基于跟踪优化的电力设备自动化调控系统设计

王黎明，陈 诚，王昊炜

（1.国网江苏省电力有限公司，江苏南京 210000；2.国网江苏省电力有限公司镇江供电分公司，江苏镇江 212000；3.国网镇江供电公司，江苏 镇江 212000）

电网由输变电系统和配电网两部分组成，在输变电系统中起着非常重要的作用。配电网自动化系统是一种使配电网能够远程实时监测、协调和操作配电网设备的系统[1]。合理规划配电网，加强建设与改造，做好配电网自动化规划，是我国配电网实现自动化的基本原则[2]。当前，我国的配电网自动化系统都以计算机和通讯为基础。一是建立了基于光纤通信网络的配电网计算机实时监测系统和远程终端，实现了配电网运行状态的实时监测；在此基础上，重点研究了故障段定位、隔离与恢复功能的实现，并通过监测系统的各个模块，快速计算出故障段定位、隔离与恢复功能。在主站和分站之间，利用光纤通道传送终端监测数据信号[3-4]。

用传统的方法采用信号微处理器和可编程逻辑芯片PLC 对配电网进行智能控制设计，是配电网自动控制系统的主要设计方法。在此基础上，设计了基于PCI 的人机通信接口的配电网络。该系统通过建立外部扩展数据存储，可以提高数据配电网自控系统的控制性能，但系统采用独立部件设计，整体性能较差。为解决以上问题，提出了基于跟踪优化的自动控制系统设计方法。但在电力控制运行系统的实践中，也存在着一些问题和缺陷。为进一步提高电控运行系统的运行稳定性和安全性，有必要针对这些缺陷和问题进行相应优化设计。

1 自动化调控系统总体结构设计

数据采集与处理系统的设计是配电网自动控制系统的核心部分，在设计中采用了无源晶片处理技术[5-7]。对配电网络自动控制信息的输出电平传输和接收过程中的外部晶格进行协调转换和校准转换处理[8]。在以上分析的基础上，设计了基于跟踪优化的电力设备自动控制系统的总体结构，如图1 所示。

图1 电力设备自动化调控系统总体结构

配电网络自动控制系统的总体设计包括时钟频率采集矩阵、收发信号转换装置、时钟电路、功率放大器和输入功率预处理程序[9]。配电网络自动控制系统属于宽带系统。在配电网络自动控制系统中，通过电源电路输入信号，作为DSP 系统驱动芯片的JTAG 接口。采用恒频滤波器设计DSP 逻辑处理芯片，接收配电网络配置和用户信息反馈[10-11]。数据传输采用SOC，数据采集采用PCI 总线，干扰滤波采用JTAG 调试接口模块，实时配电网自动控制和传输优化采用bit反向寻址[12]。

1.1 数字信号处理器

控制器采用以数字信号处理器和单片机为核心的双CPU 系统，提高了系统的可靠性和实时性。通信器件以AT89C558 单片机为核心，负责系统的通信与阻塞。分块控制和开关输出有助于减少控制器发生故障的可能性，提高可靠性[13-14]。单片机与DSP 的通讯采用双口RAM 结构，具有高速、大流量等特点，总体硬件结构如图2 所示。

图2 系统硬件结构设计

控制系统采集三相电压、三相电流、零序电压、零序电流等模拟信号。由电压互感器和电流互感器获得的电压信号(100 V)和电流信号(5 A)进入控制器后，需作进一步调整，使之转换成A/D 采样电路所需的-5～5 V 电压信号[15]。为避免硬件故障，采用两路开关输出的逻辑和操作方法驱动开关式中间继电器。该控制器带有智能电源模块，除向控制器提供正常工作状态下的电源外，还可实现外部电源自动切换、电源管理(充放电)、电池监控等功能。

1.2 熔断器开关设备

熔断器是保护功能最简单的开关，主要防止因电器设备的短路电流引起的过载损坏和长期冲击[16]。电源线出现过载、过压等故障时，熔断器就会将故障电源线熔断，从而对供电方的电气设备起到保护作用。

1.3 馈线自动化控制接线方式

遥控方法主要通过主站系统控制负荷开关来实现，FTU 发现故障后的电流变化，作出初步判断，将失败的数据信息发送到主站。主站模块完成了数据分析，准确识别出故障区域，实现了馈线的自动化。

如图3 所示，环形网柜一般用于城市建设，网箱分为室内外两种类型。一般环形网柜均采用双进双出方式，进线与环形网两侧相连。一些环形网柜构成了一个小的环形配电网络，网箱环网式配电网络基本采用10 kV 电力电缆，变电站两条母线连接两条馈线可供供电，使变电站的供电线路更加可靠。

图3 馈线自动化控制接线方式

2 软件功能设计

常规主周期加中断序列软件结构难以满足实时性要求，代码复杂，扩展性差，所以在控制器软件设计中使用实时多任务操作系统，实时性好，可靠性高。

2.1 三次重合闸程序流程

操作系统按照两个单片机的分工，在DSP 芯片上进行调度，包括采样、数据处理、状态检测、分割控制和通信，控制器的主要任务之一是实现三级电气保护。该系统实现了8 通道采样，采集的数据经后台处理后，需要进一步判定。若该值有限，则开始相应计数，此时，快断保护启动是没有延迟的。三次重合闸程序流程如图4 所示。

图4 三次重合闸程序流程

该控制器可以实现三次或四次可调重合，重合闸门在跳闸后开始循环。当一条关机命令发出后，启动延迟定时器，在延迟结束时，控制器检测到故障，可加速跳闸并触发下一个重合闸周期：若延迟后，控制器未发现故障，则可解除下一个重合闸周期并重新初始化重合闸过程。若每次重合闸周期结束后仍有故障发生，则发出永久性trip 命令，设定禁止延迟时间。如果在限定的延迟期间检测到故障，则在重合闸周期之后释放下一个重合闸周期。

2.2 基于跟踪优化故障定位矩阵算法

配电网络设备种类繁多，分布范围广，具有不同的能量消耗特征。旧有的配线靠近建筑物、公路等设施，并与宽带、通信光缆、天然气管道等公用服务通道平行或交叉，故障发生后，操作人员很难检查出故障点。针对这一问题，提出了一种基于有向图网络描述的故障定位算法。

2.2.1 网络描述矩阵

针对该馈线电路各个开关编号，假设网络中存在的m个节点对应m阶矩阵。如果网络中a、b两个节点之间存在一条馈线线路，那么网络描述矩阵的第a行b列元素和第b行a列元素可用数字1 来表示，其余元素可用数字0 来表示，网络描述矩阵W中，元素主要体现为网络拓扑结构，如式（1）所示。

2.2.2 故障信息矩阵

按照电力设备终端上传的各个开关超过最大负荷电流时出现的故障电流，可构建故障信息矩阵H，如式（2）所示。

式（2）主要体现在节点b有故障电流通过，需将该元素设定为0，其余情况设为1。

2.2.3 故障判断矩阵

将式（1）与式（2）相乘后得到矩阵Q，对矩阵Q进行规格化处理后可得到判断矩阵Q′，如式（3）所示。

如果判断矩阵Q′中元素为1，那么需规格化处理矩阵Q中第i行j列元素设为0，否则保持不变。如果判断矩阵Q′中元素为0，则表明线路中节点a、b之间是存在故障区域的。

3 实验分析

以某市电力设备为基础，对基于跟踪优化的电力设备自动化调控系统设计的合理性进行实验验证分析。

3.1 电力设备运行概况

到2019 年8 月，全区550 kV 输变电线路总长度达到5 km。近年来，由于配电网建设滞后于负荷发展，导致该地区设备、设施相对落后，故障频繁，供电可靠性不高。以前电力系统改造只注重对设备的改造，而忽略配电网自动化系统建设，导致电力系统自动化水平和供电可靠性还处于低谷。

3.2 故障自动化调控检验

以故障前的网络状态为例，如图5 所示。

图5 故障前的网络状态

如果S7 与S8 之间存在故障，故障定位、隔离与恢复。假设S9 是处于分闸状态，那么其他开关全部处于合闸状态。当开关S7 与S8 之间出现故障时，电流方向由母线流向故障点，这就导致D1 处出现过流保护启动现象，如果故障是永久性的，那么势必会出现二次故障电流，这就导致D1 出现跳闸。如果能够接收到完整的D1 信号，则在S3、S4、S7 和S8 上传故障信息，由此可判断S7 和S8 之间出现故障。

基于此，将基于人机通信接口PCI 自动化控制系统、以计算机为依托设计的自动化控制系统与基于跟踪优化的自动化调控系统的故障检验效果进行对比分析。

正常情况下，流经该两个节点处的故障电压和电流如表1 所示。

表1 流经两个节点故障电压和电流正常值

分别采用3 种系统检验出现故障的电压和电流值，结果如图6 所示。

根据图6 可知，使用基于人机通信接口PCI 自动化控制系统在人机通信接口处容易受到谐波影响，导致故障电压和电流检验值与实际值相差较大，其中当统计次数为4 次时，电压相差最大；使用以计算机为依托设计的自动化控制系统同样容易受到谐波影响，导致故障电压和电流检验值与实际值也相差较大。而使用基于跟踪化的自动化调控系统与实际值一致，由此可知，使用该系统故障自动化检测精准度较高。

图6 3种系统检验故障电压和电流值

4 结束语

以电力设备自动化控制系统跟踪优化设计方法为基础，进行了系统的硬件设计和软件设计，并对系统的总体设计描述和功能指标进行了分析，完成了自动化控制系统的硬件设计和软件开发。

该系统虽然解决了传统控制系统不能识别馈线末端故障的缺点，大大提高了控制效率，但对单相接地故障时配电网过电流不大的情况，需要提高有效识别能力。在此基础上对其不足进行了深入研究，使电力设备自动控制系统更加完善。