理器控制信号发生器产生0～1 MHz的非工频正弦测试信号，该正弦测试信号通过换相开关注入到A，B或C相上。信号发送装置与信号接收终端之间通过宽带电力线载波通信。为了避免不同台区之间的注入正弦测试信号相互串扰，在信号发生器靠近配电变压器一侧配置信号衰减电路，其中衰减电路的换相开关与信号发生器的换相开关动作逻辑一致，衰减电路的陷波器阻碍工频电压信号并通流正弦测试信号，当信号发生器发出正弦测试信号时，正弦测试信号通过衰减电路换相开关、衰减电路陷波器、电阻R构成回路，通过合理配置电阻值R，可大大削弱串入到其他台区的正弦测试信号。

图2 信号发送装置结构

2.2 信号接收终端

信号接收终端的结构如图3所示，接收终端集成在分支线路监测终端或末端感知终端内，其信号接入点在分支箱或表箱的进线侧，主要由处理器、陷波器、状态开关、换相开关、电流互感器、通信模块等构成。电流互感器将采集到的某相电流通过换相开关传送给陷波器1，陷波器1去除采样电流中的工频分量，得到正弦测试信号分量，并将该信号传送到处理器。处理器通过控制状态开关可将陷波器2投入或切除，当状态开关放置在空档位时，即陷波器器2被切除时，信号接收终端处于空闲状态；当陷波器2投入时，信号接收终端处于接收状态，正弦测试信号通过换相开关、陷波器2、状态开关、零线构成回路。

图3 信号接收终端结构

2.3 拓扑识别算法

为了区分不同的信号接收终端，需要对其进行编码，由于信号接收终端集成在分支线路监测终端或末端感知终端内，因此可以用分支线路监测终端或末端感知终端的标识码作为信号接收终端的ID码。若台区中某些表箱为单相接线，需要分相进行拓扑识别。在换相时，信号发生装置的处理器控制换相开关，将信号发生器切换到A，B或C相上，同时通过HPLC通信模块将换相信息发送到所有的信号接收终端，信号接收终端将换相开关切换到相同的相线上。

台区拓扑识别的算法具体如下。

步骤1：信号发送装置向本台区所有的信号接收终端发送指令，要求上报其ID码，形成信号接收终端设备清单。

步骤2：信号发送装置发送指令，将本台区所有信号接收终端设置为空闲状态。

步骤3：信号发送装置的处理器控制信号发生器开始工作。

步骤4：对设备清单中的所有信号接收终端，依次逐个进行以下操作。

步骤4.1：根据其ID，信号发送装置向信号接收终端发送指令，将其设置为接收状态；

步骤4.2：电流互感器检测出电流变化的所有信号接收终端，上报信息给信号发送装置进行存储，然后将处于接收状态的信号接收终端设置为空闲状态；

步骤4.3：所有信号接收终端完成步骤4.2后，信号发送装置关闭信号发生器。

步骤5：信号发送装置根据步骤4得出的数据，对设备清单中的所有信号接收终端，依次逐个进行以下判断，正在判断的信号接收终端称为判断终端。

步骤5.1：找出判断终端在接收状态时，检测到正弦测试信号的其他信号接收终端，如果找不到，与判断终端关联的分支箱或表箱的父节点是变压器，针对判断终端的判断结束；如果找到，将找到的所有信号接收终端生成表单U，执行步骤5.2；

步骤5.2：如果在表单U中，只有一个信号接收终端，则该信号接收终端关联的分支箱或表箱，是判断终端关联的分支箱或表箱的父节点，针对判断终端的判断结束；如果多于一个，执行步骤5.3；

步骤5.3：在表单U中任选一个信号接收终端，找出该信号接收终端在接收状态时，检测到电流发生变化的其他信号接收终端，将找到的所有信号接收终端生成表单V，从表单U中去除表单V中的信号接收终端，生成新的表单U，转到步骤5.2。

步骤6：完成终端设备清单中所有信号接收终端的判断后，将判断结果生成台区拓扑。

下面结合一个具体的台区拓扑进行分析。根据配电网自动化设计要求，目前配电网主要采用树状网或开环运行的环网[21-22]。图4为一个树状网结构的台区拓扑，虚线框表示分支箱或表箱，节点0为信号发送装置的信号接入点，节点1～5为信号接收终端R1～R5对应的信号接入点。

图4 树状网台区拓扑

当所有的信号接收终端均处于空闲状态时，正弦测试信号无法经过信号接收终端构成回路，信号接收终端的电流互感器无法检测到正弦测试信号。

若信号接收终端R5转为接收状态，而其他接收终端仍处于空闲状态时，正弦测试信号流经节点1、节点3和节点5，并经过信号接收终端R5构成回路，则信号接收终端R1和R3检测到正弦测试信号，于是生成表单U，U=[R1，R3]。

若选择R1作为判断终端，将信号接收终端R1置于接收状态，其他接收终端置于空闲状态，除R1以外没有其他接收终端能够检测到正弦测试信号，则R1所关联的分支箱或表箱的父节点是配电变压器。

若选择R3作为判断终端，将信号接收终端R3置于接收状态，其他接收终端置于空闲状态，除R3以外R1也检测到正弦测试信号，于是生成表单V，V={R1}。表单U中去除表单V中的信号接收终端，生成新的表单U，U={R3}。表单U中只有一个信号接收终端，则R5所关联的分支箱或表箱的父节点是R3所关联的分支箱或表箱。

采用类似方法可得到所有分支箱或表箱的父节点，将所有结果合并，即可得到台区拓扑。

3 故障区段判断

图5为一个简化后的树状网台区拓扑示意图，节点1至节点7为分支线路监测终端或末端感知终端的电流采样点，OC表示短路故障发生时，流过该节点的电流超过设定的阀值，即该节点流过故障电流，定义这种节点为故障信息点。

图5 台区拓扑示意图

首先，根据台区拓扑结构建立节点信息矩阵D，节点信息矩阵D的定义：

D=[dij]N×N

(1)

(i，j=1，2，…，N)

(2)

定义故障信息矩阵F：

F=[fij]N×N

(3)

(i，j=1，2，…，N)

(4)

定义故障判断矩阵J：

J=D×F

(5)

对于树状网或开环运行的环网，与故障区段内的非故障信息点相邻的所有节点中，最多只有一个故障信息点。若k为非故障信息点，则矩阵F中元素fkk=1，存在与节点k相邻的节点m，n，…，v，即矩阵D中元素dmk=dnk=…=dvk=1，如果在节点m，n，…，v中有两个及以上的故障信息点，即矩阵F中的元素fmm,fnn,…,fvv有两个及以上为0，则非故障信息点k不是构成故障区段的节点，需将节点k从故障区段节点判断中去除，即矩阵J中第k行及第k列元素均置为0，得到更新后的判断矩阵J′。

在树状网或开环运行的环网中，故障区段两侧的节点为不同类型的信息点，即一侧为故障信息点，另一侧为非故障信息点。对于一条两端节点为p和q的区段，若节点p和q均为故障信息点或非故障信息点，则节点p和q在矩阵J′中对应的元素jpq和jqp相等；若节点p和q中一个为故障信息点，另一个为非故障信息点，则矩阵J′中元素jpq和jqp不相等。

用符号⊕表示异或运算，若jpq⊕jqp=0，则区段pq为非故障区段，若jpq⊕jqp=0，则区段pq为故障区段。

对于图5所示的台区拓扑，智能配变终端根据台区拓扑关系建立节点信息矩阵D。

(6)

若节点5和节点7之间发生短路故障，节点1，2，4，5处的分支线路监测终端或末端感知终端监测到节点过流信号，并将过流信号上传到智能配变终端，智能配变终端根据过流信号建立故障信息矩阵F。

(7)

智能配变终端通过矩阵运算得到判断矩阵J。

(8)

由于

(9)

节点3和节点6为故障区段外的非故障信息节点，将矩阵J的第3行、第3列、第6行、第6列均置为0，得到矩阵J′。

(10)

(11)

所以故障点在区段57内。

4 结语

本文在分析智能配电台区结构的基础上，提出了一种基于智能配变终端、分支线路监测终端和末端感知终端的台区拓扑动态识别算法，通过信号注入法实现台区拓扑动态识别。在获取台区拓扑的基础上，提出了一种利用智能配变终端边缘计算能力的矩阵判别法，实现故障区段快速定位。