基于自愈技術(shù)的山區(qū)配電網(wǎng)自動化策略研究

張展宇，黨晨陽

（國網(wǎng)漢中市供電公司，陜西 漢中 723000）

在山區(qū)，受地形因素限制，供電可靠性受到挑戰(zhàn)。山區(qū)配電網(wǎng)的智能化設(shè)備的配置比例不高，發(fā)生故障時，恢復(fù)供電難度較大，斷電時間較長，影響范圍較大[1]。發(fā)生跳閘后，非故障區(qū)的快速恢復(fù)供電也是亟須解決的問題。本文結(jié)合某山區(qū)配電網(wǎng)改造升級項目，研究自愈技術(shù)在山區(qū)配電網(wǎng)自動化控制中的應(yīng)用，提出山區(qū)配電網(wǎng)的自愈改造方案，并在第一階段的實際線路改造中應(yīng)用，驗證提升供電可靠性的效果，為后續(xù)階段的線路改造提供參考。

1 項目概況

某山區(qū)供電管理局，轄區(qū)10 kV 配電線路共42 回，線路里程約1 551 km，其中電纜線路約180 km，架空裸導(dǎo)線約365 km，其余線路為架空絕緣導(dǎo)線。該地區(qū)以山地、丘陵為主，人口分布較為分散，用電負(fù)荷密度較小，供電半徑較大。饋線網(wǎng)絡(luò)受山區(qū)地形影響，許多支線跨越山區(qū)、林地、河流等，雨季容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，引發(fā)桿塔傾倒、供電中斷等情況，運(yùn)維難度較大。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該山區(qū)配網(wǎng)架空線路共有配電開關(guān)監(jiān)控終端（Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU） 79 臺，站所終端數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU） 共計66 臺，多數(shù)配電終端設(shè)備老舊，仍沿用老一代“二遙”產(chǎn)品，智能化電氣設(shè)備不足，發(fā)生斷電故障，需要人工合閘送電，無法實現(xiàn)配電自動化。為了保證供電可靠性，擬分階段對供電線路進(jìn)行升級改造。

2 基于自愈技術(shù)的配電網(wǎng)自動化

為了保障配電網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行，減少供電中斷情況發(fā)生的可能性，將自愈理念引入自動化配網(wǎng)中。配電網(wǎng)的自愈能力是通過主站的智能控制決策來實現(xiàn)的，電網(wǎng)系統(tǒng)通過智能監(jiān)測方法，快速診斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，及時做出科學(xué)決策，確定隔離故障點，及時恢復(fù)非故障線路的正常供電，實現(xiàn)自我診斷、自我隔離、自我恢復(fù)[2]。

2.1 配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)構(gòu)成

配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)具有預(yù)測分析、故障診斷、控制保護(hù)功能，包括3 層結(jié)構(gòu)，分別是決策層、評估層和感知層[3]，見圖1。

圖1 配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)

1） 決策層。決策層是整個配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的核心，通過主站的一系列主機(jī)整理評估層設(shè)備運(yùn)行信息，針對具體的運(yùn)行狀態(tài)或者故障類型，做出相應(yīng)的控制決策，切除故障點，將斷電的影響范圍降至最小，保證配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

2） 評估層。評估層連接配電網(wǎng)的終端設(shè)備，對終端設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行初步的整理和分析，診斷配電網(wǎng)的狀態(tài)是否存在異常，感知定位故障點。

3） 感知層。感知層是配電自動化的物理底層，主要是由線路的智能終端設(shè)備所組成，如“三遙”功能的饋線FTU、DTU 和智能保護(hù)設(shè)備等，實現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測和控制指令下發(fā)等功能。

2.2 配電網(wǎng)故障自愈技術(shù)

自愈技術(shù)的實現(xiàn)，依賴于配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的決策策略和底層終端設(shè)備的遙控功能。發(fā)生故障時，主站接收到智能終端上傳的故障信息，根據(jù)饋線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)系，判斷出故障點位置和影響范圍。然后自動下發(fā)指令，將故障點兩側(cè)的開關(guān)斷開，再對非故障區(qū)恢復(fù)供電。從發(fā)現(xiàn)故障點，到非故障區(qū)恢復(fù)供電，響應(yīng)時間為ms 級[4]。分析配電網(wǎng)故障自愈技術(shù)，見圖2。

圖2 故障自愈技術(shù)示例

T1～T3 為10 kV 配電線路的出線斷路器，位于配電站內(nèi)，D1～D10 為架空線路的一二次融合成套開關(guān)設(shè)備（含柱上斷路器和饋線FTU），F(xiàn)1～F15 為各用戶側(cè)的控制開關(guān)，X1、X2 為架空線路的聯(lián)絡(luò)開關(guān)。當(dāng)D2、D3 段線路發(fā)生故障時，T1、D1、D2流過短路電流，T1 開關(guān)保護(hù)動作跳閘。

1） 故障識別。主站接收到T1 開關(guān)的跳閘信號和保護(hù)動作信號，觸發(fā)決策系統(tǒng)的故障識別條件，啟動故障識別和分析。

2） 故障定位?；陴伨€網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對各個站所出線斷路器、開關(guān)狀態(tài)等進(jìn)行分析，對故障點進(jìn)行準(zhǔn)確定位。成套開關(guān)設(shè)備D1、D2 的過流信號動作，而其他成套開關(guān)設(shè)備的過流信號未動作，結(jié)合故障指示器，將故障點定位在D2 與D3之間。

3） 故障隔離。經(jīng)過分析診斷，確定出最小范圍的故障隔離方案，僅需要斷開成套開關(guān)設(shè)備D2和D3，即可切除故障線路。

4） 故障恢復(fù)。故障點切除后，上游用戶可通過閉合站所出線斷路器T1 恢復(fù)供電，下游用戶可通過閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)X1 或X2 恢復(fù)供電。

2.3 典型故障自愈處理

2.3.1 母線側(cè)多點故障自愈處理

圖3 為母線側(cè)多點故障接線圖，共有2 處故障，發(fā)生故障后，斷路器T1 分閘，T1 的保護(hù)動作；成套開關(guān)設(shè)備D1、D2、D3、D4 保護(hù)動作；用戶側(cè)開關(guān)F4 保護(hù)動作。

圖3 母線側(cè)多點故障

系統(tǒng)根據(jù)上傳的故障信號，D4 和F4 保護(hù)都有動作，故障點位于D4 和D5 之間以及F4 下游，判別出屬于多點故障。此種情況下，斷開D4、D5 和F4，將故障隔離。對于D4 的上游用戶，可通過閉合站所斷路器T1 恢復(fù)供電，對于D5 下游側(cè)，通過閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)X1 恢復(fù)供電。隔離的故障未修復(fù)前，嚴(yán)禁閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)X2。

2.3.2 母線側(cè)、用戶側(cè)同時故障自愈處理

圖4 為母線側(cè)、用戶側(cè)同時出現(xiàn)故障的接線圖，有3 處故障點。發(fā)生故障后，斷路器T1～T3 均分閘，且保護(hù)動作；成套開關(guān)設(shè)備D1、D10、D9、D7 保護(hù)動作；用戶側(cè)開關(guān)F9 保護(hù)動作。

圖4 母線側(cè)、用戶側(cè)同時出現(xiàn)故障

系統(tǒng)根據(jù)上傳的故障信號，站所斷路器T1～T3均動作，結(jié)合D1、D9、D7 的故障電流方向，判別出D1～D2、D9～D10、F9 下游3 處故障。綜合分析智能饋線FTU 的故障信號數(shù)據(jù)，做出故障隔離決策。D1、D2 斷開，隔離第一處故障，此時上游沒有用戶，T1 保持?jǐn)嚅_狀態(tài)；斷開F9 切除該末端支線，閉合T3 恢復(fù)其他支線的供電；斷開D8、D9，閉合T2 為上游用戶恢復(fù)供電，閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)X2，為下游用戶恢復(fù)供電。

3 山區(qū)配電網(wǎng)自愈技術(shù)改造

山區(qū)配電網(wǎng)的饋線，用戶較為分散，半數(shù)以上線路無法實現(xiàn)故障后自愈處理。山區(qū)運(yùn)維難度較大，供電可靠性難以保證。為此，按照用電負(fù)荷密度以及近3 年來的故障率統(tǒng)計情況，分階段逐步實施自愈技術(shù)改造。

3.1 線路開關(guān)升級

供電局的主站已配置智能化的自愈控制策略，亟須改造的是轄區(qū)線路的終端設(shè)備。結(jié)合變電所區(qū)域位置，故障斷電影響的中壓用戶數(shù)、低壓用戶數(shù)、負(fù)荷密度、用戶重要性等級因素，綜合判斷風(fēng)險等級，風(fēng)險等級見表1。

表1 風(fēng)險等級表

經(jīng)統(tǒng)計，轄區(qū)內(nèi)無1 級風(fēng)險的配電線路，2 級風(fēng)險的配電線路12 條，3 級風(fēng)險的配電線路52 條。對于4 級、5 級風(fēng)險和無風(fēng)險線路，暫時不考慮改造升級。

對于2 級、3 級風(fēng)險的線路，若所有聯(lián)絡(luò)開關(guān)和重要節(jié)點的成套開關(guān)本身已經(jīng)具備“三遙”功能，則檢查保護(hù)功能是否投運(yùn)；若本身不具備“三遙”功能，則進(jìn)行升級換代，確?！叭b”功能投入運(yùn)行。對于無聯(lián)絡(luò)供電的線路，按照就近原則，引入第二路供電電源，通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)接入配電網(wǎng)。

3.2 電纜饋線為主的線路自愈改造

K17 線路是以電纜為主的典型線路，支線結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 以電纜為主的F15 線路

根據(jù)電纜線路改造原則，對主干線上的D1、D2 開關(guān)進(jìn)行升級，增配測量和保護(hù)于一體的計算機(jī)斷層掃描（Computed Tomography，CT） 檢查裝置傳感器，配置“三遙”功能的饋線FTU。支線末端增設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)X2，與K11 線路聯(lián)絡(luò)，投入原有X1聯(lián)絡(luò)開關(guān)的保護(hù)功能，修復(fù)與主站斷聯(lián)的通信。對于B1～B10 環(huán)網(wǎng)柜，均配置集中式DTU，實現(xiàn)智能化改造，所有節(jié)點的開關(guān)均具備遠(yuǎn)程遙控功能。

改造完成后，測試線路發(fā)生N-1 對地故障，在最不利情況下，采用自愈恢復(fù)供電策略，受影響的中壓用戶為5 戶，低壓用戶為46 戶，停電負(fù)荷為2.1 MW，與改造前的對比見表2。改造后K17 線路的風(fēng)險等級降為4 級，且滿足自愈投運(yùn)條件，供電可靠性得到極大提高。

表2 K17 線路改造前后故障影響對比

3.3 架空線為主的線路自愈改造

K11 線路是典型的架空線路，線路總長31.4 km，支線結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 以架空線為主的K11 線路

K11 線路改造前為2 級風(fēng)險，主干線的D1、D9 已配置先進(jìn)的一二次融合智能化成套設(shè)備，饋線終端為“三遙”型FTU，但是保護(hù)功能長期處于退出狀態(tài)，僅需要投運(yùn)保護(hù)功能即可。線路中的聯(lián)絡(luò)開關(guān)X1 和X3 與之相似，做相同處理即可。重要節(jié)點的D2、D3、D5、D6、D7、D8 線路開關(guān)為老舊產(chǎn)品，需要升級為一二次融合成套柱上開關(guān)設(shè)備，配置“三遙”型饋線終端。增加開關(guān)X2，與K10 線路實現(xiàn)聯(lián)絡(luò)。

改造完成后，測試線路發(fā)生N-1 對地故障，在最不利情況下，采用自愈恢復(fù)供電策略，受影響的中壓用戶為8 戶，低壓用戶為79 戶，停電負(fù)荷為4.7 MW，與改造前的對比見表3。改造后K11 線路的風(fēng)險等級降為4 級，且滿足自愈投運(yùn)條件，供電可靠性得到極大提升。

表3 K11 線路改造前后故障影響對比

第一階段共改造線路24 條，其中5 條2 級風(fēng)險的配電線路全部降為4 級，7 條3 級風(fēng)險的配電線路，有8 條線路降為5 級風(fēng)險，4 條線路降為無風(fēng)險等級。基于自愈技術(shù)的改造方案得到驗證，效果良好，供電可靠性大幅提升。

4 結(jié)論

結(jié)合某山區(qū)配電網(wǎng)改造項目，對山區(qū)饋電網(wǎng)絡(luò)的自愈技術(shù)展開研究，得出如下結(jié)論。

1） 基于自愈技術(shù)的自動化供配電系統(tǒng)，能夠快速診斷、隔離故障，并恢復(fù)故障區(qū)外供電，將斷電影響控制到最小范圍。

2） 提出配電線路自愈改造方案，優(yōu)化線路聯(lián)絡(luò)點配置，在24 條線路中實際應(yīng)用。與改造前相比，發(fā)生N-1 對地故障，在最不利情況下，停電負(fù)荷顯著降低，受影響的用戶數(shù)量顯著減少，提升了供電可靠性。