配电网自动化系统设计与故障定位技术探讨

湖南郴电国际发展股份有限公司宜章分公司 向东华

本文以本公司参与的城市配电网项目为例，建设过程中对配电网自动化系统进行合理设计，包括终端系统、主站系统、通信系统以及馈线自动化设计内容，组建了性能水平较高的自动化系统。

1 案例分析

该区域配电网最高用电负荷为5.10×106kW，该供电区域内的用电用户共计101.3万户。本公司技术人员对该区域的配电网线路数的实际设置情况进行调查分析，结论为：该区域内共涵盖6种配电线路，线路长度存在差异，区域内共有94座变电站，变电强度不低于35kV，容量9.04×106kVA。为便于分析与测试，本公司技术人员甄选110kV/10kV 变压器所对应的母线作为本次分析与测试线路，以此来对电网自动化系统的应用效果进行分析。

在测试阶段，本公司技术人员对具有配电网自动化系统的母线与另一条母线的实际运行情况进行对比分析，并得出其初始线路、自动化线路数据如下：空载耗损0.07/0.02kW、负载耗损0.22/0.11kW、空载电流2.86/1.23%。

根据数据对比可知，应用电网自动化系统的母线在空载、负载以及空载电流方面与初始线路相比较而言，皆出现了明显的下降，其中空载耗损下降0.05kW，负载耗损下降0.11kW，空载电流下降1.63%。由此可知，根据本公司技术人员所提出的电网自动化系统设计方案，可以有效的降低母线耗损，最大限度的帮助供电企业节约电力输送成本，具有良好的实际应用价值，并在一定程度上降低电力资源的浪费，提高电网资源利用效率。

2 项目配电网自动化系统设计分析

2.1 终端系统设计

本项目终端系统主要负责收集现场数据，如电流、电压和开关状态，同时还要控制断路器、隔离开关等设备，实现对配电网络的监控和控制，具体设计要点包括：

第一硬件设计。终端系统的硬件包括微处理器、数据采集模块、输入输出接口、通讯模块等。选择合适的微处理器十分重要，其性能需要满足数据处理和实时任务调度的需求，例如采用ARM Cortex-M 系列微处理器，其以较低的功耗提供高性能计算能力，适合于实时数据处理，而数据采集模块需要有足够的精确度和速度，例如使用16位或更高精度的ADC（模数转换器），以确保电量测量的准确性。

第二软件设计。软件是终端系统设计的另一个核心部分，主要包括实时操作系统（RTOS）、驱动程序、通信协议栈和应用程序，其中RTOS 选型至关重要，需要保证任务的实时性和可靠性，如FreeRTOS 可以提供灵活的任务管理和较小的占用空间，应用程序需要实现数据采集、故障检测、控制命令下发等功能，同时还需开发相应的通讯协议栈，以支持与上级监控系统的通信，如IEC 61850或DNP3协议。

第三通信能力的提升。终端系统需要通过无线或有线方式与控制中心通信，在设计通信模块时考虑到系统的实时性和可靠性，可以采用4G LTE 或未来的5G 技术进行数据传输，提供高速率和低延迟的通信能力，同时考虑到通信的稳定性和安全性，引入VPN 或加密技术以保证数据传输的安全。

在本项目中，本公司设计了一种新型的远程终端单元，该终端采用了ARM Cortex-M7微处理器，频率高达400MHz，能够快速处理复杂的数据算法，数据采集模块选用24位ADC，提高了测量精度，所有的设计都在支持FreeRTOS 操作系统下进行，确保了系统的实时性和稳定性；而在通信方面，终端支持LTE 和以太网双备份通信方式，有效提高了系统的通信可靠性。为测试系统的性能，在实验室环境中模拟故障情况，从故障发生到终端检测并上报控制中心的时间平均为150ms 内，远远超出了原先系统500ms 的要求[1]。

2.2 主站系统设计

在硬件架构方面，主站系统通常包含服务器、存储设备、网络设备和备份设备等，为确保系统的高可靠性和可用性，通常采用高性能的服务器群，通过冗余设计实现故障切换，比如可以采用热备份的方式，当主服务器出现故障时备份服务器立即接管，保证系统的连续运行；数据存储方面采用高速的SSD 阵列，并通过RAID 技术提高数据的安全性和访问速度。

软件平台的选择对主站系统的功能和性能同样至关重要，主站软件不仅需要实现对配电网中各类设备（如变压器、断路器等）的监控和控制，还需具备数据分析、故障诊断和决策支持等功能，并且软件平台应支持模块化设计，便于后续的升级和扩展，本项目使用基于IEC 61850标准的软件平台以实现与各种智能电网设备的兼容和互操作。

此外数据处理能力是衡量主站系统性能的关键指标，主站系统需要实时处理和分析来自配电网的海量数据，不仅包括电流、电压等实时监测数据，还包括设备状态、故障记录等信息，利用高效的数据处理算法和技术，如实时数据库和内存计算技术可以大大提高数据处理速度和准确性；例如通过引入复杂事件处理（CEP）技术，可以在数据生成的同时进行分析处理，实时发现和预警系统中的异常情况。

最后通信协议的选择也是主站系统设计中的重要考虑因素，主站系统需要与配电网中的各类设备进行通信，因此需要支持多种通信协议，如Modbus、DNP3和IEC 60870-5-101/104等， 为了确保数据传输的安全性，应采用加密和认证机制，防止数据被篡改或泄露[2]。

2.3 通信系统设计

通信系统是连接终端系统与主站系统的重要桥梁，自动化系统所传输的数据相对较为复杂，一般情况下可以分为两种类型，分别为生产管理数据以及实时监控数据。其中实时监控数据是终端系统与主站系统之间最为常见的传输数据，生产管理数据则是各个主站系统之间的主要传递数据。

为保证电网自动化系统的数据通信传播质量，设计人员在对该系统进行设计的过程中，需要对以下设计内容进行注意：通信系统可以应对多元化的复杂环境，并且可以长时间运行，保证数据传输的稳定性；在保证数据传输稳定的基础上，降低传输成本；在对通信系统进行设计时，需要预留设计空间；系统需要具有一定灵活性，并且可以保证双向传输；需要将多种通信方式进行整合，降低人力资源消耗。设计人员在设计过程中还需要对通信介质进行甄选，当前相对较为常见的通信介质主要涵盖微波通信、载波通信、光纤通信、金属线通信以及GPRS 通信[3]。

2.4 馈线自动化设计

馈线不仅是保证电网自动化系统正常平稳运行的重要基础，也是保证电力资源高效运输的重要组成部分，配电网环网形式以及运行线路中的负荷，都会对电网自动化系统的实际运行状态造成影响，从而导致电网自动化系统中的馈线出现不同程度变化，是进而使得配电网运行数据难以始终维持较高水平的重要原因。所以，设计人员需要根据电网自动化系统对馈线进行全面设计，根据电网自动化系统的执行负荷配置以及供电半径，对馈线供电区域进行划分，从而规避线路重合问题。

在对馈线线路进行设计的过程中，设计人员还需要对故障问题进行考量，所以为最大限度的保证配电网系统的自动化运行效果，需要以供电区域的覆盖情况为管理参数进行如下计算，计算公式如下：P=I/L×100%，式中：P代表着配电网馈线的有效覆盖参数，I代表着馈线自动化建设线路数量，L代表着配电网馈线总数。

值得设计人员注意的是，当有效覆盖率满足阈值标准时，配电网馈线方可对线路中的负荷变化进行自动化的获取。通常情况下，覆盖范围越小馈线自动化覆盖率越高，反之则越低[4]。

3 配电网自动化系统故障定位技术分析

3.1 故障指示定位技术

故障指示定位技术主要目标是快速准确地识别出发生故障的位置，以便及时处理，减少停电的影响，其中以安装一系列故障指示器于配电线路沿线为主，这些指示器能够检测过电流或短路故障，并通过无线通信技术实时将故障信号回传至控制中心，且某些故障指示器采用磁敏传感器来监测电流变化，当检测到异常高的电流时，指示器会立即激活警告信号[5]。

3.2 行波电压分布故障定位技术

行波定位技术，即通过测量故障时的行波信号来确定故障发生在什么位置。行波法可以分为两相接地以及单相接地等类型。以单向接地为例，单相接地行波法的基本原理是：利用电流互感器和电压互感器中的两种信号，将电流互感器、电压互感器输出信号进行有效隔离。由于配电网的电流比较小且分布较为复杂，因此单相接地故障定位较难实现。

技术人员还可根据双端行波定位解析图像对具体的故障部位进行定位分析，该方法需在线路两端设置测量点M、N，若F点发生意外事故，其会沿着线路发射脉冲信号，行波速度为V，技术人员需对脉冲最开始到达测量点M、N的时刻进行记录，分别为tM、tN，所以配电网意外故障事故发生点之间的距离如下：

lMF=[lMN+v×（tM-tN）]/2，lNF=[lMN+v×（tN-tM）]/2

式中：lMF代表着线路M点至F点之间的距离，lMN代表着测量点M至测量点N之间的距离，lNF代表着线路F点至测量点N的距离，v代表着行波速度，tM代表着脉冲抵达测量点M的时刻，tN代表着脉冲抵达测量点N的时刻。

高斯窗口的宽度以及长度会随着频率的变化而变化，频率越高窗口越窄。当线路出现故障时，故障点会出现负电源，该项电源会对线路两端传输电压行波以及电流行波，根据分布参数模型，技术人员对电流行波以及电压行波进行计算，具体如下：

u=u1（t-x/v）+u2（t+x/v）

i=1/Ze[u1（t-x/v）+u2（t+x/v）]

式中：u代表着电流行波，i代表着电压行波，u1代表着故障点的初始电压前行波，u2代表着故障点初始电压的反行波，Ze代表着线路波阻抗，v代表着行波速度，x代表着零序电流细节分量幅值，t为时间轴，可以根据上述计算公式对行波的传输特征进行分析，以此来更好的完成故障定位。

3.3 小波分析故障定位技术

小波法是一种应用比较广泛的基于故障信息分析的方法，小波分析是利用电压和电流的低频信号来确定故障发生在什么位置，通常采用分解提取信号和傅里叶变换等方法来实现。小波法和行波法有很大的区别，前者具有比较高的灵敏度，而后者则具有较高的分辨率。由于小波分析在配电网故障定位中能够实现自动搜索，因此具有比较高的定位精度。故障定位过程中，需要根据不同类型的故障来选择不同类型的算法。如果配电线路发生单相接地故障可以采用行波法；如果出现两相接地故障则可以采用小波分析法[6]。

综上所述，切实做好配电网自动化系统设计，全面应用故障定位技术，不仅可以有效地提高配电网系统的高效运行，满足现代化配电网建设需求，降低配电网系统运行成本，保证供电运行安全，还可最大限度地提高电力能源使用质量，减少电力传输浪费，促进电力企业的经济发展，满足用户基本用电需求。