我国农村馈线自动化模式的探讨

2010-04-21李剑峰

东北电力技术 2010年3期

李剑峰,宋丹

（1.东北电力科学研究院有限公司,辽宁沈阳 110006 2.东北电网有限公司,辽宁沈阳 110006）

至1998年底,农村电网已覆盖全国95%以上人口,县及以下行政区年用电量4 593.6亿kW◦h,占全社会总用电量的40%以上。农村乡、村、户通电率分别为99.19%、98.11%、96.88%[1]。到1999年农村用电量达到4 982亿kW◦h,比1998年增长8.31%,占社会总用电量的41.2%[2]。随着农村经济的增长和物质生活水平的提高,农村用电量仍呈现逐年增长趋势,对供电的质量和可靠性的要求也越来越高。配电网自动化是提高供电可靠性的一种重要技术手段,实现馈线自动化是配电网自动化的核心内容。配电网自动化在一定意义上指的就是馈线自动化。在配电自动化系统中,馈线自动化对于提高农村供电可靠性、减少停电面积和缩短停电时间具有深远的意义。

馈线自动化具有基于重合器馈线自动化和基于FTU馈线自动化两种模式,在农村具体实现采用哪种模式有必要进行详细的探讨。

1 馈线自动化的两种模式

1.1 基于重合器馈线自动化

基于重合器馈线自动化模式主要依靠装设在变电站出线端的重合器、配电网中的分段器及柱上开关等具有一定智能的硬件设备,通过开关功能和保护时间配合,实现对故障的自动诊断、隔离故障区段和恢复健全区域供电的目的。

根据检测电气量的不同,可分为电流型方案和电压型方案。电流型方案是采用重合器与重合器或重合器与电流脉冲型分段器相配合,检测馈线电流进行控制和保护;电压型方案是采用重合器与电压—时间型分段器相配合,检测馈线电压为依据进行控制和保护。

a.重合器与重合器配合方式。当出现故障时,离故障最近且有故障电流流过的重合器先断开,经一段时间后进行第二次闭合;若为瞬时性故障闭合成功,若为永久性故障,重复前面过程。当过流脉冲计数器计数次数达到预先设定值自动闭锁,联络开关检测到一侧失压,达到一定时间闭合,按照上述判定故障过程实现对故障的隔离和恢复非故障区的供电。

b.重合器与时间型分段器配合方式。当出现故障时重合器跳闸,分段器维持在合闸位置,但经历了故障电流的分段器的过流脉冲计数器加一,经一段时间后重合器进行第二次重合;若为瞬时性故障闭合成功,若为永久性故障,重复前面过程。当重合器断开次数达到预先整定次数后自动闭锁,联络开关检则到一侧失压,达到一定时间闭合,按照上述判定故障过程实现对故障的隔离和恢复非故障区的供电。

c.重合器与电压—时间型分段器配合方式。当出现故障时重合器跳闸,随后沿线分段器因失压而跳闸,经一段时间后重合器进行第二次重合,沿线分段器依次顺序自动合闸;若为瞬时性故障闭合成功,若为永久性故障,重合器第二次跳闸,并将与故障区段相连的分段器闭锁在分闸位置,联络开关检测到一侧失压,达到一定时间闭合,按照上述判定故障过程实现对故障的隔离和恢复非故障区的供电。每种配合方式详细工作过程参阅文献[3]。

1.2 基FTU馈线自动化

基于FTU点对点通信模式和基于FTU远方集中监控模式是基于FTU馈线自动化的两种方案。

a.基于FTU点对点通信模式。采用具有电动操作机构的负荷开关或环网柜作为馈线分段开关,同时配置FTU馈线智能控制终端,通过对等通信方式,FTU把故障后的开关状态及记录信息传送给相邻开关的FTU,经FTU智能判断,识别故障区段,并自动隔离故障,自动恢复非故障区段的供电。

如图1所示,CB1、CB2为变电站10 kV出线断路器,S1,S2,S3,S4,S5为馈线自动分段开关（S3为联络开关处于开断状态）。正常情况下L1, L2,L3线段由CB1供电,L4,L5,L6线段由CB2供电,S3为联络开关处于开断状态。

图1 基于FTU点对点通信模式

设L2出现持久性故障,CB1断开后第一次重合不成功又跳开,S1的FTU记录了2次失压、2次故障电流,经一定延时S1断开,S2的FTU记录2次失压（无故障电流）,经过延时S2跳开,通过对等通信方式,各自将FTU记录的状态向相邻开关传送。当联络开关S3的FTU收到各开关记录状态时,分析相邻开关S2的记录,若只是失压而断开,则判断故障不在L3区段,S3的FTU发出S3合闸命令,同时把S3的状态向相邻开关传送。S1, S2的FTU分别检出相邻的记录有差异,S1有2次故障电流,S2只有失压,则判断故障在L2区段, S1,S2保持断开位置,经一定延时,CB1重合,恢复对L1供电,完成故障自动隔离和自动恢复非故障段的供电过程。

b.基于FTU远方集中监控模式。通过FTU分别采集相应柱上开关的运行情况,如负荷、电压、功率和开关当前位置、贮能完成情况等,并将上述信息经由通信网络发送远方配电自动化控制中心,FTU还可以接受配网自动化控制中心下达的命令进行相应的远方倒闸操作,以优化配网的运行方式。在故障发生时,FTU记录下故障前及故障时的重要信息（最大故障电流和故障前的负荷电流、最大故障功率等）,将信息传至配电自动化控制系统,经分析后确定故障区段和最佳供电恢复方案,以遥控方式隔离故障区段、恢复健全区段供电。

图2为基于FTU远方集中监控模式的简单环网示意图。CB1,CB2为变电站10 kV出线断路器, S1,S2,S3,S4,S5为馈线自动分段开关。正常情况下L1,L2,L3线段由CB1供电;L4,L5,L6线段由CB2供电;S3为联络开关正常时处于开断状态,使配电网运行在环网开环状态;远方控制站（主站）具有接收FTU信息、分析计算、向FTU发送控制命令等功能。若L2段馈线发生永久性故障,由断路器CB1的一次重合功能检测出永久性故障,同时FTU将故障的测量结果送到控制站。由于S1处FTU检测到故障电流,S2处FTU检测不到故障电流,所以控制站可以确定S1、S2之间为故障区,自动遥控分断开关S1、S2,闭合断路器CB1及联络开关S3,完成故障区域L2的隔离及其他非故障区域供电的恢复。

图2 基于FTU远方集中监控模式简单环网示意图

2 馈线自动化模式的比较

基于重合器和分段器的配合方式,具有结构简单、建设费用低及不需要通信设备等优点。但也有不足之处：在进行故障隔离时,变电站出线端需要进行多次重合闸,对系统和一次设备冲击较大且切断故障时间较长;依靠重合器保护整条馈线,降低了系统的可靠性;故障时重合器跳闸造成了非故障区的停电,扩大了故障范围;在非正常运行方式下,因与分段开关常规整定不符,需重新设置定值,非常不方便。

基于重合器与重合器配合方式当故障发生时,不会影响馈线健全区段供电的连续性,停电时间也较短,供电的质量和可靠性得到了很大的提高。由于重合器需多次重合才能隔离故障,对系统和一次设备冲击较大;由于重合器之间保护的配合靠延时实现,分段越多保护级差越难配合;重合器价格比较高,投资比较大。

基于FTU点对点通信模式克服了基于重合器馈线自动化的缺点,采用智能终端FTU之间的点对点通信,判断、隔离故障区域及恢复健全区域非常迅速,对一次设备和系统的冲击小,虽然增加了智能终端FTU,但成本与基于重合器的馈线自动化相比并没有增加。

基于FTU远方集中控制模式能够快速一次性切断故障,快速恢复供电,有效地提高了供电质量和可靠性。但该方案对配电网通信的依赖性太强,通信系统或控制中心发生故障时将导致整个系统瘫痪,失去故障隔离和恢复供电的功能。

3 我国农村电网发展状况

我国农村电网20世纪60年代开始起步建设,但由于长期以来对农村电网建设的重视不够,建设资金投入不足,造成农网发展非常滞后。随着农村经济的发展,农村用电量增长很快,农村电网发展迅速,但农村电网结构仍然非常薄弱,其特点是用户分散,负荷密度小,输配电线路长,布局不合理,卡脖子线路、迂回线路普遍存在,导线截面积小,设备陈旧,网损较大,电能质量及用电可靠性差,供电能力自动化水平较低[5]。为了促进农村的经济发展,从1998年开始国家投资1 800亿对农村电网进行建设与改造,农村电力事业得到前所未有的发展。农村电网结构优化、布局较为合理,农网安全性、经济性、稳定性及其自动化程度有了很大的提高。线损明显下降,农网的供电质量和供电能力显著提高,基本满足了农村经济发展的需要。2004年度,农村电网供电可靠性达到99.3%,比1998年的94%提高5个百分点,农网综合电压合格率达到95%,比1998年的85%提高10个百分点;农村综合线损率由1998年的15%下降到7.8%,低压线损率由23.5%下降到12%左右。

4 馈线自动化发展模式的选择

根据馈线自动化模式的比较和我国农村电网发展状况,基于FTU点对点馈线自动化模式是农村配网自动化未来很长一段时期内的发展方向。

a.基于重合器馈线自动化模式已经不能满足农村现状。长期以来,我国农村采用的配网自动化模式是基于重合器馈线自动化,判断、隔离、恢复故障区域的供电所需时间长。随着农村经济迅速发展,物质文化生活水平的提高,特别是乡镇企业的崛起,对用电的质量及其可靠性的要求也越来越高,这种在农村长期使用的馈线自动化模式的缺陷日益明显,制约着农村经济的发展。

b.基于FTU远方集中控制馈线自动化模式不适合我国农村发展的现状。这种馈线自动化模式能够极大地提高供电质量和供电可靠性,能够优化配电网的运行模式。但要实现这种模式的馈线自动化,需要进行巨大的设备投资和通信网建设费用,对于经济基础仍旧比较薄弱的农村,这种巨额费用难以承担。另外,农村电网的特点是用户比较分散、负荷密度小、输配电线路非常长,不便于进行远方集中控制。

c.在农村发展基于FTU点对点通信的馈线自动化模式好处多。这种馈线自动化模式与基于重合器的馈线自动化模式相比具有明显的优越性。判定、隔离、恢复故障区域供电的时间短,显著提高了供电质量和供电可靠性;增加FTU和通信线的费用对于经济快速发展的农村可以承担;这种模式的馈线自动化使用了远方终端设备FTU,满足了农村配电网未来发展的需要,当农村经济条件及客观条件允许时,只需要在原来的基础上增加通信设备即可实现集中远方控制的馈线自动化模式。