基于先進(jìn)FTU的智能配電網(wǎng)面保護(hù)研究

洪亮, 陳旸, 余浩斌, 傅彬, 連鴻波,王承民

(1.國網(wǎng)福建省電力公司福州供電公司，福州350100；2.國網(wǎng)上海市電力公司松江供電公司，上海201600；3.上海交通大學(xué)，上海 200240)

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)信息化的快速發(fā)展，對配電網(wǎng)運(yùn)行管理水平以及自動化程度的要求也越來越高?！?·14美加大停電”使全世界對電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行引起了高度的關(guān)注。

配電網(wǎng)監(jiān)控和保護(hù)的改進(jìn)是提高配電網(wǎng)供電安全可靠運(yùn)行的重要手段之一[1-4]?；谟嬎銠C(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的配網(wǎng)饋線自動化系統(tǒng)和基于配電自動化開關(guān)設(shè)備相互配合的饋線自動化系統(tǒng)是目前廣泛應(yīng)用的兩種配電網(wǎng)監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)。但前者需將各終端裝置采集到的故障信息上傳到配網(wǎng)自動化中心的主站，主站經(jīng)過判斷分析后進(jìn)行遙控開關(guān)操作以實(shí)現(xiàn)對故障的隔離，這種處理方式延長了故障處理時間，并且對配網(wǎng)自動化中心的通信網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)有較高要求。后者則利用多次重合閘來實(shí)現(xiàn)對故障的隔離和非故障區(qū)域的恢復(fù)送電，多次重合行為對電氣設(shè)備有較大的沖擊[5-6]。

本世紀(jì)初期配網(wǎng)自動化系統(tǒng)逐漸向分布式智能處理方式發(fā)展，成為一種新的技術(shù)方向[7-8]。在目前分布式電源大量滲透和通信網(wǎng)絡(luò)高密度覆蓋的背景下，針對饋線終端裝置(Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU)的研究開發(fā)也愈發(fā)成熟[9-10]，功能也較以前有很大提高。文中以先進(jìn)FTU為硬件基礎(chǔ)，提出一種基于面保護(hù)的智能配電網(wǎng)故障診斷與自愈系統(tǒng)。面保護(hù)方式是針對于傳統(tǒng)的點(diǎn)保護(hù)方式而言的，是一種先進(jìn)的全線速動性分布式智能故障處理模式，這種方式是通過完整的通信網(wǎng)絡(luò)和安裝于室外電氣開關(guān)上的配電終端來實(shí)現(xiàn)的。通過實(shí)際應(yīng)用案例表明，所提出的基于先進(jìn)FTU的面保護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)故障快速定位與隔離和非故障區(qū)的供電快速恢復(fù)。

1 基于先進(jìn)FTU的面保護(hù)系統(tǒng)

1.1 智能配電網(wǎng)故障診斷與自愈架構(gòu)

智能配電網(wǎng)一般采用閉環(huán)設(shè)計開環(huán)運(yùn)行，利用聯(lián)絡(luò)開關(guān)將不同配電母線連接起來，如圖1中的橢圓形框所示，每一條母線上會有若干個分段開關(guān)，如圖1中的矩形方框所示。不論是分段開關(guān)還是聯(lián)絡(luò)開關(guān)均配置有先進(jìn)FTU。

圖1 智能配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)圖

為了實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)的故障診斷和自愈功能，智能配電網(wǎng)故障診斷和自修復(fù)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示設(shè)計，每個FTU與相鄰FTU處于互惠關(guān)系(相鄰的FTU是指受控單元之間的電氣連接)，而主站之間的一些FTU和智能配電網(wǎng)絡(luò)可以通信。

僅在相鄰FTU之間進(jìn)行通信而不是任意FTU之間進(jìn)行通信的原因在于，短時間內(nèi)，通常認(rèn)為只有處于相鄰電氣關(guān)系的設(shè)備的信息(正常操作或故障)會對彼此的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生影響。如果許多FTU相互之間都進(jìn)行通信，則需要增加FTU存儲容量，并勢必會影響FTU的處理速度。為此，無論從科學(xué)，經(jīng)濟(jì)和效率的考慮來看，只有相互之間的FTU溝通是明智之舉。

智能分布網(wǎng)絡(luò)主站設(shè)計的出發(fā)點(diǎn)在于預(yù)測一些由于輕微故障引起的互鎖故障，并及時隔離故障區(qū)域，同時對于管理層級而言，便于在不同電網(wǎng)管理級別調(diào)用響應(yīng)的信息。

只有部分FTU和智能配電網(wǎng)主機(jī)通信的原因，一方面可歸結(jié)為即使是部分FTU和智能電網(wǎng)主站的通信同樣可以實(shí)現(xiàn)讓主站獲取整個網(wǎng)絡(luò)所有信息的目的；另一方面在于簡潔不繁瑣的設(shè)計，這將提高整個保護(hù)架構(gòu)的安全性和可靠性。

在智能配電網(wǎng)中，F(xiàn)TU常用的通信方式有光纖通信、無線擴(kuò)頻通信和GPRS通信。目前應(yīng)用最廣泛的是光纖通信方式。三種通訊方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)。光纖通信的傳輸容量大，抗干擾能力強(qiáng)，但敷設(shè)困難，通信設(shè)備以及設(shè)備維護(hù)費(fèi)用較高。擴(kuò)頻通信的抗干擾能力強(qiáng)、誤碼率低、發(fā)射功率小，但繞射能力差，信號易受傳輸?shù)挠绊憽PRS通信的建設(shè)費(fèi)低、組網(wǎng)靈活、不受環(huán)境距離和規(guī)模的限制，通信范圍廣，但傳輸速度和實(shí)時性較光纖通信差。

圖2 智能配電網(wǎng)故障診斷與自愈架構(gòu)

1.2 先進(jìn)FTU的功能要求

為了實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)面保護(hù)功能，每個開關(guān)上的FTU需要具備相應(yīng)的功能，總的來說包括以下五個方面：(1)采集流過開關(guān)的保護(hù)電流I和開關(guān)兩側(cè)的電壓U；(2)能夠測量流過開關(guān)的潮流方向，將潮流流入開關(guān)的方向稱為“入端”，流出開關(guān)的方向一端稱為“出端”;(3)能夠與相連的FTU相互通信，且通信時耗短；(4)能夠進(jìn)行自動重合閘；(5)可以進(jìn)行電流參考值、電壓參考值以及延時時間的整定。

2 面保護(hù)故障處理原理

基于先進(jìn)FTU的智能配電網(wǎng)面保護(hù)的功能是實(shí)現(xiàn)對故障的快速定位與隔離以及供電恢復(fù)。為此，根據(jù)FTU檢測到的電壓電流信息如何確定故障地點(diǎn)，以及如何快速隔離故障并恢復(fù)可恢復(fù)區(qū)域供電是面保護(hù)功能的具體內(nèi)容。本節(jié)從故障定位、故障隔離、故障恢復(fù)等層面來闡述故障診斷與自愈系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。

2.1 故障定位方法

智能配電網(wǎng)中發(fā)生最多的是單相接地故障和三相短路故障，當(dāng)然也不排除兩相短路和各種斷路故障等。故障定位的目的在于為該區(qū)域智能配電網(wǎng)管理中心提供故障處的具體信息，以防在無法通過自動重合閘消除故障的情況下，方便檢修人員及時到達(dá)故障地點(diǎn)進(jìn)行故障修復(fù)。

以如圖3所示的饋線結(jié)構(gòu)圖說明短路故障定位的算法原理。圖3中所示的配電網(wǎng)共有7個開關(guān)，每個開關(guān)均配置一個先進(jìn)FTU，開關(guān)2與3之間發(fā)生短路故障，流過開關(guān)1和2的電流將比正常運(yùn)行情況下要大，而流過開關(guān)3、4、5、6、7的電流將變?yōu)?。智能配電網(wǎng)根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行方式可以整定一個短路電流臨界值Ie，若有開關(guān)的電流超過這個值，說明配電網(wǎng)發(fā)生了短路故障。

圖3 饋線短路結(jié)構(gòu)圖

從以上分析可以看出故障線路兩端的開關(guān)的電流值相差甚大，即：

|Im-In|>Ie

(1)

式中Im為FTUm檢測到的電流，In為開關(guān)FTUn檢測到的電流，且FTUm和FTUn相連。

若某相連FTU檢測到的電流滿足式(1)，那么饋線mn發(fā)生了短路故障。

以如圖4所示的饋線結(jié)構(gòu)圖說明斷路故障定位的算法原理。

圖4 饋線斷路結(jié)構(gòu)圖

若開關(guān)2和3之間發(fā)生斷線故障，那么開關(guān)3、4和5將失壓，其他開關(guān)處均能夠正常運(yùn)行，維持在正常電壓，所以不難看出若饋線mn間發(fā)生了斷路故障，那么,有：

|Um-Un|>kUN

(2)

式中Um為開關(guān)m處的電壓；Un為開關(guān)n處的電壓；UN為額定電壓；k為靈敏度系數(shù)。

總結(jié)以上，開關(guān)m和n之間發(fā)生故障的判據(jù)在于：其兩端的電流差或者電壓差超過FTU的整定值。

2.2 故障隔離方法

故障隔離是針對短路故障而言的，通過開關(guān)的分合閘將故障區(qū)域分離出去，保證非故障區(qū)域能夠正常的供電。相鄰開關(guān)的FTU之間通過相互發(fā)送消息來決定開關(guān)的操作。

對于每個FTU而言，根據(jù)其檢測到的功率信息得到該線路的功率流動方向。當(dāng)智能配電網(wǎng)故障發(fā)生時，若FTU采集到的電流值I大于系統(tǒng)給定的最大電流值Ie，說明發(fā)生了過流故障。FTU立即向其入端方向相鄰的FTU發(fā)送跳閘閉鎖命令，向其出端方向相鄰的FTU發(fā)送跳閘命令。

為了準(zhǔn)確并快速的切除故障，相鄰FTU之間采用相互通信閉鎖的協(xié)調(diào)方式。若某個FTU檢測到過流故障且收到跳閘閉鎖命令，那么該開關(guān)保持合閘；若某個FTU檢測到過流故障且沒有收到跳閘閉鎖命令，那么該開關(guān)跳閘；若某個FTU沒有檢測到過流故障但接到了跳閘命令，那么該開關(guān)跳閘。

2.3 故障恢復(fù)方法

當(dāng)故障隔離后，智能配電網(wǎng)要進(jìn)行故障恢復(fù)，我們知道，電力系統(tǒng)很多故障都是瞬時性的，為此如1.2節(jié)所述，先進(jìn)FTU應(yīng)具有自動重合閘功能。

故障恢復(fù)的方法分為兩個步驟，第一步是故障隔離后進(jìn)行一次自動重合閘，若故障消除，那么就恢復(fù)了正常的供電；若FTU仍然檢測到過流或者過零故障，那么進(jìn)行第二步。第二步是采用閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)的方式恢復(fù)部分或者全部失電用戶，聯(lián)絡(luò)開關(guān)的FTU檢測開關(guān)兩側(cè)的電壓，若有一側(cè)電壓正常，另一側(cè)電壓失壓，那么說明聯(lián)絡(luò)開關(guān)的一側(cè)的供電是正常的，另一側(cè)已發(fā)生故障。以圖5為例，若開關(guān)1和2之間發(fā)生故障，而母線2側(cè)供電正常，此時聯(lián)絡(luò)開關(guān)7合閘可以恢復(fù)部分負(fù)荷的供電；若開關(guān)3和7之間發(fā)生故障，此時開關(guān)7會收到分閘命令，不能閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)7。第二步總的來說是通過判斷聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩邊的電壓，若只有一側(cè)失壓且沒有收到分閘命令，那么可以通過閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)來恢復(fù)部分負(fù)荷的供電。

圖5 饋線聯(lián)絡(luò)圖

從自動重合閘和閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)這兩步可以看出他們存在一定的時間差，第二步操作執(zhí)行時間與第一步執(zhí)行時間可以設(shè)定一個適宜的延時整定時間。

3 仿真分析

將基于先進(jìn)FTU的配電網(wǎng)面保護(hù)原理應(yīng)用于上海松江配電網(wǎng)中，成功地進(jìn)行了測試以檢驗(yàn)其可行性。在松江110 kV萊陰變電中，選擇兩個串接的、具有環(huán)網(wǎng)供電能力的兩個開關(guān)站進(jìn)行測試與應(yīng)用，如圖6和圖7所示。

圖6 西郊百麗1號開關(guān)站電系接線圖

圖7 西郊百麗2號開關(guān)站電系接線圖

試驗(yàn)配網(wǎng)的簡化測試線路圖如圖8所示，并選取104、202、204、205安裝先進(jìn)FTU進(jìn)行功能測試，其中205為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，其它均為進(jìn)出線開關(guān)。

圖8 測試線路圖

分別模擬故障發(fā)生在站與站之間(104與202之間)、站內(nèi)(202與204之間)和204出線端，試驗(yàn)結(jié)果如下：

(1)故障點(diǎn)發(fā)生在104與202之間。

線路正常運(yùn)行時，104、202、204 FTU檢測到的電流值為300 A左右。當(dāng)104 FTU檢測到的電流為980 A，大于FTU的電流整定值，而202、204 FTU檢測到的電流為零時，判斷故障發(fā)生在104與202之間。104 FTU分別向其入端相鄰的102 FTU發(fā)送跳閘閉鎖命令，向其出口相鄰的202 FTU發(fā)送跳閘命令。故障整定時間到達(dá)后(0～100 ms可設(shè))，104 FTU自身檢測到過流信息，同時并未收到其它FTU發(fā)來的命令，綜合信息判斷104 FTU驅(qū)動開關(guān)跳閘；202 FTU僅收到104 FTU發(fā)來的跳閘命令，綜合信息判斷202 FTU驅(qū)動開關(guān)跳閘，故障被快速隔離。經(jīng)過一定時間延時后(延時時間可整定)，104、202 FTU發(fā)送重合閘命令驅(qū)動相應(yīng)開關(guān)合閘。如果104、202、204 FTU在重合閘整定時間內(nèi)檢測到的電流值恢復(fù)到正常時的300 A左右，則為瞬時性故障，重合閘成功，線路恢復(fù)正常；如果沒有，則為永久性故障，重合閘失敗，104、202將再次跳閘。

(2)故障點(diǎn)發(fā)生在202與204之間。

線路正常運(yùn)行時，104、202、204 FTU檢測到的電流值為300 A左右。當(dāng)104FTU檢測到的電流為940 A，202 FTU檢測到的電流為931 A，大于FTU的電流整定值，而204 FTU檢測到的電流為零時，判斷故障發(fā)生在202與204之間。104 FTU向102 FTU發(fā)送跳閘閉鎖命令，向202 FTU發(fā)送跳閘命令；202 FTU向104 FTU發(fā)送跳閘閉鎖命令，向204、205 FTU發(fā)送跳閘命令。在故障整定時間到達(dá)后(0～100 ms可設(shè))，104自身檢測到過流信息，同時收到202 FTU發(fā)來的跳閘閉鎖命令，綜合信息判斷104開關(guān)仍保持合閘狀態(tài)；202自身檢測到過流信息，同時收到104 FTU發(fā)來的跳閘命令，因此202 FTU驅(qū)動開關(guān)跳閘；204 FTU僅收到202發(fā)來的跳閘命令，因此204FTU驅(qū)動開關(guān)跳閘；聯(lián)絡(luò)開關(guān)205僅收到202發(fā)來的跳閘命令，綜合信息判斷仍然保持分閘狀態(tài)，故障被隔離。經(jīng)過一定時間延時(延時時間可整定)，202，204 FTU發(fā)送重合閘命令驅(qū)動相應(yīng)開關(guān)合閘，如果104、202、204 FTU在重合閘整定時間內(nèi)檢測到的電流值恢復(fù)到正常時的300 A左右，則為瞬時性故障，重合閘成功，線路恢復(fù)正常；如果沒有，則為永久性故障，重合閘失敗，202、204將再次跳閘。

(3)故障點(diǎn)發(fā)生在204出線端。

線路正常運(yùn)行時，104、202、204FTU檢測到的電流值為300 A左右。當(dāng)104FTU檢測到的電流為850 A，202 FTU檢測到的電流為845A，204FTU檢測到的電流為836 A，大于FTU的電流整定值，判斷故障發(fā)生在204的出線端。104 FTU向102 FTU發(fā)送跳閘閉鎖命令，向202 FTU發(fā)送跳閘命令；202 FTU向104 FTU發(fā)送跳閘閉鎖命令，向204、205 FTU發(fā)送跳閘命令；204 FTU向202、205 FTU發(fā)送跳閘閉鎖命令。在故障整定時間到達(dá)后(0～100 ms可設(shè))，104自身檢測到過流信息，同時收到202 FTU發(fā)來的跳閘閉鎖命令，綜合信息判斷104開關(guān)仍保持合閘狀態(tài)；202自身檢測到過流信息，同時收到104 FTU發(fā)來的分閘命令和204 FTU發(fā)來的跳閘閉鎖命令，綜合信息判斷202開關(guān)仍保持合閘狀態(tài)；204檢測到自身過流信息，同時收到202 FTU發(fā)來的跳閘命令，因此204 FTU驅(qū)動開關(guān)跳閘；出線端故障被隔離，經(jīng)過一定時間延時(延時時間可整定)，204 FTU發(fā)送重合閘命令驅(qū)動相應(yīng)開關(guān)合閘，如果104、202、204 FTU在重合閘整定時間內(nèi)檢測到的電流值恢復(fù)到正常時的300 A左右，則為瞬時性故障，重合閘成功，線路恢復(fù)正常；如果沒有，則為永久性故障，重合閘失敗，204再次跳閘。

上述結(jié)果表明，本文設(shè)計的面保護(hù)方案能夠?qū)崿F(xiàn)在故障時刻可靠地、有選擇性地進(jìn)行動作，將故障切除并保證非故障區(qū)快速恢復(fù)供電的電網(wǎng)保護(hù)功能。

4 結(jié)束語

實(shí)現(xiàn)故障隔離和恢復(fù)非故障區(qū)域送電是實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，是提升配電網(wǎng)可靠性的核心技術(shù)。基于先進(jìn)FTU設(shè)備，本文首先介紹了相鄰FTU(相鄰FTU的判斷原則是FTU所控單元之間存在著電氣連接)之間的通信以及部分FTU與配電網(wǎng)主站間的通信，而后基于此，設(shè)計了一種新型的保護(hù)邏輯算法和整體架構(gòu)。該面保護(hù)系統(tǒng)在一定程度上克服了傳統(tǒng)配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中故障處理緩慢、非故障區(qū)停電、開關(guān)設(shè)備損耗大等缺點(diǎn)。經(jīng)過實(shí)際測試驗(yàn)證，所提系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對故障的快速隔離和非故障區(qū)域的快速恢復(fù)送電，且在近后備保護(hù)拒動的情況下，上級開關(guān)會可靠動作，隔離故障，能夠很好地應(yīng)用于智能配電網(wǎng)中。