基于计算机网络的智能配电网信息物理融合保护系统

赵兴林

（云南电网有限责任公司迪庆供电局，云南 迪庆 674400）

0 前言

电力供应包括发电、输电、配电等一系列过程，其中配电是其中较为重要的环节，主要任务是将电力能源按照用户需求分配给用户。随着科学技术的发展，配电这一环节也逐渐向着智能化、自动化方向发展。在提高配电作业效率和质量的同时，也使得配电系统更紧密、更深层次地结合在一起，这就导致一旦其中一个节点出现故障问题，整个配电系统都会面临瘫痪，因此配电系统中都会配有相应的控制保护设备，一旦发生故障或异常工况时，可以用最快的速度找出故障并排除[1]。然而，当前的保护系统发展较为滞后，无法完全跟上智能配电网故障蔓延的速度，因此如何快速且准确地分析智能配电网故障，并进行隔离和恢复成为当下研究的重点[2-3]。

关于配电网故障的研究在很多文献中都进行相关分析和探讨，张孟琛等人研究一种含DG配电网分层分区协同故障新解决方案，通过在线路不同位置安装带电子绝缘电阻测试仪和重合闸装置的开关设备，实现故障点的自动定位，并以此排除故障，保证其余配电线路正常作业[4]。张丽虹等人开发一种基于地理信息系统的配电网分析平台，通过节点与设备、电路之间的连接关系搜索异常区段，最后利用反向搜索法进行精准进行配电网故障定位[5]。该方法不仅能准确地定位故障与继电保护的距离，而且能在配电网径向布置中准确地定位线路。

基于上述研究，开发一种配电网保护系统。该系统集故障判断、故障定位、故障处理为一体，提高彼此之间的交互效率，在发生故障和异常后，能够以最快速度做出反应，隔离故障，保证非故障区域配电作业能够正常运行，降低故障损失率。

1 智能配电网信息物理融合保护系统设计

配电网是电力系统发生故障最多的系统，常见故障类型和故障原因如表1 所示。

表1 智能配电网故障原因和类型

表2 计算机网络传输组件构成

当前的智能配电网多数都是分布式配电网，这种方式最大的特点是不同配电线路彼此可以相互独立，因此一旦其中一个节点发生故障或异常，可以通过隔离开关将故障段暂时排除配电系统，保证非故障配电网能够继续运行[6]。根据上述背景，本文研究一种保护系统。该系统通过计算机网络实现故障自动检测、隔离以及恢复。

1.1 系统框架设计

所设计系统框架搭建主要分为4 层，智能配电网物理信息采集层、计算机网络传输层、数据分析层以及保护设备执行层，如图1 所示[7]。

图1 系统框架结构图

采集层：位于系统最底层，主要用于采集配电网电力数据。

传输层：利用计算机网络将采集到的配电网状态信息传输到数据分析层，是采集层与数据分析层连接的纽带。

分析层：系统中心层，利用采集到的配电网状态信息检测配电网是否发生异常或故障。一旦检测出来故障，继续进行故障定位，并发出故障隔离命令给执行层的保护设备，进行故障隔离[8]。

执行层：系统最上层。主要用于接收分析层指令，控制隔离设备，隔离故障节点，并尽快恢复正常配电作业。

1.2 系统主要硬件设计

1.2.1 电流互感器

电流互感器，用来检测电流量的设备。配电线路从中穿心而过，采集交流电流信号，然后送入到与之配套的测量仪表当中，显示电流值[9]。本系统当中的电流互感器为AKH-0.66，其内部采用优质纯铜线圈专业机器绕制，精准平整安全可靠，经久耐用，外部采用优良ABS阻燃材质，抗高温，防老化，时刻保护配电线安全。电流互感器、配电线和测量仪表之间的接线示意图如图2 所示。

图2 电流互感器接线示意图

1.2.2 计算机网络传输组件

在电流互感器采集到配电网中电流之后，需要通过计算机网络传输组件将其传输到中央处理器当中，进行数据分析[10]。计算机网络传输组件中各个设备的作用和选型具体如2 所示。

1.2.3 DSP芯片

一个系统中最重要的就是数据的分析和计算。本系统当中选择DSP 芯片来执行此项任务，具体为根据电流信号分析判断是否发生故障行为，故障地点以及故障隔离方案的生产[11]。选择的DSP 芯片为TI 公司研发的TMS320F28335。与其他DSP 相比，能耗低、运行速度快、存储量大。TMS320F28335 芯片主要参数如下：

高性能32 位定点DSP TMS320F28035；时钟频率60 MHz；外扩存储器IIC FLASH 512 K，SPI FLASH 512 K；144PIN 引出CPU所有IO，方便二次开发。

1.2.4 隔离保护设备

保护设备，顾名思义，就是指保护非故障配电网部分，自动将故障设备从配电系统中切除的设备[12]。本系统当中的隔离保护设备选型为MWE232-D。MWE232-D 组成结构如图3 所示。

图3 隔离保护设备组成结构

MWE232-D 优点是灵敏度高，可以在接收到命令后，0.01s 做出响应，迅速截断故障部分，控制故障影响范围。

1.3 系统运行程序设计

系统运行主程序如图4 所示。

图4 系统运行主程序

基于图4 系统运行主程序，划分三个主要功能模块，包括故障判断、故障定位、故障处理等[13]。下面进行具体分析。

1.3.1 故障判断

故障判断，即判断是否发生故障或者异常问题。在这里需要用到分类算法。分类算法有很多，以其中的神经网络为例，具体过程如下：

步骤1：确定配电网电流信号样本；

步骤2：将配电网电流信号分为测试样本和训练样本；

步骤3：训练样本训练神经网络；

步骤4：测试样本得出测试结果；

步骤5：通过阈值函数，判断输出层单元输出是否大于阈值θk，如输出值大于θk，则认为存在故障，否则认为无故障。判定函数如下：

其中，θk为阈值；yk为输出层输出结果。

步骤6：进一步对比不同故障特征，识别出具体发生何种故障[14]。

1.3.2 故障定位

接着上述步骤完成故障识别和判断之后，进入故障定位模块，分析故障具体发生的位置。在这里需要用到免疫蚁群混合算法，具体过程如下：

步骤1：调用区域划分子程序进行配电网区域划分；

步骤2：抗元输入、编码；

步骤3：初始种群产生，设置t=0，t为迭代次数。

步骤4：抗体适成度计算；

步骤5：抗体多样性计算；

步骤6：判断是否结束操作？若结束，继续进行步骤7；否则，作为父代种群进行免疫操作，并配合记忆库，完成更新种群操作。

步骤7：将免疫算法计算出来的抗体的适应度值作为蚁群算法的输入。

步骤8：蚁群算法初始化；

步骤9：按照各路径信息素的浓度，选择故障或非故障路径；

步骤10：根据选择结果，结合馈线终端的实际上传信息和期望状态求取评价函数，保留最优结果；

步骤11：计算信息素挥发系数，并计算各支路信息素增量；

步骤12：产生父代种群；

步骤13：执行免疫操作，生成新的种群。

步骤14：并且更新信息素；

步骤15：判断是否满足迭代终止条件？若满足，输出故障区段。否则，进入下一轮迭代，重新进行运算[15]。

1.3.3 故障处理

基于上述研究结果，进行故障处理，具体流程如下：

步骤1：输入网络参数及故障线路相关信息。

步骤2：对网络进行简化，生成配电网拓扑。

步骤3：查找失电区是否有分布式电源（DG）？若没有DG，则进行隔离故障处理；若有DG，则进行DG 孤岛划分[16]。

步骤4：二进制混合算法求出供电恢复方案，恢复送电。

步骤5：故障处理完毕。

2 系统实现与测试

为验证所设计系统在配电网故障处理中的应用性能，本章节进行系统实现与测试。

2.1 系统测试环境

系统测试的环境涉及网络、软件、客户端、应用服务器和数据服务器等多个方面，见表3。

表3 系统测试环境

2.2 配电网简化

以包含DG 的10 kV 配电网络为例，对其进行简化，并搭建配电网拓扑图，进行仿真，如图5 所示。

图5 配电网拓扑图

图5 中基本参数设置情况如表4 所示。

表4 10 kV配电网络基本参数

2.3 保护系统布置

在 区 段1、2、5、8、14、17、20、22、27、28、30、35、36 等处安装电流互感器，在每两个节点中间处安装隔离保护设备。布置示意图如图6 所示。

图6 保护系统布置图

2.4 系统运行参数设置

故障判断、故障定位、故障处理三个主要程序运行参数设置情况如表5 所示。

表5 系统软件程序运行主要参数设置

2.5 保护功能实现

假设在节点1 和2 之间的线路发生了永久性故障，现在利用所设计的系统进行故障判断、故障定位以及故障处理，结果如表6 所示。

表6 保护系统功能实现结果

从表6 中可以看出，所设计系统应用下，故障判断、故障定位以及故障处理等系统模块给出的结果与设定结果一致，且在10 s 之间完成一系列过程，速度较快。由此说明，本系统能够快速且准确地分析配电网故障并给出处理方案，能尽快恢复供电作业。

3 结束语

综上所述，智能配电网的出现为电力分配提供了极大的帮助，提高了配电作业的效率和质量。同时，智能配电网的高度集成性，使得故障控制变得更加困难，因此开发一款保护系统。该系统设计通过计算机网络将故障判断、故障定位以及故障处理集为一体，实现对配电网故障的全面处理。然而，本研究受到时间限制，还有问题有待进一步优化和改进，即故障处理模块中所用的二进制混合算法的收敛性、稳定性有待进一步的优化，优化后能进一步提高系统对故障处理的速度。