智能电网故障的自动化处理技术

2020-10-26胡真瑜孙龙祥

通信电源技术 2020年13期

杨斌，胡真瑜，孙龙祥，柳昂，林捷

（1.湖州电力设计院有限公司，浙江湖州 313000；2.国网浙江省电力有限公司，浙江杭州 310007；3.国网浙江省电力有限公司湖州供电公司，浙江湖州 313000）

0 引言

当前，人们生产生活对电网技术的要求越来越高，为了同时保证供电量和供电稳定性，研究一套具有高效经济性的电网故障自动处理技术就显得非常重要。电力能源属于应用范围最广的二次能源，其对发展低碳、高效的经济社会有着非常重要的支撑作用。智能电网是现代电网发展的主要方向，其同时兼具高质量、高效率和互动性的特征。智能电网的出现大大提升了输电线路的稳定性和供电企业的供电质量，其中发挥关键作用的是智能电网故障自动化处理技术。

1 智能电网自动化故障处理技术基本原理

当前的智能电网自动化故障处理技术类似于一种实时监测，主要依附于信息系统和辅助设备完成。在整个过程中，智能化系统的模拟计算功能可以实时预测潜在的故障，一旦数据异常就会发出提醒，并通过系统分析自行处理可能威胁供电稳定性的故障。通常情况下，电网自动化故障处理流程分为以下三个环节。一是在出现电网故障的瞬间完成故障开端和清除，在100 ms内由继电保护自动化设备和高压断路器完成处理，相比传统的继电保护设备处理模式，其在安全性和故障处理效率上更高[1]。供电网发生故障时，自愈控制技术能将故障影响降到最低，并迅速恢复供电，不影响居民的正常生活。如图1所示，自愈控制技术在不同情况下发挥不同的作用。传统的继电保护设备处理模式有很多限制条件，给电网功能的恢复造成了极大的阻碍，如没有充分发挥多开关级联优势，会造成继电保护大面积停电。二是判断故障起因，快速划分出故障区和非故障区，在故障区自动运行隔离维护，同时快速恢复非故障区正常供电。三是在确保供电服务稳定后反复排查故障隔离区，精准地找出故障点所在位置。

2 智能电网故障处理自动化技术的特征

2.1 自动化功能强，信息化程度高

智能电网的自动化技术具有强大的监视功能，能实时监测整个电网的运行状态，同时能自主检测和处理智能电网故障，最大化保证智能电网的供电稳定性，实现在最短时间内恢复运行。自动化技术的有效运用在很大程度上取缔了人工操作，让系统运行更加顺畅。智能电网的运行状态可以通过自动化技术及时反馈到控制中心，控制中心具有总调度和总控制的功能，可及时根据智能电网运行状态做出调整。

图1 电网的自愈控制范围

2.2 供电质量提高，供电安全性增强

智能电网的自动化故障处理技术可在第一时间有效检测电网中的安全隐患，并通过分析建立单独的故障区域电网路段，有效控制故障的连带性发展，进而阻断故障大面积蔓延。快速确定故障位置是自动化技术在完成故障区隔离后的首要动作，以便针对性地分析出现故障的原因，在降低故障影响的同时保证整个电力系统的供电质量。

2.3 互动性更优化，主动性增强

智能电网自动化故障处理技术会不断地从电网运行各个环节中收集运行数据，经过中枢分析后准确预测电网各部位的故障隐患，为后期故障排除工作提供可用信息。除此以外，自动化系统在具有超强主动性的同时还可进行人机互动操作，根据自动化检测结果制定不同的解决方案，被赋予操作权限的工作人员可选择性地干预系统运行状态。

3 智能电网故障自动化处理技术

3.1 网络式保护技术

网络式保护技术大部分都依赖于通信网络，其大致可分为以下两种：一是频繁应用于电网线路上的主从式网络形式；二是对等式通信网络形式，这种形式被经常应用于变电站的内部通信网络中[2]。前者的信息获取方式是分别从不同单元向主单元获取，相对独立的每个单元之间要建立通信连接必须通过主单元才能实现；后者则可以穿梭于每个单元获取相应的通信信息。

3.1.1 主从式网络形式保护技术

尽管电网各分部结构复杂，但就整体而言其实际上是一个总分结构，主从事网络管理包括主模块节点状态和从模块节点状态，它们通过信号表明自身状态，信号定义如表1所示。主从式网络形式保护技术应用过程中，每个分部都是相对独立的小单元。存在于电网中的每个分部都有属于自己独立的单元点及相对应的电线线路，且每个分部的电线路上都由很多开关控制，因此在出现故障时可以启动开工器件的保护功能，围绕主单元完成通信工作；同时，对有关开关器件的运行状态信息进行收集分析，为故障点的确定提供借鉴。一般情况下采用的解决方式是调整开关器件，如果与故障相距最近的开关元器件出现跳闸，要立刻将相邻开关转为后备。

表1 节点中信号定义

3.1.2 对等式网络形式保护技术

相比于主从式网络形式，对等式网络形式保护技术在功能性和使用性方面更为突出，但由于其应用成本过高，所以适用范围较为有限，适用于设备集中、开关器件多、距离不远的变电站[3]。对等式网络形式的保护技术需要建立CAN网，通常都是通过双绞线完成的，因为CAN网中的所有CAN接口都能与其他接口完成互联，这对于传输距离很短的情况较为适用，只有双绞线才能满足对等式网络形式保护技术应用的组网需求；如果传输距离较远，就只能通过CAN光纤发收设备功能满足通信可靠性和稳定性需要。针对某些对电力稳定性要求极高的地段，如住宅小区和商业中心，可大范围地在电缆线路中应用对等式网络保护技术。在这样的电缆应用环境下，出线开关和分段开关都大多集中在开闭所内部，分布集中结构稳定，十分适合应用对等式网络式保护技术。

3.2 自动定位故障点技术

在定位故障点技术方面，传统方式的精准度并不是很高，且具有适用性局限，通常应用于变电站周围电路环境较好的电路段，环境相对复杂或恶劣的区段没有足够的技术支撑和经济支撑[4]。调度控制部的主站是智能电网故障自动定位的中心，监测点以此为圆心向各个电线线路上辐射，从而形成一个兼具检测、通信和定位服务的完整系统。故障指示器和数据采集器共同组成了线路上的检测点，通信交换机、服务器和主站软件共同组成控制中心主站，复杂的构成使其具有定位故障、警示和查询功能。基于计算机系统多元化功能开展网络式分析、故障定位和故障原因分析的故障自动化处理技术是当前实际应用中最为有效可靠的方式。

3.3 自动隔离和恢复技术

故障自动化处理技术具有故障区隔离功能和非故障区恢复功能。当前应用于电力系统网中的只有常闭型开关和常开型开关。其中，常闭型开关主要出现在输电线路上，常开型开关主要出现在变电站和馈线连接中。故障区自动隔离技术应用中的重构电网网络，就是基于开关器件来实现的，通过分析开关器件的状态，及时调整馈线网络结构，这种调整又分为分布式调整和集中式调整。

3.3.1 分布式控制

分布式控制也称就地式控制，其在完成网络重构的过程中主要依靠的是与故障处相距最近的开关器件控制，这样就可以在没有电网主站和子站配合的情况下完成网络重构，相比于集中式控制具有更高的便捷性和高效性。电网开关器件性能的不断优化为分布式控制方式的应用奠定了坚实的基础。分布式控制主要使用以下两种方式完成网络重构：第一种是利用重合器，第二种是结合应用分段器和重合器。无论哪种方式，最后的结果和效果都是一样的，即在馈线出现严重性故障时，馈线电路终端会就近选择相邻的电路终端完成故障信息传输，让故障信息在第一时间得到分析和判定，同时结合电流、电压等数据找到故障点和故障原因，并及时将故障位置信息反馈给电路终端[5]。重合器的工作方式是完成分闸闭锁后紧跟合闸操作，提升恢复供电的速度。由于分段器不具备断开短路电流的功能，因此在实际使用过程中需要结合重合器，两者功能的配合使用才能充分发挥自动化功能。

3.3.2 集中式控制

在进行网络重构过程中，不同主体是区分分布式控制和集中式控制的关键。控制中心是集中式网络控制方式实现网络重构的主要分段，控制中心里的SCADA系统具有收集、分析、处理所有故障信息的功能。通常情况下，这个过程的故障信息传递都由FTU负责，借助逻辑系统通道传到控制中心，控制中心经过一系列分析后将结果数据以命令指令的方式向外传递，进而恢复非故障区的供电。这种方式的有效应用对相关设备的条件要求非常高，其最大的优势在于可以高精准施控[6]。