电力系统中环网柜及分支箱的智能化改造应用研究

武 刚，向珉江，贝太周，王 冲，冯立玮

（国网山东省电力公司济南供电公司，山东 济南 250012）

0 引言

对于供电企业来说，提高供电可靠性，减少用户停电损失，既是履行社会责任，又是改善用户服务水平的基本责任。据统计，在用户停电事件中，90%以上的停电事件为配电网故障，特别是中低压配电网故障，而在配电网停电中，约有30%故障是由配电设备运行环境改变导致的。由于用户无法提前预知因设备运行环境改变引发的故障，无法及时判断、查找故障点，因此无法采取相应的应对措施，故障停电造成的损失显得尤为严重［1-2］。

配电网中的环网柜及分支箱是配电网中的重要组成部件，为了进一步提高配电网的运行可靠性，必须提高环网柜及分支箱的可靠性和智能化水平。

经过多年的配网自动化改造，电力系统的配网自动化水平已经达到了相当高的程度。但是仍然存在许多无法满足配电网运行可靠性的情况。

首先，智能环网柜的普及程度不够，导致许多环网的智能化程度整体偏低，无法实现可靠运行。没有配备可用的数据通道，以及可供安装智能设备使用的本地电源，因此难以实现配网运维中急需解决的在线环境监测问题、故障预报以及故障判断的问题。如国网山东省电力公司济南供电公司就曾多次发生因凝露引起的环网柜及分支箱故障，以及因电缆T头发热引起的电缆头烧毁现象，最终导致线路故障停电［3-4］。

其次，环网柜因凝露现象带来的线路故障问题没有得到根本解决。在现有的配网自动化系统维护中，尚未妥善解决这个一直困扰配电网可靠运行的安全隐患问题。在特定时期或季节内，因凝露引发的电网停电事故时有发生，这无疑对配电网的安全运行造成了一定影响，同时破坏了电力供电可靠性的性能指标。

再次，目前配网电路中的故障判断，主要还是依靠电缆故障寻址器，这种设备虽然能够帮助配网运维人员加快故障查找速度，但是由于种种原因，靠人工查看寻址器的方法，不仅大大增强了劳动强度，而且无法快速及时地对故障源进行定位。

最后，环网柜电缆接头的发热问题也是多年来没有解决的一个重要的问题。迫切需要一种方法或装置，监测电缆接头的状态，以便把故障消灭在萌芽状态。

综上所述，研究并推广环网柜及分支箱的智能化改造技术，可以解决配网运维管理工作中的凝露治理、故障预测以及城市配电网故障的快速查找等技术问题。可以用较少的资金投入，实现提高配电网的运维管理水平、供电可靠性以及减少用户停电损失的目标，推进一流智能配电网建设工作。

1 环网柜及分支箱智能化改造的基本目标

目前城市配电网自动化系统不具备运行环境在线监测、运行环境治理、电缆T 头故障监测以及快速电缆故障分析判断等智能化功能。

配网线路中存在大量的环网柜和分支箱。考虑到配网自动化系统的覆盖面有限，在环网柜和分支箱的运行安全和故障监测方面存在着一定的局限性。为了及时、准确、高效地发现和处理故障，亟需实现对环网柜运行环境和运行状态的在线监测功能，主要包括：在对配电网进行运维管理工作中，需要及时了解环网柜的凝露情况，同时采取有效措施及时予以处理，避免由此导致的线路故障的发生；电缆接头故障同样是困扰配网安全运行维护的一个重要的问题，由于长期运行导致设备老化，电缆压接头处一旦有发热现象，将会为线路的安全运行带来安全隐患甚至线路故障，借助电缆接头处的故障指示器，运维人员可以快速查找设备的故障点。

研究一种简单、方便、实用的技术方案，设计建立一种自动化的改造系统，并依此不断进行技术升级和功能完善，为配电网的运行维护工作衍生出更加简单实用的辅助设施，进一步提升配电网运维的工作效率，提高电力系统的供电可靠性。

2 环网柜及分支箱智能化改造的设想及实现

2.1 通信信道和电源

现场测控终端与主站系统的通信信道采用GPRS 或光纤，也可以利用原有的DTU 信道。考虑到部分非智能环网柜在出厂前没有配备相应供电电源，此时可以采用太阳能电池组供电。经现场设备试用，效果良好。

2.2 凝露预警和凝露治理

1）凝露产生的原因及其危害。

外界气候变化变化时，大部分环网柜及分支箱内内壁上会附着小水珠，即凝露现象。凝露的产生，是因为大气中所含的水汽在一定的温度条件下，在环境中温度低于露点温度的物体上，产生凝结，变成水珠。当该物体的温度达到露点温度时，水珠又会蒸发，变成水汽。如果凝露的数量比蒸发的数量大，就会在相应的位置上产生水滴，造成危害。经验表明，如果在同一位置上连续3 d 出现凝露时间占比均在60%以上，该处就会有水滴凝聚，造成危害。凝露产生的水滴，会导致相应位置的绝缘程度降低，严重时甚至造成短路，产生误动作，导致设备事故的发生［5-6］。

2）凝露监测及基本治理方法。

根据气象学原理，任何一个气候环境的露点温度，可以用式（1）和式（2）来计算。

式中：Ew为环境能量值；Dp为露点温度；Rh为相对湿度；T 为空气温度。

因此，通过对环网柜及分支箱所处环境及疑似发生凝露的部位进行定点监测，从而获取凝露发生的条件。根据以天为单位凝露发生的时间积分值，以及不发生凝露的时间的积分值的比例，确认凝露发生的可能性，从而进行凝露的精准预测，并为凝露的治理提供条件。凝露的治理方法主要是降低空气中的相对湿度以及提高防凝露部位物体的温度。

2.3 电缆T 接头故障监测

受环境或其他因素影响，在电缆接头即将发生故障时，通常伴有温度升高的情况。严重时，电缆接头处会产生局部放电现象。借助系统监测平台，获得电缆接头部位的温度变化以及局部放电情况。检测过程中一旦发生异常及时报警，便于运维人员提前采取措施进行处理，避免故障的发生。

2.4 故障寻址器状态自动检测及故障点的自动定位

配网线路发生故障时，线路上的故障寻址器会发生反转，同时将故障信息报送至配网运行维护人员。配网运行维护人员此时按照发生故障的线路去巡查并观察反转的寻址器的位置，从而找到故障点。配电网故障寻址系统的结构如图1 所示。

图1 配电网故障寻址系统结构

图1 中的故障指示器、射频收发装置和GPRS数据终端等单元组成故障寻址系统的硬件设备，与故障寻址中心通过GPRS／Intemet 进行连接。

当配电网发生故障时，故障指示器将显示故障并采集特征数据通过射频通信和GPRS 通信传送到故障寻址中心，应用智能信息理论分析所得数据，并推算出可能的故障点，将告警结果在中心界面上进行提示，并发信息到运行维护人员手机上。维护人员需要确认故障点并录入数据库，可以根据历史数据修正故障指示器的误动率和拒动率，以便提高故障指示器的准确率和正确率。

在智能化改造方案中，设计故障寻址器的状态远传装置，每个寻址器的地址都会实时地传输到系统主站。主站软件系统会根据线路的拓扑结构快速分析出配网线路的故障点，再将相应信息发送到运行维护人员的移动终端上，从而大大缩短了故障查找的时间，也进一步减轻了运维人员的劳动强度。

图2 给出了某10 kV 电缆线路的供电线路结构，10 kV 电缆线路由变电站输出，经过多个环网柜设备，最终进入多个用户配电室，完成向用户供电的网络结构。图2 中，假如某段电缆出现故障，则会引起单个用户处断电或整条线路断电，具体由故障电缆的位置决定。如果故障电缆是直接连接用户的电缆，根据环网柜的判定规则，断开用户侧电缆，则表现为单个用户断电；如果故障电缆是连接线路的电缆，根据环网柜的判定规则，先重合闸，如果故障仍然存在，则线路断开，整条线路停电。

图2 10 kV 配网线路供电线路结构

根据以上规则首先将环网柜按连接顺序进行编号，按照从变电站开始经过的环网柜数量进行编号，如果直接与变电站相连，则编号为1，如果经过一个环网柜后才能到达变电站则编号为2，以此类推。离变电站近的环网柜编号最小，离变电站远的环网柜编号最大。其次，将每个环网柜的内部电缆按用途分为线路侧和用户侧2 类。

当某条电缆线路出现故障时，可能引起该线路上多个环网柜的故障指示器发生状态变化。根据设定规则，使用网络及链表遍历的算法，首先判断出故障指示器发生翻牌的电缆间隔，如用户侧电缆，则直接辨别出该段电缆有故障；如为线路侧电缆，则比较该线路下，编号最大的环网柜的线路电缆间隔可能有故障，其他环网柜的故障则为传递过来的信号。从而确定故障发生的具体位置。

3 系统软件设计

根据系统功能定义，本系统采用C／S 架构，客户端通过TCP 协议和服务器通信；服务器通过ADO 和数据库连接；数据库储存设备信息和系统管理员维护信息，为服务器提供初始化信息；用户终端即无线移动手持终端为用户现场检测工具，为现场施工管理者提供在线实时检测功能。

经过对目标系统的数据流分析，经进一步分析后，设计出系统的软件框架，如图3 所示。

图3 系统软件框架结构

本系统的主站系统，负责管理所有设备的设置、通信调度和数据管理、数据存储以及相应的数据通缉分析和相关报表的生成。系统主站存储的数据，还可以作为工作记录，以备将来必要的事件回溯。

主站系统还可以根据用户不同的需要，提供各种需求的WEB 终端，便于各级运维人员浏览。

手持移动终端APP 应以简单实用为基本原则，可在安卓系统下安装运行。当监测到环网柜内部凝露情况时，应按照严重与否，分为3 个等级报警。运行维护人员可以根据凝露的严重情况进行相应的处理。

电缆T 头的温度由温度传感器采集，采集的温度数据实时上传到系统主站。系统会在运行维护人员使用的移动终端上显示温度变化的曲线，在温度异常的情况下发出报警，提醒运行维护人员注意查看。

当配网线路发生故障时，相应的寻址器反转，寻址器的状态传回主站系统，系统软件根据配网线路的拓扑结构，快速分析计算出故障发生的具体位置，系统把这个信息发送到运行维护人员的手持移动终端上，提醒运行维护人员快速找到线路的故障点。

4 应用效果

4.1 应用案例

自2015 年开始，国网山东省电力公司济南供电公司对辖区内环网柜进行智能化升级改造，到目前为止，已对辖区内1 000 多台环网柜进行了智能化改造工程。由于处理及时，基本上限制了凝露而带来的故障停电，T 接头的故障也基本上得到了消除，电缆故障查找时间大幅度缩短，供电系统的供电可靠性指标以及用户用电满意度也同步得到提升。

系统主站平台界面如图4 所示，可以全面观察辖区内所有的环网柜及分支箱的分布情况，以及出现报警设备的名称，点击可以进入详细的数据界面。

图4 系统主站平台

移动终端APP 界面如图5 所示，在运行维护人员移动终端上运行，及时收到报警信息，并及时采取维护措施。

每个环网柜及分支箱，安装一套凝露治理设备、电缆故障寻址器和状态远传定位分析设备，共用1个通信信道，如图6 所示。

设备5 年的运行情况证明，凝露预测的判断准确度、T 接头温度监测的准确度，以及电缆故障寻址器状态远传及定位分析的准确度，均达到了100%。

4.2 成本和效益分析

进行智能化改造的环网柜，利用廉价移动通信公司的GPRS 数据通信通道，实现了环网柜的数字通信。该信道的费用为3～5 元／（个·月）；安装凝露预测装置，每套装置的所有成本，包括软件及安装费用为每个环网柜或分支箱3 000 元；电缆插拔T 头测温以及电缆故障寻址器的状态远传及定位分析软件的所有成本，包括安装费用2 000 元／套。

供电可靠性方面，杜绝了因凝露产生的停电事故的发生，电缆T 头的温度监测也基本上限制了电缆T 头故障的发生，电缆故障的定位速度和准确性也得到了很大提高。同时也方便了运行维护人员的维护操作，减轻了劳动强度。仅此一项，每年可以为运行维护工作创造出数以百万计的经济效益。

4.3 推广条件

对环网柜的智能化改造（对非智能化柜的改造和对智能化柜的功能性补充），是切实可行，不难实现的。

1）智能化柜与非智能化柜。

对现有的一定数量的非智能化柜，必须解决市电电源和通信信道的问题，通常的办法，是可以使用公共无线信道，比如GPRS。至于电源，可以开通或另行安装10 kV 电压互感器实现。考虑使用光伏电源也是一个不错的选择。对于智能化柜，可以利用原有的DTU 信道和已有的市电电源。

2）系统的划分与应用的目的性。

经过智能化改造实现的智能化系统，与原来的配网自动化系统不仅不会矛盾，而且还会实现功能上的互补。这个系统实际上可以是配电网运行维护人员专用标配的环网柜环境监测和故障定位系统，这一点，正好是被配网自动化系统忽略而没有具备的功能。因而可以专门为运行维护人员使用。

3）异常状态的监测方法。

对监控系统而言，需要报警的方式基本上是2种，一种是被动的查询方式，一种是主动的提醒方式，所研究的报警方式，因为监测的点数巨大，是以提醒方式为主。这样可以大大减轻运维人员的工作量，并能及时得到系统的提醒，提高工作效率。

4）与PMIS 系统接口，实现基础数据的同步。

作为一个实时监测的数字化系统，从系统角度考虑，在实施过程中，需要为其准备一定的基础数据资料。PMS 系统中的单线图足以满足这一需求。在具体设计过程中，为了最大限度地减少数据冗余，实现基础数据同步，在系统实施之前，需要与PMS 的系统数据库系统做好对接。

5 结语

提出对电力系统中环网柜及分支箱智能化改造的概念与方法。以一种简单经济的模式，解决了配电运维自动化的问题，大大提高工作效率，增强电力系统的供电可靠性。若能在电力系统推广应用，必然会带来可观的经济效益和良好的社会影响。