就地型饋線自動化FA功能新型控制策略研究及仿真驗證

朱獻(xiàn)周，呂學(xué)平，王 哲，王占輝，陳 晨

（許繼電氣股份有限公司，許昌461000）

配電自動化對提高供電可靠性、改善供電質(zhì)量和滿足客戶需求具有十分重要的作用[1-2]，近年來國內(nèi)主要電網(wǎng)企業(yè)逐步加大了對配電自動化的投資力度，國家電網(wǎng)公司明確提出“要全面推進(jìn)配電自動化建設(shè)，著力提升配電自動化應(yīng)用水平，不斷提高配電網(wǎng)供電可靠性和供電質(zhì)量?！?/p>

饋線自動化（feeder automation-FA）是配電自動化的重要組成部分，其在進(jìn)行故障處理時主要采用兩種模式，即集中型饋線自動化和就地型饋線自動化[3]。集中型饋線自動化需要借助通信手段，并通過配電終端和配電主站之間的配合來實現(xiàn)其功能[4]；就地型饋線自動化則不依賴配電主站，在配電線路發(fā)生故障時，通過配電終端間相互通信、保護(hù)配合或時序配合來實現(xiàn)其功能[5]。根據(jù)故障處理時配電終端之間是否需要相互通信，就地型饋線自動化又分為分布式和重合器式。分布式就地型饋線自動化對故障處理迅速，但其在故障處理時需要配電終端之間相互通信，對通信的依賴性和要求均比較高[6]；重合器式就地型饋線自動化在故障處理時不依賴通信，僅通過配電終端之間的時序配合即可準(zhǔn)確迅速地定位和隔離故障區(qū)段，并完成非故障區(qū)段的恢復(fù)供電[7-8]，非常適合于配電網(wǎng)架空線路多、跳閘率高、通信條件較弱的農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)。

重合器式就地型饋線自動化FA 功能控制策略目前主要有3 種[9]，即“電壓-時間型”、“電壓-電流時間型”和“自適應(yīng)綜合型”。其中，“電壓-時間型”是最基礎(chǔ)的FA 功能控制策略；根據(jù)不同的應(yīng)用需求，在“電壓-時間型”的基礎(chǔ)上增加了對故障電流等的判別，形成了“電壓-電流時間型”和“自適應(yīng)綜合型”兩種派生策略。文中首先通過對重合器式就地型饋線自動化的3 種控制策略進(jìn)行分析研究，并結(jié)合每種控制策略在實際應(yīng)用中的應(yīng)用情況，歸納總結(jié)出優(yōu)點和缺點，設(shè)計了一種新的FA 功能控制策略，并對該控制策略進(jìn)行了仿真驗證，以助于饋線自動化技術(shù)在實際配電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

1 FA 功能基本實現(xiàn)原理

1.1 無壓分閘

無壓分閘的時序原理如圖1 所示，電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)電壓初始狀態(tài)均為有壓，線路發(fā)生過流，經(jīng)上級斷路器跳閘延時T1后，電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)同時失壓，則FS 開關(guān)（智能負(fù)荷開關(guān)）經(jīng)失電分延時分閘。

圖1 雙側(cè)失壓分閘原理Fig.1 Principle of double-side voltage loss opening

1.2 來電延時合閘

單側(cè)延時合閘時序原理如圖2 所示，電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)電壓初始狀態(tài)均為無壓，電源側(cè)由無壓變?yōu)橛袎?，F(xiàn)S 開關(guān)經(jīng)來電合延時X 時限合閘。FS 開關(guān)合閘后且Y 時限內(nèi)未出現(xiàn)雙側(cè)失壓，則可經(jīng)控制字選擇是否閉鎖FS 開關(guān)失壓分閘。

圖2 單側(cè)來電延時合閘原理Fig.2 Principle of single-side power-on delay closing

1.3 正向合閘閉鎖（Y 時限閉鎖）

FS 開關(guān)經(jīng)有壓合延時X 時限合閘，若合閘保持時間小于Y 時限的情況下再次雙側(cè)失壓，F(xiàn)S 開關(guān)分閘并正向合閘閉鎖，即閉鎖電源側(cè)有壓合閘。

1.4 反向合閘閉鎖（X 時限閉鎖）

電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)均為無壓，且FS 開關(guān)為分位狀態(tài)，檢測到電源側(cè)瞬時來電，即在有壓合延時X 時限內(nèi)檢測到殘壓，則判為FS 開關(guān)上級有故障，F(xiàn)S 開關(guān)反向合閘閉鎖，即閉鎖負(fù)荷側(cè)有壓合閘[10]。

2 當(dāng)前應(yīng)用的3 種FA 功能控制策略

如圖3 所示，CB 為帶時限保護(hù)和重合閘功能的變電站饋線出線斷路器；FS1～FS6 為智能負(fù)荷開關(guān)；YS1～YS2 為用戶分界開關(guān)；LSW1～LSW2 為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，圖中除CB 以外其它所有類型開關(guān)均配備相應(yīng)的饋線終端。

2.1 電壓-時間型

“電壓-時間型”是依據(jù)無壓分閘、來電延時合閘的控制策略實現(xiàn)的。如圖3 所示，假設(shè)FS2 和FS3之間發(fā)生故障，CB 保護(hù)跳閘，F(xiàn)S1～FS6 失電分閘（YS1 和YS2 為分界開關(guān)，不具備失電分閘功能），CB 經(jīng)延時重合閘，F(xiàn)S1 得電后經(jīng)X 時限合閘，F(xiàn)S2得電也經(jīng)X 時限合閘但合于故障，導(dǎo)致CB 再次跳閘，F(xiàn)S2 因在合閘后Y 時限內(nèi)再次失壓而分閘，并觸發(fā)自身正向合閘閉鎖，同時FS3 感受到正向殘壓而觸發(fā)自身反向合閘閉鎖，故障區(qū)段被隔離，CB 再次重合，恢復(fù)非故障區(qū)段供電。

圖3 配電線路網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.3 Schematic diagram of distribution line network

2.2 電壓-電流時間型

“電壓-電流時間型”是在“電壓-時間型”的基礎(chǔ)上增加了對故障電流等的判別，并設(shè)計首次失壓不分閘。如圖3 所示，假設(shè)FS2 和FS3 之間發(fā)生瞬時故障，CB 保護(hù)跳閘，F(xiàn)S1～FS6 首次失壓不分閘，CB經(jīng)短延時重合閘，恢復(fù)線路供電； 假設(shè)FS2 和FS3之間發(fā)生永久故障，CB 保護(hù)跳閘，F(xiàn)S1 和FS2 過流計數(shù)1 次，F(xiàn)S1～FS6 失壓1 次并在CB 快速重合之前保持合閘，CB 經(jīng)短延時重合于故障，再次跳閘，F(xiàn)S1 和FS2 過流2 次且失壓2 次后經(jīng)短延時分閘；FS3～FS6 失壓2 次，但過流計數(shù)為0，不分閘。CB 經(jīng)延時第2 次重合閘，F(xiàn)S1 得電經(jīng)X 時限合閘，且在Y時限內(nèi)未雙側(cè)失壓（或未檢測到故障電流），閉鎖分閘。FS2 經(jīng)X 時限得電合閘，合于故障，F(xiàn)S2 閉鎖正向合閘；FS3 感受到殘壓而分閘，并閉鎖反向合閘。CB 第3 次重合閘，恢復(fù)非故障區(qū)段供電。

2.3 自適應(yīng)綜合型

“自適應(yīng)綜合型”是在“電壓-時間型”的基礎(chǔ)上增加了對故障電流等的判別，并設(shè)計“長短延時”來實現(xiàn)非故障區(qū)段的恢復(fù)供電。如圖3 所示，假設(shè)FS2和FS3 之間發(fā)生永久故障，F(xiàn)S1 和FS2 檢測到故障電流并記憶，CB 保護(hù)跳閘，F(xiàn)S1～FS6 失壓分閘，CB經(jīng)延時第1 次重合閘，F(xiàn)S1 一側(cè)有壓且有故障電流記憶，經(jīng)X 時限合閘；FS2 一側(cè)有壓且有故障電流記憶，經(jīng)X 時限合閘；FS4 一側(cè)有壓但無故障電流記憶，啟動長延時C（C 時間能夠保證故障區(qū)段隔離完成，按照主干線最多4 個負(fù)荷開關(guān)考慮）。由于FS2合于故障，CB 再次跳閘，F(xiàn)S2 正向合閘閉鎖，F(xiàn)S3 反向合閘閉鎖。CB 二次重合，F(xiàn)S1，F(xiàn)S4，F(xiàn)S5，F(xiàn)S6 依次延時合閘，非故障區(qū)段恢復(fù)供電。

2.4 三種策略優(yōu)缺點對比

通過上面對“電壓-時間型”、“電壓-電流時間型”和“自適應(yīng)綜合型”3 種控制策略的介紹和分析，可以明確在實際配電自動化的應(yīng)用中，每種控制策略都有自身的優(yōu)點和不足。3 種策略優(yōu)缺點對比見表1。

表1 三種控制策略對比Tab.1 Comparison of three control strategies

3 一種新的FA 功能策略

下面分別從3 個方面對新的FA 功能策略進(jìn)行介紹，首先是采用新控制策略的FS 開關(guān)在配網(wǎng)線路中的系統(tǒng)應(yīng)用；其次是采用新策略的饋線終端FA功能模塊控制流程設(shè)計； 最后是搭建系統(tǒng)仿真環(huán)境，對采用新策略的饋線終端進(jìn)行試驗驗證。

3.1 控制策略在系統(tǒng)中的應(yīng)用

如圖3 所示，模擬智能負(fù)荷開關(guān)FS2 和FS3 之間的線路發(fā)生故障，線路過流保護(hù)動作，斷路器CB保護(hù)跳閘；FS1～FS6 首次失壓保持合閘狀態(tài)不分閘，如果發(fā)生的是瞬時性故障，CB 重合閘后，線路即恢復(fù)供電；如果是永久性故障，CB 因重合于故障而跳閘，F(xiàn)S1～FS6 失壓分閘；經(jīng)延時CB 第2 次重合，F(xiàn)S1和FS2 因有故障電流記憶，分別經(jīng)X 時限合閘，F(xiàn)S4無故障電流記憶，經(jīng)長延時C 合閘；由于FS1 合閘后在Y 時限內(nèi)未檢測到故障電流，F(xiàn)S1 閉鎖分閘；FS2 經(jīng)X 時限合閘但合于故障導(dǎo)致CB 跳閘，F(xiàn)S2失壓分閘，由于FS2 在Y 時限內(nèi)檢測到故障電流而啟動正向合閘閉鎖；FS3 的電源側(cè)感受到殘壓，F(xiàn)S3 啟動反向合閘閉鎖；FS2 和FS3 閉鎖合閘后，故障區(qū)段被成功隔離；CB 第3 次重合，恢復(fù)非故障區(qū)段供電。

3.2 控制策略的流程設(shè)計

新控制策略的設(shè)計流程如圖4 所示，當(dāng)FS 開關(guān)首次失壓且無流時，保持合閘狀態(tài)不分閘。接下來判斷是否為瞬時性故障，如果是，上級斷路器重合閘后即恢復(fù)供電；如果是永久性故障，上級斷路器重合閘導(dǎo)致FS 開關(guān)因再次失壓且無流而分閘。接下來判別FS 開關(guān)是否有故障記憶，若FS 開關(guān)沒有故障記憶，說明故障點不在該FS 開關(guān)所在的支路上或故障點位于該FS 開關(guān)的電源側(cè)，等待電源側(cè)來電且電壓正常時，F(xiàn)S 開關(guān)經(jīng)長延時C 合閘；如檢測到電源側(cè)瞬時來電，即在有壓合閘X 時間內(nèi)檢測到“無壓-殘壓（大于0.3 倍額定電壓且持續(xù)時間大于80 ms）-無壓”的電壓狀態(tài)變化，則判為FS 開關(guān)上級有故障，進(jìn)入反向合閘閉鎖狀態(tài)。當(dāng)FS 開關(guān)有故障記憶，F(xiàn)S 開關(guān)經(jīng)延時X 合閘，合閘后Y 時限內(nèi)未檢測到故障，說明故障點不在該FS 開關(guān)控制的分段線路內(nèi)，F(xiàn)S 開關(guān)閉鎖分閘；若合閘后Y 時限內(nèi)檢測到故障，說明故障點位于該FS 開關(guān)控制的分段線路內(nèi)，F(xiàn)S 開關(guān)閉鎖正向合閘。

圖4 新控制策略設(shè)計流程Fig.4 New control policy design flow chart

3.3 控制策略的仿真驗證

新控制策略的RTDS 仿真原理如圖5 所示，RTDS 仿真模型中的變壓器、線路等的模型參數(shù)見表2。

表2 RTDS 仿真模型主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of RTDS simulation model

圖5 RTDS 仿真原理圖Fig.5 RTDS simulation schematic

（1）模擬發(fā)生永久性故障，CB，F(xiàn)S 等的動作情況，如圖6 所示。

圖6 永久性故障時CB 和FS 開關(guān)等的動作情況Fig.6 Action diagram of CB and FS switches during permanent failure

通過RTDS 模擬配網(wǎng)線路發(fā)生永久性故障，故障點位于FS2 和FS3 之間，線路過流保護(hù)動作，斷路器CB 跳閘，F(xiàn)S1～FS6 首次失壓，在CB 快速重合之前保持合閘狀態(tài)；經(jīng)200 ms 延時CB 首次重合閘，但因合于故障而跳閘，F(xiàn)S1～FS6 失壓分閘；經(jīng)2 s 延時CB 第2 次重合，F(xiàn)S1，F(xiàn)S2 因有故障電流記憶，檢測到電壓后分別經(jīng)7 s 延時（X 時限）合閘；FS1 合閘后在1 s（Y 時限）內(nèi)未檢測到故障電流，F(xiàn)S1 閉鎖分閘；FS4 檢測到電壓，由于其無故障電流記憶，在檢測到電壓后開始經(jīng)長延時28 s 合閘；FS2 經(jīng)7 s 延時合閘但合于故障，CB 跳閘，由于FS2 在合閘后1 s內(nèi)檢測到故障電流，F(xiàn)S2 分閘并正向閉鎖合閘；由于FS3 感受到左側(cè)有瞬時殘壓，F(xiàn)S3 反向閉鎖合閘；CB第3 次重合，由于FS1 處于合閘狀態(tài)，F(xiàn)S1 控制區(qū)段直接恢復(fù)供電；FS4 經(jīng)長延時28 s 后合閘，F(xiàn)S5，F(xiàn)S6有壓后依次經(jīng)長延時合閘（FS5，F(xiàn)S6 分別經(jīng)長延時合閘，現(xiàn)象同F(xiàn)S4，故圖6 中未列FS5，F(xiàn)S6 開關(guān)狀態(tài)），完成非故障支路的恢復(fù)供電。

（2）模擬發(fā)生瞬時性故障，CB，F(xiàn)S 等的動作情況，如圖7 所示。

圖7 瞬時性故障時CB 和FS 開關(guān)等的動作情況Fig.7 Actions of CB and FS switches during transient failure

如圖5 和圖7 所示，通過RTDS 模擬配網(wǎng)線路發(fā)生瞬時性故障，故障點位于FS2 和FS3 之間，線路過流保護(hù)動作，斷路器CB 跳閘，F(xiàn)S1～FS6 首次失壓，在CB 快速重合之前保持合閘狀態(tài)；CB 跳閘200 ms后重合，由于故障為瞬時性故障，CB 重合后線路即快速恢復(fù)供電。

3.4 仿真結(jié)果分析

通過上面對新控制策略的永久性故障和瞬時性故障仿真試驗，我們可以得知，相較于“自適應(yīng)綜合型”策略，新策略能夠快速恢復(fù)因瞬時故障造成的停電，而且新策略增加了FS 開關(guān)合閘后Y 時限內(nèi)無故障電流而閉鎖再次失壓分閘的邏輯，縮短了線路恢復(fù)供電總時間；相較于“電壓-電流時間型”策略，新策略下的非故障支路FS 開關(guān)失壓后，走長延時合閘，避免了因隔離故障區(qū)段時CB 多次重合閘造成的對非故障支路負(fù)荷多次失電、得電沖擊；相較于“電壓-時間型”策略，新策略首先能夠快速恢復(fù)因瞬時故障造成的停電，其次新策略更加適用于支路較多的復(fù)雜配電網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)語

對于就地型重合器式饋線自動化，其FA 功能的實現(xiàn)不依賴通信、主站和人員，能主動有效地隔離配電網(wǎng)線路故障區(qū)段，恢復(fù)非故障區(qū)域的供電，因此，其FA 功能實現(xiàn)策略的合理性非常重要。本文通過對“電壓時間型”、“電壓-電流時間型”、“自適應(yīng)綜合型”等現(xiàn)有策略進(jìn)行分析比較，并在這些策略的基礎(chǔ)上提出了新的控制策略，能夠有效縮短因瞬時故障造成線路停電的恢復(fù)供電時間，同時也兼顧了在隔離故障區(qū)段時，減少對非故障區(qū)段負(fù)荷的沖擊，使FA 功能實現(xiàn)方式更加貼近實際配電網(wǎng)絡(luò)，對于推進(jìn)配電自動化建設(shè)和提高配電網(wǎng)供電質(zhì)量具有積極意義。