基于先進FTU的智能配電網面保護研究

洪亮, 陳旸, 余浩斌, 傅彬, 連鴻波,王承民

(1.國網福建省電力公司福州供電公司，福州350100；2.國網上海市電力公司松江供電公司，上海201600；3.上海交通大學，上海 200240)

0 引 言

隨著電力系統信息化的快速發展，對配電網運行管理水平以及自動化程度的要求也越來越高。“8·14美加大停電”使全世界對電網的安全可靠運行引起了高度的關注。

配電網監控和保護的改進是提高配電網供電安全可靠運行的重要手段之一[1-4]。基于計算機技術和通信技術的配網饋線自動化系統和基于配電自動化開關設備相互配合的饋線自動化系統是目前廣泛應用的兩種配電網監控和保護系統。但前者需將各終端裝置采集到的故障信息上傳到配網自動化中心的主站，主站經過判斷分析后進行遙控開關操作以實現對故障的隔離，這種處理方式延長了故障處理時間，并且對配網自動化中心的通信網絡和主機有較高要求。后者則利用多次重合閘來實現對故障的隔離和非故障區域的恢復送電，多次重合行為對電氣設備有較大的沖擊[5-6]。

本世紀初期配網自動化系統逐漸向分布式智能處理方式發展，成為一種新的技術方向[7-8]。在目前分布式電源大量滲透和通信網絡高密度覆蓋的背景下，針對饋線終端裝置(Feeder Terminal Unit，FTU)的研究開發也愈發成熟[9-10]，功能也較以前有很大提高。文中以先進FTU為硬件基礎，提出一種基于面保護的智能配電網故障診斷與自愈系統。面保護方式是針對于傳統的點保護方式而言的，是一種先進的全線速動性分布式智能故障處理模式，這種方式是通過完整的通信網絡和安裝于室外電氣開關上的配電終端來實現的。通過實際應用案例表明，所提出的基于先進FTU的面保護系統能夠實現故障快速定位與隔離和非故障區的供電快速恢復。

1 基于先進FTU的面保護系統

1.1 智能配電網故障診斷與自愈架構

智能配電網一般采用閉環設計開環運行，利用聯絡開關將不同配電母線連接起來，如圖1中的橢圓形框所示，每一條母線上會有若干個分段開關，如圖1中的矩形方框所示。不論是分段開關還是聯絡開關均配置有先進FTU。

圖1 智能配電網網絡圖

為了實現智能配電網的故障診斷和自愈功能，智能配電網故障診斷和自修復系統架構如圖2所示設計，每個FTU與相鄰FTU處于互惠關系(相鄰的FTU是指受控單元之間的電氣連接)，而主站之間的一些FTU和智能配電網絡可以通信。

僅在相鄰FTU之間進行通信而不是任意FTU之間進行通信的原因在于，短時間內，通常認為只有處于相鄰電氣關系的設備的信息(正常操作或故障)會對彼此的運行狀態產生影響。如果許多FTU相互之間都進行通信，則需要增加FTU存儲容量，并勢必會影響FTU的處理速度。為此，無論從科學，經濟和效率的考慮來看，只有相互之間的FTU溝通是明智之舉。

智能分布網絡主站設計的出發點在于預測一些由于輕微故障引起的互鎖故障，并及時隔離故障區域，同時對于管理層級而言，便于在不同電網管理級別調用響應的信息。

只有部分FTU和智能配電網主機通信的原因，一方面可歸結為即使是部分FTU和智能電網主站的通信同樣可以實現讓主站獲取整個網絡所有信息的目的；另一方面在于簡潔不繁瑣的設計，這將提高整個保護架構的安全性和可靠性。

在智能配電網中，FTU常用的通信方式有光纖通信、無線擴頻通信和GPRS通信。目前應用最廣泛的是光纖通信方式。三種通訊方式各有其優缺點。光纖通信的傳輸容量大，抗干擾能力強，但敷設困難，通信設備以及設備維護費用較高。擴頻通信的抗干擾能力強、誤碼率低、發射功率小，但繞射能力差，信號易受傳輸的影響。GPRS通信的建設費低、組網靈活、不受環境距離和規模的限制，通信范圍廣，但傳輸速度和實時性較光纖通信差。

圖2 智能配電網故障診斷與自愈架構

1.2 先進FTU的功能要求

為了實現智能配電網面保護功能，每個開關上的FTU需要具備相應的功能，總的來說包括以下五個方面：(1)采集流過開關的保護電流I和開關兩側的電壓U；(2)能夠測量流過開關的潮流方向，將潮流流入開關的方向稱為“入端”，流出開關的方向一端稱為“出端”;(3)能夠與相連的FTU相互通信，且通信時耗短；(4)能夠進行自動重合閘；(5)可以進行電流參考值、電壓參考值以及延時時間的整定。

2 面保護故障處理原理

基于先進FTU的智能配電網面保護的功能是實現對故障的快速定位與隔離以及供電恢復。為此，根據FTU檢測到的電壓電流信息如何確定故障地點，以及如何快速隔離故障并恢復可恢復區域供電是面保護功能的具體內容。本節從故障定位、故障隔離、故障恢復等層面來闡述故障診斷與自愈系統的功能實現。

2.1 故障定位方法

智能配電網中發生最多的是單相接地故障和三相短路故障，當然也不排除兩相短路和各種斷路故障等。故障定位的目的在于為該區域智能配電網管理中心提供故障處的具體信息，以防在無法通過自動重合閘消除故障的情況下，方便檢修人員及時到達故障地點進行故障修復。

以如圖3所示的饋線結構圖說明短路故障定位的算法原理。圖3中所示的配電網共有7個開關，每個開關均配置一個先進FTU，開關2與3之間發生短路故障，流過開關1和2的電流將比正常運行情況下要大，而流過開關3、4、5、6、7的電流將變為0。智能配電網根據當前的運行方式可以整定一個短路電流臨界值Ie，若有開關的電流超過這個值，說明配電網發生了短路故障。

圖3 饋線短路結構圖

從以上分析可以看出故障線路兩端的開關的電流值相差甚大，即：

|Im-In|>Ie

(1)

式中Im為FTUm檢測到的電流，In為開關FTUn檢測到的電流，且FTUm和FTUn相連。

若某相連FTU檢測到的電流滿足式(1)，那么饋線mn發生了短路故障。

以如圖4所示的饋線結構圖說明斷路故障定位的算法原理。

圖4 饋線斷路結構圖

若開關2和3之間發生斷線故障，那么開關3、4和5將失壓，其他開關處均能夠正常運行，維持在正常電壓，所以不難看出若饋線mn間發生了斷路故障，那么,有：

|Um-Un|>kUN

(2)

式中Um為開關m處的電壓；Un為開關n處的電壓；UN為額定電壓；k為靈敏度系數。

總結以上，開關m和n之間發生故障的判據在于：其兩端的電流差或者電壓差超過FTU的整定值。

2.2 故障隔離方法

故障隔離是針對短路故障而言的，通過開關的分合閘將故障區域分離出去，保證非故障區域能夠正常的供電。相鄰開關的FTU之間通過相互發送消息來決定開關的操作。

對于每個FTU而言，根據其檢測到的功率信息得到該線路的功率流動方向。當智能配電網故障發生時，若FTU采集到的電流值I大于系統給定的最大電流值Ie，說明發生了過流故障。FTU立即向其入端方向相鄰的FTU發送跳閘閉鎖命令，向其出端方向相鄰的FTU發送跳閘命令。

為了準確并快速的切除故障，相鄰FTU之間采用相互通信閉鎖的協調方式。若某個FTU檢測到過流故障且收到跳閘閉鎖命令，那么該開關保持合閘；若某個FTU檢測到過流故障且沒有收到跳閘閉鎖命令，那么該開關跳閘；若某個FTU沒有檢測到過流故障但接到了跳閘命令，那么該開關跳閘。

2.3 故障恢復方法

當故障隔離后，智能配電網要進行故障恢復，我們知道，電力系統很多故障都是瞬時性的，為此如1.2節所述，先進FTU應具有自動重合閘功能。

故障恢復的方法分為兩個步驟，第一步是故障隔離后進行一次自動重合閘，若故障消除，那么就恢復了正常的供電；若FTU仍然檢測到過流或者過零故障，那么進行第二步。第二步是采用閉合聯絡開關的方式恢復部分或者全部失電用戶，聯絡開關的FTU檢測開關兩側的電壓，若有一側電壓正常，另一側電壓失壓，那么說明聯絡開關的一側的供電是正常的，另一側已發生故障。以圖5為例，若開關1和2之間發生故障，而母線2側供電正常，此時聯絡開關7合閘可以恢復部分負荷的供電；若開關3和7之間發生故障，此時開關7會收到分閘命令，不能閉合聯絡開關7。第二步總的來說是通過判斷聯絡開關兩邊的電壓，若只有一側失壓且沒有收到分閘命令，那么可以通過閉合聯絡開關來恢復部分負荷的供電。

圖5 饋線聯絡圖

從自動重合閘和閉合聯絡開關這兩步可以看出他們存在一定的時間差，第二步操作執行時間與第一步執行時間可以設定一個適宜的延時整定時間。

3 仿真分析

將基于先進FTU的配電網面保護原理應用于上海松江配電網中，成功地進行了測試以檢驗其可行性。在松江110 kV萊陰變電中，選擇兩個串接的、具有環網供電能力的兩個開關站進行測試與應用，如圖6和圖7所示。

圖6 西郊百麗1號開關站電系接線圖

圖7 西郊百麗2號開關站電系接線圖

試驗配網的簡化測試線路圖如圖8所示，并選取104、202、204、205安裝先進FTU進行功能測試，其中205為聯絡開關，其它均為進出線開關。

圖8 測試線路圖

分別模擬故障發生在站與站之間(104與202之間)、站內(202與204之間)和204出線端，試驗結果如下：

(1)故障點發生在104與202之間。

線路正常運行時，104、202、204 FTU檢測到的電流值為300 A左右。當104 FTU檢測到的電流為980 A，大于FTU的電流整定值，而202、204 FTU檢測到的電流為零時，判斷故障發生在104與202之間。104 FTU分別向其入端相鄰的102 FTU發送跳閘閉鎖命令，向其出口相鄰的202 FTU發送跳閘命令。故障整定時間到達后(0～100 ms可設)，104 FTU自身檢測到過流信息，同時并未收到其它FTU發來的命令，綜合信息判斷104 FTU驅動開關跳閘；202 FTU僅收到104 FTU發來的跳閘命令，綜合信息判斷202 FTU驅動開關跳閘，故障被快速隔離。經過一定時間延時后(延時時間可整定)，104、202 FTU發送重合閘命令驅動相應開關合閘。如果104、202、204 FTU在重合閘整定時間內檢測到的電流值恢復到正常時的300 A左右，則為瞬時性故障，重合閘成功，線路恢復正常；如果沒有，則為永久性故障，重合閘失敗，104、202將再次跳閘。

(2)故障點發生在202與204之間。

線路正常運行時，104、202、204 FTU檢測到的電流值為300 A左右。當104FTU檢測到的電流為940 A，202 FTU檢測到的電流為931 A，大于FTU的電流整定值，而204 FTU檢測到的電流為零時，判斷故障發生在202與204之間。104 FTU向102 FTU發送跳閘閉鎖命令，向202 FTU發送跳閘命令；202 FTU向104 FTU發送跳閘閉鎖命令，向204、205 FTU發送跳閘命令。在故障整定時間到達后(0～100 ms可設)，104自身檢測到過流信息，同時收到202 FTU發來的跳閘閉鎖命令，綜合信息判斷104開關仍保持合閘狀態；202自身檢測到過流信息，同時收到104 FTU發來的跳閘命令，因此202 FTU驅動開關跳閘；204 FTU僅收到202發來的跳閘命令，因此204FTU驅動開關跳閘；聯絡開關205僅收到202發來的跳閘命令，綜合信息判斷仍然保持分閘狀態，故障被隔離。經過一定時間延時(延時時間可整定)，202，204 FTU發送重合閘命令驅動相應開關合閘，如果104、202、204 FTU在重合閘整定時間內檢測到的電流值恢復到正常時的300 A左右，則為瞬時性故障，重合閘成功，線路恢復正常；如果沒有，則為永久性故障，重合閘失敗，202、204將再次跳閘。

(3)故障點發生在204出線端。

線路正常運行時，104、202、204FTU檢測到的電流值為300 A左右。當104FTU檢測到的電流為850 A，202 FTU檢測到的電流為845A，204FTU檢測到的電流為836 A，大于FTU的電流整定值，判斷故障發生在204的出線端。104 FTU向102 FTU發送跳閘閉鎖命令，向202 FTU發送跳閘命令；202 FTU向104 FTU發送跳閘閉鎖命令，向204、205 FTU發送跳閘命令；204 FTU向202、205 FTU發送跳閘閉鎖命令。在故障整定時間到達后(0～100 ms可設)，104自身檢測到過流信息，同時收到202 FTU發來的跳閘閉鎖命令，綜合信息判斷104開關仍保持合閘狀態；202自身檢測到過流信息，同時收到104 FTU發來的分閘命令和204 FTU發來的跳閘閉鎖命令，綜合信息判斷202開關仍保持合閘狀態；204檢測到自身過流信息，同時收到202 FTU發來的跳閘命令，因此204 FTU驅動開關跳閘；出線端故障被隔離，經過一定時間延時(延時時間可整定)，204 FTU發送重合閘命令驅動相應開關合閘，如果104、202、204 FTU在重合閘整定時間內檢測到的電流值恢復到正常時的300 A左右，則為瞬時性故障，重合閘成功，線路恢復正常；如果沒有，則為永久性故障，重合閘失敗，204再次跳閘。

上述結果表明，本文設計的面保護方案能夠實現在故障時刻可靠地、有選擇性地進行動作，將故障切除并保證非故障區快速恢復供電的電網保護功能。

4 結束語

實現故障隔離和恢復非故障區域送電是實現智能配電網的重要環節，是提升配電網可靠性的核心技術。基于先進FTU設備，本文首先介紹了相鄰FTU(相鄰FTU的判斷原則是FTU所控單元之間存在著電氣連接)之間的通信以及部分FTU與配電網主站間的通信，而后基于此，設計了一種新型的保護邏輯算法和整體架構。該面保護系統在一定程度上克服了傳統配網自動化系統中故障處理緩慢、非故障區停電、開關設備損耗大等缺點。經過實際測試驗證，所提系統能實現對故障的快速隔離和非故障區域的快速恢復送電，且在近后備保護拒動的情況下，上級開關會可靠動作，隔離故障，能夠很好地應用于智能配電網中。