基于智能FTU的配電網饋線保護與重構方案研究

殷　軍方國保徐光年屠楚明

（1. 國網嘉興供電公司，浙江 嘉興　314033；2. 國網安徽岳西縣供電公司，安徽 岳西　246600；3. 國網浙江海鹽縣供電公司，浙江 海鹽　314300）

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基于智能FTU的配電網饋線保護與重構方案研究

殷軍1方國保2徐光年3屠楚明1

（1. 國網嘉興供電公司，浙江 嘉興314033；2. 國網安徽岳西縣供電公司，安徽 岳西246600；3. 國網浙江海鹽縣供電公司，浙江 海鹽314300）

隨著太陽能、風能等新能源接入配電網，顛覆了傳統配電網單向潮流的特征，配電網的饋線保護與重構成為了實際生產中亟待解決的難題。本文結合常規饋線自動化的保護方式，提出一種智能饋線終端單元（FTU）的設計方案。從工程實現角度，提出了基于智能FTU的配電網饋線保護與重構方案，用于提高饋線保護的選擇性和重合成功率，保證電網供電可靠性。

饋線自動化；智能FTU；故障隔離；故障恢復

配電自動化（Distribution Automation，DA）利用現代電子、通信、計算機、網絡和圖形等技術對配電網和電力用戶在正常運行下和突發事故下實行檢測、保護、控制和管理的一門技術［1］。配電自動化主要包括：用戶需求側管理自動化、饋線自動化、變電站綜合自動化、配電管理自動化這四個層次，其中饋線自動化對于改善供電質量，提高供電的可靠性起著重要作用［2］。

目前有關饋線自動化的研究與實際應用，一般利用分布安裝于 10kV饋線線路各節點上的饋線終端單元（FTU），對線路電壓、電流等進行實時采集，并通過光纖、無線、載波等通信方法將檢測的各種接地特征電氣量上送到配電自動化子站或主站。在子站/主站上，綜合應用整個配電線路各節點的特征量，通過模糊技術、人工智能技術、小波技術等方法尋找故障點，并通過通信方法控制開關，隔離故障區域［3-5］。然而常規饋線自動化系統在發生短路故障時通過饋線出口保護，切除整條饋線；FTU裝置之間沒有相互通信，無法實現有選擇的切除故障段，擴大停電范圍，降低了供電可靠性。

隨著控制技術的發展，配電終端FTU的硬件性能足以完成更多的功能，包括RTU功能、保護功能、濾波功能、開關的狀態監測和智能維護功能等［6-7］。因此，本文首先提出了一種智能型FTU，不僅包含了常規FTU的功能，而且在自動化和智能化方面更加完善，可替代傳統饋線自動化中主站和子站的基本功能。在此基礎上，本文又著重研究了基于新型智能FTU的網絡故障隔離與自愈技術，它能根據前后智能FTU裝置間的通信，變電站出口保護作為后備保護配合動作，實現有選擇的切除故障段，最大限度的減少停電范圍，實現了饋線保護的選擇性要求；同時能夠有效提高分段開關重合與網絡重構的成功率，加快了供電恢復速度，保證供電服務水平。

1　智能饋線終端裝置（FTU）的原理

1.1智能FTU介紹

饋線終端裝置簡稱FTU（Feeder Terminal Unit），安裝在10 kV饋電線路上監控柱上開關，完成遙測、遙信、遙控以及故障檢測功能，同時與配電主站進行通信，傳送配電系統運行工況及各種監測控制所需信息，包括電能參數、開關位置、相間故障、接地故障以及故障時的參數，并執行配電自動化主站下發的命令，對配電設備調節和控制，實現故障定位、故障隔離和非故障區域快速恢復供電功能。主要包括監視功能、通信功能和自動化功能三個模塊。

智能型FTU涵蓋了上述的常規FTU功能，其中監視功能模塊由數據采集、數據處理、遙信遙控、諧波分析和實時顯示組成；自動功能模塊具體為故障檢測定位、故障隔離和恢復控制。智能型FTU的總體功能如圖1所示。

同時，智能型FTU還設計了增強功能，是指同一控制區內的多個FTU，在通信系統的支持下，內部聯網實現智能控制系統，增加了對配網結構的監控以及相應的處理策略。故障發生后，FTU系統與饋線繼電保護相配合，不需要變電站配網子站和配電自動化主站系統參與，就可自治實現配網的故障隔離及重合、故障恢復功能。各智能型FTU單元在FTU系統中地位對等，并能實現即插即用功能，具有安裝維護簡單，便于推廣使用的特點。

圖1　智能型FTU的總體功能

1.2智能FTU的工作模式

智能FTU的工作模式設計為主控模式和普通模式。主控模式只在重合及重構過程中有效，其設置目是為了加快系統恢復的速度。FTU系統正常工作時，可動態選出一臺FTU作為主控FTU，進行快速重合；如果沒有主控FTU，系統仍然具備重合功能。

主控模式的智能FTU在硬件上與普通模式的智能FTU相同，且在功能上每個智能FTU均具備主控模式和普通模式兩種運行方式。根據運行投入的次序，自動選舉出主控模式的智能FTU，其余的智能FTU為普通模式。在系統運行過程中，任何時刻最多只有一臺 FTU運行于主控模式。主控模式的FTU負責協調其他普通模式的FTU，共同完成相應的自動化功能。某些情況下，若原有的主控FTU退出運行，則按照一定的排序，有另外一臺普通模式的FTU自動轉變為主控模式，接替原有的主控FTU。

普通模式的智能 FTU采集相應開關的運行狀態，包括負荷、電流、電壓、功率和開關實際位置等，同時記錄故障前及故障時的負荷電流等特征信息，將上述特征信息傳至主控模式的智能FTU，并由主控FTU轉發到其他的FTU。各個相關的FTU接受主控FTU的指令，進行相應的控制，或在一定范圍內自主地進行控制。當然，主控FTU也同時具有普通FTU的功能。本文將指定一臺FTU作為主控FTU。

1.3智能FTU與常規FTU的比較

區別于常規配電網自動化結構，在智能FTU系統不設置專用的子站和主站，而是通過分布式的智能FTU自動完成配網的故障隔離及重合、重構功能，并配置相對簡單的后臺管理機，完成原先配置主站和子站的系統相應的功能；通過對智能FTU的運行模式的設定，使智能FTU基于高速通信平臺，又不完全依賴于通信。智能FTU與常規FTU運行模式的性能概略比較見表1。

表1　智能FTU與常規FTU性能對比表

2　基于智能FTU的配電網饋線保護與重構方案設計

配置智能FTU的配電線路在正常運行時，相鄰FTU通過光纖網絡相互交換開關位置、電流/電壓等信息。當線路發生故障時，故障點電源側配電終端將檢測到故障信號，而負荷側配電終端檢測不到故障信號。故障點兩側配電終端通過對等通信在收到線路故障信號后，就地判斷故障區段，進而完成故障區段有選擇隔離。在故障隔離完畢后，智能FTU裝置，通過點對點通信（主控模式或對等模式），實現通過鄰近終端上報的故障信息來恢復非故障區段的供電。

同時，它在運行過程中與變電站保留常規的饋線保護是完全獨立的，沒有信息交換，確保了兩套系統互為備用。但是，它們在邏輯上需要相互的配合，由于需要FTU系統首先做出故障區間選擇，因此饋線保護應在時間輪次上延后一級，作為智能FTU的后備保護。同理，原饋線保護的后備保護，如主變的過流保護，也需要順延一級。

智能FTU可適應配網中出現的多分段、多連接的供電途徑的網格化發展趨勢?，F階段以嘉興地區的一個手拉手單元（如圖2所示）為例，根據饋線上發生瞬時性故障和永久性故障兩種情況，闡述了進行二個輪次跳閘與重構的控制策略，進而對此方案在實際應用中的適應性進行了分析。

圖2　典型的環網或手拉手單元

2.1饋線發生瞬時性故障

1）第一輪次跳閘與重構（通過主控 FTU協調控制）

（1）故障定位和隔離

假定正常運行時K點發生瞬時性故障，如圖3所示。為了準確并快速的切除故障，采用FTU之間相互通信閉鎖的協調方式。各個FTU采集故障后的電氣量和開關量，并進行特征量計算，如電流是否越限、電壓是否跌落、實際開關位置等。隨后，FTU將計算結果發到相鄰的FTU，如果某個FTU收到了閉鎖信號則閉鎖跳閘，否則經過較短延時后跳開相應分段斷路器，從而實現配電系統的故障定位及隔離。故障電流消失后，各FTU將隔離前狀態及當前狀態發送到主控FTU。

圖3　K點發生瞬時故障

（2）故障后恢復

經過一定的延時后，由于FTU內置了配網拓撲信息，可由主控FTU對各FTU根據上傳的信息進行分析判斷，對先前跳開的FTU下發一次重合指令。對于瞬時性故障，由于短路不復存在，因此一次重合閘即可實現系統的恢復供電。如果主控FTU沒有下發重合指令，則一側帶電的FTU可過較長延時后就地自動重合。

（3）動作異常情況分析

當饋線發生瞬時性故障，基于智能FTU的饋線保護與重構系統實現了故障定位、切除故障、故障后重合直至恢復正常運行。以上整個過程的實現都是從理想狀態下考慮的，然而在實際現場運行中，由于配電網運行環境復雜、受干擾因素多，不可避免地出現各種異常情況，因此有必要對這套系統的適應性進行合理分析：①若FTU3故障，造成S3拒動；并且不能向FTU2發出閉鎖信號；則FTU2跳開S2，切除故障；②若S3開關損壞，造成拒動；但是FTU3向 FTU2發出了閉鎖信號；則第一輪無法由分段開關切除故障，需要由第二輪出線保護跳開出口斷路器 QF1；③若通信發生故障，最嚴重的情況是所有的通信都中斷，則 S1、S2、S3可能都跳開，喪失了選擇性，但保障了速動性，重合恢復過程較慢。

圖4　第一輪次跳閘邏輯流程圖

2）第二輪次跳閘重構（由變電站出線保護配合完成）

（1）故障定位和隔離

若某個FTU出現故障、分段開關拒動或就地跳閘閉鎖時，造成故障不能盡快切除，則由第二輪次的饋線線路保護處理。

圖5　第二輪次跳閘邏輯流程圖

在躲過FTU系統快速動作的時間條件下（最長350ms），為了盡快切除故障，由出線保護在第二輪次將整條饋線切除。同樣，所有FTU根據所采集的失壓前電流及方向信息發送給相鄰的FTU，用于判斷是否需要閉鎖相應分段斷路器的跳閘。如果沒有邏輯上的閉鎖信息，在失壓后經過一段時間延時，由FTU就地跳開相應斷路器。

（2）恢復供電

再經過一定的延時后，QF1重合。若 QF1重合成功，則由主控FTU對處于斷位的FTU下發一次重合指令，對于瞬時性故障，由于短路不復存在一次重合閘，即可實現系統的恢復供電。

（3）動作異常情況分析

以圖3中K點發生故障為例，假定FTU3故障，造成S3拒動，但同時又向FTU2發出了閉鎖信號，則延時后由出線保護將 QF1跳開。因此，失壓后，S1、S2、S3仍處于閉合狀態。

① 假定FTU3正常，但S3拒動，則延時后由出線保護將 QF1跳開。失壓后，S1、S2、S3仍處于閉合狀態。

② 假定通信正常，但所有的分段開關都拒動，失壓后S1、S2處于閉合狀態，但是S3有可能隨后跳開。

2.2饋線發生永久性故障

1）第一輪次跳閘與重構（通過主控 FTU協調控制）

（1）故障定位和隔離

原理同上述饋線發生瞬時性故障第一輪的故障定位和隔離。

（2）重合與重構

經過一定的延時后，由主控FTU對先前的FTU下發一次重合指令，由于是永久性故障，重合不成功，S3立刻就地加速跳閘。隨后，主控 FTU指揮S4跳閘，或檢無壓后經過一定延時S4跳閘。經過一定的延時后，由主控FTU對聯絡開關的FTU下發一次重合指令，恢復供電。若主控FTU失效，聯絡開關經較長時間延時后自動重合。

（3）動作異常情況分析

通信完好時，即 S2能收到閉鎖信號時，通過FTU3就地斷開S3即可切除故障，經延時，S3重合，由于是永久性故障，則S3加速跳閘且閉鎖分閘。如果 S2未收到閉鎖信號時，則就地斷開 S3，由于 S2未收到分閘閉鎖信號，則延時斷開S2切除故障；重合時，先合S2，延時重合S3，由于是永久性故障，重合到故障上，則S3加速跳閘且閉鎖分閘。

2）第二輪次跳閘與重構（由變電站出線保護配合完成）

（1）故障定位和隔離

原理同上述饋線發生瞬時性故障第二輪的故障定位和隔離。

（2）重合與重構

饋線保護經過一定的延時后，QF1重合。若重合成功，則由主控FTU對S3的FTU下發一次重合指令。若S3收不到重合信號，則S3在感受到一側電壓后，經過延時重合。對于永久性故障，S3就地加速跳閘，若S3加速跳閘不成功，則由QF1跳閘，并不再安排重合。若QF1重合不成功，QF1加速跳閘，不再安排QF1再次重合。而重構功能則如第一輪次所述一致。

（3）動作異常情況分析

如果第一輪未能切除故障，則在躲過第一輪FTU系統快速動作的時間后，由第二輪來切除故障。即：S1不動作時，由斷開QF1來切故障，經延時重合QF1，由于是永久性故障，則重合到故障上，QF1加速跳閘且閉鎖分閘。經延時，S2失電跳閘，經延時，L一側失壓合閘，恢復非故障區的供電。

3　系統方案的特點

與配電網中各種故障隔離的設計相比，基于智能FTU的配電網饋線保護與重構設計采用智能FTU做主站的系統結構，在功能上分為主控和普通兩種；故障隔離在策略上利用兩個輪次的策略，快速、準確且可靠的切除故障。對本文提出的方案特點總結如下：

1）區別于常規配電網饋線自動化系統，方案中將智能FTU內部聯網實現智能控制系統，不需要變電站配網子站和配電自動化主站系統參與，就可自治實現配網的故障隔離及重合、故障恢復功能。在主站只需配置相對簡單的后臺管理功能對智能FTU實現配置管理，在不具備配網自動化主站系統的情況下也能提高饋線自動化水平，因此本系統具備安裝維護簡單，便于推廣使用的特點。

2）實現了智能饋線自動化系統，能夠實現饋線保護的選擇性。發生短路故障時，常規饋線自動化系統通過饋線出口保護，切除整條饋線；智能饋線自動化系統根據前后智能FTU裝置間的通信，變電站出口保護作為后備保護沒有動作，不用整條線路切除，實現有選擇的切除故障段，最大限度的減少停電范圍，提高供電可靠性。

3）具備高可靠性的特點。通過對智能 FTU的運行模式的設定，使智能饋線自動化系統基于高速通信平臺，又不完全依賴于通信。有光纖通信的情況下，可以通過高速的光纖通信，實現保護的選擇性。當通信中斷或無通信情況下，智能饋線自動化系統能夠自動退化成“電壓-時間”型的常規饋線自動化系統，通過時間配合，實現故障的自動恢復。

4）恢復供電速度快。由于在恢復供電的過程中，都是通過主控 FTU中預置好的恢復策略來進行恢復，不需要主站、子站的配合，因此恢復時間大大縮短，尤其是當配電網網絡龐大的情況下。

4　結論

本文的研究表明，智能型FTU不僅包含了傳統FTU的功能，而且在自動化和智能化方面更加完善，可替代傳統饋線自動化中主站和子站的基本功能。同時，通過智能FTU實現的配電網故障隔離與自愈技術，可以減少不必要的停電范圍，實現了饋線保護的選擇性要求；還能夠有效提高分段開關重合與網絡重構的成功率，加快了供電恢復速度。但是本文研究中沒有考慮小電流接地等情況，后續工作仍需要從生產實際的角度，驗證解決方案的適用性與有效性。

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