基于GIS技术的10kV配电网综合自动化系统研究

山西潞光发电有限公司 王冬冬

1.引言

我国的配电网电压有着不同的等级，其中10kV 配电网应用较为广泛，配电网的安全稳定运行影响电网的稳定性。传统的配电网主要是通过人工巡查等人为方式进行控制和故障的检测。这种方式工作效率较低，同时有些潜在的隐患也较难发现。随着技术的进步，配电网逐渐发展成为自动化控制形式。将先进的技术应用其中，可以显著提高配电网的可靠性。将GIS 技术引入到10kV配电网的综合自动化系统中，可以带来良好的效果。

2 GIS技术与10kV配电网概述

GIS 技术指地理信息系统，可以应用在农业、电力电信、土地资源以及生态环境等领域，实现地理信息的获取、处理和交换。

配电网在电网系统中的作用是电力分配，主要由电缆、变压器、输电线路以及杆塔等组成。根据电压的等级，可以将配电网分为三类。一是高压配电网，配电范围为35～110kV。二是中压配电网，配电的范围为6～10kV。三是低压配电网，配电范围为220V 或者380V。本文研究的10kV 配电网属于中压配电网，具有4 个特点。一是网络分布多。10kV的配电网应用十分广泛，覆盖面较广，传输范围远高于其他级别配电网。二是电力设备较多。10kV配电网会涉及很多电力设备，类型繁多，同时这些设备没有完全实现自动化，在一定程度上增加了运维的成本。三是通信能力不足。由于电网分布广泛，同时通信网又没有实现全覆盖，在一定程度上影响了通信能力。四是故障较多。通过统计分析，10kV配电网故障率一直较高，并且在发生故障后难以准确定位，处理上较为困难。基于此，必须对10kV配电网进行优化设计，可以将GIS技术应用到10kV 配电网自动化系统中，实现配电网的准确调度。

3 GIS技术在10kV配电网综合系统中的优势分析

GIS技术应用于10kV配电网综合系统中，主要优势有3方面。一是位置信息的自动获取。GIS定位具有准确、高效的特性，可以实现信息的实时同步。二是信息自动上传，对采集的数据可以实现自动上传，时效性较高。三是具有较强的安全性。将GIS技术引入自动化系统中，可以提高信息传输的安全性，进而保证电力稳定传输[1]。

4 基于GIS 技术的10 kV 配电网综合自动化系统设计

4.1 配电网综合自动化系统总体设计

第一，需要确定电气设计和通信方式。电气设计主要涉及电气设备、输电线路等。实现配电网综合系统自动化的关键是通信方式，同时需要给相关的电气设备增加自动控制模块，进而能够实现自动化功能，进行远程控制。在工作中，相关工作人员在监测中心结合配电网实际运行情况，发出具有针对性的指令，以实现对电气设备的有效控制[2]。例如，在监测的过程中，如果发现监测的数据信息存在异常，如电压参数不正确等，能够结合实际情况进行分析处理，有效避免电力系统出现故障。本设计采用的是无线通信方式。与传统的电力线通信方式相比，无线通信更具优势，可以有效解决通信速率低、可靠性弱等问题。本文设计的综合自动化系统利用5G技术进行无线通信，可以实现稳定、高效传输。

第二，明确GIS 信息获取方式。GIS 是地理信息系统，主要作用是获取地理位置信息。本设计在位置信息获取上利用GPS 技术。GPS 定位技术在生活中一般在智能手机、导航系统中应用较为常见。但是在配电网自动化系统中无法利用其实现，因此系统中选择GPS 模块。GPS 定位模块在自动化系统中有两种形式。第一种是将定位模块加入电气设备中，可以实现对各个电气设备的定位，从而了解其位置信息。但是这种方式需要对电气设备进行改造，这并不是一件容易的事情，大部分电气设备在出厂前都进行了密封，不允许随意拆卸改装。如果想要将GPS 模块安装在电气设备中，需要在厂商设计时加入。另一种是将定位模块加入通信节点中，通过增加通信节点的方式，实现对电气设备的定位。从配电网现场情况来看，两个电气设备间的距离并不远，可以在两个设备间设计通信节点，实现一个节点定位两个设备，可以满足故障定位的要求。将两种形式进行对比可以发现，第二种形式虽然没有第一种定位精准，但是能够满足故障定位要求。同时，这种方式无须对电气设备进行改造，也不需要增加通信线路，成本较低。因此，本配电网综合自动化系统定位方式选择的是在将GPS 定位模块加入通信节点中[3-4]。

4.2 配电网综合自动化系统通信节点设计

通信方式是实现10kV 配电网综合系统实现自动化的关键，因此必须重视通信设计，促使数据信息可以高效地进行传输。

首先，需要设计自动化通信形式。配电网自动化系统的结构主要由两部分组成。一是现场的电气设备，包括继电器、互感器、开关、变压器等。二是上层控制中心。通信的作用主要是实现这系统中这两部分的数据通信。电气设备需要结合实际进行选型。需要注意的是不同的设备在通信方式上存在一定的差异。以太网和RS485 是较为常见的通信形式。在无线通信中主要是4G、5G 等通信方式。对于上层控制中心，只能通过以太网进行通信。本设计电气设备选用的是无线通信方式，要实现二者的通信，还需要设计通信转接单元。同时对于专网通信上具有一定的要求。电力系统必须具备较强的稳定性，如果电网不稳定，不仅会给人们带来不良的用电体验，甚至会造成一定的经济损失。在这样的情况下，更应该加强通信网络建设，避免有不法人员通过攻击通信网络，配电网失稳，带来严重后果。基于此，配电网自动化系统通信要利用专网通信，保证电网通信和其他互联网之间进行物理隔离。其次，需要设计自动化通信单元。系统结构如图1所示。

图1 系统结构

由图1可知，通信系统主要由3部分组成，分别是主站、接入单元以及通信网骨干。接入单元的作用实现通信的转接，可以让现场设备和上层监测中心实现有效通信。主站在监测中心，主要有交换机以及相关的服务器等组成。骨干网络即现场和监测中心的专网通信基础，既支持无线专网通信，也可以支持光纤通信。如果采用光纤通信的方式，系统中的开关站使用OLT光线路终端进行连接，这种方式功耗较低，可以实现一对多传输。如果采用专网通信，应该重视传输方式的选择，主要有GPRS、WIMAX、4G、5G 等方式。在目前的网络通信中，WIMAX 应用较少，主要应用在专网领域。在配电网综合自动化系统中，WIMAX 在专网通信上具有良好应用效果，本设计采取WIMAX 专网实现通信。WIMAX实物如图2所示。

图2 WIMAX实物

最后，需要设计自动化通信接入单元。上文分析了通信的形式和通信单元，现场和上层监测中心实现通信需要接入单元。本设计中的接入单元有4 种接口形式，是CAN 总线接口、RS-232 通信接口、RS-485 总线接口、以太网通信接口。同时，还设计了错误信息存储模块以及故障警报模块。在通信过程中，如果输配网存在问题，会将传输的故障信息进行存储，同时发出警报，让相关工作人员通过相关数据信息进行故障分析，处理相关问题，保证电网的稳定传输。接口控制平台共由五部分组成。一是GPS 模块，主要的功能是对地理位置进行定位。二是控制最小系统，主要包括时钟电路、复位电路和调试电路。三是设备间通信模块，主要包括CAN 总线、RS-232 通信接口等。四是上层监测中心通信，主要包括以太网和WIMAX 通信。五是信息存储和报警模块。各个部分都由微控制器连接和控制。微控制器的种类很多，如ARM 系列控制器、单片机控制器等，不同的微控制器具有不同的特点和优势。经过综合分析，本设计选择了单片机微控制器对各个模块进行控制，选择的型号是MSP430，具有运算速率快、功耗低、较多的接口等性能，可以实现通信控制器平台功能。

4.3 配电网综合自动化系统集成方案设计

将GIS 技术应用于配电网自动化系统中，主要实现位置信息的获取，从而有效实现故障定位以及电力的合理调度。工作人员在获取地理位置信息后，需要和系统进行集成，以此实现统一管理。

关于系统集成，主要有几方面要求。一是信息模型要具有一致性，配电网综合自动化系统中涉及的所有子系统的信息模型，都需要进行统一，可以选择IEC61970 模型。二是编码要具有统一性。对于自动化控制系统而言，主要是对各个电气设备进行控制，所以要给不同的设备根据统一的原则进行编码，以此来实现对电气设备的精准控制。三是数据具有唯一性。对于数据的输入，需要保证从唯一端口输入，数据输入后在自动化系统内共享。四是要保证网络安全。各个子系统之间需要进行安全防护，在主站与集控系统间进行加密处理。

GIS 与自动化系统的集成。首先，在信息交互方面。选择的信息模型是IEC61970，可以实现信息在GIS 系统中的补充。相关的数据信息通过CAN 总线传输到各个子系统中，形成配网图形数据，最后在主站中形成统一配网图形数据。同时主站也能够将接收到的信息传输到GIS 系统中，实现信息内容的交互。其次，在交互流程方面。交互的信息是地理坐标信息和实时配网信息。对于前者，主要从通信节点处采集，传输到GIS 系统中，在处理之后向主站系统传输。对于后者，信息传输的流程与地理位置信息的传输相反，由主站向GIS 系统传输。

自动化系统和PMS 系统的集成。PMS 是生产管理集成系统，作用是维护生产管理信息。在配电网综合自动化系统中，需要增加电气设备和通信节点，需要进行维护，保证系统可以正常运行。交互的过程为与主站进行信息传输以及与GIS 系统进行传输。

5 结语

本文分成3个部分基于GIS技术10kV配电网综合自动化系统设计进行研究。一是从GIS 技术以及10kV配电网两个角度进行了内涵概述。二是从信息安全性、信息自动上传以及信息自动获取三方面分析GIS 技术的应用优势。三是从配电网综合自动化系统总体设计、通信节点设计以及集成设计三方面对系统设计进行详细地分析，在设备选型、通信方式选择以及接口选择等方面进行了说明。