智能電網(wǎng)故障的自動化處理技術(shù)

楊 斌，胡真瑜，孫龍祥，柳 昂，林 捷

（1.湖州電力設計院有限公司，浙江 湖州 313000；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000）

0 引 言

當前，人們生產(chǎn)生活對電網(wǎng)技術(shù)的要求越來越高，為了同時保證供電量和供電穩(wěn)定性，研究一套具有高效經(jīng)濟性的電網(wǎng)故障自動處理技術(shù)就顯得非常重要。電力能源屬于應用范圍最廣的二次能源，其對發(fā)展低碳、高效的經(jīng)濟社會有著非常重要的支撐作用。智能電網(wǎng)是現(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展的主要方向，其同時兼具高質(zhì)量、高效率和互動性的特征。智能電網(wǎng)的出現(xiàn)大大提升了輸電線路的穩(wěn)定性和供電企業(yè)的供電質(zhì)量，其中發(fā)揮關鍵作用的是智能電網(wǎng)故障自動化處理技術(shù)。

1 智能電網(wǎng)自動化故障處理技術(shù)基本原理

當前的智能電網(wǎng)自動化故障處理技術(shù)類似于一種實時監(jiān)測，主要依附于信息系統(tǒng)和輔助設備完成。在整個過程中，智能化系統(tǒng)的模擬計算功能可以實時預測潛在的故障，一旦數(shù)據(jù)異常就會發(fā)出提醒，并通過系統(tǒng)分析自行處理可能威脅供電穩(wěn)定性的故障。通常情況下，電網(wǎng)自動化故障處理流程分為以下三個環(huán)節(jié)。一是在出現(xiàn)電網(wǎng)故障的瞬間完成故障開端和清除，在100 ms內(nèi)由繼電保護自動化設備和高壓斷路器完成處理，相比傳統(tǒng)的繼電保護設備處理模式，其在安全性和故障處理效率上更高[1]。供電網(wǎng)發(fā)生故障時，自愈控制技術(shù)能將故障影響降到最低，并迅速恢復供電，不影響居民的正常生活。如圖1所示，自愈控制技術(shù)在不同情況下發(fā)揮不同的作用。傳統(tǒng)的繼電保護設備處理模式有很多限制條件，給電網(wǎng)功能的恢復造成了極大的阻礙，如沒有充分發(fā)揮多開關級聯(lián)優(yōu)勢，會造成繼電保護大面積停電。二是判斷故障起因，快速劃分出故障區(qū)和非故障區(qū)，在故障區(qū)自動運行隔離維護，同時快速恢復非故障區(qū)正常供電。三是在確保供電服務穩(wěn)定后反復排查故障隔離區(qū)，精準地找出故障點所在位置。

2 智能電網(wǎng)故障處理自動化技術(shù)的特征

2.1 自動化功能強，信息化程度高

智能電網(wǎng)的自動化技術(shù)具有強大的監(jiān)視功能，能實時監(jiān)測整個電網(wǎng)的運行狀態(tài)，同時能自主檢測和處理智能電網(wǎng)故障，最大化保證智能電網(wǎng)的供電穩(wěn)定性，實現(xiàn)在最短時間內(nèi)恢復運行。自動化技術(shù)的有效運用在很大程度上取締了人工操作，讓系統(tǒng)運行更加順暢。智能電網(wǎng)的運行狀態(tài)可以通過自動化技術(shù)及時反饋到控制中心，控制中心具有總調(diào)度和總控制的功能，可及時根據(jù)智能電網(wǎng)運行狀態(tài)做出調(diào)整。

圖1 電網(wǎng)的自愈控制范圍

2.2 供電質(zhì)量提高，供電安全性增強

智能電網(wǎng)的自動化故障處理技術(shù)可在第一時間有效檢測電網(wǎng)中的安全隱患，并通過分析建立單獨的故障區(qū)域電網(wǎng)路段，有效控制故障的連帶性發(fā)展，進而阻斷故障大面積蔓延?？焖俅_定故障位置是自動化技術(shù)在完成故障區(qū)隔離后的首要動作，以便針對性地分析出現(xiàn)故障的原因，在降低故障影響的同時保證整個電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

2.3 互動性更優(yōu)化，主動性增強

智能電網(wǎng)自動化故障處理技術(shù)會不斷地從電網(wǎng)運行各個環(huán)節(jié)中收集運行數(shù)據(jù)，經(jīng)過中樞分析后準確預測電網(wǎng)各部位的故障隱患，為后期故障排除工作提供可用信息。除此以外，自動化系統(tǒng)在具有超強主動性的同時還可進行人機互動操作，根據(jù)自動化檢測結(jié)果制定不同的解決方案，被賦予操作權(quán)限的工作人員可選擇性地干預系統(tǒng)運行狀態(tài)。

3 智能電網(wǎng)故障自動化處理技術(shù)

3.1 網(wǎng)絡式保護技術(shù)

網(wǎng)絡式保護技術(shù)大部分都依賴于通信網(wǎng)絡，其大致可分為以下兩種：一是頻繁應用于電網(wǎng)線路上的主從式網(wǎng)絡形式；二是對等式通信網(wǎng)絡形式，這種形式被經(jīng)常應用于變電站的內(nèi)部通信網(wǎng)絡中[2]。前者的信息獲取方式是分別從不同單元向主單元獲取，相對獨立的每個單元之間要建立通信連接必須通過主單元才能實現(xiàn)；后者則可以穿梭于每個單元獲取相應的通信信息。

3.1.1 主從式網(wǎng)絡形式保護技術(shù)

盡管電網(wǎng)各分部結(jié)構(gòu)復雜，但就整體而言其實際上是一個總分結(jié)構(gòu)，主從事網(wǎng)絡管理包括主模塊節(jié)點狀態(tài)和從模塊節(jié)點狀態(tài)，它們通過信號表明自身狀態(tài)，信號定義如表1所示。主從式網(wǎng)絡形式保護技術(shù)應用過程中，每個分部都是相對獨立的小單元。存在于電網(wǎng)中的每個分部都有屬于自己獨立的單元點及相對應的電線線路，且每個分部的電線路上都由很多開關控制，因此在出現(xiàn)故障時可以啟動開工器件的保護功能，圍繞主單元完成通信工作；同時，對有關開關器件的運行狀態(tài)信息進行收集分析，為故障點的確定提供借鑒。一般情況下采用的解決方式是調(diào)整開關器件，如果與故障相距最近的開關元器件出現(xiàn)跳閘，要立刻將相鄰開關轉(zhuǎn)為后備。

表1 節(jié)點中信號定義

3.1.2 對等式網(wǎng)絡形式保護技術(shù)

相比于主從式網(wǎng)絡形式，對等式網(wǎng)絡形式保護技術(shù)在功能性和使用性方面更為突出，但由于其應用成本過高，所以適用范圍較為有限，適用于設備集中、開關器件多、距離不遠的變電站[3]。對等式網(wǎng)絡形式的保護技術(shù)需要建立CAN網(wǎng)，通常都是通過雙絞線完成的，因為CAN網(wǎng)中的所有CAN接口都能與其他接口完成互聯(lián)，這對于傳輸距離很短的情況較為適用，只有雙絞線才能滿足對等式網(wǎng)絡形式保護技術(shù)應用的組網(wǎng)需求；如果傳輸距離較遠，就只能通過CAN光纖發(fā)收設備功能滿足通信可靠性和穩(wěn)定性需要。針對某些對電力穩(wěn)定性要求極高的地段，如住宅小區(qū)和商業(yè)中心，可大范圍地在電纜線路中應用對等式網(wǎng)絡保護技術(shù)。在這樣的電纜應用環(huán)境下，出線開關和分段開關都大多集中在開閉所內(nèi)部，分布集中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，十分適合應用對等式網(wǎng)絡式保護技術(shù)。

3.2 自動定位故障點技術(shù)

在定位故障點技術(shù)方面，傳統(tǒng)方式的精準度并不是很高，且具有適用性局限，通常應用于變電站周圍電路環(huán)境較好的電路段，環(huán)境相對復雜或惡劣的區(qū)段沒有足夠的技術(shù)支撐和經(jīng)濟支撐[4]。調(diào)度控制部的主站是智能電網(wǎng)故障自動定位的中心，監(jiān)測點以此為圓心向各個電線線路上輻射，從而形成一個兼具檢測、通信和定位服務的完整系統(tǒng)。故障指示器和數(shù)據(jù)采集器共同組成了線路上的檢測點，通信交換機、服務器和主站軟件共同組成控制中心主站，復雜的構(gòu)成使其具有定位故障、警示和查詢功能?；谟嬎銠C系統(tǒng)多元化功能開展網(wǎng)絡式分析、故障定位和故障原因分析的故障自動化處理技術(shù)是當前實際應用中最為有效可靠的方式。

3.3 自動隔離和恢復技術(shù)

故障自動化處理技術(shù)具有故障區(qū)隔離功能和非故障區(qū)恢復功能。當前應用于電力系統(tǒng)網(wǎng)中的只有常閉型開關和常開型開關。其中，常閉型開關主要出現(xiàn)在輸電線路上，常開型開關主要出現(xiàn)在變電站和饋線連接中。故障區(qū)自動隔離技術(shù)應用中的重構(gòu)電網(wǎng)網(wǎng)絡，就是基于開關器件來實現(xiàn)的，通過分析開關器件的狀態(tài)，及時調(diào)整饋線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，這種調(diào)整又分為分布式調(diào)整和集中式調(diào)整。

3.3.1 分布式控制

分布式控制也稱就地式控制，其在完成網(wǎng)絡重構(gòu)的過程中主要依靠的是與故障處相距最近的開關器件控制，這樣就可以在沒有電網(wǎng)主站和子站配合的情況下完成網(wǎng)絡重構(gòu)，相比于集中式控制具有更高的便捷性和高效性。電網(wǎng)開關器件性能的不斷優(yōu)化為分布式控制方式的應用奠定了堅實的基礎。分布式控制主要使用以下兩種方式完成網(wǎng)絡重構(gòu)：第一種是利用重合器，第二種是結(jié)合應用分段器和重合器。無論哪種方式，最后的結(jié)果和效果都是一樣的，即在饋線出現(xiàn)嚴重性故障時，饋線電路終端會就近選擇相鄰的電路終端完成故障信息傳輸，讓故障信息在第一時間得到分析和判定，同時結(jié)合電流、電壓等數(shù)據(jù)找到故障點和故障原因，并及時將故障位置信息反饋給電路終端[5]。重合器的工作方式是完成分閘閉鎖后緊跟合閘操作，提升恢復供電的速度。由于分段器不具備斷開短路電流的功能，因此在實際使用過程中需要結(jié)合重合器，兩者功能的配合使用才能充分發(fā)揮自動化功能。

3.3.2 集中式控制

在進行網(wǎng)絡重構(gòu)過程中，不同主體是區(qū)分分布式控制和集中式控制的關鍵?？刂浦行氖羌惺骄W(wǎng)絡控制方式實現(xiàn)網(wǎng)絡重構(gòu)的主要分段，控制中心里的SCADA系統(tǒng)具有收集、分析、處理所有故障信息的功能。通常情況下，這個過程的故障信息傳遞都由FTU負責，借助邏輯系統(tǒng)通道傳到控制中心，控制中心經(jīng)過一系列分析后將結(jié)果數(shù)據(jù)以命令指令的方式向外傳遞，進而恢復非故障區(qū)的供電。這種方式的有效應用對相關設備的條件要求非常高，其最大的優(yōu)勢在于可以高精準施控[6]。

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)修復技術(shù)的應用完全依賴于現(xiàn)場維修人員，通常需要很長時間來確定識別電纜、分步檢測等，而通過智能電網(wǎng)故障自動化處理技術(shù)能快速對故障進行處理。隨著電網(wǎng)通信技術(shù)和自動化技術(shù)的不斷成熟，智能自愈控制技術(shù)水平將不斷提高，一個強大而智能的電網(wǎng)絡將為社會提供更加可靠穩(wěn)定的清潔能源。