基于不同接线模式的馈线自动化实现方式

王文博，冯 光，李珊珊，赵兴亮，严 俊，刘 弢

（1.国网河南省电力公司电力科学研究院，郑州 450052；2．天津天大求实电力新技术股份有限公司，天津 300384）

基于不同接线模式的馈线自动化实现方式

王文博1，冯 光1，李珊珊1，赵兴亮2，严 俊2，刘 弢2

（1.国网河南省电力公司电力科学研究院，郑州 450052；2．天津天大求实电力新技术股份有限公司，天津 300384）

馈线自动化的实现与网架结构、开关设备等关系密切。为实现10 kV配电网馈线自动化，提高配网运行安全性、可靠性和经济性，明确不同供电区域的馈线自动化的建设模式，进行了本次研究工作。文中介绍了馈线自动化配置原理及各种模式的优缺点，专门研究不同电网结构下每个分段和联络开关实现的馈线自动化功能和采用的通讯方式，通过对不同接线模式下馈线自动化对可靠性的提升程度、所需的投资和带来的效益等进行分析，来指导未来10 kV配网馈线自动化建设。

接线模式；馈线自动化；实现方式；供电可靠性；效益分析

配电自动化的核心之一是馈线自动化，馈线自动化的实现与网架结构、开关设备等关系密切。馈线自动化的核心是故障检测、故障诊断、故障隔离以及非故障区域的供电恢复。实现馈线自动化是提高配电网供电可靠性，减少供电损失的重要保证，也是当下配网建设与改造的工作重点[1，2]。

目前，国内的电力系统体系已经形成了一种相对比较固定的分配模式，包括发电、输电、配电以及用电4个主要环节。配电是输电与用电两个环节的中间连接枢纽，对于整个电网有着非常重要的作用，主要涉及配电网管理系统。该系统以自动化设备为基础，结合计算机、自动控制和通信技术的运用，实现对配电网实施在线或者离线监控管理，确保配电网可靠、优质和高效的运行。其中馈线自动化系统是整个配电管理系统中的重要环节之一[3]。

现阶段我国城市和农村建设速度较快，必须有完善的馈线自动化配置体系才能适应我国电网建设与改造的发展。馈线自动化技术的应用对减少停电面积、缩短停电时间、提高供电质量、降低线损、提高配电设备的利用率、延缓电力设备的投资进度、提高电力企业的经济效益和工作效率、提高电力企业的服务水平等都具有十分重要的意义。

本文经过对不同供电区域的典型接线模式下的馈线自动化的配置方案进行可靠性分析和计算，论证其效果。并在可靠性计算结果的基础上，对各个供电区的典型电网接线模式采用各种馈线自动化模式后带来的经济效益的提升进行了分析和计算。

1 馈线自动化简介

国内外的馈线自动化建设模式大致可分为故障定位系统[1]、就地式馈线自动化[1]、集中式馈线自动化3类。

1.1 故障定位系统

故障指示器是指安装在架空线、电力电缆、箱式变电站、环网柜或电缆分支箱，用于指示故障电流流通的装置，能够实时监测线路的运行状态和故障发生的地点，如送电、停电、接地、过电流等。

当线路运行状态发生变化或者线路发生故障时，线路上从变电站出口到故障点的所有故障指示器均翻牌或者闪光指示，而故障点后的故障指示器不动作，这可有效缩短故障查找时间，提高供电可靠性。

1.2 就地式馈线自动化

就地式馈线自动化指不依赖配电自动化主站，由配电终端或现场自动化装置协同实现故障定位、故障隔离和恢复非故障区域供电的馈线自动化实现方式，目前有重合器和智能分布式两种。

1）重合器方式

在故障发生时，通过线路开关间的逻辑配合，利用重合器实现线路故障的就地识别、隔离和非故障线路恢复供电。目前典型的重合器方式馈线自动化模式存在重合器和电压-时间型分段器配合模式、重合器和过流脉冲计数型分段器配合模式、重合器和重合器配合模式3种[4]。

2）智能分布式

通过配电终端之间的故障处理逻辑，实现故障隔离和非故障区域恢复供电，可根据需要将故障处理的结果上报给配电主站。配电主站和子站可不参与处理过程。智能分布式的就地式馈线自动化是在重合器方式的就地式馈线自动化的基础上，增加局部光纤通信，使得环网内的各FTU互相交互信息，在故障后秒级的时间内直接跳开离故障点最近的两侧开关，变电站出线开关不需要跳闸，使得停电区域最小，同时联络开关自动合闸转供。在保护通道故障时，可自动转为重合器方式的就地式馈线自动化工作模式。该模式可靠性高可应用于供电可靠性要求高的骨干网络。

1.3 集中式馈线自动化

集中式馈线自动化由变电站出线断路器、各柱上负荷开关、馈线监控终端、通信网络、配电主站组成，如图1所示。每个开关或环网柜的馈线监控终端要与配电主站通信，故障隔离操作由配电主站以遥控方式集中控制。

图1 集中式控制型馈线自动化示意Fig.1 Diagram of centralized control type feeder automation

该控制模式由于采用计算机和通信技术，可避免馈线出线开关多次重合，能准确快速定位和隔离故障，且隔离故障的时间不受线路距离、线路分段数影响，实施集中控制，有可能按照最优经济方案恢复供电。此外，正常情况可以实现SCADA功能，实时监视馈线运行工况，具备遥信、遥测、遥调功能，满足正常的操作需要[6]。具体可采用全自动和半自动两种实现方式。

2 不同接线模式馈线自动化配置方法

2.1 供电区划分及接线模式选择

根据国家电网公司最新公司企业标准《配电网规划设计技术导则》，规定国网区域供电区域划分为6类，如表1所示。

表1 供电区域划分标准Tab.1 Standard of power supply area

导则给出不同的供电区域线路架设/铺设方式，并规定了不同区域的组网方式，如表2所示。

2.2 各种馈线自动化模式的比较

表3给出了各种馈线自动化模式的比较。

表3 各种馈线自动化模式的比较Tab.3 Comparison of feeder automation mode

2.3 馈线自动化的配置方式

2.3.1 故障点分析

故障定位系统的安装位置与线路最常发生故障的位置有关。

（1）电缆线路的最常见的故障可划分为：设备和安装工艺不良、敷设方式和环境不理想、人为破坏、运行条件不良、地理环境的影响等，最常出现故障的位置是电缆接头处或电缆终端头处等。

（2）架空线路完全暴露在外界环境中，所以架空线路的故障一般受外界因素导致，包括外界环境和自然灾害等，架空线路的故障点在全线的发生概率理论上是均等的。

2.3.2 线路合理分段数分析

通过馈线自动化技术提高供电可靠性的效果与馈线分段数目有密切的关系，馈线自动化的实现必须依靠线路分段才能实现可靠率的提高。线路分段的数量以多少比较恰当，需要专门进行研究和分析。

1）辐射形网络

假设配电线路先后发生两次故障，不考虑倒闸时间，并且在两次故障的恢复时间相同的情况下，不同分段数线路投资和可靠性指标见图2。

图2 辐射网络分段数与停电户数关系图Fig.2 Diagram of radiation segments and the outage number

由图2可以看出，在3分段和4分段时减少的停电时户数的效果分别达到33.00%和37.50%，而从多于4段到20分段的时候，所起的效果并没有因为分段数的增加而大幅度的增加。

通过计算分析可以得到最多的分段所起的效果不大于50%，4分段以上的效果也只是得到37.50%～50%之间的效果。所以，对于辐射形的配电线路网络自动化动作分段开关的数量不应过多，应当控制在4个分段以内为好。

2）环形网络

同样在不考虑倒闸时间，并且在两次故障的恢复时间相同的情况下环形网络的不同分段数线路投资和可靠性指标见图3。

由图3分析，在3分段和4分段时减少的停电时户数的效果分别达到83.33%和87.50%，而从多于4段到20分段时，所起的效果并没有因为分段数的增加而大幅度的增加。

通过计算，可以得到大于4分段的效果也只是得到87.5%～100%之间的效果。所以，对于环形的配电线路网络自动化动作分段开关的数量不应当过多，应当控制在4个分段以内为好。

图3 环网分段数与停电户数关系图Fig.3 Relationship between ring segments and the outage number

总而言之，馈线上面的分段数量不是越多越好，需要通过计算，并结合电网的特点，进行分析电网需要达到的水平，来确定采用分段的数量。

2.3.3 馈线自动化对一次网架需求分析

在进行配电自动化建设及改造时需要考虑一次网架对于自动化设备安装的限制和要求。馈线自动化的实施对一次网架的要求见表4。

表4 馈线自动化的实施对一次网架的要求Tab.4 Requirements for a grid of feeder automation

2.3.4 不同接线模式馈线自动化实现方式

馈线自动化在不同供电区和不同接线模式下，可以采用多种实现方式[4，5]。

1）馈线自动化技术应用的供电区域及接线模式

（1）故障定位系统可以用于表1中的A类、B类、C类、D类、E类供电区的电缆线路和架空线路的全部接线模式。

（2）重合器系统使用的供电区和接线模式。

①重合器和电压-时间型分段器配合模式的馈线自动化系统可用于A类、B类、C类、D类、E类供电区的电缆线路和架空线路的全部接线模式；

②重合器和过电流脉冲计数型分段器配合模式的馈线自动化系统可以用于C类、D类、E类供电区的架空单辐射线路；

③重合器和重合器配合模式的馈线自动化的馈线自动化系统可以用于C类、D类、E类供电区的架空单辐射线路。

（3）智能分布式馈线自动化和集中式馈线自动化系统使用的供电区和接线模式。

智能分布式馈线自动化和集中式馈线自动化在实现功能时都需要配合通信实施馈线自动化的功能。通信通道可以根据需要选择，在只需要一遥和两遥的地区使用GSM/GPRS无线通信，在需要三遥的地区使用光纤通信。智能分布式馈线自动化和集中式馈线自动化均能实现三遥功能，采用光纤通信方式。

①智能分布式馈线自动化系统可用于A类、B类、C类、D类供电区的电缆双环式、单环式、双射式、N供一备线路和架空多分段适度联络线路；

②集中式馈线自动化系统使用的供电区和接线模式可以用于A类、B类、C类、D类、E类供电区的电缆双环式、单环式、双射式、N供一备线路和架空多分段适度联络线路。

2）不同馈线自动化实现方式分析

本文中以A类地区电缆单环网和架空多分段两联络为例进行分析。

（1）电缆单环网馈线自动化实现方式。

全电缆线路按每段安装一组进行考虑，安装位置原则上要求在线路上正常运行方式下的电源侧，如图4中A、B、C、D、E、F、G节点。

图4 单环网故障定位系统图Fig.4 Diagram of fault location system of single ring

线路出口位置分别放置一个重合器，将环网柜中的进线和出线的开关都配置成分段器，如图5所示。

集中式馈线自动化方案对一次网架结构及开关设备都有一定的要求，例如线路要合理使用分段。可靠性要求高的场合采用环网供电方式，中压电网具体的联络方式留有一定的备用容量[6]。见图6所示。

出口断路器和各个分段开关和联络开关均配置具有保护功能的FTU，终端需要配置不间断电源，可以由FTU中的蓄电池提供，具有独立储能回路的开关，其储能电源可以采用由PT提供的交流220 V。开关类型可以为负荷开关或断路器。通信系统采用高效可靠的通信系统，一般采用光纤通信方式。

图5 单环网线路重合器和电压-时间型分段器配合模式Fig.5 Diagram of recloser and voltage-time sectionalizer system of single ring

图6 单环网集中式馈线自动化系统Fig.6 Diagram of centralized feeder automation system

（2）架空多分段两联络自动化实现方式。

架空主干线分段开关处，应在分段开关负荷侧安装一组短路故障指示器；线路上没有任何分段，距离超过2 000 m的，应在适当位置安装故障指示器，原则上至少2 000 m安装一组，如图7所示B节点。

架空分支线路有支线控制开关的，应在开关后段安装一组。没有支线控制开关且支线长度超过500 m的，应在支线与主干连接处安装一组，如图7所示C、D节点。

架空线路引落电缆处，当该电缆为线路联络电缆时，必须在两侧电缆头处分别安装一组，如图7所示的A、E、F、G节点。

出口开关采用重合器，分段开关采用电压-时间型分段器，个数可以按照线路合理分段数来确定，一般情况线路分段数以3段或4段为合适，则主干线路上的电压-时间型分段器的个数为2个或3个，支线装设一个电压-时间型分段器，如图8所示。

图7 两联络故障定位系统Fig.7 Diagram of fault location system

图8 两联络重合器和电压-时间型分段器配合模式Fig.8 Diagram of recloser and voltage-time sectionalizer system

出口断路器和各个分段开关和联络开关或者各个环网柜均配置具有保护功能的FTU。需要上级主（子）站、通信系统、测控终端的相互配合完成。开关类型可以为负荷开关或短路器。通信系统采用高效可靠的通信系统，一般采用光纤通信方式，如图9所示。

图9 智能分布式馈线自动化系统Fig.9 Diagram of intelligent distributed automation system

3 不同接线模式馈线自动化可靠性分析

随着社会与经济的发展，用户对供电可靠性的期望值越来越高，因此在采用馈线自动化模式后的可靠性将作为实施自动化重要效果进行分析。下面同样以电缆单环网和架空多分段两联络为典型进行分析）。

3.1 可靠性计算方法

计算各种典型网络结构的可靠性指标可采用状态空间法。该方法首先通过建立各个元件的运行状态马尔可夫状态模型，构建典型网络的状态空间。进而，根据网络结构，分析状态空间中每个状态下系统的停电状态、停电时间、缺供电量等参数。最后根据各个状态的转移概率综合得到系统的可靠性指标[7]。

3.2 可靠性计算的基本参数

对选取线路参数和馈线自动化模式参数进行逐一设定。如果线路上没有任何馈线自动化设备，若线路上发生永久性故障，对抢修人员赶到故障点的时间和查找故障的时间进行设定，各种馈线自动化模式的隔离故障并恢复故障的时间不同，对该时间进行设定。

3.3 可靠性计算结果分析

在不同接线模式线采用故障定位系统、重合器方式的馈线自动化、智能分布式馈线自动化、集中式馈线自动化对线路的供电可靠率的提升程度均不同[8]，并呈现逐级增大的效果，如表5所示。

表5 可靠性计算结果Tab.5 Calculation results of reliability

重合器方式馈线自动化、智能分布式馈线自动化、集中式馈线自动化可将线路的可靠率提升到4个9以上，该种模式可在投资充裕的A类和B类供电区推广。

故障定位系统可将线路可靠率提升到3个9以上，该种建设模式建议在投资有限的C类、D类和E类供电区使用。

4 不同接线模式馈线自动化效益分析

4.1 经济效益分析基本方法

4.1.1 分析思路

以本文的不同接线模式的可靠性计算结果为边界条件，计算单回线路可靠性提升的增售电量所带来的经济效益，计算可靠性提升的增售电量对经济的拉动作用带来的社会效益。

4.1.2 计算公式

1）经济效益计算公式

（1）用户平均停电小时数=（1-供电可靠率/ 100）×全年小时数。

（2）采用各种馈线自动化系统后一年内线路比无任何馈线自动化设备用户平均增售电量=用户平均停电负荷×用户平均停电小时数。

（3）收益=增售电量×平均售电价。

2）社会效益计算公式

（1）每度电对工农业生产总值的贡献值=某地区工农业生产总值/该地区当年的售电量。

（2）采用馈线自动化一年内对工农业生产总值的贡献值=每度电对工农业生产总值的贡献值×增售电量。

4.2 经济效益计算结果

典型电网结构模式的单回线路采用各种馈线自动化模式的投资和一年内的增售电量产生的收益，如表6所示。

表6 经济效益计算结果Tab.6 Calculation results of economic benefits

采用各种馈线自动化模式的投资不同，但投资较多的馈线自动化模式所带来的经济效益也较大。在选择馈线自动化模式时建议按照实际资金情况与可靠性要求目标相结合考虑选择馈线自动化模式。

4.3 社会效益分析

电力企业作为关系国家能源安全和国民经济命脉的国有重要骨干企业，不但要注重自身经济效益，还要更加注重社会效益，承担更多社会责任，下面从对地区经济拉动方面分析采用馈线自动化对社会效益的促进作用。

根据对经济效益分析可知，采用单回线路采用馈线自动化设备一年内会有相应的增售电量，以每度电对工农业生产总值的贡献值5.48元估算，对社会总体经济效益如表7所示。

采用馈线自动化技术后对社会总体经济效益是十分可观，意义深远。此外，建设完善的馈线自动化体系，可以提高客户服务水平，可有效提升政府和老百姓对电力行业的满意程度，树立良好的社会形象。

表7 社会效益计算结果表Tab.7 Calculation results of social benefits

5 结语

馈线自动化系统建设是一项投资大、周期长、系统集成多的综合工程，本文从供电分区、接线模式入手分析馈线自动化实现方式，并结合可靠性、经济效益和社会效益分析，以投资效益作为约束条件分析不同区域不同接线模式在不同馈线自动化实现方式下带来的效果，最终给出馈线自动化建设的相关建议。

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Realization of Feeder Automation Based on Different Connection Mode

WANG Wen-bo1，FENG Guang1，LI Shan-shan1，ZHAO Xing-liang2，YAN Jun2，LIU Tao2
（1.State Grid Henan Electric Power Research Institute，Zhengzhou 450052，China；2.Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co．，Ltd．，Tianjin 300384，China）

The realization of feeder automation is related to grid structure and switch gear.In order to achieve feeder automation of 10 kV distribution network to improve operation safety，reliability and economic efficiency，this research is carried out to discuss different feeder automation modes in different power supply zones.First，this paper introduces the principle，advantages and disadvantages of feeder automation mode.Second，the functions and communication mode of feeder automation realized by each segment and contact switch in different grid structure.At last，through the analysis of cost-effectiveness and reliability，the development of feeder automation of 10 kV distribution network can be directed.

connection mode；feeder automation；realization way；power distribution reliability；benefit analysis

TM743

A

1003-8930（2013）06-0072-07

王文博（1986—），女，工程师，主要从事配电网及供电可靠性相关研究工作。Email：wangwenbo623@163.com

2013-05-08；

2013-07-23

国家电网公司2012年科技项目（EPRIPDKJ[2012]3223）

冯 光（1984—），男，工程师，主要从事配电网及供电可靠性相关研究工作。Email：290736383@qq.com

李珊珊（1983—），女，工程师，主要从事智能配电网及配电网自动化相关研究工作。Email：lishanshan@ha.sgcc.com.cn