10 kV饋線自動化實現方式分析

單衛民,梁志瑞，郭海全

(1. 華北電力大學，河北 保定 071003；2. 石家莊供電公司， 石家莊 050051；3.河北省電力公司，石家莊 050021)

隨著社會的進步與經濟的發展，用戶對供電質量和供電可靠性的要求越來越高，實現配電網自動化勢在必行[1]。饋線自動化(Feeder Automation，FA)可以實現每條饋線運行方式和數據采集的監視，是配電自動化的重要內容之一。通過實施饋線自動化，當饋線在運行中發生故障時，能自動進行故障定位，從而實施故障隔離和恢復對非故障區域的供電，提高供電可靠性[2]。集中控制型饋線自動化(即實現“三遙”)以其快速可靠的優點在近些年得到較快發展，尤其是在供電可靠性要求高的地區已得到應用并取得一定成果，但因為其投資較大而無法在普通區域得到全面推進。同時傳統饋線自動化方式因為存在著故障隔離時間長、出線開關動作頻繁、不能有效縮小停電區域的缺點而不能滿足供電可靠性要求，所以一些較為經濟實用、在傳統饋線方式基礎上改進的饋線自動化方式在各地取得一定的發展[3-5]。

1 石家莊市試點區域配電網一次網架現狀

石家莊配電自動化試點區域基本位于市區中部繁華地帶，北起和平路、南至槐中路、西起休門街、東至翟營大街，占地面積約20.5平方公里，試點區域內涉及民生、廣安、方北3個變電站,該試點區域10 kV饋線主要由架空網絡、電纜網絡、架空和電纜混合網絡構成。其中架空線路26條，為多分段多聯絡網絡，以三分段三聯絡為主。電纜線路45條，主要為雙放射，少數為單環網接線。試點區域內有對供電要求高的政治、文化、商業中心及重要工業用戶，同時也包括居民小區及用戶用電等一般性負荷。從一次網架結構上看，該區域的配網結構較為復雜，為配電自動化的實施帶來不便；從對供電可靠性的要求上看，該區域具有明顯的層次性，為多種故障處理方式的并存提供了可能。目前，石家莊市已有部分區域開始推行饋線自動化和二遙故障定位的綜合系統，并取得初步成效，但還未真正實現全局性的配電自動化。

2 饋線自動化實現方式分析

由于石家莊市試點區域的一次網架現狀較為復雜，有架空線路、電纜線路、架空電纜混合線路，可以根據不同的網架結構結合變電站保護、配電線路上配置的各種類型的開關設備、自動化終端設備采用不同故障處理模式。

2.1 集中型全自動FA

集中型饋線全自動化FA是目前饋線自動化普遍采用的模式，是通過安裝配電終端監控設備，并建設可靠有效的通信網絡將監控終端與配電主站/子站相連，再配以相關的處理軟件所構成的高性能系統。該系統在正常運行情況下，遠方實時監視饋線分段開關與聯絡開關的狀態和饋線電流、電壓情況，并實現線路開關的遠方合閘和分閘操作以優化配網的運行方式，從而達到充分發揮現有設備容量和降低線損的目的。在故障時獲取故障信息，配網主站/子站根據FTU采集的信息進行故障定位，自動隔離故障點，恢復非故障區段的供電，從而達到減小停電面積和縮短停電時間的目的。

2.2 二遙+故障定位

二遙+故障定位是通過故障定位指示器與通信單元的組合，當某一區段發生故障時，該區段指示器會發出報警信號，同時把故障信息上傳給主站，主站接到報警后，急修人員根據故障指示的位置趕到現場手動隔離故障區段。

2.3 二遙+饋線自動化

二遙+饋線自動化是在已有斷路器的基礎上安裝帶有自動化功能的FTU，并改進電源變壓器的構造、接線，使之不依賴主站就可以實現就地故障定位及隔離，同時把狀態、電壓、電流等遙測遙信量上傳至主站，實現主站的拓撲分析與監控。

2.4 改進型就地控制饋線自動化

改進型就地控制饋線自動化是通過智能柱上斷路器與智能柱上負荷開關將饋線分成若干區段，實現對饋線的分段監測、控制，故障時只跳開靠近故障區域的下游開關，以減小停電區域，同時應用線路分段故障隔離技術，使線路設備保護與變電站進行有效配合。

3 饋線自動化實現方式的應用

3.1 集中型全自動FA方式的應用

集中型饋線自動化通過配電主站和配電終端(FTU)的配合，實現三遙自動化功能，從而實現配電網內故障區段的快速切除與非故障區段的自動恢復供電。對正常供電運行的監控，可通過與上級調度自動化系統、生產管理系統等其他應用系統的互聯，建立完整的配網模型，實現基于配電網拓撲的各類應用功能，為配電網生產和調度提供較全面的服務。但該方式對一次設備要求較高，在饋線自動化區域的分段開關、聯絡開關采用的斷路器或負荷開關、開閉站、環網柜等均需配備具有三遙功能的FTU，且需加裝電動操作機構，使其可通過終端進行遠方控制。通過可靠、高效的光纖通信手段，由配電主站或子站實現快速故障定位、隔離和恢復非故障區域供電。該方式自動化程度較高，可及時隔離故障、恢復非故障區域供電，避免了人為操作錯誤，但其投資較大。對于市中心及重要負荷區域可采用集中型全自動饋線方式來提高供電可靠性與電能質量。該方式較多應用于手拉手環網中，其具體的隔離過程如圖1所示。

圖1 集中全自動FA方式實例

圖1為集中全自動方式在常見手拉手環網中應用的典型案例，Ck1、Ck8為電源側出口斷路器，k2-k7為分段開關，其中k5為聯絡開關。FTU1-FTU8分別為各開關對應的監控配電終端。若Ck1、k2點之間發生永久性故障，其故障隔離過程為：

a. Ck1檢測到故障后跳閘，接著延時重合閘，再次檢測到故障并跳閘，重合閘閉鎖；

b. 主站收到Ck1的開關變位和事故信號后，將故障點定位在Ck1和k2之間；

c. 主站發出控分命令，跳開k2，將故障區域隔離。隔離成功后，主站接著發出控合命令，合上k5，恢復非故障區域的供電。

同理，若k3出口側發生永久性故障，其故障隔離過程為：

a. Ck1檢測到故障后跳閘，接著延時重合閘，再次檢測到故障并跳閘，重合閘閉鎖。同時FTU2和FTU3這2臺FTU在檢測到電流超限值并且持續失壓后，產生故障遙信并上傳；

b. 主站收到Ck1的開關變位和事故信號及FTU2和FTU3的故障信號，將故障點定位k3之后；

c. 主站發出控分命令，跳開k3，將故障區域隔離。隔離成功后，主站接著發出控合命令，合上Ck1，恢復非故障區域的供電。所以集中全自動FA方式主站能及時分析故障點位置，可以避免人為操作錯誤且能快速隔離故障區域，恢復非故障區域的供電。

3.2 二遙+故障定位方式的應用

故障定位系統是由光纖型故障指示器和通信單元組成的1個“二遙”自動化系統。“二遙”故障定位可以實現故障指示，同時把故障信息傳送給綜合主站，主要應用在電纜線路中，可以配合饋線自動化使用。它通過故障指示器的檢測探頭檢測電纜線路的負荷電流及故障電流，判斷其線路是否存在短路故障；由專用檢測探頭檢測接地零序故障電流，并通過光纖將故障信息發送到外接顯示單元，實現就地故障指示，以便在通信通道故障的情況下通過人工快速地找到故障點。此外，測量探頭又通過另1根光纖將正常的負荷電流值以及故障信息發送到遠傳終端的光學數據單元(ODU)上。該模塊與通信模塊相連，將所采集到的數據上傳到主站，從而實現故障定位與電流采集的功能。搶修人員可以根據主站綜合判斷得出的故障位置到現場手動隔離故障區段。實時采集的遙測值可用于配網線路的統計分析、運行管理和規劃。該方式下的實例分析見圖2。

圖2 二遙+故障定位FA方式實例

圖2為二遙故障定位在常見的電纜雙側電源單環式中的應用，若k4和k5之間發生接地故障，將會造成全線路短時間停電，k4與k5處會發出故障報警信號并快速上傳至主站平臺，搶修人員根據報警信號第一時間趕到k4與k5處，手動跳開分段開關隔離故障，然后檢查k4、k5之間故障處并進行檢修。所以該方式一般適用于對供電要求不是很高的電纜線路，對于供電可靠性高的電纜線路，一般采用集中型全自動FA方式。

該方式對供電可靠性要求不是很高、采用電纜線路的一般性負荷較為經濟實用，在電纜線路上安裝故障定位終端，雖然無法進行準確地故障點定位及自動故障隔離，但可大大縮短人工查找故障的時間，只要人工及時操作，同樣能很快手動隔離故障，且該方法不需配備高要求設備及光纖通道。所以該方式具有投資少、見效快的優點，但主站需要時刻監控，值班人員不能離崗。

3.3 二遙+饋線自動化方式的應用

該方式是在已有斷路器的基礎上安裝帶有自動化功能的FTU，并改進電源變壓器的構造、接線，所以投資較少、見效較快，同時不失其隔離故障的功能，較多應用于供電可靠性稍低的架空線路中。該方式下故障隔離過程見圖3。

圖3 二遙+饋線自動化FA方式實例

圖3中，若A點發生單相接地故障，站內接地告警，按小電流系統指示或依次拉閘確定接地故障線路，斷開Ck1時告警消失。數秒合上Ck1，k2延時閉合至故障點A，若為瞬時性故障，則線路恢復供電；若A點發生的為永久性故障，則k2依零序電壓-時限原理判定故障，直接分閘切除故障段，k3則自動設置閉鎖，聯絡開關k4延時閉合后，k3后段恢復供電。若A點發生相間短路故障，Ck1跳閘，k2、k3失電壓分閘。數秒后Ck1重新合閘，Ck1延時閉合至故障點A，若A點為瞬時性故障，則線路恢復供電；若A點發生的是永久性故障，則Ck1再次跳閘，k2、k3均閉鎖，Ck1重合后k2前段恢復供電，聯絡開關k4延時閉合后，k3后段恢復供電。所以采用該方式，可以有效地隔離故障，同時把狀態電壓、電流等遙測、遙信量上傳至主站，達到主站對各段的監控與分析。

3.4 改進型就地控制饋線自動化方式應用

針對傳統的饋線方式出線開關動作頻繁、不能縮小停電區域、反復重合停電的缺點，改進的就地控制饋線自動化主要通過增設斷路器和負荷開關將主干線分為幾段，實現對饋線的分段監測與控制，同時應用線路分段故障隔離技術，通過有效地配合來減少出線斷路器的跳閘次數[6]，提高重合閘成功率。該方式下的故障隔離具體過程見圖4。

圖4 改進型就地控制FA方式實例

在圖4中，通過增設斷路器與負荷開關將主干線分為兩段，其中CB為饋線出線斷路器(帶時限保護延時較長)，FB為主干線分段斷路器(帶時限保護延時較短)，ZB為分支線分界斷路器(帶時限保護延時短)，FSW為主干線分段負荷開關，ZSW為分支線分段負荷開關。該方案主要通過有效的配合使線路實現分段控制。若主干線Ⅱ段內FSW2出口側發生永久性故障，FB先跳閘，FSW2、ZB、ZSW1、ZSW2失壓，數秒后FB第一次合閘，FSW2一側有壓，延時數秒后合閘，由于永久性故障，FB再次跳閘，FSW2分閘并閉鎖合閘，數秒后FB再次合閘，這樣成功隔離了故障區域。若分支負荷側ZSW1出口側發生故障，ZB先跳閘，ZSW1、ZSW2失壓，數秒后ZB第一次合閘，ZSW1、ZSW2一側有壓，如ZSW1延時5 s后合閘，ZSW2延時10 s合閘，ZSW1先合閘，ZB又一次跳閘，ZSW1分閘并閉鎖合閘，數秒后ZB二次重合，ZSW2一側有壓，10 s后合閘，這樣成功隔離了ZSW1側的故障。

該方式主要適用于非城市中心對供電要求不高的架空網絡，同時增設斷路器、負荷開關較為方便的區域負荷及用戶。在該方式中增加FTU同樣可以將遙測、遙信量上傳至主站，實現主站對全網的拓撲分析與監控。但該方式對設備之間的配合度要求較高，所以對設備的選取及事先分析顯得較為重要。另外，該方式在南方電網中已初步應用并取得一定成果，為該方案的設計提供了理論支持。

4 結論及建議

通過上述分析，從可靠性與經濟性角度出發，在配電網中對于供電可靠性高的政治中心等重要負荷應采用集中型全自動FA方式以方便對整個系統的監控；對于供電可靠性稍低的負荷，在電纜線路采用二遙故障定位、在架空線路采用二遙饋線自動化方式即可滿足需求；對于供電要求不高的非城市中心區域的架空網絡，采用改進型就地控制饋線自動化方式較為簡單，且經濟實用。

對于石家莊市試點區域較為復雜的一次網架結構，從可靠性與經濟性出發，考慮到試點區域主要為市中心繁華地帶，所以建議以集中型全自動FA方式為主，但同時作為其他區域配網發展的模范，同時應兼顧其他幾種方式，充分體現從半自動化到逐步改造為全自動化的過程。對于和平路和槐中路附近區域，建議其電纜線路采用二遙故障定位方式、架空線路采用二遙饋線自動化方式；對于休門街、翟營大街附近區域的架空線路，建議采用改進型就地饋線自動化實現方式。

參考文獻：

[1] 李劍峰，宋 丹．我國農村饋線自動化模式的探討[J]．東北電力技術，2010(3)：9-11.

[2] 方富淇．配電網自動化[M]．北京：中國電力出版社，2000．

[3] 黃漢棠．地區配電自動化最佳實踐模式[M]．北京：中國電力出版社，2011．

[4] 陳 剛，李曉明，曾 鵬，等．配電及饋線自動化技術探討[J]．湖北電力，2009，33(3)：28-30.

[5] 高艷平，陳 林，楊 健．鄭武線饋線保護存在問題分析及改進措施[J]．電力科學與工程，2006(3)：41-43．

[6] 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)：150-152.