配网馈线自动化系统设计及应用实践分析

2023-07-26袁志伟

装备制造技术 2023年5期

袁志伟

（中国安能集团第二工程局有限公司厦门分公司，福建厦门 361022）

0 引言

由于配电网具有复杂的特点，提升其运行稳定性、响应速度和精度已成为配电网设计工作中需要关注的三个重要方面[1]。设计配网馈线自动化系统是实现这些目标的关键途径。因此，在本次研究中，我们将以分层结构的SCADA 系统为基础，整合双环自愈网通信模式、SQL（Structured Query Language）数据库和FTU 设备等技术，进行全面的研究。某地开发区配电网络采用传统SCADA 系统进行馈线自动化系统设计，以保证配电网络的运行稳定性，但在该系统的运行过程中，存在数据交换便利度低、无法进行互联以及用户无法进行二次开发的局限。对此，技术部门决定对SCADA 系统进行重新设计，以提升系统的数据交换便利度、互联程度和灵活性[2]。

1 系统整体结构设计

根据上述需要，本次采用效率和精度更具优势的分层结构式SCADA 系统进行整体架构设计，其结构如图1 所示。

图1 系统整体结构图

如图1 所示，在本次设计的配网馈线自动化SCADA 系统中，该主站作为核心，对目标区域配电网进行全面监视与控制；该子站又称为“前置机子站”，其主要作用是规约管理，同时与FTU（馈线终端装置）和RTU（远程终端单元）之间进行通信[3]。

2 系统主要模块设计

2.1 通信网络及通信规约设计

因电网系统复杂程度较高，通信网络采用双环自愈网模式下的馈线自动化光纤网，其具体设计如图2所示。

图2 通信网络示意图

如图2 所示，如果配电网运行正常，那么通信网络中将存在四个数据传输路径情况为：从光端机A的Ta 口到光端机B 的Ra 口、从光端机B 的Ta 口到光端机C 的Ra 口、从光端机C 的Ta 口到光端机D的Ra 口以及从光端机D 的Ta 口到光端机A 的Ra口。基于上述路径，当配电网出现故障后，光端机D的信号无法传递到光端机A，此时通信网络只能依靠内环进行运行，因此数据传输路径发生变化：从光端机A 的Ta 口到光端机B 的Ra 口、从光端机B 的Ta口到光端机C 的Ra 口、从光端机C 的Tb 口到光端机B 的Rb 口以及从光端机B 的Tb 口到光端机A 的Rb 口。

针对实时采集分析数据的需求，本设计采用IEC标准下的101 规约，并对其OSI 开放式7 层协议进行了简化处理，仅采用增强型的三层模型：物理层、链路层和应用层。其中，物理层由控制站的数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备（DCE）组成，二者通过异步ITU-TV.24 接口进行通信，从低向高传输通信数据。链路层的信息传输规则如下：（1）接收站在检查传输数据是否存在差错后，确定是否传输该数据并进行发送/确认、请求/响应服务；（2）动站和启动站之间互相传递信息并保存；（3）各次服务传输过程之间相互独立，仅在当前一次服务传输全部结束后才会执行发送帧操作。

2.2 数据库设计

结合实际需要，数据库选用SQL2019 型数据库，并确定数据见表1。

表1 主要选定数据

在此基础上，对数据库进行优化设计，访问流程如图3 所示。

图3 数据库访问流程

如图3 所示，在配电网运行的过程中，所有产生的数据都被备份在SQL Server 数据库中。实时数据库每五分钟进行一次写入操作，更新最新的数据并将旧有数据保存作为历史数据。如果客户端需要访问内存数据，就必须通过RTDBMS，并使用标准的SQL 语言指令对其进行访问。在上述基础上，应用C4.5 算法实现配电网数据的统计分析功能，通过划分数据集并选出最优特征索引，为保证数据库安全性，引入云端加密程序生成密钥。其主要流程是：（1）根据数据的字节数，应用DES 密钥生成器随机生成一个密钥并转换为密文；（2）在云端保存密文；（3）客户端重新生成随机密钥内容，循环往复进行。

2.3 终端设备选型设计

首先，使用保护功能较为完备的RWK-551B-G型FTU 馈线终端设备，将其安装于配电网的柱上开关侧，对FTU 馈线终端设备进行选型设计，FTU 馈线终端设备数量则与配电网柱上负荷开关数量相等。其次，选用功耗较低且普适性较强的AD2066L 型RTU地调开关设备，将其安装于配电网的变电站出线开关附近，对RTU 地调开关设备进行选型设计，使之与变电站、FTU 之间组成闭合回路。当该闭合回路中出现故障且继电器重合闸操作失败后，RTU 将向回路上的各个FTU 设备发送指令，以判断故障点位置，进而控制故障点两侧最近的开关分闸，实现隔离故障和非故障区域恢复送电的目标，以实现降低停电面积和停电时间的作用。

2.4 运行状态检测功能模块设计

为实现对配电网运行状态的实时监测，主要通过以下几个方面分别进行设计。

（1）拓扑解析模块设计，以获取故障定位信息，该模块主要基于以下几个函数加以实现：①parseAcline函数，其主要对CIM 文件中的交流线路元素进行解析，得出各个交流线路元素之间的联结关系；②parse-Breaker 函数，该函数的作用是解析CIM 文件中的开关元素，得到各个开关元素之间的联结关系；③parse-Busber 函数，其用于对CIM 文件中的母线元素进行解析，得到其联结关系；④parseTopology 函数，其根据前三个函数输出的结果进行整合分析，以最终得到配电网拓扑结构信息。

（2）界面展示模块设计。参考B/S 架构的设计理念，采用AngularJS 框架并使用路由来实现页面切换控制，确保每个分界面都有唯一的视图模板与之对应，同时通过routeProvider 服务上的函数加载不同界面。最终得到界面如图4 所示。

图4 界面展示示意图

3 系统应用

在完成整个配网馈线自动化系统的设计后，进行了应用实验以检验系统的综合性能。在某地开发区的配电网中应用该系统，对6 条线路和一座开闭变电所进行了配网馈线自动化改造，涉及15 台FTU 和三个变电站的RTU 设备[4]。通过双环自愈网络将这些设备连接起来，同时配置了三台数据服务器和三台工作站，以实现系统搭建中的信息传递。系统搭建完成后，首先对系统的故障隔离与恢复功能进行测试。在模拟某节点出现跳闸故障后，该系统自动进行故障诊断和定位，其远程开关也自动执行遥控，在12 s 内即完成故障识别与处理的全过程，证明该系统故障隔离与恢复功能取得了预期效果。在对系统的主要性能指标进行测试之后，得出测试结果见表2。