一种电缆线路新型就地馈线自动化模式.docx
《一种电缆线路新型就地馈线自动化模式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种电缆线路新型就地馈线自动化模式.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
一种电缆线路新型就地馈线自动化模式
一种电缆线路的新型就地馈线自动化模式
张维1，张喜平2，郭上华1，杨献志2，赵文博2
（1.珠海许继电气有限公司，广东珠海519060；2.中山供电局，广东中山528400）
摘要：
讨论了电缆线路的新型就地馈线自动化模式，提出了主干线采用GPRS馈线单元网络拓扑的区域故障定位与隔离，分支线采用就地分界保护功能，与变电站出口断路器级差配合的策略。
详细论述了该策略的原理和方案，着重讨论了单元式网络拓扑机制和基于3G无线专网的双通道通信机制：
信息畸变、信息交互机制、信息交互时空特性、信息交互安全特性；给出了配套产品的整体设计，并在中山局五桂山进行了工程示范，验证了可靠性和准确性，对现有10kV电缆网馈线自动化的探索具有较大的理论和实践指导意义。
关键字：
电缆网；3G；馈线自动化；故障定位
0引言
10kV配电网架空线路馈线自动化经过十余年的发展，基于二遥配电终端的电压时间型、电流计数型等就地馈线自动化模式得到大规模应用,相间短路故障和小电阻系统接地故障得到了有效的诊断[1-3]；与此同时，随着对等分布式信息交互的智能分布式FA模式[4-5]的提出和发展，架空线路的供电可靠性有望得到进一步提高。
然而10kV电缆线路馈线自动化的建设多年来发展缓慢，目前仅部分A+区采用光纤通信实现了主站集中型或智能分布型的故障自动定位与隔离，但受制于光通信网络铺设难以大面积推广；一部分地区引入电压时间型模式实现就地型故障自动定位与隔离[6]，其余地区依靠故障指示器实现故障自动定位[7]。
传统就地馈线自动化模式和故障定位技术虽然有效地降低了故障平均影响台区数量，但故障的自动隔离和非故障区域恢复供电较长，已逐渐不能满足用户对供电质量及可靠性的要求。
因此探索一种进一步提升供电可靠性、经济实用、易于推广的电缆网馈线自动化模式，具有十分重大的意义。
1电缆线路馈线自动化模式提出
如前节所述，目前国内对于电缆网线路馈线自动化模式的研究集中在以下两个方向：
1）不依赖于通信的就地馈线自动化模式，如文献[8-9]提出的分层分区、两级级差保护配合电压时间型逻辑的故障就地隔离模式；2）基于光纤通信的智能分布FA模式，如文献[10-11]提出的基于GOOSE传输的实时网络拓扑识别、故障定位与隔离，恢复供电的策略。
前者投资小，见效快，供电可靠性偏低；后者投资大，建设周期长，供电可靠性高。
基于此，本文结合笔者所在项目组的工程经验和技术积累，将“不依赖于通信”重新定义为“不依赖于通信数据的同步性和高实时性”，提出一种新型就地馈线自动化模式，即基于继电保护和3G网络重构的分层分界区域故障定位与隔离策略，实现馈线单元主从拓扑重构模式，完成线路的故障定位隔离与转供。
该策略采用双通道通信方式借助于3G专网，可不受通信通道空间制约实现数据纵横两向传递，利用各节点状态信息完成主干线故障的定位与隔离及快速复电；利用分界断路器成套设备与变电站出口断路器级差配合，实现分支线路的故障就地隔离；对无线专网采用IPSecVPN安全认证、加密和身份识别技术，充分保证了智能设备之间信息安全交互。
2区域故障定位与隔离策略
2.1新型电缆线路馈线自动化典型系统架构配置
电缆线路典型系统构架如图1所示。
1）出口变电站CB1和CB2设定速断时限为0.3s。
2）主干线分段开关K1~K5配置自动化负荷开关，采用基于GPRS通信的分布式FA馈线自动化，主干线FTU之间通过GPRS通信网络交换配电线路各节点故障状态、开关位置、开关拒动等相关信息；智能分布FA功能结合静态网络拓扑信息、线路故障信息、开关动态位置信息和各FTU的GPRS通信状态判断所控制开关的运行状态，确定所控制开关的动作逻辑。
3）分支出线配置自动化断路器，采用就地保护功能，速断时限为0s，与变电站出口断路器CB1和CB2构成级差配合，实现分支线故障就地切除。
4）各FTU和FDR自动化终端通过另一个通道与主站进行信息交互，实现正常的二遥数据上送。
图1典型方案系统构成图
Fig.1Typicalsystemconfiguration
2.2主干线主从网络拓扑重构模式
基于对等通信的分布式FA，其拓扑重构较复杂、繁琐，一旦出现节点变动或新增，整个网架拓扑的ID必须重新演算，考虑到我国现有10kV电缆网线路的网架结构往往在使用过程中会变动调整，本文采用馈线单元主从网络拓扑重构模式，只需更改该节点及顺序以下节点ID，依靠主节点注册相关ID并下发配置文件即可适应新网架，减少维护量。
本文参考文献[12-13]所提出的原则和意见，在非健全机制下充分考虑各种不良因素，并结合工程现场进一步简化和实用化。
馈线单元主从网络拓扑重构模式的拓扑信息建立，可简化为负荷开关为节点，线路为边。
故障处理所需要的开关信息包括：
设备编号，相邻节点编号，类型，状态以及是否有故障信息等。
定义编号为i的开关的故障信息函数f（i），如下：
（1）
该模式下的主干线故障定位与隔离逻辑遵循以下原则：
总原则：
每一条基于GPRS分布智能的馈电线路均配置1台FTU作为分布智能主控制装置，即主节点，其他FTU为从节点。
当线路出现故障时，所有从节点向主节点发送线路故障数据，主节点根据线路拓扑信息和线路故障信息确定故障区段，再通知相应的从节点。
依据区域拓扑结构信息和分布式算法进行分析判断，确定故障区域，完成故障区域的隔离和复电；并且还根据通信故障信息、设备异常信息、保护信号失真信息、开关拒动信息等畸变信息决定后备保护、远后备保护策略。
分布式故障定位：
以被保护的对象为一个逻辑区域（如开关CB1和K1之间的配电线路区段、开关K1和K2之间的配电线路区段、开关K2和K3之间的配电线路区段、开关K3和LS之间的配电线路区段）；逻辑区域为点，与逻辑区域相连接的开关为边，逻辑区域内相关联的开关只有一个开关有故障电流，其他开关无故障电流，则该逻辑区域为故障区域，如图2所示。
图2逻辑区域关联图
Fig.2Associatedlogicregion
盲区故障定位：
变电站出线断路器CB1和CB2之后的线路第1台开关之间的故障通过转发服务器和K1、K1′主控制单元交互信息隔离故障并恢复故障负荷侧非故障区段的供电。
故障隔离：
由主节点K1综合线路各开关K1~K5及LS的故障信息，使用分布智能方法定位故障，将故障信息分别发送至故障两侧自动化点，由自动化点依据接收到的故障信息和自身故障信息，主动识别并发出跳闸命令，从而隔离故障。
联络转供：
由主节点综合故障后开关动作状态信息，向LS发出故障成功隔离信息。
LS接收到该信息后，进入转供逻辑判断，完成转供。
后备保护：
当故障区段两侧有多个通信模块或一二次设备异常时，由相邻的电源侧或负荷侧分段开关后备保护分闸，隔离故障。
模式切换：
当通信通道处于非正常状态，整个分布式处理机制退出，自动切换到就地传统的电压时间型馈线自动化模式。
2.3分支线两级级差保护模式
将分支线与变电站出口保护两级级差配合，另外考虑分支分界和用户分界同时存在，可同时跳闸，依靠分支自动化设备一次重合实现故障定位与隔离；考虑到现有设备的制造工艺水平以及电缆线路短路电流承受水平，变电站10kV电缆出口断路器“速断保护时间”可调整一定延时，一般为0.3s。
如图3所示，根据线路或用户分布情况，分支线配置分支线分界断路器，原则上按照0.15s进行级差配合，对于分支线分界断路器和用户分界断路器均为0s的情况下，可通过分支线分界断路器重合闸来实现用户故障的处理。
由于该模式和相关技术产品比较成熟，本文不再赘述。
图3分支分界示意图
Fig.3Branchesandboundaries
3双通信通道的3G无线专网通信
如前文所述，采用双通信通道的3G无线专网通信传递各节点状态信息，可以摒除主站集中型由于数据广播风暴、信息拥塞情况而导致的配电网自动化功能瘫痪；也可以充分发挥无线网络传输空间制约小、建设周期短、建设费用低的优势；同时针对无线专网采用IPSecVPN安全认证、加密和身份识别技术，充分保证了智能设备之间信息安全交互常规无线通信利用公共移动通信网络，通信数据流如图4所示。
图4信息流原理示意图
Fig.4InformationFlow
由于本文提出的策略依赖于3G专网通信，则必须充分研究信息畸变、信息交互机制、信息交互时空特性、信息交互安全特性四大方面的问题。
3.1信息畸变情况分析与处理
当馈线发生故障而设备有异常信息、保护信号失真信息、开关拒动信息、通信故障信息时，为正确隔离故障，缩小故障隔离范围，按照分布式馈线自动化故障判定原则，当某开关收到相邻开关的异常信息或判定有畸变信息，并且该开关流经故障电流时，开关分闸。
若开关未经历故障电流则开关不动作，其描述为：
（2）
式中：
Ax为开关x的动作逻辑值，逻辑0为不动作，逻辑1为动作分闸；INx为开关x的故障电流逻辑值，其描述为：
（3）
式中：
II为流过开关的负荷电流值；Ic为开关的电流保护整定值。
ROx为开关x的相邻设备畸变信息逻辑值，其中逻辑1为相邻设备有畸变信息，逻辑0为相邻设备无畸变信息。
开关x的描述为：
（4）
式中：
ROxj（j=1,2,…,n）为开关x相邻设备的畸变信息逻辑值，逻辑值1为有畸变信息，逻辑0为无畸变信息。
3.2信息交互机制
在采用无线GPRS通信方式的网络通信系统中，不可避免地会出现数据包丢失的情况。
数据包丢失可能是节点失败、网络拥塞和数据碰撞造成的。
因为网络带宽有限，且传输通道由系统中各节点共享，因此在某一时间内能够存取数据的传输通道和系统发信源的数目是有限的，当负载较大时，很容易发生节点失败、网络拥塞和数据碰撞等情况，造成数据包丢失。
因此为了减少无线GPRS通信方式下数据丢包率，增加数据传输重发机制，并提高容错处理能力。
信息交互机制如图5所示。
图5信息交互机制示意说明
Fig.5Informationinteractionmechanism
3.3信息交互时空特性
信息交互时空特性主要分析信息报文的传输路径、传输时延、信号强度等，如图6所示。
分布智能装置DS1
F1
GPRS
通信模块
分布智能装置DS2
F2
GPRS
通信模块
ta
tb
tc
传输时间t=ta+tb+tc
图6总传输时间定义
Fig.6Totaltransmissiontime
传输时间指从发送方将数据内容置于其传输栈项时刻开始，直到接收方从其传输栈中取出数据时结束；传输路径指智能装置DSl的功能Fl把报文发送到位于智能装置PD2中的功能F2的整个流程。
发送节点和接收节点各需经历3个步骤。
发送节点需要经过如下3个步骤：
①功能Fl将等待发送的报文按照帧格式进行封装，经过调用发送给GPRS通信模块中的发送缓冲区；②在GPRS通信模块将需要发送的报文经过高层的协议栈后，调用介质访问控制层以太网通讯处理器的驱动程序发送模块；③报文通过物理层的通信接口串行发送出去。
对应于发送节点，接收节点也要依次经过类似的3个步骤，不再赘述。
根据上面的分析可知，基于分布智能通信系统的报文传输过程就是由发送节点的某一功能先发送一个报文，经过各层协议栈的封装和解析之后，通过网络最终到达接收节点的某一功能。
这个过程中会产生网络时延，根据时延产生过程和特性的不同，报文传输时延t一般有3个不同的组成部分（见图6）。
发送节点的延时ta：
它由两个部分组成，一部分是DSl中的发送功能F1在进行数据处理和协议封装以及将报文从DSl的应用数据缓冲区中复制到GPRS通信模块的发送缓冲区的过程中产生的时延ta1；另一部分是报文在发送缓冲区中暂存而引起的排队等待时延ta2。
网络传输时延tb：
通信链路上，报文从DSl开始发送至报文到达DS2的过程中产生的时延，主要由路由器等网络设备所耗费的时间和等待时间组成。
若一个报文在从DSl到DS2的过程中，经过了m个网络中间节点与n条通信链路，则：
（5）
式中：
X为发送时延，即在通信链路上，DSl从开始发送报文的第1个比特到发送完最后一个比特所花费的时间，它取决于数据的传输速率和报文的长度；Y为交换时延，即路由器、交换机等网络中间节点在接收到报文至该报文开始发送所产生的时延；Z为传输时延，即在通信链路上，DSl开始发送第1个比特到该比特到达DS2所产生的时延。
接收节点的时延tc：
由两个部分组成，一部分是报文在DS2的GPRS通信模块的接收缓冲中暂存时产生的时延tc1；另一部分是DS2对报文进行去除报头、协议拆封、数据重装、通知报文到达以及应用数据复制的过程中产生的时延tc2。
因此，报文的总传输时延t可以表示为：
（6）
网络的状态会随着时间不断变化，网络的流量也是不稳定的，当流量较大的时候，许多数据包就在节点的队列中排队等候，因此各个数据包在传输过程中的时延并不一致。
时延抖动描述的是网络传输延时的变化情况。
如果时延抖动大，说明网络不稳定，反之网络较稳定。
在实际网络中，常以数据包的最小延时和最大延时与平均延时作比较。
（7）
图7~图9给出了无线GPRS通信在室内、室外、一天时间段下各种数据延迟统计情况：
室外好于室内，11:
00~13:
00时段（中午）和22:
00~23:
00时段（睡前）的数据延迟最高。
图中横坐标表示时段（整点），纵坐标表示该时段内终端平均延迟（单位：
s）。
图7室外无线通信数据延迟
Fig.7Outdoorwirelessdatalatency
图8室内无线通信数据延迟
Fig.8Indoorwirelessdatalatency
图9某一天全时段无线通信数据时延图
Fig.9Somedayall-timewirelessdatalatency
3.4信息交互安全性
GPRS通信从物理层面来看，GPRS无线专网与公众广域网的一部分（基站、GGSN和电信内部的路由器）共用，有可能导入不安全的因素；从逻辑层面来看，GPRS无线专网是一个相对独立的专用网络，在电信运营商内部是与公众网隔离的，且具有独立的寻址空间，可以认为是一种专用通道，其安全级别高于普通的广域网，又低于电力系统独立建设的专网。
因此探索在物理层、接入层、传输层、应用层上开发安全认证和加密技术，确保电力生产系统的安全性不受损害。
物理层：
每个区域配电网的智能决策中心对GPRS通信终端和SIM卡进行绑定处理；随机密钥预分布方案，在脱机的环境中生成一个比较大的密钥池，每个节点随机从密钥池中获得一部分密钥构成密钥环。
网络部署后，只要本区域内的业务节点之间拥有一对相同的密钥就可以用此密钥构成安全通道。
为了进一步提高系统抵抗力，使用g-composite方案，该方案将两个节点公共密钥的个数由1提高到q，增加了网络攻击的难度。
接入层：
每个区域配电网的智能决策中心设置防火墙规则，只允许本区域内的业务使用；对GPRS无线通信终端设置多级管理密码。
传输层：
采用IPSecVPN认证和加密技术有效防止入侵，在VPN隧道中，所有的数据均经过高强度的加密后再进行传输，并具有完整性校验措施。
隧道的两端均为自有的设备和网络，在隧道的中间环节（包括运营商的内部网络）只能看到加密后的数据，无法对数据报文进行解读、篡改和伪造。
应用层：
加强报文检查及认证。
对数据报文加强检查，丢弃非预期的数据报文（地址非法、格式异常、校验错误等情况）并进行记录；提高容错处理能力。
对错误格式的报文应有容错机制，避免在收到非预期的数据报文时出现程序崩溃、数据丢失等情况；防止缓冲区溢出攻击。
程序处理机制应严格，对边界的检查应明确有效，避免处理时出现缓冲区溢出的情况；防止拒绝服务攻击。
在收到大量的异常报文时应能妥善处理，避免造成拒绝服务攻击。
4成套设备的研制与工程应用
前文阐述了电缆馈线自动化模式的原理和方案配置，本节主要阐述该模式的工程应用情况。
配套产品的整体设计方案如图10所示，采用电子式互感器、分布智能保护算法和以超级电容为后备电源的电源系统。
图10成套设备总体设计方案示意图
Fig.10Designplanofcompleteequipment
该产品实现了功能模块化、软硬件可配置，并提供了可视化的测试软件界面，大大缩减了工程配置难度，如图11所示。
图11网络拓扑重构可视化界面
Fig.11Viewoftopologynetwork
2012年底，基于GPRSFA的10套设备在中山局五桂山正式挂网试运行，系统构架图如图12所示，运行期间该线路共发生故障3起，前两起故障仅记录故障信息未能准确动作，研发人员根据现场情况和数据记录分析，完善了相关逻辑和机制。
2013年10月13日线路第3次故障，FA准确动作，隔离故障并转供成功，实现了35S内的故障隔离与转供电。
图12示范工程网架示意图
Fig.12Demonstrationproject
表1示范工程故障区段定位与隔离时间
Tab.1Timeoffaultarealocation
序号
含义
范围/s
典型值/s
1
故障信息交互时间
1~15
4
2
故障定位和隔离时间
1~8
2
3
故障隔离总时间
5~20
6
4
主干线故障后备隔离时间
30~50
30
5
非故障区段恢复供电时间
5~15
8
5结语
本文提出了一种电缆线路的就地馈线自动化模式，重新诠释了“不依赖于通信”，采用3G无线网络传递各节点状态信息实现主干线故障隔离与定位策略，无需大量实时数据参与和同步，，通过在中山市五桂山工程应用，证明了此模式实用效果好，经济、建设周期短，适宜B、C区域电缆网自动化建设。
但该策略大面积推广应用还需完善以下工作：
1）引入通信状态检测机制，提升后备保护的可靠性，确保模式切换机制的合理性。
2）实现开关柜内故障隔离与开关柜间故障隔离的逻辑整体配套。
3）进一步完善负荷转供策略，如增加冲击电流计算和裕度校验等策略。
参考文献
[1]韩晓春，杨富营．电压型馈线自动化设备的应用与实践[J]．继电器，2005，33（11）：
71-73．
[2]杨辉，吴福保等．架空线路准实时电压电流型馈线自动化实现策略[J]．电力系统自动化，2007，31（22）：
108-110．
[3]李荔芳，李伟新．智能配电网自愈技术的探索[J]．供用电，2012，29（3）：
22-24．
[4]凌万水，刘东等．基于IEC61850的智能分布式馈线自动化模型[J]．电力系统自动化，2012，36（6）：
90-92．
[5]刘健，赵树仁．分布智能型馈线自动化系统快速自愈技术及可靠性保障措施[J]．电力系统自动化，2011，35（17）：
67-70．
[6]杨献志．中山配电网故障自动定位系统实践[J]．电气技术，2009，12：
103-104．
[7]陈煦斌，秦立军．配网故障指示器最优配置研究[J]．电力系统保护与控制，2014，12，42（3）：
100-103．
[8]周文俊，李春建，等．分层分区的馈线自动化配置方案研究[J]．电力系统保护与控制，2013,41（17）：
72-74．
[9]刘健，张志华．继电保护与配电自动化配合的配电网故障处理[J]．电力系统保护与控制，2011，39（16）：
53-57．
[10]郭芳铮．基于分布式智能终端与主站后备的故障自愈技术应用[J].电工技术2014,9：
20-22．
[11]涂国梁．基于自愈功能馈线终端单元馈线自动化的应用研究[J]．供用电，2012,29（4）：
9-11．
[12]刘健，董新洲，陈星莺，等．配电网故障定位与供电恢复[M]．中国电力出版社，2012．
[13]张玉春，杨成峰．配电网非故障区恢复供电方法研究[J]．供用电，2007，24（5）：
22-24．
作者简介：
张维（1984-），男，硕士研究生，工程师，主要从事电力系统继电保护和配电网自动化等方面的研究工作。
张喜平（1967-），男，高级工程师，电力调控中心副主任，长期从事数字化变电站的研究管理工作。
郭上华（1977-），男，高级工程师，总工程师，长期从事配电网智能设备及自动化终端的研究工作。
杨献志（1974-），男，高级工程师，长期从事配电网运行管理工作。
赵文博（1980-），男，高级工程师，长期从事调度自动化、配电网自动化方向的研究工作。
ANewPatternofLocallyCableFeederAutomation
ZHANGWei1，ZHANGXiping2，GUOShanghua1，YANGXianzhi2，ZHAOWenbo2
（1.ZhuhaiXJElectricCo.Ltd,Zhuhai519060,China；2.Zhongshanpowercompany,Zhongshan528400,China）
Abstract：
Thispaperpresentsanewpatternoflocallycablefeederautomation,whichcontainsthefollowingstrategies:
atfirst,backboneusingfaultarealocationandisolationbyGPRS;thesecond,branchusingdemarcationswitch.Thispaperdiscussestheprincipleandprogram,specificallyDual-channelcommunicationmechanismbasedon3rd-Generation.Andthen,theinformationdistortion,informationinteractionmechanism,theinteractivefeaturesoftimeandspace,interactiveinformationsecurityfeaturesareproposed.Atlasttheproductwhichhasbeendesigned,isappliedtoZHONGSHANpowercompany.Duringtherunningtime,thepatternhasbeenverified.Thereforeitmustbetheoreticalandpracticalsignificancefortheresearchof10kVcablefeederautomation.
Keywords：
cablenetwork；3rd-Generation；feederautomation；faultarealocation
升级会员 