基于4G/5G物联网技术的无线组网选线系统在配电网的应用及展望

童雪燕，吴桂林

（1.安徽合凯电气科技股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.上海合凯电气科技有限公司，上海 201612；3.湖北三宁化工股份有限公司，湖北 枝江 443206）

0 引言

对于生产型的化工企业，供电连续性、可靠性、安全性要求较高，如果发生停电事故对企业正常生产造成不可估计的损失，当系统发生单相接地故障时，按照电力系统规程单相接地故障可以带故障运行2个小时，但是单相接地故障引起相电压的升高，有可能导致绝缘击穿造成事故扩大，甚至发展成相间短路，对系统运行安全性造成更大的危害，因此必须快速的查找出故障线路并加以排除。

某化工企业东区10 kV各配电室的小电流选线装置品牌杂乱，通信协议转化难，通信协议互相不兼容，并且小电流选线装置未接入该企业的电力调度系统，当发生单相接地故障时不能准确判断故障支路，调度人员不能第一时间收到报警信息，并通知运维人员进行下一步故障处理，导致故障进一步扩大的几率增大，以致引起大面积的停产停电事故。原选线装置采样精度低，联动选线的故障逻辑算法复杂，导致选线不准未能及时准确的查找故障线路，发生故障时还是采用传统的人工拉路这一传统的方法来查找故障线路，效率低下导致故障由单相接地演变成相间短路事故可能进一步加大，使得该企业的连续性供电可靠性和经济效益造成了很大损失，同时也耗费了更多人力和物力。

随着配电网线路入地率的提高，聚乙烯交联电缆线路的比重随之增大，在接地大电弧和高幅值的弧光接地过电压的作用下，大大加速了故障的发展。一旦系统发生单相接地故障，少则数秒钟多则十几分钟就会发展成为相间短路事故。原有小电流选线不准，人工拉路选线来不及，致使单相接地故障跳闸率大幅度提高。谐波干扰、电磁环境、高频大电流可能破坏小电流选线的工作条件导致选线不准，一旦发生单相接地故障，为了在单相接地时迅速选出故障线路，降低事故持续时间，缩小事故范围，组网式高精度快速选线装置必须在接地故障时迅速选出故障回路，并通知运行人员进行下一步处理。因此选择选线准确率高，抗干扰能力强的小电流选线装置十分必要。

基于以上种种原因，该企业采用了合凯公司研制的基于4G/5G物联网技术的无线组网选线系统（SHKWLS2），巧妙地解决了谐波干扰、电磁环境、高频大电流，可以在各种恶劣环境下实现选线准确率100%，支持多种通信规约的兼容，能与变电站综合自动化系统进行远程数据交换。

1 传统小电流选线装置存在的问题

1.1 目前市面上一般选线方法

市面上传统的小电流选线装置，存在选线准确率低的缺陷，不能准确选出故障线路，仍需靠人工拉路选线的方法，降低了供电可靠性。

关于配电网单相接地故障的选线算法，大致可以分为四大类，如图1所示。

图1 接地故障选线算法分类图

影响选线精度的因素主要是中性点的运行方式和故障特征量的大小。选线装置的启动一般要借助于对零序电压的监测，一旦零序电压超过预期限制，选线程序才会启动。而故障大多是渐进发展的，故障过程中可能在最初的暂态过程发生一段时间后零序电压才越限，选线程序才刚刚启动，而此时记录的暂态波形不一定能满足暂态信号选线的要求。但同时，三相电流合成的暂态信号的幅值比稳态信号更高，信噪比也更高。

因此，这些算法受众多因素的影响，存在局限性，使得选线准确率和时间都得不到保证。

1.2 选线不准的原因

（1）小电流选线厂家技术参差不齐，选线方法单一，无法满足实际的工况。

（2）小电流选线装置采样精度不高，导致采样误差大，影响选线准确率。

（3）小电流选线装置厂家服务跟不上，导致产品在投运后的维护、异常处理以及升级服务得不到保障。

（4）小电流选线的安装调试未受到足够的重视，往往由于现场的零序CT的精度以及安装方式导致线路的零序电流无法被准确的采集。

（5）多级的电力系统，多台选 线同时启动选线，无法分辨最终故障线路。

2 4G/5G物联网技术的无线组网选线系统

2.1 4G/5G物联网系统

某化工企业致力于智能化的发展建设，为满足各智能项目的通信需求，该企业完成东区无线4G/5G专网的建设。通过1个总站+12个分站+1个移动站，共13个配电室，实现东区各个配电室及盲点的全覆盖，实现了该化工东区的智能化和高效化。4G/5G专网系统主要由核心网、网管系统、基站、CPE终端组成。

（1）核心网：主要提供签约数据管理、鉴权管理、移动性管理、会话管理、承载管理及数字集群业务等相关功能。

（2）网管系统：位于网络层，负责管理基站、核心网网元、宽接终端设备（CPE）和业软设备（调度机、录音录像服务器、专网用户和设备管理平台），包括了集中配置管理，集中告警管理，集中性能管理等EMS层级的操作维护中心，还包括单点维护工具，网元日志离线分析工具等工具级别的解决方案。

（3）基站：采用分布式基站系统架构，最大程度实现了部件共享。系统由BBU和RRU两个基本功能模块构成，采用射频模块拉远技术，形成可以独立安装、扩容和演进的基站解决方案，以适应各种网络建设需求。

（4）CPE终端：一款基于TD-LTE的无线路由器，通过CPE终端可接入到IP网络，完成各种数据的业务传输。

2.2 无线组网选线系统

无线组网选线[2]系统是带远程通信的选线定位系统，该系统集电压、电流测量、故障监测、故障录波、定位/指示等功能于一体，与配电选线定位主站通信，完成配网线路的运行状态监测[3]、故障监测与指示等功能。在线选线定位系统具有高稳定性、高安全性、功能完善、抗干扰能力强、故障定位准确等优点，进一步提高了故障巡线的效率，缩短故障停电的时间，保障了线路的安全稳定，同时也减少了人力资源的浪费，降低了企业的经济损失。

主要实现的功能如下：

（1）小电流接地故障监测[4]与指示功能：实时在线监测系统电压和馈出线回路的零序电流，对数据采样的可信度进行全面分析，在此基础上，使用“多重判据模糊推论综合选线”方法，综合“首半波基波比幅比相法”“最大增量法”“智能高次谐波法”“基波有功功率比较法”等8种选线方法针对不同状况进行选线判定，从而实现系统综合选线，能够识别系统单相接地、系统短路、系统谐振、PT断线等多种故障状态，并在发生单相接地故障以及短路故障时，准确判定故障线路，并将故障信息传送至后台，方便运维人员进行故障隔离，恢复系统正常供电。

（2）运行状态监测功能：实时在线监测系统三相电压、各馈出线回路的零序电流等运行信息以及主供电源、后备电源等状态信息，并将以上信息上送至主站。

（3）线路故障手机APP推送：手机APP不仅可以接收管控平台推送的预警信息和设备报警信号，更能够接收所有选线装置的实时运行数据、历史故障记录（1000条事件记录）以及发生故障时的故障录波等信息。

（4）规模不受限制：一个工程下最多可以安装255台选线装置组织成为一个虚拟局域网。

（5）选线速度快：最快可以在20 ms之内准确选出故障线路，配合专用跳闸模块可以快速地对故障线路进行隔离。

（6）微信推送：通过扫码关注并授权之后，用户可以指定微信账号用于接收故障信息，在系统发生接地故障时，在10 s之内可以接收到故障信息和故障线路。

（7）U盘接口：装置带有U盘接口，可以方便用户将故障录波数据导出，导出数据为标准的Comtrade99录波文件格式。

3 4G/5G物联网技术的无线组网选线系统的应用

4G/5G物联网技术的无线组网选线系统是由一系列安装在配电线路上的无线采集单元和无线汇集单元构成，无线采集单元实时采集线路运行状况，并通过微功率通信发送数据（三相电压、回路零序电流、故障回路电流、主供电源、后备电源等信息）到无线汇集单元。无线汇集单元无线模块连接CPE发出的Wi-Fi信号接入至4G/5G无线专网，并将采集到的数据传送至控制网络内的配电定位主站。

3.1 网络拓扑图

图3 通信图

无线组网选线系统主要有终端层、通信层和主站层组成，三层分别由不同的设备构成。该系统网络拓扑图如图2所示。

图2 网络拓扑图

3.2 设备配置及安装

（1）SHK-WLS2总站型无线组网选线系统。总站无线组网选线SHK-WLS2负责总站母线的故障线路定位；通过GPRS+4G/5G无线通信从云服务器获取分站无线组网选线装置选线信息、计算分析出最终选线结果并上传最终选线结果至云服务器，并将相关单相接地故障点信息上报给用户后台监控系统。

（2）SHK-WLS2分站型无线组网选线系统。负责分站选线数据采集预判，并将采集数据信息通过GPRS+4G/5G无线通信方式传递至云服务器，由总站无线组网选线装置集中分析计算，确定分站母线故障线路的定位。

（3）合凯云平台。负责汇总各选线装置数据信息及故障信息，并通过手机APP时时查看装置运行信息，并通过微信及时推送故障信息。

4 4G/5G物联网技术的无线组网选线系统的应用效果

图4 SHK-WLS2系统实时数据显示

图5 SHK-WLS2系统正确动作波形及实时数据显示

5 结束语

通过基于4G/5G物联网技术的无线组网选线系统在某化工企业的应用，实现了配网线路的短路、接地故障的准确定位，实现了对线路的运行在线监测和报警功能。大大提高了供电可靠性，同时也减少了故障巡线人员的数量和巡线时间，提高了工作效率。下一步，该企业将该系统扩展至其他区域的10 kV系统，最终实现全部配网线路的智能在线监测。并为以后类似项目实施具有指导意义。值得在配网供电系统的广泛推广。