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    湖北配電網(wǎng)饋線自動(dòng)化部署方案研究

    2018-01-16 05:09:02汪文超車方毅
    湖北電力 2017年11期
    關(guān)鍵詞:指示器重合饋線

    雷 楊,汪文超,宿 磊,車方毅,李 鵬

    (1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院,湖北 武漢 430077;2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司荊門供電公司,湖北 荊門 448000)

    0 引言

    配電自動(dòng)化是智能配電網(wǎng)中“智能感知”環(huán)節(jié)的基礎(chǔ),也是“十三五”期間國(guó)家電網(wǎng)公司配電網(wǎng)建設(shè)改造的重要工作內(nèi)容。饋線自動(dòng)化是配電自動(dòng)化的核心部分之一,利用自動(dòng)化裝置或系統(tǒng),監(jiān)視配電線路的運(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。通過饋線自動(dòng)化的功能,配電網(wǎng)可以在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)故障隔離,能夠大幅提高配電網(wǎng)供電可靠性,具備較高的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

    由于饋線自動(dòng)化策略多種多樣,應(yīng)用的場(chǎng)景和效果也存在較大差異,目前針對(duì)饋線自動(dòng)化的選型部署方案,國(guó)內(nèi)已開展了一些研究。文獻(xiàn)[1]闡述了電壓-時(shí)間型饋線自動(dòng)化的基本原理和應(yīng)用過程中存在的問題,并提出了改進(jìn)方案;文獻(xiàn)[2]研究了饋線自動(dòng)化在核心城區(qū)的建設(shè)應(yīng)用方案;文獻(xiàn)[3]闡述了饋線自動(dòng)化與變電站重合閘的配合方式,文獻(xiàn)[4]、[5]闡述了饋線自動(dòng)化測(cè)試方案。整體來說,現(xiàn)有針對(duì)饋線自動(dòng)化的研究主要集中在饋線自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)和測(cè)試技術(shù),對(duì)于饋線自動(dòng)化整體選型模式缺乏針對(duì)性分析研究。本文從各類饋線自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)方式和優(yōu)缺點(diǎn)比較入手,并基于現(xiàn)有的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,提出了適用于湖北電網(wǎng)的饋線自動(dòng)化及配電自動(dòng)化終端設(shè)備選型技術(shù)方案。

    1 饋線自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)方式

    目前應(yīng)用的饋線自動(dòng)化模式主要有三種,即集中型、就地型和故障定位型,其實(shí)現(xiàn)原理各有不同。本節(jié)將結(jié)合實(shí)例對(duì)各類饋線自動(dòng)化的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析,其中CB代表變電站出線開關(guān)、F代表分段開關(guān)、L代表聯(lián)絡(luò)開關(guān)。

    1.1 集中型饋線自動(dòng)化

    集中型饋線自動(dòng)化是指由配電主站與配電終端相互配合,通過配電主站搜集到的信息綜合判斷故障區(qū)間,并結(jié)合實(shí)際網(wǎng)架、負(fù)荷情況進(jìn)行故障隔離,如圖1。具體流程如下:發(fā)生故障時(shí),10 kV出線開關(guān)保護(hù)跳閘,配電自動(dòng)化主站搜集各配電終端故障告警信息,由于F1、F2開關(guān)感受到故障電流,發(fā)出故障告警,而F3沒有故障電流通過,無故障告警信號(hào)發(fā)出,因此配電主站判定故障位于F2和F3之間。之后,F(xiàn)3分閘,CB1合閘,聯(lián)絡(luò)開關(guān)L1合閘,完成故障區(qū)域隔離和非故障區(qū)域恢復(fù)。集中型饋線自動(dòng)化可以切換為半自動(dòng)和全自動(dòng)模式,其中半自動(dòng)模式僅提示故障區(qū)間,由人工操作開關(guān)進(jìn)行故障處理,全自動(dòng)模式則自動(dòng)執(zhí)行故障處理步驟。

    圖1 集中型饋線自動(dòng)化處理邏輯Fig.1 Processing logic of centralized feeder automation

    1.2 就地型饋線自動(dòng)化

    就地饋線自動(dòng)化是不依賴配電主站的饋線自動(dòng)化模式,通過配電開關(guān)之間的邏輯配合來實(shí)現(xiàn)故障的就地識(shí)別和隔離。目前主流的就地型饋線自動(dòng)化有智能分布型和重合器型,其中重合器型在發(fā)展過程中出現(xiàn)了很多衍生類型,例如自適應(yīng)綜合型、“電壓-時(shí)間”型、“電壓-電流-時(shí)間”型、鏈?zhǔn)娇v聯(lián)型等。

    智能分布型饋線自動(dòng)化通過可靠的光纖通信手段,使饋線自動(dòng)化配置區(qū)域內(nèi)的配電終端具備對(duì)等通信能力,進(jìn)行小范圍內(nèi)的信息交互。在故障發(fā)生后,通過故障點(diǎn)臨近各配電終端之間的信息綜合判定故障范圍,并迅速跳開故障兩側(cè)開關(guān),通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘實(shí)現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)供。在智能分布型饋線自動(dòng)化模式下,變電站出線開關(guān)無需跳閘隔離故障,配電主站也不參與故障處理過程。具體流程如下:故障發(fā)生時(shí),通過F1、F2、F3開關(guān)之間的通信和故障告警情況,判定故障位于F2和F3之間,因此F2動(dòng)作跳開故障,并延時(shí)重合,若重合失敗,則F2、F3均分閘,臨近聯(lián)絡(luò)開關(guān)L1合閘,恢復(fù)非故障區(qū)間供電,見圖2。

    圖2 智能分布型饋線自動(dòng)化處理邏輯Fig.2 Processing logic of intelligent distributed feeder automation

    重合器型饋線自動(dòng)化是通過配電終端之間的邏輯配合來就地進(jìn)行故障隔離的一種饋線自動(dòng)化方式(見圖3),不依賴配電主站以及配電終端之間的對(duì)等通信,其前身是重合器、分段器技術(shù)。是目前就地型饋線自動(dòng)化應(yīng)用范圍最廣的一種類型,以最基本的“電壓-時(shí)間”型為例,變電站出線開關(guān)具備故障重合閘功能,分段開關(guān)具備失壓分閘、有壓延時(shí)合閘功能。在故障發(fā)生后,CB1分閘,由于失壓,F(xiàn)1、F2和F3同時(shí)分閘,之后CB1合閘,若為瞬時(shí)故障,則F1、F2和F3經(jīng)過一定延時(shí)依次合閘,若為永久故障,則F2合閘后CB1再次分閘,此時(shí)F2失壓閉鎖,F(xiàn)3檢殘壓閉鎖,CB1再次重合后,經(jīng)過延時(shí)F1合閘,手動(dòng)合L1恢復(fù)非故障區(qū)間供電。

    圖3 重合器型饋線自動(dòng)化處理邏輯Fig.3 Processing logic of reclosed feeder automation

    1.3 故障定位型饋線自動(dòng)化

    故障定位型饋線自動(dòng)化即通過各類型故障指示器來進(jìn)行故障區(qū)間判斷,運(yùn)維人員通過配電主站或其他故障研判后臺(tái)綜合判定故障區(qū)間,并通過人工巡視查找、解決線路故障。其優(yōu)勢(shì)在于節(jié)約配電自動(dòng)化建設(shè)改造成本,大幅減少尋找故障點(diǎn)的時(shí)間和人力投入。故障定位型饋線自動(dòng)化的核心設(shè)備是故障指示器,其原理是在故障發(fā)生時(shí),通過感應(yīng)到的故障電氣量變化,通過就地指示或遠(yuǎn)傳發(fā)信等方式發(fā)出故障信息。目前主流的故障指示器從指示方式上分為遠(yuǎn)傳型和就地型;從原理上分為外施信號(hào)型、穩(wěn)態(tài)特征型、暫態(tài)錄波型和暫態(tài)特征型等。

    2 各類饋線自動(dòng)化的比較

    2.1 故障處理時(shí)效性

    集中型饋線自動(dòng)化通過配電主站搜集配電終端上送的告警信息綜合判斷故障區(qū)間,信息收集的全面性是其故障判斷準(zhǔn)確性的基本保障,因此通常情況下,集中型饋線自動(dòng)化啟動(dòng)后將預(yù)留15~30 s的故障信息收集時(shí)間,故障判定時(shí)間需數(shù)秒,全自動(dòng)化模式下整體故障處理耗時(shí)一般在10 s級(jí)。智能分布型饋線自動(dòng)化通過配電終端之間的對(duì)等通信,可以快速定位、隔離故障,不涉及到變電站出線開關(guān)跳閘,故障定位時(shí)間為毫秒級(jí),故障處理時(shí)間可以達(dá)到秒級(jí),同時(shí)由于終端之間實(shí)時(shí)交互信息,不存在保護(hù)級(jí)差配合的問題。重合器型饋線自動(dòng)化通過配電終端失壓分閘、有壓延時(shí)合閘邏輯來判定故障,通常情況下有壓延時(shí)合閘時(shí)間設(shè)置在5~10 s,由于變電站出線開關(guān)需要經(jīng)過2~3次重合閘,其故障處理時(shí)間跟故障發(fā)生位置有關(guān),對(duì)于“電壓-時(shí)間”型饋線自動(dòng)化,在前文示例中,主干線第三個(gè)分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)之間發(fā)生故障的情況下,故障處理時(shí)間為幾分鐘到十幾分鐘。故障定位型饋線自動(dòng)化的主要功能是定位故障區(qū)間,故障處理主要由人工赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。在目前的技術(shù)條件下,遠(yuǎn)傳型故障指示器指示故障區(qū)間的時(shí)間通常在秒級(jí)。

    2.2 故障判斷可靠性

    集中型饋線自動(dòng)化對(duì)通信可靠性、配電終端上送信息準(zhǔn)確性的要求較高,故障路徑上的每個(gè)終端都必須在主站信息收集的有效時(shí)間內(nèi)上送正確的告警信息,才能保障本次故障動(dòng)作結(jié)果的正確性,若故障線路路徑上個(gè)別配電終端信息沒有上送,或信息上送錯(cuò)誤的情況下,將導(dǎo)致故障隔離和恢復(fù)策略錯(cuò)誤,造成重復(fù)停電。智能分布型饋線自動(dòng)化要求配電終端之間的對(duì)等通信,同時(shí)故障信息收集時(shí)間比集中型饋線自動(dòng)化短,對(duì)通信實(shí)時(shí)性、可靠性的要求更高,若配電終端之間通信不暢將嚴(yán)重影響故障判斷的準(zhǔn)確度,甚至造成饋線自動(dòng)化功能閉鎖。重合器型饋線自動(dòng)化是通過配電終端自身的保護(hù)動(dòng)作邏輯進(jìn)行故障隔離,不依賴通信,在故障路徑上個(gè)別配電終端損壞的情況下,能夠自動(dòng)越級(jí)隔離故障,具備較高的可靠性。故障定位型饋線自動(dòng)化的主要作用是判斷故障區(qū)間,各類型故障指示器判定成功率各有不同,其中暫態(tài)錄波型故障指示器需要在故障發(fā)生時(shí)將臨近線路故障指示器的波形上送配電主站進(jìn)行集中判斷,對(duì)通信的依賴性較強(qiáng),其余類型的遠(yuǎn)傳型故障指示器對(duì)通信的依賴相對(duì)偏弱。

    2.3 建設(shè)運(yùn)維成本

    根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司最新規(guī)范要求,涉及到控制功能的配電終端設(shè)備必須通過光纖通信方式,經(jīng)過安全接入?yún)^(qū)接入生產(chǎn)控制大區(qū),對(duì)信息安全的要求較高。采用無線通信方式的配電終端或故障指示器通過安全隔離組件接入管理信息大區(qū),信息安全的要求相對(duì)較低。由于集中型饋線自動(dòng)化的建設(shè)主要依賴“三遙”配電終端,需要采用光纖通信方式,對(duì)應(yīng)的建設(shè)和調(diào)試成本相對(duì)較高。智能分布型饋線自動(dòng)化依賴具備對(duì)等通信要求的“三遙”配電終端,亦采用光纖通信方式,建設(shè)和調(diào)試成本最高。重合器型饋線自動(dòng)化主要采用“二遙”動(dòng)作型配電終端結(jié)合無線通信方式,由于通信成本較低,建設(shè)和調(diào)試成本相對(duì)前兩類饋線自動(dòng)化較低。故障定位型饋線自動(dòng)化主要采用故障指示器結(jié)合無線通信方式,對(duì)于重要線路采用遠(yuǎn)傳型故障指示器指示故障,并綜合選用就地型故障指示器進(jìn)一步縮小故障判斷區(qū)間,對(duì)應(yīng)的建設(shè)成本最低。從運(yùn)維方面,由于集中型饋線自動(dòng)化和智能分布型饋線自動(dòng)化利用光纖通信方式,對(duì)應(yīng)“三遙”配電終端的蓄電池也主要采用蓄電池作為主后備電源,相應(yīng)的運(yùn)維工作量較大。重合器型饋線自動(dòng)化和故障定位型饋線自動(dòng)化主要采用無線通信方式,通信運(yùn)維工作量相對(duì)較小,設(shè)備層面原理相對(duì)簡(jiǎn)單,也大大減小了運(yùn)維工作量。

    3 湖北電網(wǎng)饋線自動(dòng)化選型部署方案分析

    目前,湖北電網(wǎng)配電自動(dòng)化共計(jì)覆蓋線路400條,包括架空線路181條,電纜線路219條,覆蓋區(qū)域面積共198.17 km2,線路總長(zhǎng)1 820.55 km。配電自動(dòng)化已覆蓋區(qū)域以城市核心區(qū)為主,對(duì)供電可靠性要求較高,建設(shè)模式較為單一,基本采用全光纖、全“三遙”終端的建設(shè)模式,應(yīng)用集中型饋線自動(dòng)化。根據(jù)規(guī)劃,“十三五”末期,湖北將實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化全覆蓋,根據(jù)各類供電區(qū)域的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特點(diǎn)和設(shè)備現(xiàn)狀,并結(jié)合施工難度選用合適的饋線自動(dòng)化類型,對(duì)完成“十三五”饋線自動(dòng)化覆蓋率的目標(biāo)、保障良好的配電自動(dòng)化建設(shè)應(yīng)用效果具有決定性的作用。

    3.1 配電自動(dòng)化設(shè)備選型思路

    目前配電自動(dòng)化建設(shè)的模式主要是根據(jù)供電區(qū)域的重要性,在A+、A、B和C類供電區(qū)域結(jié)合遙控操作的部署需求來選擇配電終端設(shè)備類型,對(duì)于“三遙”配電終端考慮信息安全性,采用光纖通信方式;對(duì)于“二遙”配電終端,在光纖路徑沿線則通過光纖接入,否則采用無線通信方式;考慮到整體建設(shè)成本,在部分B、C和D類區(qū)域采用故障指示器,減少人工查詢故障的難度,在規(guī)劃過程中未優(yōu)先考慮饋線自動(dòng)化的實(shí)施方式。從配電自動(dòng)化的建設(shè)初衷來分析,配電自動(dòng)化的建設(shè)是為了實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)、控制和快速故障隔離。其中實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)、控制可以根據(jù)需求在重要分段、聯(lián)絡(luò)開關(guān)處部署配電終端,主要涉及到點(diǎn)的改造。而為了實(shí)現(xiàn)故障隔離,則必須統(tǒng)籌考慮區(qū)域的故障判斷和隔離策略,涉及到的則是面的改造,因此在配電自動(dòng)化的規(guī)劃過程中,饋線自動(dòng)化的策略選擇宜放在優(yōu)先位置,先根據(jù)不同供電區(qū)域的故障隔離效率要求、實(shí)際改造部署難度來選擇適宜的饋線自動(dòng)化部署方式,根據(jù)饋線自動(dòng)化的部署需求確定范圍內(nèi)的設(shè)備部署方式。饋線自動(dòng)化的部署情況和設(shè)備選型情況確定后,再在故障定位型饋線自動(dòng)化區(qū)域適當(dāng)部署配電終端,用以滿足重要節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)需求。

    3.2 分層分區(qū)的饋線自動(dòng)化選型策略

    針對(duì)饋線自動(dòng)化的選型方式,可以根據(jù)不同區(qū)域?qū)τ诠╇娍煽啃院瓦h(yuǎn)方操作的需求來制定策略,采用分層分區(qū)的配置方案,提高饋線自動(dòng)化的經(jīng)濟(jì)型和實(shí)用性,減少配電自動(dòng)化改造難度。目前,湖北電網(wǎng)10 kV公用線路共計(jì)11 443回,其中電纜線路1 546回,主要接線模式為單環(huán)式;架空線路9 897回,接線模式主要包括輻射式、單聯(lián)絡(luò)及多聯(lián)絡(luò)。本文將針對(duì)湖北電網(wǎng)各類供電區(qū)域的特征進(jìn)行饋線自動(dòng)化及設(shè)備選型方案分析。

    1)A+、A類地區(qū)

    A+類及A類地區(qū)主要位于省會(huì)中心城區(qū)和重點(diǎn)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū),共計(jì)配電線路1 972條,其中電纜線路占43%,主要采用單環(huán)式結(jié)構(gòu),架空線路站57%,主要采用單聯(lián)絡(luò)接線。線路聯(lián)絡(luò)率達(dá)到98%,平均分段數(shù)為2.8。該類區(qū)域聯(lián)絡(luò)率和分段數(shù)較高,負(fù)荷轉(zhuǎn)供方式比較靈活,同時(shí)由于A+和A類地區(qū)均為城市核心區(qū),對(duì)供電可靠性的要求較高。可采取集中型饋線自動(dòng)化的部署模式,通過光纖部署可靠通信網(wǎng),配電終端以“三遙”終端為主,能夠?qū)^(qū)域內(nèi)開關(guān)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)方操作。對(duì)于重要供電用戶區(qū)域,為切實(shí)保障饋線自動(dòng)化動(dòng)作的可靠性,可采用智能分布型饋線自動(dòng)化進(jìn)行部署,并用集中型饋線自動(dòng)化作為后備,在終端之間通信出現(xiàn)故障時(shí)閉鎖智能分布式型饋線自動(dòng)化,由集中型饋線自動(dòng)化來判斷和隔離故障。

    2)B、C類地區(qū)

    B、C類地區(qū)主要位于除省會(huì)外各地市、縣中心城區(qū)和重點(diǎn)城鎮(zhèn)中心區(qū)域,涵蓋配電線路4682回,其中電纜線路占6%,主要位于地市核心區(qū)域,接線方式包括單環(huán)和單輻射,架空線路占94%,主要為單輻射和單聯(lián)絡(luò)式接線,整體聯(lián)絡(luò)率為53%,平均分段數(shù)2.31。此類區(qū)域包括城市中心區(qū)域和城郊區(qū)域,供電可靠性要求較高,目前該類區(qū)域的開關(guān)設(shè)備大多不具備電動(dòng)操作機(jī)構(gòu),通信網(wǎng)絡(luò)也不完善,由于開關(guān)設(shè)備改造和通信光纖部署的成本較高。從經(jīng)濟(jì)型和實(shí)用性的角度來說,建議在中心城區(qū)選用集中型饋線自動(dòng)化,以“三遙”終端為主,采用光纖通信方式,以保證各分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)能夠配合配電主站的饋線自動(dòng)化策略靈活進(jìn)行操作,完成故障隔離。在城郊區(qū)域選用重合器型饋線自動(dòng)化,以“二遙”動(dòng)作型終端為主,采用無線通信方式,在故障發(fā)生時(shí),能夠通過配電終端自身的延時(shí)動(dòng)作隔離故障,在重要聯(lián)絡(luò)開關(guān)處部署“三遙”終端,通過開關(guān)遠(yuǎn)方操作來進(jìn)行非故障區(qū)的供電恢復(fù)操作,在聯(lián)絡(luò)開關(guān)“三遙”終端部署規(guī)劃過程中綜合考慮光纖部署成本和運(yùn)維效益。同時(shí),根據(jù)湖北電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀,在部分B、C類城市中心區(qū)域和城郊區(qū)存在少量長(zhǎng)線路,在故障發(fā)生時(shí)難以對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位,可在此部分線路中間適當(dāng)部署就地型故障指示器,對(duì)于重點(diǎn)線路部署暫態(tài)特征型遠(yuǎn)傳故障指示器,便于故障準(zhǔn)確定位。

    3)D類地區(qū)

    D類區(qū)域主要是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū),涵蓋配電線路4 779回,主要為架空線路,為單輻射和單聯(lián)絡(luò)接線,整體聯(lián)絡(luò)率16%,平均分段數(shù)1.81。此類區(qū)域由于線路聯(lián)絡(luò)率不高,負(fù)荷轉(zhuǎn)供能力較弱,且農(nóng)網(wǎng)長(zhǎng)線路比例較高,部署光纖的成本過高,針對(duì)此類區(qū)域應(yīng)盡量考慮無線通信方式,以故障定位型饋線自動(dòng)化為主,少部分具備條件的重要線路采用重合器型饋線自動(dòng)化。由于農(nóng)網(wǎng)區(qū)域主要采用中性點(diǎn)不接地方式,外施信號(hào)型、暫態(tài)錄波型、暫態(tài)特征型故障指示器均能夠適用。由于暫態(tài)錄波型故障指示器對(duì)通信的依賴性較強(qiáng),需要采集故障臨近區(qū)域的波形,上送配電主站進(jìn)行集中判斷,因此對(duì)于無線信號(hào)較強(qiáng)的區(qū)域可采用暫態(tài)錄波型故障指示器。對(duì)于信號(hào)較弱的地方可以在變電站出線加裝外施信號(hào)源,采用外施信號(hào)型故障指示器進(jìn)行故障判斷。為縮小故障定位區(qū)間,增強(qiáng)故障判斷準(zhǔn)確性,對(duì)于長(zhǎng)線路可以在線路中間適當(dāng)部署就地型故障指示器或暫態(tài)特征型遠(yuǎn)傳故障指示器。

    4 結(jié)語

    饋線自動(dòng)化是配電自動(dòng)化的核心部分之一,但目前饋線自動(dòng)化策略種類繁多,適用范圍也存在差異,本文從集中型、就地型和故障定位型饋線自動(dòng)化的基本原理分析入手,從故障處理時(shí)效性、故障判斷可靠性和建設(shè)運(yùn)維成本三個(gè)方面對(duì)各類饋線自動(dòng)化方案進(jìn)行了深入對(duì)比,根據(jù)湖北10 kV配電網(wǎng)的網(wǎng)架和負(fù)荷特點(diǎn)提出了適宜于湖北電網(wǎng)特點(diǎn)的饋線自動(dòng)化部署方案,配電自動(dòng)化的規(guī)劃建設(shè)應(yīng)從設(shè)備選型入手,結(jié)合各供電區(qū)域特點(diǎn)、供電可靠性、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性來制定饋線自動(dòng)化策略,通過饋線自動(dòng)化的設(shè)備部署要求初步確定整體設(shè)備選型方案,再對(duì)部分重要節(jié)點(diǎn)針對(duì)性進(jìn)行配置。

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