配電網(wǎng)故障主動防御方案與應用

胡 波，陳艷彪，李建修，王勝飛，胡李進

（1.珠海許繼芝電網(wǎng)自動化有限公司，廣東 珠海519000；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南250000）

為進一步提升配電網(wǎng)故障防御能力，盡可能壓降變電站跳閘，縮小停電感知范圍，實現(xiàn)由“跳全線，定區(qū)段”到“跳本地，定地點”的新跨越，在現(xiàn)有配電自動化基礎(chǔ)上，借助成套智能柱上開斷設備及繼電保護的級差配合，通過與現(xiàn)有配電自動化系統(tǒng)間融合互動，實現(xiàn)快速就地隔離故障，恢復非故障區(qū)域供電，有效縮短配電線路故障停電范圍、縮短故障點定位及事故處理時間，進一步提高配電網(wǎng)的供電可靠性與配電網(wǎng)的精益運營水平。

1 總體思路

推進配電網(wǎng)保護與配電自動化融合，推廣“出線開關(guān)+分段或分支首端開關(guān)+分界開關(guān)”三級保護配合模式，“站內(nèi)選線+站外選段”單相接地故障處理模式，提升配電網(wǎng)故障防御能力，實現(xiàn)“用戶故障不出戶，線路故障不進站”，故障“就近判斷，就地處理”。

遵循“控增減存、統(tǒng)籌推進”的基本原則，增量設備嚴把入網(wǎng)檢測、功能配置、中性點接地方式等技術(shù)要求，存量設備改造按“一站一案”“一線一案”要求統(tǒng)籌推進、差異實施；堅持“試點先行、逐步推廣”的有效做法，積極開展新技術(shù)、新功能的試點應用，全面推廣經(jīng)試點證明有效地技術(shù)；聚焦“減小停電范圍、縮短停電時間”的工作主線，細化故障自愈研究，加強配網(wǎng)保護與配電自動化的功能配合。

2 基本原則

2.1 同步建設原則

新建線路應同步實施配電網(wǎng)保護與配電自動化，與配電一次網(wǎng)架“同步規(guī)劃、同步建設、同步投運”。

2.2 有機融合原則

配電網(wǎng)保護改造應與現(xiàn)有配電網(wǎng)設備現(xiàn)狀及饋線自動化模式協(xié)調(diào)配合，逐步過渡，原有設備更換后應充分利用，杜絕大拆大建。

2.3 就地處理原則

饋線自動化及配電網(wǎng)保護故障處理，應堅持就地處理原則，依靠現(xiàn)場設備實現(xiàn)故障的隔離，恢復。盡量減輕對配電自動化系統(tǒng)、通信的依賴。

2.4 簡單實用原則

配電網(wǎng)三級保護，應綜合考慮線路運行狀況、可靠性需求，堅持簡單實用原則，在必要性強的大分支線覆蓋斷路器保護，實現(xiàn)投資成效最大化。

3 故障防御提升模式

3.1 饋線自動化+三級保護

融合模式，適用于存量線路改造。基于目前配電線路柱上分段開關(guān)主要為集中型負荷開關(guān)、電壓型負荷開關(guān)現(xiàn)狀，綜合考慮投資能力及設備改造工作量，短期內(nèi)采取主干線集中型、電壓型饋線自動化功能，在線路故障高的大分支線進行新裝或更換智能型斷路器方式，實現(xiàn)“出線開關(guān)+大分支開關(guān)+（分界/熔斷器）開關(guān)”形成三級保護配合，如圖1所示。

圖1 饋線自動化+三級保護融合模式

3.1.1 相間短路故障處理

故障點位于主干線或未安裝斷路器的分支線。故障發(fā)生后，變電站出口斷路器跳閘，線路通過集中型或電壓型饋線自動化功能，實現(xiàn)故障處理。

故障點位于已安裝斷路器的分支線。故障發(fā)生后，站內(nèi)開關(guān)不動作，分支斷路器跳閘。瞬時性故障，跳閘后一次重合閘，恢復線路供電。永久性故障，跳閘后重合于故障點，經(jīng)后加速閉鎖，隔離故障區(qū)域。

故障點位于用戶設備。故障發(fā)生后，安裝于用戶T節(jié)點的分界開關(guān)跳閘或熔斷器熔斷動作，直接隔離用戶故障。站內(nèi)開關(guān)及分支斷路器不動作，不影響線路正常供電。

3.1.2 接地故障處理

故障點位于主干線或未安裝斷路器的分支線。故障發(fā)生后，站內(nèi)小電流選線裝置動作，選定單相接地故障線路。線路暫態(tài)型故障錄波指示器動作，判斷主干線接地區(qū)間。由調(diào)度根據(jù)選線結(jié)果，進行故障隔離處理。

故障點位于已安裝斷路器的分支線。故障發(fā)生后，斷路器判斷故障位置，可發(fā)生告警信息，調(diào)度部門根據(jù)小電流選線裝置選線結(jié)果及分支斷路器告警信息，縮小故障區(qū)間，進行故障隔離處理。也可實現(xiàn)單相接地故障，分支線直接告警/跳閘。

故障點位于用戶設備。安裝有用戶分界負荷開關(guān)或分界斷路器的用戶內(nèi)部接地故障，故障發(fā)生后，由開關(guān)直接跳閘，切除用戶接地故障。僅安裝熔斷器設備的，由站內(nèi)小電流選線裝置、錄波型故障指示器、分支斷路器進行單相故障處理。

3.2 電壓電流型全斷路器模式

適合增量新建線路，柱上分段開關(guān)、分支開關(guān)，全部選用一二次融合柱上成套斷路器，具備相間及接地故障檢測能力，配置兩段式相過流保護、零序保護及重合閘功能，保護動作信息應上傳配電自動化系統(tǒng)并啟動FA，如圖2所示。

圖2 電壓電流型全斷路器模式

3.2.1 相間短路故障處理

主干線短路處理方案一：自適應重合閘模式。定值設定：站內(nèi)開關(guān)速斷0.4s，主干線分段開關(guān)均為0.2s。故障點位于主干線，故障發(fā)生后，故障點在K1時，故障由站內(nèi)出線開關(guān)處理；故障點在K2、K3、K4區(qū)段時，線路首臺開關(guān)Q1跳閘，Q2、Q開關(guān)失壓分閘，Q1開關(guān)1s重合閘，Q2、Q3斷路器逐級合閘，當合閘在短路故障區(qū)段時，后加速跳閘故障上游非故障區(qū)域恢復供電；同時短路故障下游故障的斷路器瞬時電壓閉鎖，聯(lián)絡開關(guān)合閘轉(zhuǎn)供恢復故障下游非故障區(qū)域的供電，當故障與聯(lián)絡開關(guān)相鄰的K4點故障時，聯(lián)絡開關(guān)閉合閘。若是瞬時性故障，變電站重合后，線路分段斷路器來電即合恢復線路供電。

主干線短路處理方案二：級差保護模式（適用于輻射網(wǎng)，能就近切除故障）。定值設定：站內(nèi)開關(guān)速斷0.4s，主干線首臺分段開關(guān)Q1為延時0.2s，分段開關(guān)Q2延時0.1s，分段開關(guān)Q3延時s。故障點位于主干線，故障發(fā)生后，故障點在K1時，故障由站內(nèi)出線開關(guān)處理；故障點在K2時，線路首臺開關(guān)Q1跳閘；故障點在K3時，分段開關(guān)Q2跳閘；故障點在K4時，分段開關(guān)Q3跳閘。

故障點位于已安裝斷路器的分支線。故障發(fā)生后，站內(nèi)開關(guān)及線路分段開關(guān)不動作，分支斷路器跳閘。瞬時性故障，跳閘后一次重合閘，恢復線路供電。永久性故障，跳閘后重合于故障點，經(jīng)后加速閉鎖，隔離故障區(qū)域。

故障點位于用戶設備。故障發(fā)生后，安裝于用戶T節(jié)點的分界開關(guān)跳閘或熔斷器熔斷動作，直接隔離用戶故障。站內(nèi)開關(guān)、分段斷路器及分支斷路器不動作，不影響線路正常供電。

3.2.2 接地故障處理

故障點位于主干線或未安裝斷路器的分支線故障發(fā)生后，站內(nèi)小電流選線裝置動作，選定單相接地故障線路。由調(diào)度根據(jù)選線結(jié)果，進行故障隔離處理。同時，主干線分段開關(guān)采用自適應選段當主干線發(fā)生接故障時，分段開關(guān)告警（分閘）；具備分閘功能。

故障點位于已安裝斷路器的分支線。故障發(fā)生后，斷路器判斷故障位置，可發(fā)生告警信息，調(diào)度部門根據(jù)小電流選線裝置選線結(jié)果及分支斷路器告警信息，縮小故障區(qū)間，進行故障隔離處理。也可實現(xiàn)單相接地故障，分支線直接跳閘功能。

故障點位于用戶設備。安裝有用戶分界負荷開關(guān)或分界斷路器的用戶內(nèi)部接地故障，故障發(fā)生后，由開關(guān)直接跳閘，切除用戶接地故障。僅安裝熔斷器設備的，由站內(nèi)小電流選線裝置、錄波型故障指示器、分支斷路器進行單相故障處理。

4 建設改造原則

4.1 變電站設備建設原則

站內(nèi)10kV保護裝置，更改速斷保護時限，具備0.2s級差。

站內(nèi)小電流選線裝置，逐步改造為選用暫態(tài)錄波算法的新型選線裝置，提升選線準確性。

消弧線圈容量可實現(xiàn)變電站10kV母線最大規(guī)劃電容電流可靠過補償?shù)淖冸娬?，仍采用中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式。

4.2 新建線路保護建設原則

配電線路出線開關(guān)+首臺分段開關(guān)+大分支（分界/熔斷器）開關(guān)形成三級保護模式建設，保護信息接入配電自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)故障信息告警。

架空線路柱上開關(guān)應全部選用一二次融合成套柱上斷路器，具備相間過流保護功能；分段、聯(lián)絡及大分支線的柱上斷路器還應具備基于暫態(tài)量算法的單相接地故障處理功能。

主干線短路和接地故障，通過分段開關(guān)逐級合閘后加速/零序電壓突變隔離；接地故障通過分段開關(guān)告警，運維人員到現(xiàn)場確認故障，再處理。

所有用戶T節(jié)點位置應有熔斷器或分界斷路器保護措施。

4.3 存量線路保護改造原則

存量線路應以現(xiàn)有設備現(xiàn)狀及饋線自動化模式為基礎(chǔ)，逐步改造。全線停電檢修線路，應結(jié)合停電同步完成保護化改造。

存量線路，應以線路故障高的大分支線、或末端分段開關(guān)加裝或更換斷路器為主方式改造，保留現(xiàn)有主干線集中型、電壓型饋線自動化功能不變，實現(xiàn)“出線開關(guān)+首臺分段開關(guān)+大分支（分界/熔斷器）開關(guān)形成”三級保護模式。

存量線路改造時，更換調(diào)整的電壓型負荷開關(guān)，可調(diào)整至大分支線中間適當位置，實現(xiàn)分支線電壓型饋線自動化功能。

存量線路改造時，應避免新上斷路器開關(guān)與傳統(tǒng)普通型斷路器開關(guān)串聯(lián)使用，原有線路運行正常的普通型斷路器開關(guān)，可向線路末端分支位置優(yōu)化調(diào)整。

現(xiàn)有用戶分界負荷開關(guān)，保持現(xiàn)狀不變。所有用戶T節(jié)點位置應有熔斷器或分界斷路器保護措施。

4.4 設備選型原則

分段、聯(lián)絡開關(guān)，選用一二次成套柱上斷路器（戶外），配置雙側(cè)TV，具有相間短路、接地故障自動判別處理和“三遙”及遠方改定值等功能，滿足加密認證等安全防護要求，具備錄波功能及線損計量功能。

分支開關(guān)，選用一二次成套柱上斷路器（分界），配置單側(cè)TV，內(nèi)置EVT、相/零序電流互感器具有相間短路、接地故障自動化判別處理功能。

用戶分界開關(guān)，優(yōu)先選用一二次成套柱上斷路器（分界），配置單側(cè)TV，內(nèi)置相/零序電流互感器具有相間短路、接地故障自動化判別處理功能。也可選用普通柱上斷路器及二遙動作型配電終端，但投運前應完成整體調(diào)試，滿足保護功能及安全防護要求。

4.5 定值整定原則

短路定值：變電站速斷時間為0.4s；主干線分段開關(guān)速斷時間均為0.2s；首臺分段開關(guān)速斷時間為均為0s，具備一次重合閘功能，分段開關(guān)均具備后加速功能。

接地定值：接地站內(nèi)接地告警、分段首臺（30s）、大分支首臺（20s）、分界（10s）。

5 配電自動化系統(tǒng)提升

配電自動化系統(tǒng)FA功能，應適應“饋線自動化+三級保護”、“電流型”全斷路器、“電壓電流型全斷路器”模式，對短路故障精確定位、單相接地故障精確定段策略進行優(yōu)化升級，實現(xiàn)故障精準定位，非故障區(qū)域快速復電。

主干線發(fā)生短路故障時，原有饋線自動化FA處理模式不變。支線發(fā)生短路故障時，采用就地化三級保護處理模式，配電自動化系統(tǒng)啟動FA模式。即啟動FA策略由站內(nèi)向站外延伸，長線路中后部的斷路器、長支線首端斷路器均可啟動FA。

線路A區(qū)發(fā)生接地時，由變電站出線開關(guān)進行選線，分段開關(guān)區(qū)間發(fā)生接地時，由站內(nèi)進行選線，分段開關(guān)選段，配電自動化系統(tǒng)啟動FA。

變電站采集選線裝置的信息，同時采集分段開關(guān)接地信息，進行比較，判斷是否選線準確，并進行接地告警。

優(yōu)化FA啟動功能，完善智能推斷故障（可疑故障）功能。實現(xiàn)在變電站或開關(guān)分閘信息漏丟、收到保護信號，但未收到分閘信號、收到分閘信號，但未收到保護信號、保護信號與分閘信號都收到的情況下，但時限未配合上等異常情況，配電自動化系統(tǒng)實現(xiàn)智能啟動FA（根據(jù)變電站或自動化終端上送的保護信號，遙測突變數(shù)據(jù)進行智能分析，利用線路拓撲對關(guān)聯(lián)事件進行聚類分析），以支撐調(diào)度員提升故障監(jiān)控能力和FA處理及時率和成功率。

6 新技術(shù)探索應用

6.1 推廣配電物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用

研究推廣配電物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，推動配電自動化應用向低壓配電網(wǎng)延伸，實現(xiàn)中低壓故障一體化研判與互補分析。一方面，通過局放、溫度等異常狀態(tài)，指導主動運維消缺，避免引起故障停電；另一方面，當上級主供電源停電時，通過邊緣計算啟動快切策略，ms級內(nèi)完成備用電源的切換，讓用戶側(cè)絲毫感受不到停電；另外，通過剩余電流動作保護器開關(guān)泄漏電流的實時監(jiān)測，主動向用戶提醒戶內(nèi)線路、電器的安全隱患，可實現(xiàn)主動向用戶告知超容量用電引起的開關(guān)過載跳閘風險，可最大化的解決了用戶“停電”痛點。

6.2 基于5G的智能分布式故障處理

應用優(yōu)質(zhì)一二次融合物聯(lián)網(wǎng)環(huán)網(wǎng)柜成套設備，利用5G通信技術(shù)，建設電纜網(wǎng)智能分布FA，將5G通信技術(shù)與就地式智能分布式饋線自動化相結(jié)合解決設備之間互聯(lián)互通問題，實現(xiàn)事前故障主動感知、事中故障ms級快速隔離，不依賴配電自動化系統(tǒng)、動作可靠、處理迅速，加快故障處理速度，實現(xiàn)ms級故障自愈，切實提高配電網(wǎng)的智能化數(shù)字化運行水平。

6.3 探索單相接地故障主動防御

一般來說，饋線發(fā)生單相接地故障后，將引起同母線跨線異相電壓升高，加重薄弱環(huán)節(jié)的絕緣損壞程度，從而引發(fā)新的故障。

探索單相接地故障主動防御，將配電線路區(qū)間分為3態(tài)（正常態(tài)、異常態(tài)、故障態(tài)），配電自動化系統(tǒng)運行中接收故障線路同母線全部配電終端上送接地電阻信號，通過調(diào)用單相接地故障處理專家?guī)炫c多維數(shù)據(jù)庫，綜合研判線路風險點并預警，對線路故障隱患早發(fā)現(xiàn)早消缺，實現(xiàn)故障主動防御。

7 結(jié)束語

配電網(wǎng)故障防御能力提升工作，通過對增量線路成套設備的使用、存量線路設備的升級改造，推廣“配網(wǎng)三級保護+主干線饋線自動化模式”，實現(xiàn)主干線短路接地故障的處理，分支線用戶的故障就地快速處理，盡可能降低變電站跳閘次數(shù)，縮小停電感知范圍，實現(xiàn)快速就地隔離故障，恢復非故障區(qū)域供電進一步提高配電網(wǎng)的供電可靠性與配電網(wǎng)的精益運營水平，增強用戶用戶的獲得感與幸福感。