智能开关技术在山区配电线路的应用研究

2021-01-25李龙

通信电源技术 2020年18期

李龙

（国网宁波供电公司，浙江宁波 315000）

0 引言

随着经济的不断发展，我国提出了坚强电网的发展规划，开启了智能电网发展的新篇章。同时，随着农村经济的不断发展，农村智能电网建设也得到了重视。为了更好地促进农村电网的发展，应当重视山区电网的建设，将山区电网建设成为坚强智能化的配电网，以满足农村智能电网发展的需要。当前，我国山区电网主要采用10 kV配电线路，抵御雷击、冰灾以及台风等自然灾害的能力较弱。山区电网供电可靠性并不只是依靠电力系统的工程质量，自然灾害才是摧毁山区电网供电设备的主要因素。智能开关利用计算机监控系统实时监控电网运行情况。因此通过在配网上安装智能开关可以极大提高山区电网输配电的可靠性，保证供电质量，减少人员操作。

1 山区配电技术要求

随着坚强电网计划的实施，对农村山区配电技术提出了明确的要求，主要体现在以下几个方面。

1.1 形成农网配电自动化平台

农村配电网自动化建设目标包括两个方面，一是建立合理的农村配电网结构，二是搭建一个综合的自动化平台。农村配电网需要预留多个标准通信接口，以实现电路负荷调度、电力生产管理以及电力营销管理等功能。另外，电网运行的所有数据集成在一个系统中，通过大数据和数据挖掘等技术分析处理相关数据，为供电优化提供数据基础。

1.2 满足有效通信需求

我国农村山区具有道路崎岖、输配电线路长以及电力设备分散等特点，要想快速获取终端监测装置的数据难度较大。可以在配电网上建立多种通信方式，以满足农村配电自动化的需求。如通过智能开关监测电能质量和负荷就是一种较为经济和可靠的做法。

1.3 监测终端可靠稳定

山区的电力设备大多存放在室外，受自然环境等因素的影响，电力设施设备的寿命不长。这就要求终端监测装置具备强大的防干扰和抗自然灾害等功能，要求电力设施设备具备极强的稳定性，此外还要考虑成本问题，价格不能太贵。

2 智能开关的功能要求

随着农村用电量的逐渐增加，山区配电线路对可靠性和安全性的要求也逐渐提高。但由于山区自然环境恶劣，不可抗因素较多，因此要想确保山区配送点的安全性和可靠性，用于山区的智能开关有以下的功能要求[1]。首先，通过设置最高限制值，预测潜在的事故隐患，以报警方式通知工作人员，最大限度避免事故发生。其次，电网故障发生后，能够及时分析得出故障属性、诱因以及事故地点等，通过中心站控制外部开关设备能够快速识别故障发生的原因，实现自我恢复，避免人工到现场维修，从而缩短故障维修时间。再次，具备电能管理、配电能耗以及用电成本统计等功能，能够实时采录配电系统运行的各种数据量，尽可能减少跑、冒、滴以及漏等现象，提高电能管理效率。最后，实现中、低压供配电系统一体化综合管理和监控，接受中心站查询命令并将相关数据传输到主站，实现无人值守，减少人力投入成本。山区智能开关主要包括智能测控保护单元模块、监控智能通信接口模块以及监控主机模块。

2.1 智能测控保护单元模块

该模块的主要功能是实现现场设备的间隔层保护和智能保护装置一体化。采用分布式配置，用RS-485总线连接，实现将保护、测量、控制以及信号通信等功能集合在一个封闭的测控保护单元内[2]。

2.2 监控智能通信接口模块

该模块的主要功能是采集前置智能监控单元上传的设备状态信息，运用无线通信设备将信号数据传递给监控主机，由监控主机完成数据的处理和分析。数据处理完毕后，监控智能通信接口将相关数据传输给监控设备，并发出设备操作指令。监控智能通信设备具有上传下达的功能，是各设备单元和监控智能模块信息传递的桥梁。

2.3 监控主机模块

该模块用于处理电网运行状态的各种信息，实现远程监控和管理。为了便于管理，该模块有一个可视化的人机交换界面，通过CAN现场总线连接监控主机与智能通信接口。操作人员可以在可视化的人机交互界面实现信息的沟通与交流，操作监控主机。

3 智能开关的设计

智能开关是在继电器和模拟仪表等监控设备的基础上，与新型智能仪表配合，控制网络通信接口于中央控制器的计算机网络系统，能够监测电流、电压、有功功率、频率以及电能等数据，实现断路器的分合操作，实现遥测、遥信、遥控以及遥调。与传统开关相比，智能开关具有监测和控制等功能，更加智能化和自动化[3]。山区配电线路线路长，由于极端天气和道路等因素的影响，采用人工方式排除故障的难度较大。而智能开关可以在传统开关功能的基础上完成配电网的遥测、遥信、遥控以及遥调等，避免现场检修，满足配电网综合智能化和自动化的要求。

3.1 硬件设计

智能开关的核心工作流程为电流回路串联于电流互感器二次回路，电压回路并联于电压测量回路，通过电流互感器、低通滤波器以及多路转换开关将各设备的电信号转变成相应的电压值，然后由A/D转换器进行数模转换后将信息交给中央处理单元。如果中央处理单元计算得出的信息超过限制值范围就会发出跳闸信号，并将事故发生的时间、诱因、属性以及故障点等信息发送给工作人员，并且远程进行操作，保护设备安全。智能开关主要由模拟量采集模块、开关量输入（出）模块以及人机交互模块等基本单元组成。

3.1.1 模拟量采集模块

智能开关运行过程中，需要获取一些设备电参量进行数据的分析和处理，以达到监控的目的。模拟量采集的具体工作流程包括以下几个步骤。首先获取二次电压和电流信号，运用交流互感器将获取到的强电信号转换为弱电信号，并且由运算放大器分析处理弱电信号。其次通过低通滤波电路对弱电信号进行滤波处理，并将处理完毕的信号传输给一级A/D转换电路。最后运用计算机对处理完毕的信号进行数据处理，分析智能开关运行的各种数据，并且根据分析结果发出预警和操控等指令。

3.1.2 开关量输入（出）模块

开关量的输入信号是指设备的辅助常开节点信号，如断路器的合闸和分闸状态等，开关量的输出信号是指报警提示信号等。为了便于管理和后续扩展，开关量的输入和输出信号应该分开。

3.1.3 人机交互模块

人机交互模块主要包括键盘显示模块、通信模块以及主控模块等，是工作人员与配电监控模块实现信息交换的重要环节。工作人员根据MMI模块的信息判断配电系统的状态，并运用MMI模块对装置进行远程操作。

3.2 软件设计

硬件电路是智能开关的肢体，是实现既定功能的重要基础。但是，要想让智能开关可靠运行，也必须有完善的软件设计。本设计采用模块化设计思路，将整体划分为主程序、数据采集模块、数据处理模块、本地录波模块、报警模块、故障判断模块以及通信模块。每个模块分开设计、编程并测试，确保各项功能的成功实现。最后，在完成各功能模块测试后，接入主程序进行系统总体调试，以测试各功能模块能否实现。本系统的主程序流程见图1所示。程序初始化后，检查所有外设，如果没有中断就判断且标识优先级。根据优先级的阈值来判断是否越限，如果有越限立即故障报警，并且存储故障数据。

图1 主程序流程图

智能开关承担着线路的开通使用、关断退出以及检测排除故障线路等功能，需要采集多种数据，并且按照规则存储数据，以便后续查询。数据采集结束后，需要分析和处理数据，查验每个设备的工作情况和运行状态，并以一定的表达形式呈现出来，以便让工作人员及时了解设备运行状态。当系统出现故障后，需要处理故障。这时，系统的主程序就会键盘中断，并且接收到来自于工作人员发出的操作指令，执行相应的程序。通信处理是指对数据帧的发送和处理，以及数据帧发送失败的处理等。为了确保数据处理成功，本系统采用模块化设计思想，将每个独立功能作为一个模块，完成该模块的程序设计以后，修改与其相关联的程序即可。这样可以极大提高工作效率，加强程序的可读性。

4 应用效果

随着智能开关的广泛使用，对山区配电网管理的故障研判和运行安全等方面有着十分重要的影响。

4.1 提高了故障判断处理的能力

智能开关的广泛使用，能够实时搜集配电网的运行数据。通过计算得知配电网各外设运行指标是否达到限定值，以便及时预测可能出现的故障并及时处理，减少故障发生频率，节约故障维修时间。例如，2019年12月14日，由于雨雪冰冻的极寒天气原因造成配电线路故障，发生7次合闸事故。其中，5次智能开关跳闸。智能开关跳闸后立即自检，排查原因，自我恢复，减少了人工现场检修的次数。如果没有安装智能开关，5次跳闸将会发生在变电所。如果变电所跳闸，将会造成大面积供电区域停电，而且很难找出故障发生的原因和故障点，增加停电时间，影响人们的生活生产。

4.2 提高了运行管理效率

利用智能开关进行开关集中管理，可以实现电网设备全程的实时监控，减少了人工投入，实现了无人值守和网络监控相结合的监管模式，极大提高了电网的可靠性和管理效率。

4.3 降低了安全风险

由于山区的气候环境恶劣，自然灾害较多，电网线路上的瞬间故障较多。另外，山区道路曲折，在冰雪封路的情况下，如果采用人为方式巡查，必然会增加劳动成本，提高用工风险。巡检人员发现故障后需要通知供电所断电处理，这样会增加停电面积、停电时间以及操作人员的安全风险。而通过智能开关可以远程控制电网，可以快速处理故障，恢复供电，有效提高用电安全，具有极强的现实意义。