智能配電網(wǎng)饋線自動化發(fā)展及展望

張 敏，崔 琪，吳 斌

（西安供電局，西安 710032）

智能配電網(wǎng)饋線自動化發(fā)展及展望

張 敏，崔 琪，吳 斌

（西安供電局，西安 710032）

0 前言

長期以來，電力系統(tǒng)存在“重發(fā)、輕供、不管用現(xiàn)象”[1-3]。發(fā)電容量能力越來越大，輸電能力越來越強，但是配電自動化水平低下，前幾年所進行的城網(wǎng)農(nóng)網(wǎng)改造并未真正解決該問題。一條具有多區(qū)段的饋電線路（10～35kV）任意區(qū)段發(fā)生故障后，故障的隔離與恢復(fù)有2種模式：一種代表模式是（模式1）從首端無選擇性地切除整條線路，然后再通過復(fù)雜的分斷-重合-分斷過程實現(xiàn)故障區(qū)段隔離和非故障區(qū)段的恢復(fù)供電。另外一種代表模式是（模式2）依賴網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實現(xiàn)故障饋線區(qū)段的有選擇切除和非故障區(qū)段的恢復(fù)供電，但是造價太高，可靠性不高，不適合于配網(wǎng)。當(dāng)饋線故障發(fā)生后，如何快速檢出故障發(fā)生的區(qū)間，進而有選擇性地只切除故障區(qū)段是一個亟需解決但尚未解決的問題。如果能像高壓電網(wǎng)那樣，只切除故障區(qū)段而且快速地切除故障區(qū)段，無疑將縮短因故障造成的停電時間，使得非故障區(qū)段不停電或者非常短時間的停電（備自投時間），具有明顯的經(jīng)濟和社會效益。

1 饋線自動化發(fā)展

配電線路（也稱饋電線路、饋線）是配電系統(tǒng)的重要組成部分，智能配電網(wǎng)的研究尚處于摸索階段[4-6]，而目前的饋線自動化是智能配電網(wǎng)的關(guān)鍵和核心。饋線自動化主要指饋線發(fā)生故障后，自動地檢測并切除故障區(qū)段，進而恢復(fù)非故障區(qū)段正常供電的一種技術(shù)。長期以來，由于指導(dǎo)思想上的不重視和經(jīng)濟條件制約，饋線自動化水平不高，對用戶供電的可靠性得不到保障。

早期的饋線自動化是人工式的，這里稱為模式1。它由安裝在變（配）電站饋線出口處的電流速斷保護、出口斷路器、安裝在其他位置的負荷開關(guān)和故障指示器組成，如圖1所示。饋線任意區(qū)段故障后，電流速斷保護動作，出口斷路器動作跳閘，根據(jù)故障指示器所指示的位置人工拉開兩端的負荷開關(guān)隔離故障區(qū)段，然后再重新閉合斷路器恢復(fù)未故障部分的供電。該系統(tǒng)構(gòu)成簡單，但是自動化程度低下，停電時間長。

圖1 饋線自動化模式1

20 世紀80年代，發(fā)達國家出現(xiàn)了利用分段器、重合器等智能開關(guān)設(shè)備為標志的第2種饋線自動化模式，如圖2所示。在該模式下，故障區(qū)段的查找、隔離和非故障部分的恢復(fù)供電是靠分段器、重合器的反復(fù)配合動作來自動實現(xiàn)的，分段器和重合器之間不需要通信，也無需人工干預(yù)，是一種比較合理的饋線自動化模式，并已在中國獲得應(yīng)用。但是，與該模式相對應(yīng)的是最終故障切除時間長、斷路器負擔(dān)重、未故障部分恢復(fù)供電慢。

圖2 饋線自動化模式2

近年來，隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了第3種饋線自動化模式——基于饋線終端單元FTU(Feeder Terminal Unit)和網(wǎng)絡(luò)通信的饋線自動化（見圖3）。在該模式下，故障的查找、隔離以及恢復(fù)供電是靠FTU采集故障信息并上傳給調(diào)度中心，斷路器和負荷開關(guān)（該負荷開關(guān)也可以更換為具有開斷短路電流能力的斷路器）的分合操作是由調(diào)度中心控制的。該模式具有很高的自動化水平，開關(guān)只需一次動作，但是它對于通道的依賴性太強；由于系統(tǒng)決策指令由調(diào)度中心發(fā)出，加之通信通道的延時，非故障區(qū)段的恢復(fù)時間也長；系統(tǒng)可靠性直接取決于通道的可靠性。

圖3 饋線自動化模式3

綜上所述，已經(jīng)出現(xiàn)的饋線自動化技術(shù)存在如下缺陷：

1）一般地，除過饋線出口斷路器之外，饋線其他位置安裝的都是沒有切斷短路電流能力的負荷開關(guān)，因此非故障饋線段被切斷是不可避免的。

2）僅在饋線出口配置電流速斷保護，必然盲目地動作并切斷整條饋線，沒有選擇性。

3）依賴通信通道的饋線自動化模式3，系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，可靠性低。

2 饋線自動化前景

上述饋線自動化不能滿足對用戶安全可靠供電的要求，也不能達到智能配電網(wǎng)的要求。因此，研究具有選擇性、能夠快速切除饋線故障并具有故障自愈能力的智能配電網(wǎng)就顯得尤為迫切和重要[7-10]。

2.1 智能化饋線自動化系統(tǒng)組成

這種新型的智能配電系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)有選擇地切除故障線路，不依賴通信通道，并能快速恢復(fù)被切除負荷供電。在該系統(tǒng)中，具有選擇性的繼電保護是前提和保證。傳統(tǒng)的三段式電流保護和距離保護，由于饋線短，常常難于取得配合性能；方向過電流保護越靠近電源端動作時間越長，當(dāng)饋線區(qū)段增多時，動作時間也是用戶所不能接受的；而在高壓電網(wǎng)表現(xiàn)優(yōu)秀的差動保護在饋線上卻碰到困難，因為饋線還有許多分支線，這些分支線的分支電流是不確定的、變化的，它還需要通道；方向比較式縱聯(lián)保護存在類似的問題。已經(jīng)出現(xiàn)的無通道保護（Non-Communication Protection）以方向電流保護為基礎(chǔ)結(jié)合加速保護構(gòu)成，它們不需要通信通道，動作速度較快（相對于方向過電流保護），具有良好的選擇性，從而成為饋線自動化系統(tǒng)比較理想的選擇。本文所提出的智能配電系統(tǒng)構(gòu)成如圖4，它由3個核心部分組成：一是能夠檢測切除任意位置、不需要通道聯(lián)系的無通道保護；二是能夠切斷短路電流的斷路器代替現(xiàn)有的負荷開關(guān)；三是備用電源自動投入單元。三者互相配合、缺一不可。

圖4 新型智能配電網(wǎng)

2.2 饋線自動化研究方向

2.2.1 饋線故障分析

故障分析是繼電保護的理論基礎(chǔ)，也是基于保護方式的饋線自動化的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的故障分析是基于線性系統(tǒng)分析理論。在這樣的系統(tǒng)中發(fā)生三相對稱故障后，從故障點系統(tǒng)可拆分為2個獨立的系統(tǒng)，無通道保護將失去動作條件。但實際電力系統(tǒng)元件并不是完整意義上的線性元件，結(jié)合實驗室實驗和實際系統(tǒng)故障記錄，比較研究三相故障的理論分析結(jié)果與實際結(jié)果，為對稱故障的無通道保護研究提供基礎(chǔ)，有利于發(fā)展電力系統(tǒng)故障分析理論[11-12]。

2.2.2 解決現(xiàn)有無通道保護所存在的問題

基于上述故障分析，提出三相對稱故障無通道保護動作判據(jù)并在繼電器中實現(xiàn)。

對于輻射狀饋線，無電源端故障檢測的和保護動作判據(jù)需要進一步探討，它也建立在故障分析基礎(chǔ)上。

2.2.3 饋線自動化自適應(yīng)技術(shù)研究

配網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運行方式多變。以自適應(yīng)保護為基礎(chǔ)，研究適用于饋線自動化的自適應(yīng)技術(shù)。饋線自動化自適應(yīng)技術(shù)研究將是適用于不同系統(tǒng)運行方式，不同故障類型的自適應(yīng)保護，該技術(shù)能自動地改變系統(tǒng)運行結(jié)構(gòu)，并能適應(yīng)改變后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2.3 饋線自動化需要解決的問題

2.3.1 無電源端故障判別問題

所提出的饋線自動化系統(tǒng)，為快速恢復(fù)故障線路的負荷供電，需跳開故障點兩側(cè)最近的斷路器。在單電源輻射狀網(wǎng)絡(luò)中，故障發(fā)生后，故障點上游的系統(tǒng)有電源支撐，而故障點下游的系統(tǒng)將部分失去電源。在這種情況下，如果上游的斷路器首先動作，那么下游的系統(tǒng)將完全失去電源，此時如何保證下游系統(tǒng)中距離故障點最近的斷路器快速打開，而其他斷路器閉鎖？如果上游的保護時間延遲較長，如何保證下游系統(tǒng)的保護首先動作跳閘，而又能保證下游的保護具有選擇性？現(xiàn)有的單電源帶分支線路的輻射狀網(wǎng)絡(luò)饋線無通道保護的對策是引入電壓量，故障點上游的保護按照過電流原理，故障點下游的保護按照低電壓原理，低電壓保護的時間也按梯形規(guī)則整定。其原理是基于單電源輻射狀饋線發(fā)生故障后，有電源端故障相電流增大；無電源端故障相電壓降低。但在實際系統(tǒng)中，由于電動機負荷的影響，有電源端斷路器跳開后，故障點下游系統(tǒng)的非故障相電壓不降反升，在這種情況下，饋線無通道保護將拒動或誤動。

2.3.2 三相故障加速問題

單電源輻射狀網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生三相故障時，故障點下游系統(tǒng)不存在非故障相，無法檢測到非故障相的電流或者電壓突變，因此三相故障時現(xiàn)有無通道保護將無法加速本側(cè)斷路器動作跳開。而在實際系統(tǒng)中，三相斷路器的動作無法完全同步，那么能否利用此差別檢測三相故障解決加速問題？

2.3.3 線路空載加速問題

在現(xiàn)有的單電源帶分支線路的輻射狀網(wǎng)絡(luò)饋線無通道保護中，不對稱故障發(fā)生后，如果無電源端的低電壓保護延時較短首先動作后，那么有電源端根據(jù)健全相電流發(fā)生突變來加速切除故障。但有電源端健全相電流的突變量為被切除掉的負荷電流，而負荷電流是變化的，尤其是在線路空載的極端情況下，負荷電流不存在，在此情況下，有電源端也將無法加速，只能等待過電流保護延時跳閘，這在近電源端故障情況下是不允許的。

2.3.4 保護裝置的供電電源包括互感器失電情況下保護的供電問題

目前，饋線保護裝置取電基本上從饋線本身電源取。饋線失電后，保護裝置將失去電源，無法跳開斷路器。

3 結(jié)語

目前的饋線自動化系統(tǒng)主要依靠分段器、重合器的反復(fù)動作來實現(xiàn)饋線故障區(qū)段切除、隔離和非故障區(qū)段的恢復(fù)供電，出口斷路器動作次數(shù)多，饋線多次承受短路沖擊，恢復(fù)供電時間長。發(fā)展中的依賴通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的饋線自動化系統(tǒng)對通信依賴太強，并不適合于配電饋線。

隨著電力技術(shù)的迅猛發(fā)展，不久的將來，在智能化饋線自動化系統(tǒng)內(nèi)，故障可以一次切除，非故障區(qū)段不停電或者短時停電（備自投時間），無疑會改變饋線自動化系統(tǒng)面貌，實現(xiàn)配電系統(tǒng)智能化。

[1]王成山,王守相,郭力.我國智能配電技術(shù)展望[J].南方電網(wǎng)技術(shù),20104,(1):18-22.

[2]王永干.推進信息化領(lǐng)域的行業(yè)融合促進智能電網(wǎng)發(fā)展[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(3):1-2.

[3]余貽鑫.新形勢下的智能配電網(wǎng)[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(7):1-3.

[4]薛志方,朱曉萍.智能型輸電線路局部氣象監(jiān)測單元的設(shè)計與實現(xiàn)[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2010,4(1):80-83.

[5]于永哲,黃家棟.基于混合智能算法的配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2010,4(1):76-79.

[6]余貽鑫.智能電網(wǎng)的技術(shù)組成和實現(xiàn)順序[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2009,3(2):1-5.

[7]高軍彥,麻秀范,凡鵬飛.計及分布式發(fā)電的配電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃整體框架與模型[J].2008,24(10):12-16

[8]丁進軍,洪亮,鄭遠峰.配電網(wǎng)調(diào)度信息查詢系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(11):63-65.

[9]丁勇,李再華.德國配電網(wǎng)運行管理經(jīng)驗及其啟示[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2008,2(5):47-50.

[10]余貽鑫,欒文鵬.智能電網(wǎng)[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(1):7-11.

[11]余暢,劉皓明.配電網(wǎng)故障區(qū)間判斷的改進型矩陣算法[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2009,3(6):100-103.

[12]李瑤,潘江蒙,姚李孝,等.考慮通道規(guī)劃的城市中壓配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃[J].電網(wǎng)與清潔能，2010,26(3)：58-62.

Development and Prospect of Intelligent Distribution Network Feeder Automation

ZHANG Min，CUI Qi，WU Bin
（Xi’an Power Supply Bureau,Xi’an 710032,Shaanxi Province,China）

Thispaperexploresdevelopmentof feeder automation,concluding that due to too heavy dependence on the communication systemthe existingfeeder automation system is not suitable for distribution feeders.The paper stresses the need for R&Donthenewintelligentdistributionnetworkwhicharesupposed tobe equipped with the selective and quick removal offeeder faults and self-healing capability. Discussions are made on the configuration of the intelligent feeder automation components with theresearchdirectionproblemstobeaddressedanalyzed.

intelligent distribution network；feeder；automation；unloadedline

分析了饋線自動化發(fā)展情況，指出目前的饋線自動化系統(tǒng)對通信依賴太強，并不適合于配電饋線。提出了需要研究具有選擇性、能夠快速切除饋線故障并具有故障自愈能力的智能配電網(wǎng)，并就智能化饋線自動化系統(tǒng)組成進行了探討，分析了其研究方向和需要解決的問題。

智能配電網(wǎng)；饋線；自動化；三相故障；線路空載

1674-3814（2010）04-0041-03

TM726

A

2010-04-05。

張 敏（1979—），女，本科,工程師，長期從事配電網(wǎng)調(diào)度研究管理相關(guān)工作;

崔 琪（1965—），男，碩士，工程師，長期從事配電網(wǎng)調(diào)度研究管理相關(guān)工作。

（編輯 董小兵）