湖北配電網饋線自動化部署方案研究

雷 楊，汪文超，宿 磊，車方毅，李 鵬

（1.國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.國網湖北省電力公司荊門供電公司，湖北 荊門 448000）

0 引言

配電自動化是智能配電網中“智能感知”環節的基礎，也是“十三五”期間國家電網公司配電網建設改造的重要工作內容。饋線自動化是配電自動化的核心部分之一，利用自動化裝置或系統，監視配電線路的運行狀況，及時發現線路故障，迅速診斷出故障區間并將故障區間隔離，快速恢復對非故障區間的供電。通過饋線自動化的功能，配電網可以在短期內實現故障隔離，能夠大幅提高配電網供電可靠性，具備較高的經濟社會效益。

由于饋線自動化策略多種多樣，應用的場景和效果也存在較大差異，目前針對饋線自動化的選型部署方案，國內已開展了一些研究。文獻[1]闡述了電壓-時間型饋線自動化的基本原理和應用過程中存在的問題，并提出了改進方案；文獻[2]研究了饋線自動化在核心城區的建設應用方案；文獻[3]闡述了饋線自動化與變電站重合閘的配合方式，文獻[4]、[5]闡述了饋線自動化測試方案。整體來說，現有針對饋線自動化的研究主要集中在饋線自動化應用技術和測試技術，對于饋線自動化整體選型模式缺乏針對性分析研究。本文從各類饋線自動化的實現方式和優缺點比較入手，并基于現有的網架結構進行分析，提出了適用于湖北電網的饋線自動化及配電自動化終端設備選型技術方案。

1 饋線自動化的實現方式

目前應用的饋線自動化模式主要有三種，即集中型、就地型和故障定位型，其實現原理各有不同。本節將結合實例對各類饋線自動化的技術特點進行分析，其中CB代表變電站出線開關、F代表分段開關、L代表聯絡開關。

1.1 集中型饋線自動化

集中型饋線自動化是指由配電主站與配電終端相互配合，通過配電主站搜集到的信息綜合判斷故障區間，并結合實際網架、負荷情況進行故障隔離，如圖1。具體流程如下：發生故障時，10 kV出線開關保護跳閘，配電自動化主站搜集各配電終端故障告警信息，由于F1、F2開關感受到故障電流，發出故障告警，而F3沒有故障電流通過，無故障告警信號發出，因此配電主站判定故障位于F2和F3之間。之后，F3分閘，CB1合閘，聯絡開關L1合閘，完成故障區域隔離和非故障區域恢復。集中型饋線自動化可以切換為半自動和全自動模式，其中半自動模式僅提示故障區間，由人工操作開關進行故障處理，全自動模式則自動執行故障處理步驟。

圖1 集中型饋線自動化處理邏輯Fig.1 Processing logic of centralized feeder automation

1.2 就地型饋線自動化

就地饋線自動化是不依賴配電主站的饋線自動化模式，通過配電開關之間的邏輯配合來實現故障的就地識別和隔離。目前主流的就地型饋線自動化有智能分布型和重合器型，其中重合器型在發展過程中出現了很多衍生類型，例如自適應綜合型、“電壓-時間”型、“電壓-電流-時間”型、鏈式縱聯型等。

智能分布型饋線自動化通過可靠的光纖通信手段，使饋線自動化配置區域內的配電終端具備對等通信能力，進行小范圍內的信息交互。在故障發生后，通過故障點臨近各配電終端之間的信息綜合判定故障范圍，并迅速跳開故障兩側開關，通過聯絡開關合閘實現負荷轉供。在智能分布型饋線自動化模式下，變電站出線開關無需跳閘隔離故障，配電主站也不參與故障處理過程。具體流程如下：故障發生時，通過F1、F2、F3開關之間的通信和故障告警情況，判定故障位于F2和F3之間，因此F2動作跳開故障，并延時重合，若重合失敗，則F2、F3均分閘，臨近聯絡開關L1合閘，恢復非故障區間供電，見圖2。

圖2 智能分布型饋線自動化處理邏輯Fig.2 Processing logic of intelligent distributed feeder automation

重合器型饋線自動化是通過配電終端之間的邏輯配合來就地進行故障隔離的一種饋線自動化方式（見圖3），不依賴配電主站以及配電終端之間的對等通信，其前身是重合器、分段器技術。是目前就地型饋線自動化應用范圍最廣的一種類型，以最基本的“電壓-時間”型為例，變電站出線開關具備故障重合閘功能，分段開關具備失壓分閘、有壓延時合閘功能。在故障發生后，CB1分閘，由于失壓，F1、F2和F3同時分閘，之后CB1合閘，若為瞬時故障，則F1、F2和F3經過一定延時依次合閘，若為永久故障，則F2合閘后CB1再次分閘，此時F2失壓閉鎖，F3檢殘壓閉鎖，CB1再次重合后，經過延時F1合閘，手動合L1恢復非故障區間供電。

圖3 重合器型饋線自動化處理邏輯Fig.3 Processing logic of reclosed feeder automation

1.3 故障定位型饋線自動化

故障定位型饋線自動化即通過各類型故障指示器來進行故障區間判斷，運維人員通過配電主站或其他故障研判后臺綜合判定故障區間，并通過人工巡視查找、解決線路故障。其優勢在于節約配電自動化建設改造成本，大幅減少尋找故障點的時間和人力投入。故障定位型饋線自動化的核心設備是故障指示器，其原理是在故障發生時，通過感應到的故障電氣量變化，通過就地指示或遠傳發信等方式發出故障信息。目前主流的故障指示器從指示方式上分為遠傳型和就地型；從原理上分為外施信號型、穩態特征型、暫態錄波型和暫態特征型等。

2 各類饋線自動化的比較

2.1 故障處理時效性

集中型饋線自動化通過配電主站搜集配電終端上送的告警信息綜合判斷故障區間，信息收集的全面性是其故障判斷準確性的基本保障，因此通常情況下，集中型饋線自動化啟動后將預留15～30 s的故障信息收集時間，故障判定時間需數秒，全自動化模式下整體故障處理耗時一般在10 s級。智能分布型饋線自動化通過配電終端之間的對等通信，可以快速定位、隔離故障，不涉及到變電站出線開關跳閘，故障定位時間為毫秒級，故障處理時間可以達到秒級，同時由于終端之間實時交互信息，不存在保護級差配合的問題。重合器型饋線自動化通過配電終端失壓分閘、有壓延時合閘邏輯來判定故障，通常情況下有壓延時合閘時間設置在5～10 s，由于變電站出線開關需要經過2～3次重合閘，其故障處理時間跟故障發生位置有關，對于“電壓-時間”型饋線自動化，在前文示例中，主干線第三個分段開關和聯絡開關之間發生故障的情況下，故障處理時間為幾分鐘到十幾分鐘。故障定位型饋線自動化的主要功能是定位故障區間，故障處理主要由人工赴現場進行。在目前的技術條件下，遠傳型故障指示器指示故障區間的時間通常在秒級。

2.2 故障判斷可靠性

集中型饋線自動化對通信可靠性、配電終端上送信息準確性的要求較高，故障路徑上的每個終端都必須在主站信息收集的有效時間內上送正確的告警信息，才能保障本次故障動作結果的正確性，若故障線路路徑上個別配電終端信息沒有上送，或信息上送錯誤的情況下，將導致故障隔離和恢復策略錯誤，造成重復停電。智能分布型饋線自動化要求配電終端之間的對等通信，同時故障信息收集時間比集中型饋線自動化短，對通信實時性、可靠性的要求更高，若配電終端之間通信不暢將嚴重影響故障判斷的準確度，甚至造成饋線自動化功能閉鎖。重合器型饋線自動化是通過配電終端自身的保護動作邏輯進行故障隔離，不依賴通信，在故障路徑上個別配電終端損壞的情況下，能夠自動越級隔離故障，具備較高的可靠性。故障定位型饋線自動化的主要作用是判斷故障區間，各類型故障指示器判定成功率各有不同，其中暫態錄波型故障指示器需要在故障發生時將臨近線路故障指示器的波形上送配電主站進行集中判斷，對通信的依賴性較強，其余類型的遠傳型故障指示器對通信的依賴相對偏弱。

2.3 建設運維成本

根據國網公司最新規范要求，涉及到控制功能的配電終端設備必須通過光纖通信方式，經過安全接入區接入生產控制大區，對信息安全的要求較高。采用無線通信方式的配電終端或故障指示器通過安全隔離組件接入管理信息大區，信息安全的要求相對較低。由于集中型饋線自動化的建設主要依賴“三遙”配電終端，需要采用光纖通信方式，對應的建設和調試成本相對較高。智能分布型饋線自動化依賴具備對等通信要求的“三遙”配電終端，亦采用光纖通信方式，建設和調試成本最高。重合器型饋線自動化主要采用“二遙”動作型配電終端結合無線通信方式，由于通信成本較低，建設和調試成本相對前兩類饋線自動化較低。故障定位型饋線自動化主要采用故障指示器結合無線通信方式，對于重要線路采用遠傳型故障指示器指示故障，并綜合選用就地型故障指示器進一步縮小故障判斷區間，對應的建設成本最低。從運維方面，由于集中型饋線自動化和智能分布型饋線自動化利用光纖通信方式，對應“三遙”配電終端的蓄電池也主要采用蓄電池作為主后備電源，相應的運維工作量較大。重合器型饋線自動化和故障定位型饋線自動化主要采用無線通信方式，通信運維工作量相對較小，設備層面原理相對簡單，也大大減小了運維工作量。

3 湖北電網饋線自動化選型部署方案分析

目前，湖北電網配電自動化共計覆蓋線路400條，包括架空線路181條，電纜線路219條，覆蓋區域面積共198.17 km2，線路總長1 820.55 km。配電自動化已覆蓋區域以城市核心區為主，對供電可靠性要求較高，建設模式較為單一，基本采用全光纖、全“三遙”終端的建設模式，應用集中型饋線自動化。根據規劃，“十三五”末期，湖北將實現配電自動化全覆蓋，根據各類供電區域的網架結構、負荷特點和設備現狀，并結合施工難度選用合適的饋線自動化類型，對完成“十三五”饋線自動化覆蓋率的目標、保障良好的配電自動化建設應用效果具有決定性的作用。

3.1 配電自動化設備選型思路

目前配電自動化建設的模式主要是根據供電區域的重要性，在A+、A、B和C類供電區域結合遙控操作的部署需求來選擇配電終端設備類型，對于“三遙”配電終端考慮信息安全性，采用光纖通信方式；對于“二遙”配電終端，在光纖路徑沿線則通過光纖接入，否則采用無線通信方式；考慮到整體建設成本，在部分B、C和D類區域采用故障指示器，減少人工查詢故障的難度，在規劃過程中未優先考慮饋線自動化的實施方式。從配電自動化的建設初衷來分析，配電自動化的建設是為了實現配電網的監測、控制和快速故障隔離。其中實現配電網的監測、控制可以根據需求在重要分段、聯絡開關處部署配電終端，主要涉及到點的改造。而為了實現故障隔離，則必須統籌考慮區域的故障判斷和隔離策略，涉及到的則是面的改造，因此在配電自動化的規劃過程中，饋線自動化的策略選擇宜放在優先位置，先根據不同供電區域的故障隔離效率要求、實際改造部署難度來選擇適宜的饋線自動化部署方式，根據饋線自動化的部署需求確定范圍內的設備部署方式。饋線自動化的部署情況和設備選型情況確定后，再在故障定位型饋線自動化區域適當部署配電終端，用以滿足重要節點的監測需求。

3.2 分層分區的饋線自動化選型策略

針對饋線自動化的選型方式，可以根據不同區域對于供電可靠性和遠方操作的需求來制定策略，采用分層分區的配置方案，提高饋線自動化的經濟型和實用性，減少配電自動化改造難度。目前，湖北電網10 kV公用線路共計11 443回，其中電纜線路1 546回，主要接線模式為單環式；架空線路9 897回，接線模式主要包括輻射式、單聯絡及多聯絡。本文將針對湖北電網各類供電區域的特征進行饋線自動化及設備選型方案分析。

1）A+、A類地區

A+類及A類地區主要位于省會中心城區和重點經濟開發區，共計配電線路1 972條，其中電纜線路占43%，主要采用單環式結構，架空線路站57%，主要采用單聯絡接線。線路聯絡率達到98%，平均分段數為2.8。該類區域聯絡率和分段數較高，負荷轉供方式比較靈活，同時由于A+和A類地區均為城市核心區，對供電可靠性的要求較高。可采取集中型饋線自動化的部署模式，通過光纖部署可靠通信網，配電終端以“三遙”終端為主，能夠對區域內開關設備進行遠方操作。對于重要供電用戶區域，為切實保障饋線自動化動作的可靠性，可采用智能分布型饋線自動化進行部署，并用集中型饋線自動化作為后備，在終端之間通信出現故障時閉鎖智能分布式型饋線自動化，由集中型饋線自動化來判斷和隔離故障。

2）B、C類地區

B、C類地區主要位于除省會外各地市、縣中心城區和重點城鎮中心區域，涵蓋配電線路4682回，其中電纜線路占6%，主要位于地市核心區域，接線方式包括單環和單輻射，架空線路占94%，主要為單輻射和單聯絡式接線，整體聯絡率為53%，平均分段數2.31。此類區域包括城市中心區域和城郊區域，供電可靠性要求較高，目前該類區域的開關設備大多不具備電動操作機構，通信網絡也不完善，由于開關設備改造和通信光纖部署的成本較高。從經濟型和實用性的角度來說，建議在中心城區選用集中型饋線自動化，以“三遙”終端為主，采用光纖通信方式，以保證各分段開關、聯絡開關能夠配合配電主站的饋線自動化策略靈活進行操作，完成故障隔離。在城郊區域選用重合器型饋線自動化，以“二遙”動作型終端為主，采用無線通信方式，在故障發生時，能夠通過配電終端自身的延時動作隔離故障，在重要聯絡開關處部署“三遙”終端，通過開關遠方操作來進行非故障區的供電恢復操作，在聯絡開關“三遙”終端部署規劃過程中綜合考慮光纖部署成本和運維效益。同時，根據湖北電網網架結構現狀，在部分B、C類城市中心區域和城郊區存在少量長線路，在故障發生時難以對故障進行準確定位，可在此部分線路中間適當部署就地型故障指示器，對于重點線路部署暫態特征型遠傳故障指示器，便于故障準確定位。

3）D類地區

D類區域主要是農業經濟區，涵蓋配電線路4 779回，主要為架空線路，為單輻射和單聯絡接線，整體聯絡率16%，平均分段數1.81。此類區域由于線路聯絡率不高，負荷轉供能力較弱，且農網長線路比例較高，部署光纖的成本過高，針對此類區域應盡量考慮無線通信方式，以故障定位型饋線自動化為主，少部分具備條件的重要線路采用重合器型饋線自動化。由于農網區域主要采用中性點不接地方式，外施信號型、暫態錄波型、暫態特征型故障指示器均能夠適用。由于暫態錄波型故障指示器對通信的依賴性較強，需要采集故障臨近區域的波形，上送配電主站進行集中判斷，因此對于無線信號較強的區域可采用暫態錄波型故障指示器。對于信號較弱的地方可以在變電站出線加裝外施信號源，采用外施信號型故障指示器進行故障判斷。為縮小故障定位區間，增強故障判斷準確性，對于長線路可以在線路中間適當部署就地型故障指示器或暫態特征型遠傳故障指示器。

4 結語

饋線自動化是配電自動化的核心部分之一，但目前饋線自動化策略種類繁多，適用范圍也存在差異，本文從集中型、就地型和故障定位型饋線自動化的基本原理分析入手，從故障處理時效性、故障判斷可靠性和建設運維成本三個方面對各類饋線自動化方案進行了深入對比，根據湖北10 kV配電網的網架和負荷特點提出了適宜于湖北電網特點的饋線自動化部署方案，配電自動化的規劃建設應從設備選型入手，結合各供電區域特點、供電可靠性、經濟實用性來制定饋線自動化策略，通過饋線自動化的設備部署要求初步確定整體設備選型方案，再對部分重要節點針對性進行配置。

（References）

[1]梁文祥.“電壓-時間”型饋線自動化模式及應用[J].山東電力技術，2012（6）：34-36.LIANG Wenxiang.Voltage-time mode of feeder automation and its application[J].Shandong Electric Power Technology，2012(6)：34-36.

[2]徐懿，方勇.10 kV線路饋線自動化在城區配網的研究與運用[J].貴州電力技術，2014,17（12）：51-53.XU Yi，FANG Yong.The research and application of 10 kV line feeder automation in urban distribution network[J].Guizhou Electric Power Technology，2014,17（12）：51-53.

[3]張明明.電壓-時間型分段負荷開關配合變電站重合閘的饋線自動化系統原理及參數設置[J].裝備制造技術，2015(11)：241-242.ZHANG Mingming.Theprincipleandparameter setting of the voltage time type of the sub load switch with the feeder automation system of the substation[J].Equipment Manufacturing Technology，2015(11)：241-242.

[4]陳冉，陸健，沈冰等.饋線自動化系統的集成測試方案分析[J].電力系統自動化，2016,10（40）：121-125.CHEN Ran，LU Jian，SHEN Bing.Analysis of integration test scheme for feeder automation system[J].Automation of Electric Power Systems，2016,10（40）：121-125.

[5]凌萬水，張磐，馬杰.饋線自動化終端注入測試法及其應用[J].電網與清潔能源，2015,10（31）：71-88.LING Wanshui，ZHANG Pan，MA Jie.Feeder automation terminal injection test method and its application[J].Power System and Clean Energy，2015,10（31）：71-88.

[6]雷楊，張俊，李鵬，等.配電自動化系統實用化運行相關問題探究[J].湖北電力，2016,40（S）：64-67.LEI Yang，ZHANG Jun，LI Peng,et al.The practical application of power distribution automation system is studied[J].Hubei Electric Power，2016,40（S）：64-67.