配電網自動化中故障處理模式比較分析

【摘要】在配電網中，采用何種模式實現故障處理對配網自動化的性能具有很大的影響，文章對配網自動化中現有的幾種故障處理模式進行了比較分析，以便在實際應用過程中作出選擇和加以完善。

【關鍵詞】配網自動化；故障處理模式；饋線

【中圖分類號】F407.67 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2012）09-0200-02

隨著配網自動化的發展，我國應用較為廣泛的輻射網供電結構，正逐步向手拉手供電的環網結構改造。這種手拉手供電的配網結構可使接入該網的用戶具有兩個或兩個以上電源供電的可能性。文章主要討論在該配網結構中的三種故障處理模式：基于主站監控的故障處理模式、基于系統保護的故障處理模式以及基于重合器的故障處理模式。

1、基于主站監控的饋線故障處理模式

基于主站監控的饋線故障處理是指完全由主站實現的饋線故障緊急控制。配電主站是大型配電網自動化建設的核心，作為控制中心，它依賴于通理、資料管理，使配電主站的功能更綜合、更緊密、更強大，成為信，實現配電網全局性的數據采集與控制。在這種模式中，需要在各開關上裝設饋線終端單元（FTU）。在正常情況下，各FTU分別采集相應柱上開關的運行情況信息，如負荷、電壓、功率和開關當前位置、貯能完成情況等，并將上述信息由通信網絡發向遠方的配電網自動化控制中心。各FTU還可以接受控制中心下達的命令進行相應的遠方倒閘操作。在故障發生時，各FTU記錄下故障前及故障時的重要信息，如最大故障電流和故障前的負荷電流、最大故障功率等，并將上述信息傳至控制中心，經計算機系統分析后確定出故障區段和最佳供電恢復方案，最終以遙控方式隔離故障區段，恢復健全區段供電。同時，以GIS為平臺實現了配電網的設備管理、資料管理，使配電主站的功能更綜合、更緊密、更強大，成為提供配電網保護與監控、配電網管理與維護的全方位自動化運行管理系統。

主站實現的饋線自動化功能如下：（參見圖1所示系統），當Sl與S2之間發生故障F1（非單相接地），線路出口保護使斷路器B1動作，將故障線路切除，實現故障識別：再根據裝設在S1處的FTU檢測到故障電流而裝設在開關S2處的FTU沒有故障電流流過，此時自動化系統將確認該故障發生在S1與S2之間，遙控跳開Sl和S2實現故障隔離，并遙控合上線路出口的斷路器B1，最后合上聯絡開關S3，完成向非故障區域的恢復供電。

這種基于通信的饋線自動化方案以集中控制為核心，綜合了電流保護、RTU遙控及重合閘功能，能夠快速切除故障，在幾秒到幾十秒內實現故障隔離，在幾十秒到幾分鐘內實現恢復供電。主站監控方案中故障識別、故障網絡拓撲分析、故障定位、故障負荷轉移都由配電主站集中處理，形成順序控制策略，再通過遠方通信逐項完成。配電網緊急控制功能及邏輯完全設置在主站中，對配電終端僅要求具有RTU功能。該方案是目前饋線故障處理的主流方案，能夠將饋線保護集成于一體化的配電網監控系統中，從故障切除、故障隔離、恢復供電方面都有效地提高了供電可靠性。同時，在整個配電自動化系統中，可以加裝電能質量監測和補償裝置，從而在全局上實現改善電能質量的控制。但是，采用這種方案的系統，所需要的設備多，必須要建設有效而又可靠的通信網絡，還存在電源問題，因此建設費用很高。且對配電網通信的依賴性強，當通信系統發生故障或控制中心故障時，不可避免地會導致整個控制系統癱瘓，失去故障隔離、恢復供電功能。這種完全依賴通信的主站集中式控制模式可靠性較差，應當考慮緊急控制功能的分布實現與下放。

2、基于重合器的饋線故障處理模式

配電系統發生故障后，該模式通過安裝在饋線上的重合器與分段器的動作配合實現故障的判斷、隔離與恢復非故障線路的供電，整個故障處理過程無需通訊與子站/主站系統的參與。根據故障判斷原理的不同，該模式又可分為以下三種。

2.1 重合器+電壓檢測處理模式

此故障處理模式不需要通信手段。變電站出口開關具有故障跳閘并可進行兩次重合。配電線路分段開關為電壓一時間型分段器，當開關兩側失壓后可自動分閘。當一側加壓后，經過一定的延時t后可自動合閘（常開開關要等判斷出故障位最后再合閘，因此對應的t延時要比常閉的時間長，記為t1），進入故障檢測階段，合閘于故障時，在未超過時限t2的時間內再次失壓，開關將分閘并閉鎖。當L2線段上發生故障時，K1跳閘，S1、S2由于兩側失壓自動分閘，K1經一定延時后第一次重合，S1的右側感受到電壓，經t延時后自動合閘，S1進入故障檢測延時階段（經t2延時后復位）。由于發生故障，K1再次跳閘，S1在t1延時內失壓，半分閘并閉鎖。K1經一定延時后第二次重合，恢復到L1的供電。由于聯絡開關S5也是電壓一時問分段器，因此在上述故障處理過程中，S5的上側將檢測到失壓，經t1延時（此時已將故障段的一側開關Sl閉鎖）后閉合，剩下的過程與上述過程同。

2.2 重合器+電流檢測處理模式

此故障處理模式不需要通信手段。變電站出口開關具有檢測故障電流并按預定的次數進行多次重合功能，重合失敗則閉鎖。配電線路分段開關為過流脈沖計數型分段器，當流過故障電流次數超過整定次數時，在無電流狀態下分閘。K1重合次數整定為3次，Sl計數次數整定為3次，S2計數次數整定為2次。當L2線段上發生故障時，S1、S2過流計數1次，K1跳閘后第一次重合，如為瞬時故障，則恢復供電，S1、S2經過一定時間后自動計數清零。如是永久故障，S1、S2過流計算為2次，K1再次跳閘，由于S2的過流次數達到限值，S2進行分閘。K1經一定延時后第二次重合，S1過流計數為3次，K1跳閘，由于S1的過流次數達到限值，S1進行分閘，將故障段IJ2隔離。K1經過一定延時后第三次重合，實現對線路L1的恢復供電。

以上兩種方式都屬于重合器和分段器相配合的方式。這種基于重合器和分段器配合的系統具有結構簡單、建設費用低廉的優點，而且不需要建設通信網絡，所有設備均是自具的，因此不存在電源問題。但是這種方式存在以下不足：

（1）這種方式雖然在發生故障時，能夠判斷故障區段，并能自動隔離故障區段，恢復健全區域供電，但是在正常情況下，卻不能實時監視線路的負荷，因此無法掌握用戶用電規律，也難以優化和改變運行方式，在事故后配電網絡重構時，也無法確定最優恢復方案。

（2）在發生了單相接地的異常情況下，不能為單相接地的查找提供輔助信息。

（3）這種方法在多于兩個電源的開環運行的網絡中，當故障發生后，雖然可以自動隔離故障區段，但是在恢復健全區段供電時，無法優化確定最佳恢復方式；在環網閉環運行方式下，自動隔離故障區段的作用難以實現。

（4）在非正常運行方式下，即聯絡開關處于合閘狀態，而將饋線上其他分段開關分斷作為臨時聯絡開關使用時，因與分段器的常規整定情況不符，這種系統將會發生紊亂。為此需派人去現場重新設置定值，非常不方便。

（5）這種系統在線路故障時，分段開關不立即分斷，而要依靠線路出口的重合器跳閘，這樣做是不理想的，主要表現為：切斷故障的時間較長，且對設備沖擊較大；依靠線路出口的重合器保護整條饋線，降低了系統的可靠性；由于必須分斷重合器，因此實際上擴大了事故范圍，若重合器拒分，會進一步擴大事故范圍。

2.3 重合器+重合器處理模式

用重合器代替圖1中的各自動配電開關，當饋線上發生故障時，如果流過重合器的電流超過其定值或重臺器失壓，則重合器跳閘，并按預先整定的動作順序和次數進行合一一分的循環操作。若重合成功（瞬時性故障），則終止后續動作，經一定延時后的合閘操作后閉鎖在分閘狀態，饋線的故障區段被隔離，這時只能通過手動解除閉復歸，準備好下一次的動作；若重合不成功（永久l生故障），則完成整定次數鎖。顯然重合器是通過對重合次數和動作特性（時間一電流特性）的整定實現對故障區段隔離和對非故障區段的恢復供電。由此看出：采用這種方法，故障發生時不會影響線路健康段的供電連續性，停電時間也最短，供電質量得到了很大的提高。然而重合器和重合器配合的方式也存在以下不足：

（1）重合器也要多次重合才能隔離故障，對配電系統和一次設備沖擊影響較大。

（2）環路上重合器之間保護的配合靠延時實現，顯然分段越多，保護的級差越難配合。

（3）為與重臺器保護級差配合，變電站出線斷路器是最后一級時限速斷保護，分段重合器越多，出線開關限時速斷保護延時就越長，對配電系統影響也越大。

（4）由于要求重合器的開關具有切斷故障電流的能力，開關容量大，因此投資比較大。

3、基于系統保護的饋線故障處理模式

系統保護模式是利用良好的網絡通信和分散安裝的配電終端實現的具有特殊原理的全線速動式區域性饋線保護。在饋線網絡上發生相問故障或三相故障后，安裝在各開關處的FTU立刻起動，并判斷自身的功率方向，然后通過快速現場總線與相鄰FTU通信，綜合比較后確定出發生故障的區段，跳開該區段兩端的開關，完成故障隔離。

如圖2所示，該系統采用斷路器作為分段開關。當F1處發生永久性故障時，URl、UR2、UR3立即起動，并計算自身狀態。由圖中故障位置可知，URl、UR2過流且功率方向為正，UR3失壓且無流。

為了確保通信的可靠性、實時性，由各FTU依次向其相鄰的FTU發送自身的故障狀態信息。URl本身故障狀態為過流且功率方向為正，并收到UR2的過流且功率方向為正的報文，判斷出故障不在A、B之間，于是將A閉鎖。

UR2本身故障狀態為過流且功率方向為正，并收到URl和UR3的狀態報文。URl的狀態為過流且功率方向為正，UR3的狀態為失，NN無流，因此UR2判斷出故障發生在B、c之間，于是瞬時跳開B。

UR3本身故障狀態為失壓且無流，收到的UR2的故障狀態信息為過流且功率方向為正，判斷出故障發生在B、c之間，但因為UR3自身故障狀態為失壓且無流，所以它并不立刻跳開c。

UR2跳開B后，經一很短延時使其重合。因為故障仍然存在故UR2加速跳開B并將其閉鎖，然后再向c發令，使其跳開，完成故障隔離。

c跳開后，UR3向UR4發合閘報文，這時UR4可根據故障前c、E兩處的負荷情況判別是否合上聯絡開關D，恢復CD段供電。

饋線系統保護在很大程度上延續了高壓線路縱聯保護的基本原則，在通信方案上借鑒了全分布式母線保護的原理。它利用通信實現了保護的選擇性，將故障識別、故障隔離、重合閘、恢復供電一次性完成。它具有以下優點：一次性快速處理故障，進一步提高了供電可靠性；快速切除故障，由于故障切除時間很短，對于絕大多數電動機類負荷的電能質量沒有影響；直接將故障隔離在故障區段，不影響非故障區段；保護功能完全下放到FTU，無需配電主站、子站配合，使饋線故障的處理具有更高的可靠性。

然而，這種模式是依靠相鄰FTU之間進行可靠快速的通信來完成故障處理的，對配電網通信條件和FTU硬件水平的要求較高。但隨著配網自動化技術的發展，很多大中城市的城市配電網都建成了條件很好的通信網絡，并采用具有先進硬件平臺的FTU，因此完全可以利用此模式來完成故障處理功能。

4、結語

文章討論了配網自動化中三種典型的故障處理模式，經過比較分析可以看出，系統保護模式較其它兩種模式，其保護功能完全下放，力求在FTU終端裝置上實現饋線保護功能，這對于提高配電網故障處理的響應速度和供電的可靠性是很有意義的，配電網系統保護提供了一種采用分散安裝的保護裝置利用快速通信實現的協同控制功能，該系統同樣適用于配電網中的另一個關鍵問題一一小電流接地故障的識別與查找，因此，該模式更具有廣泛的應用空間。