基于物联网的分布式FA故障处理技术研究

2022-03-25杨家全

云南电力技术 2022年1期

杨家全

（云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明 650217）

0 前言

随着“云大物移智”新技术在电网的应用，特别是电力物联网技术的深入研究和应用，配电馈线自动化（FA）的技术提升和实用化应用迎来新的发展机遇。配电自动化的深化改造和建设，配电终端数量快速增长，要求传输的数据量越来越大。配电管理系统功能的拓展，也将增加终端向系统主站传输的数据量，然而物联网作为融合无线通信技术、嵌入式系统的新技术，将推动配电自动化一次全新的升级。

分布式FA故障处理技术是通过配电终端点对点通信方式，以就地运行,维护简单，系统独立，不受非相连配电网络频繁变更影响，减少就地型FA开关的多次分合，增加一次设备的使用寿命，同时配网自动化改造成本低。“物”是物联网的基础，通过物联网技术可实现终端之间“物物相连”，配电终端通过物联网的“物物相连”网络实现终端之间进行信息交互，并向主站转发终端数据。

本文融合分布式FA故障处理算法与物联网技术，研究系统实现的技术要求、关键技术及异常情况处理方法等，提出基于物联网的分布式FA故障处理方案，在实验室及10 kV线路上进行了测试验证和工程应用，取得理想的工程效果。

1 配电终端及分布式FA系统的技术要求

在物联网环境下实现分布式FA故障处理技术，配电终端的即插即用功能是基础和核心。插即用配电终端即在物联网下实现终端自识别、配电网络自动拓扑、自动恢复策略生成、信息自反馈等功能。通过自描述模型可实现配电终端之间点对点信息交互，通过自描述模型获取的开关参数可快速建立网络拓扑。当线路中开关位置和网络拓扑结构发生变化时，配电网络自动拓扑能够通过自描述模型所获得的开关参数与相邻的终端进行信息交互实现网络拓扑的更新，整个过程不需要人工操作。即插即用终端通过信息自反馈实现过程追述，在分布式FA故障处理过程中，即插即用终端可以通过SOE向主站发送处理信息，同时将处理过程保存于本地日志文件中，故障时的波形根据时间相应保存在录波文件中，主站可以通过查看日志文件和录波文件追述整个FA处理流程，为工作人员分析判断提供数据依据。

因此，即插即用终端及分布式FA系统应具备以下主要技术要求：

1）可快速建立网络拓扑，具备网络自动拓扑、自恢复策略生成和信息自反馈等功能。

2）当终端发生网络通信故障时，能够快速更新分布式FA网络拓扑结构。

3）当线路开关发生变化时，如开关位置发生变化或线路增加开关，能够实时更新网络拓扑结构。

4）分布式FA系统可通过局域网远程维护、查询、监视的功能。

5）一旦检测通信故障分布式FA将停止；隔离故障时如果发生遥控拒动，智能分布式FA控制单元将直接停止动作进程，并闭锁所在回路的FA功能，向配电自动化主站报告出错情况。

6）分布式FA控制单元电源站内具备投入/退出硬结点，控制本条馈线分布式FA投入与退出。

2 关键技术研究

2.1 分布式FA拓扑建立

网络拓扑是实现分布式FA的关键，因此，分布式FA的拓扑建立非常重要。当配电终端上电后获取FA配置参数，配电终端获悉FA参数并解析，通讯方式采用用户数据包协议(UDP)与相邻终端进行通信。电源点附近首端开关通过自描述模型获取下一级开关参数，根据开关参数中IP地址即可与下一级进行通信，首端开关将发送一条链路拓扑报文，拓扑报文每间隔10秒钟发送，拓扑报文中包含电源点开关ID号、是否带电、开关状态、电源点电流冗余量和故障信息等。

当下一级开关收到链路拓扑报文后，给首端开关回复一条确认帧，将首端信息更新至自身拓扑信息表中。然后通过自描述模型获取下一级开关参数，根据开关参数中IP地址即可与下一级进行通信，并将自身拓扑信息表填充至拓扑报文中，发至下一级开关，终端每间隔2秒检查是否收到拓扑确认帧，若没有收到则再次重发，收到拓扑报文确认后等待下一次拓扑更新。

当链路拓扑报文发送至联络开关处时，联络开关形成自身的拓扑信息表，表中含有两侧的电源点信息，联络开关将自身的联络信息形成联络拓扑报文向另一侧电源点传递，联络拓扑报文包含联络开关ID号、对侧电源点ID、带电状态、联络开关ID等。联络开关通过自描述模型获取另一侧线路的相邻开关参数，根据开关参数中IP地址即可与下一级进行通信，将联络报文发至下一级开关，下一级开关收到链路拓扑报文后进行返回确认，直至报文传至到末端开关，最终完成整个网络的拓扑。

2.2 分布式FA故障区域隔离

配电线路发生故障时，若配电线路一次开关为断路器，线路中发生故障时，则分布式FA开始启动。若配电线路一次开关为负荷开关，出口保护动作信号和出口开关跳闸信号同时产生，则分布式FA开始启动。配电终端采用物联网技术实现对等式的通信方式进行信息交互，采用UDP网络通信协议，实现终端彼此之间共享线路的电压、开关位置和故障状态等信息。当开关在获悉过流或失压信号后分别向相邻发送故障信息报文，同时收集相邻终端的故障信息，故障信息报文采取重发机制。根据物联网通信的特点，设置重发时间为1 s，若1 s内未收到相邻终端的确认帧再次发送，在一定时间内相邻终端的故障信息收集完整后开始进行故障点判断。根据故障点上游均存在故障，故障点下游无故障的策略确定故障点，从而将故障自动切除。

2.3 分布式FA非故障区域恢复

分布式FA系统中，在故障隔离完成之后，处在故障区域并成功隔离的配网终端启动故障恢复，故障点下游的终端根据自身拓扑信息表中的联络信息，向非故障段的联络开关进行询问是否可进行恢复供电，供电恢复策略如下描述。

线路正常运行时，线路首端的配电终端根据最大电流容量与当前负荷电流计算本电源侧的冗余电流，并将冗余电流数据传递至联络开关。故障点隔离完成后，故障点下游终端启动非故障区域恢复操作，首先从自身拓扑表中寻找联络开关，向联络开关请求冗余量报文，联络开关处的配电终端根据故障隔离信息及馈线拓扑结构识别故障线路，并从自身拓扑表中获取非故障线路电源侧的电流冗余量传递给发起联络请求的终端（即故障点下游终端），故障点下游终端收到非故障线路电源侧的电流冗余量，与自身线路段正常供电时的负荷电流进行比较，即可判断非故障线路电源侧的电流冗余量是否满足要求，如果备供不足，可根据备供电源不过流以及恢复供电范围最大的原则，确认需要恢复供电的区段。当配电线路发生故障时，配电终端根据FA自描述文件中的故障处理参数和实时的网络拓扑信息，自动生成故障处理策略，快速准确地定位故障点隔离故障。

分布式FA的故障处理机制是检测到线路故障，通过相互通信确认出口保护动作并跳闸成功，确定故障点，将故障点前后的开关跳开隔离故障，隔离成功后，重合变电站出口开关和联络开关，恢复非故障区段供电。

3 异常状况处理方法

在实现分布式FA时，通信的稳定流畅是关键，而实际工程中用中，通信异常导致的FA功能失效或开关误动造成停电事件是重点要解决的难题。当发生通信异常，主要包括联络开关控制策略、主干线发生通信故障、联络开关发生通信故障、首端发生通信故障和两处开关发生通信故障等情况时的系统智能化处理是工程化应用重点。针对这些问题本文采用应用层协议控制与故障处理流程相结合的技术方案，通过完善和改进分布式FA故障处理算法，来应对物联网的特殊性。

3.1 主干线开关发生通信故障

若当主干线路开关有一台发生通信故障时，该通信故障开关自动切换为电压时间型保护，其相邻即插即用终端发现通信中断后越过通信故障开关，通过自描述模型获取下一级开关参数，根据开关参数中IP地址即可与下一级进行通信，并其更新自身的拓扑信息，并主动向下一级开关发送最新的拓扑连接报文，当下一级开关收到最新拓扑报文后，回复确认，并更新自身的拓扑结构以及相邻开关的信息，更新完成后并通过自描述模型获取下一级开关参数，根据开关参数中IP地址即可与下一级进行通信，直至末端整个拓扑信息完成更新。

以图1为例，假设KG3发生通信故障，KG2、KG4分别检测到KG3通信发生故障，设置联络开关位置为KG5（下同）。

图1 线路通信故障模拟图

KG2开关发现与KG3开关通信中断后越过KG3开关，KG2开关通过自描述模型获取KG4开关参数，根据开关参数中IP地址即可与KG4开关进行通信，并其更新自身的拓扑信息，并主动向KG4开关发送最新的拓扑连接报文，当KG4开关收到最新拓扑报文后，回复确认，并更新自身的拓扑结构以及相邻开关的信息，更新完成后并通过自描述模型获取KG5开关参数，根据开关参数中IP地址即可与KG5开关进行通信，直至末端整个拓扑信息完成更新。

在整个重建拓扑过程中，KG2、KG4之间直接建立链接，KG3从网络拓扑中删除，KG3自身切换成电压时间型保护，S3、S4线路合并为一条线路，当故障发生在S3、S4段，则KG2、KG4跳闸，扩大隔离区域，KG4请求联络KG5合闸，恢复非故障区域供电，如图2所示。

图2 故障隔离模拟图

3.2 联络开关发生通信故障

当联络开关发生通信故障时，该开关自动切换为电压时间型保护，其相邻即插即用终端发现通信中断后越过联络开关，通过自描述模型获取下一级开关参数。其网络拓扑建立过程与上述过程类似，不再赘述。

以图3为例：假设KG5发生通信故障，KG4开关发现与KG5开关通信中断后越过KG5开关，KG4开关通过自描述模型获取KG6开关参数，根据开关参数中IP地址即可与KG6开关进行通信，并其更新自身的拓扑信息，并主动向KG6开关发送最新的拓扑连接报文，当KG6开关收到最新拓扑报文后，回复确认，并更新自身的拓扑结构以及相邻开关的信息，更新完成。

图3 联络通信故障模拟图

在整个重建拓扑过程中，KG4、KG6建立链接，KG5从网络拓扑中删除，KG5自身切换成电压时间型保护，S5、S6合并为一条线路。当S3段发生故障后，KG2、KG3跳闸隔离故障，KG3请求联络失败，KG5通过单侧失压合闸逻辑进行合闸，恢复非故障区域供电；当S5段发生故障后，KG4、KG6跳闸，扩大隔离区域，KG5两侧失电，不动作。

3.3 首端发生通信故障

当线路首端发生通信故障时，首端开关切换为电压时间型保护，下一级开关检测到首端通信异常，自动切为首端，首端开关获悉FA参数并解析，通讯方式采用用户数据报协议(UDP)与下级进行通信。

以图4为例，KG1发生通信异常，KG2自动切换为首端，发起拓扑建立。

图4 首端通信故障模拟图

KG1切换成电压时间型保护。当故障点发生在S2处，KG1失电后跳闸，KG2发现自身为首端且失电，表明故障在S2处，直接跳闸，并请求联络KG5合闸恢复供电；当故障点发生在其他线路，与正常通信时FA处理一致。

3.4 两处开关通信异常

线路中出现两处开关通信异常时，两处开关不连续，则仍可按照上述方案进行FA处理。线路中出现连续两个开关通信异常时，相邻开关发起拓扑建立后，会发现下一级开关仍然无法建立通信，此时上报两级通信故障遥信，故障隔离算法按照故障点位置的不同区别处理，故障点在通信异常开关周围时FA闭锁隔离，故障点在通信正常开关时FA正常隔离，非故障恢复此时全线闭锁。

以图5为例，KG3、KG4均发生通信异常，当故障点在S2段时，KG1、KG2正常隔离故障；当故障点在S3段时，由于KG2无法得到下游信息，KG2不动作；当故障点发生在S4时，KG3、KG4无法得到故障周围信息，KG3、KG4不动作。

图5 连续两级开关通信异常模拟图

3.5 通信延时与丢包处理

影响“物联网”网络通信性能的主要原因之一是网络延时，网络延时大以及丢包率高和通信中断既有相同点也有不同之处：相同点是终端与终端之间无法有效地进行数据交互；不同点是网络延时以及丢包具有时间段的特性，即特定时间段出现通信质量下降，这种通信异常是可以恢复的，而通信中断是不可恢复的。因此，本文采用基于应用层协议控制与故障处理流程相结合的技术方案对通信延时和丢包率高的异常进行处理。

通信延时处理机制主要如下：在线路无故障发生时，每个开关通过给相邻开关发送拓扑报文和接收应答报文的时隙来评价各个相邻开关的通信质量Q，通信质量Q的计算方法如下：

其中R为最近S帧拓扑报文在时间T内收到应答的次数，S参数设定用于调节系统对通信质量的敏感程度，通常S=20；当Q小于最小值Qmin或大于最大值Qmax时动态更新时间T：如果Q＞Qmax，T缩小10%，如果Q＜Qmin，T放大10%；当T大于最大等待时间Tmax认为此开关出现通信中断，当T小于最小等待时间Tmin将T置为最小值。等待时间T的变化在系统中是个随通信质量实时更新的过程，具体状态转移如图6所示。

图6 状态转移图

当线路发生故障时，报文发送装置根据以时间T来设定询问报文等待最大时限，大于时间T未接收到应答报文则重发询问报文。

针对无线系统中的通信收到重复报文的小概率问题，分布式FA系统采用“重名丢弃”的处理方法。具体处理办法：罗列系统中的所有报文，给每条报文独立的“ID号”。当装置收到一条报文后在装置中记录其“ID号”，如果在一段时间内收到相同的报文则选择丢弃且不发送应答报文，多包处理流程如图7所示。

图7 多包处理流程图

4 工程验证

为了测试验证上述分布式FA系统功能和异常处理方法是否满足工程应用要求，同时验证即插即用终端的功能，在实验室搭建了一套智能分布式FA系统，模拟云南电网玉溪地区2条线路10个站点，采用4G无线网络进行组网，选择集成物联网互联的智能FA终端进行分布式FA系统验证，线路拓扑图如图8所示，实验室环境如图9所示。