基于配電自動化的有源配電網(wǎng)故障定位與隔離綜述

戴宇航

國網(wǎng)南京供電公司

1 配網(wǎng)自動化發(fā)展背景

配電網(wǎng)絡(luò)是電網(wǎng)的毛細(xì)血管，直接與負(fù)荷相連，是電力系統(tǒng)的末梢環(huán)節(jié)。我國電力系統(tǒng)高速發(fā)展以來，為解決特有的能源中心與負(fù)荷中心分布不均的主要矛盾，其發(fā)展模式長期重輸電，輕配電。近年來，隨著高新科技企業(yè)、服務(wù)業(yè)的高速發(fā)展，用電用戶對于供電可靠性、電能質(zhì)量等要求與日俱增。南京江寧地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口稠密。轄區(qū)內(nèi)有交通重要樞紐南京南站、祿口空港，電力用戶包括大量高新企業(yè)、高等院校、大型商場、居民小區(qū)，截止2019年底，江寧區(qū)范圍內(nèi)合計下轄高壓電力用戶4995戶、低壓電力用戶82萬戶。高度用電可靠性是衡量供電部門供電質(zhì)量的重要指標(biāo)。

年平均停電時間是計算供電可靠性的主要因素，減少故障發(fā)生后的停電時間有賴于故障的迅速定位、隔離與恢復(fù)。在配電網(wǎng)三段式電流保護(hù)的基礎(chǔ)上，基于配電自動化設(shè)備的配電網(wǎng)故障定位與隔離的研究受到廣泛關(guān)注。區(qū)域用電負(fù)荷的增長伴隨著更加嚴(yán)苛的環(huán)保要求以及化石能源的日漸枯竭，長遠(yuǎn)來看，光伏發(fā)電、儲能等分布式能源在配電網(wǎng)中的占比將不斷提高，對于傳統(tǒng)配電網(wǎng)輻射型供電，基于故障電流呈單一方向的現(xiàn)有配電網(wǎng)故障定位與隔離方法將不再適用。盡管現(xiàn)階段江寧配電網(wǎng)中以光伏發(fā)電為主的分布式能源裝機(jī)容量對比配電網(wǎng)容量仍處于可忽略不計的狀態(tài)。但長期來看，計及分布式電源對配電網(wǎng)影響的配電網(wǎng)故障與隔離策略的研究顯得尤為重要。

2 以FTU為基礎(chǔ)的配電網(wǎng)故障定位與隔離發(fā)展及研究現(xiàn)狀

自電力系統(tǒng)存在以來，其自動化程度就在不斷提高。配電網(wǎng)絡(luò)細(xì)枝末節(jié)，連接千家萬戶，具有高度復(fù)雜性，發(fā)生故障概率高。南京江寧地區(qū)原為廣袤農(nóng)田，在近年城市化高速進(jìn)展的過程中存在電源點(diǎn)建設(shè)滯后的現(xiàn)象。因此，變電站往往設(shè)置36回10kV出線，且10kV饋線供電半徑長達(dá)數(shù)公里。一旦發(fā)生故障，若無相應(yīng)的故障定位方法，通過巡線實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的定位耗時巨大，造成用電用戶不良體驗(yàn)對社會經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)造成影響。以江寧地區(qū)配電網(wǎng)為例，2019年度，共發(fā)生各類型配電網(wǎng)絡(luò)故障257起（其中主要為單相接地故障）。對于配電網(wǎng)絡(luò)故障的自動化定位與隔離始終是供電部門高度關(guān)注的問題。關(guān)于配電網(wǎng)的故障定位與隔離技術(shù)，前人已做出大量研究成果。

原始的配電網(wǎng)故障隔離基于三段式電流保護(hù)，電流速斷保護(hù)（第一段）、限時電流速斷保護(hù)（第二段）、定時限過電流保護(hù)（第三段）相互配合。這種方式雖簡潔高效，但隨著單條饋線供電半徑的增加，在發(fā)生故障時其選擇性并不良好。對此，供電部門采取“試送法”配合重合閘實(shí)現(xiàn)單相接地故障定位，即在電流速斷保護(hù)跳開開關(guān)且一次重合閘失敗后，對于饋線上的各分段開關(guān)自電源側(cè)起向線路末端依次試送，若發(fā)生二次跳閘，則判斷故障處于該分段開關(guān)下游。此方法省去了復(fù)雜的邏輯判斷定位，簡單易行，但會對故障線路所帶設(shè)備產(chǎn)生二次沖擊，尤其是在現(xiàn)階段配電網(wǎng)電纜高度覆蓋，二次重合會對電纜線路產(chǎn)生沖擊。由此，近年來，基于FTU的配電網(wǎng)故障定位與隔離技術(shù)被廣泛采用。

2.1 FTU發(fā)展歷程

配電自動化的根本目的是實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控并能實(shí)現(xiàn)對于配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的實(shí)時控制。DTU（開閉所遠(yuǎn)方監(jiān)控終端）、TTU（配變終端）、FTU（饋線自動化終端）三者配合監(jiān)控主站共同實(shí)現(xiàn)配電自動化功能。其中FTU針對饋線開關(guān)，包括斷路器、負(fù)荷開關(guān)、分段開關(guān)。

自我國開始配電自動化改造以來，即開始由傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)配合重合閘實(shí)現(xiàn)故障定位向利用實(shí)現(xiàn)故障的隔離與恢復(fù)。基于FTU對10kV配電饋線運(yùn)行方式及負(fù)荷的監(jiān)測與控制以及對故障進(jìn)行定位與隔離的功能，其功能實(shí)現(xiàn)方式的發(fā)展主要經(jīng)歷三個階段。一是僅具備“三遙”功能的FTU，對于故障不能實(shí)現(xiàn)自動化處置，僅作為調(diào)度員處置故障的輔助信息。二是我國開展配電自動化試點(diǎn)后至今，與主站相配合，具有故障診斷功能的“主從式”饋線自動化終端，依靠主站分析，可實(shí)現(xiàn)故障自動定位與隔離。三是現(xiàn)處于試點(diǎn)狀態(tài)的具備面保護(hù)功能的饋線自動化終端，可通過相鄰FTU之間的相互通訊，不依賴主站，實(shí)現(xiàn)故障的隔離與定位功能。

2.2 基于直接算法的配電網(wǎng)故障定位與隔離技術(shù)

配電網(wǎng)故障定位與隔離的直接算法指利用圖論，對配電網(wǎng)拓?fù)溥M(jìn)行分析，將配電網(wǎng)以矩陣的方式進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。矩陣法判別故障位置的方式核心邏輯為：根據(jù)運(yùn)行方式提前整定饋線各節(jié)點(diǎn)（斷路器、分段開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)）電流越限值，基于FTU實(shí)時采集各節(jié)點(diǎn)是否發(fā)生電流越限以及電流越限的時刻。若相鄰的兩個FTU同時感受到故障或同時均不感受到故障，則故障不在該兩個節(jié)點(diǎn)之間。若一個節(jié)點(diǎn)感受到故障，另一個節(jié)點(diǎn)未感受到故障，則故障發(fā)生在該兩個節(jié)點(diǎn)之間。具體實(shí)現(xiàn)方法為矩陣異或邏輯運(yùn)算，生成一個配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涿枋雠e證，生成一個實(shí)時的故障描述舉證，通過兩個矩陣相乘后進(jìn)行異或邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)故障的定位。現(xiàn)在配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)節(jié)中使用的故障定位與隔離主要采用這種矩陣直接算法實(shí)現(xiàn)。此方法邏輯簡單直觀，計算準(zhǔn)確，但對FTU實(shí)時向主站傳遞數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有較高要求，由于FTU安裝于戶外，其外部環(huán)境較為惡劣，當(dāng)數(shù)據(jù)傳遞產(chǎn)生畸變時，此種直接算法的準(zhǔn)確性會收到影響。同時，由于矩陣的階數(shù)取決于配電網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目，對于復(fù)雜配電網(wǎng)的故障定位不適用。

2.3 基于智能算法的配電網(wǎng)故障定位與隔離技術(shù)

為了解決直接算法在FTU傳遞數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)畸變、復(fù)雜配電網(wǎng)絡(luò)對于主站運(yùn)算壓力較大等問題，基于智能算法的配電網(wǎng)故障定位隔離技術(shù)受到研究人員的廣泛關(guān)注。

蟻群算法與粒子群算法。蟻群算法指模擬自然界中螞蟻群體覓食搜索的行為，實(shí)現(xiàn)對于優(yōu)化問題的求解，具有良好的正反饋特性及容錯性。

遺傳算法基于“物競天擇適者生存”的達(dá)爾文進(jìn)化論，是一種具有自然遺傳機(jī)制的隨機(jī)搜索算法。其模擬自然進(jìn)化從而實(shí)現(xiàn)尋找最優(yōu)解的方式使其具有不易陷入局部最優(yōu)解以及抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。引進(jìn)新的基于個體差異的調(diào)整因子，改進(jìn)父代與子代之間的相似性從而提高算法的收斂性能。為了解決遺傳算法中復(fù)雜開關(guān)函數(shù)的構(gòu)造問題。

3 南京江寧地區(qū)配電自動化故障定位與隔離策略現(xiàn)狀

南京地區(qū)配網(wǎng)與其他地區(qū)配網(wǎng)相比，具有中壓饋線眾多、平均單條饋線長度較長、配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)。在長饋線及分支較多的饋線上，對于重合器的時間整定較為困難，因此采用時間邏輯相配合的重合器應(yīng)用效果不好。在實(shí)際配電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)維過程中，南京地區(qū)配電網(wǎng)在故障的定位與隔離方面仍主要依靠傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)以及重合閘、備自投自動裝置輔以線路故障指示器以及跌落式熔斷器等配合實(shí)現(xiàn)。

自2010年之后，南京地區(qū)在配電自動化發(fā)展方面投入大量精力，結(jié)合南京地區(qū)配網(wǎng)特點(diǎn)以及技術(shù)成熟度綜合考量，采取了“主站——終端”的兩層主從式配電網(wǎng)故障定位與隔離發(fā)展策略。終端層基于FTU及DTU實(shí)現(xiàn)饋線各節(jié)點(diǎn)以及終端配電變壓器各相電流、電壓幅值的實(shí)時監(jiān)控，在發(fā)生電流越限事件時主動上報，并能通過主站遙控命令實(shí)現(xiàn)開關(guān)的分合操作。主站層基于SCADA、DMS、GIS、OMS等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、分析定位、給出隔離方案的功能。

在配電自動化硬件基礎(chǔ)建設(shè)方面，南京地區(qū)于2019年建成無線4G專網(wǎng)，在主站與終端的通訊方面打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，在自動化終端建設(shè)上，以江寧配電網(wǎng)為例，現(xiàn)有配電自動化設(shè)備總量1040臺。從進(jìn)一步發(fā)展的角度看，近期南京江寧地區(qū)配電自動化工作方向涵蓋以下兩個個方面。一是保證自動化終端穩(wěn)定在線。江寧地區(qū)存在開閉所、配電房終端多，光纖工況差，4G專網(wǎng)信號覆蓋弱，針對這一現(xiàn)狀針對性解決，目標(biāo)將自動化在線率穩(wěn)定在95%左右。二是對于新上設(shè)備實(shí)現(xiàn)FTU裝設(shè)全覆蓋，確保對于配電網(wǎng)狀態(tài)的可觀性。

參考文獻(xiàn)

[1]永端，徐丙垠，李天友，等.配網(wǎng)自動化系統(tǒng)小電流接地故障暫態(tài)定位技術(shù)[J].電力自動化設(shè)備，2013，33（12）.

[2]馬俊，何興昊.配電網(wǎng)故障自動定位技術(shù)中通信技術(shù)的分析與研究[J].中國電力教育，2013（5）.