一种实用的馈线自动化方案

2012-06-15曾欣强

湖南电力 2012年5期

曾欣强

(湖南省电力公司株洲电业局，湖南株洲 412000)

1 引言

配电网自动化是减少停电时间、缩小停电范围从而提高供电可靠性的重要手段，如何在配电网发生故障后，及时准确地判断出故障区域，并采取有效措施快速隔离故障区域、恢复非故障停电区域供电，即馈线自动化，是配电网自动化的关键技术之一〔1〕。

根据故障处理方式的不同，馈线自动化可以分为2种模式，即分布式处理和集中控制模式。根据故障处理时是否需要通信，分布式处理模式又可分成2种类型:无信道分布式处理和有信道分布式处理。无信道分布式处理方式只利用开关设备的自身检测故障信息、利用预先设置好的定值参数实现出口断路器和各个分段开关、联络开关的动作配合实现故障处理，因此又可称为基于点保护的分布处理;有信道分布处理模式在故障处理时除了利用馈线开关FTU自身采集的信息外，还利用与其他FTU信息做出判断和动作，又称为基于面保护的分布式处理〔2〕。集中控制模式一般由FTU完成故障信息检测上送到配电子站或配电主站，由配电子站或主站实现故障的定位、隔离和非故障区域供电恢复。

馈线自动化的前2种模式对通讯和主站建设要求较低，投资较少，目前在我国配电网中仍被广泛应用。但随着多电源、多分支的复杂配电网日趋增多，前2种模式已很难满足故障恢复处理的要求。随着配电网通讯技术的发展，集控控制模式逐步成为复杂配电网实现馈线故障处理的主要模式。此种模式下，对馈线非故障区段恢复可以区分上下游失电区域分别处理。故障上游停电区域恢复比较简单，找到故障馈线的出口开关即是故障上游恢复方案，上游恢复方案是单一的，不存在过负荷问题。在馈线存在多联络的情况下，下游非故障区段恢复比较复杂，是一个复杂的多目标、多约束、离散化、非线性混合整数组合优化问题，最终得到的是一系列开关组合。国内外学者对此提出了多种解决方法，大致可分为2类:传统的优化方法和人工智能方法〔3〕。传统的优化方法是基于各种优化技术来确定恢复供电策略，这类方法将待解问题用标准的数学形式表达成目标函数和等式、不等式约束条件，并用数学方法进行求解。人工智能方法主要包括:传统启发式算法、专家系统法、模糊算法、人工神经网络、Petri网法、现代启发式优化算法。其中，现代启发式算法又包括:遗传算法、模拟退火算法和禁忌搜索算法。另外，还有分布式人工智能技术的多代理系统，组合方法等。但是，由于配电网设备繁多，设备参数获取困难，限制了上述算法在工程中的实际应用，另外我国大多数地区配电网一次设备缺乏对实现自动化的充分支持，不少开关无法实现遥控功能，也为馈线自动化的实施带来一定困难。本文充分考虑我国配电网的运行特点和实施配电自动化的实际情况，提出了一种算法简单、实用性较强的配网故障处理方法。

2 馈线故障处理基本原理

集中式故障处理的基本原理为，配电自动化主站系统根据FTU上报的故障信息或故障指示器上报的信息，结合配电网拓扑模型和连通性分析，对配电网中发生的故障进行实时分析和判断，确定故障发生的位置，并提出正确有效的故障隔离方案和故障隔离后的停电区域供电恢复方案。

以典型的配电网部分结构图为例，如图1所示。假设在S2与S3之间的馈线段上发生永久性故障。故障发生后，F1馈线出口断路器跳开，重合闸动作。由于是永久性故障，重合闸失败，断路器再次跳开，重合闸闭锁，之后启动故障处理程序，由FTU上报的故障信息判断出故障位置在S2与S3之间，给出需要断开分段开关S2和S3，隔离故障。

故障隔离后，除故障区段外，原馈线F1供电的区域被分成2部分，一部分为故障点上游馈线F1的出线开关和分段开关S2之间的失电区域，称为上游失电区域;另一部分为故障点下游一直到各联络开关部分的失电区域，称为下游失电区域。

对于上游失电区域只需合上馈线的出口断路器即可恢复供电，而下游失电区域需要通过与其他电源相连的联络开关来恢复供电，并由分段开关来保持辐射状供电。由于该区域可恢复供电的路径较多，选择哪一种恢复策略，在保证快速恢复供电的同时，又能使恢复供电后系统的性能最优是一个值得研究的问题〔3〕。

图1 配电网馈线部分结构图

3 馈线故障处理模型设计

馈线故障处理的核心是故障定位和故障恢复方案的快速形成和评价，是以网络连通性分析为基础的。因此，为了有效地进行网络连通性分析，为了有效进行恢复方案开关搜索，必须设计出合理的网络连接模型。

从电网设备的外部连接特性来说，原始的配电网络模型数据库中电力设备可以分为单端、双端和三端3种类型。单端设备包括:电源 (SO)、负荷(LD)、电容器/电抗器 (CP);双端设备包括线路(LN)、馈线段 (SEC)、开关 (CB)、绕组(XF)、零阻抗支路 (ZBR);三端设备包括变压器(XFMR)。设备之间的连接关系由设备的端点或它们的公共结点来定义，这样就形成了基于结点的网络模型。

另一方面，从设备的连通属性来说，又可以将电力系统设备分为开关设备 (逻辑设备)和非开关设备2类。开关设备的状态 (闭合、断开)决定开关两端结点之间的连通性，因此决定非开关设备之间的连通性，并且最终决定网络的连通性。原则上只要根据结点与设备之间的关联关系，就可以执行任何形式的连通分析。但是，由于配电网络设备类型较多，并且数量十分庞大，在配电网故障处理过程中，如果直接利用最原始的结点与设备之间的关联关系来引导搜索，不仅搜索效率和速度较低，而且难以建立相应的推理模型和控制策略。

在配电网中，1条配电馈线一般由馈线分段开关分为几个区段，每个区段内部又包含多个馈线段(SEC)和用户负荷 (LD)。馈线包含的设备数量十分庞大，但包含的区段数量较少，一般为2—4个。在故障处理过程中，区段是馈线的最小可控部分，其内部连接关系不变，可以作为一个整体来考虑。因此，在执行网络连通分析时，可以将区段作为一个具有多个结点的元件来处理，而不考虑其内部元件组成和连接关系;当需要进行详细的分析计算时，例如当需要进行潮流计算以校验候选恢复方案时，再考虑区段内部的具体结线。这样，通过引入区段的概念，可以大大简化配电网络的物理模型，进而可以提高故障恢复的推理速度和效率〔4〕。

4 改进的馈线故障处理方法

由于配网的运行方式、自动化覆盖程度以及在网络参数获取等方面存在很多复杂的因素，导致常规故障处理方法在工程上得不到很好的应用，本文根据工程实际情况，对常规故障处理方法进行了改进。

4.1 故障检测

故障检测的目的是根据SCADA收集的故障信息判断故障发生的馈线及所在的区段，为形成故障隔离方案和故障恢复方案提供初始条件。

故障定位的原理比较简单，配电网一般为辐射状，故障电流从电源点 (或馈线首端结点)开始沿树状支路构成的连通路径单一方向地流向故障区。因此，对故障馈线上的任一区段，如果故障电流不流入该区段的任何端点，或从该区段的一个端点流入并从一个端点流出，该区段是非故障区段;如果故障电流只流入区段而不流出区段，则该区段是故障区段。

根据上述原理，在假定馈线上所有开关均具备故障遥信功能的条件下，可以应用下列2条规则实现故障检测:

a.IF馈线出口开关并监测到故障指示信息;THEN故障就发生在这条馈线上。

b.IF在故障馈线的某一区段的各边界开关中，有且只有一个开关监测到故障电流;THEN故障就发生在该区段上。

在进行故障检测时，首先应用规则a根据馈线首端开关是否跳闸并收集到故障信息，确定故障发生馈线;然后确定该馈线在故障发生前的连接区段(具体方法是从馈线首端结点开始沿闭合开关执行宽度优先搜索)，并且根据区段与开关关联表找到各区段的边界开关，应用规则b确定故障发生区段，并将所确定的故障区段插入故障区段表〔4〕。

4.2 形成故障隔离方案

区段是馈线的最小可控部分。在故障检测程序检测到故障发生区段之后，从区段与开关关联表中取出该区段的各边界开关，形成故障隔离操作方案，并写入故障隔离操作步骤表中。

4.3 形成故障恢复方案

形成故障恢复方案之前首先要进行网络状态分析。

1)网络状态分析的任务

a.带电分析，分析故障发生后网络的带电情况，将整个配电网划分为带电区和停电区;

b.网络划分，根据网络结构和各区段相对电源点和故障点的位置，将停电区划分为上游区、故障区和下游区，其中上游区是可由馈线首端开关立刻恢复供电的区域，故障区是不可恢复区，下游区是有待确定是否可由馈线联络开关恢复的区域;

c.统计分析，将停电区段、停电负荷、故障区段、故障负荷、上游区段、上游负荷、下游区段、下游负荷、已恢复负荷、待恢复负荷等情况进行统计，并分别写入动态表中。网络状态分析是故障恢复的前提，其实质是根据SCADA提供的实时信息，不断刷新网络的最新恢复状态，为恢复推理做好准备。

2)形成上游恢复方案

故障上游停电区域恢复比较简单，方案也是唯一的。其步骤为:从故障馈线表中依次取出故障馈线，然后从馈线表中取出该馈线的首端开关，只要故障位置不在此开关后第一个区段，即可将此开关写入恢复动态表中，否则无恢复方案。

3)形成下游恢复方案

下游停电区域恢复取决于连接下游区的可选联络开关和网络运行约束。当下游停电区域有多个联络开关时，情况比较复杂，可能的恢复方案组合将急剧增加。形成下游区恢复方案的原则是先简后繁、先近后远，优先考虑用最少的操作开关、最近的恢复电源，来恢复最多的停电负荷。本文根据配电网络的结构和目前馈线自动化实际工程运行情况，搜索下游停电区域连接的联络开关，形成整区故障恢复方案。放弃了采用配网潮流计算来进行恢复方案过负荷校验的常规方法，采用转供馈线出口开关当前电流、转供馈线容量和待恢复负荷来对恢复方案是否过负荷进行评价，供调度员在故障处理过程中参考，具有较强的实际指导意义。

5 隔离和恢复方案扩展及执行策略

在形成了基本的隔离方案和上游、下游恢复方案后，还需要根据开关是否能够遥控等条件对隔离方案和恢复方案进行进一步的处理。

1)去掉隔离方案中的分支线开关。由故障区段边界开关形成的隔离方案开关，如果隔离方案开关与恢复方案的开关不存在供电路径，则该隔离开关是连接分支线的开关，隔离方案中需要把该开关去掉。在图1中，假设边界开关为S3，S4，S13和S14的区段发生永久性短路故障，在最初形成的隔离方案中包含S3，S4，S13和S14开关，但是S14开关不与任何恢复方案开关形成供电路径，所以隔离方案中需要去掉开关S14。最终，形成的隔离方案只包括S3、S4和S13开关。

2)如果隔离方案中存在两遥开关 (无法遥控)，为了达到快速处理故障的目的，则应形成扩控隔离方案，供调度员参考。具体方法是查找隔离开关与恢复开关供电路径上的一个最近三遥开关作为扩控隔离开关。扩控隔离方案的开关都是三遥开关，能够由程序自动执行或由调度员遥控执行故障隔离，达到快速隔离故障、快速恢复非故障停电区域供电的目的。

3)故障恢复方案执行时考虑转供馈线保电特殊情况。馈线保电时不允许对其他负荷区域进行转供电，当恢复方案开关连接的转供馈线保电时，该恢复开关不能执行遥控合闸，对调度员给出相应提示信息。

4)建立了联络馈线组的概念。联络馈线组是指通过联络开关连接在一起的馈线，是实施馈线故障处理的最小区域。一个联络馈线组具有统一的故障处理模式，不同的联络馈线组可以设置不同的故障处理模式和故障处理优先级。发生多重故障时，优先级高的故障馈线组优先处理。隔离方案信息和恢复方案信息按照联络馈线组为单元来显示和执行。

5)联络馈线组的故障处理模式分为闭锁、手工、半自动和全自动4种模式。闭锁模式时该联络馈线组对SCADA采集的故障信息不处理，该模式主要适用于联络馈线组进行故障信号调试、保护信息调试的情况，以避免对馈线自动化功能的干扰;手工模式时故障处理程序给出隔离方案和对应的扩展隔离方案以及上游、下游恢复方案，由调度员确认后手工进行故障隔离和恢复操作;半自动模式时，故障处理程序自动执行隔离方案或扩展隔离方案，由调度员确认故障隔离成功后，手工执行上下游恢复方案;全自动模式时，故障处理程序自动执行隔离方案或扩展隔离方案，隔离方案执行成功后，自动执行上游、下游恢复方案。