郭上華

(珠海許繼電氣有限公司，廣東省珠海市，519060)

0 引言

提高城市電網(wǎng)供電可靠性是配電網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)的目標(biāo)之一。為了減少用戶停電時(shí)間和停電次數(shù)，提升第三方客戶滿意度，城市電網(wǎng)的停電管控被提上議程，包括計(jì)劃停電管控和事故停電管控。對(duì)于計(jì)劃停電管控，需加強(qiáng)停電計(jì)劃的制定和執(zhí)行的剛性，減少設(shè)備重復(fù)停運(yùn)次數(shù)和停電時(shí)間;同時(shí)，可優(yōu)化復(fù)電管理模式和業(yè)務(wù)流程，大力開(kāi)展帶電作業(yè)和科學(xué)快速搶修［1-2］。

與依賴停電精細(xì)化管理的計(jì)劃停電管控不同，事故停電管控更多需借助饋線自動(dòng)化或配電自動(dòng)化技術(shù)，做到故障快速報(bào)告、快速診斷、快速定位、快速隔離和快速修復(fù)，實(shí)現(xiàn)城市電網(wǎng)故障快速自愈［3-4］。故障快速自愈自動(dòng)化模式的實(shí)現(xiàn)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，要綜合考慮配電系統(tǒng)的各種運(yùn)行情況、供電可靠性要求、故障處理時(shí)效性、對(duì)繼電保護(hù)的技術(shù)要求及設(shè)備投資等各個(gè)方面。

1 10 kV配電線路故障分析

我國(guó)城市電網(wǎng)按區(qū)域可分為城市中心區(qū)、一般城區(qū)或城鄉(xiāng)結(jié)合部、城鎮(zhèn)及遠(yuǎn)郊區(qū)等3個(gè)級(jí)別。城市中心區(qū)以電纜線路為主，城鎮(zhèn)及遠(yuǎn)郊區(qū)以架空線路為主，而一般城區(qū)或城鄉(xiāng)結(jié)合部既有電纜線路、架空線路，也有架空電纜混合線路。為查找影響配網(wǎng)故障快速自愈的主要原因，南方某省電力公司對(duì)2009年以來(lái)的故障類型、故障設(shè)備、復(fù)電時(shí)間等信息數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，如圖1和表1所示。從圖1、表1中可以看出，10 kV配電網(wǎng)的故障數(shù)量、故障類型與故障位置密切相關(guān)，架空線路、架空電纜混合線路及其配套設(shè)備故障發(fā)生頻次遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他類型，特別是用戶架空線路及其配套設(shè)備。

2 故障停電管控與饋線自動(dòng)化建設(shè)

城市電網(wǎng)故障停電管控，是指在10 kV中壓配電網(wǎng)中，利用故障報(bào)告、故障診斷、故障定位、故障隔離等保護(hù)控制手段和故障修復(fù)、故障復(fù)電等管理控制手段，在饋線故障情況下，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)故障定位、故障隔離和供電恢復(fù)，避免停電或減少停電次數(shù)與停電時(shí)間，提高供電可靠性。

?

目前，我國(guó)配電網(wǎng)一般僅在變電所出口配備斷路器保護(hù)切斷短路故障，然后通過(guò)饋線自動(dòng)化(feeder automation，F(xiàn)A)技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障的定位、故障區(qū)段的隔離與非故障區(qū)段的恢復(fù)供電［5-7］。依據(jù)配電網(wǎng)自動(dòng)化程度不同，故障停電管控饋線自動(dòng)化建設(shè)可分為知停電、少停電和防停電FA建設(shè)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)10 kV架空線路和架空電纜混合線路的故障快速自愈。

2.1 知停電FA建設(shè)

知停電FA建設(shè)包括2個(gè)方面，如圖2所示。一是在10 kV配電線路上布置帶遠(yuǎn)傳裝置的故障指示器或智能終端設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電線路運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在發(fā)生故障情況下能準(zhǔn)確發(fā)送故障信息、停電信息給局端故障定位系統(tǒng)或配電自動(dòng)化系統(tǒng)。二是在局端建設(shè)故障定位系統(tǒng)或配電自動(dòng)化系統(tǒng)，將變電站10 kV饋出線開(kāi)關(guān)的變位信息和保護(hù)動(dòng)作信息、10 kV饋線分段開(kāi)關(guān)與分界開(kāi)關(guān)的變位信息和保護(hù)動(dòng)作信息均接入該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)定位的半自動(dòng)或人工快速定位和隔離。

圖2 知停電FA建設(shè)示意Fig.2 Schematic diagram of knowing－power outage FA construction

2.2 少停電FA建設(shè)

少停電FA建設(shè)，即解決“故障停電范圍和停電時(shí)間最小化”問(wèn)題?？s小故障停電范圍關(guān)鍵在于線路智能自愈，一方面需完善配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，優(yōu)化接線方式，如圖3中的三分段三連接供電方式，提高配電網(wǎng)抵御自然災(zāi)害、外力破壞及轉(zhuǎn)供電能力;另一方面大力推廣帶自動(dòng)化功能的智能分段開(kāi)關(guān)，減少每段線路用戶數(shù)，實(shí)現(xiàn)供電線路小區(qū)間化，降低設(shè)備故障跳閘率。

圖3 三分段三連接供電方式Fig.3 Three-sectioned and three-linked power supply mode

停電時(shí)間最小化主要取決于信息交互傳遞和搶修管控。如圖4所示，建設(shè)配電自動(dòng)化系統(tǒng)，通過(guò)“站—線—變—戶”拓?fù)潢P(guān)系，實(shí)現(xiàn)在地理信息系統(tǒng)圖上故障點(diǎn)快速定位和快速隔離，同時(shí)打通自動(dòng)化系統(tǒng)和配電生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)指揮系統(tǒng)之間的信息傳遞，運(yùn)用全球定位系統(tǒng)定位搶修車等技術(shù)手段，縮短配網(wǎng)故障搶修時(shí)間，快速修復(fù)故障，并反饋修復(fù)信息至配電自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控以快速?gòu)?fù)電。

2.3 防停電FA建設(shè)

圖4 少停電和防停電FA建設(shè)示意圖Fig.4 Schematic diagram of decreasing-power outage and avoiding-power outage FA construction

防停電FA是故障停電管控建設(shè)的重點(diǎn)，包括線路智能自愈饋線自動(dòng)化建設(shè)和配電生產(chǎn)管理指揮系統(tǒng)建設(shè)。首先，用戶線路是故障頻發(fā)區(qū)域，故障發(fā)生后容易擴(kuò)大停電范圍，造成責(zé)任糾紛。若能在分支線路、用戶線路T接處(責(zé)任分界點(diǎn))加裝分界開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)支線故障、用戶出門(mén)故障的快速攔截，防止某一用戶故障引起主干線及相鄰用戶停電，將有效地減少站內(nèi)出線開(kāi)關(guān)故障跳閘率，縮小停電范圍，實(shí)現(xiàn)預(yù)防停電，如圖4所示。其次，在有條件地區(qū)，可建設(shè)新型供電方式及分布式電源接入等，具備合環(huán)轉(zhuǎn)電條件的線路可推廣應(yīng)用合環(huán)轉(zhuǎn)電技術(shù)。最后，建設(shè)配電生產(chǎn)管理指揮系統(tǒng)，對(duì)計(jì)劃、故障停電進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析與管控，加強(qiáng)與自動(dòng)化系統(tǒng)和95598電力客服電話聯(lián)動(dòng)，實(shí)行狀態(tài)檢修，同樣可預(yù)防停電，如圖5所示。

圖5 自動(dòng)化系統(tǒng)與營(yíng)配一體系統(tǒng)信息傳遞Fig.5 Information transmission between automation system and marketing/distribution integration system

預(yù)防停電，還需考慮設(shè)備安裝調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)等環(huán)節(jié)造成的停電，一方面可在自動(dòng)化建設(shè)設(shè)備選型時(shí)選擇不帶蓄電池的免維護(hù)智能設(shè)備，減少運(yùn)維檢修次數(shù)，另一方面可推廣應(yīng)用旁路開(kāi)關(guān)和帶電作業(yè)車，實(shí)行不停電作業(yè)。

3 主干、分支、用戶故障智能自愈

10 kV架空線路或架空電纜混合線路更多位于城鎮(zhèn)及遠(yuǎn)郊區(qū)，要實(shí)現(xiàn)故障線路快速自愈，綜合考慮投資少、見(jiàn)效快、易實(shí)施、免維護(hù)等因素，可選擇就地智能饋線自動(dòng)化［8-10］。而10 kV電纜線路更多位于城市中心區(qū)和一般城區(qū)，負(fù)荷重，供電可靠性要求較高，可選擇集中控制型饋線自動(dòng)化。下面分別就主干線路、分支線路和T接用戶線路，探討故障快速智能自愈的饋線自動(dòng)化建設(shè)模式。

3.1 主干線故障智能隔離

主干線路故障智能自愈的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)知停電和少停電，對(duì)于架空線路或架空電纜混合線路，從實(shí)用化角度出發(fā)，可考慮建設(shè)就地智能型饋線自動(dòng)化，選用電壓時(shí)間型或電壓電流型自動(dòng)化分段負(fù)荷開(kāi)關(guān)。當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，變電站出線開(kāi)關(guān)保護(hù)跳閘，通過(guò)變電站出線開(kāi)關(guān)的重合閘和線路上分段開(kāi)關(guān)電壓時(shí)間的邏輯時(shí)序配合，完成主干線路短路故障的隔離和非故障區(qū)間恢復(fù)送電。當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，變電站接地選線裝置選出故障線路，通過(guò)手動(dòng)拉合站內(nèi)出線開(kāi)關(guān)和線路上分段開(kāi)關(guān)電壓時(shí)間的邏輯時(shí)序配合，完成主干線接地故障的隔離和非故障區(qū)間恢復(fù)送電。

全電纜線路通常開(kāi)環(huán)運(yùn)行，一般建設(shè)集中控制型或分布智能型饋線自動(dòng)化，選用負(fù)荷開(kāi)關(guān)或斷路器。當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)配電主站與配電終端的集中處理邏輯、配電終端之間的分布智能邏輯實(shí)現(xiàn)故障隔離和非故障區(qū)域恢復(fù)送電。在有條件的地區(qū)，電纜線路可閉環(huán)運(yùn)行，環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)線開(kāi)關(guān)采用能夠遮斷故障電流的斷路器，建設(shè)分布式智能控制的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)，在線路故障時(shí)直接跳開(kāi)故障區(qū)段兩側(cè)斷路器切除故障，使非故障區(qū)段用戶的供電不受影響，實(shí)現(xiàn)智能隔離。

3.2 分支線故障智能攔截

分支線路故障智能自愈的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)知停電、少停電和防停電，可在分支線首端設(shè)置分支分界點(diǎn)，選用快速分?jǐn)嚅_(kāi)關(guān)智能設(shè)備，防主干線停電。當(dāng)分支線發(fā)生短路故障時(shí)，依靠分支分界快速分?jǐn)嚅_(kāi)關(guān)與變電站出線開(kāi)關(guān)的保護(hù)級(jí)差配合，搶先于變電站出線開(kāi)關(guān)跳閘，自動(dòng)攔截分支線路的短路故障，有效減少變電站出線開(kāi)關(guān)跳閘率。對(duì)于線路較長(zhǎng)的分支線路，可合理設(shè)置電壓時(shí)間型或電流型自動(dòng)化分段開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)分支線路少停電，其動(dòng)作原理和主干線分段開(kāi)關(guān)類似。

當(dāng)分支線發(fā)生接地故障時(shí)，如果是小電阻接地系統(tǒng)，與分支分界快速分?jǐn)嚅_(kāi)關(guān)攔截短路故障處理方式類似;如果是消弧線圈接地系統(tǒng)，與主干線自動(dòng)隔離單相接地故障的處理方式類似。

3.3 用戶線故障分界不出門(mén)

用戶線路故障智能自愈的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)知停電和防停電，可在用戶T接點(diǎn)選用用戶分界開(kāi)關(guān)智能設(shè)備“看門(mén)狗”，故障不出門(mén)，防主干線和相鄰用戶停電［2］。加裝“看門(mén)狗”的用戶線路，當(dāng)用戶側(cè)發(fā)生故障時(shí)，“看門(mén)狗”可自動(dòng)切除用戶側(cè)接地故障和自動(dòng)隔離用戶側(cè)短路故障。如圖6所示，用戶分界開(kāi)關(guān)利用故障發(fā)生時(shí)界內(nèi)與界外明顯的故障電流差來(lái)判別和定位故障點(diǎn)，該方式故障檢出隔離原理適合于中性點(diǎn)經(jīng)小電阻、消弧線圈和不接地系統(tǒng)。對(duì)于消弧線圈接地系統(tǒng)的長(zhǎng)電纜線路，可結(jié)合五次諧波和間斷角等方式進(jìn)行接地故障檢出。

圖6 分界開(kāi)關(guān)故障檢出隔離原理Fig.6 Principle of fault detection isolation for boundary load switches

4 饋線自動(dòng)化模式選擇

當(dāng)前主流饋線自動(dòng)化FA模式包括3種，分別是就地控制型、集中控制型和分布式智能控制型FA，這些饋線自動(dòng)化模式都有各自的適用范圍。

(1)就地控制型FA系統(tǒng)不依賴于通信通道就能實(shí)現(xiàn)故障隔離，具有投資小，易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，由于國(guó)內(nèi)大多數(shù)電纜線路不允許進(jìn)行故障重合閘，除分界開(kāi)關(guān)型FA可適用于對(duì)供電質(zhì)量要求較高的城市中心區(qū)、一般城區(qū)配電線路外，其他主要適用于城鎮(zhèn)及遠(yuǎn)郊區(qū)配電線路。

(2)集中控制型FA系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)故障隔離與運(yùn)行監(jiān)視，對(duì)架空與電纜線路都適用，由于需要通信通道及控制主站，相對(duì)投資較大，主要適用于城市中心、城鄉(xiāng)結(jié)合部等負(fù)荷較穩(wěn)定區(qū)域。

(3)分布式智能控制型FA系統(tǒng)通過(guò)對(duì)等通信網(wǎng)絡(luò)與分布式智能控制，不依賴于主站完成配電網(wǎng)故障自愈控制，具有投資較小、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，由于需要網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)和鋪設(shè)通信通道，主要適用于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的配電線路，對(duì)網(wǎng)架線路經(jīng)常變動(dòng)的區(qū)域則不適用。

5 工程實(shí)踐

南方某市局10 kV配電線路采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，城市中心區(qū)以電纜線路為主，城鎮(zhèn)以架空線路為主，雷擊瞬時(shí)性故障較多，以單相接地故障為主。2008年9月，該局提出了以提高站內(nèi)出線開(kāi)關(guān)重合成功率、快速隔離故障點(diǎn)、躲避瞬時(shí)性故障、縮短故障停電范圍的饋線自動(dòng)化建設(shè)思路。經(jīng)過(guò)技術(shù)論證和篩選比較，最終選擇電纜線路以建設(shè)集中控制型FA為主并試點(diǎn)分布智能型FA，架空線路建設(shè)電壓時(shí)間型FA，分支線路和用戶線路建設(shè)分界開(kāi)關(guān)型FA。圖7為自愈示意圖。

圖7 10 kV供電線路故障智能自愈示意圖Fig.7 Schematic diagram of self-healing system for 10 kV power supply line

如圖7所示，當(dāng)主干線a點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，電纜線路集中控制型FA模式通過(guò)配電自動(dòng)化主站數(shù)據(jù)采集站(data acquisition station，DAS)與配電終端數(shù)據(jù)終端單元(data terminal units，DTU)通信、分布智能型FA模式通過(guò)配電終端DTU之間對(duì)等通信，完成故障隔離與恢復(fù)供電。架空線路通過(guò)站內(nèi)出線開(kāi)關(guān)CB重合閘和分段開(kāi)關(guān)的電壓時(shí)間邏輯時(shí)序配合，完成故障隔離和恢復(fù)供電，對(duì)于消弧線圈接地系統(tǒng)中接地故障，需在變電站內(nèi)增加接地選線裝置選出故障線路。當(dāng)分支線路或用戶線路b點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，不管架空線路還是電纜線路，均通過(guò)安裝在T接位置的分界型快速分?jǐn)嚅_(kāi)關(guān)自動(dòng)切除負(fù)荷側(cè)短路和接地故障，躲避瞬時(shí)故障，避免波及主干線路及相鄰用戶。通信層根據(jù)不同F(xiàn)A模式可選用光纖或無(wú)線GPRS通信方式，第一時(shí)間上報(bào)線路故障信息和停電信息。主站系統(tǒng)層建設(shè)配電自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)拓?fù)浞治雠c數(shù)據(jù)解析，及時(shí)短信自動(dòng)通報(bào)給一線運(yùn)行維護(hù)人員，快速故障定位和指揮復(fù)電。

該局目前已投運(yùn)超過(guò)3 000套電壓時(shí)間型智能設(shè)備和大量分界開(kāi)關(guān)智能設(shè)備，多次成功隔離故障，隔離準(zhǔn)確率達(dá)83%以上;故障段定位平均時(shí)間也從投運(yùn)前2.2 h縮短到投運(yùn)后的0.5 h內(nèi)。故障跳閘約3 min后，急修人員收到故障短信，根據(jù)短信提示迅速對(duì)故障段進(jìn)行排查，前后不到30 min就對(duì)故障段進(jìn)行了隔離，通過(guò)倒閘操作恢復(fù)了非故障段線路用戶供電，整體有效地提高了供電可靠性。

6 結(jié)語(yǔ)

城市電網(wǎng)饋線自動(dòng)化建設(shè)，既是技術(shù)問(wèn)題，也是經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。本文針對(duì)城市電網(wǎng)如何實(shí)現(xiàn)故障快速自愈，提出了圍繞主干線、分支線和用戶線分別進(jìn)行知停電、少停電、防停電的停電管控饋線自動(dòng)化建設(shè)思路，并對(duì)饋線自動(dòng)化模式的選擇進(jìn)行了總結(jié)與思考。工程實(shí)踐表明，文中提出的基于故障停電管控的饋線自動(dòng)化建設(shè)模式，能夠避免停電或減少停電次數(shù)與停電時(shí)間，是實(shí)現(xiàn)城市電網(wǎng)故障快速自愈行之有效的技術(shù)手段，有投資少、見(jiàn)效快、易實(shí)施、免維護(hù)的特點(diǎn)，具有很好的推廣價(jià)值。

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