一種智能分布式饋線自動(dòng)化故障判定方法

張 偉

（積成電子股份有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

0 引言

饋線自動(dòng)化系統(tǒng)（FA）作為配網(wǎng)自動(dòng)化（DAS）的重要組成部分，具有隔離故障區(qū)域并使健全區(qū)域快速恢復(fù)供電的功能。對(duì)減小停電面積、縮短停電時(shí)間、提高供電可靠性具有重要意義[1-12]。

分布式饋線自動(dòng)化系統(tǒng)是一種依靠設(shè)備間的相互配合隔離故障及恢復(fù)健全區(qū)域供電的方法。按照故障隔離的方式可以分為開關(guān)配合型饋線自動(dòng)化和“面保護(hù)”型饋線自動(dòng)化[13-15]。

開關(guān)配合型饋線自動(dòng)化無需通信，只依靠自動(dòng)化開關(guān)之間的相互配合即可隔離故障并恢復(fù)健全區(qū)域供電。其產(chǎn)品主要有：重合器與電壓-時(shí)間型分段器配合饋線自動(dòng)化，重合器與重合器配合饋線自動(dòng)化，重合器與過流脈沖計(jì)數(shù)型分段器配合饋線自動(dòng)化。該類型饋線自動(dòng)化系統(tǒng)因需依靠自動(dòng)化開關(guān)之間的整定時(shí)間差及多次重合閘來隔離故障，故障隔離時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)沖擊大，設(shè)備使用壽命低。

“面保護(hù)”型饋線自動(dòng)化是一種依靠自動(dòng)化開關(guān)之間的相互通信并經(jīng)過一定邏輯判斷隔離故障及恢復(fù)健全區(qū)域供電的方法。具有故障隔離速度快，對(duì)系統(tǒng)沖擊小的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[8]提出了一種依靠載波通信的饋線自動(dòng)化方法，但是該方法需要依靠所有開關(guān)的狀態(tài)信息進(jìn)行故障判斷，處理過程復(fù)雜。文獻(xiàn)[9-10]給出了基于通信的饋線自動(dòng)化方法，但是皆未給出詳細(xì)的判斷原理、算法和判據(jù)，且未考慮分支饋線情況。文獻(xiàn)[14-15]給出了一種基于開關(guān)間相互通信的饋線自動(dòng)化新方法，且對(duì)電網(wǎng)開環(huán)及閉環(huán)情況分別進(jìn)行了描述，并對(duì)暫時(shí)性故障及開關(guān)拒動(dòng)、保護(hù)失靈、通信異常等特殊情況進(jìn)行了分析。但該方法過多依賴通信，通信異常、開關(guān)拒動(dòng)及保護(hù)失靈時(shí)將使故障隔離范圍擴(kuò)大。且上述方法在電網(wǎng)運(yùn)行方式變化時(shí)需要重新整定設(shè)備參數(shù)。

針對(duì)上述問題，本文提出一種融合自動(dòng)化開關(guān)相互通信及自動(dòng)化開關(guān)相互配合優(yōu)點(diǎn)的饋線自動(dòng)化系統(tǒng)。根據(jù)自動(dòng)化開關(guān)之間的連接關(guān)系，提出了一種開關(guān)分組模型?；陂_關(guān)分組模型，依靠故障電流及有功功率方向，提出一種不依賴電網(wǎng)運(yùn)行方式的統(tǒng)一故障判定準(zhǔn)則。并將判定準(zhǔn)則轉(zhuǎn)化為一系列的邏輯運(yùn)算，提出了一種開關(guān)邏輯值及開關(guān)組邏輯值的計(jì)算方法，并運(yùn)用開關(guān)組邏輯值計(jì)算出各個(gè)開關(guān)的動(dòng)作邏輯值。針對(duì)暫時(shí)性故障引入一種不依賴通信的開關(guān)一側(cè)失壓重合機(jī)制，有效避免了通信異常情況下的故障隔離范圍擴(kuò)大。

1 配電網(wǎng)開關(guān)分組模型

將由開關(guān)及饋線段組成的封閉集合稱為配電區(qū)域。如果一個(gè)區(qū)域的所有端點(diǎn)都是開關(guān)并且沒有內(nèi)點(diǎn)或者所有內(nèi)點(diǎn)都是T接點(diǎn)，則稱該區(qū)域?yàn)樽钚∨潆妳^(qū)域。規(guī)定每一個(gè)最小配電區(qū)域中的開關(guān)之間都是相鄰的[1]。則最小配電區(qū)域的每一個(gè)開關(guān)都是其他開關(guān)的相鄰開關(guān)。同一配電區(qū)域中的相鄰開關(guān)即是一組。規(guī)定有相同端點(diǎn)的最小配電區(qū)域相鄰，則每個(gè)開關(guān)至多有兩個(gè)相鄰最小配電區(qū)域，故此，每個(gè)開關(guān)至多有兩個(gè)相鄰開關(guān)組。

流入最小配電區(qū)域的潮流稱之為入度流，其流經(jīng)的開關(guān)稱之為最小配電區(qū)域的入度開關(guān)。流出最小配電區(qū)域的潮流稱之為出度潮流，其流經(jīng)的開關(guān)稱之為最小配電區(qū)域的出度開關(guān)。最小配電區(qū)域的出度與入度開關(guān)數(shù)稱之為該最小配電區(qū)域的出度與入度。顯然，一最小配電區(qū)域的出度開關(guān)，是其相鄰最小配電區(qū)域的入度開關(guān)。

對(duì)于圖1所示配電網(wǎng)，S1、S2為變電站出線開關(guān)；A、B、C、D、F、G、H為分段開關(guān)；E為聯(lián)絡(luò)開關(guān)；“-”表示相鄰開關(guān)為末梢點(diǎn)。則可以劃分相鄰開關(guān)組如表1。

建立隊(duì)列Qx描述開關(guān)x的相鄰關(guān)系為

其中，groupxi（i=1,2）為開關(guān)x的第i個(gè)相鄰開關(guān)組，描述為式(2)。

其中，Nxj（j=1,2,…,n）為開關(guān)x第i個(gè)相鄰開關(guān)組包含的開關(guān)。

則圖1開關(guān)A的相鄰開關(guān)組可以表示為

圖1 一個(gè)典型的開環(huán)配電網(wǎng)Fig. 1 A typical open-loop distribution network

表1 圖1中各個(gè)開關(guān)的相鄰開關(guān)Table 1 Parameters of the switches in Fig. 1

2 智能饋線自動(dòng)化原理

配電網(wǎng)多為開環(huán)運(yùn)行方式，為確保重要負(fù)荷供電，一些饋線采用閉環(huán)運(yùn)行。隨著分布式電源的廣泛接入，配電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。配網(wǎng)閉環(huán)與開環(huán)運(yùn)行保護(hù)設(shè)備定值不同，在運(yùn)行方式發(fā)生變化時(shí)需重新對(duì)保護(hù)定值進(jìn)行整定與修改，工作復(fù)雜繁瑣。因此研究一種不受運(yùn)行方式約束的饋線自動(dòng)化系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義。

2.1 基本原理

當(dāng)發(fā)生兩相、兩相接地、三相短路故障時(shí)，故障饋線部分開關(guān)將流過故障電流，單相接地故障時(shí)系統(tǒng)可缺相運(yùn)行1～2 h，且無法用故障電流判斷，此處暫不考慮。

對(duì)于開環(huán)運(yùn)行配電網(wǎng)，故障點(diǎn)上游各個(gè)開關(guān)將經(jīng)歷故障電流，而故障點(diǎn)下游各個(gè)開關(guān)將無故障電流。對(duì)于閉環(huán)運(yùn)行配電網(wǎng)，故障點(diǎn)兩側(cè)各個(gè)開關(guān)皆經(jīng)歷故障電流。因故障電流為一周期正弦波，其方向隨時(shí)間周期變化，同時(shí)測(cè)量各個(gè)開關(guān)的電流方向需PMU，非常復(fù)雜。故此，用電流方向判斷故障區(qū)間較為困難。

引入電壓為參考向量，電流向量與電壓向量之間總有一個(gè)夾角，故而，以電流與電壓向量的乘積功率為基準(zhǔn)，以有功潮流方向作為故障判定的依據(jù)。 開關(guān)兩側(cè)有功潮流大小相等方向相反。

每一個(gè)開關(guān)安裝一自動(dòng)裝置，相鄰開關(guān)組之間可相互通信，故每一自動(dòng)裝置有A、B兩端，對(duì)應(yīng)第1、第2相鄰開關(guān)組。每一開關(guān)采用錯(cuò)相方式采集Uab、Ubc。定義開關(guān)安裝AB相PT的為A端，安裝BC相PT的為B端。且有功潮流從A端流向B端為正，反之為負(fù)。故若流過某開關(guān)的潮流為正，則潮流流出該開關(guān)第1相鄰開關(guān)組，流入其第2相鄰開關(guān)組。反之，若流過某開關(guān)的潮流為負(fù)，則潮流流出該開關(guān)第2相鄰開關(guān)組，流入其第1相鄰開關(guān)組。

因此，開環(huán)與閉環(huán)運(yùn)行情況下，饋線故障區(qū)間的判斷準(zhǔn)則為：若最小配電區(qū)域的有功潮流入度不為0，而出度為0，且流經(jīng)的電流大于某一整定值，則故障發(fā)生在該最小配電區(qū)域。

規(guī)定故障潮流所流經(jīng)的入度開關(guān)邏輯值為 1，出度開關(guān)邏輯值為0，則由式（1）、式（2）描述故障發(fā)生時(shí)開關(guān)x的動(dòng)作情況為

其中：||為邏輯或運(yùn)算符；Ax為開關(guān)x的動(dòng)作邏輯值，邏輯0為不動(dòng)作，邏輯1為動(dòng)作分閘；Vgroupxi（i=1,2）為開關(guān)x的第i個(gè)相鄰開關(guān)組的邏輯值，描述為式(4)。

其中：&&為邏輯與運(yùn)算符；VNxj（j=1,2,…,n）為開關(guān)x第i個(gè)相鄰開關(guān)組包含開關(guān)的邏輯值；VNx為開關(guān)x的邏輯值。

開關(guān)的邏輯值由流過該開關(guān)的故障有功潮流的方向確定。同一開關(guān)，其開關(guān)邏輯值在第1相鄰開關(guān)組與第2相鄰開關(guān)組中相反。

其中：P為流過開關(guān)的有功功率；I為流過開關(guān)的電流值；IC為開關(guān)的電流整定值。

當(dāng)開關(guān)無故障電流流過時(shí)，其開關(guān)邏輯值需由其相鄰開關(guān)的電流值決定：

其中：INx為開關(guān) x的故障電流邏輯值；INxj（j=1,2,…,n）為開關(guān)x的相鄰開關(guān)故障電流邏輯值。其值為

末梢節(jié)點(diǎn)流過的電流為0，其處理方式與開關(guān)無故障電流情況相同。

在一個(gè)最小配電區(qū)域中，開關(guān)的邏輯值只要有一個(gè)為0，其Vgroup組值即為0，表示該最小配電區(qū)域無故障；當(dāng)開關(guān)邏輯值全為 1時(shí)，其 Vgroup組值為1，表示故障發(fā)生在該最小配電區(qū)域內(nèi)；只要有一個(gè)Vgroup組值為1，則開關(guān)的動(dòng)作邏輯值A(chǔ)即為1，表示該開關(guān)需動(dòng)作分閘。

2.2 配電網(wǎng)開環(huán)運(yùn)行分析

如圖1所示配電網(wǎng)，當(dāng)系統(tǒng)開環(huán)運(yùn)行時(shí)，若開關(guān)BD區(qū)間發(fā)生故障時(shí)，開關(guān)S1、A、B經(jīng)歷故障電流，開關(guān)C、D未經(jīng)歷故障電流。根據(jù)表1及式（1）～式（7）有如下分析。

開關(guān) S1流過故障電流，且有功功率方向?yàn)閺拈_關(guān)流向區(qū)域S1A，故VNS1=1，其相鄰開關(guān)A經(jīng)歷故障電流，有功功率方向?yàn)榱鞒鰠^(qū)域 S1A故VNS11=0，由式（4）VgroupS11={1&&0}=0，故此AS1=0，開關(guān)S1不動(dòng)作。

開關(guān)A流過故障電流，且有功功率方向?yàn)閺膮^(qū)域S1A流出，流入?yún)^(qū)域ABC。故對(duì)于其第一相鄰組，開關(guān)A的邏輯值VNA為0，開關(guān)S1的邏輯值VNA1為1，則其第一相鄰開關(guān)組VgroupA1的值為0；對(duì)于其第二相鄰開關(guān)組，開關(guān)A的邏輯值VNA為1，開關(guān)B的有功功率方向?yàn)榱鞒鰠^(qū)域ABC，故此其邏輯值VNA1為0，開關(guān)C未經(jīng)歷故障電流，其開關(guān)邏輯值由開關(guān)ABC共同決定，根據(jù)式（7），開關(guān)A、B的故障電流邏輯值皆為1，開關(guān)C的故障電流邏輯值為0，由式（6）開關(guān)C的邏輯值為1。故此第二開關(guān)組邏輯值VgroupA2為0。綜上所述，由式（3）可知開關(guān)A的動(dòng)作邏輯為0，開關(guān)A不動(dòng)作。

開關(guān)B流過故障電流，且有功功率方向?yàn)閺膮^(qū)域ABC流出，流入?yún)^(qū)域BD。故對(duì)于其第一相鄰組，開關(guān)B的邏輯值為0，開關(guān)A的邏輯值VNA為1，開關(guān)C未經(jīng)歷故障電流，其開關(guān)邏輯值由開關(guān)ABC共同決定，由式（6）、式（7），開關(guān)C的邏輯值為1，故其第一相鄰開關(guān)組邏輯值 VgroupB1為 0 ；對(duì)于第二相鄰開關(guān)組，開關(guān)B的邏輯值為1，開關(guān)D未經(jīng)歷故障電流，其開關(guān)邏輯值由BD共同決定。根據(jù)式（7）開關(guān)B的故障電流邏輯值為1，開關(guān)D的故障電流邏輯值為0，由式（6）開關(guān)D的開關(guān)邏輯值 VNB為 1，故開關(guān) B第二相鄰開關(guān)組邏輯值VgroupB2為 1，綜上所述，由式（3），可知開關(guān) B的動(dòng)作邏輯值為1，開關(guān)B動(dòng)作分閘。

開關(guān)C未經(jīng)歷故障電流，對(duì)于第一相鄰開關(guān)組ABC，開關(guān)A的邏輯值為1，開關(guān)B的邏輯值為0，開關(guān) C的邏輯值為 1，其第一相鄰開關(guān)組邏輯值VgroupC1為 0；對(duì)于第二相鄰開關(guān)組，其相鄰開關(guān)為末梢節(jié)點(diǎn)，未經(jīng)歷故障電流，其開關(guān)邏輯值由相鄰開關(guān)C共同決定，由式（6）、式（7），開關(guān)C與末梢節(jié)點(diǎn)的故障電流邏輯值為0，開關(guān)邏輯值皆為0。故其第二相鄰開關(guān)組邏輯值VgroupC2為0，由式（3），可知開關(guān)C的動(dòng)作邏輯值為0，開關(guān)C不動(dòng)作。

開關(guān)D未經(jīng)歷故障電流，對(duì)于第一相鄰開關(guān)組，開關(guān)B的邏輯值為1，開關(guān)D的邏輯值為1，其第一相鄰開關(guān)組邏輯值VgroupD1為1；對(duì)于第二相鄰開關(guān)組，開關(guān)E為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，未經(jīng)歷故障電流，根據(jù)式（6）、式（7），開關(guān)DE的故障電流邏輯值為0，開關(guān)邏輯值皆為0，故其第二相鄰開關(guān)組邏輯值VgroupD2為0，由式（3），可知開關(guān)D的動(dòng)作邏輯值為1，開關(guān)D動(dòng)作分閘。

其他開關(guān)由于未經(jīng)歷故障電流，根據(jù)式（6）、式（7）其故障電流邏輯值皆為0，開關(guān)邏輯值皆為0，故相鄰開關(guān)組值亦皆為0，顯然，開關(guān)動(dòng)作邏輯值亦皆為0，開關(guān)不動(dòng)作。

至此，整個(gè)故障隔離處理完畢，開關(guān)B、D分閘，故障被隔離在該區(qū)間，聯(lián)絡(luò)開關(guān)E延時(shí)時(shí)間到后啟動(dòng)合閘功能，恢復(fù)對(duì)健全區(qū)段DE的供電。

2.3 配電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行分析

當(dāng)系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行時(shí)，對(duì)于圖1所示配電網(wǎng)，若開關(guān)BD區(qū)間發(fā)生故障，開關(guān)S1、A、B、D、E、F、G、H、S2皆經(jīng)歷故障電流，開關(guān)C未經(jīng)歷故障電流。其故障有功潮流流向如圖2所示。

圖2 閉環(huán)配電網(wǎng)潮流圖Fig. 2 A typical open-loop distribution network

開關(guān)S1、A、C的分析與開環(huán)運(yùn)行時(shí)完全相同，不再贅述。

開關(guān) B經(jīng)歷故障電流，對(duì)其第一相鄰開關(guān)組ABC，開關(guān)A的邏輯值為1，開關(guān)B的邏輯值為0，開關(guān)C的邏輯值為1，第一相鄰組的邏輯值VgroupB1為0；對(duì)于第二相鄰開關(guān)組BD，開關(guān)B的邏輯值VNB為1，開關(guān)D流過故障電流，且有功功率方向?yàn)榱魅雲(yún)^(qū)間BD，故其開關(guān)邏輯值VNB1為1，故其第二相鄰開關(guān)組邏輯值VgroupB2為1，由式（3），可知開關(guān)B的動(dòng)作邏輯值為1，開關(guān)B動(dòng)作分閘。

開關(guān) D經(jīng)歷故障電流，對(duì)其第一相鄰開關(guān)組BD，開關(guān)B的邏輯值為1，開關(guān)D的邏輯值為1，其第一相鄰組的邏輯值VgroupD1為1；對(duì)于第二相鄰開關(guān)組DE，因開關(guān)D的有功功率方向?yàn)榱鞒鰠^(qū)間DE，故其開關(guān)邏輯值為0，開關(guān)E流過故障電流，且有功功率方向?yàn)榱魅雲(yún)^(qū)間 DE，故其開關(guān)邏輯值為1，故第二相鄰開關(guān)組邏輯值VgroupD2為0，由式（3），可知開關(guān)D的動(dòng)作邏輯值為1，開關(guān)D動(dòng)作分閘。

開關(guān)E、F、G、H、S2的分析與開環(huán)時(shí)開關(guān)S1、A的分析相似，開關(guān)皆不動(dòng)作，不再贅述。

2.4 暫時(shí)性故障處理

若系統(tǒng)為暫時(shí)性故障，當(dāng)故障隔離后，暫時(shí)性故障消除，為確保正常區(qū)域供電，需增加開關(guān)一側(cè)失壓重合閘功能。為確保開關(guān)重合閘功能的成功，變電站出口斷路器應(yīng)配置延時(shí)電流速度保護(hù)功能。

若開關(guān)重合后再次檢測(cè)到故障電流，則說明故障為永久性故障，開關(guān)將閉鎖在分閘狀態(tài)。

對(duì)于圖1所示配電網(wǎng)，當(dāng)BD區(qū)域發(fā)生暫時(shí)性故障時(shí)，由2.2節(jié)分析，開關(guān)BD將分閘，隔離故障，如圖3（a）所示。當(dāng)開關(guān)BD分閘后，若故障消除，此時(shí)開關(guān)B檢測(cè)到其一側(cè)失壓，啟動(dòng)一側(cè)失壓重合閘功能，如圖3（b）所示。開關(guān)B合閘后，區(qū)域BD正常供電，此時(shí)開關(guān)D檢測(cè)到其一側(cè)失壓，啟動(dòng)一側(cè)失壓重合閘功能，如圖3（c）所示，至此整個(gè)健全區(qū)域恢復(fù)供電。

圖3 暫時(shí)性故障的處理過程Fig. 3 Process of permanent fault

3 實(shí)例

如圖4為某一地區(qū)配電網(wǎng)，出線為相同變電站母線饋線閉環(huán)運(yùn)行，不同變電站饋線之間開環(huán)運(yùn)行，#1、#2為母線，S1～S4為變電站出口斷路器，A～O為分段開關(guān)，I為聯(lián)絡(luò)開關(guān)。

圖4 某一配電網(wǎng)Fig. 4 A typical open-loop distribution network

根據(jù)第1節(jié)，可以劃分相鄰開關(guān)組如表2。

若區(qū)域BD與HG同時(shí)發(fā)生故障，則開關(guān)S1、A、B、C、H將經(jīng)歷故障電流，開關(guān)D、E、F、O、G未經(jīng)歷故障電流，由式（1）～式（7）生成各開關(guān)組邏輯值與開關(guān)動(dòng)作邏輯值如表3。

表2 圖4中各個(gè)開關(guān)的相鄰開關(guān)Table 2 Parameters of the switches in Fig. 4

表3 圖4中各開關(guān)動(dòng)作邏輯值Table 3 Logic values of the switches in Fig. 4

由表3可知，當(dāng)區(qū)域BD與HG同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，開關(guān)B、D、H、G的動(dòng)作邏輯值為1，開關(guān)動(dòng)作分閘，切除故障。其他開關(guān)的動(dòng)作邏輯值皆為0，開關(guān)不動(dòng)作。

若是暫時(shí)性故障，當(dāng)故障切除后，因開關(guān)B、H一側(cè)失壓，將啟動(dòng)一側(cè)失壓重合閘功能，當(dāng)B、H合閘成功后，開關(guān)D、G檢測(cè)到一側(cè)失壓，將啟動(dòng)一側(cè)失壓重合閘功能，若故障消除，則合閘成功，整條饋線恢復(fù)供電。若是永久性故障，則開關(guān)B、H合閘后再次檢測(cè)到故障電流，則閉鎖在分閘狀態(tài)。

經(jīng)一定延時(shí)時(shí)間后，聯(lián)絡(luò)開關(guān)I閉合，恢復(fù)對(duì)DG區(qū)間供電。

4 結(jié)論

提出了一種配電網(wǎng)的分組模型，并依靠分組模型給出了一種適合于配網(wǎng)開閉環(huán)運(yùn)行的統(tǒng)一的故障判定準(zhǔn)則。

依靠故障電流及有功功率方向，將故障判定準(zhǔn)則轉(zhuǎn)化為一系列的邏輯運(yùn)算。提出了一種計(jì)算開關(guān)邏輯值及開關(guān)組邏輯值的方法，并運(yùn)用開關(guān)組邏輯值計(jì)算出各個(gè)開關(guān)的動(dòng)作邏輯值。運(yùn)用該方法，對(duì)電網(wǎng)開閉環(huán)運(yùn)行進(jìn)行了詳細(xì)分析。

針對(duì)電網(wǎng)暫時(shí)性故障，提出了一種開關(guān)一側(cè)失壓重合機(jī)制，有效避免了通信異常情況下的故障隔離范圍擴(kuò)大。

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