基于GPRS的配电网馈线自动化故障定位技术.pdf

控制理论与应用Control Theory and Applications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期Techniques ofAutomation&Applications基于GPRS的配电网馈线自动化故障定位技术任庭昊,覃禹铭,毛 杰,代启璨（贵州电网有限责任公司遵义供电局，贵州 遵义 563000）摘要:以往馈线自动化技术中的监控终端，在判定故障线路时极易引发非故障线路断电，为此，引入GPRS(General packet radioservice，通用分组无线服务)技术研发出一种配电网馈线自动化故障定位技术。根据无方向性馈线故障定位算法，结合表征各单元间邻接关系的单元邻接表，定位出馈线故障所属区段，采用GPRS通信模式实现信息传输与共享，基于GPRS通信模式与馈线监控终端的联邦式架构建立GPRS通信模块的协同故障防护策略，通过GPRS监控终端模块，实现故障定位自动化。以某县乡级配电网模拟故障发生，验证得出GPRS通信在实现自动化方面更具可行性，且该项技术有效性与适用性较强。关键词:GPRS；配电网；馈线自动化；故障定位；联络开关；APN虚拟专网中图分类号：TP206+.3文献标识码:A文章编号:1003-7241(2023)08-0042-04GPRS-based Feeder Automation Fault Location Technologyfor Distribution NetworkREN Ting-hao,QIN Yu-ming,MAO Jie,DAI Qi-can(Zunyi Power Supply Bureau of Guizhou Power Grid Co.,Ltd.,Zunyi 563000 China)Abstract:In the past,the monitoring terminal in the feeder automation technology is very easy to cause the power failure of the non-faultyline when determining the faulty line.For this reason,the GPRS technology is introduced to develop a feeder automation fault lo-cation technology for the distribution network.According to the non-directional feeder fault location algorithm,combined withthe unit adjacency table that characterizes the adjacency relationship between the units,the section of the feeder fault is located,and the GPRS communication mode is used to realize information transmission and sharing,based on the federation of the GPRScommunication mode and the feeder monitoring terminal.The architecture establishes a collaborative fault protection strategy forthe GPRS communication module,and realizes the automation of fault location through the GPRS monitoring terminal module.Using a county and township-level distribution network to simulate the occurrence of a fault,it is verified that GPRS communica-tion is more feasible in realizing automation,and the technology is more effective and applicable.Keywords:GPRS;distribution network;feeder automation;fault location;contact switch;APN virtual private network收稿日期:2021-06-07DOI:10.20033/j.1003-7241.（2023）08-0042-04.1引言随着电力需求越来越高，安全、平稳的供电质量1逐渐成为电力领域中的首要标准，这对以往的配电网故障处理技术与管控策略提出了巨大的挑战。若想快速恢复供电，就必须尽快准确地找到电力故障，减少故障判定时长。而配电网分布较广，结构较为复杂2，在一定程度上限制了故障定位自动化的实践性。因此，为研究智能、实时发现影响供电的故障所在，国内外相关领域人员开展了深入而又广泛的探索，并取得了一定的成果。文献3根据DG配电网的故障判定模式，利用电流代数及其变化结果，制定出电流相角突变防护依据，通过构建分布式智能馈线自动化系统，完成故障定位与隔离；文献4依据配电网断线负序等效网络，得到负序电压、电流的相位关系，基于此提出不同形式馈线的自动化单相断线故障区段定位隔离策略。馈线作为配电网的主要组成部分，其故障定位效果对配电网安全可靠运行有较大影响5，因此，本文基于文献方法的配电自动化理念，面向配电网馈线提出一种基于GPRS的自动化故障定位技术。编辑支线路单元号码形成映射各单元间邻接关系的单元邻接表，获取设备当下的真实状态；在模型 GPRS 组网中引入 APN（AccessPoint Name，接入点）虚拟专网接入技术，保持电力通信稳定、安全水平；建立GPRS通信模块的协同故障防护策略，确保模型顺利运行，避免故障发生时出现问题；选用西门子MC系列的39iGPRS模块，提升定位稳定性与数据传输速率。2配电网馈线故障定位算法设定散射供电区域的边界为常开状态的联络开关6，则该散射状态配电网范围是电源开关至联络开关。若此42自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期控制理论与应用Control Theory and ApplicationsTechniques ofAutomation&Applications范围内有N个开关节点，按照配电网拓扑结构将其架构为式（1）所示的配电网表征矩阵D：（1）该矩阵的方阵阶数即开关节点个数，矩阵所含元素为dij，满足下列条件方程式：（2）即：当节点i、j间有馈线时，dij=dji=1；否则，dij=dji=0。其中，i,j=1,2,N。依据故障发生阶段产生的节点过流信息7，得到下列故障信息矩阵G：（3）该矩阵所含元素用gij表示，满足下列条件方程式：（4）即：当节点i的开关存在过流信息时，gij=0；否则，gij=1；除主对角线，剩余元素均是0。故障判定矩阵P是配电网表征矩阵D与故障信息矩阵G的乘积，数学表达式如下所示，其元素是pij：（5）当P=0时，说明主干线路末端节点后的区段上有故障发生；当P=1时，采用pijpji异或运算8故障判定矩阵元素；当pij=pji=1时，说明馈线上节点i、j间区段内有故障发生。把故障指示器置放于所有的分支线路上，将主线路的分布式智能终端看作节点，通过该节点与故障指示器具体方位，明确主线路上故障指示器的所在区段，对主线路单元、支线路单元分类后，编辑支线路单元号码形成单元邻接表，用于映射各单元间的邻接关系。图1单元邻接表图1中，馈线是Xi，馈线上的智能终端与故障指示器分别为Zij、Fik，且令下列方程组成立：（6）单元邻接表与设备当下的真实状态一一对应，故依据故障出现前的单元邻接表，即可得出设备方位的相关性。单元邻接表的表征准则具体描述如下：（1）确保工程性、效益性以及功能性的同时，尽可能多地将分布式智能终端与故障指示器，分别置放于各主线路区段连接点的断路器上与支线路上；（2）配电网大负荷支线路具有较大的负荷容量，一旦支线路发生故障，将引发大面积停电，因此，尽可能多地把故障指示器置放于此类支线路上；（3）依据间距分类主线路单元与支线路单元。根据故障判定矩阵P与单元邻接表，比较节点i、j区段中支线路单元上的电流，由电流极大值完成支线路故障定位；若主线路范围的支线路故障信息较为趋近，则主线路发生故障。3基于GPRS的配电网馈线故障定位自动化3.1GPRS技术下配电网馈线故障自动化定位模型利用由GPRS通信模式实现信息传输与共享的主站模块、子站模块以及终端模块，组成配电网馈线故障自动化定位模型，如图2所示。各模块具体描述如下：（1）主站模块：作为配电网的监控主站，该模块的功能是通过人机交互来管理配电网。管理过程分为两个方面：按需处理监控子站信息、对监控子站发送执行命令；（2）子站模块：监控子站是该模块的主要组成部分，用于监管配电网各子区域。通过子站通信，达成信息交互与共享；（3）终端模块：该模块由DTU（Data Transfer Unit，数据传输单元）与FTU（Feeder Terminal Unit，馈线终端装置）等终端设备架构而成，用于实时监控设备状态。在模型GPRS组网中引入APN虚拟专网接入技术，保持电力通信稳定、安全水平，得到图2所示的配电网馈线故障自动化定位模型。图2APN虚拟专网下自动化定位模型43控制理论与应用Control Theory and Applications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期Techniques ofAutomation&Applications3.2GPRS通信模块的协同故障防护策略为确保模型顺利运行，避免故障发生时出现问题，针对GPRS通信模块，基于GPRS通信模式与馈线监控终端的联邦式架构，采用中介子机制优化合同网协议，建立一种协同故障防护策略。基于传统合同网的协作对象角色，创建防护策略中的管理者与执行者，其对应的约束规范如表1所示。表1协同故障防护策略角色及其约束规范统计表序号1234馈线监控终端中介子（管理者）建立状态检测任务指令，并针对性地发送接收、评价执行者的投标申请，定位故障提出故障隔离执行，选取最优终端签订合同监察、分析终端任务完成情况子集中馈线监控终端（执行者）接收状态检测任务指令分析任务指令，审核执行资格经过检测与处理的故障信息发送至中介子按中介子指令履行任务3.3GPRS技术下配电网馈线监控终端3.3.1监控终端硬件馈线监控终端选用西门子 MC 系列的 39iGPRS 模块，相关指标如表2所示。该模块能耗较小，稳定性较高，存储、传输速率较快，符合馈线监控终端的应用需求。模块控制通过RS232实现，便于GPRS模块与MCU（Mi-cro Controller Unit，微控制单元）间通信。表2MC系列39iGPRS模块相关信息名称电压温度支持功能消耗电流功率输出参数3.55.1-1860语音、数据、传真等休眠空闲断电运行2 W EGSM 11001 W GSM 200049110280单位VmAmAAmA3.3.2监控终端软件GPRS 通信模块利用 GPRS 骨干网与 APN 虚拟专网，发送馈线监控终端数据至监控中心。在数据发送阶段，GPRS通信协议具备分层特点。各分层中的具体通信协议如表3所示。表3GPRS通信阶段的各层协议分层数据链路层网络层传输层应用层通信协议PPP协议IP协议TCP/UDP协议IEC101/104图3所示为基于GPRS通信模块的馈线监控终端运行流程。图3GPRS通信模块运行流程4配电网馈线自动化故障定位仿真实验选取某县乡级配电网，利用数据库完善的PSCAD（Pow-er Systems Computer Aided Design，电磁暂态仿真软件）电力仿真软件，模拟发生配电网馈线故障，采用本文设计的馈线故障定位算法与模型，展开自动化故障定位仿真实验。4.1GPRS通信技术性能分析与网络拓扑构建为验证GPRS通信模块在馈线自动化故障定位方面具有显著优势，分别将其与光纤、双绞线两种电力领域常用的通信模式作比较，并采取满分为5分的打分原则，评价各通信模式性能，评分结果如表4所示。表4通信模式评估指标对比指标安全稳定价廉便于维护便于架构高效可移动在线时间长光纤55141314双绞线53141414GPRS55545545从表4的通信模式评分结果可知，GPRS技术采用中介子机制优化合同网协议，有效实现了协同防护策略，故对比光纤、双绞线模式性能，具有更理想的适用性与可行性。4.2配电网馈线自动化故障定位模拟应用电磁暂态仿真软件模拟发生配电网馈线故障，得到故障后数据，采用凯伦贝尔变换法转变信号相模，利用LMD（Local Mean Decomposition，局部均值分解）法处理线模分量，取得如图4所示的PF1分量。令窗口长为周期性采集样本的20%，求解PF1分量差44自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 8 期控制理论与应用Control Theory and ApplicationsTechniques ofAutomation&Applications分熵结果，如图5所示。图4局部均值分解后PF1分量图5PF1分量差分熵根据图5中PF1分量差分熵结果可知，在第243个采样点处发生突变，结合模拟的馈线故障发生方位，推导出监测设备与故障发生位置的间距约为3 000 m，该定位结果与预设情况基本吻合。由此可见，本文能够有效完成馈线故障的自动化定位。4.3故障类型对定位准确度影响以第1个监测设备为起始点，记录其与故障发生点之间的距离长度，经整理实验结果，得到表5所示的预设定位与仿真定位结果对比情况。表5不同故障类型下定位结果对比/m序号12345故障种类AgACACgABCABCg预设定位270242283260235仿真定位270241283260233由表5中数据可以看出，即便故障类型不断发生变化，但本文方法的仿真定位结果与预设定位情况仍具有较高的拟合度，构建的无方向性馈线故障定位算法与基于GPRS技术的自动化定位模型。算法中利用形成的单元邻接表，获取当前设备各单元间的邻接关系，联立设备间的方位关系；通过GPRS通信模块与协同故障防护策略，实现信息自动化的安全传输与共享，大幅提升了不同故障类型的定位准确度。5结束语本文利用GPRS技术设计了配电网馈线自动化故障定位技术，为后续的故障处理与恢复供电奠定基础。应将本文方法应用于实际的配电网中，探究真实数据下方法存在的利弊，以便进一步改进；今后需在本文研究成果的基础上，利用遥测为主站提供电压、电流、开关设备等信息，通过更高效的馈线自动化技术，扩展该技术的应用前景；实验环节只模拟了发生一个故障时的定位效果，下一步应就同一时间内发生多个故障情况展开研究；GPRS通信模块作为技术核心，需针对信号减弱等影响进行深入探索，加强自动化水平。参考文献:1 刘满君,程林,黄道姗,等.基于运行可靠性理论的高可靠性供电路径搜索方法J.电工技术学报,2019,34(14):3004-3011.2 贾科,李论,杨哲,等.基于贝叶斯压缩感知理论的配网故障定位研究J.中国电机工程学报,2019,39(12):3475-3485.3 Yue,Song,Yu,et al.A New Formulation of Distribu-tion Network Reconfiguration for Reducing the Voltage Vol-atility Induced by Distributed GenerationJ.IEEE Transac-tions on Power Systems,2019,35(1):496-507.4 常仲学,宋国兵,张维.配电网单相断线故障的负序电压电流特征分析及区段定位J.电网技术,2020,44(8):3065-3074.5 郭壮志,陈涛,徐其兴,等.配电网故障区段定位的互补松弛约束新模型与算法J.电力自动化设备,2020,40(5):129-136.6 杨勇,陆翌,许烽.基于FMSS的配电网馈线互联控制策略J.电力电容器与无功补偿,2020,41(4):160-164,171.7 刘旭东,王宏华,王成亮.高压直流系统中调相机模糊控制研究J.机械制造与自动化,2019,48(3):213-216.8 高婷婷.门诊自动化药房全自动发药机应用现状与评估J.饮食保健,2020,7(20):276-277.作者简介:任庭昊（1982-），男，本科，工程师，研究方向：电力系统调度自动化和配网自动化。45