基于故障停電管控的城市電網饋線自動化建設模式

郭上華

(珠海許繼電氣有限公司，廣東省珠海市，519060)

0 引言

提高城市電網供電可靠性是配電網自動化建設的目標之一。為了減少用戶停電時間和停電次數，提升第三方客戶滿意度，城市電網的停電管控被提上議程，包括計劃停電管控和事故停電管控。對于計劃停電管控，需加強停電計劃的制定和執行的剛性，減少設備重復停運次數和停電時間;同時，可優化復電管理模式和業務流程，大力開展帶電作業和科學快速搶修［1-2］。

與依賴停電精細化管理的計劃停電管控不同，事故停電管控更多需借助饋線自動化或配電自動化技術，做到故障快速報告、快速診斷、快速定位、快速隔離和快速修復，實現城市電網故障快速自愈［3-4］。故障快速自愈自動化模式的實現是一項系統工程，要綜合考慮配電系統的各種運行情況、供電可靠性要求、故障處理時效性、對繼電保護的技術要求及設備投資等各個方面。

1 10 kV配電線路故障分析

我國城市電網按區域可分為城市中心區、一般城區或城鄉結合部、城鎮及遠郊區等3個級別。城市中心區以電纜線路為主，城鎮及遠郊區以架空線路為主，而一般城區或城鄉結合部既有電纜線路、架空線路，也有架空電纜混合線路。為查找影響配網故障快速自愈的主要原因，南方某省電力公司對2009年以來的故障類型、故障設備、復電時間等信息數據進行了統計分析，如圖1和表1所示。從圖1、表1中可以看出，10 kV配電網的故障數量、故障類型與故障位置密切相關，架空線路、架空電纜混合線路及其配套設備故障發生頻次遠遠大于其他類型，特別是用戶架空線路及其配套設備。

2 故障停電管控與饋線自動化建設

城市電網故障停電管控，是指在10 kV中壓配電網中，利用故障報告、故障診斷、故障定位、故障隔離等保護控制手段和故障修復、故障復電等管理控制手段，在饋線故障情況下，自動實現故障定位、故障隔離和供電恢復，避免停電或減少停電次數與停電時間，提高供電可靠性。

?

目前，我國配電網一般僅在變電所出口配備斷路器保護切斷短路故障，然后通過饋線自動化(feeder automation，FA)技術實現故障的定位、故障區段的隔離與非故障區段的恢復供電［5-7］。依據配電網自動化程度不同，故障停電管控饋線自動化建設可分為知停電、少停電和防停電FA建設，重點實現10 kV架空線路和架空電纜混合線路的故障快速自愈。

2.1 知停電FA建設

知停電FA建設包括2個方面，如圖2所示。一是在10 kV配電線路上布置帶遠傳裝置的故障指示器或智能終端設備等，實現對配電線路運行情況進行監測，在發生故障情況下能準確發送故障信息、停電信息給局端故障定位系統或配電自動化系統。二是在局端建設故障定位系統或配電自動化系統，將變電站10 kV饋出線開關的變位信息和保護動作信息、10 kV饋線分段開關與分界開關的變位信息和保護動作信息均接入該系統，實現故障點定位的半自動或人工快速定位和隔離。

圖2 知停電FA建設示意Fig.2 Schematic diagram of knowing－power outage FA construction

2.2 少停電FA建設

少停電FA建設，即解決“故障停電范圍和停電時間最小化”問題。縮小故障停電范圍關鍵在于線路智能自愈，一方面需完善配電網網架結構，優化接線方式，如圖3中的三分段三連接供電方式，提高配電網抵御自然災害、外力破壞及轉供電能力;另一方面大力推廣帶自動化功能的智能分段開關，減少每段線路用戶數，實現供電線路小區間化，降低設備故障跳閘率。

圖3 三分段三連接供電方式Fig.3 Three-sectioned and three-linked power supply mode

停電時間最小化主要取決于信息交互傳遞和搶修管控。如圖4所示，建設配電自動化系統，通過“站—線—變—戶”拓撲關系，實現在地理信息系統圖上故障點快速定位和快速隔離，同時打通自動化系統和配電生產運營指揮系統之間的信息傳遞，運用全球定位系統定位搶修車等技術手段，縮短配網故障搶修時間，快速修復故障，并反饋修復信息至配電自動化系統，實現遠程遙控以快速復電。

2.3 防停電FA建設

圖4 少停電和防停電FA建設示意圖Fig.4 Schematic diagram of decreasing-power outage and avoiding-power outage FA construction

防停電FA是故障停電管控建設的重點，包括線路智能自愈饋線自動化建設和配電生產管理指揮系統建設。首先，用戶線路是故障頻發區域，故障發生后容易擴大停電范圍，造成責任糾紛。若能在分支線路、用戶線路T接處(責任分界點)加裝分界開關，實現支線故障、用戶出門故障的快速攔截，防止某一用戶故障引起主干線及相鄰用戶停電，將有效地減少站內出線開關故障跳閘率，縮小停電范圍，實現預防停電，如圖4所示。其次，在有條件地區，可建設新型供電方式及分布式電源接入等，具備合環轉電條件的線路可推廣應用合環轉電技術。最后，建設配電生產管理指揮系統，對計劃、故障停電進行風險分析與管控，加強與自動化系統和95598電力客服電話聯動，實行狀態檢修，同樣可預防停電，如圖5所示。

圖5 自動化系統與營配一體系統信息傳遞Fig.5 Information transmission between automation system and marketing/distribution integration system

預防停電，還需考慮設備安裝調試和運行維護等環節造成的停電，一方面可在自動化建設設備選型時選擇不帶蓄電池的免維護智能設備，減少運維檢修次數，另一方面可推廣應用旁路開關和帶電作業車，實行不停電作業。

3 主干、分支、用戶故障智能自愈

10 kV架空線路或架空電纜混合線路更多位于城鎮及遠郊區，要實現故障線路快速自愈，綜合考慮投資少、見效快、易實施、免維護等因素，可選擇就地智能饋線自動化［8-10］。而10 kV電纜線路更多位于城市中心區和一般城區，負荷重，供電可靠性要求較高，可選擇集中控制型饋線自動化。下面分別就主干線路、分支線路和T接用戶線路，探討故障快速智能自愈的饋線自動化建設模式。

3.1 主干線故障智能隔離

主干線路故障智能自愈的目標是實現知停電和少停電，對于架空線路或架空電纜混合線路，從實用化角度出發，可考慮建設就地智能型饋線自動化，選用電壓時間型或電壓電流型自動化分段負荷開關。當線路發生短路故障時，變電站出線開關保護跳閘，通過變電站出線開關的重合閘和線路上分段開關電壓時間的邏輯時序配合，完成主干線路短路故障的隔離和非故障區間恢復送電。當線路發生單相接地故障時，變電站接地選線裝置選出故障線路，通過手動拉合站內出線開關和線路上分段開關電壓時間的邏輯時序配合，完成主干線接地故障的隔離和非故障區間恢復送電。

全電纜線路通常開環運行，一般建設集中控制型或分布智能型饋線自動化，選用負荷開關或斷路器。當線路發生故障時，通過配電主站與配電終端的集中處理邏輯、配電終端之間的分布智能邏輯實現故障隔離和非故障區域恢復送電。在有條件的地區，電纜線路可閉環運行，環網柜進線開關采用能夠遮斷故障電流的斷路器，建設分布式智能控制的網絡保護，在線路故障時直接跳開故障區段兩側斷路器切除故障，使非故障區段用戶的供電不受影響，實現智能隔離。

3.2 分支線故障智能攔截

分支線路故障智能自愈的目標是實現知停電、少停電和防停電，可在分支線首端設置分支分界點，選用快速分斷開關智能設備，防主干線停電。當分支線發生短路故障時，依靠分支分界快速分斷開關與變電站出線開關的保護級差配合，搶先于變電站出線開關跳閘，自動攔截分支線路的短路故障，有效減少變電站出線開關跳閘率。對于線路較長的分支線路，可合理設置電壓時間型或電流型自動化分段開關，實現分支線路少停電，其動作原理和主干線分段開關類似。

當分支線發生接地故障時，如果是小電阻接地系統，與分支分界快速分斷開關攔截短路故障處理方式類似;如果是消弧線圈接地系統，與主干線自動隔離單相接地故障的處理方式類似。

3.3 用戶線故障分界不出門

用戶線路故障智能自愈的目標是實現知停電和防停電，可在用戶T接點選用用戶分界開關智能設備“看門狗”，故障不出門，防主干線和相鄰用戶停電［2］。加裝“看門狗”的用戶線路，當用戶側發生故障時，“看門狗”可自動切除用戶側接地故障和自動隔離用戶側短路故障。如圖6所示，用戶分界開關利用故障發生時界內與界外明顯的故障電流差來判別和定位故障點，該方式故障檢出隔離原理適合于中性點經小電阻、消弧線圈和不接地系統。對于消弧線圈接地系統的長電纜線路，可結合五次諧波和間斷角等方式進行接地故障檢出。

圖6 分界開關故障檢出隔離原理Fig.6 Principle of fault detection isolation for boundary load switches

4 饋線自動化模式選擇

當前主流饋線自動化FA模式包括3種，分別是就地控制型、集中控制型和分布式智能控制型FA，這些饋線自動化模式都有各自的適用范圍。

(1)就地控制型FA系統不依賴于通信通道就能實現故障隔離，具有投資小，易于實現的優點，由于國內大多數電纜線路不允許進行故障重合閘，除分界開關型FA可適用于對供電質量要求較高的城市中心區、一般城區配電線路外，其他主要適用于城鎮及遠郊區配電線路。

(2)集中控制型FA系統能實現配電網故障隔離與運行監視，對架空與電纜線路都適用，由于需要通信通道及控制主站，相對投資較大，主要適用于城市中心、城鄉結合部等負荷較穩定區域。

(3)分布式智能控制型FA系統通過對等通信網絡與分布式智能控制，不依賴于主站完成配電網故障自愈控制，具有投資較小、易于實現的優點，由于需要網絡拓撲參數和鋪設通信通道，主要適用于網架結構比較簡單、穩定的配電線路，對網架線路經常變動的區域則不適用。

5 工程實踐

南方某市局10 kV配電線路采用中性點經消弧線圈接地系統，城市中心區以電纜線路為主，城鎮以架空線路為主，雷擊瞬時性故障較多，以單相接地故障為主。2008年9月，該局提出了以提高站內出線開關重合成功率、快速隔離故障點、躲避瞬時性故障、縮短故障停電范圍的饋線自動化建設思路。經過技術論證和篩選比較，最終選擇電纜線路以建設集中控制型FA為主并試點分布智能型FA，架空線路建設電壓時間型FA，分支線路和用戶線路建設分界開關型FA。圖7為自愈示意圖。

圖7 10 kV供電線路故障智能自愈示意圖Fig.7 Schematic diagram of self-healing system for 10 kV power supply line

如圖7所示，當主干線a點發生故障時，電纜線路集中控制型FA模式通過配電自動化主站數據采集站(data acquisition station，DAS)與配電終端數據終端單元(data terminal units，DTU)通信、分布智能型FA模式通過配電終端DTU之間對等通信，完成故障隔離與恢復供電。架空線路通過站內出線開關CB重合閘和分段開關的電壓時間邏輯時序配合，完成故障隔離和恢復供電，對于消弧線圈接地系統中接地故障，需在變電站內增加接地選線裝置選出故障線路。當分支線路或用戶線路b點發生故障時，不管架空線路還是電纜線路，均通過安裝在T接位置的分界型快速分斷開關自動切除負荷側短路和接地故障，躲避瞬時故障，避免波及主干線路及相鄰用戶。通信層根據不同FA模式可選用光纖或無線GPRS通信方式，第一時間上報線路故障信息和停電信息。主站系統層建設配電自動化系統，實現拓撲分析與數據解析，及時短信自動通報給一線運行維護人員，快速故障定位和指揮復電。

該局目前已投運超過3 000套電壓時間型智能設備和大量分界開關智能設備，多次成功隔離故障，隔離準確率達83%以上;故障段定位平均時間也從投運前2.2 h縮短到投運后的0.5 h內。故障跳閘約3 min后，急修人員收到故障短信，根據短信提示迅速對故障段進行排查，前后不到30 min就對故障段進行了隔離，通過倒閘操作恢復了非故障段線路用戶供電，整體有效地提高了供電可靠性。

6 結語

城市電網饋線自動化建設，既是技術問題，也是經濟問題。本文針對城市電網如何實現故障快速自愈，提出了圍繞主干線、分支線和用戶線分別進行知停電、少停電、防停電的停電管控饋線自動化建設思路，并對饋線自動化模式的選擇進行了總結與思考。工程實踐表明，文中提出的基于故障停電管控的饋線自動化建設模式，能夠避免停電或減少停電次數與停電時間，是實現城市電網故障快速自愈行之有效的技術手段，有投資少、見效快、易實施、免維護的特點，具有很好的推廣價值。

［1］李天友，徐丙垠.智能配電網自愈功能與評價指標［J］.電力系統保護與控制，2010，38(22):66-67.

［2］王彥坡.10 kV線路饋線自動化和故障定位"二遙"綜合系統的應用［J］.電工技術，2010，(9):65-67.

［3］趙月，何麗娟，姜海濤，等.配電網饋線自動化系統分析及技術實施要點［J］.電力自動化設備，2005，25(9):65-68.

［4］郭謀發，楊耿杰，黃建業，等.配電網饋線故障區段定位系統［J］.電力系統及其自動化學報，2011，23(2):18-23.

［5］郭上華，肖武勇，陳勇，等.一種實用的饋線單相接地故障區段定位與隔離方法［J］.電力系統自動化，2005，29(19):79-81.

［6］楊紹軍.基于智能開關設備的配電網線路自動化技術［J］.電力設備，2007，8(12):6-9.

［7］張延輝，鄭棟梁，熊偉.10 kV饋線自動化解決方案探討［J］.電力系統保護與控制，2010，38(16):150-156.

［8］孫陽盛，翁之浩，陳兵.中心城區饋線自動化實施模式探討［J］.華東電力，2007，35(12):66-69.

［9］楊獻智.中山配電網故障自動定位系統實踐［J］.電氣技術，2009，(12):103-104.

［10］唐海軍.基于GPRS的配電網饋線自動化模式的探討［J］.電力系統自動化，2006，30(7):104-107.