基于GIS技術的10kV配電網綜合自動化系統研究

山西潞光發電有限公司 王冬冬

1.引言

我國的配電網電壓有著不同的等級，其中10kV 配電網應用較為廣泛，配電網的安全穩定運行影響電網的穩定性。傳統的配電網主要是通過人工巡查等人為方式進行控制和故障的檢測。這種方式工作效率較低，同時有些潛在的隱患也較難發現。隨著技術的進步，配電網逐漸發展成為自動化控制形式。將先進的技術應用其中，可以顯著提高配電網的可靠性。將GIS 技術引入到10kV配電網的綜合自動化系統中，可以帶來良好的效果。

2 GIS技術與10kV配電網概述

GIS 技術指地理信息系統，可以應用在農業、電力電信、土地資源以及生態環境等領域，實現地理信息的獲取、處理和交換。

配電網在電網系統中的作用是電力分配，主要由電纜、變壓器、輸電線路以及桿塔等組成。根據電壓的等級，可以將配電網分為三類。一是高壓配電網，配電范圍為35～110kV。二是中壓配電網，配電的范圍為6～10kV。三是低壓配電網，配電范圍為220V 或者380V。本文研究的10kV 配電網屬于中壓配電網，具有4 個特點。一是網絡分布多。10kV的配電網應用十分廣泛，覆蓋面較廣，傳輸范圍遠高于其他級別配電網。二是電力設備較多。10kV配電網會涉及很多電力設備，類型繁多，同時這些設備沒有完全實現自動化，在一定程度上增加了運維的成本。三是通信能力不足。由于電網分布廣泛，同時通信網又沒有實現全覆蓋，在一定程度上影響了通信能力。四是故障較多。通過統計分析，10kV配電網故障率一直較高，并且在發生故障后難以準確定位，處理上較為困難?；诖?，必須對10kV配電網進行優化設計，可以將GIS技術應用到10kV 配電網自動化系統中，實現配電網的準確調度。

3 GIS技術在10kV配電網綜合系統中的優勢分析

GIS技術應用于10kV配電網綜合系統中，主要優勢有3方面。一是位置信息的自動獲取。GIS定位具有準確、高效的特性，可以實現信息的實時同步。二是信息自動上傳，對采集的數據可以實現自動上傳，時效性較高。三是具有較強的安全性。將GIS技術引入自動化系統中，可以提高信息傳輸的安全性，進而保證電力穩定傳輸[1]。

4 基于GIS 技術的10 kV 配電網綜合自動化系統設計

4.1 配電網綜合自動化系統總體設計

第一，需要確定電氣設計和通信方式。電氣設計主要涉及電氣設備、輸電線路等。實現配電網綜合系統自動化的關鍵是通信方式，同時需要給相關的電氣設備增加自動控制模塊，進而能夠實現自動化功能，進行遠程控制。在工作中，相關工作人員在監測中心結合配電網實際運行情況，發出具有針對性的指令，以實現對電氣設備的有效控制[2]。例如，在監測的過程中，如果發現監測的數據信息存在異常，如電壓參數不正確等，能夠結合實際情況進行分析處理，有效避免電力系統出現故障。本設計采用的是無線通信方式。與傳統的電力線通信方式相比，無線通信更具優勢，可以有效解決通信速率低、可靠性弱等問題。本文設計的綜合自動化系統利用5G技術進行無線通信，可以實現穩定、高效傳輸。

第二，明確GIS 信息獲取方式。GIS 是地理信息系統，主要作用是獲取地理位置信息。本設計在位置信息獲取上利用GPS 技術。GPS 定位技術在生活中一般在智能手機、導航系統中應用較為常見。但是在配電網自動化系統中無法利用其實現，因此系統中選擇GPS 模塊。GPS 定位模塊在自動化系統中有兩種形式。第一種是將定位模塊加入電氣設備中，可以實現對各個電氣設備的定位，從而了解其位置信息。但是這種方式需要對電氣設備進行改造，這并不是一件容易的事情，大部分電氣設備在出廠前都進行了密封，不允許隨意拆卸改裝。如果想要將GPS 模塊安裝在電氣設備中，需要在廠商設計時加入。另一種是將定位模塊加入通信節點中，通過增加通信節點的方式，實現對電氣設備的定位。從配電網現場情況來看，兩個電氣設備間的距離并不遠，可以在兩個設備間設計通信節點，實現一個節點定位兩個設備，可以滿足故障定位的要求。將兩種形式進行對比可以發現，第二種形式雖然沒有第一種定位精準，但是能夠滿足故障定位要求。同時，這種方式無須對電氣設備進行改造，也不需要增加通信線路，成本較低。因此，本配電網綜合自動化系統定位方式選擇的是在將GPS 定位模塊加入通信節點中[3-4]。

4.2 配電網綜合自動化系統通信節點設計

通信方式是實現10kV 配電網綜合系統實現自動化的關鍵，因此必須重視通信設計，促使數據信息可以高效地進行傳輸。

首先，需要設計自動化通信形式。配電網自動化系統的結構主要由兩部分組成。一是現場的電氣設備，包括繼電器、互感器、開關、變壓器等。二是上層控制中心。通信的作用主要是實現這系統中這兩部分的數據通信。電氣設備需要結合實際進行選型。需要注意的是不同的設備在通信方式上存在一定的差異。以太網和RS485 是較為常見的通信形式。在無線通信中主要是4G、5G 等通信方式。對于上層控制中心，只能通過以太網進行通信。本設計電氣設備選用的是無線通信方式，要實現二者的通信，還需要設計通信轉接單元。同時對于專網通信上具有一定的要求。電力系統必須具備較強的穩定性，如果電網不穩定，不僅會給人們帶來不良的用電體驗，甚至會造成一定的經濟損失。在這樣的情況下，更應該加強通信網絡建設，避免有不法人員通過攻擊通信網絡，配電網失穩，帶來嚴重后果?；诖?，配電網自動化系統通信要利用專網通信，保證電網通信和其他互聯網之間進行物理隔離。其次，需要設計自動化通信單元。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

由圖1可知，通信系統主要由3部分組成，分別是主站、接入單元以及通信網骨干。接入單元的作用實現通信的轉接，可以讓現場設備和上層監測中心實現有效通信。主站在監測中心，主要有交換機以及相關的服務器等組成。骨干網絡即現場和監測中心的專網通信基礎，既支持無線專網通信，也可以支持光纖通信。如果采用光纖通信的方式，系統中的開關站使用OLT光線路終端進行連接，這種方式功耗較低，可以實現一對多傳輸。如果采用專網通信，應該重視傳輸方式的選擇，主要有GPRS、WIMAX、4G、5G 等方式。在目前的網絡通信中，WIMAX 應用較少，主要應用在專網領域。在配電網綜合自動化系統中，WIMAX 在專網通信上具有良好應用效果，本設計采取WIMAX 專網實現通信。WIMAX實物如圖2所示。

圖2 WIMAX實物

最后，需要設計自動化通信接入單元。上文分析了通信的形式和通信單元，現場和上層監測中心實現通信需要接入單元。本設計中的接入單元有4 種接口形式，是CAN 總線接口、RS-232 通信接口、RS-485 總線接口、以太網通信接口。同時，還設計了錯誤信息存儲模塊以及故障警報模塊。在通信過程中，如果輸配網存在問題，會將傳輸的故障信息進行存儲，同時發出警報，讓相關工作人員通過相關數據信息進行故障分析，處理相關問題，保證電網的穩定傳輸。接口控制平臺共由五部分組成。一是GPS 模塊，主要的功能是對地理位置進行定位。二是控制最小系統，主要包括時鐘電路、復位電路和調試電路。三是設備間通信模塊，主要包括CAN 總線、RS-232 通信接口等。四是上層監測中心通信，主要包括以太網和WIMAX 通信。五是信息存儲和報警模塊。各個部分都由微控制器連接和控制。微控制器的種類很多，如ARM 系列控制器、單片機控制器等，不同的微控制器具有不同的特點和優勢。經過綜合分析，本設計選擇了單片機微控制器對各個模塊進行控制，選擇的型號是MSP430，具有運算速率快、功耗低、較多的接口等性能，可以實現通信控制器平臺功能。

4.3 配電網綜合自動化系統集成方案設計

將GIS 技術應用于配電網自動化系統中，主要實現位置信息的獲取，從而有效實現故障定位以及電力的合理調度。工作人員在獲取地理位置信息后，需要和系統進行集成，以此實現統一管理。

關于系統集成，主要有幾方面要求。一是信息模型要具有一致性，配電網綜合自動化系統中涉及的所有子系統的信息模型，都需要進行統一，可以選擇IEC61970 模型。二是編碼要具有統一性。對于自動化控制系統而言，主要是對各個電氣設備進行控制，所以要給不同的設備根據統一的原則進行編碼，以此來實現對電氣設備的精準控制。三是數據具有唯一性。對于數據的輸入，需要保證從唯一端口輸入，數據輸入后在自動化系統內共享。四是要保證網絡安全。各個子系統之間需要進行安全防護，在主站與集控系統間進行加密處理。

GIS 與自動化系統的集成。首先，在信息交互方面。選擇的信息模型是IEC61970，可以實現信息在GIS 系統中的補充。相關的數據信息通過CAN 總線傳輸到各個子系統中，形成配網圖形數據，最后在主站中形成統一配網圖形數據。同時主站也能夠將接收到的信息傳輸到GIS 系統中，實現信息內容的交互。其次，在交互流程方面。交互的信息是地理坐標信息和實時配網信息。對于前者，主要從通信節點處采集，傳輸到GIS 系統中，在處理之后向主站系統傳輸。對于后者，信息傳輸的流程與地理位置信息的傳輸相反，由主站向GIS 系統傳輸。

自動化系統和PMS 系統的集成。PMS 是生產管理集成系統，作用是維護生產管理信息。在配電網綜合自動化系統中，需要增加電氣設備和通信節點，需要進行維護，保證系統可以正常運行。交互的過程為與主站進行信息傳輸以及與GIS 系統進行傳輸。

5 結語

本文分成3個部分基于GIS技術10kV配電網綜合自動化系統設計進行研究。一是從GIS 技術以及10kV配電網兩個角度進行了內涵概述。二是從信息安全性、信息自動上傳以及信息自動獲取三方面分析GIS 技術的應用優勢。三是從配電網綜合自動化系統總體設計、通信節點設計以及集成設計三方面對系統設計進行詳細地分析，在設備選型、通信方式選擇以及接口選擇等方面進行了說明。