智能一體化電纜故障隔離裝置研究

李樹平

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150090)

隨著用戶對配電網(wǎng)供電可靠性的要求越來越高，減少故障停電對用戶的影響、提高配電網(wǎng)供電可靠性是電力企業(yè)面臨重要的課題。

目前，中國配電網(wǎng)電纜線路運行監(jiān)控設(shè)備少、故障處理自動化水平低、恢復(fù)供電時間長，因此開發(fā)可靠的智能化電纜故障隔離裝置、實現(xiàn)電纜網(wǎng)故障隔離和非故障設(shè)備快速恢復(fù)供電、縮小停電范圍是保障配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要手段，對提高城市供電可靠性具有重要意義［1］。基于此，本文研制了智能一體化電纜故障隔離裝置。

1 隔離裝置工作原理

故障隔離是指通過打開故障區(qū)與網(wǎng)絡(luò)其他部分關(guān)聯(lián)的開關(guān)，把故障限定在最小的范圍內(nèi)［2］。目前，電纜故障隔離裝置按控制方式主要有以下幾種。

1.1 就地全斷路器控制方式

就地全斷路器控制方式隔離裝置處理永久性故障的過程如圖1所示。

正常運行情況下，聯(lián)絡(luò)開關(guān)HW在分閘狀態(tài)，CB1、CB2、FD1～FD4在合閘狀態(tài)。D1點故障后，CB1速斷保護(hù)動作跳閘，F(xiàn)D1、FD2失壓跳閘，CB1重合閘動作重合成功，F(xiàn)D1重合于故障點，F(xiàn)D1后加速動作跳閘，聯(lián)絡(luò)開關(guān)HW重合成功，F(xiàn)D2重合于故障，F(xiàn)D2后加速跳閘。通過以上8次動作，實現(xiàn)故障判斷，切除了D1故障點，非故障設(shè)備恢復(fù)供電。采用這種方式最多只需一次重合閘，開關(guān)動作次數(shù)少，對系統(tǒng)及用戶影響小。這種控制方式通過認(rèn)定開關(guān)動作邏輯判斷故障，開關(guān)控制器之間不需要通訊。此種方案缺點是裝設(shè)的聯(lián)絡(luò)、分段開關(guān)設(shè)備皆為斷路器，投資較大。

1.2 就地斷路器加分段器的控制方式

就地斷路器加分段器的控制方式隔離裝置處理永久性故障過程如圖2所示。

變電站出口斷路器需要二次重合才能實現(xiàn)故障隔離。斷路器頻繁動作影響使用壽命，維護(hù)成本較高，對系統(tǒng)及用戶影響比較大。由于使用了負(fù)荷開關(guān)，投資較少。

圖1 全斷路器就地控制故障處理過程Fig．1 Local control fault handling process of whole circuit breaker

圖2 斷路器+分段器就地控制故障處理過程Fig．2 Circuit breaker+sectionalizer local control fault handling process

1.3 遠(yuǎn)方集中控制方式

遠(yuǎn)方集中控制方式隔離裝置要依靠通信支持實現(xiàn)全網(wǎng)控制。將斷路器、變壓器、開閉所終端設(shè)備(DTU)、饋線終端設(shè)備(FTU)、配變終端設(shè)備(TTU)集成為具有數(shù)據(jù)采集、傳輸和控制功能的智能化設(shè)備，并通過通信與主站結(jié)合，構(gòu)成一個完整的饋線自動化系統(tǒng)。

采用這種方式的隔離裝置，分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)只告警、不跳閘，用于向主站發(fā)信。配電網(wǎng)中發(fā)生故障時，故障信息上送至主站，由主站判斷故障位置，遙控開關(guān)動作，將故障設(shè)備切除。這種方式對通信通道可靠性要求較高，當(dāng)通訊通道故障時主站無法實現(xiàn)故障隔離，故障停電范圍將擴(kuò)大。要求通訊方式可靠，處理過程如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)方集中控制方式故障處理過程Fig．3 Far centralized control mode fault handling process

2 智能一體化電纜故障隔離系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 控制方式研究

通過對當(dāng)前3種電纜故障隔離裝置控制方式的分析，提出了智能一體化控制方式，即有效結(jié)合就地、集中兩種控制方式的優(yōu)點，利用就地控制的優(yōu)點彌補(bǔ)遠(yuǎn)方集中控制的缺點，使設(shè)備故障處理方式達(dá)到最優(yōu)。其原理是:10 kV配電線路每臺開關(guān)設(shè)備都安裝智能 DTU、FTU，借助于通訊網(wǎng)絡(luò)，各FTU相互通信監(jiān)視其他設(shè)備運行狀態(tài)，判故障性質(zhì)、位置。在設(shè)備永久性故障時，直接跳開故障點兩側(cè)的斷路器切除故障點，控制系統(tǒng)前的設(shè)計動作時間小于0.3 s，變電站出線保護(hù)延時設(shè)定要大于等于0.5 s，變電站的出線斷路器不會動作。當(dāng)故障點與上級通訊中斷時系統(tǒng)自動閉鎖，運行方式轉(zhuǎn)變?yōu)榫偷胤植际娇刂品绞剑瑥亩鉀Q了通訊可靠性對系統(tǒng)可靠性的影響問題［3］。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)按照智能一體化的控制方式進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計理念是一、二次一體化，控制裝置與通訊一體化，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 智能一體化電纜故障隔離設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Fig．4 Integrated intelligent cable fault isolation device structure schematic program

系統(tǒng)借助通信系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)傳輸效率高，保證故障處理時間小于0.3 s。故障測控裝置采用緊湊型設(shè)計，高度集成，有效節(jié)約了安裝空間，符合配電設(shè)備小型化的發(fā)展方向。開關(guān)設(shè)備選用永磁機(jī)構(gòu)斷路器，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。電壓互感器采用了電子式電壓互感器，無磁飽和現(xiàn)象，抗電磁干擾能力強(qiáng)，無二次開路產(chǎn)生高壓的危險，安全性好。操作電源采用高性能鋰電池，由電流互感器提供電源為其充電，使用壽命長，可在－20～+60℃下運行。

充分考慮它的開放性和兼容性，其他廠商的二次終端設(shè)備以及主站只要規(guī)約相同都可接入。裝置對一次開關(guān)設(shè)備具有自適應(yīng)能力，經(jīng)過裝置的軟件設(shè)定就可安裝于負(fù)荷開關(guān)或斷路器上，對已運行的配電網(wǎng)不需要對開關(guān)本體設(shè)備進(jìn)行改造，加裝電動機(jī)構(gòu)即可適用于本系統(tǒng)。裝置對通訊系統(tǒng)的適應(yīng)能力較強(qiáng)，如配電載波、移動通訊GPRS、EPON光纖通訊等，無通訊方式的情況下，可改為就地控制方式。

2.3 系統(tǒng)主要技術(shù)特點

系統(tǒng)具有良好的選線與故障識別功能。目前10 kV配電網(wǎng)電纜采用過補(bǔ)償經(jīng)消弧線圈接地方式，此時故障線路上零序電流方向與正常線路相同，尤其是零序電流特別小時，給判別接地故障帶來很大的困難。基于上述原因在國內(nèi)首次提出故障突變量的比較作為輔助判據(jù)，并實時跟蹤零序電流的方向來區(qū)分是母線還是分支線路，提高了判別方法的準(zhǔn)確度。

采用通過電纜屏蔽層進(jìn)行耦合的載波通訊方式，無需架設(shè)通訊線路。以智能控制裝置為網(wǎng)絡(luò)結(jié)點，利用配電線路固有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通訊來滿足智能故障隔離系統(tǒng)需要。配電載波的耦合方式有2種:單相耦合和相間耦合，通過對2種通訊方式配電線路故障通信通道衰耗模擬試驗和分析，相間耦合方式具有較高可靠性，完全可以應(yīng)用于線路發(fā)生故障時的緊急控制。這種通信系統(tǒng)的最大優(yōu)點是不需要建設(shè)通訊線路，只須安裝終端設(shè)備，投資較少，適合于現(xiàn)有的配電系統(tǒng)建設(shè)和配電自動化。

2.4 系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能

智能一體化電纜故障隔離裝置系統(tǒng)能在運行中監(jiān)視配電系統(tǒng)運行工況，對系統(tǒng)發(fā)生的故障實時判斷故障的性質(zhì)及位置，自動切除故障，恢復(fù)非故障區(qū)域供電。在配電系統(tǒng)故障影響系統(tǒng)通訊時，裝置立即由智能隔離轉(zhuǎn)換為就地控制，通訊系統(tǒng)故障不影響配電系統(tǒng)故障隔離，適合于配電載波系統(tǒng)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用。

2.5 應(yīng)用案例

智能一體化電纜故障隔離裝置的開發(fā)建立在智能電網(wǎng)規(guī)約的基礎(chǔ)上，符合國家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，是典型的智能配電網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。裝置研制成功后，2011年在牡丹江部分配電網(wǎng)中投入使用，即在5臺環(huán)網(wǎng)柜中的10臺斷路器中裝設(shè)了智能一體化故障隔離裝置，2012年11月投入運行，至今已運行近2 a。系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，為電網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)運行提供了有力保障。

3 結(jié)語

智能一體化電纜故障隔離裝置的研制與應(yīng)用實現(xiàn)了配電網(wǎng)電纜故障準(zhǔn)確隔離，非故障設(shè)備快速恢復(fù)供電，縮小了停電范圍。同時該裝置在配電網(wǎng)中的使用，也保障了配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，提高了城市配電網(wǎng)的供電可靠性。

［1］洪波．配電系統(tǒng)故障隔離和恢復(fù)的幾種方式及特點［J］．云南電力技術(shù)，2001(S1):30 32．HONG Bo．Some methods and characteristics of distribution system fault isolation and recovery［J］．Yunnan Electric Power Technology，2001，29:30 32．

［2］張小妹．基于配網(wǎng)GIS的故障隔離與恢復(fù)方法研究與實現(xiàn)［D］．武漢:華中科技大學(xué)，2009．ZHANG Xiaomei．Study and Implementation on fault isolation and restoration method based on distribution network GIS［D］．Wuhan:Huazhong University of Science and Technology，2009．

［3］羅朝偉，華芬，沈鴻彥，等．智能配電網(wǎng)絡(luò)故障隔離技術(shù)研究與實現(xiàn)［J］．微計算機(jī)信息，2011，27(4):177 178．LUO Zhaowei，HUA Fen，SHEN Hongyan，et al．Study and implementation on intelligent distribution network fault isolation technology［J］．Micro Computer Information，2011，27(4):177-178．