城市電網(wǎng)故障快速復電的自愈模式

郭上華

（珠海許繼電氣有限公司，廣東 珠海 519060）

近年來我國經(jīng)濟快速增長，一方面各項經(jīng)濟指標的實現(xiàn)對城市電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行和優(yōu)質服務水平提出了更高要求，另一方面市政施工、設備安裝、設備老化和氣候影響等對電網(wǎng)供電線路間歇性破壞也在加劇。為了減少用戶停電時間，提升第三方客戶滿意度，以提高城市配電網(wǎng)快速復電為目標的故障快速復電工作機制被提上議程。

城市電網(wǎng)故障快速復電工作機制，主要是優(yōu)化配網(wǎng)故障復電管理模式和業(yè)務流程，以營配一體化平臺為支撐，以饋線自動化和配電自動化為手段，提高配電網(wǎng)監(jiān)控水平，做到故障快速報告、快速診斷、快速定位、快速隔離、快速修復和快速溝通。然而，故障快速復電采用何種自愈模式實現(xiàn)，即是一個技術問題，也是一個經(jīng)濟問題，要考慮配電系統(tǒng)的各種運行情況、供電可靠性要求、故障處理時效性、對繼電保護的技術要求、設備投資等，是一項系統(tǒng)工程，有必要進行研究。

1 10kV配電線路故障分析

我國城市電網(wǎng)按區(qū)域可分為城市中心區(qū)、一般城區(qū)或城鄉(xiāng)結合部、城鎮(zhèn)及遠郊區(qū)等3個級別。城市中心區(qū)以電纜線路為主，城鎮(zhèn)及遠郊區(qū)以架空線路為主，而一般城區(qū)或城鄉(xiāng)結合部既有電纜線路、架空線路，還有架空電纜混合線路。為查找影響配網(wǎng)故障快速復電的主要原因，南方某省電力公司2009年組織對管轄的9個地市局三個級別區(qū)域進行全面收資，深入統(tǒng)計和分析 2009年以來的故障類型、故障設備、復電時間等信息數(shù)據(jù)。如圖1和圖2所示，10kV配電網(wǎng)的故障數(shù)量、故障類型與故障位置密切相關，架空線路及其配套設備故障發(fā)生頻次遠遠大于其他類型，特別是用戶架空線路及其配套設備。

圖1 故障數(shù)量與故障位置關系圖

圖2 故障類型與故障位置關系圖

故障復電可分為五個階段，即故障報告、急修人員到位、故障定位、故障隔離和故障修復，所用時間也不相同。如圖3和圖4所示，故障復電時間與故障位置和類型密切相關，一是 10kV中壓故障平均修復時間遠遠大于低壓故障修復時間，二是故障定位、故障隔離和故障修復的時間所占比例較大，遠遠大于故障報告和急修人員到位時間。

2 故障快速復電自愈模式建設思路

城市電網(wǎng)故障快速復電的自愈模式建設，就是解決 10kV配電網(wǎng)故障快速定位、隔離和非故障區(qū)段快速復電的技術手段問題，重點是 10kV架空線路和架空電纜混合線路，實現(xiàn)故障線路的知停電、少停電和防停電。

圖3 中低壓故障平均復電時間

圖4 中壓故障復電各階段所用時間

2.1 知停電自愈模式建設思路

要實現(xiàn)故障快速復電，首先需提高配電線路及設備的自動化監(jiān)測水平，解決“故障點在哪”問題，也就是知停電自愈模式建設。知停電自愈模式建設包括兩個方面，如圖5所示，一是在10kV配電線路上布置“千里眼”智能終端或智能設備，實現(xiàn)對配電線路運行情況進行監(jiān)測，在發(fā)生故障情況下能準確發(fā)送故障信息、停電信息給局端故障定位系統(tǒng)。二是在局端建設故障定位系統(tǒng)，將變電站 10kV饋出線開關的變位信息和保護動作信息、10kV饋線分段開關與分界開關的變位信息和保護動作信息均接入該系統(tǒng)，實現(xiàn)“故障點在哪”的半自動或人工快速定位和隔離。

在有條件的大中型城市或城市核心地區(qū)，可建設配電自動化系統(tǒng)取代故障定位系統(tǒng)，打通自動化系統(tǒng)和配電生產(chǎn)運營指揮系統(tǒng)之間的信息傳遞，通過“站—線—變—戶”拓撲關系，實現(xiàn)在GIS圖上“故障點在哪”自動快速定位、故障自動隔離和非故障區(qū)域自動恢復送電。

圖5 配網(wǎng)故障知停電建設示意圖

圖6 配網(wǎng)故障少停電和防停電建設示意圖

2.2 少停電自愈模式建設思路

少停電自愈模式建設，主要是解決“故障停電范圍和停電時間最小化”問題。按照 10kV饋線分段原則，在饋線線路上合理安裝帶自動化功能的智能分段開關、分支線開關，減少每一段線路用戶數(shù)，縮小停電影響范圍，實現(xiàn)供電線路小區(qū)間化，如圖6所示。分段點智能分段開關，可選擇就地智能自愈方式自動檢出和隔離故障點，也可選擇集中自愈方式檢出和隔離故障點，而聯(lián)絡點智能分段開關，由于需承擔轉供電角色，盡可能實現(xiàn)遠方遙控以快速復電。

2.3 防停電自愈模式建設思路

防停電自愈模式建設，顧名思義是預防停電的自愈模式建設。

首先，分支線路加強分支分界開關、用戶分界開關建設，提高支線和用戶故障時攔截能力。用戶線路是故障頻發(fā)區(qū)域，故障發(fā)生后容易擴大停電范圍，造成責任糾紛。若能在分支線路、用戶線路 T接處（責任分界點）實現(xiàn)支線故障、用戶出門故障的快速攔截，如圖7所示，防止某一用戶故障引起主干線及相鄰用戶停電，將有效地減少站內(nèi)出線開關故障跳閘率，縮小停電范圍。

其次，主干線路加快環(huán)網(wǎng)線路的建設，提高配電線路故障時轉供電能力，圖7為采用三分段三連接供電方式來提高故障轉供電能力。在有條件地區(qū)，具備合環(huán)轉電條件的線路可推廣應用合環(huán)轉電技術。

圖7 三分段三連接供電方式圖

3 主干、分支、用戶故障就地智能處理

10kV架空線路和架空電纜混合線路更多位于城鎮(zhèn)及遠郊區(qū)，要實現(xiàn)故障線路的快速復電，綜合投資少、見效快、易實施、免維護等因素，最佳解決方案為就地智能饋線自動化。圖1中包含典型的城市電網(wǎng) 10kV供電線路網(wǎng)架結構圖，下面分別就主干線路、分支線路和T接用戶線路，研究其故障就地智能處理的建設模式。

3.1 主干線故障智能隔離

主干線路故障就地智能處理的目標是實現(xiàn)知停電和少停電，可選用電壓時間型自動化分段負荷開關。當線路發(fā)生短路故障時，變電站出線開關保護跳閘，通過變電站出線開關的重合閘和線路上分段開關電壓時間的邏輯時序配合，完成主干線路短路故障的隔離和非故障區(qū)間恢復送電。當線路發(fā)生單相接地故障時[1]，變電站接地選線裝置選出故障線路，通過手動拉合站內(nèi)出線開關和線路上分段開關電壓時間的邏輯時序配合，完成主干線接地故障的隔離和非故障區(qū)間恢復送電。

3.2 分支線故障智能攔截

分支線路故障就地智能處理的目標是實現(xiàn)知停電、少停電和防停電，可在分支線首端設置分支分界點，選用分支分界斷路器智能設備，防主干線停電。當分支線發(fā)生短路故障時，依靠分支分界斷路器與變電站出線開關的保護級差配合，搶先于變電站出線開關跳閘，自動攔截分支線路的短路故障，有效減少變電站出線開關跳閘率。對于線路較長的分支線路，可合理設置電壓-時間型自動化分段開關，實現(xiàn)分支線路少停電，其動作原理和主干線分段開關類似。

當分支線發(fā)生接地故障時，如果是小電阻接地系統(tǒng)，與分支分界斷路器攔截短路故障處理方式類似，如果是消弧線圈接地系統(tǒng)，與主干線自動隔離單相接地故障的處理方式類似。

3.3 用戶線故障分界不出門

用戶線路故障就地智能處理的目標是實現(xiàn)知停電和防停電，可在用戶T接點選用用戶分界開關智能設備“看門狗”，故障不出門，防主干線和相鄰用戶停電[2]。加裝看門狗的用戶線路，當用戶側發(fā)生故障時，看門狗可自動切除用戶側接地故障和自動隔離用戶側短路故障。如圖8所示，用戶分界開關利用故障發(fā)生時界內(nèi)與界外明顯的故障電流差來判別和定位故障點，該方式故障檢出隔離原理適合于中性點經(jīng)小電阻、消弧線圈和不接地系統(tǒng)。對于消弧線圈接地系統(tǒng)的長電纜線路，可結合五次諧波和間斷角等方式進行接地故障檢出。

圖8 分界開關故障檢出隔離原理

4 智能設備的選型與布點

主干、分支、用戶故障的就地智能處理，離不開智能設備的合理選型與布點，既要能實現(xiàn)故障快速復電，也不能增加安裝調試和運行維護工作量。

4.1 智能設備選型

智能設備的選型，除考慮其智能化功能外，應重點關注一二次設備之間的接口問題。一是國內(nèi)饋線開關種類繁多，雖可按國家及行業(yè)標準規(guī)定型式大類及耐壓、開斷、操作電源等主要技術要求，但對操作功耗、儲能過程方式、接口規(guī)范等與一二次配套相關的重要環(huán)節(jié)的細節(jié)技術要求難以從標準中進行統(tǒng)一。二是不同廠家的技術水平和制造能力差異較大，造成配網(wǎng)工程中接口問題眾多。三是電力公司目前缺乏對接口和過程參數(shù)的質量驗證手段和機制，且需要額外增加較大的投入。因此，選擇免維護、免調試智能成套設備避免了因接口而引發(fā)的諸多問題，可以在工廠內(nèi)調試，現(xiàn)場不產(chǎn)生多余的停電次數(shù)和停電時間。

智能設備的選型還需考慮后備電源，由于蓄電池受高低溫環(huán)境影響一般壽命3～5年，若后備電源主要用于實現(xiàn)開關分閘操作和掉電后故障信息、開關動作信息上傳，建議選擇免維護超級電容，在線路掉電后可維持10min左右運行時間，也可長期適應惡劣高低溫環(huán)境。

4.2 智能設備布點

主干線和分支線分段點智能設備，應綜合長度相近、負荷相近、用戶數(shù)相近的原則，并結合線路實際情況進行合理分段布點。分支分界點智能設備，應選擇運行負荷較大、故障率較高的公網(wǎng)大分支線路首端布點，作為隔離支線故障用。用戶線智能設備，應選擇線路長、設備老舊、故障頻繁的用戶線路或運行負荷較大、故障率高的公網(wǎng)小分支線路 T接點安裝。

5 故障快速復電自愈模式工程實踐

中山供電局10kV配電線路采用中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，城鎮(zhèn)以架空線路為主，雷擊瞬時性故障較多，單相接地故障為主。2008年9月，中山局提出了以提高站內(nèi)出線開關重合成功率、快速隔離故障點、躲避瞬時性故障、縮短故障停電范圍的饋線自動化建設思路，經(jīng)過技術論證和篩選比較，最終選擇主干線建設電壓時間型和分支線建設分界開關型的饋線自動化自愈模式，并先后在16個鎮(zhèn)區(qū)實施。

如圖9所示，主干線路安裝電壓時間型智能設備FS作為分段開關，配套三相-零序組合式電壓互感器，通過變電站出線開關CB的重合閘和線路上分段開關FS電壓時間的邏輯時序配合，完成主干線路短路故障的隔離和非故障區(qū)間恢復送電，通過變電站接地選線裝置、手動拉合CB和線路上分段開關FS電壓時間的邏輯時序配合，完成主干線接地故障的隔離和非故障區(qū)間恢復送電。分支/用戶線T接位置安裝帶重合閘功能的分界開關智能設備PS，快速隔離用戶側短路故障和切除用戶側接地故障，躲避用戶側瞬時故障，避免波及主干線路及相鄰用戶。通信層采用GPRS無線通信，第一時間上報線路故障信息和停電信息。主站系統(tǒng)層建設配電自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)拓撲分析與數(shù)據(jù)解析，及時短信自動通報給一線運行維護人員，快速故障定位和指揮復電。

圖9 中山10kV供電線路示意圖

中山市16個鎮(zhèn)區(qū)已投運超過3000套電壓時間型智能設備和大量分界開關智能設備，運行可靠，已多次成功隔離故障，如神灣供電公司已有 4次成功記錄，可準確檢測并成功定位故障，隔離準確率83%；故障段定位平均時間從投運前 2.2h縮短到投運后的0.5h內(nèi)，整體有效地提高了供電可靠性。

6 結論

城市電網(wǎng)故障快速復電的自愈模式建設，即是技術問題，也是經(jīng)濟問題。本文綜合技術、經(jīng)濟等因素，從實用化角度出發(fā)，針對故障頻次較高的架空線路和架空電纜混合線路如何實現(xiàn)快速復電，提出了圍繞主干線、分支線和用戶線分別進行知停電、少停電、防停電的自愈模式建設思路，并對就地智能饋線自動化智能設備的選型和布點進行總結與思考。工程實踐表明，文中提出的知停電、少停電、防停電的就地智能自愈模式，是實現(xiàn)城市電網(wǎng)故障快速復電行之有效的饋線自動化技術手段，具有投資少、見效快、易實施、免維護的特點，有很好的推廣價值。

[1]郭上華,肖武勇,陳勇等. 一種實用的饋線單相接地故障區(qū)段定位與隔離方法[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2005,29(19):79-81.

[2]楊紹軍. 基于智能開關設備的配電網(wǎng)線路自動化技術[J]. 電力設備,2007,8(12):6-9.