配電網(wǎng)多重故障的就地式饋線自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案

陳吉， 鄧素碧， 顧曉棠， 秦雷鳴， 趙吉生

(西門子電力自動(dòng)化有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引 言

隨著配電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，配電網(wǎng)復(fù)雜性日益增加[15]，饋線上發(fā)生多重故障的概率也相應(yīng)提高。目前的就地式饋線自動(dòng)化方案主要針對(duì)單重饋線故障，分段開(kāi)關(guān)和聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的屬性為靜態(tài)識(shí)別。一旦饋線發(fā)生多重故障，即聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)由分位變?yōu)楹衔?，作為分段開(kāi)關(guān)給健全區(qū)域供電，此時(shí)在另一區(qū)域又發(fā)生故障，則當(dāng)前的就地式饋線自動(dòng)化將無(wú)法準(zhǔn)確定位、隔離新的故障。本文提出了一種動(dòng)態(tài)識(shí)別分段開(kāi)關(guān)與聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)屬性的設(shè)計(jì)方案，改進(jìn)了現(xiàn)有的就地式饋線自動(dòng)化，不僅適用于饋線單重故障，也適用于饋線多重故障，提高了就地式饋線自動(dòng)化的準(zhǔn)確性與自動(dòng)化程度。

1 當(dāng)前就地式饋線自動(dòng)化方案

如圖1所示，配電網(wǎng)由A、B兩側(cè)變電站供電，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)H位于分閘狀態(tài)，分隔左右兩側(cè)饋線。CB1、CB2為變電站出口處斷路器，A～D為分段開(kāi)關(guān)，位于合閘狀態(tài)。

圖1 線饋線多重故障示例

在第一分段開(kāi)關(guān)A與第二分段開(kāi)關(guān)B之間發(fā)生永久性故障(故障點(diǎn)如箭頭1所示)。變電站A出口處斷路器CB1在保護(hù)跳閘指令下立即跳閘。分段開(kāi)關(guān)A、B在斷路器CB1跳閘后因失壓分閘。斷路器CB1重合閘后，第一分段開(kāi)關(guān)A單側(cè)有壓，經(jīng)延時(shí)后自動(dòng)合閘。然而，由于故障1為永久性故障，分段開(kāi)關(guān)A合于故障，斷路器CB1再次迅速跳閘。由于分段開(kāi)關(guān)A在故障檢測(cè)時(shí)間內(nèi)再次失壓，分段開(kāi)關(guān)A將再次分閘，并且閉鎖于分閘狀態(tài)。

聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)H由于檢測(cè)到一側(cè)有壓、一側(cè)無(wú)壓，經(jīng)延時(shí)自動(dòng)合閘。第二分段器B有壓合閘，合于永久故障1，導(dǎo)致變電站B出口處斷路器CB2跳閘。分段器B在故障檢測(cè)時(shí)間內(nèi)失壓，故分段器B分閘且閉鎖于分位。

經(jīng)此操作，故障1左右兩側(cè)分段器均閉鎖與分位，將故障隔離。變電站B出口處斷路器重合閘，分段器C、D依次合閘?；謴?fù)供電至聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)H處，因聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)H一側(cè)有壓，一側(cè)無(wú)壓，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)經(jīng)延時(shí)后自動(dòng)合閘。至此，變電站A至分段器A之間線路，與變電站B至分段器B之間線路，均恢復(fù)正常供電，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)H處于常閉狀態(tài)，作為分段開(kāi)關(guān)使用。

假設(shè)若干小時(shí)后，永久故障1尚未檢修排除，分段開(kāi)關(guān)B與聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)H之間又發(fā)生永久故障2。此時(shí)，開(kāi)關(guān)H應(yīng)分閘隔離故障。由于開(kāi)關(guān)H為聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，不具有失壓分閘的特性，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)H繼續(xù)保持合位。最終故障2由分段開(kāi)關(guān)C分閘隔離，導(dǎo)致停電范圍擴(kuò)大。

由此可見(jiàn)，在多重故障發(fā)生的情況下，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的屬性應(yīng)由聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)為分段開(kāi)關(guān)工作。現(xiàn)有的就地式饋線自動(dòng)化功能對(duì)開(kāi)關(guān)的屬性無(wú)法動(dòng)態(tài)判斷，不適應(yīng)于多重故障，無(wú)法準(zhǔn)確隔離故障，造成用戶的停電損失。

2 多重故障的就地式饋線自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)方案

對(duì)于饋線的多重故障，本設(shè)計(jì)方案的核心在于開(kāi)關(guān)屬性的動(dòng)態(tài)判斷。如圖2所示，該設(shè)計(jì)方案分為幾個(gè)模塊：

“地平線2020”主要通過(guò)卓越科學(xué)（Excellent Science）、社會(huì)挑戰(zhàn)（societal challenge）和產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)（Industrial leadership）3個(gè)優(yōu)先領(lǐng)域組織支持項(xiàng)目。在此基礎(chǔ)上，“地平線歐洲”形成新的三大支柱，分別是開(kāi)放科學(xué)（Open Science）、全球挑戰(zhàn)（Global Challenge）和開(kāi)放創(chuàng)新（Open Innovation）；并在三大支柱基礎(chǔ)上，通過(guò)共享卓越科研成果和進(jìn)一步改革、強(qiáng)化歐洲研發(fā)創(chuàng)新生態(tài)，強(qiáng)化歐洲研究區(qū)的建設(shè)。

(1)充電模塊。該模塊用于區(qū)分運(yùn)行模式(Operation Mode)與調(diào)試模式(Commission Mode)。在運(yùn)行模式下，該處開(kāi)關(guān)將根據(jù)開(kāi)關(guān)屬性與電氣特征量，由就地式饋線自動(dòng)化功能自動(dòng)分合閘；在調(diào)試模式下，該處開(kāi)關(guān)僅可進(jìn)行手動(dòng)分合閘，不可進(jìn)行自動(dòng)分合閘。判斷運(yùn)行模式的條件為，當(dāng)開(kāi)關(guān)兩側(cè)電壓均大于有壓門檻值，且有壓時(shí)間超過(guò)有壓延時(shí)，則判斷該處開(kāi)關(guān)充電完成，處于運(yùn)行狀態(tài)，且將充電標(biāo)志位置1；反之，則判斷開(kāi)關(guān)處于調(diào)試狀態(tài)，將充電標(biāo)志位置0。

(2)死線模塊。該模塊處于充電模塊之后，在充電完成后，檢測(cè)到開(kāi)關(guān)兩側(cè)電壓、電流均小于死壓門檻值，則判斷線路失電。這種情況發(fā)生于變電站出口處斷路器因故障跳閘之后。

(3)開(kāi)關(guān)屬性判斷模塊。在判斷線路為死線后，立即進(jìn)入開(kāi)關(guān)屬性判斷模塊。該模塊可由開(kāi)關(guān)當(dāng)前分合位置，直接判斷開(kāi)關(guān)屬性為分段開(kāi)關(guān)或聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)。變電站出口處短路器跳閘后，線路失電，線路上的開(kāi)關(guān)需經(jīng)延時(shí)進(jìn)行自動(dòng)分合閘操作。在延時(shí)結(jié)束前，死線模塊后立即進(jìn)行開(kāi)關(guān)位置判斷，若開(kāi)關(guān)處于合閘位置，則該開(kāi)關(guān)判定為分段開(kāi)關(guān)；若該處開(kāi)關(guān)處于分閘位置，則該開(kāi)關(guān)判定為聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)。

(4)充電復(fù)歸模塊。經(jīng)開(kāi)關(guān)屬性判斷模塊后，開(kāi)關(guān)判定為分段開(kāi)關(guān)或聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，按相應(yīng)屬性進(jìn)行就地式饋線自動(dòng)化操作，最終確定閉鎖與分閘位置或合閘位置。至此，該處開(kāi)關(guān)的操作完成，將充電標(biāo)志位置0，可重新進(jìn)行下一輪開(kāi)關(guān)屬性的動(dòng)態(tài)判斷。

2.2 驗(yàn)證

針對(duì)圖1饋線多重故障示例，開(kāi)關(guān)H屬性在該設(shè)計(jì)方案下可以正確的動(dòng)態(tài)識(shí)別。

1)第一次故障發(fā)生

線路投運(yùn)若干時(shí)間，充電條件滿足，充電標(biāo)志位置1。第一次故障發(fā)生后，變電站A出口處斷路器CB1跳閘，線路失電，滿足失電模塊要求，立即進(jìn)入開(kāi)關(guān)屬性判斷模塊。開(kāi)關(guān)A、B處于合閘位置，判定為分段開(kāi)關(guān)；開(kāi)關(guān)H處于分閘位置，判定為聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)。此后，開(kāi)關(guān)A、B按分段開(kāi)關(guān)進(jìn)行操作；開(kāi)關(guān)H按聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行操作。根據(jù)就地式饋線自動(dòng)化功能，分段開(kāi)關(guān)A、B最終隔離故障，閉鎖與分閘位置；聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)H經(jīng)延時(shí)后自動(dòng)合閘，閉鎖于合位。A、B和H開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)充電標(biāo)志位清除。

2)第二次故障發(fā)生

第二次故障發(fā)生前，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)H閉鎖于合位，D～B段線路由變電站B供電。充電條件滿足，B、C、D與H開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)充電標(biāo)志位置1，可啟動(dòng)動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)屬性判斷。

第二次故障發(fā)生后，變電站B出口處斷路器CB2跳閘，線路D～B段線路失電。B、C、D與H開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)死壓條件滿足，啟動(dòng)開(kāi)關(guān)屬性判斷模塊。開(kāi)關(guān)B、C、D與H均處于合閘狀態(tài)，判定為分段開(kāi)關(guān)，進(jìn)行就地式饋線自動(dòng)化操作，即失壓分閘和有壓合閘操作。依次操作后，分段開(kāi)關(guān)D、C閉合，分段開(kāi)關(guān)H合于故障，在故障檢測(cè)時(shí)間內(nèi)再次失壓，故再次分閘且閉鎖于分閘狀態(tài)。

經(jīng)第一次故障后，開(kāi)關(guān)分合閘狀態(tài)發(fā)生變更，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)H閉合供電，作分段開(kāi)關(guān)使用。在第二次故障發(fā)生時(shí)，原聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)H經(jīng)動(dòng)態(tài)判斷，成功識(shí)別當(dāng)前屬性，第二次故障被準(zhǔn)確定位隔離。

2.3 開(kāi)關(guān)閉鎖

在傳統(tǒng)的就地式饋線自動(dòng)化功能中，分段開(kāi)關(guān)和聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)最終將閉鎖于分閘狀態(tài)與合閘狀態(tài)。在改進(jìn)后的就地式饋線自動(dòng)化設(shè)計(jì)中，開(kāi)關(guān)屬性為動(dòng)態(tài)識(shí)別。如2.2中, 在第一次故障時(shí)，開(kāi)關(guān)H動(dòng)態(tài)識(shí)別為聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，最終閉鎖于合位，以縮小停電范圍。開(kāi)關(guān)H在第二次故障時(shí)，動(dòng)態(tài)識(shí)別為分段開(kāi)關(guān)，需分閘隔離故障，與原指令“閉鎖于合位”矛盾。故在本方設(shè)計(jì)案中，對(duì)于開(kāi)關(guān)閉鎖也做了相應(yīng)變更。若動(dòng)態(tài)識(shí)別的當(dāng)前開(kāi)關(guān)屬性與舊開(kāi)關(guān)屬性不一致，則復(fù)位開(kāi)關(guān)閉鎖，開(kāi)關(guān)可按新指令執(zhí)行分合閘操作。若當(dāng)前開(kāi)關(guān)屬性與舊開(kāi)關(guān)屬性一致，則繼續(xù)保持閉鎖狀態(tài)。

2.4 探討

經(jīng)本方案改進(jìn)后的就地式饋線自動(dòng)化功能，可以成功適應(yīng)于饋線的多重故障，故障定位更為準(zhǔn)確。然而，就地式饋線自動(dòng)化功能依賴于重合器、分段開(kāi)關(guān)與聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)之間的配合。在故障發(fā)生后，需要切除全線電源，再依次嘗試，恢復(fù)供電。判斷故障區(qū)域，隔離故障需要一定的時(shí)間，本方案在這點(diǎn)上并無(wú)顯著提高。

集中式饋線自動(dòng)化利用通訊，將各個(gè)RTU的電氣特征上傳至SCADA計(jì)算系統(tǒng)，效率更高。但考慮到通信網(wǎng)絡(luò)的高昂造價(jià)，就地式饋線自動(dòng)化對(duì)于供電穩(wěn)定性要求一般和價(jià)格敏感的場(chǎng)所，仍具有一定的實(shí)用性。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著配電網(wǎng)復(fù)雜度的增加與自動(dòng)化需求的提高，就地式饋線自動(dòng)化功能要求能準(zhǔn)確定位多重故障，避免擴(kuò)大停電范圍，造成經(jīng)濟(jì)損失。在多重故障發(fā)生時(shí)，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)屬性發(fā)生變化，因首次故障合閘，作分段開(kāi)關(guān)使用，以實(shí)現(xiàn)對(duì)健全區(qū)域的供電；在第二次故障發(fā)生時(shí)，就地式饋線自動(dòng)化功能對(duì)該開(kāi)關(guān)做分段開(kāi)關(guān)處理。當(dāng)前的就地式饋線自動(dòng)化功能僅適用于饋線單重故障，無(wú)法識(shí)別開(kāi)關(guān)屬性的變化。本方案改進(jìn)了現(xiàn)有的就地式饋線自動(dòng)化設(shè)計(jì)，利用充電條件與開(kāi)關(guān)狀態(tài)，動(dòng)態(tài)判斷開(kāi)關(guān)的當(dāng)前屬性，即判斷開(kāi)關(guān)在當(dāng)前時(shí)刻作分段開(kāi)關(guān)使用或作聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)使用，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)多重故障的就地式饋線自動(dòng)化，準(zhǔn)確、及時(shí)隔離故障。

圖2 開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)判斷設(shè)計(jì)方案