本文选自第八届（2016年度）全国电力职工技术成果奖，该文荣获一等奖
一、项目完成人信息
项目完成人： 陈蕾、朱义勇、顾建炜、王震宇、徐重酉、苏毅方
所在单位：国网浙江省电力公司
二、项目针对问题现状（成果产生背景）
随着经济的发展和社会的进步，人们对用电的依赖性越来越高，配电网是用电的末端环节，直接联系着用户，所以对配电网络安全可靠运行提出了更高要求。
随着配电网络不断发展，供电企业原有依靠人工为主的管理手段已经无法及时响应自然灾害、施工破坏、设备异常等原因引起的配电网故障事件，主要表现在三方面，一是故障查找时间长，配电网结构负责，供电半径长、分支线多，发生故障时，要找出具体故障位置往往需耗费大量人力、物力和时间；二是不能及时准确报送停电信息，线路故障时，未能够快速查到故障点，就不能及时报送停电信息，从而引起的用户投诉风险较大；三是线路接地故障判定不准确，线路接地时无法准确判定，需进行人工拉停进行判断，增加线路停电次数和范围，影响可靠供电。如果仍然采用传统的人工查找故障方式，不仅工作量大，在实时性、准确性和应用性等方面都存在严重不足，因此供电企业迫切需要自动化的技术手段来管理配电网络。
配电自动化是实施智能化配电网的重要手段，可以有效提高供电可靠性，缩短故障处理时间。但是由于配网自动化设备造价高，无法覆盖大部分的农网配电架空线路。而配电线路在线监测作为配电自动化的一个重要内容，对提高供电可靠性有很大影响，也得到了越来越多的重视。为了进一步提高供电可靠性，浙江公司对配网在线监测系统进行持续完善并推广应用。
三、项目原理说明
1、系统组成
配电线路在线监测系统由配电线路故障指示器、通讯终端、远程通信信道、安全接入平台、监测主站所组成。
图1 系统组成
1）故障指示器。故障指示器用于监测架空线路或电缆的负荷电流、对地电场强度、故障电流、线缆温度等，故障指示器与终端采用双向短距离无线调频（跳频）通信方式。
2）通讯终端。通讯终端主要由采集模块与通讯模块组成，主要功能是采集故障指示器发送的数据并进行本地故障分析，然后将采集数据与故障告警由通讯模块发送给主站。
3）远程通信信道。远程通信信道主要采用GPRS/CDMA等APN无线专网模式，采用国网通信规约。
4）安全接入平台。安全接入平台对非公司信息内网区域终端提供以安全专网方式接入信息内网，并进行设备接入认证、数据隔离交互与实时监测审计的边界接入防护。
5）主站系统。主站系统负责装置的安装、轮换、拆除以及参数设置、通信调试、状态管理等，同时负责将数据及时发送至配网抢修平台和配网自动化系统。
2、系统流程
1）故障指示器采集线路的实时运行信息并定时通过短距离无线上报通信终端，当线路发生故障时，故障指示器通过内部预设条件判断故障，进行翻牌指示，并上送故障信号给通信终端，通信终转发接收到的数据。
2）信息发送至安全接入平台接入身份认证后进行解密处理，接入至内网前置机，业务处理器对上送的报文进行分析处理后，发送至配电线路在线监测主站，主站系统接收到通信终端发来的数据，放于界面上显示，故障信息可结合系统单线图进行显示，主站系统根据特定算法并结合GIS系统定位到每个故障指示器及电线杆的位置，从而给出故障点的位置范围，并通过短信将故障信息发送给相关人员，故障处理完毕后主站发命令或故障指示器自动复归完成整个故障处理流程。
3）配电线路在线监测系统利用PMS的电网结构和设备信息，在主站中完成终端的装接调试、参数设置、采集任务管理和运行管理监视工作，并将采集的数据和事件及时的送往配网抢修平台和配网自动化系统,进行后续的故障分析处理。
4）配电线路在线监测系统与海量数据库建立接口，将采集的时标数据实时同步至海量数据库，并取回故障分析所需其他时标数据，如线路关口负荷等。
3、关键技术
1）配电线路在线监测终端技术
研究并研制适用于架空线路的配电线路在线监测采集单元和汇集单元，制定专用的信息传输规约，实现对配电架空线路运行信息和故障信息的实时监测。
①采用电子式电流互感器拾取电流信号。采集单元使用电子式电流互感器测量电流，具有低噪声、高线性度、高精度和高带宽的特点。
②采用高采样率采集暂态电流信号。采集单元使用4000Hz采样率对线路电流信号进行采集，可以记录带宽在1000Hz以内的信号。
③采用电流突变和电场突变触发录波。为了能记录下故障发生瞬时前后的线路电流和线路对地电场波形，采集单元采用电流突变和电场突变作为触发条件，启动录波。
④三相高精度同步对时。采集单元与汇集单元通过短距无线进行高精度同步对时，时间同步误差可以控制在±100us以内，三相相角误差在±1.8
⑤合成零序电流、零序电场。利用三相采集单元同步采集的电流、电场波形，叠加合成零序电流波形和零序电场波形。
⑥根据波形特征筛选疑似接地故障波形。利用三相电流、电场，以及合成得到的零序电流、零序电场的波形特征，筛选出疑似接地故障的波形，并上送给主站进行故障判断。
2）自动对时技术
系统参照国网公司远传通讯终端对时规则，采用终端定时主动向主站请求时间方式对时，根据国际标准NTP对时规则及算法，对原《国网浙江省电力公司配电线路数据采集终端通信协议》进行扩展，利用参数设置帧格式下发时间，最大限度地减少主站和终端的时间误差。
①对时原理与算法终端发起对时请求，并附带终端发起时间（T1）；主站接收到对时请求后，下发时钟参数（T2），并附带终端发起时间（T1）；终端收到主站报文后，根据自身时间（T3）计算时间差K，并以T2+K作为终端时钟。交互方式和算法原则如图所示：
图 2 对时交互示意图
图3 对时算法图
②对时规则为避免终端集中对时造成主站瞬时对时压力过大，终端需根据参数对时起停时间，在规定时段内自主发起对时。（注：使用GSM网络授时、GPS卫星对时的终端可以不主动发起对时。）为避免频繁对时造成主站对时压力过大，终端需受到参数对时最大次数限制，日对时次数不许超过最大对时次数。终端掉线48小时候后，第一次上线应主动请求对时，上线后第一次对时不受对时启停时间段限制，但受最大对时次数限制。
3）信息安全接入技术
配电线路在线监测系统由配电线路在线监测装置、通信信道、安全接入平台、监测主站所组成。配电线路在线监测装置安装在中压配电网线路上，监视、测量运行参数，检测线路短路故障和单相接地故障，并向远方主站发出监测或报警信息的装置，主要由远程测控数据终端和三遥故障指示器组成；通信信道主要采用GPRS/CDMA等无线公网（电力APN专网）模式；安全接入平台按照国网公司和省公司科信部门颁布的相关规范，负责所有装置设备的安全接入；主站系统负责装置的安装、轮换、拆除以及参数设置、通信调试、状态管理等，同时负责将数据及时发送至配网抢修平台和配网自动化系统。安全接入整体框架如下图：
为了应用安全防护功能，对配电线路状态监测装置，统一采用专用芯片NRSEC300加安全协议规范来实现安全防护，输电线路状态监测装置需要进行相应的软硬件改造。同时，配电线路在线监测装置在上线之前需要进行额外的初始化工作，初始化工作包括：
①初始化安全芯片，生成密钥对；
②生成安全芯片的证书请求，把证书请求提交证书签发机构进行签发，签发出配电线路状态监测装置自身的证书；
③导入配电线路状态监测装置自身的证书及安全接入平台（即主站端）的证书。
4）故障定位算法
基于具备通信功能上送故障指示仪告警数据信息，按照起始点、遍历电网节点、告警区域筛选、定位配电网静态拓扑判断故障位置的故障定位算法流程，实现故障源定位确定、故障区域自动判断。
算法过程
以每个告警的告警监测点为起始点（某个架空线），单向遍历。以电源点、开关站、环网单元和发生故障的监测点四类为遍历终止点。在遍历的连通区域中，结果集判断规则如下：
①若存在告警监测点，则该区域舍弃。
②若不存在告警监测点，也不存在非告警监测点，判断该区域是否存在电源，若存在，记录该区域信息，放入电源列表；若不存在，放入结果集列表中。
③若不存在告警监测点，但存在非告警监测点，则判断该区域是否存在电源，若不存在，记录区域信息，放入临时列表；若存在，记录区域信息，放入电源列表中。
区域信息需要记录的内容有：告警监测点位置、遍历方向、非告警监测点集合和是否存在电源区域筛选。
①电源列表等于1，单电源情况；
②电源列表少于1，本次分析范围内中没有找到电源，需要检查拓扑连接数据。
③电源列表大于1，遍历电源列表：若所有区域中，都为同一个电源，此时为单电源情况；若不同区域中存在的电源不同，则本次分析是多电源的情况。
检查每个电源点与邻近告警监测点的路径中是否存在非告警监测点。
若仅有一个区域p1不存在非告警监测点，则其余都存在，则在电源列表上删除一个记录，在临时列表上增加一个记录。
其他情况下，则视为给定信息不足，不能进行故障定位分析。在临时列表中最后判定，依次拿出临时的信息，遍历电网图，遍历规则如下：
①以告警监测点为遍历起始点，搜寻所有遍历方向；
②以非告警监测点为终止点；
③遍历到的连通区域放入结果集列表中。
复杂案例
图5 故障定位复杂案例
如图表所示，分析步骤如下：
① 告警监测点遍历
以告警监测点1 开始遍历。
往左单向遍历，不存在告警监测点，也不存在非告警监测点，存在电源，将该区域area1 放入电源列表集合中；往右单向遍历，存在告警监测点2，不作为结果返回；
以告警监测点2 开始遍历。
往左单向遍历，存在告警监测点1，不作为结果返回；往右单向遍历，连通区域内存在告警监测点3，不作为结果返回；
以告警监测点3 开始遍历。
往上单向遍历，存在告警监测点2，不作为结果返回；往下单向遍历，连通区域内存在告警监测点4（或者告警监测点5），不作为结果返回；
以告警监测点4 开始遍历。
往左单向遍历，存在告警监测点3，不作为结果返回；往右单向遍历，不存在任何终止点资源，将该区域area2 放入结果集列表，返回
以告警监测点5 开始遍历。
往上单向遍历，存在告警监测点3，不作为结果返回；往下单向遍历，不存在告警监测点，也存在非告警监测点，存在电源，将该区域area3 放入电源列表集合中。
②列表归集分析
电源列表存在两个区域area1、area3。本次操作为多电源的情况（area1、area3 分别属于两个电源）。
遍历电源列表，查找电源点与邻近告警监测点的路径，仅area1 的路径中不存在非告警监测点，因此在电源列表中删除area1，将area3 的区域加入到预留结果集中。
通过临时列表的信息，遍历电网，得到两个故障点：变4、故障点5与L1之间的区域。
在以上算例中，若告警监测点5不存在，算法分析结果仅变4为一个故障点。若L1的非告警监测点没有，则给定信息不足，不能进行故障定位智能分析。
5）基于多信息源的停电分析技术
系统结合公专变停电信息、线路故障信息、电网拓扑模型，并采用设备链接拓扑、GIS地理可视化手段展现电网停电告警事件，进行故障信息颜色视觉差异处理；图形化展示故障信息地理及故障信息，促进电网故障快速研判分析；基于故障基础数据进行多维度故障信息统计。停电范围综合研判流程如下：
图6 综合研判流程图
图 7 故障单线路展示图
图 8 故障GIS 图形展示
同时，根据线路故障类型及故障地点生成抢修工单，发送提示短信，按照抢修流程进行线路故障主动抢修，并跟踪处理结果，最终形成归档。
7）集合存储技术
配电线路在线监测系统采用配网数据平台将配网故障信息按照线路数据进行单元集分类，组建片区线路集合模型，通过分布式存储集合单元构建数据平台。
①基础单元，将一个字段的数据属性作为基础元素；
②组建相似元素作为基础对象；
③将基础对象按照固定特征归为对象组，并称之为集合单元；
④递推方式小集合构建大集合，逐渐形成数据存储集；
集合元素内容包括：档案单元集（变电站、线路、杆塔、电缆、分接箱）、异动档案集、装置调试集、线路拓扑集、资源成图集等；结合模型构建过程如下图所示：
图 9 配网数据存储结构
8）应用Json扩展技术
配电线路在线监测系统应用JSON[JavaScriptObjectNotation]技术，实现了配电在线监测对外轻量级的数据交换、共享；通过“名称/值”的集合定义对象形式，监测数据作为数组形式对象，基于开源Jackson技术平台易于人阅读和编写，也易于机器解析和生成简单配电在线监测数据，以线路数据为示例，生成单条线路数据格式内容如下：
table:'G_line',
province:[
{
table:'G_line',
G_line:{
G_line:['线路名称1','线路名称2']
}
}；
线路数据按照示例数据格式并以json后缀结尾输出的文件内容，对客户端实现进行数据共享。扩展技术应用以对象(object)、数组(array)、值(value)、字符串(string)、数值(number)多种技术应用形式描述数据内容，实现数据传递作用，技术应用实现流程如下图：
图 10 技术应用实现流程图
9）基于数据总线的跨平台数据交互技术
对于配电线路故障事件等高实时性的监测信息系统采用企业数据总线向外发布数据，企业数据总线连接着配网生产抢修平台、PMS等外围业务系统，数据总线上的数据采用即时共享的方式向外围业务系统，因此可以做到主动事件数据即时共享，今后相关业务系统只要接入企业数据总线，即可获取配电线路事件信息，而无需再做接口。系统集成与信息交互如下图所示：
图 12 配电线路在线监测系统信息交互总线接口
10）多系统业务协同与融合
配网在线监测装置故障信息通过安全接入平台上送配电线路在线监测系统，研制配电在线监测系统对PMS（2.0）、配网抢修平台、配网自动化系统等跨平台的设备分析数据主动提供基于面向集合存储的支持多线程引擎、多元非关系型扩展技术服务，为各业务跨平台主动做基础支撑服务。
图 13 配电线路在线监测系统与相关系统
11）基于故障录波的单相接地故障检测技术
系统基于人工神经衍生电网拓扑关系数据模型，结合录播周期形态、信号频率成分，根据漂移、趋势项、突变信息科学截取的开始与结束点，分析信号波形波动特征，比对波形特征库中典型故障波形特征，确定故障线路，并结合线路拓扑自动定位故障区段。
小电流接地配电网单相接地故障过程中的零序电压和零序电流信号如下图所示：
图 14 小电流接地配电网单相接地故障过程
根据上述过程，利用暂态高频零序电流信号可以准确检测定位小电流接地配电网单相接地故障。
通过理论分析和现场录波结果分析，小电流接地配电网单相接地过程中产生的高频暂态零序电流信号具有以下分布规律：
①故障线路上故障电流流经路径上的高频暂态零序电流信号相似；
②故障线路上故障电流流经路径和非故障电流流经路径上的高频暂态零序电流信号不相似；
③故障线路上故障电流流经路径和非故障线路上的高频暂态零序电流信号不相似。
图 15 小电流单相接地故障高频暂态零序电流信号分布规律
配电线路在线监测系统依据上述规律进行单相接地故障检测定位，具体过程如下：
表 16 单相接地故障检测流程
四、项目实施效果说明
1、经济效益分析
1)故障精准定位、抢修快速反应，缩短停电时间，减少电量损失。建设区域平均故障供电恢复时间缩短60%以上。已覆盖配电线路约3300条，每年发生0.5次故障，全年故障次数为1650条/次；可以节省时间3300小时；每条线路负荷按照4000千瓦，可以减少停电电量为0.132亿千瓦时，可以多售电0.132亿×0.64元=0.085亿元。根据当前国民经济情况，每度电可以产生约13.3元的经济效益,浙江省全年可以减少停电0.132亿度电，可以产生0.132亿×13.3元=1.76亿元。
2)全方位、全天候实时监视，改变配电线路运维方式，降低用工成本。2015年直接产生的经济效益：采用在线监测系统后，平均每条线路可少巡线5次，全省按照3300条线路计算，则全年可少巡线0.33万×5次＝1.65万次；每次巡线按照4人计算，则可以节省人力4×1.65万=6.6万人次；每人次价格按照300元计算，则可以节省人力成本300×6.6万=0.198亿元。综上分析，2015年经济效益约为0.085+1.76+0.198=2.043亿元。
2、社会效益分析
1）通过对配电线路运行数据的分析，可为配网网架调整提供技术支撑。
2）优化配网运行方式，提高配网供电可靠性，提升配网运行效益。一方面通过系统的建设在一定程度上替代传统的线路巡查方式，加快了故障隐患发现、定位、处理的速度，提升了配网抢修人员的工作效率，减少了故障停电次数，保证了供电质量；另一方面，通过系统的建设，缩短了故障发生后的发现、分析、定位、抢修时间，为用户保质、保量、安全用电提供了保障，减少了用户投诉。
3）停电主动温馨提示，践行优质服务承诺。通过配电线路在线监测系统的完善与优化提升建设，缩短了故障发现和定位的时间，并且可快速判断出受故障影响的用户范围，从而可在用户报修前将停电信息主动通知给用户，践行优质服务承诺，提高优质服务水平。
4）减少故障持续时间，保证用户用电安全。小电流接地故障的在线监测，保证了接地故障的及时发现和处理，从而减少了接地故障的持续时间，提升用户用电质量的同时，也减少了接地造成的危险。
五、项目推广前景描述
本项目适合行业全面推广。
1）已建成配电线路在线监测系统，所有在线监测终端经无线网络通过安全接入平台接入省公司内网III区主站，由系统主站侧统一管理，实现了资产、档案统一化，流程统一化；
2）截止2015年12月已累计安装在线监测装置19199套，数据采集完整率95%以上，短路故障上报正确率为92%；
3）短路故障进行分析定位，使故障抢修真正实现主动抢修，同时减少了抢修人员巡检的工作量，大大减少了短路故障抢修时间；
4）建立了一整套指标考核体系，针对终端运行及故障处理情况进行监督考核；
5）成功完成了温州平阳小电流接地故障监测试验，实现了小电流接地故障实时在线监测，为小电流接地故障及时抢修提供了新的手段。
六、创新点、效果归纳及专利申请或授权情况
该项目从根本上解决了配电线路故障无法实时监测，响应不及时的问题，提升了配网抢修效率和跨专业协同服务能力。
1、主要创新点：
(1)一种利用设备链接拓扑的必经节点路径分析算法分析故障电流唯一路径，并结合设备GIS地理位置指示故障范围的可视化故障展现方法，直观展示停电范围与故障区域地理坐标位置与逻辑拓扑位置。
(2)一种基于面向集合存储，支持多线程、碎片多元非关系型Json扩展技术，实现配电线路在线监测系统跨平台、跨专业对外主动提供服务。
(3)基于监测点录波波形自动判断接地故障的方法和装置，提升故障判断准确性与广泛适应性。
2、获得专利情况：
实施期间共发表论文2篇，获得发明专利授权1项，实用新型专利授权16项，申请发明专利初审合格受理15项。
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