吳洪勛，程法民，王 偉，李文杰

（山東東營電力公司，山東 東營 257000）

0 引言

隨著社會對電力需求的不斷增長及對電能質(zhì)量要求的不斷提高，現(xiàn)有的配網(wǎng)故障處理及運(yùn)營維護(hù)方式越來越難以滿足用戶對電能安全性和可靠性的要求。配電網(wǎng)自動化正是一種可以顯著提高供電可靠性的重要技術(shù)手段，而它的一個核心功能就是饋線自動化功能。在配電自動化系統(tǒng)中，饋線自動化對于提高供電可靠性、減少停電面積和縮短停電時間具有深遠(yuǎn)的意義。它可以使停電時間大幅減少，并將線路故障范圍從整條縮短到故障節(jié)點(diǎn)所在的分段之內(nèi)，其最終效果使得停電故障對用戶（或社會）造成的損失和電力部門經(jīng)濟(jì)損失都減少一個數(shù)量級。

從終端是否實現(xiàn)智能化功能的條件，可以把饋線自動化的實現(xiàn)方式分為基于重合器的饋線自動化和基于FTU的智能型饋線自動化兩種模式［1］。

基于重合器饋線自動化模式主要依靠裝設(shè)在變電站出線端的重合器、配電網(wǎng)中的分段器，通過開關(guān)功能和保護(hù)時間配合，實現(xiàn)故障判斷、故障定位和故障隔離的目的。其通過設(shè)定時延來完成開關(guān)間動作的配合，當(dāng)配電線路分段較多時，保護(hù)的級差將很難配合；為與重合器保護(hù)級差配合，通常設(shè)定變電站出線斷路器為最后一級時限速斷保護(hù)，分段重合器越多，出線開關(guān)限時速斷保護(hù)延時就越長，對配電系統(tǒng)影響也越大。其缺點(diǎn)主要有：（1）恢復(fù)供電時間較長；（2）切除永久故障時，主供線路側(cè)需要重合兩次，使線路受到兩次短路電流沖擊（與沒有實現(xiàn)饋線自動化情況相同），且波及線路對側(cè)的用戶，使其發(fā)生短時間陪停電；（3）要對變電站饋線現(xiàn)有的保護(hù)及重合閘裝置進(jìn)行改進(jìn)，使之與動作邏輯相適應(yīng)，或另加重合器，增加額外投資。

基于FTU的智能型饋線自動化模式分為基于FTU點(diǎn)對點(diǎn)通信的智能分布模式和基于FTU的遠(yuǎn)方集中監(jiān)控模式。其共同點(diǎn)都是通過終端設(shè)備完成對饋線故障的監(jiān)測、定位，并利用信息化手段完成故障的自動隔離［2］。與重合器方式相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）最大程度的縮小停電范圍，提高供電可靠性；（2）判斷、隔離故障區(qū)域及恢復(fù)健全區(qū)域迅速，可以快速恢復(fù)供電；（3）避免多次開斷重合器，對一次設(shè)備和系統(tǒng)的沖擊小；（4）終端設(shè)備結(jié)構(gòu)模塊化，不用對重合器進(jìn)行多次整定，減少維護(hù)難度。

1 基于FTU的智能型饋線自動化

1.1 智能分布模式

智能分布模式是近年來提出的一種新的饋線緊急控制模式，它是利用良好的網(wǎng)絡(luò)通信和分散安裝的配電終端實現(xiàn)的具有特殊原理的全線速動式區(qū)域性饋線保護(hù)［3］。

在饋線網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生單相或相間短路障后，安裝在各開關(guān)處的FTU立刻起動，并判斷自身的功率方向，然后通過快速現(xiàn)場總線與相鄰FTU通信，經(jīng)比較分析后確定故障的區(qū)段，跳開該區(qū)段兩端的開關(guān)，完成故障隔離。

圖1 應(yīng)用饋線系統(tǒng)保護(hù)的典型配電系統(tǒng)

如圖1所示，A、G為變電站10 kV出線斷路器，B、C、D、E、F為饋線自動分段開關(guān)（D為聯(lián)絡(luò)開關(guān)處于開斷狀態(tài)）。對于變電站M，手拉手線路為A至D之間部分，變電站N則對應(yīng)于D至G之間的部分。當(dāng)F1處發(fā)生永久性故障時，UR1、UR2、UR3立即起動，并計算自身狀態(tài)。由圖中故障位置可知，UR1、UR2過流且功率方向為正，UR3失壓且無流。為了確保通信的可靠性、實時性，由各FTU依次向其相鄰的FTU發(fā)送自身的故障狀態(tài)信息。

t=T0時，UR1→UR2

t=T0+ΔT時，UR1←UR2→UR3

t=T0+2ΔT時，UR2←UR3→UR4

UR1本身故障狀態(tài)為過流且功率方向為正，并收到UR2的過流且功率方向為正的報文，判斷出故障不在A、B之間，于是將A閉鎖。

UR2本身故障狀態(tài)為過流且功率方向為正，并收到UR1和UR3的狀態(tài)報文。UR1的狀態(tài)為過流且功率方向為正，UR3的狀態(tài)為失壓且無流，因此UR2判斷出故障發(fā)生的B、C之間，于是瞬時跳開B。

UR3本身故障狀態(tài)為失壓且無流，收到的UR2的故障狀態(tài)信息為過流且功率方向為正，判斷出故障發(fā)生在B、C之間，但因為UR3自身故障狀態(tài)為失壓且無流，所以它并不立刻跳開C。

UR2跳開B后，經(jīng)一很短延時使其重合。因為故障仍然存在故UR2加速跳開B并將其閉鎖，然后再向C發(fā)令，使其跳開，完成故障隔離。

FTU識別故障時間為20～25 ms，F(xiàn)TU相互通信時間為20～50 ms，斷路器動作時間為40～100 ms，故障隔離的總計時間為80～175 ms。

C跳開后，UR3向UR4發(fā)合閘報文，這時UR4可根據(jù)故障前C、E兩處的負(fù)荷情況判別是否合上聯(lián)絡(luò)開關(guān)D，恢復(fù)CD段供電。

智能分布模式在很大程度上延續(xù)了高壓線路縱聯(lián)保護(hù)的基本原則，在通信方案上借鑒了全分布式母線保護(hù)原理。它利用通信實現(xiàn)了保護(hù)的選擇性，將故障識別、故障隔離、重合閘和恢復(fù)故障一次性完成，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）一次性快速處理故障，不影響非故障區(qū)段，進(jìn)一步提高了供電可靠性；（2）快速切除故障，由于故障切除時間很短，對于絕大多數(shù)電動機(jī)類負(fù)荷的電能質(zhì)量沒有影響；（3）直接將故障隔離在故障區(qū)段，不影響非故障區(qū)段。（4）保護(hù)功能完全下放到FTU，無需配電主站、子站配合，使饋線自動化具有更高的可靠性。

1.2 集中監(jiān)控模式

在集中監(jiān)控模式下，F(xiàn)TU分別采集相應(yīng)柱上開關(guān)的運(yùn)行情況，如負(fù)荷、電壓、功率和開關(guān)當(dāng)前位置、貯能完成情況等，并將上述信息經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送遠(yuǎn)方配電自動化控制中心。 FTU還可以接受配網(wǎng)自動化控制中心下達(dá)的命令進(jìn)行相應(yīng)的遠(yuǎn)方倒閘操作，以優(yōu)化配網(wǎng)的運(yùn)行方式。在故障發(fā)生時，F(xiàn)TU記錄下故障前及故障時的重要信息（最大故障電流和故障前的負(fù)荷電流、最大故障功率等），將信息傳至配電自動化控制系統(tǒng)，經(jīng)分析后確定故障區(qū)段和最佳供電恢復(fù)方案，以遙控方式隔離故障區(qū)段、恢復(fù)健全區(qū)段供電。

圖2為基于FTU遠(yuǎn)方集中監(jiān)控模式的簡單環(huán)網(wǎng)示意圖。 CB1、CB2為變電站10 kV出線斷路器，S1、S2、S3、S4、S5為饋線自動分段開關(guān)。正常情況下L1、L2、L3線段由CB1供電；L4、L5、L6線段由CB2供電；聯(lián)絡(luò)開關(guān)S3正常時處于開斷狀態(tài)，使配電網(wǎng)運(yùn)行在環(huán)網(wǎng)開環(huán)狀態(tài)；遠(yuǎn)方控制站（主站）具有接收FTU信息、分析計算、向FTU發(fā)送控制命令等功能。若L2段饋線發(fā)生永久性故障，由斷路器CB1的一次重合功能檢測出永久性故障，同時FTU將故障的測量結(jié)果送到控制站。由于S1處FTU檢測到故障電流，S2處FTU檢測不到故障電流，所以控制站可以確定S1、S2之間為故障區(qū)，自動遙控分?jǐn)嚅_關(guān)S1、S2，閉合斷路器CB1及聯(lián)絡(luò)開關(guān)S3，完成故障區(qū)域L2的隔離及其他非故障區(qū)域供電的恢復(fù)。

圖2 基于FTU遠(yuǎn)方集中監(jiān)控模式簡單環(huán)網(wǎng)示意圖

這種基于通信的饋線自動化方案以集中控制為核心，綜合了電流保護(hù)、RTU遙控及重合閘功能，能夠快速切除故障，在幾秒到幾十秒內(nèi)實現(xiàn)故障隔離，在幾十秒到幾分鐘內(nèi)實現(xiàn)恢復(fù)供電。主站監(jiān)控方案中故障識別、故障網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?、故障定位、故障?fù)荷轉(zhuǎn)移都由配電主站集中處理，形成順序控制策略，再通過遠(yuǎn)方通信逐項完成。配電網(wǎng)緊急控制功能及邏輯完全設(shè)置在主站中，對配電終端僅要求具有RTU功能。

2 基于3G網(wǎng)絡(luò)的集中監(jiān)控模式實現(xiàn)

2.1 技術(shù)背景

配網(wǎng)自動化通信系統(tǒng)是配網(wǎng)自動化系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。配電自動化系統(tǒng)需要通過可靠的通信手段，將主站的控制命令下發(fā)到各執(zhí)行機(jī)構(gòu)或遠(yuǎn)方終端，同時將遠(yuǎn)方監(jiān)控單元所采集的各種信息上傳至主站。為滿足配電自動化要求，通信系統(tǒng)必須：通信的可靠性；通信的實時性；通信的雙向性。

目前，配電自動化系統(tǒng)多采用光纖通信的方式。光纖通信完全滿足配電自動化系統(tǒng)對通信可靠性、實時性、雙向性的要求。但是，有些變電站建在山區(qū)、新建變電站搭建臨時通信通道、要求增加配用傳輸通道的場合，可采用無線傳輸方式。

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，特別是3G網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，為配電自動化通信系統(tǒng)提供了新的解決方案。

2.2W-CDMA概述及特點(diǎn)

W-CDMA（寬帶碼分多址）是一個ITU（國際電信聯(lián)盟）標(biāo)準(zhǔn)，它從CDMA演變而來，W-CDMA能夠支持移動/手提設(shè)備之間的語音、圖像、數(shù)據(jù)以及視頻通信，速率可達(dá)2 m/s（對于局域網(wǎng)而言）或384 kb/s（對于寬帶網(wǎng)而言）。輸入信號先被數(shù)字化，然后在一個較寬的頻譜范圍內(nèi)以編碼的擴(kuò)頻模式進(jìn)行傳輸。其具有以下特點(diǎn)：

（1）可靠性高。提供實時在線功能“always on line”，并與數(shù)據(jù)中心建立通信鏈路，采用面向TCP協(xié)議通信，隨時收發(fā)數(shù)據(jù)，避免了數(shù)據(jù)包的丟失現(xiàn)象，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。

（2）傳輸速率快。WCDMA網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度最快將達(dá)到2 Mb/s（對于局域網(wǎng)而言），完全可以滿足用戶應(yīng)用的要求。

（3）監(jiān)控范圍廣，組網(wǎng)簡單、迅速、靈活。3G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實現(xiàn)全國范圍內(nèi)覆蓋，并且擴(kuò)容和接入地點(diǎn)都無限制，能滿足山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨區(qū)接入的需求。

（4）系統(tǒng)傳輸容量大，擴(kuò)容性好：由于變電站數(shù)據(jù)采集點(diǎn)數(shù)量眾多，系統(tǒng)要求能滿足突發(fā)性市局傳輸?shù)男枨螅鳪PRS技術(shù)能很好的滿足傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的需求。由于系統(tǒng)采用成熟的TCP/IP通信構(gòu)架，具備良好的擴(kuò)展性能，一個監(jiān)控中心可輕松支持幾千個現(xiàn)場采集點(diǎn)的通信接入。

（5）通信鏈路由專業(yè)運(yùn)營商維護(hù)。免除通信維護(hù)的后顧之憂。

2.3 無線傳輸解決方案

根據(jù)供電系統(tǒng)對配電自動化系統(tǒng)信息傳輸高可靠性的要求，采用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸方案來實現(xiàn)。在這里，所有饋線終端的信息采集點(diǎn)都采用聯(lián)通無線局域網(wǎng)固定IP，在申請SIM卡時要求運(yùn)營商綁定固定IP地址并開放其端口號。運(yùn)營商會將申請的所有點(diǎn)建一個APN專網(wǎng)，這個專網(wǎng)屬于運(yùn)營商的一個內(nèi)部局域網(wǎng)，只有授權(quán)的用戶才能訪問這個私有局域網(wǎng)。此種方案無論實時性，安全性和穩(wěn)定性都有很高的保證，滿足配電自動化安全性高，數(shù)據(jù)較多、實時性好的要求。

圖3 基于3G方案的組網(wǎng)圖

2.4 系統(tǒng)組成及工作原理

該系統(tǒng)分為監(jiān)控中心主站、電力遠(yuǎn)動無線數(shù)據(jù)傳輸終端、監(jiān)控終端設(shè)備。主站主要完成人機(jī)交互工作；無線網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路建立和數(shù)據(jù)收發(fā)的透明中轉(zhuǎn)；無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸終端完成信息的上傳與下發(fā)；監(jiān)控終端設(shè)備主要完成數(shù)字量與模擬量的采集。

電力遠(yuǎn)動無線傳輸設(shè)備通過RS-232/422/485接口直接連接到FTU上，實現(xiàn)對開關(guān)參數(shù)的采集、存儲、預(yù)處理。經(jīng)過TCP/IP協(xié)議封裝加密后，通過內(nèi)嵌式WCDMA模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到WCMDA網(wǎng)絡(luò)，通過客戶端/服務(wù)器傳輸方式傳送至配電自動化監(jiān)控中心，實現(xiàn)饋線自動化設(shè)備和中心主站的實時在線連接。同時，電力遠(yuǎn)動無線傳輸設(shè)備還可將主站發(fā)送的遙控指令傳給開關(guān)控制模塊，對開關(guān)進(jìn)行控制操作。

電力遠(yuǎn)動無線傳輸設(shè)備上電后，會根據(jù)預(yù)先設(shè)定在其內(nèi)部的IP地址主動訪問中心專線服務(wù)器，和監(jiān)控中心建立TCP/IP鏈路。監(jiān)控中心主站本社維護(hù)接入的每個終端的IP地址和ID號，當(dāng)主站要想某個監(jiān)控終端提出數(shù)據(jù)請求時，它會根據(jù)IP地址和ID號來找到對應(yīng)的終端，將命令下發(fā)到該終端，終端響應(yīng)后通過電力遠(yuǎn)動無線傳輸設(shè)備把數(shù)據(jù)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的端口，通過端口轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控中心主站，即完成了一個應(yīng)答式通信流程。遠(yuǎn)程終端采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理打包后轉(zhuǎn)換成APN專網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳送的格式，通過WCDMA無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。利用WCDMA 3G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了更加快速、安全的數(shù)據(jù)傳輸要求。APN通信專網(wǎng)能夠為配電自動化傳輸提供更高的通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率，并大大增加了其安全性，無線通信將在電力系統(tǒng)中得到更加廣泛的應(yīng)用。

3 結(jié)論

本文介紹并討論了兩種智能型饋線自動化方式。經(jīng)過分析比較認(rèn)為：集中型和分布型智能饋線自動化方式保護(hù)模式具有各自的優(yōu)勢，都為趨優(yōu)的控制模式。分布式饋線自動化將保護(hù)功能完全下放，力求在FTU終端裝置上實現(xiàn)饋線自動化功能，這對于提高配電網(wǎng)故障處理的響應(yīng)速度，提高配電網(wǎng)的可靠性是很有意義的，它適用于供電可靠性要求高、滿足故障情況下負(fù)荷轉(zhuǎn)供要求且開關(guān)設(shè)備具備電動操動機(jī)構(gòu)，配電終端之間具備對等通信條件的配電線路。集中型饋線自動化通過中心及分層控制將故障信息上傳到主站進(jìn)行處理并下發(fā)控制命令，有利于信息的統(tǒng)一處理及高級配電自動化系統(tǒng)信息交互功能的實現(xiàn)。它適用于供電可靠性要求高、滿足故障情況下負(fù)荷轉(zhuǎn)供要求、配電主站/子站與配電終端之間通信通道性能滿足遙控要求、且開關(guān)設(shè)備具備電動操動機(jī)構(gòu)的配電線路。