配电网一二次融合关键技术及应用

项 林

（福建 厦门 361000）

0 引言

随着我国智能电网建设水平的不断提升，很多供电设施都朝着智能化、自动化、信息化的方向发展，不仅提高了配电网的运行效率，保证其质量，而且在很大程度上提高了供电服务质量与客户满意度。在这种背景之下，诞生了一二次融合技术。而且随着这项技术投入使用，供电设备更加完善，提高了其运行质量，配电网智能化水平也获得显著提升。鉴于此，有必要针对配电网一二次融合关键技术进行系统化研究，持续推动该项技术的健康发展。

1 一二次融合技术的发展现状

在传统供电模式下，一次设备与二次终端之间主要通过电缆进行连接。但是，这种接线方式较为复杂，现场施工量较大。另外，在其运行过程中，还时常出现一、二次设备接口不匹配、二次设备端子标准化程度低等问题，导致一二次设备兼容性、扩展性、互换性均不够理想。此外，对传统一次设备而言，其IP防护以及EMC性能普遍偏低，时常在运行过程中出现遥信抖动、设备凝露等问题；在应用全间隔高速录波功能时存在较大难度；由于单相接地故障监测存在一定的困难，在配电网运行过程中非常容易出现单相接地故障，阻碍了配电质量的提升[1]。

2 一二次融合技术的应用目标

在配电网中引进一二次融合技术，主要有以下应用目标：第一，弱化一二次设备的分界。一二次融合技术需要以防尘、防雨、防腐蚀、防凝露为目标进行高防护结构设计，消除一、二次设备之间的界限，确保一二次融合设备及配电网在恶劣天气环境下，依然可以实现平稳运行，使供电质量获得保障；第二，提高整体设计的耐用性。一二次融合设备不仅自带整体模块化设计和标准化接口，各模块还具有小型化、可靠性强、实用性高、即插即用等特点，可满足多种类型配电网的使用需求；第三，提高设备智能分析处理能力。通过应用一二次融合设备，可针对配电网故障进行快速精准定位，并且及时切除故障，尽快恢复供电；第四，获得更加友好的运维体验。一二次融合设备具有设备状态集成化监测功能，该功能可以在设备运行过程中，对其运行状态进行图形化展示、智能化诊断以及科学化运维指导，帮助工作人员更加精准高效地开展供电线路运维工作，使运维工作水平获得显著提升。

3 一二次融合技术的优势

第一，二次设备虽然是开关柜自动化成套设备中的1个核心部件，但其内部电子控制器却是1个新增部件。即使如此，该部件可以针对中压系统开关柜进行多功能控制与智能化控制；第二，一二次融合终端自带信息采集DTU装置，借助该装置的信息技术可使传统装备得到智能化升级。升级之后的终端设备集成了工业自动化技术以及嵌入式智能控制单元，外加多个新增元器件的联合应用，使开关设备的电气性能获得显著提；第三，通过运用电子控制器，可以同时操控多种类型的开关。对开关柜而言，通过加装电动机驱动结构，使开关柜操控方式从原有的手动操控转变成远程操控，传统模式下的人工扳杆操作也转换成按钮操作，其操控过程更加高效、快捷、安全；第四，有利于制订个性化方案[2]。

4 一二次融合融合关键技术原理

现如今，虽然一二次融合配电开关的使用率越来越高。但是，对于该类开关的运行质量和整体性能而言，一二次设备融合程度是一个非常关键的因素。要想发挥出一二次融合配电开关的技术优势，务必根据以下原理，针对一二次融合配电开关设备融合方式进行科学合理地设计。首先，建议使用决策层融合方法，该方法可以对一二次融合配电开关数据信息及设备类型进行有效识别，进而帮助工作人员在各种分类器当中做出合理选择，以此来满足一次次融合开关的数据采集需求；其次，在针对一二次融合配电开关设备不同功能模块进行分类时，假设同时存在n个模块，则需要以n个模块作为输出基础。在该基础上，进行信息数据的接收，其模型结构示意图参见图1。

图1 决策层融合模式识别模型示意图

5 一二次融合开关设计原则

第一，可靠性。在终端整体结构设计阶段，就要针对电气接口、功能定义和设置配置以及运行维护等方面进行周全细致的考虑，确保所有运行装置的安全稳定性，最大限度防止出现误操作；第二，通用性。针对设备运行参数、切换开关、压板等实现功能进行合理配置。由于真空断路器与负荷开关的成本较为接近，为了提升便捷性，建议统一为断路器。因为断路器可同时支持电磁、电子和数字3种电气量采集方式；还可以设置为集中型或者就地型馈线自动化模式。通过上述设计，可实现集成开关操作、隔离开关操作、储能回路状态监测，为一二次融合设计的通用性提供可靠保障；第三，小型化。在针对一二次融合开头进行设计时，需要优先满足各项功能要求，在此基础上，尽量采用小型化罩式结构或箱式结构。但是，需要统一安装尺寸和电气接口，以此来适应批量制造和自动检测的相关要求；第四，还需要针对馈线终端产品类别进行精简，体现出设备小型化技术优势；第五，先进性。一二次融合设备可以支持电子式传感器及就地数字化等新技术的应用，内部集成开关还具备状态监测功能。鉴于一二次融合设备存在上述技术优势，当设备在运行过程中遇到小电流接地选线准确性问题、缩短FTU+断路器动作时间问题、无(电压)源跳闸问题、小电流(200A以下)计量等配电问题时，都可以第一时间提出相应的解决方案。这一特性决定了一二次融合开关的先进性，使其成为一项值得重点推广的技术，也直接凸显出一二次融合技术的实际应用价值[3]。

6 配电网一二次融合关键技术及应用

6.1 一体化检测技术

如图2所示，一二次融合设备一体化检测技术是基于物联网技术、信息技术构建起的一个综合检测平台系统，该系统主要由检测软件、一次电压电流功率源、一次信号驱动器、录波仪、多通道高精度标准表、二次电压电流源、开入开出通道以及综合切换装置共同构成。在实际应用过程中，该平台既可以针对单台设备进行一体化检测，也可以针对多台设备进行网架级检测，而且凭借HIL的一次侧注入FA检测技术、多通道精度检测、高精度故障反演和自动化流程控制等众多功能模块，对一二次设备核心部件进行精准检测，为设备提供可靠保障，使其运行质量获得大幅提升。在搭建组态式动模平台时，同时引进了可视化组态建模技术和合闸角故障仿真技术，这2项技术为提高一二次融合设备的应用水平提供了极大的技术支持。

图2 一二次融合综合测试系统示意图

在单台设备进行一体化检测方面，其工作原理如下。当一次电压电流功率源所输出的电压电流信号经过一次信号驱动器升压升流之后，即可输出1000A暂态电流、720A稳态电流等模拟电流以及每相幅值11kV的一次模拟电压，该电压和电流经高压电缆流入智能开关中；接着智能开关的PT、CT通过一次航插接口与综合切换装置相连接；然后，综合切换装置再通过二次航插接口与智能开关的控制终端端子相连接；最终，多通道高精度表、二次电压电流功率源、开入/开出通道再通过各自相对应的信号线与综合切换装置相连接。在多台设备网架级测试方面，其技术原理如下。一体测试系统以HIL一次侧FA注入技术和组态式动模FA测试技术为依托，同时兼容多种负载类型、负载率、容流规模、中性点接地方式、故障场景等运行工况，再通过检测接口将待测配电终端接入一体化检测系统中，可针对该配电终端FA系统进行功能检测。在这个过程中，需要实验人员事先绘制好网络拓扑图，并且按照系统生成的组态导引流程逐步完成一次网络接线，即可针对各种实验场景进行全面部署。借助系统中的软件，依次执行多种检测案例。待检测完成后，系统会自动生成检测报告，为工作人员开展设备维修养护提供指导与参考。一体化检测技术具有便捷、实用、灵活多样等优势，它不仅可以检验FA系统故障处理逻辑是否正确，还可以检验FA系统通信故障、开关拒动、开关慢动等多种故障；同时，针对大负荷投切、变压器空投等多种复杂工况下FA动作逻辑的可靠性进行检测与验证，在FA系统出厂检测时，为其提供一种高效、可靠的检测技术，从而推动配电网自动化进程[4]。

6.2 故障隔离与自愈技术

一二次融合设备借助遍历算法，可针对配电网拓扑图形化进行智能识别。这对故障自动隔离与自愈技术而言，属于必要条件之一。故障隔离与自愈技术具有配置简单、可视性、扩展性等特点，而且其辐射范围非常广。不仅适用于辐射型网络、花瓣型环网、链式单环网、链式双环网等标准网络拓朴，还适用于多T节、多电源、多联络等更加复杂的网络拓扑。在区域型终端方向，可与区域内所有单元型配电终端之间进行信息交互。之后，再结合网络拓扑以及检测到的故障信息，针对非故障段有针对性地提出供电恢复方案。对单元型终端，可采集开关信息，使故障得到精准定位，实现故障段自动隔离，再以GOOSE报文形式将相关信息上传至区域型终端的控制部件中[5]。当该部件接收到控制命令以后，便开始自动执行自愈分合闸命令。

6.3 单稳态分相直控永磁机构

与传统的弹簧机构相比，单稳态永磁机构所采用的纵向对称前后布置方式；三相采用的是独立机构。因此，其传动结构非常简单，而且零部件数量较少，省去了传统弹簧机构中分闸线圈、储能电机、机械锁扣连杆等零件。单稳态分相直控永磁机构不仅可以独立完成直线运动，其使用寿命较长，可达到10万次以上。因此，该机构具有操作简便、使用寿命长，稳定可靠等优势。该机构采用了双断口磁路结构，反应速度更快，分闸时间更短。通常情况下，分闸时间小于15ms，合闸时间小于25ms。在相同合闸电流情况下，合闸保持力更大，该机构还具有尺寸小、功耗低、可独立安装等特性。其驱动模块采用的是IGBT控制技术，驱动力更强。其自带防抖处理功能，可有效避免由外界干扰所造成的误动；该机构还自带监测回路，支持故障清除和状态检修功能，其控制器还配置了后备电源，可大幅降低设备运维成本[6]。

6.4 Web Server运维技术

现阶段，运维App与终端业务App已经实现了完全独立，从各自的硬件设备上看，也各自具备独立端口。因此，完全可以实现保障维护功能与核心业务的安全隔离。Web Server运维技术支持运维端口管理，通常情况下，HTTPS-443、TFTP-69等端口只有在特定运维工况下，才予以启动。Web Server运维技术除了可以同时兼容国网数字证书和南网数字证书的双向认证以外，还可以针对芯片进行加密[7]。

6.5 接口匹配与防护

为了保证各个电力应用单位的有效执行，需要根据一二次设备相关标准以及设计文件对设置标准化设计进行清晰标注，还需要针对不同地域的市场需求进行归类与分析，找出其中的共同点与差异性，还要考虑到当需求升级时，设备是否具备较强的兼容性与扩展性，满足不同地区、不同时期的供电需求。在针对一二次设备接口进行标准化设计时，需要同时满足测量接口、控制接口、通信接口及扩展接口的设计需求，并且落实标准化设计。其中，主要涉及接口尺寸定义、接口容量及接口电平匹配的标准化设计；还要遵守国际通信规约、各地域扩展规约开展标准化设计；在保护参数方面，主要包括三段电流保护、就地FA保护及小电流接地保护的参数标准化设计；还需要针对地域扩展功能设备接口进行标准化设计。如果采用的是全密封结构共箱式开关，则需要落实全绝缘、全密封的应用原则；对各个控制单元而言，要尽量采用非金属全密封罩式结构，确保其防护等可满足防潮、防凝露等相关要求。在设置电缆类设备控制单元时，建议采用分布式结构以及开关柜一体化设计方式，直接由设备供应商在生产加工过程中完成一二次联调工作，从而大幅减少施工过程中的配线、接线以及调试工作[8]。

6.6 设备联动测试机制

对一二次融合设备而言，除了保留原有的各自测试要求外，还新增第三类测试要求。在实际应用的过程中，虽然已针对现有的NB/T42044进行规范，但仍然需要基于市场对产品功能和设备技术进行完善，进一步扩充其测试内容，提高测试参数的科学合理性。目前，一次设备仍是第三类测试的主要载体。在进行这类测试之前，需要针对一二次设备的环境适应性以及运行可靠性进行测试。只有这样，才能确保融合之后的产品性能符合用户需求[9]。

7 结语

配电网一二次融合设备的安全稳定运行，对提高供电质量，保障供电安全具有重要的现实意义。因此，相关技术人员有必要针对一二次融合关键技术持续不断地进行研究。确保在供电系统运行过程中，用户能够快速获取一二次融合设备对电网故障的感知力，精准定位故障的时间和地点，并且具备自动隔离故障、故障自愈的能力。从以往的人工“被动”判断过渡到更加先进科学的“主动”隔离操作，配电网的智能化控制与自动化管理，为配电网的正常运行提供技术支撑。