顧秀芳

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，呼和浩特 010080）

1 配電網(wǎng)饋線自動(dòng)化的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求將越來(lái)越高。實(shí)施配電網(wǎng)自動(dòng)化有利地提高了配電網(wǎng)的運(yùn)行和管理水平，其中的饋線自動(dòng)化對(duì)故障的判斷和處理水平的提高發(fā)揮了重要作用?；仡櫸覈?guó)饋線自動(dòng)化的發(fā)展，大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：就地控制方式、遠(yuǎn)方控制方式和基于差動(dòng)技術(shù)的饋線自動(dòng)化。

（1）就地控制

在配電網(wǎng)自動(dòng)化實(shí)施的初級(jí)階段，只利用線路上配置的智能分段設(shè)備（重合器、分段器）相互之間的配合來(lái)判斷故障區(qū)段并恢復(fù)供電。通常變電站出線安裝具有開斷短路功能的斷路器或重合器，線路上安裝重合器或分段器（包括過(guò)流計(jì)數(shù)型分段器或重合式分段器）。按出線和線路上配置開關(guān)的不同，就地控制饋線自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)方式包括重合器+重合器及重合器+分段器的配合方案。不論哪種配合方案，均需要設(shè)置開關(guān)的不同參數(shù)實(shí)現(xiàn)上、下級(jí)開關(guān)之間的配合。在配電網(wǎng)自動(dòng)化實(shí)施的初級(jí)階段，這種通過(guò)開關(guān)之間的配合實(shí)現(xiàn)饋線自動(dòng)化的方案簡(jiǎn)單易行，投資省，見效快。但是也存在著開關(guān)動(dòng)作次數(shù)多，影響非故障區(qū)段的正常供電等缺點(diǎn)。

（2）遠(yuǎn)方控制階段

為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動(dòng)化的優(yōu)化管理，在開關(guān)處和配電變壓器低壓側(cè)配置遠(yuǎn)方監(jiān)測(cè)裝置FTU、TTU，并通過(guò)完善的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)測(cè)、控制功能及計(jì)算機(jī)管理。這一階段在故障發(fā)生時(shí)將故障信息傳送到遠(yuǎn)方控制中心，由故障處理程序綜合判斷[1]后下發(fā)相關(guān)開關(guān)的動(dòng)作命令，實(shí)現(xiàn)故障判斷、隔離和非故障段的恢復(fù)供電。這種方式可以避免開關(guān)的多次動(dòng)作，故障處理更快捷。由于對(duì)開關(guān)的智能化程度要求更低，因此可以采用具有電動(dòng)開關(guān)的負(fù)荷開關(guān)，這樣開關(guān)投資會(huì)大幅降低。存在的不足是此方案過(guò)分依賴通信系統(tǒng)，同樣會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。在開關(guān)數(shù)量較多時(shí)，由于開關(guān)時(shí)傳送的數(shù)據(jù)會(huì)大幅增加，因而也使故障處理時(shí)間加長(zhǎng)而影響實(shí)時(shí)性的要求。

（3）基于差動(dòng)技術(shù)的饋線自動(dòng)化

為滿足用戶對(duì)故障處理時(shí)間更短的時(shí)間要求，提出了對(duì)開關(guān)設(shè)備處的 FTU不僅具有數(shù)據(jù)采集的功能，還包括保護(hù)功能。在現(xiàn)場(chǎng)具備高速光纖通信的條件下，相鄰FTU之間在故障發(fā)生時(shí)相互交換信息判斷出故障所在，由開關(guān)處的FTU直接下發(fā)命令控制當(dāng)?shù)亻_關(guān)動(dòng)作。由于省去了信息傳送和故障處理程序的時(shí)間，因而使故障處理時(shí)間大大縮短。但是此方案不僅需要建立FTU和遠(yuǎn)方的通信，相鄰FTU之間也需要信息交換和處理，因而使通信系統(tǒng)的建設(shè)和FTU的程序設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。故障發(fā)生時(shí)，對(duì)每一個(gè) FTU來(lái)講，故障判斷的信息來(lái)源于其上、下級(jí) FTU，信息的冗余度較低，故障判斷的可靠性受到影響。

2 當(dāng)前饋線自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方案中的幾個(gè)問(wèn)題的探討

2.1 關(guān)于瞬時(shí)性故障和永久性故障的判斷

電力系統(tǒng)中有60%～70%的故障是瞬時(shí)性故障，所以借助于開關(guān)的快速重合可以迅速恢復(fù)供電。如果在故障發(fā)生時(shí)能準(zhǔn)確判斷是瞬時(shí)性故障還是永久性故障，就可以大大減少開關(guān)動(dòng)作次數(shù)及故障處理時(shí)間，減輕開關(guān)操作產(chǎn)生的電壓波動(dòng)對(duì)負(fù)荷的沖擊，延長(zhǎng)設(shè)備的壽命。

當(dāng)前就地控制方案，若為瞬時(shí)性故障，則在出線斷路器或重合器第一次重合后就可恢復(fù)供電。若為永久性故障，則第一次重合后還需要再次分閘，這樣增加了開關(guān)的動(dòng)作次數(shù)，對(duì)負(fù)荷造成了不必要的沖擊。而遠(yuǎn)方控制方案中的饋線自動(dòng)化的啟動(dòng)是放在出線重合器第一次重合不成功后，故障判斷程序只是針對(duì)于永久性故障而完成的。不論上面的哪種方案，開關(guān)的第一次重合都是針對(duì)于瞬時(shí)性故障而設(shè)置的，而對(duì)永久性故障都必須經(jīng)過(guò)一次無(wú)選擇的重合分閘后才可進(jìn)行判斷。

關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)[2]提出了一種區(qū)分兩種故障的判據(jù)：即通過(guò)波形分析瞬時(shí)性故障電流的有效值和總諧波畸變率的變化較永久性故障更大，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)重合方案。

理想的做法是：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)到的電流大于給定值時(shí)，由出線開關(guān)切斷短路電流，隨即啟動(dòng)故障判斷程序。程序首先判斷發(fā)生的是瞬時(shí)性故障還是永久性故障。如果是瞬時(shí)性故障，只需要合上相應(yīng)開關(guān)即可以。若是永久性故障，則通過(guò)綜合網(wǎng)絡(luò)故障信息來(lái)判斷出故障區(qū)段，控制相應(yīng)的開關(guān)斷開或合上，這樣在第一次重合后就恢復(fù)供電。瞬時(shí)性故障和永久性故障發(fā)生的條件不同，其暫態(tài)過(guò)程也有很大差別，所以可以從發(fā)生故障時(shí)的波形入手找出二者的差異。

2.2 關(guān)于配電網(wǎng)故障分析方法的探討

隨著配電網(wǎng)架空線路的不斷延伸和電纜線路的增加，單相接地電流呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)。為限制短路電流及產(chǎn)生的過(guò)電壓等問(wèn)題，配電網(wǎng)的接地方式呈現(xiàn)多樣性。接地方式包括中性點(diǎn)不接地方式、經(jīng)消弧線圈接地、經(jīng)電阻（分高、中、低阻）接地、或經(jīng)消弧線圈和電阻組合接地方式等。不同的接地方式對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行方式有不同的影響，也影響到故障處理方式的不同。同時(shí)配電網(wǎng)也存在線路參數(shù)不對(duì)稱、負(fù)荷不對(duì)稱的現(xiàn)象，因而通用的配電網(wǎng)故障分析必須考慮上述各方面的因素。只有這樣，才有可能通過(guò)故障分析找到各種條件下的故障特征，以此來(lái)作為故障分析判斷的依據(jù)。

在建立配電網(wǎng)故障模型時(shí)，應(yīng)采用三相系統(tǒng)模型而不是對(duì)稱分量模型。同時(shí)由于中性點(diǎn)和故障點(diǎn)處有較多的變化，可以將這兩個(gè)端口單獨(dú)提取出來(lái)，根據(jù)故障類型的不同接入相對(duì)應(yīng)的支路和參數(shù)，再利用疊加原理將端口接入建立統(tǒng)一方程求解。

2.3 關(guān)于故障處理及算法的選擇

電力系統(tǒng)可能發(fā)生的故障類型包括：?jiǎn)蜗嘟拥?、兩相及短路接地、三相短路接地及斷線故障。當(dāng)前饋線自動(dòng)化實(shí)施的重點(diǎn)是：是否發(fā)生故障、故障區(qū)段的判斷，而對(duì)故障類型和故障相關(guān)注不夠。不同的故障類型及故障相的不同，其處理方法也不盡相同。為做好事故原因的分析及應(yīng)對(duì)措施的準(zhǔn)備，必須對(duì)故障的更多特征有更深入的了解。這包括：故障發(fā)生的時(shí)刻、故障類型、故障相、故障區(qū)段等。

當(dāng)前實(shí)現(xiàn)饋線自動(dòng)化的主要措施是：當(dāng)配電網(wǎng)自動(dòng)化實(shí)施范圍內(nèi)FTU較多時(shí)，為降低FTU與遠(yuǎn)方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量，只要求各FTU產(chǎn)生“虛擬遙信量”來(lái)傳送是否發(fā)生故障（用0、1表示有無(wú)），其他故障數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)方系統(tǒng)在需要時(shí)按一定的通信規(guī)約調(diào)取。按照網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及“虛擬遙信量”形成故障判斷的矩陣，直接下發(fā)開關(guān)動(dòng)作命令。這種實(shí)現(xiàn)方案在網(wǎng)絡(luò)接線、運(yùn)行方式發(fā)生變化時(shí)，需要隨時(shí)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于故障判斷的初始信息只是故障發(fā)生的有無(wú)，所以故障判斷的結(jié)果不可能給出故障類型、故障相等詳細(xì)信息。

近年來(lái)，在故障處理中將更多的人工智能算法引入進(jìn)來(lái)。這些方法有：專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粗糙集理論、小波變換等[3-5]。為彌補(bǔ)不同算法的缺陷，也有將不同算法結(jié)合起來(lái)。小波分析在時(shí)域、頻域同時(shí)具有良好的局部化性質(zhì)，使得具有奇異性、瞬時(shí)性的故障信號(hào)檢測(cè)變得更加準(zhǔn)確。小波分析的主要特點(diǎn)之一是具有用多重分辨率來(lái)刻劃信號(hào)局部特性的能力，使它很適合探測(cè)在正常信號(hào)中出現(xiàn)的瞬態(tài)反常現(xiàn)象并展示其成分。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的在線學(xué)習(xí)能力、非線性映射能力、聯(lián)想記憶能力等特點(diǎn)。為減小神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和提高其性能，利用運(yùn)算速度快，對(duì)暫態(tài)信號(hào)有很強(qiáng)故障特征提取能力的小波對(duì)故障電氣量進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。其他的還有將模糊集理論與專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等相結(jié)合。這些方法的利用將大大改善了信息處理的智能化水平，能對(duì)規(guī)模較大的配電網(wǎng)具有一定的適應(yīng)能力。

在配電網(wǎng)故障分析中，雖然采用了較為完善的模型考慮中性點(diǎn)和故障類型的各種可能的形式，但是由于考慮的因素紛繁復(fù)雜，要提取出可供故障判斷的特征量也不容易。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最大的優(yōu)勢(shì)在于：不需要建立起來(lái)輸入與輸出之間明確的函數(shù)，通過(guò)樣本的訓(xùn)練學(xué)習(xí)也可以處理新數(shù)據(jù)，這一特點(diǎn)很適合于參數(shù)特性復(fù)雜的配電網(wǎng)故障處理。應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障判斷通常的做法是：通過(guò)EMTP或現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生具有代表性的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行樣本訓(xùn)練。隨著FTU的廣泛應(yīng)用，將故障時(shí)FTU產(chǎn)生的數(shù)據(jù)作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，同時(shí)將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作和訓(xùn)練合二為一將成為一種趨勢(shì)。當(dāng)然這樣的前提條件是：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)要具有較強(qiáng)的對(duì)輸入數(shù)據(jù)的識(shí)別功能，或者通過(guò)其他（如小波分析）先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。信息的預(yù)處理能減小后續(xù)智能算法的規(guī)模和提高計(jì)算速度，當(dāng)然要保證經(jīng)預(yù)處理后的所有特征都不丟失。

2.4 關(guān)于故障信息的采集

線路開關(guān)將配置功能完善的FTU，完善的通信系統(tǒng)又將為信息的快速、準(zhǔn)確的傳遞。隨著配電網(wǎng)管理運(yùn)行水平的提高，借助FTU、TTU及通信系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳送將為故障判斷提供更好的條件。FTU可以提供的信息非常豐富，包括故障前、故障起始、故障結(jié)束的電壓、電流的幅值或波形。對(duì)信息的處理應(yīng)能基本做到兩點(diǎn)：一是對(duì)信息進(jìn)行辯識(shí)，去掉由于通信通道而造成的信息偏差；二是通過(guò)信息處理技術(shù)提取反映故障的主要特征量，如：故障方向、正序、負(fù)序、零序、阻抗、導(dǎo)納、功率、能量等。故障特征的提取和判斷應(yīng)更多地反映不同線路、區(qū)段之間的特征，使故障范圍的判斷很快定位在兩相鄰的FTU之間。

3 結(jié)論

配電網(wǎng)饋線自動(dòng)化是提高供電部門供電質(zhì)量的重要內(nèi)容。本文在回顧了當(dāng)前幾種饋線自動(dòng)化的方案的基礎(chǔ)上，提出了在實(shí)施過(guò)程中需要進(jìn)一步考慮的幾個(gè)問(wèn)題及初步設(shè)想：

（1）建立統(tǒng)一的故障分析的方法，使之能夠充分考慮參數(shù)、負(fù)荷的不對(duì)稱、中性點(diǎn)的多種接地方式。

（2）建立統(tǒng)一的故障處理模式，使之能夠處理永久和瞬時(shí)性故障、單相接地故障及其他故障類型、任意區(qū)段的故障等。

（3）建立統(tǒng)一的信息處理機(jī)制，使之能夠在故障發(fā)生時(shí)能夠快速、有效地處理數(shù)據(jù)，提取有效的故障特征量，并與人工智能方法相結(jié)合來(lái)判別故障類型和區(qū)段。

[1]楊偉,吳軍基,張俊芳. 配電網(wǎng)故障定位算法研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào).2005,29(2):213-215.

[2]J.-H.Oh, J.-C.Kim. Feature exaction of fault currents associated with multi-shot reclosing scheme in power distribution system, Electrical power and energy system, 2002(24):79-85.

[3]N. Rezaei, M-R. haghifam. Protection scheme for a distribution system with distributed generation using neural network, electrical power and energy system,2008 (30):235-241.

[4]楊光亮,樂(lè)全明等. 基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和故障錄波數(shù)據(jù)的電網(wǎng)故障類型識(shí)別[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(10):99-103.

[5]束洪春.配電網(wǎng)絡(luò)故障選線[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.