電力系統(tǒng)配電自動化及其故障處理分析

孫文強 楊曉江 王軍海

電力系統(tǒng)承擔(dān)著為家庭、工業(yè)、商業(yè)和交通等各領(lǐng)域提供持續(xù)電能的重要任務(wù)，其穩(wěn)定性和可靠性對維持人們?nèi)粘Ｉ畹恼＿\轉(zhuǎn)至關(guān)重要。隨著社會的不斷發(fā)展，對電力的需求逐漸增大，提升電力系統(tǒng)的性能和可靠性也變得尤為緊迫。在這一背景下，電力系統(tǒng)自動化技術(shù)迅速嶄露頭角，為提高系統(tǒng)性能和減少潛在故障的發(fā)生提供了全新的實現(xiàn)路徑。

一、電力系統(tǒng)配電自動化的相關(guān)概述

（一）配電網(wǎng)自動化內(nèi)涵

根據(jù)我國電網(wǎng)自動化的現(xiàn)狀可以將配電網(wǎng)自動化劃分為配網(wǎng)自動化、配電自動化、調(diào)度自動化以及變電站自動化。同時，該系統(tǒng)還能夠及時反映出配電線路的故障情況，并通過計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對終端用戶的管理。

隨著科技的迅猛發(fā)展，配電網(wǎng)絡(luò)自動化在醫(yī)療、冶金、建筑等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。這一系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)控層、通信界面層和系統(tǒng)管理層構(gòu)成。系統(tǒng)管理層負(fù)責(zé)下發(fā)命令以對配電系統(tǒng)進(jìn)行控制。通信界面層連接現(xiàn)場監(jiān)控層和系統(tǒng)管理層，由通信電纜和以太網(wǎng)絡(luò)交換機組成，用于數(shù)據(jù)交換和信息傳輸[1]。在配電網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)中，現(xiàn)場監(jiān)控層主要由多種檢測設(shè)備，如電容器和火警報警器等組成。

（二）電力系統(tǒng)配電自動化構(gòu)成

數(shù)據(jù)采集階段包括電網(wǎng)運行中的監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集功能。在這個過程中，主站控制層負(fù)責(zé)對各分站的電網(wǎng)信息進(jìn)行集中匯總和監(jiān)控，以實時追蹤其運行狀況，以便快速響應(yīng)并進(jìn)行故障地區(qū)的恢復(fù)工作。同時，配電站層的任務(wù)是對配電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并將其傳輸?shù)街髡?，從而實現(xiàn)對配電網(wǎng)絡(luò)的全面管理和調(diào)度。終端設(shè)備層則充當(dāng)了配電網(wǎng)絡(luò)中的主要數(shù)據(jù)采集節(jié)點，由FTU（終端單元）、DTU（數(shù)據(jù)傳輸單元）組成，其職責(zé)是監(jiān)控并匯報配電網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)。

饋源自動化（Feed Autonomy）代表著一項集成監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集功能于一體的重要技術(shù)，旨在根據(jù)線路故障的反饋信息，自動調(diào)整配電網(wǎng)絡(luò)的電壓和開關(guān)狀態(tài)，以實現(xiàn)線路開關(guān)的自動控制。在電網(wǎng)負(fù)載失衡的情況下，饋源自動化能夠快速實現(xiàn)負(fù)載均衡，確保配電系統(tǒng)高效運行[2]。此外，饋源自動化系統(tǒng)還具備有效隔離可能發(fā)生故障的區(qū)域的功能，從而減小事故影響范圍。

（三）電力系統(tǒng)配電自動化技術(shù)

光纖通信具備傳輸量大、傳輸速率快、不受外界干擾等顯著優(yōu)勢。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)中終端數(shù)量的持續(xù)增加，網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度也隨之提高。因此，有必要深入研究載波通信在配電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，以尋找替代光纖通信的解決方案。另一方面，通過利用配電系統(tǒng)的自動控制，為用戶提供實時電價信息，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表的目標(biāo)。高度集成的配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)通過對各種信息的綜合集成，可以實現(xiàn)對各類數(shù)據(jù)的整合處理，這一系統(tǒng)設(shè)計有助于有效降低操作成本，減少功能的重復(fù)作用，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[3]。例如，將SCADA和GIS兩個系統(tǒng)相互融合，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和界面的優(yōu)化等，從而促進(jìn)業(yè)務(wù)的集成。同時，還可以從GIS中提取與SCADA相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并讓GIS能夠?qū)崟r提取配電網(wǎng)的信息，以進(jìn)一步優(yōu)化配電網(wǎng)的自動化技術(shù)。

二、配電自動化在電網(wǎng)中的常見故障

（一）主變壓與110KV進(jìn)線失壓

在電力系統(tǒng)中，主變壓器的壓力故障表現(xiàn)為氣體保護(hù)動作和主變壓器差動保護(hù)動作。當(dāng)進(jìn)行進(jìn)線測試時，特別是在110kV進(jìn)線測試中，很容易導(dǎo)致氣體保護(hù)裝置觸發(fā)。這可能引起35kV主變壓器的主開關(guān)310自動跳閘，引發(fā)配電自動化系統(tǒng)的故障[4]。此外，如果主變壓器兩側(cè)110kV入口電壓都降為零，將會對35kV母線的電壓值產(chǎn)生不利影響。

（二）框架保護(hù)動作

幀保護(hù)通常采用的是框式保護(hù)裝置。當(dāng)存在骨干滲漏時，這些保護(hù)裝置會觸發(fā)保護(hù)動作，導(dǎo)致直流和交流進(jìn)線開關(guān)的跳閘。然而，這也可能引發(fā)另一種框架滲漏保護(hù)動作，導(dǎo)致直流和交流進(jìn)線開關(guān)以及整流交流開關(guān)同時跳閘。這不僅對配電網(wǎng)造成危害，還對整個電力系統(tǒng)的供電產(chǎn)生不利影響。

（三）環(huán)網(wǎng)電纜故障

環(huán)網(wǎng)線纜故障在配電網(wǎng)絡(luò)中屬于最常見的故障類型，其根本在于誤動觸發(fā)了線路差動保護(hù)，進(jìn)而導(dǎo)致了系統(tǒng)誤動，從而引發(fā)了系統(tǒng)的短路問題。在電力系統(tǒng)中，35kV母線開關(guān)屬于一類極為重要的電氣設(shè)備，其異常操作可能對電網(wǎng)造成嚴(yán)重危害。

（四）配電終端通信中斷

如果主站系統(tǒng)終端顯示為“否”，就代表發(fā)生了突發(fā)故障，需要立即安排技術(shù)人員進(jìn)行處理。通常情況下，這種故障可能是由于通信電纜、ONU和OLT出現(xiàn)故障，并由此造成通信中斷，以及DTU自身的故障。

三、配電自動化中的故障處理

（一）主變壓及110KV進(jìn)線失壓問題的處理

通過對主變壓器裝置進(jìn)行保護(hù)，可以很好地解決這一問題，但也會使變壓器負(fù)載增大，溫度上升。在配電網(wǎng)絡(luò)中，如果溫度超過了變壓器所能承受的極限，也會導(dǎo)致整個配電系統(tǒng)發(fā)生故障。盡管設(shè)置了氣體保護(hù)點來防止嚴(yán)重故障的發(fā)生，但在高溫環(huán)境下，仍可能出現(xiàn)油和氣相分離的情況。因此，在安裝氣體保護(hù)裝置的同時，必須設(shè)置適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)參數(shù)[5]。一旦變壓器出現(xiàn)故障，氣體保護(hù)裝置將發(fā)出警報，通知維修人員進(jìn)行檢修。得到故障信息后，調(diào)度中心應(yīng)首先評估斷路器操作、跳閘報警等具體情況，然后再進(jìn)行主變壓器的檢修，并采取有效的處理方案。

（二）框架進(jìn)行的保護(hù)動作

在地鐵等公共場所，變電站中往往設(shè)置兩套以上繼電保護(hù)。當(dāng)整流系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，這些保護(hù)裝置會自動啟動，并且直流進(jìn)線開關(guān)的操作也會發(fā)揮保護(hù)作用。由于沒有切斷直流饋電開關(guān)，因此在跨越地區(qū)的變電所內(nèi)，仍然能夠保證電網(wǎng)觸及后持續(xù)供電。然而，如果主要的開關(guān)設(shè)備發(fā)生故障，將導(dǎo)致直流配電系統(tǒng)、直流－交流輸電線路以及相鄰變電所的直流饋線同時跳閘，對整體電網(wǎng)的安全穩(wěn)定造成嚴(yán)重影響。

為了確保該區(qū)域的供電可靠性，必須在短時間內(nèi)使用交叉配電交換開關(guān)，并迅速組建專家隊伍，對故障進(jìn)行迅速處理。一般使用的是電流式構(gòu)架，當(dāng)構(gòu)架發(fā)生破壞時，EP-1型的防護(hù)器會快速啟動。在交、直流短路情況下，饋線不會受到影響，而對其他地區(qū)的電力供應(yīng)也會持續(xù)不斷。對于EP-2型電流互感器，若出現(xiàn)漏電流，會引起交、直流切換動作，一般采用跨接式斷路器檢修。

（三）環(huán)網(wǎng)電纜的故障處理

在環(huán)網(wǎng)電纜出現(xiàn)故障的情況下，兩端的開關(guān)會自動切斷電流，同時，需要有關(guān)部門進(jìn)行電源恢復(fù)工作。在發(fā)生自投情況時，35kV母線可以作為備用電源，以繼續(xù)為電網(wǎng)提供電力。因此，在檢查母線時，沒有自投情況發(fā)生應(yīng)立即進(jìn)行閉鎖操作。如果存在電暈或機械損傷，需要先拆卸受損部分，然后切除故障電纜，并將其用作備用電源，以確保變電所內(nèi)的開關(guān)正常運行。

（四）配電終端通信中斷

在配電網(wǎng)絡(luò)中，如果出現(xiàn)通信中斷，應(yīng)該立即確認(rèn)通信故障，并協(xié)調(diào)專業(yè)人員進(jìn)行維修。如果DTU（數(shù)據(jù)傳送）發(fā)生故障，維修人員首先需要檢查DTU的空氣開關(guān)和配電房內(nèi)的電壓互感式空氣斷路器是否已合上。如果它們在正確的位置，接下來，需要檢查變壓器柜上的熔斷器，然后檢查DTU的供電端子。

在正常運行條件下，變電站可能會對OLT（光線終端）的服務(wù)產(chǎn)生干擾，進(jìn)而導(dǎo)致配電網(wǎng)癱瘓。如果配電線路斷路器的遠(yuǎn)程控制功能失靈，應(yīng)該在發(fā)生故障的DTU上貼上標(biāo)簽，檢查遙控壓板和功率開關(guān)的狀態(tài)，同時檢查接線端的連接是否牢固。若回路連接正常，需將開關(guān)轉(zhuǎn)換為斷開狀態(tài)，向本地區(qū)域提出停電申請，并對線路進(jìn)行維修，維修完畢后才能恢復(fù)供電。

四、電力系統(tǒng)中配電自動化故障處理水平的提升策略

國家的電力系統(tǒng)一直在不斷發(fā)展，電網(wǎng)的自動化程度也逐漸提高。然而，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大和技術(shù)的不斷升級，出現(xiàn)了各種復(fù)雜的故障和問題，對此，需要采取更高水平的自動化故障處理策略來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

（一）加快配電網(wǎng)線路的建設(shè)進(jìn)程

目前，我國的配電網(wǎng)絡(luò)自動化水平因該領(lǐng)域重視程度不夠而相對較低，還有較大的上升空間。為改變這一現(xiàn)狀，必須加強對配電自動化的重視，并對其進(jìn)行改造和維護(hù)，以提高電網(wǎng)的傳輸容量。在構(gòu)建最佳的配電網(wǎng)絡(luò)時，必須確保供電企業(yè)員工的人身安全，同時保障供電企業(yè)的正常運營。根據(jù)電網(wǎng)的實際運行情況，淘汰和更換老化設(shè)備，可以將安全事故的概率降至最低，從根本上提高配電網(wǎng)絡(luò)的運行效率。國家電網(wǎng)引入高級智能監(jiān)測技術(shù)，通過傳感器和監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測電力系統(tǒng)運行情況，包括電壓、電流、頻率等參數(shù)。這有助于更早地發(fā)現(xiàn)潛在的故障隱患。

（二）確保電力設(shè)備的運行安全

通過預(yù)測配電網(wǎng)自動化操作可能出現(xiàn)的問題并實施相應(yīng)對策，可以降低潛在風(fēng)險損失。在面對配電網(wǎng)故障時，需要從以下幾個方面來分析故障原因，具體操作分為兩個環(huán)節(jié)：一是通過對配電系統(tǒng)運行過程中可能存在的問題進(jìn)行預(yù)測并提出應(yīng)對措施，以減少配電系統(tǒng)運行過程中的潛在風(fēng)險與損失。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時，維護(hù)人員必須先對故障進(jìn)行歸類，并將其從電網(wǎng)中分離出來，以避免發(fā)生故障的裝置對其他裝置產(chǎn)生影響；二是在排除故障后，方可將其接入其他裝置，使發(fā)生故障的裝置恢復(fù)正常運行。

為了確保在發(fā)生故障時系統(tǒng)的設(shè)備可以自動切斷，阻止有故障的設(shè)備與其他設(shè)備之間的連接，需要將阻塞器添加到配電系統(tǒng)的裝置中，并由配電自動化子系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制電路和設(shè)備[6]。此外，在配電網(wǎng)發(fā)生故障時，通過對故障設(shè)備中所包含的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷，找出發(fā)生故障的設(shè)備，并及時通知維修工程師進(jìn)行維修。

（三）謹(jǐn)慎處理設(shè)備故障問題

為了避免維護(hù)人員誤修設(shè)備而造成設(shè)備損壞，維修團(tuán)隊需要加強對設(shè)備數(shù)據(jù)的管理。配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)包含多個方面，其核心價值在于信息的采集與存儲。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，配電網(wǎng)絡(luò)的自動化系統(tǒng)也在持續(xù)更新設(shè)備和工藝，采集的數(shù)值參數(shù)將被永久保留，這些參數(shù)能夠準(zhǔn)確分析電力設(shè)備故障的位置和類型，為維修人員的故障處理提供了參考。

由于配電網(wǎng)中存在大量的數(shù)字信息，因此維修人員在數(shù)據(jù)采集時必須進(jìn)行仔細(xì)地故障分析，以確保能夠及時采集到準(zhǔn)確、可靠、有效的數(shù)據(jù)信息，并采取相應(yīng)的措施應(yīng)對故障。此外，維修團(tuán)隊還應(yīng)加強維護(hù)技術(shù)人員對設(shè)備維護(hù)管理的認(rèn)識。在使用設(shè)備的過程中，他們必須充分意識到，規(guī)范的操作不僅會能夠延長設(shè)備的使用壽命，還與維護(hù)人員的人身安全和財產(chǎn)安全密切相關(guān)。因此，設(shè)備管理和維護(hù)方面的嚴(yán)格規(guī)范對于降低風(fēng)險、提高效率至關(guān)重要。

（四）正線故障處理方法

繼電保護(hù)裝置與自動控制裝置直接在正線上進(jìn)行連接。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，將嚴(yán)重影響繼電保護(hù)及自控裝置的正常工作。利用繼電保護(hù)對配電網(wǎng)進(jìn)行獨立隔離，能夠防止故障向電網(wǎng)蔓延，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。在配電網(wǎng)中，饋線終端設(shè)備可以對線路的電流、電壓、功率等參數(shù)進(jìn)行自動監(jiān)測與記錄，對線路故障進(jìn)行初步的診斷。在系統(tǒng)出現(xiàn)永久故障的情況下，利用載體算法將異常參數(shù)信息傳送給主站。通過對供電線路及終端設(shè)備的監(jiān)控，維修人員能夠快速地發(fā)現(xiàn)線路中出現(xiàn)的故障，并能及時地對線路進(jìn)行檢修。這對提高電力系統(tǒng)的可靠性，提高系統(tǒng)的運行效率具有重要意義。

（五）支線或用戶故障處理方法

在電網(wǎng)中，非規(guī)則的故障包含了支路失效和用戶設(shè)備失效兩種情況。在配電網(wǎng)出現(xiàn)故障的情況下，這些裝置具有自動監(jiān)測與診斷功能。在配電網(wǎng)或用電設(shè)備出現(xiàn)故障時，該裝置將發(fā)出信號，對異常情況進(jìn)行報警，并自動斷開線路。當(dāng)線路或用戶設(shè)備發(fā)生故障時，裝置延時保護(hù)將會自動打開或關(guān)閉該線路。若故障為瞬間性，裝置一般為常閉式，延時后供電即可恢復(fù)。電路如果不能被切斷，就有可能是永久的故障，延時保護(hù)裝置就會再次接通或者切斷電源。當(dāng)配電網(wǎng)及用電設(shè)備出現(xiàn)故障時，其主要作用為阻止短路電流流入電網(wǎng)，防止電網(wǎng)受到?jīng)_擊。此時，維修人員要迅速將有問題的線路斷開，保證線路的絕緣性，并延遲合閘時間。

結(jié)束語

綜上所述，電力系統(tǒng)配電自動化的研究和應(yīng)用為電力系統(tǒng)的性能和可靠性帶來了革命性的改進(jìn)。通過更全面地研究自動化技術(shù)，提供更快速的監(jiān)控和響應(yīng)能力的策略，為電力系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定供電提供實現(xiàn)路徑。電力系統(tǒng)的配電自動化技術(shù)的不斷進(jìn)步，可以適應(yīng)不斷變化的社會需求和能源挑戰(zhàn)，電力系統(tǒng)將持續(xù)為人們的生活和經(jīng)濟(jì)健康提供堅實的基礎(chǔ)。