新型配电网中的馈线自动化技术探微

牛潇昆

（北京信息科技大学，北京 100192）

0 引言

近年来，随着国内用电需求的不断扩大，如何确保配电网的运行稳定已经成为当今首要面临的问题。由于大量的分布式电源接入电网运行和越来越多的自动化技术被应用到配电网中，电力系统也逐步由“传统电网时代”过渡到了“智能电网时代”，实现了发电、输电、变电、配电、用电和调度六个环节的全面“信息化、自动化、互动化”。“智能电网”具有“坚强、自愈、兼容、经济、集成、优化”六个主要特征。2019年，国家电网有限公司提出了“三型两网，世界一流”的战略目标，标志着中国即将构建一个“枢纽型、平台型、共享型”的世界一流“坚强智能电网”和“泛在的电力物联网”。在智能配电网中，馈线自动化技术所发挥的作用至关重要，它是配电自动化的核心之一，其主要控制对象是中压配电网。馈线自动化技术可以对智能电网的馈电线路进行优化控制和状态监测，并在配电网出现故障时快速进行供电恢复。馈线自动化技术作为一项应用于配电网中的新兴技术，其特点是什么？在配电网中占据什么样的地位？将其应用于配电网会带来哪些效益？本文将以馈线自动化技术的基本工作原理和应用条件为视角，结合当今配电网逐步走向智能化、自动化的过程，从几个不同角度，探讨了对这些问题的答案。

1 馈线自动化技术概述

1.1 馈线自动化技术的应用范围

馈线自动化技术（Feeder Automation，FA）应用在变电站的馈电线路，它能够帮助变电站出口到用电设备之间的馈电线路实现自动化。馈线自动化技术的应用可以分为两个方面，即线路的正常运行状态和故障状态。在线路正常运行时，馈线自动化技术可以起到线路监控、数据测量和优化运行的作用；在线路发生故障时，馈线自动化技术能够实现对故障的诊断、隔离以及供电恢复，包括对线路出现故障的位置进行判断，及时将故障隔离，随后快速消除故障以恢复正常用电。馈线自动化技术是配电网中重要的组成部分，同时，该技术的实现也需要配电网的自身结构和自动化技术作为支撑，馈线自动化技术与配电网二者之间是属于相辅相成的关系。

1.2 馈线自动化技术的实现条件

馈线自动化技术在配电网中的应用，需要配电网具备足够的前提条件，第一，馈线自动化技术对智能配电网的自身结构有明确的要求，譬如，该配电网要有形成环网供电的条件，如普通环式或拉手环式配电网，这是馈线自动化技术应用的基本条件。第二，该智能配电网亦应具备开环运行的条件，即配电网中应具有联络开关，联络开关的闭合与断开能够决定配电网处于闭环或开环运行的状态。第三，智能配电网中各种类型的开关，包括联络开关、负荷开关以及隔离开关等，都要具有远程操控的功能。这是由于在故障出现时，通过远程操控可以及时对故障所在区域的开关进行远程控制，对故障进行隔离。第四，配电网中的环网开关柜、FTU以及通信设备所使用的电源都要安全可靠，且这些设备之间的通信不能受到外界干扰，要有高级别的抗干扰能力。

2 馈线自动化技术的实现原理

馈线自动化技术经过不断发展和进步，已经成为一项较为完备的技术，其分类可包括就地型馈线自动化和基于FTU的馈线自动化。

2.1 就地型馈线自动化实现原理

就地型馈线自动化，其最大的特点就是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的供电。就地型馈线自动化也可以继续划分为重合器式馈线自动化和智能分布式馈线自动化两种类型。

重合器式馈线自动化的实现原理就是通过重合器、分段器等设备之间的相互协调、配合实现对故障的隔离和故障恢复。重合器在工作的过程中会检测线路的电流和电压两个信号，作为线路是否发生故障的判断依据。重合器在使用的过程中需要与电压-时间型分段器进行配合，假设配电网的A区域内存在1个重合器，N个分段器，当A区域内某线路出现故障时，重合器会首先自动分闸，分段器在完全失压后也会分闸，之后重合器延时重合，各个分段器会按照预先设定的恢复次序，依次延时X秒后自动合闸。若故障区段的分段器再次合闸，则重合器会立刻分闸，故障区段的分段器会因为在其合闸后Y秒内检测到跳闸从而闭锁，实现故障隔离。重合器在第二次重合之后，即可依次恢复所有非故障区域的供电，而故障区域的分段器不会再次合闸。这样的工作原理既不会扩大故障范围，又能在最短时间内对非故障区域恢复供电。

智能分布式馈线自动化可以在故障出现后的毫秒级时间内跳开距离故障区域最近的两侧电源开关，同时联络开关自动合闸，配电网形成环网运行。智能子站相互间可以进行通信，实现信息交流，并及时执行供电恢复方案，提高故障处理效率。

对于重合器式馈线自动化，其设备选择应遵循以下要求，所使用的重合器额定电压应大于配电网系统的额定电压；重合器的动作电流应大于重合点可能出现的最大故障电流，进而能够在出现故障时及时跳闸；重合器的长期工作额定电流应大于线路的负荷电流，确保重合器可以长期工作；所使用的分段器额定电压应大于系统的最高工作电压；分段器要串联在重合器的负荷侧，其长期工作的额定电流应大于预期的负荷电流，额定瞬时电流应大于可能出现的最大故障电流；分段器的热稳定电流应大于线路的最大短路电流，其动、热稳定时间应大于上级保护的断开时间。

就地型馈线自动化技术，其优点是不需要互联网和通信技术的支持，也不需要远程控制中心的干预，结构简单，投资费用较低，但也有一定的局限性。由于对故障区域的具体位置需要进行多次测定，因此配电网中的开关要频繁动作才能找出准确的故障点，这对配电网中的开关通断能力要求很高，同时这种方式也会对用电设备有一定冲击。在运行过程中不能对运行参数进行监控，所以故障信息无法及时反馈到配电主站。

2.2 基于FTU的馈线自动化实现原理

基于FTU的馈线自动化技术是通过在变电所的出口断路器或馈线分段开关上安装FTU（Feeder Terminal Unit）设备，同时还应在配电网的配电变压器上安装FTU设备，并建设可靠的通信系统，将这些安装了FTU的变压器和变电所出口与配电网控制中心的SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系统连接起来，再配合相关的运算处理软件，构成一个高性能的馈线自动化系统。基于FTU的馈线自动化技术的控制单元及核心部件就是FTU，FTU在该系统中发挥着至关重要的作用，既能进行数据采集，又能控制配电网系统内部不同单元之间的连接。同时，FTU还具有监控作用，属于一种高度集成的自动化设备。

配电网在正常运行时，基于FTU的馈线自动化技术可以远程实时监控分段开关和联络开关的状态以及馈线电压和电流的情况，通过远程控制手段，实现馈线中的开关远程合闸和分闸操作，优化配电网的运行方式，从而最大化利用现有设备的能力，提高能量利用率，降低线路损耗。

配电网在出现故障时，基于FTU的馈线自动化技术可以及时获得故障处的相关信息，自动判别并隔离故障区域，对于非故障区域及时恢复供电，最终达到减小停电范围和缩短停电时间的目的。在基于FTU的馈线自动化技术的应用中，由于不同类型的数据在传输时有着不同的时间限制，因此要保证线路数据的传输完整性以及系统对数据进行响应的快速性，这就要求系统中的通信网络要有很强的抗干扰能力。

基于FTU的馈线自动化技术为全面实现配电自动化奠定了基础。配电网在采用了该技术后，自动化程度会相当高，但其缺点是对通信线路的依赖性较高，一旦通信设备出现问题，该系统的工作就会受到影响。同时，FTU复杂的结构也会导致其建设投资较为昂贵。

3 馈线自动化技术在智能电网中的应用

3.1 对配电网的整体监控

随着我国电力系统的不断发展，配电环节在如今已经形成了高度智能化的配电系统。馈线自动化技术在配电网中的应用，能够对配电网的运行状态进行实时监控并在出现故障时及时反馈到总站。配电网在正常运行时，馈线自动化技术可以对用户负荷、馈线状态以及用电情况等进行监控。当配电网中某个区域一旦出现故障，通过馈线自动化技术，能够对故障进行快速响应，反馈故障位置、故障电流和故障处的负荷容量等信息。

3.2 对系统电源进行保护

在电能的生产和运输过程中，配电网负责运送不同电压等级的电能。这就导致配电网中的变电站数量较多，输送的电压也各不相同。因此，在配电网中只要出现一处线路故障，就会影响到配电网的整体运行。馈线自动化技术的应用，其目的之一就是要保护系统的电源，该技术可以对配电系统的电源侧进行实时监控，一旦发现某区域的馈电线路出现故障，就能及时进行反馈，并快速将该区域的系统电源进行隔离。同时应保证非故障线路能够通过联络开关连接到其他电源，从而及时获得电能，尽可能减少停电范围和停电时间。

3.3 与互联网和通信技术紧密结合

互联网和通信技术的飞速发展，切实提高了工业系统自动化程度和运行效率，这更为馈线自动化技术在智能电网中的应用提供了良好的平台。馈线自动化技术中正是由于结合了通信技术和互联网技术，才能在配电网中实现种种控制功能。通信技术是馈线自动化技术所采用的核心技术之一，其特点就是响应及时且准确。当某一馈线出现故障时，配电网中的智能设备会快速分析故障出现的位置，通过通信系统向总站做出反馈，总站会根据接收到的信息数据，通过互联网通信向其他硬件设备发出指令，对故障线路进行隔离和修复。由于配电网中出现的故障通常会造成较大范围的影响，所以上述操作都要在极短的时间内完成，如果没有成熟的、现代化的互联网和通信技术，就无法做到在短时间内完成这些操作。

4 结语

智能配电网是以传统配电网为基础逐步发展起来的，是在传统配电网的基础之上，整合了众多现代化的高新技术，尤其是馈线自动化技术的加入，使传统配电网焕然一新，形成了一种具有高度智能的自动化配电网。与传统配电网相比，智能配电网在供电可靠性和供电质量方面有了很大提高，运行方式更加灵活，对能源的利用效率也有所上升。同时更是能很好地利用分布式电源并协调其与用户负荷之间的关系。馈线自动化技术在智能配电网中的重要作用之一就是在出现故障时能够对配电网进行保护，有利于配电网整体的安全运行、稳定运行，提高配电网供电的可靠性。在不久的将来，馈线自动化技术还会进行不断的创新和发展，也会在越来越多的配电网中应用，使传统电网快速进入智能化时代，为电力系统的全面智能化做出更大的贡献。