我國農(nóng)村饋線自動化模式的探討

李劍峰,宋 丹

（1.東北電力科學(xué)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006 2.東北電網(wǎng)有限公司,遼寧 沈陽 110006）

至1998年底,農(nóng)村電網(wǎng)已覆蓋全國95%以上人口,縣及以下行政區(qū)年用電量4 593.6億kW?h,占全社會總用電量的40%以上。農(nóng)村鄉(xiāng)、村、戶通電率分別為99.19%、98.11%、96.88%[1]。到1999年農(nóng)村用電量達(dá)到4 982億kW?h,比1998年增長8.31%,占社會總用電量的41.2%[2]。隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的增長和物質(zhì)生活水平的提高,農(nóng)村用電量仍呈現(xiàn)逐年增長趨勢,對供電的質(zhì)量和可靠性的要求也越來越高。配電網(wǎng)自動化是提高供電可靠性的一種重要技術(shù)手段,實現(xiàn)饋線自動化是配電網(wǎng)自動化的核心內(nèi)容。配電網(wǎng)自動化在一定意義上指的就是饋線自動化。在配電自動化系統(tǒng)中,饋線自動化對于提高農(nóng)村供電可靠性、減少停電面積和縮短停電時間具有深遠(yuǎn)的意義。

饋線自動化具有基于重合器饋線自動化和基于FTU饋線自動化兩種模式,在農(nóng)村具體實現(xiàn)采用哪種模式有必要進(jìn)行詳細(xì)的探討。

1 饋線自動化的兩種模式

1.1 基于重合器饋線自動化

基于重合器饋線自動化模式主要依靠裝設(shè)在變電站出線端的重合器、配電網(wǎng)中的分段器及柱上開關(guān)等具有一定智能的硬件設(shè)備,通過開關(guān)功能和保護(hù)時間配合,實現(xiàn)對故障的自動診斷、隔離故障區(qū)段和恢復(fù)健全區(qū)域供電的目的。

根據(jù)檢測電氣量的不同,可分為電流型方案和電壓型方案。電流型方案是采用重合器與重合器或重合器與電流脈沖型分段器相配合,檢測饋線電流進(jìn)行控制和保護(hù);電壓型方案是采用重合器與電壓—時間型分段器相配合,檢測饋線電壓為依據(jù)進(jìn)行控制和保護(hù)。

a.重合器與重合器配合方式。當(dāng)出現(xiàn)故障時,離故障最近且有故障電流流過的重合器先斷開,經(jīng)一段時間后進(jìn)行第二次閉合;若為瞬時性故障閉合成功,若為永久性故障,重復(fù)前面過程。當(dāng)過流脈沖計數(shù)器計數(shù)次數(shù)達(dá)到預(yù)先設(shè)定值自動閉鎖,聯(lián)絡(luò)開關(guān)檢測到一側(cè)失壓,達(dá)到一定時間閉合,按照上述判定故障過程實現(xiàn)對故障的隔離和恢復(fù)非故障區(qū)的供電。

b.重合器與時間型分段器配合方式。當(dāng)出現(xiàn)故障時重合器跳閘,分段器維持在合閘位置,但經(jīng)歷了故障電流的分段器的過流脈沖計數(shù)器加一,經(jīng)一段時間后重合器進(jìn)行第二次重合;若為瞬時性故障閉合成功,若為永久性故障,重復(fù)前面過程。當(dāng)重合器斷開次數(shù)達(dá)到預(yù)先整定次數(shù)后自動閉鎖,聯(lián)絡(luò)開關(guān)檢則到一側(cè)失壓,達(dá)到一定時間閉合,按照上述判定故障過程實現(xiàn)對故障的隔離和恢復(fù)非故障區(qū)的供電。

c.重合器與電壓—時間型分段器配合方式。當(dāng)出現(xiàn)故障時重合器跳閘,隨后沿線分段器因失壓而跳閘,經(jīng)一段時間后重合器進(jìn)行第二次重合,沿線分段器依次順序自動合閘;若為瞬時性故障閉合成功,若為永久性故障,重合器第二次跳閘,并將與故障區(qū)段相連的分段器閉鎖在分閘位置,聯(lián)絡(luò)開關(guān)檢測到一側(cè)失壓,達(dá)到一定時間閉合,按照上述判定故障過程實現(xiàn)對故障的隔離和恢復(fù)非故障區(qū)的供電。每種配合方式詳細(xì)工作過程參閱文獻(xiàn)[3]。

1.2 基FTU饋線自動化

基于FTU點(diǎn)對點(diǎn)通信模式和基于FTU遠(yuǎn)方集中監(jiān)控模式是基于FTU饋線自動化的兩種方案。

a.基于FTU點(diǎn)對點(diǎn)通信模式。采用具有電動操作機(jī)構(gòu)的負(fù)荷開關(guān)或環(huán)網(wǎng)柜作為饋線分段開關(guān),同時配置FTU饋線智能控制終端,通過對等通信方式,FTU把故障后的開關(guān)狀態(tài)及記錄信息傳送給相鄰開關(guān)的FTU,經(jīng)FTU智能判斷,識別故障區(qū)段,并自動隔離故障,自動恢復(fù)非故障區(qū)段的供電。

如圖1所示,CB1、CB2為變電站10 kV出線斷路器,S1,S2,S3,S4,S5為饋線自動分段開關(guān)（S3為聯(lián)絡(luò)開關(guān)處于開斷狀態(tài)）。正常情況下L1, L2,L3線段由CB1供電,L4,L5,L6線段由CB2供電,S3為聯(lián)絡(luò)開關(guān)處于開斷狀態(tài)。

圖1 基于FTU點(diǎn)對點(diǎn)通信模式

設(shè)L2出現(xiàn)持久性故障,CB1斷開后第一次重合不成功又跳開,S1的FTU記錄了2次失壓、2次故障電流,經(jīng)一定延時S1斷開,S2的FTU記錄2次失壓（無故障電流）,經(jīng)過延時S2跳開,通過對等通信方式,各自將FTU記錄的狀態(tài)向相鄰開關(guān)傳送。當(dāng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)S3的FTU收到各開關(guān)記錄狀態(tài)時,分析相鄰開關(guān)S2的記錄,若只是失壓而斷開,則判斷故障不在L3區(qū)段,S3的FTU發(fā)出S3合閘命令,同時把S3的狀態(tài)向相鄰開關(guān)傳送。S1, S2的FTU分別檢出相鄰的記錄有差異,S1有2次故障電流,S2只有失壓,則判斷故障在L2區(qū)段, S1,S2保持?jǐn)嚅_位置,經(jīng)一定延時,CB1重合,恢復(fù)對L1供電,完成故障自動隔離和自動恢復(fù)非故障段的供電過程。

b.基于FTU遠(yuǎn)方集中監(jiān)控模式。通過FTU分別采集相應(yīng)柱上開關(guān)的運(yùn)行情況,如負(fù)荷、電壓、功率和開關(guān)當(dāng)前位置、貯能完成情況等,并將上述信息經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送遠(yuǎn)方配電自動化控制中心,FTU還可以接受配網(wǎng)自動化控制中心下達(dá)的命令進(jìn)行相應(yīng)的遠(yuǎn)方倒閘操作,以優(yōu)化配網(wǎng)的運(yùn)行方式。在故障發(fā)生時,FTU記錄下故障前及故障時的重要信息（最大故障電流和故障前的負(fù)荷電流、最大故障功率等）,將信息傳至配電自動化控制系統(tǒng),經(jīng)分析后確定故障區(qū)段和最佳供電恢復(fù)方案,以遙控方式隔離故障區(qū)段、恢復(fù)健全區(qū)段供電。

圖2為基于FTU遠(yuǎn)方集中監(jiān)控模式的簡單環(huán)網(wǎng)示意圖。CB1,CB2為變電站10 kV出線斷路器, S1,S2,S3,S4,S5為饋線自動分段開關(guān)。正常情況下L1,L2,L3線段由CB1供電;L4,L5,L6線段由CB2供電;S3為聯(lián)絡(luò)開關(guān)正常時處于開斷狀態(tài),使配電網(wǎng)運(yùn)行在環(huán)網(wǎng)開環(huán)狀態(tài);遠(yuǎn)方控制站（主站）具有接收FTU信息、分析計算、向FTU發(fā)送控制命令等功能。若L2段饋線發(fā)生永久性故障,由斷路器CB1的一次重合功能檢測出永久性故障,同時FTU將故障的測量結(jié)果送到控制站。由于S1處FTU檢測到故障電流,S2處FTU檢測不到故障電流,所以控制站可以確定S1、S2之間為故障區(qū),自動遙控分?jǐn)嚅_關(guān)S1、S2,閉合斷路器CB1及聯(lián)絡(luò)開關(guān)S3,完成故障區(qū)域L2的隔離及其他非故障區(qū)域供電的恢復(fù)。

圖2 基于FTU遠(yuǎn)方集中監(jiān)控模式簡單環(huán)網(wǎng)示意圖

2 饋線自動化模式的比較

基于重合器和分段器的配合方式,具有結(jié)構(gòu)簡單、建設(shè)費(fèi)用低及不需要通信設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。但也有不足之處：在進(jìn)行故障隔離時,變電站出線端需要進(jìn)行多次重合閘,對系統(tǒng)和一次設(shè)備沖擊較大且切斷故障時間較長;依靠重合器保護(hù)整條饋線,降低了系統(tǒng)的可靠性;故障時重合器跳閘造成了非故障區(qū)的停電,擴(kuò)大了故障范圍;在非正常運(yùn)行方式下,因與分段開關(guān)常規(guī)整定不符,需重新設(shè)置定值,非常不方便。

基于重合器與重合器配合方式當(dāng)故障發(fā)生時,不會影響?zhàn)伨€健全區(qū)段供電的連續(xù)性,停電時間也較短,供電的質(zhì)量和可靠性得到了很大的提高。由于重合器需多次重合才能隔離故障,對系統(tǒng)和一次設(shè)備沖擊較大;由于重合器之間保護(hù)的配合靠延時實現(xiàn),分段越多保護(hù)級差越難配合;重合器價格比較高,投資比較大。

基于FTU點(diǎn)對點(diǎn)通信模式克服了基于重合器饋線自動化的缺點(diǎn),采用智能終端FTU之間的點(diǎn)對點(diǎn)通信,判斷、隔離故障區(qū)域及恢復(fù)健全區(qū)域非常迅速,對一次設(shè)備和系統(tǒng)的沖擊小,雖然增加了智能終端FTU,但成本與基于重合器的饋線自動化相比并沒有增加。

基于FTU遠(yuǎn)方集中控制模式能夠快速一次性切斷故障,快速恢復(fù)供電,有效地提高了供電質(zhì)量和可靠性。但該方案對配電網(wǎng)通信的依賴性太強(qiáng),通信系統(tǒng)或控制中心發(fā)生故障時將導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓,失去故障隔離和恢復(fù)供電的功能。

3 我國農(nóng)村電網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r

我國農(nóng)村電網(wǎng)20世紀(jì)60年代開始起步建設(shè),但由于長期以來對農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)的重視不夠,建設(shè)資金投入不足,造成農(nóng)網(wǎng)發(fā)展非常滯后。隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,農(nóng)村用電量增長很快,農(nóng)村電網(wǎng)發(fā)展迅速,但農(nóng)村電網(wǎng)結(jié)構(gòu)仍然非常薄弱,其特點(diǎn)是用戶分散,負(fù)荷密度小,輸配電線路長,布局不合理,卡脖子線路、迂回線路普遍存在,導(dǎo)線截面積小,設(shè)備陳舊,網(wǎng)損較大,電能質(zhì)量及用電可靠性差,供電能力自動化水平較低[5]。為了促進(jìn)農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,從1998年開始國家投資1 800億對農(nóng)村電網(wǎng)進(jìn)行建設(shè)與改造,農(nóng)村電力事業(yè)得到前所未有的發(fā)展。農(nóng)村電網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、布局較為合理,農(nóng)網(wǎng)安全性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性及其自動化程度有了很大的提高。線損明顯下降,農(nóng)網(wǎng)的供電質(zhì)量和供電能力顯著提高,基本滿足了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。2004年度,農(nóng)村電網(wǎng)供電可靠性達(dá)到99.3%,比1998年的94%提高5個百分點(diǎn),農(nóng)網(wǎng)綜合電壓合格率達(dá)到95%,比1998年的85%提高10個百分點(diǎn);農(nóng)村綜合線損率由1998年的15%下降到7.8%,低壓線損率由23.5%下降到12%左右。

4 饋線自動化發(fā)展模式的選擇

根據(jù)饋線自動化模式的比較和我國農(nóng)村電網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r,基于FTU點(diǎn)對點(diǎn)饋線自動化模式是農(nóng)村配網(wǎng)自動化未來很長一段時期內(nèi)的發(fā)展方向。

a.基于重合器饋線自動化模式已經(jīng)不能滿足農(nóng)村現(xiàn)狀。長期以來,我國農(nóng)村采用的配網(wǎng)自動化模式是基于重合器饋線自動化,判斷、隔離、恢復(fù)故障區(qū)域的供電所需時間長。隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,物質(zhì)文化生活水平的提高,特別是鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的崛起,對用電的質(zhì)量及其可靠性的要求也越來越高,這種在農(nóng)村長期使用的饋線自動化模式的缺陷日益明顯,制約著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

b.基于FTU遠(yuǎn)方集中控制饋線自動化模式不適合我國農(nóng)村發(fā)展的現(xiàn)狀。這種饋線自動化模式能夠極大地提高供電質(zhì)量和供電可靠性,能夠優(yōu)化配電網(wǎng)的運(yùn)行模式。但要實現(xiàn)這種模式的饋線自動化,需要進(jìn)行巨大的設(shè)備投資和通信網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用,對于經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)仍舊比較薄弱的農(nóng)村,這種巨額費(fèi)用難以承擔(dān)。另外,農(nóng)村電網(wǎng)的特點(diǎn)是用戶比較分散、負(fù)荷密度小、輸配電線路非常長,不便于進(jìn)行遠(yuǎn)方集中控制。

c.在農(nóng)村發(fā)展基于FTU點(diǎn)對點(diǎn)通信的饋線自動化模式好處多。這種饋線自動化模式與基于重合器的饋線自動化模式相比具有明顯的優(yōu)越性。判定、隔離、恢復(fù)故障區(qū)域供電的時間短,顯著提高了供電質(zhì)量和供電可靠性;增加FTU和通信線的費(fèi)用對于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的農(nóng)村可以承擔(dān);這種模式的饋線自動化使用了遠(yuǎn)方終端設(shè)備FTU,滿足了農(nóng)村配電網(wǎng)未來發(fā)展的需要,當(dāng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)條件及客觀條件允許時,只需要在原來的基礎(chǔ)上增加通信設(shè)備即可實現(xiàn)集中遠(yuǎn)方控制的饋線自動化模式。

5 結(jié)束語

隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,對供電質(zhì)量和供電可靠性要求越來越高,農(nóng)村實現(xiàn)配電網(wǎng)自動化勢在必行?；贔TU點(diǎn)對點(diǎn)通信模式的饋線自動化能夠滿足農(nóng)村的現(xiàn)狀及其未來配網(wǎng)自動化發(fā)展的需要,是未來相當(dāng)長時期內(nèi)農(nóng)村實現(xiàn)配網(wǎng)自動化的立足點(diǎn),對提高農(nóng)村供電質(zhì)量和供電可靠性及滿足農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要具有很大的現(xiàn)實意義。

[1] 張英書,蔣連海.農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)與改造[M].北京：中國電力出版社,1999.

[2] 王衛(wèi)星.農(nóng)村電力系統(tǒng)[M].廣州：廣東高等教育出版社,2005.

[3] 苗俊杰,李 娟等.配網(wǎng)自動化中故障處理模式的分析比較[J].電工技術(shù)雜志,2003,22（3）：17-20.

[4] 劉 健等編著.城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)與改造指南[M].北京：中國電力出版社,2001.

[5] 夏媚珠,韓昆侖,吳 青.我國城市及農(nóng)村配電網(wǎng)自動化發(fā)展的探討[J].廣西電力,2003,26（4）：52-54.