配电网智能化状态监测与故障处理平台设计

刘 炜

（国网汉中供电公司 陕西 汉中 723000）

配电网故障抢修是一项系统、复杂、精细的工作，其中涉及到多个环节、专业，配电网故障指挥业务是否高效，能直观反映出供电企业处理用户故障综合能力和服务水平。对于部分地区而言，因为缺乏配电网自动化设备，配电网在抢修指挥业务方面存在很多不足，大部分故障维修相对被动，都是用户直接电话报修或是总部直接下达维修指令，很难形成主动抢修的局面。因此，立足于现有实际情况，做好配电网自动化改造工作，需要从设备、技术、资金、人工这几个方面入手，开发专门的监测与故障处理平台。

1.1 故障研判原理

通常配电网自动化主站在进行线路故障诊断时，主要通过遥信方式实现定位。若线路本身出现短路故障，终端检测系统会根据收集到的数据，精准、及时判断停电过程，进而做出科学有效的解决措施［1］。

1.2 接地故障判断原理

对于不接地的配电网，或者是使用小电流方式进行接地的配电网，故障发生初期会出现短暂停止现象，此过程持续时间大约为5 ～20 ms。配电网内部的监测装置可迅速捕获该信号，并与零序电场信号之间相互配合，可直接检测故障位置、原因。

在监测时，一旦出现故障，系统会及时发出录波，迅速记录下故障发生瞬间产生的波形。同时，监测系统还应对终端内部出现的所有波形进行全面对比、系统分析，得出最终结果，将结果直接输送到终端系统，或是通过系统直接发送短信到维修部。

1.3 应用人工神经网络对接地故障进行检测

1.3.1 小电流接地系统单相接地故障特征分析

小电流接地系统配电网中，通常会采用中性点不接地和中性点经消弧线圈这两种接地方式。

（1）中性点不接地系统。当该系统在发生单相接地故障时，可以使用序分量变换的方法计算，得出暂态零序电流的暂态等值电路。具体如图1 所示。

图1 中性点不接地系统单相接地故障暂态等值电路

在图1 中，u（t） 作为虚拟故障电源，R作为接地电流沿途的总电阻，L则为各种线路的等效电感，C0则为系统对地的等效电容。

假设虚拟电源uf（t）＝Umsin（ωt＋ϕ），根据图1 可以建立微分方程并对其进行求解。当故障接地电阻较小时，其故障点暂态电流可以按照公式（1）表示：

式（1）中，Um为系统相电压峰值；
ω为工频频率；
ϕ为故障瞬间电压相位；
为主谐振频率；
为主谐振分量的衰减系数。

根据配电网的基本结构和参数，主谐振频率通常维持在200～2 000 Hz 的范围，稳定接地故障暂态过程持续时间通常维持在2 ～3 ms 的范围，在处于暂态的状态下，零序电流上的态信号通常以高频阻尼振荡作为主要特征。

（2）中性点经消弧线圈接地系统。当该系统发生单相接地故障时，暂态零序电流的暂态等值电路如图2所示。

图2 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障暂态等值电路

经过计算得到新的暂态零序电流公式，具体如公式（2）所示。该电流也呈现出与图1 相类似的高频阻尼振荡特征。

1.3.2 应用人工神经网络进行小电流单相接地故障检测

人脑相对复杂，内部有多个相互连通单元，通常称之为神经元，不同神经元共同构成神经网络。人工神经网络是一种模拟人脑神经元结构的网络。人工神经网络经过多年发展，目前已经出现了多种不同的结构及算法。在本设计中，采用了反向传播（back propagation， BP）神经网络。该模型主要包含输入层、隐含层、输出层这几个部分。每一个层面中，都包含了多个神经元，同时，还可以有效直接地模拟出人脑神经元对于信号的处理过程。该网络的搭建主要使用了BP 神经网络工具包［2］。每一个层级的神经元输入过程，都能清晰反映上一层输出信号的变化趋势：

式（3）中，Xn，Yn－1，out，Wn都为矩阵，每一个单独的一行中都包含着一组单独的数据。Xn代表着第n层神经元的有效输入，其中不同的层面都会存在一个与之相对应的神经元。Yn－1，out代表着n －1 层的有效输出，每在其中不同的列都会对应上一层次（n －1）的神经元。同时，bn代表着偏移项，列数可以与对应层次的神经元的个数基本一致。

其中输入层以及隐含层神经元的激活函数，通常选取双曲函数tanh，那么神经元输出就为：

其中输出层的神经元激活函数，通常选择使用sigmoid 函数：

当神经网络完成构建后，需要使用标准化的方式对每一层的输入和输出进行有效的处理，这主要是为了防止系统内部的神经元激活，以此导致出现函数饱和的现象。在对整个神经元网络进行训练时，应使用后向传播网络。具体公式如式（6）所示：

1.4 状态监测系统终端取电技术

监测系统终端需要保持24 h 运行的状态，不仅配置了专门的太阳能电源，还配置了专门的蓄电池，当太阳能电源供电不足，蓄电池就会持续供电，保证供电不间断。当光照充足时，太阳可以为终端提供与之相对应的电能；
从另一方面来看，可以为免维护的蓄电池进行相应的充电操作；
当光照不足时，蓄电池就可以直接代替太阳能电池进行供电，以此保证整个系统运行的稳定性［3］。

1.5 状态检测系统通信技术

通用分组无线服务（general packet radio service，GPRS）所覆盖的范围比较广，可以不受空间的局限，随时进行漫游，信号较强，信息传输速度快，所使用到的通信技术不仅需要具备覆盖更广泛面积的能力，还能在各种恶劣环境下进行信息传输，因此选取了GPRS 技术。在该系统内部，每组故障检测都将数据传输包含其中，若终端系统通过监测发现系统数据明显变化，就可以直接通过GPRS网络反馈该信息。

基于国家电网公司所给出的泛在电力物联网的定义和框架，提出了电网数据共享功能，可以对所出现的故障区域进行迅速、精准定位，同时，为后续的电网抢修提出精确的处理方案。配电网智能化状态监测与故障处理平台的设计、应用具有重要作用，不仅能够改善盲目抢修的被动局面，还能够实现电网数据的全面共享。随着通信方式的增多以及现代信息技术的应用，使得国家配电网络朝着智能化方向快速发展，不仅提高解决故障效率，还能够提高电力企业的服务质量，使得电力企业具备可持续发展的充足动力。

2.1 配电网数据共享功能

配电网智能化状态监测及故障处理平台的建设具有重要意义，不仅包含多样使用功能，还能够进行高质量的质量监测与故障处理任务。配电网数据共享功能，一方面加快创建新的配电网络运行模式，另一方面还实现了高质量信息交互和信息共享，以此实现更智能化的配电网络。配电网数据共享功能优化故障指挥模式，更能推动配电网络数据共享，进一步提高配电网络故障处理能力和配电网络服务质量。

为了改变当前配电网故障定位信息获取过慢问题，需要继续探索新的方向，因此，结合当下用电信息采集系统，充分利用系统信息交互功能，实现数据的实时共享。也可以通过对电压等数据的采集，进行综合性的分析，满足数据共享这一需求［4］。

对于配电网采集的终端部分，可以使用同步相量数据集中这一装置，集中化处理这部分数据，通过该装置可以迅速收集、有效汇总、合理存储、实时转发数据。当下通信方式较多，可链接不同的通信路径，参与到数据共享这一功能。在采集的数据到达同步相量数据集中器装置后，同步相量数据集中器装置就能迅速对数据进行汇总、收集、处理、发送，最终实现数据的共享。

2.2 配电网故障区域快速定位功能

在整个配电网内部，主要是通过共享数据所反馈的信息实现对故障区域迅速精准判断，最终形成专门用于故障诊断的信息数据库，同时，应重视故障诊断条件与结果间的关联规则，充分挖掘，构建专门的信息数据库。在此过程中，为了能促使故障诊断自身速度提升，可借助于使用模式树组织其中的数据，集中扫描其各项数据，提取出最为频繁的项集，提高数据挖掘的效率。

在对故障进行诊断时，需要将其中有待诊断的条件特征和规则库中各项规则的条件特征进行匹配，若缺乏匹配的规则，就断定未发生故障，在此过程中，对于所匹配到的规则，可以通过系统直接找到相对应的结果特征，迅速找到故障出现的原因。

在该系统中，所挖掘得出的强关联规则不仅用于故障诊断，还需及时、精准定位发生的故障位置，结合规则内容，推断故障位置。因规则库内部的各项数据都来源于各个电路的电流、电压等一系列信息，在经过系统故障诊断后，就可以及时检测、判断发生的故障，系统可以直接精准推断出故障所发生的位置和原因。

2.3 配电网抢修指挥服务功能

配电网络抢修指挥服务功能是状态监测和故障处理平台的核心，不仅会接收到配电网络运行信息，还能及时掌握故障发生位置，并根据实际情况对配电网络进行指挥、抢修工作，维护配电网络的运行秩序和稳定，也可大幅度提高电力用户的满意度。同时，配电网络抢修指挥服务功能具备智能化特征，能根据配电网络数据变化预估故障以及异常情况，制定科学完善的应急制度，主动处理安全隐患或者故障。另外，配电网络抢修指挥服务功能还拉近电力企业与用户的距离，既能及时发布停电或者维修，还会利用网络平台获取用户反馈以及建议，不断完善配电网服务质量，构建更优质的配电服务模式。

在智能化平台上，主要是通过对终端上报配电台的电压、电流等数据进行采集，并进行综合性的分析和判断，精准掌握配电网电台区低压网络运行特性，对整个配电台进行更精细、全面的管理，促使配电网电台功能可以得到有效强化。在常规情况下，传统监测方式无法有效对电网信息进行全面监测和获取，而智能化平台不仅解决了常规监测方式下存在的问题，还实现了信息数据的智能化处理，提供更智能、更高效率的电网配电服务。同时，可将配电台区以及各项数据的变化作为主要参考依据，可精准、及时地预判其中的异常情况，以此实现实时监测的功能，使用数据信息处理技术，通过网络及时发出抢修信息，这样可以及时处理各类故障信息，达到降低投诉率的目的［5］。

综上所述，本文立足于当下配电网智能化状态监测系统，从配电网数据共享功能、故障区域快速定位功能、抢修指挥服务功能等角度对配电网智能化监测状态与故障处理平台进行设计，解决当下配电网所出现的故障信息滞后的问题，可以对所采集的数据进行更加全面、充分的分析，开发智能化监测状态与故障处理平台，以此达到控制成本，提高智能化水平的目的。

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