提高饋線自動(dòng)化故障處理速度的方法探討

唐宏丹 潘鵬飛 黃佳偉

（國(guó)網(wǎng)大連供電公司調(diào)控中心）

提高饋線自動(dòng)化故障處理速度的方法探討

唐宏丹 潘鵬飛 黃佳偉

（國(guó)網(wǎng)大連供電公司調(diào)控中心）

為了提高配電網(wǎng)的供電可靠性與電能質(zhì)量，減少負(fù)荷損失時(shí)間，降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，本文探討了在大連電網(wǎng)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)踐饋線自動(dòng)化功能的一些方法。針對(duì)配電主站側(cè)信息蕪雜，真?zhèn)坞y辨,影響故障處理的問題，在配電主站側(cè)嘗試了應(yīng)用多種數(shù)據(jù)進(jìn)行故障快速處理，針對(duì)饋線自動(dòng)化集中式控制故障處理速度慢的問題，嘗試了在變電站增加小電阻接地保護(hù)功能，在開關(guān)站增加備自投保護(hù)功能。通過上述改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了故障的快速處理。

饋線自動(dòng)化；故障處理；多種數(shù)據(jù)

0 引言

國(guó)家電網(wǎng)公司提出了建設(shè)智能電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)，針對(duì)不同電壓等級(jí)的電網(wǎng)，從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、控制手段、通信方式等各個(gè)方面提出了要求。配電自動(dòng)化是智能配電網(wǎng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，能夠提高配電網(wǎng)的供電可靠性與電能質(zhì)量，減少負(fù)荷損失時(shí)間，降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，是城區(qū)配電網(wǎng)建設(shè)與改造的重點(diǎn)。饋線自動(dòng)化系統(tǒng)是其中一個(gè)重要的高級(jí)應(yīng)用，是一項(xiàng)利用自動(dòng)化裝置（系統(tǒng)）監(jiān)視配電線路（饋線）的運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路故障，迅速診斷出故障區(qū)間并將故障區(qū)間隔離，快速恢復(fù)對(duì)非故障區(qū)間的供電的功能。

1 饋線自動(dòng)化

1.1 常用的饋線自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方式

饋線自動(dòng)化可以采用下列兩種方式來實(shí)現(xiàn)：

1）分布式饋線自動(dòng)化：監(jiān)測(cè)開關(guān)設(shè)備的電壓、電流及溫度數(shù)值是否越限，記錄開關(guān)的動(dòng)作及閉鎖情況，依靠開關(guān)設(shè)備的相互協(xié)調(diào)構(gòu)成的就地控制系統(tǒng)。饋線發(fā)生故障時(shí)，分段器與重合器配合，可以將故障隔離，恢復(fù)非故障區(qū)域的供電。

2）集中式饋線自動(dòng)化：在饋線柱上開關(guān)處布置饋線終端單元FTU，在開關(guān)站及環(huán)網(wǎng)箱處布置配電終端單元DTU，在配電變壓器處布置配電變壓器單元TTU，采集配電設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行工況，通過光纖或無線通道將信息上傳至主站[1]，主站啟動(dòng)故障處理程序快速識(shí)別故障，進(jìn)行故障定位，提供故障處理策略給調(diào)度員，人工或自動(dòng)方式操作完成故障的隔離與非故障區(qū)域的恢復(fù)供電。

1.2 大連饋線自動(dòng)化現(xiàn)狀

大連地區(qū)的配電網(wǎng)根據(jù)電壓劃分可以歸類為中低壓配電網(wǎng)，根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司對(duì)中低壓配電網(wǎng)的技術(shù)要求，供電可靠性應(yīng)≥99.96，戶均停電時(shí)間≤3.5h，大連老城區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理，設(shè)備老化，發(fā)生故障時(shí)，需要配電檢修人員沿線巡查，僅依靠人工操作與簡(jiǎn)單設(shè)備無法滿足配電技術(shù)要求。

大連開發(fā)區(qū)作為大連的工業(yè)聚集區(qū)，對(duì)供電可靠性的要求更高。截止到2011年底，運(yùn)行的開關(guān)站88座，環(huán)網(wǎng)箱405座，轄區(qū)內(nèi)架空線路21條，電纜線路154條，電纜占比88%。迫切需要建立饋線自動(dòng)化系統(tǒng)來提高供電可靠性與電能質(zhì)量。

大連作為國(guó)網(wǎng)公司第二批配電自動(dòng)化試點(diǎn)城市，從2011年初開始建設(shè)配電自動(dòng)化項(xiàng)目，即南瑞OPEN3200系統(tǒng)。歷經(jīng)一年的建設(shè)時(shí)間，基本實(shí)現(xiàn)該地區(qū)配電自動(dòng)化的工況監(jiān)視功能，但由于試點(diǎn)期間接入監(jiān)控系統(tǒng)的開關(guān)站及設(shè)備數(shù)量不足，當(dāng)時(shí)的一次設(shè)備保護(hù)功能不完善，在饋線自動(dòng)化方面還有很大的提升空間[2]。本文從主站側(cè)和變電站/開關(guān)站側(cè)分別探討了提高故障處理速度的方法。

2 主站側(cè)提高故障處理速度的方法

當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，大量的報(bào)警信息在短時(shí)間內(nèi)涌入控制中心，且保護(hù)或斷路器誤動(dòng)、拒動(dòng)以及電網(wǎng)信息受干擾、畸變或丟失等因素，導(dǎo)致了信息的不確定性與不完備性，給配電網(wǎng)故障分析帶來了較大困難。傳統(tǒng)的僅僅依據(jù)電流信號(hào)和單一判據(jù)進(jìn)行故障分析，不能確保故障診斷的可靠性和充分性。

大連配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)OPEN3200的可擴(kuò)展性體現(xiàn)在其信息交互總線的設(shè)計(jì)，即相關(guān)系統(tǒng)可以通過此接口實(shí)現(xiàn)信息共享。大連配電網(wǎng)陸續(xù)接入了變電站SCADA的信息（OPEN3000）、地理信息系統(tǒng)（GIS）的信息，因此，嘗試融合多種信息源的信息進(jìn)行配電網(wǎng)故障處理。

2.1 多源信息的來源

大連地區(qū)配電網(wǎng)的信息源主要包括變電站自動(dòng)化系統(tǒng)、站端監(jiān)測(cè)終端、配電設(shè)備管理系統(tǒng)、95598配電搶修系統(tǒng)，未來還可以接入設(shè)備使用情況信息及天氣信息系統(tǒng)等。

（1）變電站自動(dòng)化系統(tǒng)

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)采集的信息包括狀態(tài)量、模擬量及事件記錄三類。大連集控中心是2008年底運(yùn)行的OPEN3000系統(tǒng)，進(jìn)行大連地區(qū)電網(wǎng)的運(yùn)行監(jiān)視和控制，接受大連地調(diào)操作指令。該系統(tǒng)硬件配置較高，且預(yù)留多個(gè)接口，可以與新建的配電主站聯(lián)結(jié)，完成配電主站對(duì)集控中心10kV線路開關(guān)的操作請(qǐng)求。

（2）站端監(jiān)測(cè)終端

采集到的信息包括：遙測(cè)信息量，故障信息量，遙控和遙調(diào)信息量。遙測(cè)信息以采集電流信息和電壓信息為主，故障信息有過流故障檢測(cè)、零序電流錄波、故障持續(xù)時(shí)間、接地故障檢測(cè)、傳輸通道故障檢測(cè)等。遙控和遙調(diào)信息主要是指設(shè)備控制操作信號(hào)，如斷路器的跳閘、合閘操作的控制信號(hào)等。

（3）配電設(shè)備管理系統(tǒng)

配電設(shè)備管理系統(tǒng)通常基于地理信息系統(tǒng)（GIS）來實(shí)現(xiàn)，其以矢量化地圖背景為基礎(chǔ)建立配電網(wǎng)設(shè)備連接拓?fù)鋱D， GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以作為配電自動(dòng)化主站的饋線圖模數(shù)據(jù)源。

（4）95598配電搶修系統(tǒng)

當(dāng)電力用戶發(fā)現(xiàn)其環(huán)境范圍內(nèi)出現(xiàn)用電異常狀況時(shí)，可通過95598系統(tǒng)進(jìn)行投訴，告知電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商，95598配電搶修人員接到投訴后，把異常情況輸入95598系統(tǒng)，與配電自動(dòng)化系統(tǒng)有數(shù)據(jù)共享的接口，從而啟動(dòng)處理程序?qū)崿F(xiàn)故障處理。

2.2 多源信息的融合

將故障信息分為三類：基本故障信息、其他可決策故障信息、輔助支持故障信息。其中，基本故障信息，為進(jìn)行故障分析所基于的最原始信息，也是進(jìn)行故障診斷的主要信息，包括配電網(wǎng)遙測(cè)信息、保護(hù)信息、配電網(wǎng)遙信信息和順序時(shí)間記錄信息等；其他可決策故障信息，既可僅基于該類信息進(jìn)行故障分析，也可與基本故障信息互相補(bǔ)充，得到更精確、更完備的故障分析結(jié)論，包括用戶投訴信息、營(yíng)銷系統(tǒng)信息、變電站自動(dòng)化系統(tǒng)信息等；輔助支持故障信息，其不可獨(dú)立用于故障分析，需要與基本故障信息或其他可決策故障信息一起使用，通常有助于得到故障原因、故障影響范圍及故障嚴(yán)重程度等結(jié)論，包括天氣信息、設(shè)備使用情況信息、施工建設(shè)信息等。

所謂多源數(shù)據(jù)融合處理故障就是配電主站依據(jù)從不同系統(tǒng)收集來的信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選融合后判斷出故障情況，再依據(jù)數(shù)據(jù)融合后形成的專家系統(tǒng)對(duì)故障進(jìn)行隔離，給出最佳的恢復(fù)供電方案實(shí)施網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，或提供幾種恢復(fù)供電的方案供調(diào)度員參考，完成對(duì)非故障區(qū)域的供電。

2.3 多源信息的融合實(shí)例

舉例說明信息融合故障處理的具體流程，如圖1所示，95598生成一條工單報(bào)某10kV饋線跳閘失電，影響到相關(guān)配電箱供電，饋線自動(dòng)化系統(tǒng)從配電網(wǎng)SCADA系統(tǒng)讀取站端終端設(shè)備上傳的該饋線信息，發(fā)現(xiàn)開關(guān)站處進(jìn)線開關(guān)合位，但遙測(cè)數(shù)據(jù)為0。該進(jìn)線所在母線的饋出線遙測(cè)數(shù)據(jù)為0，開關(guān)都在合位，由此判斷故障應(yīng)在上一級(jí)饋線。這些都是基本故障信息的融合，采集盡可能多的相關(guān)信息用于判斷故障。饋線自動(dòng)化系統(tǒng)又從變電站SCADA系統(tǒng)讀取上級(jí)66kV變電站的10kV出線開關(guān)信息、發(fā)現(xiàn)開關(guān)是合位，遙測(cè)數(shù)據(jù)為0，沒有相關(guān)保護(hù)動(dòng)作信息，結(jié)合這些信息可以判斷10kV饋線開關(guān)偷跳，同時(shí)開關(guān)遙信信息沒能正確上傳，此為其他可決策的故障信息的融合。在進(jìn)行故障恢復(fù)的過程中就用到了輔助支持故障信息，饋線自動(dòng)化系統(tǒng)綜合該開關(guān)在GIS系統(tǒng)中的位置，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)系的信息，分析出該開關(guān)跳閘對(duì)系統(tǒng)負(fù)載的影響范圍與嚴(yán)重程度，再結(jié)合設(shè)備使用系統(tǒng)信息發(fā)現(xiàn)該開關(guān)工況老舊，維修頻繁，不宜在網(wǎng)運(yùn)行，最終，饋線自動(dòng)化系統(tǒng)不會(huì)遙控該開關(guān)合閘，會(huì)采取其他線路代送的方式轉(zhuǎn)移負(fù)荷。

圖1 信息融合故障處理流程

3 變電站/開關(guān)站側(cè)提高故障處理速度的方法

3.1 開關(guān)站備自投功能加快故障恢復(fù)

當(dāng)變電站的10kV饋線的開關(guān)偷跳時(shí)，或者該段線路故障跳閘時(shí)，會(huì)造成相連的開關(guān)站、環(huán)網(wǎng)箱大面積停電，所以應(yīng)該盡快處理這類故障，如果靠配電主站系統(tǒng)啟動(dòng)故障處理程序用時(shí)會(huì)超過1min，而此時(shí)開關(guān)站備自投啟動(dòng)，可以在4～5s內(nèi)恢復(fù)供電。所以大連開發(fā)區(qū)配電網(wǎng)進(jìn)行了開關(guān)站增加備自投保護(hù)功能的嘗試。

3.1.1 開關(guān)站保護(hù)配置

10kV開關(guān)站一般采用單母線分段的接線方式，2段母線的電源分別來自不同的上級(jí)變電站，通過聯(lián)絡(luò)線與其他開關(guān)站互相代送，開關(guān)站的出線一般至環(huán)網(wǎng)箱，由環(huán)網(wǎng)箱再經(jīng)配電箱變壓后給用戶供電。簡(jiǎn)化后的連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 開關(guān)站聯(lián)系示意圖

正常運(yùn)行時(shí)，由于受保護(hù)配合級(jí)數(shù)的限制，開關(guān)站的進(jìn)線及聯(lián)絡(luò)線不配置保護(hù)功能[3]，即1～6是負(fù)荷開關(guān)，不具備保護(hù)功能，但是開關(guān)站的出線均配置電流速斷保護(hù)，當(dāng)與下級(jí)熔斷器配合時(shí)，采用限時(shí)電流保護(hù)方式。

3.1.2 備自投保護(hù)原理及實(shí)現(xiàn)方法

10kV開關(guān)站一般為單母線分段接線，兩段母線間裝設(shè)分段開關(guān)，正常運(yùn)行時(shí)紅梅站及慶港站的分段開關(guān)在分位，分段開關(guān)配置基于電壓鑒定的備用電源自動(dòng)投入裝置，當(dāng)一段母線一相或三相失壓時(shí)，另一段母線三相有壓，且分段開關(guān)在分位時(shí)，備自投保護(hù)動(dòng)作，經(jīng)一定時(shí)延后跳進(jìn)線開關(guān)，再經(jīng)一定時(shí)延后合分段開關(guān)，使失壓母線重新帶電，保證出線功率輸出。

當(dāng)金馬站的109線發(fā)生故障時(shí)，109開關(guān)跳閘，慶港站#1段母線失壓，啟動(dòng)分段備自投動(dòng)作，經(jīng)過一個(gè)時(shí)延跳開負(fù)荷開關(guān)1，再經(jīng)過一個(gè)時(shí)延合上慶港站的分段開關(guān)。

開關(guān)站內(nèi)保護(hù)設(shè)備自動(dòng)處理饋線自動(dòng)化故障，可以快速自動(dòng)隔離和恢復(fù)備用線供電，最大限度地恢復(fù)供電區(qū)域，不依賴外部通信方式，處理速度快，安全可靠。

3.2 小電阻接地保護(hù)方式實(shí)現(xiàn)單相接地故障快速動(dòng)作

電網(wǎng)按照中性點(diǎn)接地方式的不同可劃分為兩大類：大電流接地方式和小電流接地方式。大連10kV配電網(wǎng)的常規(guī)接線方式是小電流方式，消弧線圈連接在接地變的中性點(diǎn)上。但隨著電纜出線越來越多，系統(tǒng)單相接地電容電流很大，消弧線圈補(bǔ)償困難，如果不能快速切除此類故障，會(huì)導(dǎo)致非故障相對(duì)地電壓升高幅度較大，長(zhǎng)期運(yùn)行易造成電纜及相關(guān)設(shè)備的絕緣老化，也容易使單相接地故障升級(jí)為相間故障，擴(kuò)大了故障范圍[4]，另外，電纜單相接地故障多為永久性故障，在單相接地的情況下繼續(xù)運(yùn)行，在城市人流密集區(qū)也容易造成人員觸電，不宜再帶電運(yùn)行2h，大連地區(qū)有中低壓系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地的試點(diǎn)情況[5]。所以，大連配電自動(dòng)化系統(tǒng)試行了10kV系統(tǒng)經(jīng)小電阻接地的運(yùn)行方式，通過零序電流保護(hù)完成故障的快速切除。小電阻接地接線如圖3所示。

圖3 小電阻接線示意圖

3.2.1 小電阻接地保護(hù)方式的原理

我國(guó)電氣設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定35kV電網(wǎng)如果單相接地電容電流大于10A，3～10kV電網(wǎng)如果接地電容電流大于30A，都需要采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，而《城市電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（試行）第59條中規(guī)定“35kV、10kV城網(wǎng)，當(dāng)電纜線路較長(zhǎng)、系統(tǒng)電容電流較大時(shí)，也可以采用電阻方式”。 經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)的接地故障電流一般為 100～1000A，故障定位容易，可以正確迅速切除故障。接地系統(tǒng)的設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行在相電壓狀態(tài)，所以設(shè)備制造時(shí)的絕緣性能可以適當(dāng)降低。10kV系統(tǒng)低電阻接地方式接地電阻不同地區(qū)選擇為10Ω或16Ω。

3.2.2 大連地區(qū)配電網(wǎng)小電阻接地保護(hù)方式的實(shí)現(xiàn)

開發(fā)區(qū)在幾個(gè)66kV變電站嘗試了改造成小電阻接線方式，以66kV長(zhǎng)春路變電站為例，其變壓器低壓側(cè)是三角形接線，所以在10kV母線上經(jīng)斷路器接入接地變壓器人為造出中性點(diǎn)，小電阻接在該中性點(diǎn)上面。中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地后，保護(hù)的配置可以通過時(shí)間進(jìn)行配合，使故障停電范圍縮到最小。對(duì)單相故障而言，故障電流增大，并有零序電流產(chǎn)生，因而保護(hù)配置應(yīng)增加零序保護(hù)。具體保護(hù)配合如下表所示。

表 變電站零序電流保護(hù)的配合關(guān)系

當(dāng)10kV線路發(fā)生接地故障時(shí)，首先該線路的零序保護(hù)（動(dòng)作時(shí)間小于接地變動(dòng)作時(shí)間）動(dòng)作，出口跳開線路開關(guān)，切除故障；當(dāng)該線路開關(guān)拒動(dòng)時(shí)，故障無法切除，流過接地變的故障量仍然存在，此時(shí)，由接地變零流I段或零流II段動(dòng)作，出口跳開接地變壓器的斷路器。

通過加裝小電阻接地裝置，10kV饋線的單相永久性接地故障可以快速切除。對(duì)于以電纜為主要饋出線的開發(fā)區(qū)配電網(wǎng)，該種就地控制方式加快了饋線自動(dòng)化的故障處理速度。

4 結(jié)束語(yǔ)

一年來，大連電網(wǎng)饋線自動(dòng)化的建設(shè)日漸完善。實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)主干線路故障通過主站側(cè)的故障處理系統(tǒng)來處理，保證了故障處理的全局視野；配電網(wǎng)的分支線路通過就地裝置處理故障，保證了故障處理的快速準(zhǔn)確。兩種方法互為補(bǔ)充。經(jīng)過上述程序上的改進(jìn)，新功能的應(yīng)用，使大連饋線自動(dòng)化系統(tǒng)的故障處理速度提高了很多。

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