基于饋線拓撲自動識別的分布式FA控制方法

黃滇生++楊文波++張澤州++王波++趙彪

摘 要 配電網是智能電網的重要組成部分，智能配電網的建設目標是具有完備的故障自愈功能，能最大程度地減少配網故障對用戶的影響，而且支持大量分布式電源的接入。但目前，配電網的網架結構薄弱，二次保護控制技術不夠完善，使得配網停電事故時有發生。目前饋線自動化保護控制主要有兩種模式：集中型和就地型。集中型方式由主站綜合分析出線保護動作信息以及各配電終端信息完成故障定位；就地型是通過變電站一次重合配合“電壓-時間型”分段開關就地完成故障區段的判定及隔離，無論是集中型還是就地型，都存在短時停電范圍擴大，故障發生后，無論故障點位置如何，出線斷路器首先跳閘，導致非故障區段失電；另外要綜合分析相關開關的故障信息，才能判別故障區域，而后下發控制命令。需要信息的上傳下達，實時性不強，判別過程復雜。文章提出一種復雜配網新型饋線終端自適應快速保護控制原理，利用多點故障信息的快速故障定位、故障隔離及供電恢復的通用型控制策略，適應有源配電網網絡拓撲結構的變化，實現智能終端之間、智能終端與饋線主站之間的互通互聯、即插即用以及分布式智能控制。

【關鍵詞】多點故障信息的快速故障定位 多點故障信息的快速故障隔離 多點故障信息的快速故障恢復

配電網是智能電網的重要組成部分，智能配電網的建設目標是具有完備的故障自愈功能，能最大程度地減少配網故障對用戶的影響，而且支持大量分布式電源的接入。但目前，配電網的網架結構薄弱，二次保護控制技術不夠完善，使得配網停電事故時有發生。統計數據表明，電網中大約80%以上的故障發生在配電系統中。可見，配電網的保護控制及其故障自愈技術直接關系到整個配電系統的運行效率和終端用戶的電能質量。

當前配電網的饋線自動化終端集中性控制方式和就地“電壓-時間”型兩種故障處理模式存在以下問題：

（1）僅由終端單元（FTU）實現，但不存在終端單元的信息交互，不能充分利用鄰近節點的故障信息，故障定位準確度較低。

（2）具有主站和終端單元之間的信息交互，采用2G/3G/4G/無線通信或者網絡/光纖通信方式方式，采用2G/3G/4G或無線通信方式主站與饋線自動化終端之間的通信速率低，并且通信缺乏穩定性、實時性，通信效率低；采用網絡/光纖通信方式通信穩定、實時性強和效率高，但是故障定位算法及其他故障控制功能均由主站實現，無法滿足智能配電網的實時性要求，控制效率不高，且不適用含有分布式電源的智能配電網。

（3）恢復供電時間較長。

（4）切除永久故障時，主供線路側需要重合兩次，使線路受到兩次短路電流沖擊，且波及線路對側的用戶，使其發生短時間陪停電。

（5）要對變電站饋線現有的保護及重合閘裝置進行改進，使之與動作邏輯相適應，或另加饋線重合閘裝置，增加了額外投資。

1 實現原理

1.1 分布式FA系統工作原理

高級饋線自動化終端（AFTU）之間利用光纖通信網絡，構建基于IP對等通信的光纖網絡，建立手拉手的鏈式網絡通信通道，將快速故障定位、隔離與恢復策略植入AFTU中，實現各AFTU之間的相互通信、AFTU之間共享電路的電壓、電氣量信息、開關位置和故障狀態等信息，利用多點故障信息的快速故障定位、故障隔離及供電恢復的通用型控制策略，適應有源配電網網絡拓撲結構的變化，開關在獲悉過流或失壓信號后進行故障判斷，從而將故障自動切除，并通過對等通訊得到手拉手鏈式通信網絡高級饋線自動化終端（AFTU）組內其它開關已經切除的信息，然后每個開關將根據自己的位置自動決定是立即打開以便切除故障、隔離故障點，還是閉合并恢復對該線路正常區間的供電。高級饋線自動化終端通過點對點對等通信網絡實現相互之間的信息交互，并向主站轉發終端數據。在線路上發生故障時，利用對等通信網絡各AFTU能夠快速定位故障區段，實現故障檢測信息與控制信息在相關智能終端之間的傳遞，無需饋線自動化主站/子站參與協調與控制，因此提高了故障自愈控制速度。

1.2 基于實時網絡拓撲識別的聯絡開關身份確認方法

在分布式 FA 系統中，聯絡開關負責故障點下游非故障區段的供電恢復。在實際運行中，如果饋線運行方式改變，聯絡開關的位置也發生變化，需識別其位置。采用人工配置方式，工作量大，且在重新配置前系統需退出運行。通過檢測常開開關兩側的電壓可以識別聯絡開關，但需要在每一個分段開關的兩側安裝電壓互感器，投資大，經濟性差。利用FA 系統中高級饋線自動化終端（AFTU）能夠互相通信的特點，通過接力查詢自動識別饋線的拓撲結構，可以克服以上2種方法的缺點。

為了實現饋線拓撲的自動識別，在分布式 FA系統中，需要為高級饋線自動化終端（AFTU）監控的當地開關配置開關性質信息，根據開關所處的位置，分為電源開關（出線斷路器）、干線分段開關與支線開關3類。同時，為每一個當地開關配置相鄰開關信息，包括相鄰開關的名稱及其所在高級饋線自動化終端（AFTU）的名稱與通信地址。

當分段開關處的高級饋線自動化終端（AFTU）上電時所監控的開關處于“分”位，或在正常運行過程中由“合”位變為“分”位時，高級饋線自動化終端（AFTU）啟動接力查詢進行饋線拓撲自動識別，下面具體介紹接力查詢方法與步驟。

步驟1：高級饋線自動化終端（AFTU）檢測到某個分段開關處于 “分閘”狀態，發起接力查詢。

步驟2：首先查詢該分段開關左側實時干線拓撲結構。高級饋線自動化終端根據配置信息檢測到該分段開關的當地左側相鄰干線開關。再根據配置信息，向該分段開關左側的高級饋線自動化終端查詢相鄰干線分段開關的狀態，以此類推，通過高級饋線自動化終端之間的通信、信息傳遞和接力查詢，即可識別出干線分段開關名稱及其動態拓撲關系。

步驟3：高級饋線自動化終端采用步驟2的方法，識別出聯絡開關與電源開關之間的干線分段開關名稱及其動態拓撲關系。

步驟4：經過上述步驟，高級饋線自動化終端識別出饋線拓撲關系，區別出開關是干線分段開關還是聯絡開關。

步驟5：網絡拓撲維護。如果網絡靜態拓撲發生變化，首先需要更新高級饋線自動化終端（AFTU）的配置信息，在相關高級饋線自動化終端（AFTU）的配置信息更新完畢后，發出“配置信息已更新”的消息。聯絡開關處的高級饋線自動化終端（AFTU）收到此信息后，重新進行實時饋線拓撲查詢。

1.3 FA新型饋線自動化控制系統故障快速定位與隔離實現

檢測到當地開關有故障電流流過的高級饋線自動化終端（AFTU），通過觀察相鄰開關是否有故障電流流過實現故障定位。如果一側的相鄰開關有故障電流流過，說明故障電流是穿越性的，則該相鄰開關一側的區段為非故障區段；如果一側的相鄰開關無故障電流流過，說明故障電流是注入性的，則該側區段為故障區段。對于下游沒有相鄰開關的線路末端開關（如環網柜出線開關），當高級饋線自動化終端（AFTU）檢測到其有故障電流流過時，直接判斷故障在下游。

在確定故障區段后，故障區段上游邊界開關處的高級饋線自動化終端（AFTU）發出跳開本地開關的命令，并通知其相鄰的下游開關跳閘，隔離故障。在確認故障區段所有的邊界開關都跳開后，發出“故障隔離成功”的信息。

1.4 高級饋線自動化終端故障隔離判斷

對于手拉手運行的饋線線路，高級饋線自動化終端故障識別的處理過程為：

（1）當饋線發生短路故障時，線路上所有檢測到故障電流大于縱聯啟動電流定值的AFTU終端模塊置縱聯啟動標，小于縱聯啟動電流定值的AFTU終端模塊不置縱聯啟動標志，他們都將其標志信息通過光纖通信在2-3ms內發給兩側的高級饋線自動化終端模塊；

（2）各個高級饋線自動化終端根據自己檢測到的保護電流判斷自身的狀態，如果故障電流大于縱聯啟動電流定值，且兩側高級饋線自動化終端模塊傳送過來的縱聯啟動標志中，有一側有效，一側無效，裝置在經設定延時到后發自己跳閘的命令，

（3）高級饋線自動化終端模塊在第一次跳閘后會重合，對于瞬時性故障，恢復供電；

對于永久性故障，重合閘后會加速再次跳閘，而且該AFTU終端模塊會向相鄰的縱聯保護未啟動側發分閘命令，將故障隔離。

由以上高級饋線自動化終端模塊故障隔離的過程可知，饋線上的每一個高級饋線自動化終端模塊都可以作為故障隔離的主機，這取決于故障的位置，一般為離故障最近的高級饋線自動化終端模塊。

2 分布式FA供電恢復控制策略

2.1 分布式FA供電恢復原理

現有的分布式 FA 系統，假設在供電恢復過程中聯絡電源備用容量充足，不考慮非故障區段的負載容量是否會超過備用容量。而實際運行中聯絡電源備用容量可能不足，因此在供電恢復過程中需要檢查備用容量是否滿足要求，并在備用容量不足時根據故障前負荷情況最大范圍地恢復供電。

現有的配電網自動化系統中，往往只測量線路開關的電流，無法計算非故障區段的負荷功率及聯絡電源的備用功率容量。本項目中利用線路的負荷電流估算負荷功率并進行安全性校驗，基于廣域信息的供電恢復控制策略詳細介紹如下。

正常運行時，高級饋線自動化終端（AFTU）測量并保存當地開關的負荷電流，故障發生后，在進行供電恢復操作前，聯絡開關處高級饋線自動化終端（AFTU）根據故障隔離信息及饋線拓撲結構識別出故障點下游非故障區段，并從非故障區段的高級饋線自動化終端（AFTU）處獲取各個開關故障前負荷電流值；從備供電源開關的高級饋線自動化終端（AFTU）獲取其故障前負荷電流，根據負荷電流與額定電流（最大允許電流） 差值，計算出備供電流裕量。將備供電流裕量與總的非故障區段電流相比較，即可判斷備供容量是否滿足要求。如果備供不足，可根據備供電源不過流以及恢復供電范圍最大的原則，確定需要恢復供電的區段。

故障點上游的非故障區段由變電站出線開關合閘恢復供電。變電站出線開關處的高級饋線自動化終端（AFTU）在接收到“故障隔離成功”的消息后，如果故障不在變電站出線開關相鄰區段上，則控制變電站出線開關合閘，恢復故障點上游非故障區段供電。

故障點下游的非故障區段，聯絡開關處的高級饋線自動化終端（AFTU）在接收到“故障隔離成功”的消息后，若故障區段位于饋線干線上，且不是聯絡開關相鄰區段時，高級饋線自動化終端（AFTU）控制聯絡開關合閘，恢復故障點下游非故障區段供電。

2.2 可轉供區域供電恢復策略

當故障隔離成功后，兩側的AFTU會帶著隔離信息（過流、命令、動作）向上（或下）一個AFTU傳遞信息，聯絡斷路器處的AFTU收到信息并檢測到斷路器兩端一端有壓另一端無壓，AFTU發出合閘命令，合上聯絡斷路器，無故障停電區域恢復供電。

2.3 故障搶修后的恢復供電策略

故障搶修完畢，可采用兩種方式恢復供電：

（1）主站遙控恢復供電，主站遙控先斷幵聯絡斷路器，再依次合上故障點上下游側的斷路器，恢復以前的供電模式。

（2）AFTU就地控制恢復供電，操作AFTU先斷開聯絡斷路器，再依次合上故障點上下游側的斷路器，恢復以前的供電模式。

3 一種基于饋線拓撲自動識別的分布式 FA 控制方法實現方案

XXXX供電公司示范工程建設滿足多電源、多聯絡、多分支網狀連接的要求，典型網絡圖如圖1。

智能分布式FA系統在滿足典型網絡圖的運行方式下，在所有智能分布式開關在遠方位置時，智能分布式FA系統投入運行。在此典型網絡結構中，在不同故障點發生故障時，智能分布式FA的動作過程將詳細說明如下。

3.1 當F1點發生故障時故障定位、隔離與供電恢復控制策略實現

（1）當發生瞬時性故障時，城北線N05塔開關跳閘，按照定值設定（3秒），一次重合閘成功，供電恢復。智能分布式FA不動作。

（2）當發生永久性故障時，城北線N05塔開關跳閘，按照定值設定，一次重合閘后，重合到故障上，城北線N05塔開關再次跳閘。智能分布式FA開始動作，將羅偉邑支線N50-1桿開關、母屯線N36塔開關分閘，隔離故障，之后將母屯線N46塔開關合上，供電恢復，母屯線N09和母屯線N39保持原始狀態。（加兩次故障電流，第一次加的時候，立馬跳閘，城北線N05塔開關跳閘，按照定值設定（3秒），一次重合閘（羅偉邑支線N50-1、母屯線N36、母屯線N46不跳閘），一次重合閘后，重合到故障上，城北線N05塔開關再次跳閘，FA開始動作，將羅偉邑支線N50-1桿開關、母屯線N36塔開關分閘，隔離故障，1分鐘后將母屯線N46塔開關合上，供電恢復，母屯線N09和母屯線N39保持原始狀態。

3.2 當F2點發生故障時故障定位、隔離與供電恢復控制策略實現

（1）當發生瞬時性故障時，城北線N05塔開關跳閘，按照定值設定，一次重合閘成功，供電恢復。智能分布式FA不動作。

（2）當發生永久性故障時，城北線N05塔開關跳閘，按照定值設定，一次重合閘后，重合到故障上，城北線N05塔開關再次跳閘。智能分布式FA開始動作，將羅偉邑支線N50-1桿開關分閘，隔離故障，之后將城北線N05塔開關合上，供電恢復。

3.3 當F3點發生故障時故障定位、隔離與供電恢復控制策略實現

（1）當發生瞬時性故障時，城北線N05塔開關跳閘，按照定值設定，一次重合閘成功，供電恢復。智能分布式FA不動作。

（2）當發生永久性故障時，城北線N05塔開關跳閘，按照定值設定，一次重合閘后，重合到故障上，城北線N05塔開關再次跳閘。智能分布式FA開始動作，將母屯線N36塔開關分閘，隔離故障，之后將城北線N05塔開關合上，供電恢復。

3.4 當F4點發生故障時故障定位、隔離與供電恢復控制策略實現

（1）當發生瞬時性故障時，城中N06塔開關跳閘，按照定值設定，一次重合閘成功，供電恢復。智能分布式FA不動作。

（2）當發生永久性故障時，城中N06塔開關跳閘，按照定值設定，一次重合閘后，重合到故障上，城中N06塔開關再次跳閘。智能分布式FA開始動作，將城中線N69塔開關分閘，隔離故障，之后將城中N06塔開關合上，供電恢復。

3.5 當F5點發生故障時故障定位、隔離與供電恢復控制策略實現

（1）當發生瞬時性故障時，城中N06塔開關跳閘，按照定值設定，一次重合閘成功，供電恢復。智能分布式FA不動作。

（2）當發生永久性故障時，城中N06塔開關跳閘，按照定值設定，一次重合閘后，重合到故障上，城中N06塔開關再次跳閘。智能分布式FA開始動作，將城中線N69塔開關、城中線N44塔開關分閘，隔離故障，之后將城中N06塔開關、母屯線N46塔開關合上，供電恢復。

3.6 當F6點發生故障時故障定位、隔離與供電恢復控制策略實現

（1）當發生瞬時性故障時，城中N06塔開關跳閘，按照定值設定，一次重合閘成功，供電恢復。智能分布式FA不動作。

（2）當發生永久性故障時，城中N06塔開關跳閘，按照定值設定，一次重合閘后，重合到故障上，城中N06塔開關再次跳閘。智能分布式FA開始動作，將城中線N44塔開關分閘，隔離故障，之后將母屯線N46塔開關合上，供電恢復。

3.7 當F7點發生故障時故障定位、隔離與供電恢復控制策略實現

（1）當發生瞬時性故障時，隆鑫N03塔開關跳閘，按照定值設定，一次重合閘成功，供電恢復。智能分布式FA不動作。

（2）當發生永久性故障時，隆鑫N03塔開關跳閘，按照定值設定，一次重合閘后，重合到故障上，隆鑫N03塔開關再次跳閘。智能分布式FA開始動作，分析出故障以被隔離，無可恢復供電區域。

3.8 其他點發生故障時故障定位、隔離與供電恢復控制策略實現

當海北坪N66桿開關、母屯線N09塔開關、母屯線N39塔開關、城中線69-3塔開關在合位時，智能分布式FA系統認為有外電源進入，人為對電網進行調度，故智能分布式FA系統退出運行。

4 現場測試效果

通過在城北線N05塔斷路器使用繼保儀給高級饋線自動化終端加故障電流，模擬故障電流為A相23A，B相23A，第一次模擬瞬時性故障，城北線N05塔開關跳閘，按照定值設定（3秒），一次重合閘成功，供電恢復，與此同時羅偉邑支線N50-1桿開關、海北坪N66塔開關和母屯線N36塔開關保持原始合閘狀態，測試結果滿足項目的要求，達到預期目標；第二次模擬永久性故障，模擬故障電流為A相23A，B相23A，當第一次加故障電流時，城北線N05塔開關立馬跳閘，按照定值設定（3秒），一次重合閘，羅偉邑支線N50-1開關、海北坪N66塔開關和母屯線N36開關不跳閘，保持原始狀態，一次重合閘之后，第二次加故障電流，城北線N05塔重合閘到故障上，城北線N05塔開關再次跳閘，FA開始動作，將羅偉邑支線N50-1桿開關、母屯線N36塔開關分閘，隔離故障，5秒后將母屯線N46塔開關合上，城北線由母屯線N36反供電，城北線供電恢復，母屯線N09和母屯線N39保持原始狀態，測試結果滿足項目的要求，達到預期目標。

經過對項目的分布式FA模擬故障測試，測試結果與項目預期結果一致，從而驗證了所開發的高級饋線自動化終端、快速保護控制算法以及通信方案的有效性和可行性，為項目的進一步推廣應用提供了技術支撐和效果示范。

5 展望

基于廣域信息與分布式智能技術，將保護功能分解為各個智能保護單元的簡單動作規則，利用智能保護單元的本地信息及其鄰域信息，快速判斷故障位置，保證各個智能保護單元的選擇性、可靠性、靈敏性和快速性，同時實現各個保護單元的后備與鄰域保護單元之間的配合，利用分布式智能單元之間的對等通信，基于廣域信息平臺，根據上下游線路的電流是否越限、故障分量電流相位比較原理等，進行故障區段的定位與快速縱聯保護，以克服分布式電源注入的故障電流的影響以及弱饋側的保護問題； 高級饋線自動化終端通過點對點對等通信網絡實現相互之間的信息交互，并向主站轉發終端數據。在線路上發生故障時，利用對等通信網絡各AFTU能夠快速定位故障區段，實現故障檢測信息與控制信息在相關智能終端之間的傳遞，無需饋線自動化主站/子站參與協調與控制，因此提高了故障自愈控制速度。根據開關所處的位置分為出線開關、中間開關與末端開關三大類，AFTU根據被監控開關的類型，將本地與相鄰開關測量信息對比即可完成故障定位，能夠準確區分干線與支路出線故障，無需完整地知道線路網絡拓撲，因此整定配置簡單，能夠很好地適應配電網絡拓撲變化； 設計基于IP對等通信的光纖通信方案，實現各AFTU間以及與饋線自動化主站之間的實時通信。在項目試點工程建設地鋪設光纖網絡，利用光纖通信網絡，構建基于IP對等通信的光纖網絡，實現各AFTU之間的相互通信，完成故障的快速定位、隔離與非故障區段的故障恢復，解決傳統饋線自動化故障處理復雜、短時停電范圍擴大等問題，同時利用先進的控制策略實現故障的快速自愈，這將顯著提高配電系統的供電可靠性，減少停電時間，大大降低用戶因停電所帶來的損失，產生巨大的經濟效益和社會效益。

作者簡介

黃滇生（1956-），男，云南省大理市人。現為云南電網有限公司大理供電局技術專家、高級工程師。研究方向為復雜配網故障定位、隔離及供電恢復

楊文波（1968-），女，云南省大理市人。現為云南電網有限公司大理供電局高級工程師。研究方向為配網供電可靠性

張澤州（1973-），男，云南省大理市人。現為云南電網有限公司大理供電局高級工程師。研究方向為廣域信息與分布式智能控制

王波（1974-），男，云南省大理市人。現為云南電網有限公司鶴慶供電公司工程師。研究方向為配網快速故障自愈

趙彪（1979-），男，云南省大理市人。現為云南電網有限公司鶴慶供電公司技師。研究方向為復雜配網故障定位、隔離及供電恢復

作者單位

1.云南電網有限公司大理供電局 云南省大理市 671099

2.云南電網有限公司鶴慶供電公司 云南省鶴慶縣 671500