基于暫態(tài)錄波型故障指示器的配電網(wǎng)故障事前管控應(yīng)用研究

國(guó)網(wǎng)北京通州供電公司 閆承山 劉德坤 錢(qián)葉牛 張 楠 郭 琦 張鵬程 趙 薇 張國(guó)瑞

隨著通州城市副中心建設(shè)推進(jìn)，通州城區(qū)規(guī)模不斷擴(kuò)大，通州區(qū)域用電需求也不斷增加。通州地區(qū)配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜，配電線路的故障數(shù)也同比處于歷史高位，已經(jīng)成為影響通州公司供電可靠性的重要因素之一。通州公司傳統(tǒng)的配電網(wǎng)搶修多為被動(dòng)式搶修，依靠人力逐步排查線路故障點(diǎn)，成本高、效率低下，亟需改善。配電網(wǎng)的自動(dòng)化建設(shè)全面提升了通州地區(qū)的配電網(wǎng)管理水平，將配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，特別是故障信息與實(shí)際線路相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了故障搶修快速準(zhǔn)確，從技術(shù)層面上保障配電網(wǎng)的穩(wěn)定性運(yùn)行。

國(guó)家電網(wǎng)公司提出以公司“十三五”配網(wǎng)規(guī)劃為依據(jù)，全面推進(jìn)配電自動(dòng)化建設(shè)，提高配電網(wǎng)供電可靠性、供電質(zhì)量和效率效益。配電自動(dòng)化建設(shè)的推進(jìn)，在技術(shù)層面有多種方式可選擇，如開(kāi)展一二次設(shè)備融合、推廣智能配變終端、就地型饋線自動(dòng)化的應(yīng)用以及配電線路故障指示器的應(yīng)用等。其中，配電線路故障指示器成本最低、功能豐富、安裝便捷且無(wú)需停電安裝，在投資成本、建設(shè)周期、運(yùn)維成本等多個(gè)方面具有較好的優(yōu)勢(shì)，特別是在配電自動(dòng)化建設(shè)初級(jí)階段最具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[1]。

配電網(wǎng)直接面向用戶，是維持供電質(zhì)量的同時(shí)提高電網(wǎng)運(yùn)行效率以及創(chuàng)新用戶服務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提高配電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)維水平、降低故障率是保障安全和高效運(yùn)行的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有配電網(wǎng)運(yùn)維整體上還是以傳統(tǒng)的周期性巡視和故障搶修為主，其中配電網(wǎng)架空（架混）線路是運(yùn)維管控重點(diǎn)，超過(guò)85%跳閘故障在發(fā)生前有短時(shí)接地、短時(shí)放電現(xiàn)象，不需要人工處理能夠自行恢復(fù)，具有較大的隱蔽性。因此迫切需要轉(zhuǎn)變運(yùn)維管理模式，將運(yùn)維管控的工作方式由事后搶修巡檢轉(zhuǎn)變成事前預(yù)警主動(dòng)處理，提高配電網(wǎng)運(yùn)維管控能力和供電服務(wù)水平。

1 暫態(tài)錄波型故障指示器

由采集單元和匯集單元組成暫態(tài)錄波型故障指示器。采集單元具備異常區(qū)段錄波、微功率無(wú)線組網(wǎng)功能，可通過(guò)本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)將異常區(qū)段信息上傳到遠(yuǎn)程匯集單元，然后匯集單元將異常區(qū)段信息實(shí)時(shí)上報(bào)到配電自動(dòng)化主站。暫態(tài)錄波型故障指示器通過(guò)電流互感器取電，當(dāng)線路負(fù)荷電流大于3A時(shí)，即可從架空線上獲得穩(wěn)定可靠的電源。電流、電場(chǎng)采樣頻率可達(dá)12.8kHz，實(shí)現(xiàn)暫態(tài)波形數(shù)據(jù)捕捉[2-3]。

暫態(tài)錄波型故障指示器目前是最新一代的產(chǎn)品，它具有遠(yuǎn)程通訊功能，還可記錄故障發(fā)生前、發(fā)生時(shí)以及發(fā)生后的電氣量波形和電力系統(tǒng)參數(shù)。故障指示器與自動(dòng)化主站相互配合構(gòu)成的故障指示器定位系統(tǒng)，可將故障定位的功能交給主站處理。這樣就可利用故障信息遠(yuǎn)傳的方式，故障區(qū)段可直接由主站確定，然后主站提前通知工作人員故障位置來(lái)及時(shí)處理。故障排查直接轉(zhuǎn)變?yōu)樘崆耙阎收蠀^(qū)段，不需要再由原來(lái)的沿線被動(dòng)查找，很大程度上降低了處理故障的時(shí)間、縮短了停電范圍，變得更加符合配網(wǎng)自動(dòng)化的要求。

暫態(tài)錄波型故障指示器在配電架混線路上的布點(diǎn)原則為：據(jù)暫態(tài)錄波型故障指示器技術(shù)規(guī)范要求，線路負(fù)荷電流不小于5A時(shí)，TA取電5s內(nèi)應(yīng)能滿足裝置全功能要求，根據(jù)架空線路特征，布點(diǎn)原則如下 ：

變電站出線主干線主要分段、大分支線首端：安裝間隔1～2km，對(duì)于地理環(huán)境惡劣、故障巡查困難、故障率較高的線路，適當(dāng)減少安裝間隔；主干線路分段：安裝處線路半日內(nèi)平均負(fù)荷電流大于3A，長(zhǎng)線路無(wú)開(kāi)關(guān)的主干線中段，主干分段不少于3段、每個(gè)分段不超過(guò)2km，對(duì)架空線路采用故障定位裝置分段，可縮小故障區(qū)段范圍；主干線路分支：線路重要分支入口處，對(duì)于支線長(zhǎng)度超過(guò)2km或者支線承擔(dān)重要負(fù)荷，用于監(jiān)測(cè)支故障。

線路分段和分支開(kāi)關(guān)：對(duì)于超過(guò)2km的大分支，在支線首端和中間位置各安裝1套，可在不具備錄波或小電流系統(tǒng)接地故障判斷功能開(kāi)關(guān)負(fù)荷側(cè)，用于指導(dǎo)故障后的停電檢修；電纜線與架空線連接處：電纜和架空線路連接處加裝，可確定故障點(diǎn)是否在電纜段；重點(diǎn)用戶產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)：重點(diǎn)用戶專線、專用支線、專用變壓器等重點(diǎn)用戶產(chǎn)權(quán)歸屬他人的用電設(shè)備處，可通過(guò)安裝故障定位裝置．以提高重要用戶供電可靠性[4]。

2 配電網(wǎng)故障事前管控體系

故障指示器在配電自動(dòng)化建設(shè)中特點(diǎn)：配電線路故障指示器在投運(yùn)建設(shè)過(guò)程中，配電網(wǎng)無(wú)需進(jìn)行一次設(shè)備的改造，其適應(yīng)配網(wǎng)系統(tǒng)的各種中性點(diǎn)接地方式，同時(shí)也適應(yīng)間歇性接地故障、瞬時(shí)性接地故障、弧光接地故障等非永久性接地故障，可大幅度地提高配電線路單相接地故障的自動(dòng)定位準(zhǔn)確度。暫態(tài)錄波型故障指示器故障區(qū)間定位系統(tǒng)的順利運(yùn)行，中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理能力是關(guān)鍵。配電網(wǎng)線路分支多、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所需安裝的故障指示器數(shù)量眾多，配網(wǎng)線路發(fā)生故障后同一母線上的故障指示器均會(huì)觸發(fā)錄波，大量的錄波數(shù)據(jù)將會(huì)實(shí)時(shí)上送給中心主站服務(wù)器，中心服務(wù)器唯有具備較強(qiáng)的大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析能力才能對(duì)所上送的故障錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為準(zhǔn)確定位配電線路故障原因、實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警提供技術(shù)支撐[1]。

目前，通州公司已有超過(guò)1500臺(tái)暫態(tài)錄波型故障指示器投運(yùn)，積累了豐富的暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)（跳閘前）。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在永久短路故障發(fā)生前的第一周，有大約75%的情況下線路中至少有一次可識(shí)別的瞬時(shí)性故障發(fā)生，有大約93%的情況下至少會(huì)觸發(fā)一次暫態(tài)錄波；把時(shí)間放寬到前4周，則大約有91%的情況下線路中至少有一次可識(shí)別的瞬時(shí)性故障發(fā)生，有大約98%的情況下至少會(huì)觸發(fā)一次暫態(tài)錄波。如果以時(shí)間軸上的分布來(lái)統(tǒng)計(jì)，故障前第一周線路中發(fā)生瞬時(shí)性故障或擾動(dòng)的概率最大，第2周、第3周和第4周發(fā)生的概率和次數(shù)比較接近。

在樹(shù)碰線、絕緣子裂損等線路異常產(chǎn)生后，其引起電壓和電流的波動(dòng)將導(dǎo)致配網(wǎng)線路上不斷出現(xiàn)的暫態(tài)擾動(dòng)波形，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)電桿上安裝的暫態(tài)錄波型故障指示器記錄暫態(tài)擾動(dòng)數(shù)據(jù)，上傳配電自動(dòng)化主站系統(tǒng)，由主站系統(tǒng)分析暫態(tài)波形的特征（如電壓突變量、電流突變量、持續(xù)時(shí)間、等信號(hào)特征），做出故障區(qū)間事前預(yù)警信息，并將該信息通過(guò)接口程序推送至智能化供電服務(wù)指揮系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱供服系統(tǒng)）。

供服系統(tǒng)通過(guò)APP將巡視工單下發(fā)至班組，供服系統(tǒng)具備對(duì)多起同線路預(yù)警信息整合功能，并按照發(fā)生頻率定級(jí)預(yù)警嚴(yán)重等級(jí)。具體定級(jí)原則為：以72小時(shí)為周期，周期內(nèi)相同線路累計(jì)接收3次（不含）以下預(yù)警信息的判定為一般隱患，下發(fā)工單在72小時(shí)內(nèi)；3次（含）至5次（不含）預(yù)警信息的判定為嚴(yán)重隱患，下發(fā)工單在24小時(shí)內(nèi)；5次（含）以上預(yù)警信息的判定為危急隱患，即時(shí)下發(fā)工單。

通過(guò)巡視工單，由運(yùn)行人員有針對(duì)性地開(kāi)展重點(diǎn)區(qū)段隱患排查，力爭(zhēng)把設(shè)備隱患和缺陷在萌芽狀態(tài)處理，將運(yùn)維管控的工作方式由事后搶修巡檢轉(zhuǎn)變成事前預(yù)警主動(dòng)處理，大幅降低運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度，全面提高運(yùn)檢質(zhì)量、效率和效益。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用案例

2021年3月27至28日通州地區(qū)大風(fēng)天氣，供服系統(tǒng)供推出16條故障區(qū)間事前預(yù)警信息，涉及10條架混線路，7條線路找到運(yùn)行缺陷，有效避免7次整線故障。應(yīng)用舉例如下：預(yù)警短信一：2021-3-28 16:19:56通州.徐辛莊10kV通營(yíng)路242通營(yíng)路14/2號(hào)桿小號(hào)側(cè)故障指示器下游發(fā)生C相接地故障。在變電站、柱上開(kāi)關(guān)未啟動(dòng)故障隔離之前，由運(yùn)行人員提前APP巡線，發(fā)現(xiàn)在14/15號(hào)桿東邊相吊瓶放電，提前進(jìn)行了缺陷處置，避免發(fā)展成故障；預(yù)警短信二：2021-3-27 16:42:30通州.玉甫10kV南火垡路251南火垡路66號(hào)桿支線側(cè)故障指示器下游發(fā)生A相接地故障。在變電站、柱上開(kāi)關(guān)未啟動(dòng)故障隔離之前，由運(yùn)行人員提前APP巡線，發(fā)現(xiàn)在66/1號(hào)桿增壓器A相磁頭搭掛樹(shù)枝，提前進(jìn)行了缺陷處置，避免發(fā)展成故障。

綜上，配電網(wǎng)規(guī)模大、設(shè)備多，現(xiàn)場(chǎng)周期性巡視、缺陷查找靠人工判斷主觀性大，智能輔助手段不完善，巡線效率低?；跁簯B(tài)錄波型故障指示器的配電網(wǎng)故障事前管控應(yīng)用，運(yùn)行人員有針對(duì)性地開(kāi)展重點(diǎn)區(qū)段隱患排查，力爭(zhēng)把設(shè)備隱患和缺陷在萌芽狀態(tài)處理，運(yùn)行人員的工作量大大降低，配電網(wǎng)智能運(yùn)檢質(zhì)量、效率和效益得到顯著提升。下一步可進(jìn)一步挖掘隱藏在故障波形中的信息，通過(guò)大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，建立健全暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)與配網(wǎng)故障類型關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的辨識(shí)，充分發(fā)揮信息化、智能化技術(shù)在配電網(wǎng)運(yùn)維過(guò)程及結(jié)果評(píng)估中的作用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的配電網(wǎng)智能化運(yùn)維管控。