郭谋发， 杨耿杰， 黄建业， 陈亚民

(福州大学电气工程与自动化学院， 福州 350108)

配电网馈线故障区段定位系统①

郭谋发， 杨耿杰， 黄建业， 陈亚民

(福州大学电气工程与自动化学院， 福州 350108)

提出了基于动态拓扑分析的配电网馈线故障区段定位系统。系统由馈线终端单元FTU、通用无线分组业务GPRS通信网络及主站构成。主站与FTU间的GPRS通信采用标准负控规约。FTU以32位ARM7芯片为CPU，硬件分为系统和接口2部分。FTU的软件基于μc/os-Ⅱ嵌入式操作系统设计为多任务、多缓冲区的结构，采用相电流突变量算法实现对短路故障的判断。主站的故障区段定位软件在基本故障区段定位矩阵算法基础上，考虑GPRS通信延时的随机性、联络开关状态及通道异常等工程实际情况，采用网络动态拓扑分析方法实现了故障区段定位的改进矩阵算法。运行表明，该设计系统简洁、实用、运行稳定。

馈线自动化； 馈线终端单元； 动态拓扑分析； 故障区段定位算法； 通用无线分组业务

配电网馈线自动化的作用是提高供电的可靠性与质量，减少配电网运行与检修费用。在馈线自动化的所有功能中，故障区段定位、隔离及恢复非故障区域供电是一个主要的功能。该功能对于缩小故障停电范围，减少对用户的停电时间，提高供电可靠性起到重要作用。20世纪90年代末，国内很多电力单位在局部进行配电网馈线自动化建设试点，但因功能上一味追求大而全，系统实用性不好，后期运行维护和使用跟不上[1]等原因推广应用并取得经济效益的单位极少。因此，研制一种简洁实用的配电网馈线故障区段定位系统是有意义的。

系统由安装于各馈线分段开关处的馈线终端单元FTU、通用无线分组业务GPRS通信网络及主站构成。主站与FTU间的通信采用配电网需求侧管理系统的通信规约《Q/GDW 130-2005电力负荷管理系统数据传输规约》(下称负控规约)[2]，通信方式为GPRS。配电网正常运行时，系统可监视馈线运行方式和负荷。当故障发生后，FTU将检测故障信息通过GPRS网络主动发送到主站，主站软件采用基于动态拓扑分析的故障区段定位改进矩阵算法可及时准确地确定故障区段，并可通过远方控制开关实现故障区段的隔离及非故障区域的供电恢复。

1 FTU的设计

1.1 硬件

由太阳能发电系统供电的FTU由CPU系统板及外围接口等构成，如图1所示。目前配电网架空馈线分段开关常采用户外固封式真空断路器，装

图1 FTU硬件结构图Fig.1 Hardware structure diagram of FTU

设有A相和C相电流互感器，但无配置电压互感器。考虑到安装方便及馈线停电后断路器直流24 V操作电源及FTU工作电源获取等问题，FTU采用24 V太阳能发电系统供电，发电系统由太阳能电池组件、太阳能控制器、蓄电池组及隔离DC/DC变换器组成。CPU板是一个ARM7嵌入式模块，由飞利浦公司LPC2220 CPU扩展256KB SRAM程序运行存储器、1MB NOR FLASH程序存储器、32MB NAND FLASH数据存储器、时钟芯片及复位电源管理芯片构成。CPU系统板设计为独立的嵌入式模块，将LPC2220 CPU的硬件资源以双列插座形式预留出，通过扩展不同外围接口实现不同应用。LPC2220 CPU扩展带同步串行接口的16位模数转换芯片AD73360[3]，该芯片具有6路抗频率混叠滤波器的同时采样通道，仅需一阶RC滤波器，硬件简洁。其采样频率可达64 kHz，内置程控可变增益放大器，适合A相电流、C相电流及蓄电池电压的检测。LPC2220 CPU具有两个串行异步通信接口，一个通过SP3232芯片实现RS232电平转换用于软件调试，另一个通过中兴公司的ME3000模块[4]实现与主站GPRS通信。LPC2220 CPU的一个PWM通道扩展集成式红外收发管实现与手持终端的通信。LPC2220 CPU同时扩展3路继电器型开关量输出及6路隔离的开关量输入。开关量输出用于开关的分闸、合闸及储能控制；开关量输入用于检测开关状态、故障指示器报警、现地远方控制切换、开关储能完成情况等。

1.2 软件

CPU系统板内嵌基于优先级的抢占式多任务调度操作系统μC/OS-Ⅱ[5]。软件分成应用层和系统层两部分，如图2所示。系统层包括μC/OS-Ⅱ内核和硬件驱动程序，系统层将自身全部功能统一为API接口向应用层提供服务。应用层由多个μC/OS-Ⅱ任务组成，任务通过调用系统层提供的应用程序编程接口API(application program interface)函数实现需要的功能。FTU程序采用多任务、多缓冲区结构。任务操作对象为缓冲区，操作过程为非阻塞查询方式，缓冲区被多个任务操作时，通过信号量进行同步，或通过缓冲区自身结构的设计避免同步问题。

图2 FTU软件结构图Fig.2 Software structure diagram of FTU

1.2.1 应用层数据

全局数据：包括临时数据暂存区、文件系统、用户参数区及标志位系统。临时数据暂存区以多个结构体方式开辟在系统RAM中，存储一些临时数据或中间变量，如电流采集数据、蓄电池电压采集数据等，数据冻结任务根据用户设置的参数对这些数据冻结并存入FLASH中。临时数据暂存区在程序开始运行时被创建，采集任务完成一次采集后对其更新。文件系统开辟在系统的FLASH中，用于保存冻结数据及馈线故障发生前后一段时间内的电流波形数据。用户参数区用于保存负控规约全部的设置参数，这些参数控制着FTU运行。运行时，用户参数区存在于RAM中，并以结构体形式被访问。参数区数据更新时其最新状态被保存到FLASH中，并在FTU启动时再次加载到RAM。标志位系统是个全局标志位集合，实现开关量输入/输出、CPU系统操作及某些任务间通信等功能。

收发缓冲区：GPRS、调试口、红外口等通信数据缓冲区统称收发缓冲区，一般为先进先出FIFO(first in first out)结构，每个缓冲区均由收、发两个子缓冲区组成，采用环形队列实现，开辟在系统RAM中，通信调度任务负责操作缓冲区。

1.2.2 应用层任务

数据采集及故障判断任务采集A相和C相电流及蓄电池电压，根据相电流数据判别馈线是否发生故障，同时监测蓄电池电压是否低于设定值，并记录馈线故障或蓄电池电压低的相关信息。数据冻结任务从临时数据暂存区取出A相和C相电流数据并根据用户设定的冻结控制参数将数据保存在FLASH文件系统中。系统及部分规约功能处理任务的流程分两部分：一是系统功能部分，如喂狗、指示灯状态控制，这些操作与其他任务相对独立，只涉及对少量全局标志位系统访问；二是实现负控规约部分功能，如开关量变位处理、开关量输出处理、终端停/上电处理、心跳包处理等，这些操作定时执行。通信规约解析任务实现终端通信数据准备及分析，与通信调度任务配合实现终端数据通信。该任务接收来自通信调度任务的规约数据，根据来帧要求构建回帧，构建过程涉及对各个全局缓冲区及FLASH文件系统访问，最后将回帧交给通信调度任务。该任务封装了绝大部分负控规约的实现，设计时将其核心功能封装成一个通用模块，实现多种接口方式，并提供接口扩展能力，可在其他应用中复用。由于FTU有GPRS网络、调试口、红外口多种通信方式，需一个通信调度任务协调这些数据通道工作。通信调度任务基于会话的处理方式，即监测到某通道一帧有效数据后就立刻将其发送到通信规约解析任务进行处理，并将处理结果返回给通道，若通信过程涉及多帧会话式通信，则处理该通道会话请求直到会话结束，通信调度任务必须保证同一时刻只有一个请求发给通信规约解析任务。

1.2.3 数据采集及故障判断任务

馈线正常运行时，FTU每周波采集A相和C相电流各48点数据，计算出有效值并通过GPRS通信网络上传到主站。馈线发生短路故障后，真空断路器约180 ms后跳开，FTU在这段时间内可采用有效值的大小或相电流突变量的大小两种方法进行故障的判断。根据有效值大小进行故障判断存在时间长及阈值设定较困难等问题，故FTU采用相电流突变量法[6]进行馈线故障判断。当相电流突变量超过设定的阈值且相电流的值由小变大，CPU将启动相电流波形记录并产生一个表示该开关流过故障电流的虚拟开关变位信息，相电流波形记录结束后FTU可将波形数据及故障虚拟开关变位信息主动上传到主站。主站也可采用召测的方式获取故障相电流波形数据。

相电流突变量可用式(1)表示。

Δik=‖ik-ik-N|-|ik-N-ik-2N‖

(1)

式中：Δik为相电流突变量k时刻(t=kTs)的计算值(采样间隔Ts基本固定，省略Ts，下同)；ik为k时刻的电流采样值；ik-N为k时刻之前一周期的电流采样值(N是一个工频周期的采样点数)；ik-2N为k时刻之前二周期的电流采样值。

若式(2)成立则判定馈线发生故障。

Δik≥k×ie

(2)

式(2)中的系数k及真空断路器额定电流ie可远方设置。采用连续多次判断的方法来提高可靠性，如连续计算k时刻、k+1时刻和k+2时刻的相电流突变量Δik、Δik+1和Δik+2。

真空断路器在馈线正常运行时断开或变压器空载合闸产生励磁涌流均会使FTU检测到较大相电流突变量。通过比较ik和ik-N值大小可区分真空断路器在馈线正常运行时断开和故障后断开2种情况；变压器空载合闸产生励磁涌流可采用2次谐波制动方法进行判别，且真空断路器控制电路安装有涌流控制器，励磁涌流一般不会使真空断路器跳闸，主站故障区段定位软件还可进一步根据真空断路器的状态进行判别，也就是故障信息和开关变位信息同时存在时，才启动故障区段的定位软件。

2 配电网馈线故障区段定位系统主站设计

2.1 主站构成

配电网馈线故障区段定位系统主站按功能分为3层：数据采集层、数据管理层和综合应用层，如图3。数据采集层以GPRS通信方式接入馈线终端单元，按照负控规约解析数据并进行初步处理，监视通信质量，管理通信资源。它主要由通信接入设备、前置通信服务器、支持软件、通信协议解析软件等构成。数据管理层对采集数据进行加工处理、分类存储，建立和管理配电网馈线故障区段定位系统一体化数据平台，与其他系统接口并交换数据。主要由数据库服务器、数据存储和备份设备、接口设备及数据库管理软件等构成。根据应用需求，在综合应用层开发应用软件支持数据应用功能，如：终端管理、告警信息管理、图形建模、可视化拓扑分析、馈线故障区段定位、报表管理、系统管理等。

图3 主站结构图Fig.3 Structure diagram of main station

2.2 配电网馈线故障区段定位改进算法

基于FTU上报的故障过流信息的配电网故障区段定位算法主要有两类：一类是以遗传算法、神经网络算法等为代表的人工智能型故障区段定位算法[7～9]；另一类是以图论知识为基础，结合FTU上报的故障信息，根据配电网的拓扑结构进行故障区段定位的矩阵算法[10～16]。矩阵算法因其简明直观、计算量小等特点，应用更多。矩阵算法首先针对配电网的拓扑结构获得一个网络描述矩阵，在发生故障时，根据FTU上报的故障信息生成一个故障信息矩阵，通过网络描述矩阵及故障信息矩阵运算得到故障判定矩阵，再根据故障区段定位判据就可判断出故障区段。矩阵算法分为基于网基结构矩阵算法[10]和基于网形结构矩阵算法[16]两大类。基于网基结构矩阵算法的计算过程较繁琐，无法判断末梢馈线段的故障，对多重故障的判断也具有一定的局限性。目前对基于网形结构矩阵算法的研究较多，但许多研究未考虑到实际网络通信情况及实际配电网的设备、接线及运行情况。

基于网形结构矩阵算法用到的网形结构矩阵及故障信息矩阵均要考虑电流方向。目前配电网馈线分段开关处装设有A相和C相电流互感器，但无装设电压互感器，电流方向难以检测。考虑到配电网馈线一般为环网结构、开环运行，故障或检修时通过联络开关进行负荷转带，但一般不合环运行，可看作单电源供电的辐射状结构。因此，根据馈线辐射状结构特点，可知电流方向从电源点指向馈线末梢。在文献[16]所介绍的基本算法的基础上，考虑GPRS通信延时的随机性、馈线联络开关状态及通信通道异常等工程实际情况，提出一种基于动态拓扑分析的改进算法。主站配电网馈线故障区段定位软件根据FTU上报的故障信息、开关变位信息及馈线电源开关和联络开关的状态信息起动网络拓扑分析，由图形建模软件模块提供开关连接关系等信息动态生成故障馈线及其联络的馈线的网形结构矩阵及故障信息矩阵，进而进行故障区段定位、故障区域隔离以及非故障区域供电的恢复。

2.2.1 配电网的描述矩阵

主站的图形建模软件模块组态生成配电网单线图并进行元件参数配置。将馈线上的开关看作节点并按任意顺序进行不重复的编号；将相邻两节点间的馈线段看作边并规定正常运行时负荷供出的方向为其正方向。图形建模软件对开关、馈线段及两者的端点进行编号。若馈线段和开关一端相连，则相连端点的编号相同，若馈线段处于馈线的末梢位置，其末端点没有连接开关不进行编号。由图形建模软件的搜索功能可获得源点分布向量S、末梢开关分布向量E、网基结构矩阵D。假设一个待分析故障馈线区域的节点数为N。网基结构矩阵取决于实际馈线的架设，是一个N维方阵，由图形建模软件对组态的单线图进行广度优先搜索遍历得到。若开关i的一个端点编号与开关j的一个端点编号分别与某馈线段两端点的编号相同，那么开关i和开关j通过该馈线段连接，将网基结构矩阵第i行第j列元素和第j行第i列元素置“1”。源点分布向量为一个1×N维向量，若搜索到开关i与母线相连，则将源点分布向量第i列元素置“1”。末梢开关分布向量也是一个1×N维向量，若开关i所连接的馈线段只有一个端点有编号，则该开关为末梢开关，将末梢开关分布向量第i列元素置“1”。联络开关分布向量L和开关状态矩阵T都是1×N维向量。在配电网单线图建立后将开关属性配置为联络开关并存入数据库，联络开关信息从数据库获取；开关状态则是由FTU检测后通过GPRS通信网络发送至主站。网形结构矩阵C可由网基结构矩阵、源点分布向量、末梢开关分布向量、联络开关分布向量在开关状态矩阵作用下变换得到[17]。

2.2.2 动态拓扑分析

系统采用动态拓扑分析技术即主站接收到FTU上传的故障信息后以电气上没有连通关系的故障馈线为区域起动拓扑分析。以故障信息和开关变位信息同时存在作为拓扑分析触发的基本条件。GPRS通信延时的随机性将产生两个问题：①全部的故障信息不能在同一时间内收到；②故障信息和开关变位信息的接收时间存在间隔。因此，接收到第1个故障信息后需延时一段时间以确定全部的故障信息是否接收完毕。还需设定一个信息过期时间，接收到1个故障信息(或开关变位信息)后，若在信息过期时间内接收到另一个开关变位信息(或故障信息)，则启动拓扑分析及故障区段定位程序；若超过信息过期时间才接收到另外一个信息，拓扑分析及故障区段定位程序不启动。拓扑分析是在故障发生后进行的，当某条馈线通过联络开关转带另一条馈线，故障导致联络开关或者该馈线的电源开关跳闸，拓扑分析是以该馈线及其转带的馈线为整体进行的，因此联络开关或者该馈线电源开关的状态应采用故障前的状态。

找出所有流过故障电流的馈线源点开关，这些源点开关所在的馈线及其实际转带的馈线所构成的区域为故障区域，仅对故障区域进行拓扑分析。配电网馈线数量的增加不会导致计算速度的下降，形成的网形结构矩阵节点位置是固定的，易与故障信息矩阵G中节点位置相配合。从故障区域源点开关开始搜索，直到该区域末梢点或断开联络开关或断开的另一馈线源点开关为止，对该故障区域节点搜索完毕，开始另一个故障区域节点搜索，直至全部故障区域搜索完毕，拓扑分析结束。故障区域拓扑分析形成网形结构矩阵的具体步骤如下。

①定义三个1×N维向量：循环队列Q1、存储队列Q2、镜像源点分布向量S1；②将源点分布向量S中所有故障过流的源点存入S1中，Q1中所有元素初值置为“-1”；③Q2中所有元素初值置为“-1”，搜索S1中第一个为“1”的元素，将其编号存入Q1和Q2首个值为“-1”的元素位置，同时将S1中相应位置元素置零；④从Q1中首取节点k，Q1所有元素左移1位，Q1第N列元素补“-1”，j从0开始循环，搜索网基结构矩阵D，若Dkj=Djk=1且j不在Q2中，则说明节点j为节点k的子节点，置Ckj=1，同时将编号j存入Q2中首个元素值为“-1”的位置，判断节点j是否为断开的联络开关或者末梢开关或者断开母线开关，不是则将编号j存入Q1首个元素值为“-1”位置，反之则不保存；继续循环直至j=N-1；⑤判断Q1所有元素是否全为“-1”，不是则返回步骤④；⑥判断S1所有元素是否全为“-1”，不是则返回步骤③，是则结束。

2.2.3 故障区段定位

配电网发生故障后，由FTU上报的开关过流信息可得一个N×N维故障信息矩阵G。若第i个开关节点经历了超过整定值的故障电流，则故障信息矩阵的第i行第i列元素置“1”，否则置“0”，若未接收到i节点的信息则第i行第i列元素为初值“1”；故障信息矩阵的非对角元素均置为“0”。定义故障区间判断矩阵P为

P=D+G

(3)

故障区段定位判据如下。

①开关之间的馈线段故障

若故障判定矩阵中的元素满足两个条件：Pii=1且对所有Pij=1的j(j≠i)都有Pjj=0，则故障区域为开关i和j之间的馈线段。

②末梢馈线段故障

若故障判定矩阵中的元素满足两个条件：Pii=1且对于所有的j(j≠i)都有Pij=0，则故障区域为开关i末梢馈线段。

③单个FTU通信通道异常

若开关i的FTU通信通道异常，需分析确定故障信息矩阵第i行第i列元素值，其父节点通信正常且上传了故障信息，分2种情况讨论。

若开关i的某个子开关节点j有故障电流流过，则开关i也有故障电流流过，将故障信息矩阵第i行第i列元素置“1”，根据故障区段定位判据①②获得的故障区域是确定的。

若开关i所有子节点无故障电流流过，假设开关i有过流，故障信息矩阵第i行第i列元素置“1”，根据判据①②得一个故障区域；假设开关i无过流，故障信息矩阵第i行第i列元素置“0”，根据判据①②得另一故障区域；合并这两个区域。定位故障区域扩大，但保证了结果的准确。

3 结语

从配电网运行实际出发，设计了基于GPRS通信网络的配电网馈线故障区段定位系统。FTU的硬件采用模块化设计，由CPU系统板、GPRS通信模块、外围接口板等构成；FTU的软件基于嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ实现了开关状态监测、故障判别、开关控制、GPRS通信等任务。主站故障区段定位软件考虑GPRS通信延时的随机性、馈线联络开关状态及通信通道异常等工程实际情况，采用提出的基于动态拓扑分析的改进故障区段定位矩阵算法。系统于2009年7月投入现场运行，远方分合开关控制、现地分合开关操作等功能正常；实时数据、历史数据及事件数据上传正确；模拟故障区段定位准确。现场运行表明，该系统简洁实用、可靠性高、故障区段定位准确，应用前景广阔。

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FeederFaultSectionLocationSysteminDistributionNetwork

GUO Mou-fa， YANG Geng-jie， HUANG Jian-ye， CHEN Ya-min

(College of Electric Engineering and Automation， Fuzhou University,Fuzhou 350108, China)

Feeder fault section location system in distribution network based on dynamic topology analysis is proposed.The system consists of FTU,GPRS communication network and the main station.The standard power load management system data transmission protocaol is adopted in GPRS communication between the main station and the FTU.The FTU applies a 32-bit ARM7 ship as the CPU and its hardware is divided into system part and peripheral part.Based on the μc/os-Ⅱ embedded operation system,the FTU software is designed into a multi-tasking and multi-buffer structure,which uses mutation in the volume of phase current algorithm to realize the judgment of the fault of short-circuit.Based on the fundamental fault section location matrix algorithm,the fault section location software in the main station takes into account the actual situation in the project such as randomness of GPRS communication delay,the status of tie switch and abnormity of communication channel,and uses dynamic network topology analysis to achieve the improved matrix algorithm for fault section location.The on site running proves that the designed system is concise,practical and running steadily.

feeder automation； feeder terminal unit(FTU)； dynamic Topology analysis； algorithm for fault section location； general packet radio service(GPRS)

2010-03-15

2010-04-23

福建省教育厅科技项目(JA07008)

TM76

A

1003-8930(2011)02-0018-06

郭谋发(1973-)，男，副教授，研究方向为电力系统自动化。Email:gmf@fzu.edu.cn

杨耿杰(1966-)，男，教授，研究方向为电力系统分析。Email:ygj23802@fzu.edu.cn

黄建业(1986-)，男，硕士研究生，研究方向为配电网自动化。Email:jianyehuang1986@qq.com