基于故障回推理论的馈线自动化技术研究

2015-04-29李国武王海彪

河北建筑工程学院学报 2015年2期

李国武吴尚王海彪

（国网张家口供电公司，河北张家口075000）

0 引言

智能化配电网建设成为今后配网发展的核心内容，智能化配电网内涵要求供电高度可靠、电压电能高度优质、供电方案高度灵活，馈线自动化在供电网络中的实用化推广，是对接上述要求的关键技术.现有各种类型的馈线自动化技术，但在实际运行中存在一些问题，为了进一步提升馈线自动化关键技术本身的可靠性及可信赖程度，从实用化的标准出发，研究基于故障回推理论的馈线自动化技术，可以有效提升技术理论本身的可靠性，另外该方法对通信系统的依赖程度相对较弱，其实用化程度将显著提高.

1 馈线自动化技术概述

1.1 馈线自动化技术基本功能

馈线自动化（FA，feeder automation）是指利用自动化装置或系统，监视配电线路的运行状况，及时发现线路故障，迅速诊断出故障区间并将故障区间隔离，快速恢复对非故障区间的供电.

馈线自动化是配网自动化中的一项重要功能，故障处理是馈线自动化的首要任务，配网自动化是电力系统现代化的必然趋势，其主要意义在于：当配网发生故障时，迅速查出故障区段，快速隔离故障区段，及时自动恢复非故障区域用户的供电，因此缩短了对用户的停电时间，减少了停电面积，提高了供电可靠性.

1.2 馈线自动化实现方式及优劣分析

馈线自动化有两种实现方式：当地控制方式和集中控制方式.当地控制方式又叫电压型实现方式，通过重合器来实现，馈线失电压时开关跳开，然后依时间延时顺序试合分段开关，最后确定故障区段再隔离故障并恢复非故障区供电.集中控制方式，通过负荷开关、FTU（馈线自动化测控终端）加主站系统来实现.由FTU检测电流以判别故障，故障信息集中传送到主站，由主站确定故障区段，然后由主站系统发遥控命令控制开关动作，完成故障隔离并恢复非故障区供电.集中控制方式由于引入了配电自动化主站系统，由计算机系统完成故障定位，因此故障定位迅速，可快速实现非故障区段的自动恢复送电，而且开关动作次数少，对配电系统的冲击也小.

比较当地控制和集中控制两种实现方式，虽然在总体价格上，当地控制方式由于不需要主站控制、对通信系统可靠性要求低而有一定优势，但是就配电网络本身的改造来看，当地控制所依赖的重合器的价位要数倍于负荷开关，这在一定程度上妨碍了该方案的大范围使用.相比之下，集中控制所依赖的负荷开关在城网改造项目中具有价格上的优势，在保证通信质量的前提下，主站软件控制下的故障处理能够满足快速动作的要求.因此，从总体上说，集中控制方式比当地控制方式具有明显的优势.随着电子技术的发展，电子、通信设备的可靠性不断提高，计算机和通信设备的造价也愈来愈低，预计将来会广泛地采用配电自动化主站系统配合遥控负荷开关、分段器来实现故障区段的定位、隔离及非故障区域的恢复供电，能够克服当地控制方式带来的缺点.从最近几年我国配电系统自动化的实施来看，越来越多的电力企业正在采用集中控制的馈线自动化方案.

但是，集中控制方式的缺点是，需要高质量的通信通道及计算机主站，对通信系统要求较高，在线路故障时，要求相应的信息能及时传送到上级站，上级站发送的控制信息也能迅速传送到FTU.当某一个或部分FTU出现故障或是通讯中断，则主站系统根据不完整的信息可能无法定位故障位置或是定位错误.

2 基于故障回推馈线自动化故障定位方法

针对上述提出的集中式馈线自动化系统的缺点，提出一种基于故障回推的故障定位方法.该方法可以降低原集中式馈线自动化系统对通讯可靠性的过度依赖，当某一个或部分FTU出现故障或是通讯中断，则主站系统根据不完整的信息依然可以准确定位故障位置.

本方法仅在集中式馈线自动化系统的主站或子站上实现，只需要对原有馈线自动化的主站或子站系统进行升级改造，而不需要对终端进行改造.

实施具体步骤如下：

2.1 系统开关及节点定义

在系统中定义开关和节点的属性.开关属性分为电源点开关，普通开关，分支线开关，联络开关；节点属性分为电源节点和普通节点，节点状态分为正常状态和故障状态，初始化时节点状态默认为正常状态.然后，按照实际电力网络拓扑设置开关节点的连接关系；

电源点开关：与电源节点相连接的第一个开关.

普通开关：开关两侧均可连接到电源节点的开关.

分支线开关：只有一侧可连接到电源节点的开关.

联络开关：两个电源的连接开关，负责恢复非故障区域的供电，正常运行时状态为分位.

2.2 理论基于的基本硬件和软件环境

基于原有的馈线自动化系统，获得实时的开关位置、节点状态、故障信号.

2.3 故障回推理论方案设计

2.3.1 当有任一开关上报过流故障信号时，馈线自动化系统以发出故障信号的开关为起点，分别向该开关左右两个方向按照节点及开关的连接关系对开关进行故障位置查找，依次检查开关位置信号和节点属性，直到电源节点或是开关位置处于分位开关，或是线路末端；

2.3.2 若搜索到节点属性为电源点时，沿原搜索路线返回，直到发出故障信号的开关，同时将沿路节点状态置为故障状态；若搜索到末端节点或开关为分闸状态则搜索结束，沿路的节点状态保持原状态，不进行改变；

2.3.3 检查搜索过的所有开关两侧节点状态，如开关两侧节点状态一个为故障，一个为非故障，则该开关为隔离故障的开关，需要跳闸，而与该故障开关另一侧非故障状态的节点相连的未上报故障信号的普通开关为对侧隔离故障的开关，需要跳闸；

2.3.4 隔离故障的开关的跳闸命令由主站下发给对应开关的FTU，遥控跳闸，完成故障定位、隔离.

2.3.5 当故障隔离信息返回后，主站下发命令给联络开关，恢复非故障区域的供电.

2.4 理论判据动作实例

如图1所示，所有开关有唯一的开关编号，每个开关都定义有与其连接的左右节点，节点与其连接的开关对应，根据连接关系便生成了网络拓扑结构，如图所示节点A、I为电源节点，开关K1、K8为电源点开关，K9、K10为分支线开关，K2－K7为普通开关.

基于原有的馈线自动化系统可以获得实时的开关位置信号、节点属性、节点状态及故障信号；当线路发生故障时，检测到故障电流的FTU会将故障信号上报给主站系统，当主站系统收到任何一个故障信号即启动故障搜索，故障搜索以检测到故障信号的FTU对应开关为起始点分别向左右开始搜索，依次查询各开关的位置信号和节点属性，直到电源节点或是开关位置处于分位开关，或是线路末端如图1所示，故障点在F点，K1－K5开关的FTU都检测到故障电流，并上报故障信号，以图中K5开关为例，所示实线箭头方向为故障搜索方向，如下搜索路径：

图1 馈线自动化理论判决动作示意图

K5—＞F—＞K6—＞G—＞K7依次查询开关位置和节点属性，查询到开关K7为分闸位置，搜索结束；

K5—＞E—＞K9—＞J—＞K10—＞K依次查询开关位置和节点属性，到末端节点，没有其他开关与其连接，搜索结束；

K5—＞E—＞K4—＞D—＞K3—＞C—＞K2—＞B—＞K1—＞A搜索到电源节点，开始回推，当搜索到电源节点时，按原路径回推到搜索开始的起点开关，并将沿路所有节点均设置为故障状态.

如图1－1虚线箭头所示路径A—＞B—＞C—＞D—＞E节点状态都设置为故障.

尽管动作最快的FTU启动了搜索，但拓扑结构中的所有FTU都要进行一轮搜索，所以可以解决部分FTU不启动的问题，全部搜索都完成后，检测所有开关的左右节点状态，若某开关一侧节点是故障状态，另一侧节点是非故障状态，则该开关为需要隔离的故障开关，需要跳闸；非故障侧的节点为故障点（即K6的F节点），与之相连的未上报故障信号的普通开关（K6）也是需要隔离故障的开关，需要跳闸，分支线开关则不需要隔离操作.如图1中K5、K6为需要隔离故障的开关.隔离开关的跳闸命令由主站下发给对应开关的FTU，遥控跳闸.然后由主站系统下发遥控合闸命令至K7，完成非故障区域的恢复供电.

在上述情况下，如果开关K3、K4的FTU装置发生故障或者通讯中断，则其不能正确上报故障信息，此时其他开关正确上报故障信息可以使主站正常启动故障搜索，搜索路径与结果依然与上述举例相同，K3、K4开关虽然没有上报故障，但是其节点的故障标志在故障搜索回推的过程中被置上，仍然可以保证故障定位的正确性.常规的仅通过比较两相邻开关故障信息的故障定位方法，对于开关K3、K4的FTU装置发生故障或者通讯中断的情况，由于一侧有故障，一侧无故障的节点有C、E、F三个点，会导致故障定位的错误.

如果恰好是K5开关所在FTU发生故障或通讯中断，K5不能上报故障信息，则按照故障判据会误判故障点为E点，主站或子站发命令跳开K4、K5开关，由于K5对应FTU通讯中断，无法收到遥控命令，K5开关跳闸失败，主站或子站等待一定延时（按照大于“开关动作时间＋分闸位置接点上送至主站时间”设定），没有收到K5开关的分闸信息，启动扩大化处理方案，发命令跳开K6开关，隔离故障点；该种情况下，K5开关FTU通讯中断，仅影响到了故障的隔离范围，故障点仍然可以被准确隔离，并且使故障隔离区域最小化.

本方法解决了集中式馈线自动化系统中如果有一个或者多个FTU本身故障检测功能失效或者通讯中断，馈线自动化系统将不能定位故障位置或是定位错误的缺陷，降低了集中式馈线自动化系统对通讯可靠性过度依赖.

3 基于故障回推技术及拓扑结构的馈线自动化逻辑自愈

自愈能力作为保证电网可靠、优质供电的关键功能，是智能电网技术研究的重点.继电保护与安全自动装置作为实现自愈功能的主要设备，在高压输电网中，继电保护已经完全能够实现电力设备状态的在线监测，及时发现并排除故障隐患，通过快速继电保护快速可靠、有选择性的切除故障，并对系统进行在线安全评估和预警控制，防止出现电网稳定破坏事故导致的大面积停电，维护系统的稳定性.但相对于输电网，配电网直接面向用户，是保证供电质量，提高电网运行效率的关键环节，但根据统计，目前用户停电95%以上是由于配电系统原因引起，导致电能质量恶化的主要原因也在配电网.这些都对配电自动化提出了更高的要求.因此在配电网中也迫切需要实现故障的快速定位和隔离，在目前具有优越通信条件的配网中完全有可能实现这一目标.

故障回推理论为拓扑结构型的馈线自动化逻辑自愈功能实现成为最优方案，适应配电网结构变化频繁的特点.当系统结构发生变化时，根据电气网络结构图拓扑自动形成配电自动化动作逻辑及相关的策略，经过技术评价后成为系统动作逻辑方案.

在建立配电自动化高效通信网络基础上，当由于配电网结构变化造成智能终端配置及逻辑配合发生变化时，对等通信网络中终端设备可根据重新给定的电网拓扑结构，调用合理的馈线自动化逻辑，满足电网结构变化要求.

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