張 敏，崔 琪，吳 斌

（西安供電局，西安 710032）

智能配電網(wǎng)饋線自動(dòng)化發(fā)展及展望

張 敏，崔 琪，吳 斌

（西安供電局，西安 710032）

0 前言

長(zhǎng)期以來，電力系統(tǒng)存在“重發(fā)、輕供、不管用現(xiàn)象”[1-3]。發(fā)電容量能力越來越大，輸電能力越來越強(qiáng)，但是配電自動(dòng)化水平低下，前幾年所進(jìn)行的城網(wǎng)農(nóng)網(wǎng)改造并未真正解決該問題。一條具有多區(qū)段的饋電線路（10～35kV）任意區(qū)段發(fā)生故障后，故障的隔離與恢復(fù)有2種模式：一種代表模式是（模式1）從首端無選擇性地切除整條線路，然后再通過復(fù)雜的分?jǐn)?重合-分?jǐn)噙^程實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段隔離和非故障區(qū)段的恢復(fù)供電。另外一種代表模式是（模式2）依賴網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障饋線區(qū)段的有選擇切除和非故障區(qū)段的恢復(fù)供電，但是造價(jià)太高，可靠性不高，不適合于配網(wǎng)。當(dāng)饋線故障發(fā)生后，如何快速檢出故障發(fā)生的區(qū)間，進(jìn)而有選擇性地只切除故障區(qū)段是一個(gè)亟需解決但尚未解決的問題。如果能像高壓電網(wǎng)那樣，只切除故障區(qū)段而且快速地切除故障區(qū)段，無疑將縮短因故障造成的停電時(shí)間，使得非故障區(qū)段不停電或者非常短時(shí)間的停電（備自投時(shí)間），具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 饋線自動(dòng)化發(fā)展

配電線路（也稱饋電線路、饋線）是配電系統(tǒng)的重要組成部分，智能配電網(wǎng)的研究尚處于摸索階段[4-6]，而目前的饋線自動(dòng)化是智能配電網(wǎng)的關(guān)鍵和核心。饋線自動(dòng)化主要指饋線發(fā)生故障后，自動(dòng)地檢測(cè)并切除故障區(qū)段，進(jìn)而恢復(fù)非故障區(qū)段正常供電的一種技術(shù)。長(zhǎng)期以來，由于指導(dǎo)思想上的不重視和經(jīng)濟(jì)條件制約，饋線自動(dòng)化水平不高，對(duì)用戶供電的可靠性得不到保障。

早期的饋線自動(dòng)化是人工式的，這里稱為模式1。它由安裝在變（配）電站饋線出口處的電流速斷保護(hù)、出口斷路器、安裝在其他位置的負(fù)荷開關(guān)和故障指示器組成，如圖1所示。饋線任意區(qū)段故障后，電流速斷保護(hù)動(dòng)作，出口斷路器動(dòng)作跳閘，根據(jù)故障指示器所指示的位置人工拉開兩端的負(fù)荷開關(guān)隔離故障區(qū)段，然后再重新閉合斷路器恢復(fù)未故障部分的供電。該系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，但是自動(dòng)化程度低下，停電時(shí)間長(zhǎng)。

圖1 饋線自動(dòng)化模式1

20 世紀(jì)80年代，發(fā)達(dá)國(guó)家出現(xiàn)了利用分段器、重合器等智能開關(guān)設(shè)備為標(biāo)志的第2種饋線自動(dòng)化模式，如圖2所示。在該模式下，故障區(qū)段的查找、隔離和非故障部分的恢復(fù)供電是靠分段器、重合器的反復(fù)配合動(dòng)作來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，分段器和重合器之間不需要通信，也無需人工干預(yù)，是一種比較合理的饋線自動(dòng)化模式，并已在中國(guó)獲得應(yīng)用。但是，與該模式相對(duì)應(yīng)的是最終故障切除時(shí)間長(zhǎng)、斷路器負(fù)擔(dān)重、未故障部分恢復(fù)供電慢。

圖2 饋線自動(dòng)化模式2

近年來，隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了第3種饋線自動(dòng)化模式——基于饋線終端單元FTU(Feeder Terminal Unit)和網(wǎng)絡(luò)通信的饋線自動(dòng)化（見圖3）。在該模式下，故障的查找、隔離以及恢復(fù)供電是靠FTU采集故障信息并上傳給調(diào)度中心，斷路器和負(fù)荷開關(guān)（該負(fù)荷開關(guān)也可以更換為具有開斷短路電流能力的斷路器）的分合操作是由調(diào)度中心控制的。該模式具有很高的自動(dòng)化水平，開關(guān)只需一次動(dòng)作，但是它對(duì)于通道的依賴性太強(qiáng)；由于系統(tǒng)決策指令由調(diào)度中心發(fā)出，加之通信通道的延時(shí)，非故障區(qū)段的恢復(fù)時(shí)間也長(zhǎng)；系統(tǒng)可靠性直接取決于通道的可靠性。

圖3 饋線自動(dòng)化模式3

綜上所述，已經(jīng)出現(xiàn)的饋線自動(dòng)化技術(shù)存在如下缺陷：

1）一般地，除過饋線出口斷路器之外，饋線其他位置安裝的都是沒有切斷短路電流能力的負(fù)荷開關(guān)，因此非故障饋線段被切斷是不可避免的。

2）僅在饋線出口配置電流速斷保護(hù)，必然盲目地動(dòng)作并切斷整條饋線，沒有選擇性。

3）依賴通信通道的饋線自動(dòng)化模式3，系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，可靠性低。

2 饋線自動(dòng)化前景

上述饋線自動(dòng)化不能滿足對(duì)用戶安全可靠供電的要求，也不能達(dá)到智能配電網(wǎng)的要求。因此，研究具有選擇性、能夠快速切除饋線故障并具有故障自愈能力的智能配電網(wǎng)就顯得尤為迫切和重要[7-10]。

2.1 智能化饋線自動(dòng)化系統(tǒng)組成

這種新型的智能配電系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)有選擇地切除故障線路，不依賴通信通道，并能快速恢復(fù)被切除負(fù)荷供電。在該系統(tǒng)中，具有選擇性的繼電保護(hù)是前提和保證。傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)和距離保護(hù)，由于饋線短，常常難于取得配合性能；方向過電流保護(hù)越靠近電源端動(dòng)作時(shí)間越長(zhǎng)，當(dāng)饋線區(qū)段增多時(shí)，動(dòng)作時(shí)間也是用戶所不能接受的；而在高壓電網(wǎng)表現(xiàn)優(yōu)秀的差動(dòng)保護(hù)在饋線上卻碰到困難，因?yàn)轲伨€還有許多分支線，這些分支線的分支電流是不確定的、變化的，它還需要通道；方向比較式縱聯(lián)保護(hù)存在類似的問題。已經(jīng)出現(xiàn)的無通道保護(hù)（Non-Communication Protection）以方向電流保護(hù)為基礎(chǔ)結(jié)合加速保護(hù)構(gòu)成，它們不需要通信通道，動(dòng)作速度較快（相對(duì)于方向過電流保護(hù)），具有良好的選擇性，從而成為饋線自動(dòng)化系統(tǒng)比較理想的選擇。本文所提出的智能配電系統(tǒng)構(gòu)成如圖4，它由3個(gè)核心部分組成：一是能夠檢測(cè)切除任意位置、不需要通道聯(lián)系的無通道保護(hù)；二是能夠切斷短路電流的斷路器代替現(xiàn)有的負(fù)荷開關(guān)；三是備用電源自動(dòng)投入單元。三者互相配合、缺一不可。

圖4 新型智能配電網(wǎng)

2.2 饋線自動(dòng)化研究方向

2.2.1 饋線故障分析

故障分析是繼電保護(hù)的理論基礎(chǔ)，也是基于保護(hù)方式的饋線自動(dòng)化的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的故障分析是基于線性系統(tǒng)分析理論。在這樣的系統(tǒng)中發(fā)生三相對(duì)稱故障后，從故障點(diǎn)系統(tǒng)可拆分為2個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，無通道保護(hù)將失去動(dòng)作條件。但實(shí)際電力系統(tǒng)元件并不是完整意義上的線性元件，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和實(shí)際系統(tǒng)故障記錄，比較研究三相故障的理論分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果，為對(duì)稱故障的無通道保護(hù)研究提供基礎(chǔ)，有利于發(fā)展電力系統(tǒng)故障分析理論[11-12]。

2.2.2 解決現(xiàn)有無通道保護(hù)所存在的問題

基于上述故障分析，提出三相對(duì)稱故障無通道保護(hù)動(dòng)作判據(jù)并在繼電器中實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于輻射狀饋線，無電源端故障檢測(cè)的和保護(hù)動(dòng)作判據(jù)需要進(jìn)一步探討，它也建立在故障分析基礎(chǔ)上。

2.2.3 饋線自動(dòng)化自適應(yīng)技術(shù)研究

配網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行方式多變。以自適應(yīng)保護(hù)為基礎(chǔ)，研究適用于饋線自動(dòng)化的自適應(yīng)技術(shù)。饋線自動(dòng)化自適應(yīng)技術(shù)研究將是適用于不同系統(tǒng)運(yùn)行方式，不同故障類型的自適應(yīng)保護(hù)，該技術(shù)能自動(dòng)地改變系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)，并能適應(yīng)改變后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2.3 饋線自動(dòng)化需要解決的問題

2.3.1 無電源端故障判別問題

所提出的饋線自動(dòng)化系統(tǒng)，為快速恢復(fù)故障線路的負(fù)荷供電，需跳開故障點(diǎn)兩側(cè)最近的斷路器。在單電源輻射狀網(wǎng)絡(luò)中，故障發(fā)生后，故障點(diǎn)上游的系統(tǒng)有電源支撐，而故障點(diǎn)下游的系統(tǒng)將部分失去電源。在這種情況下，如果上游的斷路器首先動(dòng)作，那么下游的系統(tǒng)將完全失去電源，此時(shí)如何保證下游系統(tǒng)中距離故障點(diǎn)最近的斷路器快速打開，而其他斷路器閉鎖？如果上游的保護(hù)時(shí)間延遲較長(zhǎng)，如何保證下游系統(tǒng)的保護(hù)首先動(dòng)作跳閘，而又能保證下游的保護(hù)具有選擇性？現(xiàn)有的單電源帶分支線路的輻射狀網(wǎng)絡(luò)饋線無通道保護(hù)的對(duì)策是引入電壓量，故障點(diǎn)上游的保護(hù)按照過電流原理，故障點(diǎn)下游的保護(hù)按照低電壓原理，低電壓保護(hù)的時(shí)間也按梯形規(guī)則整定。其原理是基于單電源輻射狀饋線發(fā)生故障后，有電源端故障相電流增大；無電源端故障相電壓降低。但在實(shí)際系統(tǒng)中，由于電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的影響，有電源端斷路器跳開后，故障點(diǎn)下游系統(tǒng)的非故障相電壓不降反升，在這種情況下，饋線無通道保護(hù)將拒動(dòng)或誤動(dòng)。

2.3.2 三相故障加速問題

單電源輻射狀網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生三相故障時(shí)，故障點(diǎn)下游系統(tǒng)不存在非故障相，無法檢測(cè)到非故障相的電流或者電壓突變，因此三相故障時(shí)現(xiàn)有無通道保護(hù)將無法加速本側(cè)斷路器動(dòng)作跳開。而在實(shí)際系統(tǒng)中，三相斷路器的動(dòng)作無法完全同步，那么能否利用此差別檢測(cè)三相故障解決加速問題？

2.3.3 線路空載加速問題

在現(xiàn)有的單電源帶分支線路的輻射狀網(wǎng)絡(luò)饋線無通道保護(hù)中，不對(duì)稱故障發(fā)生后，如果無電源端的低電壓保護(hù)延時(shí)較短首先動(dòng)作后，那么有電源端根據(jù)健全相電流發(fā)生突變來加速切除故障。但有電源端健全相電流的突變量為被切除掉的負(fù)荷電流，而負(fù)荷電流是變化的，尤其是在線路空載的極端情況下，負(fù)荷電流不存在，在此情況下，有電源端也將無法加速，只能等待過電流保護(hù)延時(shí)跳閘，這在近電源端故障情況下是不允許的。

2.3.4 保護(hù)裝置的供電電源包括互感器失電情況下保護(hù)的供電問題

目前，饋線保護(hù)裝置取電基本上從饋線本身電源取。饋線失電后，保護(hù)裝置將失去電源，無法跳開斷路器。

3 結(jié)語(yǔ)

目前的饋線自動(dòng)化系統(tǒng)主要依靠分段器、重合器的反復(fù)動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)饋線故障區(qū)段切除、隔離和非故障區(qū)段的恢復(fù)供電，出口斷路器動(dòng)作次數(shù)多，饋線多次承受短路沖擊，恢復(fù)供電時(shí)間長(zhǎng)。發(fā)展中的依賴通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的饋線自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)通信依賴太強(qiáng)，并不適合于配電饋線。

隨著電力技術(shù)的迅猛發(fā)展，不久的將來，在智能化饋線自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)，故障可以一次切除，非故障區(qū)段不停電或者短時(shí)停電（備自投時(shí)間），無疑會(huì)改變饋線自動(dòng)化系統(tǒng)面貌，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)智能化。

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Development and Prospect of Intelligent Distribution Network Feeder Automation

ZHANG Min，CUI Qi，WU Bin
（Xi’an Power Supply Bureau,Xi’an 710032,Shaanxi Province,China）

Thispaperexploresdevelopmentof feeder automation,concluding that due to too heavy dependence on the communication systemthe existingfeeder automation system is not suitable for distribution feeders.The paper stresses the need for R&Donthenewintelligentdistributionnetworkwhicharesupposed tobe equipped with the selective and quick removal offeeder faults and self-healing capability. Discussions are made on the configuration of the intelligent feeder automation components with theresearchdirectionproblemstobeaddressedanalyzed.

intelligent distribution network；feeder；automation；unloadedline

分析了饋線自動(dòng)化發(fā)展情況，指出目前的饋線自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)通信依賴太強(qiáng)，并不適合于配電饋線。提出了需要研究具有選擇性、能夠快速切除饋線故障并具有故障自愈能力的智能配電網(wǎng)，并就智能化饋線自動(dòng)化系統(tǒng)組成進(jìn)行了探討，分析了其研究方向和需要解決的問題。

智能配電網(wǎng)；饋線；自動(dòng)化；三相故障；線路空載

1674-3814（2010）04-0041-03

TM726

A

2010-04-05。

張 敏（1979—），女，本科,工程師，長(zhǎng)期從事配電網(wǎng)調(diào)度研究管理相關(guān)工作;

崔 琪（1965—），男，碩士，工程師，長(zhǎng)期從事配電網(wǎng)調(diào)度研究管理相關(guān)工作。

（編輯 董小兵）