配网馈线自动化系统设计及应用实践分析

袁志伟

（中国安能集团第二工程局有限公司厦门分公司，福建 厦门 361022）

0 引言

由于配电网具有复杂的特点，提升其运行稳定性、响应速度和精度已成为配电网设计工作中需要关注的三个重要方面[1]。设计配网馈线自动化系统是实现这些目标的关键途径。因此，在本次研究中，我们将以分层结构的SCADA 系统为基础，整合双环自愈网通信模式、SQL（Structured Query Language）数据库和FTU 设备等技术，进行全面的研究。某地开发区配电网络采用传统SCADA 系统进行馈线自动化系统设计，以保证配电网络的运行稳定性，但在该系统的运行过程中，存在数据交换便利度低、无法进行互联以及用户无法进行二次开发的局限。对此，技术部门决定对SCADA 系统进行重新设计，以提升系统的数据交换便利度、互联程度和灵活性[2]。

1 系统整体结构设计

根据上述需要，本次采用效率和精度更具优势的分层结构式SCADA 系统进行整体架构设计，其结构如图1 所示。

图1 系统整体结构图

如图1 所示，在本次设计的配网馈线自动化SCADA 系统中，该主站作为核心，对目标区域配电网进行全面监视与控制；该子站又称为“前置机子站”，其主要作用是规约管理，同时与FTU（馈线终端装置）和RTU（远程终端单元）之间进行通信[3]。

2 系统主要模块设计

2.1 通信网络及通信规约设计

因电网系统复杂程度较高，通信网络采用双环自愈网模式下的馈线自动化光纤网，其具体设计如图2所示。

图2 通信网络示意图

如图2 所示，如果配电网运行正常，那么通信网络中将存在四个数据传输路径情况为：从光端机A的Ta 口到光端机B 的Ra 口、从光端机B 的Ta 口到光端机C 的Ra 口、从光端机C 的Ta 口到光端机D的Ra 口以及从光端机D 的Ta 口到光端机A 的Ra口。基于上述路径，当配电网出现故障后，光端机D的信号无法传递到光端机A，此时通信网络只能依靠内环进行运行，因此数据传输路径发生变化：从光端机A 的Ta 口到光端机B 的Ra 口、从光端机B 的Ta口到光端机C 的Ra 口、从光端机C 的Tb 口到光端机B 的Rb 口以及从光端机B 的Tb 口到光端机A 的Rb 口。

针对实时采集分析数据的需求，本设计采用IEC标准下的101 规约，并对其OSI 开放式7 层协议进行了简化处理，仅采用增强型的三层模型：物理层、链路层和应用层。其中，物理层由控制站的数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备（DCE）组成，二者通过异步ITU-TV.24 接口进行通信，从低向高传输通信数据。链路层的信息传输规则如下：（1）接收站在检查传输数据是否存在差错后，确定是否传输该数据并进行发送/确认、请求/响应服务；（2）动站和启动站之间互相传递信息并保存；（3）各次服务传输过程之间相互独立，仅在当前一次服务传输全部结束后才会执行发送帧操作。

2.2 数据库设计

结合实际需要，数据库选用SQL2019 型数据库，并确定数据见表1。

表1 主要选定数据

在此基础上，对数据库进行优化设计，访问流程如图3 所示。

图3 数据库访问流程

如图3 所示，在配电网运行的过程中，所有产生的数据都被备份在SQL Server 数据库中。实时数据库每五分钟进行一次写入操作，更新最新的数据并将旧有数据保存作为历史数据。如果客户端需要访问内存数据，就必须通过RTDBMS，并使用标准的SQL 语言指令对其进行访问。在上述基础上，应用C4.5 算法实现配电网数据的统计分析功能，通过划分数据集并选出最优特征索引，为保证数据库安全性，引入云端加密程序生成密钥。其主要流程是：（1）根据数据的字节数，应用DES 密钥生成器随机生成一个密钥并转换为密文；（2）在云端保存密文；（3）客户端重新生成随机密钥内容，循环往复进行。

2.3 终端设备选型设计

首先，使用保护功能较为完备的RWK-551B-G型FTU 馈线终端设备，将其安装于配电网的柱上开关侧，对FTU 馈线终端设备进行选型设计，FTU 馈线终端设备数量则与配电网柱上负荷开关数量相等。其次，选用功耗较低且普适性较强的AD2066L 型RTU地调开关设备，将其安装于配电网的变电站出线开关附近，对RTU 地调开关设备进行选型设计，使之与变电站、FTU 之间组成闭合回路。当该闭合回路中出现故障且继电器重合闸操作失败后，RTU 将向回路上的各个FTU 设备发送指令，以判断故障点位置，进而控制故障点两侧最近的开关分闸，实现隔离故障和非故障区域恢复送电的目标，以实现降低停电面积和停电时间的作用。

2.4 运行状态检测功能模块设计

为实现对配电网运行状态的实时监测，主要通过以下几个方面分别进行设计。

（1）拓扑解析模块设计，以获取故障定位信息，该模块主要基于以下几个函数加以实现：①parseAcline函数，其主要对CIM 文件中的交流线路元素进行解析，得出各个交流线路元素之间的联结关系；②parse-Breaker 函数，该函数的作用是解析CIM 文件中的开关元素，得到各个开关元素之间的联结关系；③parse-Busber 函数，其用于对CIM 文件中的母线元素进行解析，得到其联结关系；④parseTopology 函数，其根据前三个函数输出的结果进行整合分析，以最终得到配电网拓扑结构信息。

（2）界面展示模块设计。参考B/S 架构的设计理念，采用AngularJS 框架并使用路由来实现页面切换控制，确保每个分界面都有唯一的视图模板与之对应，同时通过routeProvider 服务上的函数加载不同界面。最终得到界面如图4 所示。

图4 界面展示示意图

3 系统应用

在完成整个配网馈线自动化系统的设计后，进行了应用实验以检验系统的综合性能。在某地开发区的配电网中应用该系统，对6 条线路和一座开闭变电所进行了配网馈线自动化改造，涉及15 台FTU 和三个变电站的RTU 设备[4]。通过双环自愈网络将这些设备连接起来，同时配置了三台数据服务器和三台工作站，以实现系统搭建中的信息传递。系统搭建完成后，首先对系统的故障隔离与恢复功能进行测试。在模拟某节点出现跳闸故障后，该系统自动进行故障诊断和定位，其远程开关也自动执行遥控，在12 s 内即完成故障识别与处理的全过程，证明该系统故障隔离与恢复功能取得了预期效果。在对系统的主要性能指标进行测试之后，得出测试结果见表2。

表2 系统性能测试结果

根据上表中的数据信息可知，系统主要指标均满足实际需要，因此证明本次配网馈线自动化系统设计工作取得了初步成功。

4 结语

随着电力市场化和可再生能源逐步普及，配网馈线自动化技术将越来越受到重视。配网馈线自动化系统将向着更加智能、高效、可靠、安全的方向发展[5]。具体来说，其发展前景主要体现在以下几个方面：

（1）智能化：配网馈线自动化系统将向着更加智能化、自适应的方向发展，通过引入人工智能、大数据等新技术，实现对系统运行状态的实时监测与优化调控。

（2）高效化：未来的配网馈线自动化系统将更加注重运行效率和节能减排，并通过优化调度算法、可靠性评估等手段，提高系统运行效率和经济性。

（3）安全可靠：随着电力市场化的推进和用户需求的不断提高，配网馈线自动化系统的安全可靠性将成为其发展的重中之重，未来的系统将采用更加严格的安全标准和技术手段，以确保系统运行的安全可靠。

在基于SCADA 的配网馈线自动化系统设计中，采用分层设计理念并加强通信信道建设以及正确选取通信规约是设计过程中需要重点考虑的内容。这些措施对于提升系统性能指标具有重要作用，同时在本次系统实践测试中也得以证明。