阿拉巴馬在配電領(lǐng)域令人矚目的兩個革命性進(jìn)步是在其高級配電管理系統(tǒng)（ADMS）中實(shí)施了“故障隔離和服務(wù)恢復(fù)（FISR）”以及“故障定位（FL）”這兩個高級應(yīng)用。它們不僅改變了公用事業(yè)公司看待自動化設(shè)備的方式，還改變了它們的使用方式。隨著公用事業(yè)尋求自動化設(shè)備使用的最佳實(shí)踐，在集成的ADMS中使用“故障隔離和服務(wù)恢復(fù)”以及“故障定位”是一種可以對其業(yè)務(wù)和客戶產(chǎn)生積極影響的重要手段。

諸如無人機(jī)（UAV）之類的新技術(shù)可以快速確定故障位置，尤其是在一般情況下難以巡邏的地區(qū)。

“故障隔離和服務(wù)恢復(fù)”以及“故障定位”

“故障隔離和服務(wù)恢復(fù)”應(yīng)用的基礎(chǔ)是準(zhǔn)確的配網(wǎng)模型，通過動態(tài)分析系統(tǒng)中的故障狀態(tài)以制定恢復(fù)計(jì)劃，使用實(shí)時潮流檢查它們的潛在問題，并通過“遠(yuǎn)程監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集（SCADA）”系統(tǒng)來實(shí)施供電切換。盡管FISR是故障定位、隔離和服務(wù)恢復(fù)（FLISR）的一種形式，但兩者之間存在一個關(guān)鍵區(qū)別——FLISR需要使用“故障定位”來確定線路斷開的位置，但FISR依賴于SCADA的故障判斷。

阿拉巴馬電力公司采用了GE Digital的ADMS解決方案，盡管可以將其配置為運(yùn)行FLISR或FISR，但該電力公司還是謹(jǐn)慎地選擇了使用FISR，而“故障定位”單獨(dú)運(yùn)行。FISR可以在幾種不同的模式下運(yùn)行——閉環(huán)模式：使用自動設(shè)備恢復(fù)客戶供電；咨詢模式：使用系統(tǒng)上所有可用的開關(guān)設(shè)備提供供電恢復(fù)建議。

阿拉巴馬電力公司（Alabama Power）對就地控制方案并不陌生，多年來部署了許多不同的設(shè)備配置。與這些費(fèi)時費(fèi)力的傳統(tǒng)方案相比，F(xiàn)ISR具有很多有吸引力的品質(zhì)。

由于FISR是ADMS的一部分，因此現(xiàn)場設(shè)備不需要特殊的中繼邏輯。借助ADMS的這種全局視圖，即使發(fā)生系統(tǒng)異常，F(xiàn)ISR也可以創(chuàng)建動態(tài)供電恢復(fù)計(jì)劃。因?yàn)镕ISR通過SCADA發(fā)送控制命令，所以它不需要設(shè)備之間的點(diǎn)對點(diǎn)對等通信，也不需要特定的設(shè)備制造商。此外，與傳統(tǒng)的集中式方案不同，F(xiàn)ISR使用ADMS實(shí)時狀態(tài)（as-switched）模型，無需構(gòu)建和維護(hù)單獨(dú)的模型。這些特性使得FISR在與傳統(tǒng)技術(shù)的對比中脫穎而出，非常適合阿拉巴馬電力公司。

使用SCADA提供的故障電流幅值和配電系統(tǒng)實(shí)時狀態(tài)阻抗模型，“故障定位”應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)故障位置計(jì)算。定位以圖形形式呈現(xiàn)為在ADMS地理區(qū)域上繪制的光標(biāo)，幫助運(yùn)行人員和檢修人員進(jìn)行巡邏。由于線路末端和夜間可見度有限，可能難以巡查配電故障。通過自動計(jì)算和繪制光標(biāo)，“故障定位”可以顯著減少停電檢查所需的時間，從而縮短了總的客戶停電時間。

該圖顯示了隨著部署更多的開關(guān)站，每月“故障隔離和服務(wù)恢復(fù)”的數(shù)量變化。部署的站點(diǎn)越多，F(xiàn)ISR可用于恢復(fù)計(jì)劃的聯(lián)絡(luò)開關(guān)就越多。

FISR與就地化方案的一個標(biāo)志性的區(qū)別是FISR可以使用所有的自動化設(shè)備。在阿拉巴馬電力公司68％的“故障隔離和服務(wù)恢復(fù)”中，F(xiàn)ISR僅使用從未部署就地化方案的設(shè)備來實(shí)施。在18％的“故障隔離和服務(wù)恢復(fù)”中，F(xiàn)ISR提供了一個比原有就地化方案更好的供電恢復(fù)計(jì)劃。

“故障定位”所需要的故障電流幅值來自SCADA，它采集了變電站饋線繼電器、線路重合閘繼電器和故障指示器所提供的測量值。在ADMS地理區(qū)域上繪制的可配置光標(biāo)為計(jì)算出的故障位置的±5％[線路長度]，并且只要線路仍在斷電狀態(tài)，就會保留在地圖中。

部署策略

2018年，阿拉巴馬電力公司在伯明翰進(jìn)行了一次小規(guī)模試點(diǎn)，然后開始了FISR的部署。作為實(shí)施計(jì)劃的重要一環(huán)，為確保FISR的潮流仿真準(zhǔn)確性，阿拉巴馬電力公司在部署FISR之前致力于改進(jìn)饋線模型。這些模型改進(jìn)工作包括替換不良的SCADA傳感器以及對模型可疑部分進(jìn)行現(xiàn)場檢查。

項(xiàng)目實(shí)施過程中，項(xiàng)目組編寫了一些報(bào)告，標(biāo)記了可疑數(shù)據(jù)，以供最終用戶進(jìn)行調(diào)查。這與傳統(tǒng)上對模型數(shù)據(jù)的使用方式有所不同，從SCADA測量到地理信息系統(tǒng)（GIS）、導(dǎo)體尺寸，現(xiàn)在模型數(shù)據(jù)對系統(tǒng)供電恢復(fù)具有實(shí)時影響。FISR部署過程中，每六個星期大約實(shí)施60個變電站，這為模型改進(jìn)騰出了時間。

試點(diǎn)結(jié)束后，阿拉巴馬電力公司在18個月內(nèi)完成了所有適合該技術(shù)的系統(tǒng)變電站和饋線的FISR部署。盡管有部分客戶條件使變電站或饋線不符合FISR的要求，但阿拉巴馬電力公司已經(jīng)能夠成功地將其部署到98％的客戶群中。部署區(qū)域包括715多個變電站，1,890個饋線和大約5,300個SCADA設(shè)備。此外，禁用了220多個就地化方案，并將設(shè)備移交給FISR。變電站中存在的SCADA線路設(shè)備越多，在故障停電期間FISR可以提供幫助的機(jī)會就越大。

2018年初，“故障定位”與配電潮流一起得到了采用。從2019年開始，阿拉巴馬電力公司在饋線斷路器下游開始安裝其他故障指示器，那里沒有用于跳閘的繼電器。在饋線頭端安裝故障指示器使“故障定位”功能可以看到饋線上的所有故障。對比老舊的繼電器升級，這些故障指示器安裝被證明具有更高的成本效益，同時還使最終用戶能夠通過工程數(shù)據(jù)來分析故障。

自實(shí)施以來到2020年8月1日，“故障隔離和服務(wù)恢復(fù)”和“故障定位”功能表現(xiàn)。

實(shí)際結(jié)果

與需要人工下載和人工評估的就地化方案相比，F(xiàn)ISR大大簡化了故障處理過程，因?yàn)樗嬖谟贏DMS中，ADMS可將所有評估和供電恢復(fù)存檔。到2020年8月1日，F(xiàn)ISR已在阿拉巴馬電力公司的服務(wù)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)332次成功的供電恢復(fù)，避免了大約4280萬分鐘的客戶供電中斷時間（Customer Minutes Interrupted, CMI）。每個FISR的供電恢復(fù)功能平均受到影響的客戶達(dá)到509個或者是3867 kWh的供電量，同時避免129,852分鐘的CMI。

Double Oak Mtn變電站的重合器故障。FISR實(shí)施了兩步計(jì)劃，從FISR動作開始的37秒內(nèi)恢復(fù)了受到停電影響的2,957個客戶中的2,151個。

Elvira Rd變電站的重合器故障。FISR實(shí)施了兩步計(jì)劃，同時由于點(diǎn)對點(diǎn)通信不佳，導(dǎo)致就地化方案失敗。系統(tǒng)所指示的故障定位使巡邏距離從3.7英里減少到0.4英里（6 km減少到700 m），減少了88％，在一次設(shè)備上發(fā)現(xiàn)一棵樹。

在評估FISR的性能時，讓阿拉巴馬電力最感興趣的是，有86％的FISR事件至少使用了一個過去沒有設(shè)置就地化自動恢復(fù)的設(shè)備。在這種情況下，術(shù)語“非就地化設(shè)備”是指那些退役的就地化自動轉(zhuǎn)供方案，共有220多個，目前已經(jīng)移交給FISR的設(shè)備。換句話說，F(xiàn)ISR能夠在86％的時間內(nèi)恢復(fù)，比退役方案能夠服務(wù)更多的客戶。

也許更令人印象深刻的是，68％的FISR事件僅使用“非就地化設(shè)備”，這意味著這些供電恢復(fù)只能通過FISR自動進(jìn)行。這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)突顯了FISR的真正潛力——充分利用自動化設(shè)備參與以前無法進(jìn)行的供電恢復(fù)工作。

Elliotsville變電站的重合器故障。FISR實(shí)施了兩步計(jì)劃，從FISR動作開始的41秒內(nèi)，恢復(fù)1,998個客戶中的1,114個。

作為關(guān)于FISR有效性的案例研究，2020年4月12日，一場嚴(yán)重風(fēng)暴襲擊了阿拉巴馬州電力服務(wù)區(qū)域，影響了312,000多名客戶，占公用事業(yè)客戶群的20％以上。得到確認(rèn)的有23場龍卷風(fēng)，造成2,000多段導(dǎo)線斷線以及460個桿塔倒桿。

在這場風(fēng)暴中，服務(wù)區(qū)域內(nèi)FISR實(shí)施了31項(xiàng)供電恢復(fù)計(jì)劃，避免了約1180萬分鐘的CMI。在風(fēng)暴期間，這些FISR恢復(fù)具有特別積極的影響，因?yàn)樗鼈儙椭蛻舯苊饬水惓ＢL的修復(fù)過程和停電。盡管這是一場嚴(yán)重風(fēng)暴，也只是當(dāng)月襲擊阿拉巴馬電力的四場嚴(yán)重風(fēng)暴之一。僅在2020年4月，F(xiàn)ISR就成功實(shí)施了71次恢復(fù)。

4月12日阿拉巴馬電力公司IDMS資訊主頁快照。在這場風(fēng)暴中，F(xiàn)ISR實(shí)施了31項(xiàng)供電恢復(fù)計(jì)劃。

Bluff公園變電站的饋線斷路器故障。FISR實(shí)施了6步計(jì)劃，從FISR啟動開始的110秒內(nèi)恢復(fù)了1,630個客戶中的1,263個，其中48秒用來發(fā)送SCADA控制命令。

N Gordo變電站的饋線斷路器故障。FISR實(shí)施了兩步計(jì)劃，從FISR啟動開始的55秒內(nèi)恢復(fù)了476個客戶中的246個。這是阿拉巴馬電力公司（Alabama Power）進(jìn)行的首次FISR修復(fù)，并且是在過去沒有就地化方案的地區(qū)。

2020年，公用事業(yè)的主要關(guān)注點(diǎn)是在COVID-19之后其員工的安全。自2020年3月16日起，阿拉巴馬電力公司一直在現(xiàn)場實(shí)施“社交安全距離”和其他預(yù)防措施以保護(hù)其員工。為了最大程度地減少暴風(fēng)雨和停電時對工作效率的影響，ADMS的高級應(yīng)用正在彌合業(yè)務(wù)空白，以維持對客戶的可靠服務(wù)。

在2020年3月16日至8月1日實(shí)施的206個FISR事件中，有82個事件恢復(fù)了60％以上的受影響客戶，其中128個事件避免了大約50,000多分鐘的CMI，還有26個事件涉及到四個或更多轉(zhuǎn)供步驟。每次FISR可以恢復(fù)客戶供電并避免持續(xù)數(shù)小時的停電，這對阿拉巴馬電力公司的客戶都有積極的影響。自3月16日以來，這些FISR恢復(fù)總共幫助阿拉巴馬電力避免了大約2690萬分鐘的CMI。

盡管使用FISR功能避免停電肯定對公用事業(yè)公司有利，但避免停電對全社會的影響更大。根據(jù)美國能源部的“供電中斷成本估算（ICE）”工具，所有FISR恢復(fù)工作加起來為阿拉巴馬電力的客戶避免了8,250萬美元的損失。這顯然是一筆可觀的財(cái)務(wù)收益，對企業(yè)所有者產(chǎn)生了非常實(shí)際的影響。如果發(fā)生停電，企業(yè)或許就會全天關(guān)閉，或提前允許員工下班回家。其他好處包括節(jié)省了維護(hù)就地化方案的時間，無需人工切換線路提高了員工安全性，并減少了員工在現(xiàn)場的時間。

到2020年8月1日，“故障定位”已判斷出超過21,000次的潛在故障位置。這些故障定位標(biāo)記中約有17％是永久性故障，而配電調(diào)度中心報(bào)告的故障定位準(zhǔn)確率達(dá)到90％。如此高的準(zhǔn)確性鼓勵運(yùn)行人員在有故障時首先查看故障光標(biāo)，以至于發(fā)生故障后，現(xiàn)場的應(yīng)急搶修人員會主動詢問運(yùn)行人員故障定位的位置。平均而言，在實(shí)時ADMS地理上繪制的故障定位光標(biāo)使巡邏距離減少了66％，即1.83英里（2.94 km），配電調(diào)度中心確認(rèn)這減少了停掉巡邏查找故障點(diǎn)的時間。總體上，實(shí)時ADMS地理上繪制的故障定位光標(biāo)使得線路巡檢的距離減少了約6,655英里（10,710公里）。

除了控制中心的運(yùn)行人員外，在現(xiàn)場進(jìn)行工作的檢修人員還可以查詢故障定位報(bào)告，該報(bào)告將故障定位結(jié)果疊加到衛(wèi)星圖像和路線圖上。用戶不再需要運(yùn)行工程仿真軟件來使用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行故障定位。盡管使用故障定位通常不會像使用FISR一樣效果顯著，但它對減少阿拉巴馬電力客戶群的停電時間有重大意義。

經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

不需要夸大FISR和故障定位對阿拉巴馬電力公司的配網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生了怎樣的革命性影響。我們需要重新評估許多公用事業(yè)的建模技術(shù)、檢修規(guī)程和轉(zhuǎn)供規(guī)程，以考慮FISR的行為或使用數(shù)據(jù)的方式。

W Grelot變電站的饋線斷路器故障。FISR實(shí)施了4步計(jì)劃，從FISR啟動開始的74秒內(nèi)自動恢復(fù)了1,644個客戶中的1,541個。使用FISR轉(zhuǎn)供后，只有6％的客戶仍然停電。

Chace Lake變電站故障時故障位置光標(biāo)。光標(biāo)可以幫助縮小巡邏區(qū)域的范圍，以解決難以發(fā)現(xiàn)的故障，例如上述開關(guān)底部對應(yīng)相位上的蛇。在夜間，幾乎不可能發(fā)現(xiàn)此類故障。

每月在ADMS地理上繪制的故障位置數(shù)量。根據(jù)配電調(diào)度中心的說法，這些光標(biāo)始終保持90％的準(zhǔn)確度，并有助于減少巡邏時間。

一個教訓(xùn)是模型完整性的價值，特別是在初始模型改進(jìn)后的數(shù)據(jù)維護(hù)方面。由于配網(wǎng)系統(tǒng)是動態(tài)的，可能每天都在進(jìn)行更改。當(dāng)發(fā)生暴風(fēng)雨時，很難保持模型正確性，因?yàn)閾屝奕藛T總是試圖盡快安全地重新上電，造成系統(tǒng)接線變化。為了應(yīng)對這種模型“漂移”，通過主動查詢GIS和ADMS模型形成了一些報(bào)告，可以標(biāo)記可疑問題并進(jìn)行調(diào)查。此外，采用了各地區(qū)維護(hù)的理念，即最了解自己地區(qū)的運(yùn)行人員應(yīng)保持其地區(qū)FISR模型的準(zhǔn)確性。

維護(hù)模型的另一個最有效方法是配電潮流，這是ADMS的另一項(xiàng)高級應(yīng)用程序，該功能2018年初與故障定位同時啟用。配電潮流可以快速識別潛在的建模問題，并要求進(jìn)行調(diào)查。舉個例子，已經(jīng)有很多次配電潮流不僅正確地識別出建模問題還發(fā)現(xiàn)很多系統(tǒng)問題。

Mtn站點(diǎn)變電站瞬時故障的定位光標(biāo)。評估人員和工作人員在野外使用故障位置報(bào)告，該報(bào)告將故障光標(biāo)坐標(biāo)疊加到衛(wèi)星圖像上。瞬時事件的光標(biāo)很有價值，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁┚€索，指出將來某個故障可能會導(dǎo)致永久故障的原因——這是在系統(tǒng)末端，很難巡邏，尤其是在夜間。

另一個教訓(xùn)是，應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)在開發(fā)和測試的所有階段，涵蓋所有最終用戶的重要性。當(dāng)用戶將這些工具部署到ADMS時，他們參與其中以幫助他們塑造這些高級應(yīng)用程序的界面和意見，從而獲得積極的反饋。最終用戶還確定了在部署工具之前可以解決的潛在問題和解決方案。他們幫助提高了工具的價值，培訓(xùn)了用戶并回答了問題。

在供應(yīng)商方面，阿拉巴馬電力與其他客戶一起參加了GE Digital的工作組，以確保應(yīng)用程序繼續(xù)積極發(fā)展。

下一步

僅在ADMS的高級應(yīng)用的前24個月中就看到了變革性的成功，改變了阿拉巴馬電力公司的配網(wǎng)發(fā)展愿景。明年，將繼續(xù)部署“失壓觸發(fā)FISR”功能，在輸電系統(tǒng)故障期間將自動實(shí)施供電恢復(fù)。正在進(jìn)行的另一項(xiàng)工作是在GE Digital的ADMS中實(shí)施分布式能源管理系統(tǒng)（DERMS），因此可再生能源可以成功地與配電系統(tǒng)集成，并且FISR可以在啟動計(jì)算期間更好地跟蹤這些負(fù)荷。

當(dāng)發(fā)生龍卷風(fēng)等重大天氣事件時，F(xiàn)ISR和“故障定位”一起工作可以自動為盡可能多的客戶恢復(fù)供電，并通知檢修人員可能的故障位置。

ADMS、FISR和“故障定位”改變了阿拉巴馬電力公司從野外到辦公室的配電運(yùn)行方式。它仍然有許多挑戰(zhàn)需要克服，但是公用事業(yè)的客戶和員工以及阿拉巴馬州的企業(yè)所獲得的收益令人印象深刻，未來還可能有更多的功能。

Matthew Leak是阿拉巴馬電力公司的ADMS高級應(yīng)用工程師，為配電潮流、故障定位和FISR提供技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)和支持。他具有工程類學(xué)士學(xué)位，并在佛羅里達(dá)州獲得專業(yè)工程師許可。他于2017年從海灣電力公司調(diào)任至阿拉巴馬電力公司，在配電領(lǐng)域擔(dān)任過各種技術(shù)職務(wù)，包括可靠性、配電SCADA以及保護(hù)與控制。