智能分布式FAFAFAA測(cè)試分析及解決措施

潘建兵，王勝利，曹 蓓，徐在德，劉 洋，黃 慧

（1.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司南昌供電分公司，江西 南昌 330006；3.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司上饒供電分公司，江西 上饒 334000）

0 引言

配電自動(dòng)化是利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)，將配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備、用戶以及地理圖形等信息進(jìn)行集成，構(gòu)成完整的自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控及管理的自動(dòng)化、信息化[1]。饋線自動(dòng)化（Feeder Automation，簡(jiǎn)稱FA）是利用自動(dòng)化裝置或系統(tǒng)，監(jiān)視配電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)故障，進(jìn)行故障定位、隔離和恢復(fù)對(duì)非故障區(qū)域的供電。FA實(shí)現(xiàn)模式主要有就地式、集中式與分布式三種類型。就地式FA技術(shù)主要是基于重合器-分段器相互配合就地實(shí)現(xiàn)饋線故障區(qū)段定位、隔離與非故障區(qū)段的供電恢復(fù)，包括電壓-時(shí)間型、電壓-電流-時(shí)間型、自適應(yīng)綜合型，它不需要主（子）站控制，不需要通信通道，投資小、易于實(shí)現(xiàn)，主要用于對(duì)供電質(zhì)量要求不是太高、且沒有通信條件的城郊或農(nóng)村架空線路，但需要多次重合，對(duì)系統(tǒng)形成多次沖擊、引起電壓驟降[2-3]。集中式FA技術(shù)通過工業(yè)以太網(wǎng)、EPON光纖網(wǎng)或GPRS無線通信等完善的通信手段，將饋線終端檢測(cè)的故障信息上傳到配電自動(dòng)化主站（或子站），主站根據(jù)饋線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和預(yù)設(shè)算法對(duì)故障信息進(jìn)行分析，并判斷出故障區(qū)域，發(fā)出控制命令，實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段定位、隔離與供電恢復(fù)操作，是目前城市配網(wǎng)中應(yīng)用較多的FA供電模式[4]。分布式FA是通過配電終端之間相互對(duì)等通信實(shí)現(xiàn)饋線的故障快速定位、隔離和非故障區(qū)域自動(dòng)恢復(fù)供電的功能，并將處理過程及結(jié)果上報(bào)配電自動(dòng)化主站，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障區(qū)段毫秒級(jí)定位，秒級(jí)快速隔離，非故障區(qū)域數(shù)秒內(nèi)供電恢復(fù)[5]。文獻(xiàn)[6]提出一種基于GOOSE的快速自愈的分布智能FA系統(tǒng)，建立配電網(wǎng)分區(qū)模型，論述開環(huán)運(yùn)行配電網(wǎng)和閉環(huán)運(yùn)行配電網(wǎng)的分布式FA機(jī)制，加快故障處理速度。

本文分析了分布式FA邏輯功能及動(dòng)作過程，搭建實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平臺(tái)，模擬開關(guān)正常、拒動(dòng)、誤動(dòng)、通訊中斷等運(yùn)行工況，測(cè)試FA系統(tǒng)邏輯是否正確，針對(duì)測(cè)試發(fā)現(xiàn)問題提出相對(duì)應(yīng)的整改措施，提高設(shè)備投運(yùn)前的功能可靠性，減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作量。

1 分布式FA系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

分布式FA系統(tǒng)是由智能終端、對(duì)等通信系統(tǒng)、配電自動(dòng)化主站構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。智能終端是分布式FA系統(tǒng)的核心設(shè)備，完成饋線數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制、短路故障檢測(cè)、分布式智能控制、相互對(duì)等通信等功能。

對(duì)等通信系統(tǒng)連接配電主站和分散饋線上的智能終端，實(shí)現(xiàn)終端與主站、終端與終端之間相互雙向通信。配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，對(duì)等通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)上送終端采集信息、下達(dá)主站控制命令，實(shí)現(xiàn)三遙功能；配電網(wǎng)故障時(shí)，保障終端之間的對(duì)等通信，實(shí)現(xiàn)就地故障隔離、非故障區(qū)恢復(fù)供電，并將分布式FA故障處理過程及結(jié)果上傳到配電主站。

圖1 FA系統(tǒng)構(gòu)成圖

配電自動(dòng)化主站采集并處理來自智能終端的配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，向智能終端設(shè)置或修改整定值，提供配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控界面、完成多種高級(jí)應(yīng)用。對(duì)于分布式FA系統(tǒng)，配電自動(dòng)化主站不直接參與分布式故障處理過程，只負(fù)責(zé)接收處理結(jié)果，只有當(dāng)分布式FA處理失敗后，主站才參與故障處理。

1.2 工作原理

1.2.1 動(dòng)作邏輯原理

分布式FA的故障定位，主要通過檢測(cè)故障區(qū)段兩側(cè)短路電流、接地故障的特征差異，從而定位故障發(fā)生在對(duì)應(yīng)區(qū)段。

速動(dòng)型分布式FA，在故障定位完成后，在變電站饋線保護(hù)動(dòng)作之前隔離相應(yīng)故障區(qū)段，隨后判斷聯(lián)絡(luò)電源轉(zhuǎn)供條件滿足與否，若滿足，合上聯(lián)絡(luò)開關(guān)完成非故障停電區(qū)域的供電恢復(fù)。

緩動(dòng)型分布式FA，在故障定位完成后，在變電站饋線保護(hù)動(dòng)作切除故障之后，經(jīng)延時(shí)隔離相應(yīng)故障區(qū)段，隨后判斷聯(lián)絡(luò)電源轉(zhuǎn)供條件滿足與否，若滿足，合上聯(lián)絡(luò)開關(guān)完成非故障停電區(qū)域的供電恢復(fù)。

1.2.2 短路故障處理

以速動(dòng)型分布式FA、架空電纜混合線路為例，見圖2。圖中CB1、CB2為出口斷路器，F(xiàn)S1~FS8為配電架空線及環(huán)網(wǎng)柜斷路器，LSW1為聯(lián)絡(luò)開關(guān)。若故障發(fā)生在FS2FS3FS5之間，F(xiàn)S2開關(guān)通過與FS1FS3FS5的配電終端通信，判斷出故障發(fā)生在FS2FS3FS5之間，F(xiàn)S2、FS3和FS5跳閘，故障點(diǎn)隔離成功。故障點(diǎn)隔離成功后，合閘聯(lián)絡(luò)開關(guān)LSW1，

圖2 分布式FA處理過程

1.2.3 分布式FA相間故障上下游判斷及處理

分布式FA的處理過程主要包括FA啟動(dòng)、故障定位及隔離、FA結(jié)束等步驟。在故障發(fā)生后，所有FTU根據(jù)自身故障信號(hào)、其他站點(diǎn)故障信息，判斷故障區(qū)間上下游開關(guān)，根據(jù)設(shè)定的動(dòng)作模式進(jìn)行故障定位及隔離，見圖3。

圖3 分布式FA區(qū)間判別

2 測(cè)試平臺(tái)搭建

2.1 測(cè)試方法

配電自動(dòng)化故障處理性能測(cè)試主要包括主站注入式、二次同步注入測(cè)試法及主站、主站與二次同步注入。主站注入測(cè)試直接給終端注入故障信息，可模擬不同工況下的故障，但僅能驗(yàn)證配電自動(dòng)化系統(tǒng)主站饋線自動(dòng)化功能。二次同步注入測(cè)試法采用故障模擬發(fā)生器同在FTU或DTU終端注入故障電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)FA故障處理性能測(cè)試。本文將采用二次同步注入測(cè)試法該分布式FA進(jìn)行功能測(cè)試。

2.2 測(cè)試線路等效圖

為最大程度的還原線路實(shí)際運(yùn)行情況，通過等效圖的方式構(gòu)建線路測(cè)試圖。以某線為例，其線路主干線有三個(gè)分段開關(guān)、一個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)、12個(gè)分支開關(guān)，等效圖見圖4，分支開關(guān)位置可根據(jù)線路故障點(diǎn)位置而變動(dòng)。

圖4 等效圖

2.3 系統(tǒng)框圖

測(cè)試系統(tǒng)包括模擬主站、通信系統(tǒng)、模擬同步故障發(fā)生器、FTU，模擬主站控制模擬同步發(fā)生器，通信系統(tǒng)串聯(lián)終端FTU與模擬主站，模擬同步故障發(fā)生器輸出故障電流及電壓、模擬開關(guān)，測(cè)試框圖見圖5

圖5 測(cè)試系統(tǒng)框圖

2.4 測(cè)試流程

模擬主站根據(jù)故障類型下發(fā)測(cè)試參數(shù)（見圖6），通信設(shè)備負(fù)責(zé)傳輸指令，模擬同步故障發(fā)生器響應(yīng)指令輸出故障電流及電壓，F(xiàn)TU根據(jù)檢測(cè)的故障電流啟動(dòng)FA功能，隔離故障區(qū)段，并上送FA動(dòng)作情況，圖7為整個(gè)流程圖。

圖6 模擬測(cè)試主站

圖7 測(cè)試流程示意圖

2.5 測(cè)試平臺(tái)

由于FTU連接的電流信號(hào)為電壓值（600/1 V），而模擬同步故障發(fā)生器無法直接將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，因此，在模擬同步故障發(fā)生器與FTU之間添加一個(gè)電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)（精度為0.5級(jí)），其物理測(cè)試接線見圖8。

圖8 測(cè)試平臺(tái)連接示意圖

3 測(cè)試內(nèi)容

3.1 不同運(yùn)行工況測(cè)試

為驗(yàn)證分布式FA系統(tǒng)在不同運(yùn)行工況下的處理能力，設(shè)置開關(guān)拒動(dòng)、開關(guān)誤動(dòng)、故障前通信中斷、故障處理過程中中斷等異常工況，具體見表1，不同工況下的動(dòng)作結(jié)果見圖9。

表1 運(yùn)行工況設(shè)置及測(cè)試方法

圖9 不同運(yùn)行工況下分布式FA處理結(jié)果

3.2 故障點(diǎn)設(shè)置

圖4（c）為等效測(cè)試圖，通過設(shè)置不同故障位置與限值（電流值及時(shí)間值），測(cè)試FA邏輯功能的準(zhǔn)確性，故障設(shè)置如下：

1）模擬電源線路出口發(fā)生過流故障，故障點(diǎn)位于CB和D1開關(guān)之間。

2）模擬主干線發(fā)生過流故障，故障點(diǎn)位于D1開關(guān)和D2開關(guān)之間。

3）模擬主干線發(fā)生過流故障，故障點(diǎn)位于D2開關(guān)和D3開關(guān)之間。

4）模擬線路聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)段發(fā)生過流故障，故障點(diǎn)位于D3開關(guān)和L1開關(guān)之間。

5）模擬線路供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（L1為分段開關(guān)、CB2為聯(lián)絡(luò)開關(guān)），故障點(diǎn)位于D3開關(guān)和L4開關(guān)之間。

為驗(yàn)證分布式FA故障隔離區(qū)域的開關(guān)動(dòng)作是否正確、隔離時(shí)間是否滿足設(shè)計(jì)要求，記錄正常及異常情況分別開關(guān)分位狀態(tài)、FA啟動(dòng)時(shí)間、FA閉鎖時(shí)間。

4 問題分析及解決措施

通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)通信、故障隔離時(shí)間、閉鎖信號(hào)不準(zhǔn)確等六個(gè)問題，針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題，給出相對(duì)應(yīng)的解決措施。

4.1 通信問題

問題描述：在D2與D3之間設(shè)置故障點(diǎn)，F(xiàn)A功能閉鎖，變電站開關(guān)CB1跳閘。

原因分析：分布式FA采用EPON通信模式，終端通過ONU上傳信息，各ONU之間的數(shù)據(jù)交換須經(jīng)過OLT，即ONU上行至OLT，再由OLT下行至其他的ONU。終端采用GOOSE協(xié)議傳送保護(hù)報(bào)文。通過排查發(fā)現(xiàn)OLT設(shè)備無法捕獲解析ONU上傳的GOOSE報(bào)文，導(dǎo)致各開關(guān)無法識(shí)別相鄰開關(guān)故障信號(hào)，F(xiàn)A功能閉鎖。

圖10 EPON通信模式

解決措施：1）通信廠家對(duì)OLT設(shè)備通信協(xié)議進(jìn)行二次開發(fā)或更換設(shè)備，以便能夠識(shí)別及解析GOOSE報(bào)文，完成ONU設(shè)備之間的通信；2）終端廠家更換通信協(xié)議，以明文形式上傳報(bào)文。

采用方案：綜合考慮時(shí)間及成本因素，最終采用工業(yè)以太網(wǎng)通信方式，工業(yè)交換機(jī)替換ONU設(shè)備，終端仍采用GOOSE協(xié)議傳送保護(hù)報(bào)文。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的收發(fā)模塊分開，需要2根光纖，現(xiàn)場(chǎng)施工需4根光纖形成一個(gè)環(huán)路。

4.2 故障隔離時(shí)間超限

問題描述：終端之間通信采用工業(yè)交換機(jī)方式，在D2與D3之間設(shè)置故障點(diǎn)，F(xiàn)A啟動(dòng)，變電站開關(guān)CB1跳閘，F(xiàn)A隔離不成功。

原因分析：分布式FA隔離故障理論動(dòng)作時(shí)間包括故障等待時(shí)間、策略生成時(shí)間、遙控出口時(shí)間、遙信反饋時(shí)間、開關(guān)分閘時(shí)間，策略生成包括通信時(shí)間、邏輯判斷、遙信等待延時(shí)時(shí)間（多次比對(duì)相鄰開關(guān)故障報(bào)文，確保收到相關(guān)聯(lián)開關(guān)信息）、策略輸出。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)FA過程時(shí)間分布見圖11。

圖11 EPON通信模式

由圖11數(shù)據(jù)可知，F(xiàn)A隔離時(shí)間為820 ms，大于變電站開關(guān)600 ms，變電站開關(guān)動(dòng)作正確。

解決措施：在保證FA功能100%可靠動(dòng)作情況下，盡可能縮短遙信延時(shí)等待時(shí)間。測(cè)試不同遙信延時(shí)等待時(shí)間情況下開關(guān)動(dòng)作情況，如表2所示。

表2 不同遙信延時(shí)等待時(shí)間下測(cè)試動(dòng)作情況

由表2數(shù)據(jù)可知，時(shí)間設(shè)置40 ms，F(xiàn)A均能可靠動(dòng)作，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，推薦遙信等待延時(shí)時(shí)間由500 ms優(yōu)化為50 ms。

4.3 瞬時(shí)故障無法識(shí)別

問題描述：D2-D3之間發(fā)生的故障為瞬時(shí)性故障，D2、D3分閘，無法區(qū)分瞬時(shí)性與永久性故障。

原因分析：FA故障隔離程序未考慮瞬時(shí)性故障類型，且將瞬時(shí)故障按照永久性故障類型處理，導(dǎo)致FA功能無法有效的處理瞬時(shí)性故障。

解決建議：完善FA故障處理程序，故障點(diǎn)上游開關(guān)配置一次重合閘，有效的躲避瞬時(shí)性故障。

4.4 閉鎖SOE信號(hào)不準(zhǔn)確

問題描述：在D2-D3發(fā)生故障，D2開關(guān)發(fā)生拒動(dòng)，D2開關(guān)發(fā)生拒動(dòng)及FA閉鎖信號(hào)并將信息上傳至主站；D3開關(guān)發(fā)生拒動(dòng)，D3開關(guān)不發(fā)送拒動(dòng)而引起閉鎖信號(hào)。

原因分析：開關(guān)拒動(dòng)閉鎖信號(hào)程序只針對(duì)故障點(diǎn)上游開關(guān)（D1/D2），未針對(duì)下游隔離開關(guān)（D3）發(fā)閉鎖信號(hào)。

解決措施：增加下游開關(guān)拒動(dòng)閉鎖信號(hào)上送主站功能。

4.5 異常工況處理功能不完備

問題描述：D2-D3區(qū)間發(fā)生故障，D2開關(guān)發(fā)生拒動(dòng)，故障由變電站開關(guān)CB1間接隔離。

原因分析：FA故障隔離程序未考慮故障擴(kuò)大范圍處理，F(xiàn)A直接閉鎖。

解決建議：按照開關(guān)相鄰屬性特點(diǎn)，由故障區(qū)域上游開關(guān)的上一級(jí)開關(guān)（D1）間接隔離故障。

表3 不同供應(yīng)商、不同保護(hù)情況下分閘時(shí)間

表3為不同供應(yīng)商在不同保護(hù)情況下分閘時(shí)間，數(shù)據(jù)表明彈簧操作機(jī)構(gòu)開關(guān)分閘時(shí)間（整套動(dòng)作時(shí)間）平均為64.9 ms，最大為85 ms、最小為40 ms，不超過90 ms。

由表2及表3數(shù)據(jù)可知，F(xiàn)A從啟動(dòng)到結(jié)束時(shí)間最大不超過187 ms，若FA考慮擴(kuò)大，整個(gè)故障隔離時(shí)間約為580 ms?？紤]開關(guān)慢分或拒分時(shí)間一般不超過150 ms，優(yōu)化后的隔離時(shí)間可縮短至530 ms，具體時(shí)間見表4。由表4數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化后的時(shí)間滿足擴(kuò)大范圍處理時(shí)限要求。

表4 隔離時(shí)間對(duì)比

4.6 故障信號(hào)燈指示不合理

問題描述：故障發(fā)生在D2-D3之間，F(xiàn)A啟動(dòng)隔離故障，流過故障電流的D1/D2故障運(yùn)行燈亮。

原因分析：FTU設(shè)備故障指示燈點(diǎn)燈邏輯不完善，未考慮現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維工況。

解決措施：完善故障及非故障區(qū)域FTU故障警示燈狀態(tài)。

5 結(jié)語

本文通過搭建物理仿真平臺(tái)，對(duì)FA系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，檢驗(yàn)FA系統(tǒng)在通信中斷、開關(guān)拒動(dòng)、開關(guān)誤動(dòng)干擾情況下FA動(dòng)作邏輯的正確性與可靠性，針對(duì)測(cè)試發(fā)現(xiàn)的問題提供了對(duì)應(yīng)的解決措施，有效的避免了通信設(shè)備不支持GOOSE協(xié)議問題將導(dǎo)致整個(gè)FA不啟動(dòng)而失效，隔離時(shí)間設(shè)置問題將導(dǎo)致FA功能失效而擴(kuò)大停電范圍等問題，減少設(shè)備安裝投運(yùn)前的調(diào)試工作量，在一定程度上推進(jìn)了配電自動(dòng)化的實(shí)用化。

參考文獻(xiàn)：

[1]李天友，金文龍，徐丙垠.配電技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社，2008.

[2]劉健，程紅麗，李啟瑞.重合器與電壓-電流型開關(guān)配合的饋線自動(dòng)化[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27（22）∶68-71.

[3]劉健，張偉，程紅麗.重合器和電壓-時(shí)間型分段器配合的饋線自動(dòng)化系統(tǒng)的參數(shù)整定[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（16）∶45-49.

[4]郭舉修.配電網(wǎng)故障定位與隔離問題的研究[D].山東大學(xué)，2004.

[5]劉健，趙樹仁，贠保記，等.分布智能型饋線自動(dòng)化系統(tǒng)快速自愈技術(shù)及可靠性保障措施機(jī)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35（17）∶67-71.

[6]凌萬水，劉東，路一鳴，等.基于圧IEC61850的智能分布式饋線自動(dòng)化模型[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36（6）∶90-95.