智能分布式FAFAFAA测试分析及解决措施

潘建兵，王胜利，曹 蓓，徐在德，刘 洋，黄 慧

（1.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西 南昌 330096；2.国网江西省电力有限公司南昌供电分公司，江西 南昌 330006；3.国网江西省电力有限公司上饶供电分公司，江西 上饶 334000）

0 引言

配电自动化是利用现代计算机及通信技术，将配电网的实时运行、电网结构、设备、用户以及地理图形等信息进行集成，构成完整的自动化系统，实现配电网运行监控及管理的自动化、信息化[1]。馈线自动化（Feeder Automation，简称FA）是利用自动化装置或系统，监视配电网的运行状况，及时发现配电网故障，进行故障定位、隔离和恢复对非故障区域的供电。FA实现模式主要有就地式、集中式与分布式三种类型。就地式FA技术主要是基于重合器-分段器相互配合就地实现馈线故障区段定位、隔离与非故障区段的供电恢复，包括电压-时间型、电压-电流-时间型、自适应综合型，它不需要主（子）站控制，不需要通信通道，投资小、易于实现，主要用于对供电质量要求不是太高、且没有通信条件的城郊或农村架空线路，但需要多次重合，对系统形成多次冲击、引起电压骤降[2-3]。集中式FA技术通过工业以太网、EPON光纤网或GPRS无线通信等完善的通信手段，将馈线终端检测的故障信息上传到配电自动化主站（或子站），主站根据馈线拓扑结构和预设算法对故障信息进行分析，并判断出故障区域，发出控制命令，实现故障区段定位、隔离与供电恢复操作，是目前城市配网中应用较多的FA供电模式[4]。分布式FA是通过配电终端之间相互对等通信实现馈线的故障快速定位、隔离和非故障区域自动恢复供电的功能，并将处理过程及结果上报配电自动化主站，实现对故障区段毫秒级定位，秒级快速隔离，非故障区域数秒内供电恢复[5]。文献[6]提出一种基于GOOSE的快速自愈的分布智能FA系统，建立配电网分区模型，论述开环运行配电网和闭环运行配电网的分布式FA机制，加快故障处理速度。

本文分析了分布式FA逻辑功能及动作过程，搭建实验室测试平台，模拟开关正常、拒动、误动、通讯中断等运行工况，测试FA系统逻辑是否正确，针对测试发现问题提出相对应的整改措施，提高设备投运前的功能可靠性，减少现场调试工作量。

1 分布式FA系统

1.1 系统构成

分布式FA系统是由智能终端、对等通信系统、配电自动化主站构成，其结构如图1所示。智能终端是分布式FA系统的核心设备，完成馈线数据采集与监视控制、短路故障检测、分布式智能控制、相互对等通信等功能。

对等通信系统连接配电主站和分散馈线上的智能终端，实现终端与主站、终端与终端之间相互双向通信。配电网正常运行时，对等通信系统负责上送终端采集信息、下达主站控制命令，实现三遥功能；配电网故障时，保障终端之间的对等通信，实现就地故障隔离、非故障区恢复供电，并将分布式FA故障处理过程及结果上传到配电主站。

图1 FA系统构成图

配电自动化主站采集并处理来自智能终端的配电网实时运行数据，向智能终端设置或修改整定值，提供配电网运行监控界面、完成多种高级应用。对于分布式FA系统，配电自动化主站不直接参与分布式故障处理过程，只负责接收处理结果，只有当分布式FA处理失败后，主站才参与故障处理。

1.2 工作原理

1.2.1 动作逻辑原理

分布式FA的故障定位，主要通过检测故障区段两侧短路电流、接地故障的特征差异，从而定位故障发生在对应区段。

速动型分布式FA，在故障定位完成后，在变电站馈线保护动作之前隔离相应故障区段，随后判断联络电源转供条件满足与否，若满足，合上联络开关完成非故障停电区域的供电恢复。

缓动型分布式FA，在故障定位完成后，在变电站馈线保护动作切除故障之后，经延时隔离相应故障区段，随后判断联络电源转供条件满足与否，若满足，合上联络开关完成非故障停电区域的供电恢复。

1.2.2 短路故障处理

以速动型分布式FA、架空电缆混合线路为例，见图2。图中CB1、CB2为出口断路器，FS1~FS8为配电架空线及环网柜断路器，LSW1为联络开关。若故障发生在FS2FS3FS5之间，FS2开关通过与FS1FS3FS5的配电终端通信，判断出故障发生在FS2FS3FS5之间，FS2、FS3和FS5跳闸，故障点隔离成功。故障点隔离成功后，合闸联络开关LSW1，

图2 分布式FA处理过程

1.2.3 分布式FA相间故障上下游判断及处理

分布式FA的处理过程主要包括FA启动、故障定位及隔离、FA结束等步骤。在故障发生后，所有FTU根据自身故障信号、其他站点故障信息，判断故障区间上下游开关，根据设定的动作模式进行故障定位及隔离，见图3。

图3 分布式FA区间判别

2 测试平台搭建

2.1 测试方法

配电自动化故障处理性能测试主要包括主站注入式、二次同步注入测试法及主站、主站与二次同步注入。主站注入测试直接给终端注入故障信息，可模拟不同工况下的故障，但仅能验证配电自动化系统主站馈线自动化功能。二次同步注入测试法采用故障模拟发生器同在FTU或DTU终端注入故障电流，实现对FA故障处理性能测试。本文将采用二次同步注入测试法该分布式FA进行功能测试。

2.2 测试线路等效图

为最大程度的还原线路实际运行情况，通过等效图的方式构建线路测试图。以某线为例，其线路主干线有三个分段开关、一个联络开关、12个分支开关，等效图见图4，分支开关位置可根据线路故障点位置而变动。

图4 等效图

2.3 系统框图

测试系统包括模拟主站、通信系统、模拟同步故障发生器、FTU，模拟主站控制模拟同步发生器，通信系统串联终端FTU与模拟主站，模拟同步故障发生器输出故障电流及电压、模拟开关，测试框图见图5

图5 测试系统框图

2.4 测试流程

模拟主站根据故障类型下发测试参数（见图6），通信设备负责传输指令，模拟同步故障发生器响应指令输出故障电流及电压，FTU根据检测的故障电流启动FA功能，隔离故障区段，并上送FA动作情况，图7为整个流程图。

图6 模拟测试主站

图7 测试流程示意图

2.5 测试平台

由于FTU连接的电流信号为电压值（600/1 V），而模拟同步故障发生器无法直接将电流转换为电压信号，因此，在模拟同步故障发生器与FTU之间添加一个电流转换为电压信号（精度为0.5级），其物理测试接线见图8。

图8 测试平台连接示意图

3 测试内容

3.1 不同运行工况测试

为验证分布式FA系统在不同运行工况下的处理能力，设置开关拒动、开关误动、故障前通信中断、故障处理过程中中断等异常工况，具体见表1，不同工况下的动作结果见图9。

表1 运行工况设置及测试方法

图9 不同运行工况下分布式FA处理结果

3.2 故障点设置

图4（c）为等效测试图，通过设置不同故障位置与限值（电流值及时间值），测试FA逻辑功能的准确性，故障设置如下：

1）模拟电源线路出口发生过流故障，故障点位于CB和D1开关之间。

2）模拟主干线发生过流故障，故障点位于D1开关和D2开关之间。

3）模拟主干线发生过流故障，故障点位于D2开关和D3开关之间。

4）模拟线路联络节点段发生过流故障，故障点位于D3开关和L1开关之间。

5）模拟线路供电网络结构发生变化（L1为分段开关、CB2为联络开关），故障点位于D3开关和L4开关之间。

为验证分布式FA故障隔离区域的开关动作是否正确、隔离时间是否满足设计要求，记录正常及异常情况分别开关分位状态、FA启动时间、FA闭锁时间。

4 问题分析及解决措施

通过测试发现通信、故障隔离时间、闭锁信号不准确等六个问题，针对发现的问题，给出相对应的解决措施。

4.1 通信问题

问题描述：在D2与D3之间设置故障点，FA功能闭锁，变电站开关CB1跳闸。

原因分析：分布式FA采用EPON通信模式，终端通过ONU上传信息，各ONU之间的数据交换须经过OLT，即ONU上行至OLT，再由OLT下行至其他的ONU。终端采用GOOSE协议传送保护报文。通过排查发现OLT设备无法捕获解析ONU上传的GOOSE报文，导致各开关无法识别相邻开关故障信号，FA功能闭锁。

图10 EPON通信模式

解决措施：1）通信厂家对OLT设备通信协议进行二次开发或更换设备，以便能够识别及解析GOOSE报文，完成ONU设备之间的通信；2）终端厂家更换通信协议，以明文形式上传报文。

采用方案：综合考虑时间及成本因素，最终采用工业以太网通信方式，工业交换机替换ONU设备，终端仍采用GOOSE协议传送保护报文。工业以太网交换机的收发模块分开，需要2根光纤，现场施工需4根光纤形成一个环路。

4.2 故障隔离时间超限

问题描述：终端之间通信采用工业交换机方式，在D2与D3之间设置故障点，FA启动，变电站开关CB1跳闸，FA隔离不成功。

原因分析：分布式FA隔离故障理论动作时间包括故障等待时间、策略生成时间、遥控出口时间、遥信反馈时间、开关分闸时间，策略生成包括通信时间、逻辑判断、遥信等待延时时间（多次比对相邻开关故障报文，确保收到相关联开关信息）、策略输出。经测试发现FA过程时间分布见图11。

图11 EPON通信模式

由图11数据可知，FA隔离时间为820 ms，大于变电站开关600 ms，变电站开关动作正确。

解决措施：在保证FA功能100%可靠动作情况下，尽可能缩短遥信延时等待时间。测试不同遥信延时等待时间情况下开关动作情况，如表2所示。

表2 不同遥信延时等待时间下测试动作情况

由表2数据可知，时间设置40 ms，FA均能可靠动作，综合考虑现场实际情况，推荐遥信等待延时时间由500 ms优化为50 ms。

4.3 瞬时故障无法识别

问题描述：D2-D3之间发生的故障为瞬时性故障，D2、D3分闸，无法区分瞬时性与永久性故障。

原因分析：FA故障隔离程序未考虑瞬时性故障类型，且将瞬时故障按照永久性故障类型处理，导致FA功能无法有效的处理瞬时性故障。

解决建议：完善FA故障处理程序，故障点上游开关配置一次重合闸，有效的躲避瞬时性故障。

4.4 闭锁SOE信号不准确

问题描述：在D2-D3发生故障，D2开关发生拒动，D2开关发生拒动及FA闭锁信号并将信息上传至主站；D3开关发生拒动，D3开关不发送拒动而引起闭锁信号。

原因分析：开关拒动闭锁信号程序只针对故障点上游开关（D1/D2），未针对下游隔离开关（D3）发闭锁信号。

解决措施：增加下游开关拒动闭锁信号上送主站功能。

4.5 异常工况处理功能不完备

问题描述：D2-D3区间发生故障，D2开关发生拒动，故障由变电站开关CB1间接隔离。

原因分析：FA故障隔离程序未考虑故障扩大范围处理，FA直接闭锁。

解决建议：按照开关相邻属性特点，由故障区域上游开关的上一级开关（D1）间接隔离故障。

表3 不同供应商、不同保护情况下分闸时间

表3为不同供应商在不同保护情况下分闸时间，数据表明弹簧操作机构开关分闸时间（整套动作时间）平均为64.9 ms，最大为85 ms、最小为40 ms，不超过90 ms。

由表2及表3数据可知，FA从启动到结束时间最大不超过187 ms，若FA考虑扩大，整个故障隔离时间约为580 ms。考虑开关慢分或拒分时间一般不超过150 ms，优化后的隔离时间可缩短至530 ms，具体时间见表4。由表4数据可知，优化后的时间满足扩大范围处理时限要求。

表4 隔离时间对比

4.6 故障信号灯指示不合理

问题描述：故障发生在D2-D3之间，FA启动隔离故障，流过故障电流的D1/D2故障运行灯亮。

原因分析：FTU设备故障指示灯点灯逻辑不完善，未考虑现场运维工况。

解决措施：完善故障及非故障区域FTU故障警示灯状态。

5 结语

本文通过搭建物理仿真平台，对FA系统进行验证，检验FA系统在通信中断、开关拒动、开关误动干扰情况下FA动作逻辑的正确性与可靠性，针对测试发现的问题提供了对应的解决措施，有效的避免了通信设备不支持GOOSE协议问题将导致整个FA不启动而失效，隔离时间设置问题将导致FA功能失效而扩大停电范围等问题，减少设备安装投运前的调试工作量，在一定程度上推进了配电自动化的实用化。

参考文献：

[1]李天友，金文龙，徐丙垠.配电技术[M].北京:中国电力出版社，2008.

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[5]刘健，赵树仁，贠保记，等.分布智能型馈线自动化系统快速自愈技术及可靠性保障措施机[J].电力系统自动化，2011，35（17）∶67-71.

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