淺析架空線路自動化的實現(xiàn)與柱上開關(guān)選型

摘 要：DA實現(xiàn)方法的比較，淺析架空線路自動化故障處理的三種模式，DA過程時間與模擬預(yù)演功能，配電自動化系統(tǒng)DA功能的幾個特點，柱上開關(guān)的技術(shù)要求及其優(yōu)缺點比較。

關(guān)鍵詞：架空線；故障檢測；自動化；DA過程（模式 時間 功能）；柱上開關(guān)(斷路器)

1 架空線路配電網(wǎng)自動化實現(xiàn)模式

一般將DA的實現(xiàn)方法分為兩種，即不需通訊的分布智能模式和需要通訊的集中智能模式。

分布智能模式是指FTU和柱上開關(guān)具備自動故障判斷隔離及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的能力，不需要通訊與主站系統(tǒng)的參與。這種模式主要有電壓時間型和電流計數(shù)型兩種。方法是FTU結(jié)合斷路器或負荷開關(guān)構(gòu)成的具有重合功能的分段器。通過開關(guān)功能和保護時間配合實現(xiàn)故障隔離與供電的恢復。日本東芝公司生產(chǎn)的VSP5和其配套的FTU 是此類產(chǎn)品的典型代表。此類方法雖然成本低，不需要通訊與主站參與。但是，故障處理及供電恢復速度較慢，對系統(tǒng)及用戶多次沖擊；需改變變電站速斷保護定值及重合閘次數(shù)；沒有接地故障檢測功能。當出現(xiàn)接地故障時，若像對待短路故障一樣全線跳閘，再重合的辦法來隔離故障，則對于占總故障數(shù)很大比例的接地故障來說會出現(xiàn)頻繁跳閘的現(xiàn)象，失去了中性點不接地的優(yōu)點。此外，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)后，需改變重合器的整定參數(shù)，多電源多分支的復雜網(wǎng)絡(luò)，參數(shù)配合困難。由于沒有子站，因而無法考慮實際負荷水平和網(wǎng)絡(luò)運行約束。綜上所述，這種方法僅適合于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)比較簡單，主要是雙電源供電的‘手拉手’線路，在不具備通訊手段或通訊條件不完善可靠性較低的場合。

集中智能模式的DA方案，是由FTU將檢測的故障信息上傳給上級主站（即子站），子站根據(jù)配電網(wǎng)絡(luò)的實時拓撲結(jié)構(gòu)，按照一定的算法進行故障定位，下達命令給相關(guān)的FTU跳閘隔離故障。此后，主站通過在線潮流等配網(wǎng)分析軟件，考慮過負荷、電壓、網(wǎng)損等前提下，提供最佳臨時性的系統(tǒng)配置方案，重組網(wǎng)絡(luò)，使盡可能多的用戶恢復供電，因此，這是一種基于DMS的DA方案。其特點是適用于任意結(jié)構(gòu)，開環(huán)運行的配電網(wǎng)絡(luò)，可以考慮實際負荷水平和網(wǎng)絡(luò)約束。

按照城區(qū)配電自動化主站系統(tǒng)方的設(shè)想，未來城區(qū)配電網(wǎng)故障處理分為三個層次，一是以配電終端為基礎(chǔ)的故障檢測，二是以配電子站為輻射中心的低層區(qū)域控制，三是以主站為管理中心的高層全局控制。

配電終端負責故障的檢測，執(zhí)行配電子站故障處理命令，實現(xiàn)故障隔離功能， 并上報故障信息及接受主站的控制策略。配電子站負責處理所轄區(qū)域饋線終端（FTU）的故障上報，查詢故障信息、分析故障位置及實現(xiàn)故障的當?shù)馗綦x。主站根據(jù)子站的故障處理結(jié)果，提供非故障區(qū)域的供電策略，實現(xiàn)恢復供電。下面以架空線路說明DA過程。

架空線路的故障處理一定要區(qū)分瞬時和永久故障。對于瞬時故障，通過變電站出口斷路器的一次重合閘予以消除。而永久性故障，則由FTU上報故障信息給主站（或子站，簡單線路可由子站完成故障處理；復雜線路故障有可能超出子站管理范圍，并且需要考慮供電轉(zhuǎn)供過負荷、線損等情況則必須由主站完成）。根據(jù)現(xiàn)場具體情況及考慮問題出發(fā)點的不同，這里有3種故障處理模式，它們各有其特點。

（1）模式一：

分段器不具有重合功能，F(xiàn)TU檢測到變電站出口斷路器兩次切斷故障電流并且線路連續(xù)失壓一定時間后上報故障給主站。由主站根據(jù)FTU故障信息，確定故障區(qū)域。通過遙控進行故障隔離與恢復非故障區(qū)供電。故障定位基本原理就是故障點前的FTU能夠檢測到故障電流，故障點后的FTU檢測不到故障電流，從而確定了故障區(qū)域。故障處理過程如下：

故障發(fā)生，變電站出口斷路器D1跳閘（圖1-a）

D1重合，如果是瞬時故障，重合成功，故障處理過程結(jié)束；如果是永久性故障，線路將再次流過故障電流（圖1-b）

D1再次跳閘，重合閉鎖。FTU再次檢測到故障電流并且線路失壓一定時間后確認變電站出口斷路器重合閉鎖，上報主站故障信息（圖1-c）

主站收到FTU故障信息，確定出故障發(fā)生在開關(guān)K2-K3間，遙控跳開K2和K3，隔離成功后，閉合D1和聯(lián)絡(luò)開關(guān)K4，恢復供電（圖1-d）

（2）模式二：

變電站外第一個出線開關(guān)具有重合功能，其他開關(guān)不具有重合功能。處理過程如下：

故障發(fā)生，變電站出口斷路器D1跳閘（圖2-a）此后，變電站外第一個出線開關(guān)K1檢測到線路失壓、失流而跳閘（圖2-b）

D1重合，K1得壓，延時一定時間T（T>變電站出口斷路器重合復歸時間）后重合，如果是瞬時故障重合成功，故障處理過程結(jié)束；如果是永久性故障，則線路再次流過故障電流（圖2-c）

D1再次跳閘，此后，K1再次檢測到線路失壓、失流而跳閘并且重合功能閉鎖。FTU上報故障給主站（圖2-d）

D1再次重合，D1-K1段供電恢復。主站收到FTU故障信息，確定出故障發(fā)生在開關(guān)K2-K3間，遙控跳開K2和K3，隔離成功后，閉合K1和聯(lián)絡(luò)開關(guān)K4，恢復供電（圖2-e）

這種模式適合于不允許配網(wǎng)自動化系統(tǒng)對變電站內(nèi)的10KV線路出口斷路器進行監(jiān)控，或者變電站內(nèi)上了RTU但信息不能共享的情況下使用。為了保證故障上游的失電區(qū)能夠恢復供電，通過變電站外第一個出線開關(guān)的延時重合，使得線路發(fā)生永久性故障時，變電站內(nèi)的出口斷路器也能夠重合成功，這樣，故障上游的失電區(qū)可通過閉合變電站外的第一個出線開關(guān)實現(xiàn)供電恢復。

（3）模式三：

所有分段器都具有重合功能，并且重合方式都是得壓延時重合。各分段器延時重合的時間相同，重合功能的復歸時間也相同，并且延時重合時間大于重合復歸時間。故障處理過程如下：

故障發(fā)生，故障發(fā)生，變電站出口斷路器D1跳閘（圖3-a）

此后，分段器K1、K2檢測到線路失壓、失流而跳閘（圖3-b）

D1重合，K1得壓，延時一定時間T（T>變電站出口斷路器重合復歸時間）后重合，K2得壓，延時T（T>K1重合復歸時間）后重合，如果是瞬時故障重合成功，故障處理過程結(jié)束；如果是永久性故障，則線路再次流過故障電流（圖3-c）

D1再次跳閘，此后，K1、K2再次檢測到線路失壓、失流而跳閘，并且K2重合功能閉鎖。FTU上報故障給主站（圖3-d）

D1再次重合，D1-K1段供電恢復。K2得壓，延時T后重合，K1-K2段供電恢復。主站收到FTU故障信息，確定出故障發(fā)生在開關(guān)K2-K3間，遙控跳開K3，隔離成功后，閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)K4，恢復供電（圖3-e）

顯然，這種模式吸收了分布智能模式的部分思想，兼有分布智能模式與集中智能模式各自優(yōu)點：顯然，故障點下游區(qū)恢復供電時間不受網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)變化的影響，即聯(lián)絡(luò)開關(guān)位置改變，故障恢復時間仍然是固定的并且小于分布智能模式；故障點上游區(qū)恢復供電由FTU自動完成，這樣，即使通訊線路完全癱瘓，上游區(qū)的故障隔離、恢復供電仍可由FTU自動完成。

2 DA過程的時間

整個故障處理自動化動作過程時間分配如下：

步驟1：永久性故障的判別時間約3-5秒。對于架空線路，故障發(fā)生后，經(jīng)過變電站的保護動作及自動重合裝置的重合，若一次重合失敗，則確認線路發(fā)生永久性故障；對于電纜線路，若重合失敗（如果配置自動重合裝置），則表明故障發(fā)生在主干線上（如前所述，分支線故障，在重合前完成故障隔離，將重合成功）。一次重合失敗后，系統(tǒng)DA功能啟動，檢測到故障電流的FTU開始主動上傳故障信息。

步驟2：子站的故障信息的收集時間，指子站收齊所有FTU的故障信息，包括變電站內(nèi)的保護動作信息和出線開關(guān)跳閘信息的時間。如果采用子站直接采集變電站的保護動作信息和出線開關(guān)跳閘信息，則故障信息的收集時間為5-10秒；如果變電站內(nèi)信息由RTU轉(zhuǎn)發(fā)則一般為10-15秒（不同廠家的產(chǎn)品稍有差異）。

步驟3：子站的故障定位時間約1秒。

步驟4：子站執(zhí)行故障隔離時間2-6秒。通常情況下隔離每個開關(guān)時間小于2秒，隔離開關(guān)數(shù)通常為1-3個。

步驟5：主站收到子站隔離報文，啟動故障恢復，進行過負荷效驗，計算網(wǎng)損，確定最佳恢復供電方案共用時間為4-5秒。

步驟6：主站執(zhí)行故障恢復時間2-6秒。通常情況下恢復每個開關(guān)時間小于3秒，恢復開關(guān)數(shù)通常為1-3個。

3 DA 模擬預(yù)演功能

系統(tǒng)的DA模塊具有實際運行和模擬預(yù)演兩種模式。在預(yù)演模式下，系統(tǒng)可模擬配電網(wǎng)絡(luò)在典型負荷下，各種運行方式時，發(fā)生各種故障，系統(tǒng)處理過程和恢復方案。動態(tài)顯示全過程，如潮流分布、開關(guān)操作、失電線路等。各種故障的恢復方案保存在專門的'方案知識庫'中。演示中，調(diào)度員可人工修改恢復方案，并將其保存在'方案知識庫'中。因此，預(yù)演模式，一方面可供調(diào)度員訓練、學習DA功能的處理。另一方面，可供調(diào)度員人工修改恢復方案庫。當系統(tǒng)恢復方案較復雜，為了減少故障處理時間，系統(tǒng)首先從方案庫中查找相應(yīng)故障的處理方法，如果該方案已存在則不必進行復雜計算。如果不存在，則由人工手動恢復。

4 配電自動化系統(tǒng)DA功能的幾個特點

（1）本故障診斷、隔離與恢復的功能適于開環(huán)運行的各種配網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，用戶擴充或修改網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)后，其功能不受影響。

（2）故障隔離是在變電站內(nèi)的10KV出線斷路器跳開以后才進行的，因此，本方案完全支持負荷開關(guān)。

（3）開關(guān)拒動的處理方法。當故障隔離時，如果遇到開關(guān)拒動，系統(tǒng)將自動擴大隔離范圍，跳開上一級開關(guān)，直至隔離成功。如圖3中，如果開關(guān)K5拒動，系統(tǒng)將自動開關(guān)K3，仍可達到同樣隔離效果。當故障恢復時，如果有多種恢復方案，系統(tǒng)首先按照安全、經(jīng)濟的原則，確定一種最佳方案。但是，如果用于恢復的聯(lián)絡(luò)開關(guān)拒動，同樣，系統(tǒng)將自動執(zhí)行次佳的恢復方案。如果，系統(tǒng)僅有一種恢復方案，并且聯(lián)絡(luò)開關(guān)拒動，則系統(tǒng)將在調(diào)度員界面上給予告警提示，同時指出拒動的開關(guān)。

（4）當配電網(wǎng)絡(luò)非常復雜，恢復方案較多時，如果故障發(fā)生后，才進行計算分析，確定最佳恢復方案，將導致恢復時間過長。為了縮短恢復時間，系統(tǒng)采用一種'恢復方案熱備用'的方法。這就是，在未發(fā)生事故時，在研究模式下，系統(tǒng)自動計算出所有可能發(fā)生故障的情況的恢復方案，將其存儲在‘方案知識庫’中，作為‘熱備用’。一旦，發(fā)生故障，系統(tǒng)自動從‘方案知識庫’中調(diào)出備用方案，然后僅進行安全效驗，從而大大縮短了恢復時間。開關(guān)變位事項將自動啟動恢復方案的計算，自動更新作為熱備用的‘方案知識庫’。

（5）故障恢復分全自動和半自動恢復兩種方式：全自動方式就是故障恢復自動由主站完成；半自動方式就是系統(tǒng)自動形成故障恢復方案，并顯示于MMI界面上，由調(diào)度員確認后，手動執(zhí)行故障恢復方案。同時系統(tǒng)支持先經(jīng)過方案預(yù)演后，再由調(diào)度員確認，執(zhí)行方案。

（6）系統(tǒng)的故障診斷、隔離與恢復提供實時運行和模擬預(yù)演功能。在實時模式下，系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)運行的拓撲狀態(tài)自動完成開關(guān)設(shè)備的操作，達到故障的診斷與隔離，并提出可實施的恢復方案；在研究模式下，可人為設(shè)置假想故障，系統(tǒng)自動演示故障的處理過程，包括故障定位、隔離過程及主站的恢復策略的預(yù)演等。

（7）未來城區(qū)配電自動化系統(tǒng)中，主站和子站的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)描述應(yīng)完全相同，只不過主站中存儲著的是整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲，子站則存儲著所轄區(qū)域局部網(wǎng)絡(luò)的拓撲。故障隔離算法也完全相同。當故障區(qū)域超出單一子站所轄區(qū)域時，則直接由主站協(xié)調(diào)各子站進行故障隔離。因此，當屬于同一環(huán)網(wǎng)的各配電網(wǎng)絡(luò)的中各段線路在通訊上無法全部隸屬于同一子站時，通過主站同樣仍可完成故障隔離與恢復。

5 饋線自動化對柱上開關(guān)的技術(shù)要求

要實現(xiàn)架空配電網(wǎng)絡(luò)自動化，所選用的柱上開關(guān)及配套的FTU應(yīng)滿足以下要求：

（1）高可靠性。在廈門這種濕度大、地處亞熱帶的海島城市，最好采用真空開關(guān)管滅弧以提高分斷能力，SF6氣體解決相間絕緣，縮小體積。因為零表壓，密封問題相對容易解決。由于真空負荷開關(guān)管和斷路器開關(guān)管價格差不多，其他結(jié)構(gòu)也相差無幾，所以真空負荷開關(guān)可以用真空斷路器代替。操動機構(gòu)應(yīng)當密封，以解決機構(gòu)銹蝕出現(xiàn)誤動、拒動現(xiàn)象。永磁機構(gòu)就其原理而言由于元件數(shù)少，可靠性很高。但要注意到其本質(zhì)上還是電磁操動機構(gòu)，瞬時功率大及機械特性控制是其難點，啟動電容以及電子控制線路的壽命、溫度特性及可靠性是操動機構(gòu)總體可靠性的瓶頸，應(yīng)加以高度重視，這些問題若能解決永磁機構(gòu)應(yīng)為首選機構(gòu)。彈簧機構(gòu)若能解決密封問題，近期將成為一個適宜于柱上的操動機構(gòu)。

（2）與FTU 配套后具有故障檢測與識別功能、測量與控制功能、通訊功能和遠程維護功能。測量和控制所需要的CT、CVT（PT）應(yīng)盡量內(nèi)置于負荷開關(guān)或斷路器內(nèi)。

（3）具備電動操作功能。

總之，城區(qū)配電網(wǎng)是一個電纜和架空線混合的網(wǎng)絡(luò)。雖然從線路總長度上統(tǒng)計纜化率已達50%以上，但真正能獨立構(gòu)成電纜網(wǎng)絡(luò)的并不多。柱上開關(guān)是實現(xiàn)配電網(wǎng)自動化的重要設(shè)備，需慎重選擇開關(guān)的型號和生產(chǎn)廠家。