智能型馈线自动化实现方式的比较分析

吴洪勋，程法民，王 伟，李文杰

（山东东营电力公司，山东 东营 257000）

0 引言

随着社会对电力需求的不断增长及对电能质量要求的不断提高，现有的配网故障处理及运营维护方式越来越难以满足用户对电能安全性和可靠性的要求。配电网自动化正是一种可以显著提高供电可靠性的重要技术手段，而它的一个核心功能就是馈线自动化功能。在配电自动化系统中，馈线自动化对于提高供电可靠性、减少停电面积和缩短停电时间具有深远的意义。它可以使停电时间大幅减少，并将线路故障范围从整条缩短到故障节点所在的分段之内，其最终效果使得停电故障对用户（或社会）造成的损失和电力部门经济损失都减少一个数量级。

从终端是否实现智能化功能的条件，可以把馈线自动化的实现方式分为基于重合器的馈线自动化和基于FTU的智能型馈线自动化两种模式［1］。

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，通过开关功能和保护时间配合，实现故障判断、故障定位和故障隔离的目的。其通过设定时延来完成开关间动作的配合，当配电线路分段较多时，保护的级差将很难配合；为与重合器保护级差配合，通常设定变电站出线断路器为最后一级时限速断保护，分段重合器越多，出线开关限时速断保护延时就越长，对配电系统影响也越大。其缺点主要有：（1）恢复供电时间较长；（2）切除永久故障时，主供线路侧需要重合两次，使线路受到两次短路电流冲击（与没有实现馈线自动化情况相同），且波及线路对侧的用户，使其发生短时间陪停电；（3）要对变电站馈线现有的保护及重合闸装置进行改进，使之与动作逻辑相适应，或另加重合器，增加额外投资。

基于FTU的智能型馈线自动化模式分为基于FTU点对点通信的智能分布模式和基于FTU的远方集中监控模式。其共同点都是通过终端设备完成对馈线故障的监测、定位，并利用信息化手段完成故障的自动隔离［2］。与重合器方式相比，具有如下优点：（1）最大程度的缩小停电范围，提高供电可靠性；（2）判断、隔离故障区域及恢复健全区域迅速，可以快速恢复供电；（3）避免多次开断重合器，对一次设备和系统的冲击小；（4）终端设备结构模块化，不用对重合器进行多次整定，减少维护难度。

1 基于FTU的智能型馈线自动化

1.1 智能分布模式

智能分布模式是近年来提出的一种新的馈线紧急控制模式，它是利用良好的网络通信和分散安装的配电终端实现的具有特殊原理的全线速动式区域性馈线保护［3］。

在馈线网络上发生单相或相间短路障后，安装在各开关处的FTU立刻起动，并判断自身的功率方向，然后通过快速现场总线与相邻FTU通信，经比较分析后确定故障的区段，跳开该区段两端的开关，完成故障隔离。

图1 应用馈线系统保护的典型配电系统

如图1所示，A、G为变电站10 kV出线断路器，B、C、D、E、F为馈线自动分段开关（D为联络开关处于开断状态）。对于变电站M，手拉手线路为A至D之间部分，变电站N则对应于D至G之间的部分。当F1处发生永久性故障时，UR1、UR2、UR3立即起动，并计算自身状态。由图中故障位置可知，UR1、UR2过流且功率方向为正，UR3失压且无流。为了确保通信的可靠性、实时性，由各FTU依次向其相邻的FTU发送自身的故障状态信息。

t=T0时，UR1→UR2

t=T0+ΔT时，UR1←UR2→UR3

t=T0+2ΔT时，UR2←UR3→UR4

UR1本身故障状态为过流且功率方向为正，并收到UR2的过流且功率方向为正的报文，判断出故障不在A、B之间，于是将A闭锁。

UR2本身故障状态为过流且功率方向为正，并收到UR1和UR3的状态报文。UR1的状态为过流且功率方向为正，UR3的状态为失压且无流，因此UR2判断出故障发生的B、C之间，于是瞬时跳开B。

UR3本身故障状态为失压且无流，收到的UR2的故障状态信息为过流且功率方向为正，判断出故障发生在B、C之间，但因为UR3自身故障状态为失压且无流，所以它并不立刻跳开C。

UR2跳开B后，经一很短延时使其重合。因为故障仍然存在故UR2加速跳开B并将其闭锁，然后再向C发令，使其跳开，完成故障隔离。

FTU识别故障时间为20～25 ms，FTU相互通信时间为20～50 ms，断路器动作时间为40～100 ms，故障隔离的总计时间为80～175 ms。

C跳开后，UR3向UR4发合闸报文，这时UR4可根据故障前C、E两处的负荷情况判别是否合上联络开关D，恢复CD段供电。

智能分布模式在很大程度上延续了高压线路纵联保护的基本原则，在通信方案上借鉴了全分布式母线保护原理。它利用通信实现了保护的选择性，将故障识别、故障隔离、重合闸和恢复故障一次性完成，具有以下优点：（1）一次性快速处理故障，不影响非故障区段，进一步提高了供电可靠性；（2）快速切除故障，由于故障切除时间很短，对于绝大多数电动机类负荷的电能质量没有影响；（3）直接将故障隔离在故障区段，不影响非故障区段。（4）保护功能完全下放到FTU，无需配电主站、子站配合，使馈线自动化具有更高的可靠性。

1.2 集中监控模式

在集中监控模式下，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；联络开关S3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

这种基于通信的馈线自动化方案以集中控制为核心，综合了电流保护、RTU遥控及重合闸功能，能够快速切除故障，在几秒到几十秒内实现故障隔离，在几十秒到几分钟内实现恢复供电。主站监控方案中故障识别、故障网络拓扑分析、故障定位、故障负荷转移都由配电主站集中处理，形成顺序控制策略，再通过远方通信逐项完成。配电网紧急控制功能及逻辑完全设置在主站中，对配电终端仅要求具有RTU功能。

2 基于3G网络的集中监控模式实现

2.1 技术背景

配网自动化通信系统是配网自动化系统中的重要环节。配电自动化系统需要通过可靠的通信手段，将主站的控制命令下发到各执行机构或远方终端，同时将远方监控单元所采集的各种信息上传至主站。为满足配电自动化要求，通信系统必须：通信的可靠性；通信的实时性；通信的双向性。

目前，配电自动化系统多采用光纤通信的方式。光纤通信完全满足配电自动化系统对通信可靠性、实时性、双向性的要求。但是，有些变电站建在山区、新建变电站搭建临时通信通道、要求增加配用传输通道的场合，可采用无线传输方式。

随着无线通信技术的发展，特别是3G网络的快速发展，为配电自动化通信系统提供了新的解决方案。

2.2W-CDMA概述及特点

W-CDMA（宽带码分多址）是一个ITU（国际电信联盟）标准，它从CDMA演变而来，W-CDMA能够支持移动/手提设备之间的语音、图像、数据以及视频通信，速率可达2 m/s（对于局域网而言）或384 kb/s（对于宽带网而言）。输入信号先被数字化，然后在一个较宽的频谱范围内以编码的扩频模式进行传输。其具有以下特点：

（1）可靠性高。提供实时在线功能“always on line”，并与数据中心建立通信链路，采用面向TCP协议通信，随时收发数据，避免了数据包的丢失现象，保证数据可靠传输。

（2）传输速率快。WCDMA网络的传输速度最快将达到2 Mb/s（对于局域网而言），完全可以满足用户应用的要求。

（3）监控范围广，组网简单、迅速、灵活。3G网络已经实现全国范围内覆盖，并且扩容和接入地点都无限制，能满足山区、乡镇和跨区接入的需求。

（4）系统传输容量大，扩容性好：由于变电站数据采集点数量众多，系统要求能满足突发性市局传输的需求，而GPRS技术能很好的满足传输突发性数据的需求。由于系统采用成熟的TCP/IP通信构架，具备良好的扩展性能，一个监控中心可轻松支持几千个现场采集点的通信接入。

（5）通信链路由专业运营商维护。免除通信维护的后顾之忧。

2.3 无线传输解决方案

根据供电系统对配电自动化系统信息传输高可靠性的要求，采用点对点传输方案来实现。在这里，所有馈线终端的信息采集点都采用联通无线局域网固定IP，在申请SIM卡时要求运营商绑定固定IP地址并开放其端口号。运营商会将申请的所有点建一个APN专网，这个专网属于运营商的一个内部局域网，只有授权的用户才能访问这个私有局域网。此种方案无论实时性，安全性和稳定性都有很高的保证，满足配电自动化安全性高，数据较多、实时性好的要求。

图3 基于3G方案的组网图

2.4 系统组成及工作原理

该系统分为监控中心主站、电力远动无线数据传输终端、监控终端设备。主站主要完成人机交互工作；无线网络主要负责网络数据链路建立和数据收发的透明中转；无线网络数据传输终端完成信息的上传与下发；监控终端设备主要完成数字量与模拟量的采集。

电力远动无线传输设备通过RS-232/422/485接口直接连接到FTU上，实现对开关参数的采集、存储、预处理。经过TCP/IP协议封装加密后，通过内嵌式WCDMA模块将数据发送到WCMDA网络，通过客户端/服务器传输方式传送至配电自动化监控中心，实现馈线自动化设备和中心主站的实时在线连接。同时，电力远动无线传输设备还可将主站发送的遥控指令传给开关控制模块，对开关进行控制操作。

电力远动无线传输设备上电后，会根据预先设定在其内部的IP地址主动访问中心专线服务器，和监控中心建立TCP/IP链路。监控中心主站本社维护接入的每个终端的IP地址和ID号，当主站要想某个监控终端提出数据请求时，它会根据IP地址和ID号来找到对应的终端，将命令下发到该终端，终端响应后通过电力远动无线传输设备把数据发到网络服务器的端口，通过端口转发到监控中心主站，即完成了一个应答式通信流程。远程终端采集的数据经处理打包后转换成APN专网内数据传送的格式，通过WCDMA无线数据网络进行传输。利用WCDMA 3G网络实现了更加快速、安全的数据传输要求。APN通信专网能够为配电自动化传输提供更高的通信质量和数据传输速率，并大大增加了其安全性，无线通信将在电力系统中得到更加广泛的应用。

3 结论

本文介绍并讨论了两种智能型馈线自动化方式。经过分析比较认为：集中型和分布型智能馈线自动化方式保护模式具有各自的优势，都为趋优的控制模式。分布式馈线自动化将保护功能完全下放，力求在FTU终端装置上实现馈线自动化功能，这对于提高配电网故障处理的响应速度，提高配电网的可靠性是很有意义的，它适用于供电可靠性要求高、满足故障情况下负荷转供要求且开关设备具备电动操动机构，配电终端之间具备对等通信条件的配电线路。集中型馈线自动化通过中心及分层控制将故障信息上传到主站进行处理并下发控制命令，有利于信息的统一处理及高级配电自动化系统信息交互功能的实现。它适用于供电可靠性要求高、满足故障情况下负荷转供要求、配电主站/子站与配电终端之间通信通道性能满足遥控要求、且开关设备具备电动操动机构的配电线路。