基于智能分布式馈线自动化的配电网故障快速自愈方法

陈锦龙，杜 江，郭 萌，徐 胜，熊国江，郑杰炜，宗志亚

(1.贵州电网有限责任公司电力调度控制中心，贵州 贵阳 550002；2.贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳 550025；3.贵州电网有限责任公司贵安供电局，贵州 贵安新区 550029)

0 引言

国际能源署指出，智能电网是全球共同体实现能源安全、经济发展和缓减气候变化的发展方向，它旨在建设一个全景实时可观测与可控制的安全、高效、可靠、经济和环保的下一代电网。在智能配电网层面，自愈是最突出的特征之一。智能配电网自愈可认为是在配电网的不同层次和不同区域内，使用充分协调且技术经济优化的控制手段和策略，使其具有自我感知、自我诊断、自我决策以及自我恢复的能力，从而实现配电网在不同状态下安全、可靠且经济的运行[1-3]。

配电网在运行过程中，由于设备老化、自然灾害等，故障不可避免。配电网的辐射状结构易造成故障态下网络供电中断，降低供电可靠性，影响用户的用电体验。此种背景下，通过配电网故障自愈可以提升配电网的故障处置效率，缩短用户停电时间，将故障的影响范围以及负荷中断时间降到最低，从而更好地保证用户的用电体验。

配电自动化是支撑配电网故障自愈的基础，而馈线自动化(feeder automation，FA)则是配电自动化的关键核心。FA的功效是快速定位故障，完成故障区间快速隔离以及非故障区间快速复电。FA的故障处置模式可分为集中型FA、就地型FA和智能分布式FA[4-6]。随着配电网的不断发展，网络结构日趋复杂，负荷类型不断增多，系统运行方式变化多端，导致集中型FA和就地型FA的故障处置时间不断增加，且故障定位容错能力不能满足配电网的发展需求。与前两者不同，智能分布式FA得益于低延时、高可靠的通信系统的支持，故障定位和故障隔离时间更短，准确度更高，适应性更强[7-8]，是FA的主要发展模式，也是实现配电网故障自愈的有力支撑。

本文针对智能分布式FA的故障自愈方法进行研究，探讨智能分布式FA实现故障自愈的功能模块及其处置逻辑，最后针对故障自愈的核心功能即故障定位，采用一种简单而高效的矩阵方法进行算例仿真研究，表明了基于智能分布式FA的矩阵定位方法的有效性。

1 配电网故障自愈模式

配电网故障自愈即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，定位出故障区间并将故障区间隔离，自动恢复对非故障区间的供电。根据实现方法的不同，主要分为集中控制型和主站就地协同型2类。

1.1 集中控制型故障自愈模式

集中控制型故障自愈模式利用通信技术支撑，在配电网发生故障时，基于所有配电终端的上送信息，配电主站快速定位出故障区间，从而将故障区间进行隔离，并恢复非故障区间供电。集中控制型故障自愈模式具备完整的配电自动化主站、终端及通信通道，适用于配电网所有类型线路，能够实现较复杂的保护功能，配电终端与变电站的保护配合之间不需要太多级差。但馈线故障的隔离和恢复供电严重依赖于通信质量、配电网基础数据质量和主站稳定性等因素，通信的故障和主站的异常都可能导致配电网自愈功能失效。

1.2 主站就地协同型故障自愈模式

主站就地协同型故障自愈模式在配电网发生故障时，无须经过配电主站集中分析，而是借助终端之间的对等通信，整合保护时序逻辑信息，进而完成故障定位/隔离。配电主站以自动化开关保护信号及开关跳闸信号作为判据，结合一次网架拓扑及负荷分布情况，综合分析最优复电方案，远程实现非故障区间复电。

主站就地协同型故障自愈模式根据就地馈线自动化的模式可进一步细分为级差保护式、电压-时间/电流式以及智能分布式3种协同模式[9]。级差保护式由配电终端就地跳闸快速完成下游故障隔离，由主站完成故障上游的故障定位/隔离/复电。电压-时间/电流式由配电终端就地完成故障定位/隔离，由主站完成非故障区间转供复电。智能分布式由配电终端就地完成故障定位/隔离/复电，主站验证就地动作正确性，并作为后备保护远程遥控优化故障处理情况。

与集中控制型故障自愈模式相比，主站就地协同型故障自愈模式不依赖与主站之间的频繁通信，定值整定简单，且能快速应对瞬时性故障和永久性故障，可实现故障就地定位和就地隔离。

2 基于智能分布式FA的故障自愈方法

在主站就地协同型故障自愈的3种协同模式中，智能分布式与其他2种模式相比，其保护定值统一设置即可，方式调整时无须重设，配电网发生故障时停电区域小，故障处置速度快，具有很强的适应性。智能分布式FA当开关检测到过流I段故障或者零流I段故障时会启动，具备就地快速处置故障等特点，并且能上报故障处置过程和结果，是支撑配电网快速自愈的重要技术手段之一，应用较为广泛[9]。

2.1 故障定位

a.当某个开关处于合闸状态，且定位到故障，而该开关左(右)侧连接的所有处于合闸状态的开关都没有定位到故障，说明故障点位于该开关左(右)侧区间。若该开关左右两侧开关都没有定位到故障，则报“开关状态异常”，本开关配电终端单元(distribution terminal unit,DTU)闭锁不动作。

b.当某开关处于合闸状态，且没有定位到故障，而该开关左(右)侧连接所有处于合闸状态的开关仅有1个定位到故障，说明故障点位于该开关左(右)侧区间。如图1所示为故障定位逻辑图。

图1 故障定位逻辑图

2.2 故障隔离

a.若某个处于合闸状态的开关左右两侧区间都没有存在故障，则该开关不用隔离。

b.若某个开关处于合闸状态且定位到故障点位于它的相邻一侧。如果其定位到故障，直接跳闸，并向上游侧断路器上报扩大化准备信息，待成功隔离故障后，向上游断路器上报隔离成功信息；如果其没有定位到故障，而该开关是故障对侧的分支开关，则不用跳闸，如果是非分支开关，则跳闸并向下游发送扩大化准备信息，故障隔离成功后向下游发送隔离成功信息。

2.3 扩大化隔离

a.处于分闸状态的开关和处于合闸状态，但没有定位到故障的分支开关收到扩大化准备信息后，不作任何处理。

b.处于合闸状态的开关(没有定位到故障的分支开关除外)收到扩大化准备信息后，启动定时器。定时器清零前，如果收到隔离成功信息，计时器清零，不作扩大化隔离；如果没有收到隔离成功信息，则跳闸作为扩大化隔离。

2.4 故障隔离及扩大化时序

联络开关在每次接收到来自某一侧的电源信息后，立即向对侧传送“电源有效”遥信，一直传送到电源点出线开关或者另一个联络开关后停止传送，这样每个开关就了解到下游侧有几个有效联络。

在线路出现故障，并隔离成功后，故障点下游开关向下游传送“隔离成功”遥信，并等待来自下游侧所有有效联络开关传送过来的数据。当联络开关接受到来自某一侧的“隔离成功”遥信后，立即向这一侧传送对侧电源剩余容量值，一直传送到非隔离开关的断开开关，或者故障点下游隔离开关后停止传送。当故障点下游隔离开关接收到下游侧所有有效联络开关传送过来的值后，选取最大剩余容量的联络开关，判断是否符合被失电的区域的负荷要求，并将恢复方案向下游传送。相应的联络开关收到恢复方案后，进行合闸，完成负荷转供(负荷转供时间在300 ms左右)。

故障点开关拒动扩大化成功后，联络开关按照上述逻辑进行故障恢复；若扩大化失败，则不进行故障恢复。

2.5 通信中断处理逻辑

智能分布式FA通信中断时选择为局部闭锁，FA闭锁的DTU设备对应回线转为常规保护，过流零流跳闸，用以隔离故障。闭锁条件：上游通信异常或下游通信异常，闭锁后则转为常规保护，常规保护各级保护电流值及动作时限失配，故障时可能造成被闭锁开关同时跳闸。

3 算例分析

在配电网故障自愈的诸多功能实现中，故障定位是根本，只有快速辨识出故障区域才能采取相应措施对其进行隔离并恢复供电。对此，本节将以故障定位为例说明基于智能分布式FA的故障快速自愈方法。配电网故障定位可分为故障测距和区间定位2种。前者旨在确定故障点的具体位置，为故障处理、原因排查以及维护检修等提供便利，其离不开对监测点和故障点之间的距离的测量；而故障区间定位则是通过检测与汇集各个电气量监测点的数据，并以此对故障区间进行确定，实现故障快速隔离与转供电，缩小停电范围，支撑配电网故障快速自愈能力的有效提升。

传统的故障区间定位技术主要通过检测开关两侧的电流来判断故障的位置，虽然方法简单实用，但是识别故障的准确率较低，可靠性不够高。本文采用一种简单而高效的矩阵算法[10]，并将其应用到贵州电网某配电线路的故障定位中，提升区域配电网的快速自愈能力。

3.1 网络拓扑矩阵构造

贵州电网某220 kV DW变电站出线10 kV DXI回线采用单辐射接线方式，无联络开关，如图2所示。该网络的拓扑结构可等效于图3所示。

图2 10 kV DXI回线结构

针对图3所示网络拓扑结构，将每个断路器和柱上开关均作为矩阵的1个节点，每个节点上均装设有馈线终端(feeder terminal unit,FTU)。本文规定潮流的流动方向即为馈线的正方向，在本算例中等价于从10 kV母线到馈线分支末端的方向为正方向。

图3 10 kV DXI回线拓扑结构

该系统对应的网络拓扑矩阵D是一个19×19的矩阵，矩阵元素生产方法如下：

a.对角线元素均为0。

b.非对角线元素di,j。若节点i与节点j为某馈线区域的相邻节点，且节点i和节点j属于父、子节点关系，即节点i在节点j的上游，则di,j=1；其他情况下，di,j=dj,i=0。

因此，可得到网络拓扑矩阵D为

3.2 故障信息矩阵构造

故障信息矩阵M是一个对角阵，其对角线上的元素由各个节点的FTU检测流过的故障电流确定，通过比较故障电流的方向与所规定的正方向，从而得出对角线上的元素数值。当故障电流越限，且电流方向与正方向一致时，对应结点元素的数值为1；其他情况下，数值为0。

此处以F1故障为例进行分析。当F1处故障时，只有节点1处FTU监视到过流信息，此时相应的故障信息矩阵M为

M=diag[1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]

3.3 故障判断矩阵构造

在获得网络拓扑矩阵和故障信息矩阵之后，将两者进行求和即可获得故障判定矩阵P。因此，当F1故障时，可以得到故障判定矩阵P为

结合故障判定矩阵，并按照下述原则判断区间ij故障情况：

a.当故障为馈线末端故障时，pi,i=1，且第i行除第j列外其他元素均为0。

b.当故障为馈线间故障时，pi,i=1，并且当pi,j=1时有pj,j=0。

由故障判定矩阵P可以看出，p1,1=1，并且当p1,2=1时，有p2,2=0。故能判断该故障为馈线节点间故障，并且故障发生在节点1和节点2之间。

3.4 多重复杂故障定位

假设在系统中F6和F8同时发生故障，理论上节点1、2、3、8、9、10和14处的FTU都应该检测到故障电流，但由于某种原因(如信息畸变或通信故障)没有采集到节点8的越限故障电流，此时对应的故障信息矩阵M为

M=

diag[1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0]

由于系统运行方式没有发生变化，相应的网络拓扑矩阵也没有改变。因此，故障判定矩阵P为

由故障判定矩阵P可知，馈线末端p10,10=1，故节点10末端故障；当p14,14=1时，有p14,15=0，故节点14和15之间(包含节点14与16、17、18、19之间的部分区域)故障。

此外，本文还分析了各种特殊条件下保护的动作行为，以F5故障为例，可能的特殊条件及保护动作行为如表1所示。

表1 F5不同故障情形下的动作结果

表1(续)

通过上述故障定位方法，可快速判断出故障区间位置，然后对非故障区间进行恢复供电，大大提高配电网自愈的准确性与可靠性。

4 结束语

本文研究了配电网故障自愈模式的类型及其特点，深入探讨了基于智能分布式FA的故障自愈方法，对其主要功能，包括故障定位、故障隔离、扩大化隔离、扩大化时序以及通信中断处理逻辑进行了探讨，最后以故障定位为例，应用一种简单而高效的矩阵方法对贵州电网某220 kV DW变电站10 kV DXI回线的多种故障情况进行了算例仿真分析，并考虑了多种特殊条件下保护的动作行为。结果表明该方法能有效解决简单故障、多重故障的定位问题，且具有较好的故障容错能力。