智能分布式FAFAFAA測試分析及解決措施

潘建兵，王勝利，曹 蓓，徐在德，劉 洋，黃 慧

（1.國網江西省電力有限公司電力科學研究院，江西 南昌 330096；2.國網江西省電力有限公司南昌供電分公司，江西 南昌 330006；3.國網江西省電力有限公司上饒供電分公司，江西 上饒 334000）

0 引言

配電自動化是利用現代計算機及通信技術，將配電網的實時運行、電網結構、設備、用戶以及地理圖形等信息進行集成，構成完整的自動化系統，實現配電網運行監控及管理的自動化、信息化[1]。饋線自動化（Feeder Automation，簡稱FA）是利用自動化裝置或系統，監視配電網的運行狀況，及時發現配電網故障，進行故障定位、隔離和恢復對非故障區域的供電。FA實現模式主要有就地式、集中式與分布式三種類型。就地式FA技術主要是基于重合器-分段器相互配合就地實現饋線故障區段定位、隔離與非故障區段的供電恢復，包括電壓-時間型、電壓-電流-時間型、自適應綜合型，它不需要主（子）站控制，不需要通信通道，投資小、易于實現，主要用于對供電質量要求不是太高、且沒有通信條件的城郊或農村架空線路，但需要多次重合，對系統形成多次沖擊、引起電壓驟降[2-3]。集中式FA技術通過工業以太網、EPON光纖網或GPRS無線通信等完善的通信手段，將饋線終端檢測的故障信息上傳到配電自動化主站（或子站），主站根據饋線拓撲結構和預設算法對故障信息進行分析，并判斷出故障區域，發出控制命令，實現故障區段定位、隔離與供電恢復操作，是目前城市配網中應用較多的FA供電模式[4]。分布式FA是通過配電終端之間相互對等通信實現饋線的故障快速定位、隔離和非故障區域自動恢復供電的功能，并將處理過程及結果上報配電自動化主站，實現對故障區段毫秒級定位，秒級快速隔離，非故障區域數秒內供電恢復[5]。文獻[6]提出一種基于GOOSE的快速自愈的分布智能FA系統，建立配電網分區模型，論述開環運行配電網和閉環運行配電網的分布式FA機制，加快故障處理速度。

本文分析了分布式FA邏輯功能及動作過程，搭建實驗室測試平臺，模擬開關正常、拒動、誤動、通訊中斷等運行工況，測試FA系統邏輯是否正確，針對測試發現問題提出相對應的整改措施，提高設備投運前的功能可靠性，減少現場調試工作量。

1 分布式FA系統

1.1 系統構成

分布式FA系統是由智能終端、對等通信系統、配電自動化主站構成，其結構如圖1所示。智能終端是分布式FA系統的核心設備，完成饋線數據采集與監視控制、短路故障檢測、分布式智能控制、相互對等通信等功能。

對等通信系統連接配電主站和分散饋線上的智能終端，實現終端與主站、終端與終端之間相互雙向通信。配電網正常運行時，對等通信系統負責上送終端采集信息、下達主站控制命令，實現三遙功能；配電網故障時，保障終端之間的對等通信，實現就地故障隔離、非故障區恢復供電，并將分布式FA故障處理過程及結果上傳到配電主站。

圖1 FA系統構成圖

配電自動化主站采集并處理來自智能終端的配電網實時運行數據，向智能終端設置或修改整定值，提供配電網運行監控界面、完成多種高級應用。對于分布式FA系統，配電自動化主站不直接參與分布式故障處理過程，只負責接收處理結果，只有當分布式FA處理失敗后，主站才參與故障處理。

1.2 工作原理

1.2.1 動作邏輯原理

分布式FA的故障定位，主要通過檢測故障區段兩側短路電流、接地故障的特征差異，從而定位故障發生在對應區段。

速動型分布式FA，在故障定位完成后，在變電站饋線保護動作之前隔離相應故障區段，隨后判斷聯絡電源轉供條件滿足與否，若滿足，合上聯絡開關完成非故障停電區域的供電恢復。

緩動型分布式FA，在故障定位完成后，在變電站饋線保護動作切除故障之后，經延時隔離相應故障區段，隨后判斷聯絡電源轉供條件滿足與否，若滿足，合上聯絡開關完成非故障停電區域的供電恢復。

1.2.2 短路故障處理

以速動型分布式FA、架空電纜混合線路為例，見圖2。圖中CB1、CB2為出口斷路器，FS1~FS8為配電架空線及環網柜斷路器，LSW1為聯絡開關。若故障發生在FS2FS3FS5之間，FS2開關通過與FS1FS3FS5的配電終端通信，判斷出故障發生在FS2FS3FS5之間，FS2、FS3和FS5跳閘，故障點隔離成功。故障點隔離成功后，合閘聯絡開關LSW1，

圖2 分布式FA處理過程

1.2.3 分布式FA相間故障上下游判斷及處理

分布式FA的處理過程主要包括FA啟動、故障定位及隔離、FA結束等步驟。在故障發生后，所有FTU根據自身故障信號、其他站點故障信息，判斷故障區間上下游開關，根據設定的動作模式進行故障定位及隔離，見圖3。

圖3 分布式FA區間判別

2 測試平臺搭建

2.1 測試方法

配電自動化故障處理性能測試主要包括主站注入式、二次同步注入測試法及主站、主站與二次同步注入。主站注入測試直接給終端注入故障信息，可模擬不同工況下的故障，但僅能驗證配電自動化系統主站饋線自動化功能。二次同步注入測試法采用故障模擬發生器同在FTU或DTU終端注入故障電流，實現對FA故障處理性能測試。本文將采用二次同步注入測試法該分布式FA進行功能測試。

2.2 測試線路等效圖

為最大程度的還原線路實際運行情況，通過等效圖的方式構建線路測試圖。以某線為例，其線路主干線有三個分段開關、一個聯絡開關、12個分支開關，等效圖見圖4，分支開關位置可根據線路故障點位置而變動。

圖4 等效圖

2.3 系統框圖

測試系統包括模擬主站、通信系統、模擬同步故障發生器、FTU，模擬主站控制模擬同步發生器，通信系統串聯終端FTU與模擬主站，模擬同步故障發生器輸出故障電流及電壓、模擬開關，測試框圖見圖5

圖5 測試系統框圖

2.4 測試流程

模擬主站根據故障類型下發測試參數（見圖6），通信設備負責傳輸指令，模擬同步故障發生器響應指令輸出故障電流及電壓，FTU根據檢測的故障電流啟動FA功能，隔離故障區段，并上送FA動作情況，圖7為整個流程圖。

圖6 模擬測試主站

圖7 測試流程示意圖

2.5 測試平臺

由于FTU連接的電流信號為電壓值（600/1 V），而模擬同步故障發生器無法直接將電流轉換為電壓信號，因此，在模擬同步故障發生器與FTU之間添加一個電流轉換為電壓信號（精度為0.5級），其物理測試接線見圖8。

圖8 測試平臺連接示意圖

3 測試內容

3.1 不同運行工況測試

為驗證分布式FA系統在不同運行工況下的處理能力，設置開關拒動、開關誤動、故障前通信中斷、故障處理過程中中斷等異常工況，具體見表1，不同工況下的動作結果見圖9。

表1 運行工況設置及測試方法

圖9 不同運行工況下分布式FA處理結果

3.2 故障點設置

圖4（c）為等效測試圖，通過設置不同故障位置與限值（電流值及時間值），測試FA邏輯功能的準確性，故障設置如下：

1）模擬電源線路出口發生過流故障，故障點位于CB和D1開關之間。

2）模擬主干線發生過流故障，故障點位于D1開關和D2開關之間。

3）模擬主干線發生過流故障，故障點位于D2開關和D3開關之間。

4）模擬線路聯絡節點段發生過流故障，故障點位于D3開關和L1開關之間。

5）模擬線路供電網絡結構發生變化（L1為分段開關、CB2為聯絡開關），故障點位于D3開關和L4開關之間。

為驗證分布式FA故障隔離區域的開關動作是否正確、隔離時間是否滿足設計要求，記錄正常及異常情況分別開關分位狀態、FA啟動時間、FA閉鎖時間。

4 問題分析及解決措施

通過測試發現通信、故障隔離時間、閉鎖信號不準確等六個問題，針對發現的問題，給出相對應的解決措施。

4.1 通信問題

問題描述：在D2與D3之間設置故障點，FA功能閉鎖，變電站開關CB1跳閘。

原因分析：分布式FA采用EPON通信模式，終端通過ONU上傳信息，各ONU之間的數據交換須經過OLT，即ONU上行至OLT，再由OLT下行至其他的ONU。終端采用GOOSE協議傳送保護報文。通過排查發現OLT設備無法捕獲解析ONU上傳的GOOSE報文，導致各開關無法識別相鄰開關故障信號，FA功能閉鎖。

圖10 EPON通信模式

解決措施：1）通信廠家對OLT設備通信協議進行二次開發或更換設備，以便能夠識別及解析GOOSE報文，完成ONU設備之間的通信；2）終端廠家更換通信協議，以明文形式上傳報文。

采用方案：綜合考慮時間及成本因素，最終采用工業以太網通信方式，工業交換機替換ONU設備，終端仍采用GOOSE協議傳送保護報文。工業以太網交換機的收發模塊分開，需要2根光纖，現場施工需4根光纖形成一個環路。

4.2 故障隔離時間超限

問題描述：終端之間通信采用工業交換機方式，在D2與D3之間設置故障點，FA啟動，變電站開關CB1跳閘，FA隔離不成功。

原因分析：分布式FA隔離故障理論動作時間包括故障等待時間、策略生成時間、遙控出口時間、遙信反饋時間、開關分閘時間，策略生成包括通信時間、邏輯判斷、遙信等待延時時間（多次比對相鄰開關故障報文，確保收到相關聯開關信息）、策略輸出。經測試發現FA過程時間分布見圖11。

圖11 EPON通信模式

由圖11數據可知，FA隔離時間為820 ms，大于變電站開關600 ms，變電站開關動作正確。

解決措施：在保證FA功能100%可靠動作情況下，盡可能縮短遙信延時等待時間。測試不同遙信延時等待時間情況下開關動作情況，如表2所示。

表2 不同遙信延時等待時間下測試動作情況

由表2數據可知，時間設置40 ms，FA均能可靠動作，綜合考慮現場實際情況，推薦遙信等待延時時間由500 ms優化為50 ms。

4.3 瞬時故障無法識別

問題描述：D2-D3之間發生的故障為瞬時性故障，D2、D3分閘，無法區分瞬時性與永久性故障。

原因分析：FA故障隔離程序未考慮瞬時性故障類型，且將瞬時故障按照永久性故障類型處理，導致FA功能無法有效的處理瞬時性故障。

解決建議：完善FA故障處理程序，故障點上游開關配置一次重合閘，有效的躲避瞬時性故障。

4.4 閉鎖SOE信號不準確

問題描述：在D2-D3發生故障，D2開關發生拒動，D2開關發生拒動及FA閉鎖信號并將信息上傳至主站；D3開關發生拒動，D3開關不發送拒動而引起閉鎖信號。

原因分析：開關拒動閉鎖信號程序只針對故障點上游開關（D1/D2），未針對下游隔離開關（D3）發閉鎖信號。

解決措施：增加下游開關拒動閉鎖信號上送主站功能。

4.5 異常工況處理功能不完備

問題描述：D2-D3區間發生故障，D2開關發生拒動，故障由變電站開關CB1間接隔離。

原因分析：FA故障隔離程序未考慮故障擴大范圍處理，FA直接閉鎖。

解決建議：按照開關相鄰屬性特點，由故障區域上游開關的上一級開關（D1）間接隔離故障。

表3 不同供應商、不同保護情況下分閘時間

表3為不同供應商在不同保護情況下分閘時間，數據表明彈簧操作機構開關分閘時間（整套動作時間）平均為64.9 ms，最大為85 ms、最小為40 ms，不超過90 ms。

由表2及表3數據可知，FA從啟動到結束時間最大不超過187 ms，若FA考慮擴大，整個故障隔離時間約為580 ms?？紤]開關慢分或拒分時間一般不超過150 ms，優化后的隔離時間可縮短至530 ms，具體時間見表4。由表4數據可知，優化后的時間滿足擴大范圍處理時限要求。

表4 隔離時間對比

4.6 故障信號燈指示不合理

問題描述：故障發生在D2-D3之間，FA啟動隔離故障，流過故障電流的D1/D2故障運行燈亮。

原因分析：FTU設備故障指示燈點燈邏輯不完善，未考慮現場運維工況。

解決措施：完善故障及非故障區域FTU故障警示燈狀態。

5 結語

本文通過搭建物理仿真平臺，對FA系統進行驗證，檢驗FA系統在通信中斷、開關拒動、開關誤動干擾情況下FA動作邏輯的正確性與可靠性，針對測試發現的問題提供了對應的解決措施，有效的避免了通信設備不支持GOOSE協議問題將導致整個FA不啟動而失效，隔離時間設置問題將導致FA功能失效而擴大停電范圍等問題，減少設備安裝投運前的調試工作量，在一定程度上推進了配電自動化的實用化。

參考文獻：

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