集中式配網自愈復電速度提升措施研究

許 達，顧大德，秦綺蒨，陳 嫻

（廣東電網有限責任公司廣州供電局，廣州 510620）

0 引言

隨著人民追求美好生活，對電力的需求也在持續的增長。分布式電源接入使得配電網規模日益增大，結構越發復雜，設備量也呈爆發式增長。這對配電網的安全穩定運行和配網故障后的快速復電提出了巨大的挑戰［1-3］。自20世紀90年代末美國提出自愈電網概念后，國內外均開展了大量的研究和應用。近年來，隨著我國配電自動化、智能化的建設與發展［4-7］，國內一些地區已將配網自愈投入實際應用［8-9］。對比不同的自愈技術路線，主站集中式配網自愈對配網運行方式適應性強，不受配網網絡結構限制，開關動作次數相對少，自愈動作過程可進行人工干預［9-13］?；谝陨咸攸c，主站集中式配網自愈目前得到廣泛使用。

集中式配網自愈需根據線路實時拓撲和配電自動化終端故障信號完成故障區域的定位，自動控制配電自動化開關進行故障隔離和非故障區域復電［10-11］。許達等［12］分析了線路分段開關引起的線路拓撲結構改變對集中式自愈的故障定位及隔離復電策略產生的影響，提出措施提高線路拓撲與實際的一致性，繼而提高了自愈動作的正確率。許達等［13］考慮線路開關設備的故障概率，進一步優化了集中式自愈的故障隔離策略，以提高自愈成果率。因自愈配電主站和配電終端之間進行信息交互，主站需下發控制命令至配電終端完成控制開關分合的動作，動作時間比分布式方式相對較長［9-11］。目前針對集中式配網自愈動作過程和動作時間的研究較少，函待詳細分析集中式自愈動作時間特性，并制定針對性策略，縮短自愈動作時間，提升集中式自愈復電速度。

1 集中式自愈復電過程

主站集中式配網自愈動作流程如圖1所示。（1）故障發生，線路F1的A1B1段發生故障，變電站出線開關CB1立即跳閘，F1自愈啟動。（2）主站系統對接收到的配電終端（DTU/FTU）告警信號，結合線路拓撲結構分析并進行研判，并進行故障定位。如CB1的過流/零序保護信號，A1發故障信號，B1及后段配電終端無告警信號，系統研判故障區域在A1B1段。（3）主站系統向配電終端下發開關控制命令，斷開故障區域的各側開關，如斷開A1和B1，隔離故障區域。合上站出線開關CB1和聯絡線路開關（聯絡開關D1或D2），進行非故障區域復電。至此自愈過程結束。

圖1 集中式配網自愈動作

由上述過程可知，集中式配網自愈在線路跳閘后立即啟動，依次經歷信號獲取階段、分析拓撲及信號并完成故障定位階段、主站下發控制命令進行開關隔離和送電操作等多個環節。上述幾個階段為串行關系，每個階段的時長均會影響自動動作全流程的總時長，進而影響線路復電時長。故分析上述自愈動作各階段的特點，制定優化措施，縮短環節耗時，可提高自愈復電速度，減少用戶停電時長。

2 自愈全過程時間特性分析

自愈全流程可分為3個階段，如圖2所示。自愈動作全流程時間ttol可分為3部分，分別是信號獲取時間tsc、故障區域判定時間tfl和隔離及復電控制時間tc。

圖2 自愈動作時間

2.1 信號獲取時間

當配網線路跳閘，其變電站出線開關發保護信號+開關分閘信號，配電主站系統立即啟動自愈程序。若站出線開關配置了重合閘功能，則配電主站系統獲取的是重合失敗后的保護信號+開關分閘信號，作為自愈啟動信號。配網線路上配電自動化終端的通信條件各有差異，如通信方式有光纖方式、無線方式，無線方式又分4G、5G形式等。考慮配電自動化終端告警信號會因通信條件而延時，避免漏分析故障信號引起的自愈復電失敗情況，故需從自愈啟動至系統開始分析故障區域之間，需增設一段時延，為信號獲取時間tsc。信號獲取時間tsc的大小，與所在區域的通信方式和通信條件密切相關。采用光纖通信的配電終端信號時延較小，所需要的信號獲取時間tsc可以整定較小，如小于5 s。而配電終端通信使用4G無線通信形式的，信號有一定的時延。根據現有無線通信條件，信號獲取時間tsc可整定為30 s。而對于通信條件較差（如山區地帶），信號時延也較大，tsc的整定根據實際情況也需要同步增大。

2.2 故障區域判定時間

當故障信號獲取階段結束，主站系統隨即進入已有系統的分析以及電網拓撲分析階段。系統通過算法對電網拓撲進行分析，結合線路分段開關分合狀態和配電自動化終端信號進行綜合研判，完成故障區域判定，并同步生成故障隔離和復電控制方案。上述過程所經歷的時間稱為故障區域判定時間tfl。故障區域判斷時間tfl的大小，與主站運算速度、拓撲分析算法、電網規模大小有關。主站的運算速度主要與硬件設備有關。拓撲分析算法為主站系統廠商提供算法。需分析的電網規模大小，與人為劃分的配電網分區有關。根據南方某城市2020年配網設備規模：公用饋線近7 000回，配網斷路器及開關60萬臺，配電變壓器約10萬臺（含公變和專變）進行測算，使用南瑞D5000系統對該規模設備量進行全網設備拓撲需耗時35 s。

2.3 隔離及復電控制時間

當故障區域判定完成，系統的故障隔離及非故障區域復電控制方案同步制定完成，便進入隔離及復電控制階段。主站系統將隔離及復電控制方案以遙控指令的方式下發至各配電自動化終端（三遙開關），遙控斷開故障區域各側的三遙開關，完成故障區域的隔離操作。隨后遙控合上站出線開關或各側聯絡開關進行，進行非故障區域的復電操作。上述過程所經歷的時間稱為隔離及復電控制時間tc。隔離及復電控制時間tc的大小，與遙控開關數量N、配電自動化終端通信時延、三遙開關遙控時間等有關。集中式配網自愈復電策略會優先選擇遙控開關數量N最少的方案。根據國際電工委員會（IEC）相關規約，單個開關遙控需要進行遙控預置和遙控執行，相應的單個開關遙控時間tcs取決于遙控預置時間tcsp和遙控執行時間tcse大小，如下所示：

據統計，光纖通信的三遙終端單個開關遙控時間一般為5～10 s，4G無線通信的單個開關遙控時間一般為15～60 s。

由上述分析可得，自愈動作全流程時間ttol的大小如下所示：

3 自愈復電速度提升措施

對于自愈動作全過程的3個串行階段，可制定針對性措施，減少各階段對應的時間，以縮短自愈動作全流程時間。

3.1 縮短獲取時間

根據上述分析，通信方式和條件直接影響信號獲取時間tsc的大小。對于供電可靠性要求高的A+、A區域，配電自動化終端通信方式可優先改造成全光纖通信。其他可靠性要求較高的區域，使用的無線通信方式可制定5G通信升級改造計劃［14-16］。在保證故障信號獲取無遺漏的前提下，盡可能地縮短信號獲取所需要的時間。

3.2 減少分析時間

由上述分析可知，主站運算速度、拓撲算法和需運算電網規模均影響故障區域判定時間的大小。其中，主站運算速度、拓撲算法主要由主站系統廠家提供的硬件和軟件決定，可進行主站系統升級，算法的優化進而加快主站故障定位速度。

另一方面，從運算電網規模大小入手制定對策。對城市配電網可從物理上和算法上進行分割，以達到配電網網格化管理的目標［17-21］，以減少每次拓撲分析運算的配電網設備規模，繼而減少故障區域分析耗時。如從算法層面上進行饋線組的劃分，以配網線路典型接線3-1接線，4-1接線，形成3回一組或4回一組的饋線組。在配網線路跳閘時，主站系統只需分析饋線組內的拓撲關系和組內其他饋線的電源情況即可生成隔離及復電方案。極端情況下，饋線組內線路全部同時跳閘或相繼跳閘，可在算法上保留饋線組間的支援聯絡線路參與復電方案。又例如，一些高可靠性示范區或工業園區，除主變電源外是與外部配網分割的，其天然具有物理上的網格化屬性，可進行獨立的配網網格化或饋線組化分析，如圖3所示。如某示范區24條饋線，饋線之間具備聯絡關系，與外部配網線路無聯絡。拓撲分析時間由30 s縮減至15 s。對于典型接線為4-1接線方式的饋線組，可進一步縮減至10 s左右。

圖3 配網線路網格化和饋線組化

3.3 優化控制時間

由式（1）可知，隔離及復電控制時間tc的大小取決于順序遙控開關的數量N、遙控預置時間tcsp和控執行時間tcse。N的大小因故障區域的不同而變化。如圖4所示，故障一發生的情況下，遙控開關數量N1=4（分別為A1，B1，CB1，D1或D2）。而故障二發生時，遙控開關數量N2=6（分別為B1，C1，E1，CB1，D1，D2）。在順序控制的情況下，故障二比故障一的遙控開關數量增加了50%，控制時間tc也會相應增加50%。

圖4 故障區域不同對遙控開關數量影響

在此引入自愈復電“操作對”概念。一個復電“操作對”即隔離-復電操作對Cn（斷開一個開關，合上另一個開關），可使得故障區域之外的一個路徑恢復供電。以圖4為例，故障一情況下，故障區域外有2個復電路徑，則自愈遙控復電共有2個復電“操作對”，分別為操作對C1（A1，CB1）和操作對C2（B1，D1）或C2（B1，D2）。同理，故障二情況下，自愈復電“操作對”有3個，為C1（B1，CB1）、C2（C1，D1）和C3（E1，D2）。

（1）操作對并行操作。如圖4故障一發生時，操作對C1（A1，CB1）與C2（B1，D1）并行執行。即同步斷開A1、B1后，再合上CB1和D1，操作對之間隔離和復電不會影響，所需的控制時間為順序執行所需時間的一半。若故障區域外復電路徑為n，在自愈順序控制進行隔離復電的模式下，需遙控最小開關數為N=2 n。自愈隔離及復電控制時間tc如式（3）所示。以復電操作對為單位，對多個操作對并行處理，則tc′為原有tc的1/n，如式（4）所示，其中，tcs為單個開關遙控時間。并行操作方式可極大縮短隔離和復電控制時間，復電路徑越多，效果越明顯，如圖5所示。

圖5 操作對并行操作方式

（2）操作對遙控預置同步觸發。以圖4故障一情況為例，對于操作對C2（B1，D1）控制時間tc2為斷開B1、合上D1所需時間，假設每個開關的單個控制時間一樣，即遙控預置時間tcsp一致，遙控執行時間tcse也一致，則有：

對于無線通信的配電終端，通信情況良好時，遙控預置時間tcsp一般需要1～2 s，遙控執行時間tcse一般需要5～6 s，預置有效保持時間為40 s。則可以在對B1遙控預置完成后，B1遙控執行時，對D1進行遙控預置。待B1遙控執行完畢后，再對D1下發遙控執行命令，控制時間可節省D1的一個遙控預置時間tcsp，操作對C2″（B1，D1）的控制時間如式（6）所示。采用該優化方式的控制時間t″c如式（7）所示。

（3）復電路徑遙控預置同步觸發。在原自愈復電控制模式中，因故需斷開的開關遙控失敗后，會進行擴大隔離范圍進行對下一個開關進行遙控操作。以圖4故障一情況為例，如操作對C2（B1，D1），在對B1進行遙控斷開時控分失敗后，會對C1開關進行控分操作。若遙控斷開C1成功，則操作對為C″2（B1，C1，D1）。類似上一點的分析情況，若在對B1遙控預置完成后，B1遙控執行時，對C1進行遙控預置，同理可以在隔離開關遙控失敗的情況下，減少一次遙控預置時間tcsp。對操作對中有n次斷開開關遙控失敗的情況，在開關遙控執行時，對下一次序可能操作的開關進行遙控預置，可減少遙控預置時間n×tcsp。操作對遙控預置同步觸發、復電路徑遙控預置同步觸發流程如圖6所示。

圖6 遙控預置同步觸發流程示意圖

4 效果對比情況

以圖4故障一情況進行分析，原線路配電終端為無線通信，信號獲取時間為30 s。主站拓撲分析仍為全網模型拓撲方式，故障區域判定時間為30 s。并假定各開關通信均正常，遙控均成功，每個遙控預置耗時為2 s，遙控執行耗時為8 s。圖4故障一的自愈隔離及復電需遙控開關數量為4，控制時間為40 s，自愈動作全過程時間為100 s。

采用本文優化措施的自愈動作各階段時間和全過程時間對比如圖7所示。當配電終端通信方式采用光纖或5G后，終端信號上送時延大幅減小，測算后信號獲取時間tsc可縮短預設定值至10 s。在主站硬件及算法不變的情況下，通過配網設備網格化設定或饋線組管理，測試一個包含24回饋線的網格化配網網絡，故障區域判定時間tfl可減少至15 s。采用自愈復電操作對并行操作及操作對遙控預置同步觸發優化措施后，自愈隔離及復電控制時間壓縮至18 s，自愈動作全過程時間ttol為43 s，對比優化前減少57 s，復電速度提升57%。各項時間參數如表1所示。

圖7 自愈動作時間對比示意圖

表1 自愈各階段時間參數對比

5 結束語

集中式配網自愈通過配電主站系統和配電自動化終端相互配合完成故障隔離及復電。故障信息交互、故障分析定位及開關控制均需要消耗一定時間，影響用戶的停電時間和供電可靠性。本文分析了自愈動作全過程時間特性，包括信號獲取時間、故障區域判定時間、隔離及復電控制時間3個主要階段。信號獲取時間主要與配電主站與終端的通信方式和通信條件密切相關。故障區域判定時間受主站運算速度、拓撲分析算法、電網設備模型規模大小影響。復電控制時間的影響因素主要為配電自動化終端通信時延、遙控開關數量、單個開關遙控情況等。提出了相應措施，如采取配電終端采用光纖通信、配網線路模型網格化和饋線組管理、自愈遙控操作對并行操作和預置同步觸發等手段，減少自愈全過程時間，提升集中式自愈復電速度和提高供電可靠性。經測試驗證了措施的有效性。