油田配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)研究及應(yīng)用

中國(guó)石化勝利石油管理局有限公司電力分公司 杜正旺 李來鴻 張金梅

配網(wǎng)自愈是指利用自動(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，診斷出故障區(qū)間并將故障區(qū)間隔離，自動(dòng)恢復(fù)對(duì)非故障區(qū)間的供電。配電網(wǎng)自愈控制目標(biāo)是：避免故障的發(fā)生；如故障發(fā)生故障后不失去負(fù)荷；以故障后失去部分負(fù)荷為基本控制底線；如發(fā)生電網(wǎng)癱瘓事故則意味著電網(wǎng)自愈控制失敗。要實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的自愈，對(duì)配電網(wǎng)的設(shè)備、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、通信等多個(gè)方面提出更高的要求，簡(jiǎn)單的講，實(shí)現(xiàn)自愈需智能化的一次設(shè)備、靈活可靠的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、先進(jìn)的通信網(wǎng)絡(luò)、智能決策與先進(jìn)控制技術(shù)、自動(dòng)化實(shí)時(shí)軟件處理系統(tǒng)等，而饋線自動(dòng)化是配電網(wǎng)自愈的支撐技術(shù)。

1 油田配電網(wǎng)自動(dòng)化的現(xiàn)狀

勝利油田所轄配電網(wǎng)有6～10kV 配電線路1085條、9656km，點(diǎn)多面廣，易發(fā)生故障和跳閘，對(duì)油井供電影響較大。目前雖然在各個(gè)區(qū)域建立了初步的配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)，但是由于配電自動(dòng)化終端覆蓋率低，配電網(wǎng)自動(dòng)化主站系統(tǒng)功能不完善，變電站綜合自動(dòng)化保護(hù)與配網(wǎng)自動(dòng)化保護(hù)不完全配合，還不能夠一次性將故障隔離與恢復(fù)健全區(qū)域供電進(jìn)行到位，造成非故障區(qū)域的恢復(fù)供電時(shí)間仍較長(zhǎng)，跳閘時(shí)仍對(duì)油井供電影響較大，因此有必要進(jìn)一步提升配網(wǎng)自動(dòng)化應(yīng)用水平。

配電自動(dòng)化終端覆蓋率低。大部分供電管理區(qū)線路自動(dòng)化覆蓋率只有40%左右，與國(guó)家能源局《配電網(wǎng)建設(shè)改造行動(dòng)計(jì)劃（2015-2020年）》規(guī)定的90%的覆蓋率還有很大差距；配網(wǎng)自動(dòng)化主站功能不完善。主站只具有SCADA 功能，DA 功能不完善，GIS 功能和TMR 重要功能都沒有。且目前集中型饋線自動(dòng)化方案對(duì)于故障判斷、隔離及恢復(fù)完全由人來判斷處理，非故障區(qū)段的恢復(fù)供電時(shí)間仍較長(zhǎng)[1]。

配網(wǎng)自動(dòng)化方面的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用較少且不能充分整合。目前國(guó)內(nèi)配網(wǎng)自動(dòng)化已把錄波型故障指示器、小電流接地選線等功能整合到一個(gè)系統(tǒng)里，能更好的進(jìn)行故障判斷和處理。同時(shí)以DMS 配電自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)，融合了EMS 系統(tǒng)量測(cè)信息、用電信息采集系統(tǒng)信息、營(yíng)銷系統(tǒng)信息、配網(wǎng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)信息，打通了各系統(tǒng)間的壁壘實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；在此基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上實(shí)現(xiàn)了基于多源數(shù)據(jù)的主動(dòng)故障研判體系，而油田配電網(wǎng)主站均不具備這些功能，落后于國(guó)內(nèi)的發(fā)展。

2 配電網(wǎng)自愈控制的方式

2.1 基于時(shí)間順序相互配合的就地控制模式

這種供電方式并沒有完全依靠配電機(jī)組和自動(dòng)化的主站，主要是利用開關(guān)設(shè)備相互配合來實(shí)現(xiàn)饋線自動(dòng)化。即可采用一種具有就地切斷控制隔離功能的各線路自動(dòng)切斷重合器和自動(dòng)分段器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力配電線路設(shè)備在各線路中一旦發(fā)生電源故障時(shí)的自動(dòng)切斷隔離及及時(shí)恢復(fù)電源供電。就地檢測(cè)控制系統(tǒng)中的自動(dòng)饋線檢測(cè)自動(dòng)化按照所有的檢測(cè)所得到的饋線電氣源和物理元件質(zhì)量的大小差異，又通常可依次劃分為饋線電流計(jì)數(shù)型和具有時(shí)間性的電壓測(cè)量計(jì)數(shù)型。

電流型電壓解決辦法方案廣泛指分別采用電流重合器、過程直流電壓脈沖型和計(jì)數(shù)型等多種分段器互相配套，以自動(dòng)檢查每個(gè)饋線的實(shí)時(shí)電流電壓作為技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)其電流進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)視、保護(hù)；實(shí)時(shí)電壓型電流解決辦法方案是在兩種基礎(chǔ)上分別采用了電流重合器及時(shí)-過流電壓型兩種分段器互相配套，以自動(dòng)檢查每個(gè)饋線的實(shí)時(shí)電壓電流作為技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)其電壓進(jìn)行了自動(dòng)控制及進(jìn)行保護(hù)。

2.2 基于配電自動(dòng)化主站的集中控制方式

主要是通過自動(dòng)化地安裝一個(gè)配電終端來監(jiān)控所有設(shè)備，并在現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)搭建可靠有效的無線通訊網(wǎng)絡(luò)把監(jiān)控終端和一個(gè)由配電互聯(lián)網(wǎng)控制中心(scada)系統(tǒng)緊密地聯(lián)接起來，再配以相關(guān)的處理軟件所構(gòu)成的高性能系統(tǒng)。正常使用情況下，遠(yuǎn)方饋線可實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)視遠(yuǎn)方饋線自動(dòng)開關(guān)的實(shí)際工作運(yùn)行狀態(tài)和遠(yuǎn)方饋線的工作電流、電壓等波動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)線路自動(dòng)開關(guān)遠(yuǎn)方饋線合閘和近地分閘的實(shí)時(shí)操作，在開關(guān)發(fā)生特定故障時(shí)，通過遠(yuǎn)方饋線傳感器自動(dòng)獲取特定故障發(fā)生數(shù)據(jù)源并進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，并自動(dòng)分析判別和判斷隔離遠(yuǎn)方饋線的特定故障發(fā)生區(qū)段，以及自動(dòng)恢復(fù)向非特定故障地段的區(qū)域開關(guān)提供電源供電[2]。

2.3 基于分布式智能終端的就地控制方式

智能線路分布式安全故障保護(hù)控制系統(tǒng)主要采用了對(duì)等式中斷通信終端網(wǎng)絡(luò)，發(fā)生開關(guān)故障時(shí)，線路上的開關(guān)智能機(jī)與分布式通信終端相互進(jìn)行通信，收集并得到與其他線路相鄰的中斷開關(guān)發(fā)生故障相同中斷位置的開關(guān)信息，分析數(shù)據(jù)定位后可得出開關(guān)故障相同的開關(guān)具體位置，進(jìn)而自動(dòng)控制與開關(guān)故障相同的中斷開關(guān)并使接入點(diǎn)最近的開關(guān)隔離中斷開關(guān)防止跳閘。智能就地分布式監(jiān)控終端就地時(shí)間監(jiān)測(cè)技術(shù)是采用了全新的就地時(shí)間監(jiān)測(cè)技術(shù)配合故障管理技術(shù)思路，能盡可能減少就地時(shí)間監(jiān)測(cè)系統(tǒng)受到各種故障事件影響的主要使用者以及群體，并有效率地避免了在各種傳統(tǒng)就地時(shí)間監(jiān)測(cè)中因就地時(shí)間監(jiān)測(cè)測(cè)量電流與就地時(shí)間測(cè)量級(jí)差的正確配合而導(dǎo)致出現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)困難。

3 適合油田配網(wǎng)自愈控制方式的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵與測(cè)試

3.1 適合油田配網(wǎng)自愈控制方式的設(shè)計(jì)

分段器/重合器方案不利用信道交換信息，動(dòng)作效率不高，多次重合閘對(duì)電網(wǎng)沖擊大；集中故障控制處理模式故障處理依賴主站、依賴通道，處理時(shí)間長(zhǎng)、系統(tǒng)可靠性低；智能分布式保護(hù)采用對(duì)等式的通信網(wǎng)絡(luò)，有無比的優(yōu)越性，但其依賴光纖和5G 可靠的通信，在通信方面需要很高的投資，高昂的投資是油田無法承受的。原有的配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)存在著各種各樣的弊端，不適用于油田電網(wǎng)現(xiàn)狀。為提高供電可靠性、保障原油生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)管理智能化，快速實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段隔離，故對(duì)配電網(wǎng)自愈智能分布式保護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，提出一種適應(yīng)油田配電網(wǎng)的自愈方式。

這種自愈方式利用LORA 無線通信技術(shù)研發(fā)具有避免上級(jí)保護(hù)誤動(dòng)的無線遠(yuǎn)傳閉鎖裝置，主要通過采集FTU 的保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，將FTU 跳閘回路中串入閉鎖裝置節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)線路故障的二次判斷，當(dāng)最末一級(jí)FTU 檢測(cè)到故障電流動(dòng)作時(shí)，會(huì)將這一動(dòng)作信號(hào)以無線方式傳到其上級(jí)FTU，對(duì)上級(jí)開關(guān)跳閘回路實(shí)現(xiàn)保護(hù)閉鎖，確保有故障電流流過的最末一級(jí)開關(guān)跳閘，上級(jí)其它開關(guān)均已被閉鎖，因此不會(huì)越級(jí)跳閘，實(shí)現(xiàn)選擇并切除故障，可有效解決配電網(wǎng)上下級(jí)的保護(hù)配合問題。

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，每一級(jí)斷路器所在線路上配置有相互通訊接連的一個(gè)FTU 設(shè)備及一個(gè)DTU 設(shè)備；其中DTU 設(shè)備中包括有保護(hù)閉鎖主控單元，以及分別與保護(hù)閉鎖主控單元相連接的LORA 通訊模塊、至少一組的FTU 閉鎖控制模塊、串口測(cè)試單元、RS232通訊單元；LORA 通訊模塊由射頻控制開關(guān)、無線發(fā)射模塊、無線接收模塊以及IPEX 天線座構(gòu)成。這種防誤動(dòng)閉鎖裝置將lora 無線通訊技術(shù)應(yīng)用于配網(wǎng)自動(dòng)化保護(hù)中，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)的過流、速斷保護(hù)，準(zhǔn)確選擇了故障段跳閘、并防止了非故障部分的誤跳，具有良好的應(yīng)用前景及廣闊的市場(chǎng)價(jià)值。

3.2 油田配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵

要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成上級(jí)開關(guān)的跳閘閉鎖和末端有故障電流流過開關(guān)的跳閘。從FTU 接收到保護(hù)觸發(fā)信號(hào)到上級(jí)FTU 接收到保護(hù)閉鎖信號(hào)不超過80毫秒，同時(shí)120ms 以內(nèi)通過LORA 通訊判斷故障發(fā)生的準(zhǔn)確線路段并完成相應(yīng)開關(guān)的跳閘。此外，需安裝閉鎖裝置的線路上所有FTU 的速斷和過流定值調(diào)整為0時(shí)限，變電站出口的過流及速斷保護(hù)時(shí)限調(diào)整為0.2s 以上；組網(wǎng)及遠(yuǎn)程維護(hù)狀態(tài)下根據(jù)自適應(yīng)邏輯自動(dòng)切換頻率方式，解決通訊頻段干擾問題，確保附近節(jié)點(diǎn)同時(shí)工作互不干擾；解決遠(yuǎn)程調(diào)試維護(hù)問題，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程配置參數(shù)和狀態(tài)診斷。

3.3 油田配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)測(cè)試

主要涉及射頻無線通訊信號(hào)質(zhì)量測(cè)試、4G 無線通訊信號(hào)質(zhì)量測(cè)試、分合閘信號(hào)檢測(cè)及保護(hù)閉鎖動(dòng)作測(cè)試、保護(hù)閉鎖遠(yuǎn)程啟停測(cè)試、保護(hù)閉鎖遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置測(cè)試等內(nèi)容。

通過在相鄰級(jí)FTU 裝置安裝位置放置保護(hù)閉鎖通訊模塊，發(fā)送指令并讀取返回值（信號(hào)頻率、速率、強(qiáng)度）來獲取兩級(jí)間的信號(hào)質(zhì)量；在每個(gè)FTU裝置安裝位置使用工控機(jī)連接保護(hù)閉鎖裝置獲取運(yùn)營(yíng)商4G 網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)及信號(hào)質(zhì)量；模擬FTU 故障跳閘信號(hào)輸入，保護(hù)閉鎖立即檢測(cè)到分閘信號(hào)將分閘動(dòng)作閉鎖，同時(shí)啟動(dòng)延時(shí)分閘任務(wù)。若在40ms時(shí)間內(nèi)接收到其下級(jí)保護(hù)閉鎖上傳的閉鎖信號(hào)則判定為非本級(jí)故障，保持本次閉鎖操作直到分閘信號(hào)消失；若40ms 超時(shí)時(shí)間已到還未收到下級(jí)保護(hù)閉鎖的信號(hào)則判定為本級(jí)故障，啟動(dòng)分閘操作使FTU動(dòng)作。

模擬故障發(fā)生時(shí)的保護(hù)閉鎖裝置通過4G 網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)，監(jiān)控平臺(tái)檢測(cè)信息，包括保護(hù)閉鎖的本級(jí)地址及其上級(jí)地址、在整條線路所處等級(jí)[3]、工作模式（保護(hù)閉鎖模式、重合閘模式、不啟用模式）、超時(shí)時(shí)間、無線頻率、無線信號(hào)強(qiáng)度、平時(shí)運(yùn)行心跳故障次數(shù)、下發(fā)信號(hào)時(shí)長(zhǎng)、接收信號(hào)時(shí)長(zhǎng)、啟動(dòng)分閘操作時(shí)長(zhǎng)；通過4G 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)發(fā)送測(cè)試信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置根據(jù)指令可靠停用和恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)；通過4G 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)遠(yuǎn)程檢測(cè)運(yùn)行狀態(tài)信息，包括及歷史故障日志、異常日志等，并及時(shí)返回成功確認(rèn)信息；通過4G 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)遠(yuǎn)程下發(fā)頻率、速率等參數(shù)的設(shè)置指令并返回接收確認(rèn)信息，裝置能準(zhǔn)確更改及時(shí)返回設(shè)置成功確認(rèn)信息，通過裝置打印輸出本地驗(yàn)證準(zhǔn)確無誤。

綜上，該研究首次將LORA 無線通訊用于配網(wǎng)自動(dòng)化保護(hù)，尤其用于電力配網(wǎng)線路FTU 保護(hù)間的選擇性配合，這在國(guó)內(nèi)也是首創(chuàng)，與傳統(tǒng)光纜通訊的高成本相比節(jié)省了大量資金。該技術(shù)借鑒了對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)保護(hù)下智能保護(hù)算法及閉鎖邏輯，并將其簡(jiǎn)化為故障閉鎖信號(hào)的傳輸，大大提高了故障判斷效率，降低了對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴[4]，且很好地解決了集中故障控制處理模式和就地故障控制處理模式必須先跳閘、后判斷故障的問題，實(shí)現(xiàn)了不停電狀態(tài)下的故障判斷及隔離，有效解決配電網(wǎng)上下級(jí)的保護(hù)配合問題，防止非故障部分的誤跳，適合勝利油田配電網(wǎng)的應(yīng)用，具有很大的應(yīng)用和推廣價(jià)值。