黃 偉，黃春艷，韓利群，何 通，張勇軍，江浩俠

（1.華南理工大學，廣東廣州 510640；2.廣東電網有限責任公司佛山供電局，廣東佛山 528000；

3.廣州市奔流電力科技有限公司，廣東廣州 510640）

0 引言

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，日益龐大的電網規(guī)模對配電網的運維管理提出了更高的要求。與此同時，電力用戶對電能質量和供電可靠性的要求越來越高。而實施配電自動化在國內外已逐步成為提高網絡運行水平和管理水平、不間斷提供優(yōu)質電能的重要手段[1-3]。

饋線自動化（feeder automation，簡稱為FA）是配電自動化的重要組成部分，其主要作用是監(jiān)測配電線路的運行狀況，實現配電線路的故障定位、故障隔離和恢復非故障區(qū)域供電。目前國內外普遍采用的饋線自動化大致可歸類為2種方案3種基本模式：一種方案是通過智能開關設備之間相互配合來實現，即就地控制型模式；另一種方案是通過計算機、通信網絡和自動化遠方終端設備實現，按需求功能不同可分為實現運行數據實時監(jiān)測的運行監(jiān)測型和實現遠方遙控的集中控制型2種模式[4-8]。

目前我國架空線發(fā)生的主要是瞬時故障，可通過饋線出口斷路器一次重合閘消除，因而架空線饋線自動化通常采用第一種方案就地控制型模式；而電纜線主要發(fā)生的是永久性故障，出于人身和設備安全考慮，一般不建議對電纜進行重合閘，因此電纜線饋線自動化主要采用第二種方案的2種模式[7-8]。架空線饋線自動化通常采用重合器與分段器配合的配置方案，具有設備配置簡單、隔離故障成功率高的優(yōu)點，但同時具有局部故障會導致全線停電、隔離故障需要多次重合對系統(tǒng)造成多次沖擊等缺點[9-11]。電纜網應用較多的運行監(jiān)測型和集中控制型饋線自動化也各有缺點，前者不具備實時故障處理功能，后者依賴于通信信道、投資費用高、建設難度較大、網絡適應性差等。目前就地控制型饋線自動化較少應用在電纜網，雖然有文獻從工程實踐方面證明在電纜網采用與架空線一致的重合器與分段器配合的自動化模式是可行的[12]，但同樣無法回避上文提到的缺點。

經過多年的實踐和總結，架空線饋線自動化已形成一種有效避免傳統(tǒng)缺點的改進方案，并取得較為成功的應用和推廣[13]，但如何在電纜網開展饋線自動化規(guī)劃與建設，目前還未有一個實際可行、易于推廣、公認的好方法。目前城市配電網正在向電纜化發(fā)展，大中城市的電纜化率不斷提高，而在負荷上升發(fā)展的現階段，配電網還處于經常性的建設和改造當中，網架變化較快，因此探討一種可適應電纜網不同階段自動化需求、網絡適應性高、具有長遠發(fā)展?jié)摿Φ酿伨€自動化方案顯得尤為必要。

為解決上述需求，本文通過梳理饋線自動化規(guī)劃的主要內容，以提出的電纜網網架優(yōu)化方案為基礎，相應的提出了以智能斷路器柜為核心設備的電纜網饋線自動化方案。

1 饋線自動化規(guī)劃的原則和思路

結合國內兩大電網公司（國家電網公司和中國南方電網有限責任公司）出臺的關于配電自動化的相關導則，總結歸納饋線自動化規(guī)劃的原則和思路要點如下：

（1）饋線自動化應根據本地區(qū)配電網現狀及發(fā)展需求分階段、分步驟實施；

（2）饋線自動化規(guī)劃與建設宜結合配電網一次系統(tǒng)規(guī)劃與建設，在進行一次系統(tǒng)的新建及改造時，應考慮實施饋線自動化的需要；

（3）饋線自動化規(guī)劃應結合地區(qū)配電網規(guī)模及應用需求，綜合考慮建設區(qū)域一次網架結構及設備狀況，合理選擇饋線自動化實現方式，包括建設模式和通信方式等；

（4）饋線自動化規(guī)劃應按照設備全壽命周期管理要求充分利用已有設備資源，結合一次設備的建設與改造逐步實施，避免對一次系統(tǒng)進行大規(guī)模的提前改造。

2 饋線自動化規(guī)劃的主要內容和步驟

2.1 網架優(yōu)化是饋線自動化的前提和基礎

堅實可靠的配電網絡是實施配電自動化的前提和基礎。

在城市配電線路由架空線路向地埋電纜過渡的初期，由于網架的構建缺乏規(guī)范性的指導，導致現狀城市電纜網結構普遍較為復雜，存在層次不清、聯(lián)絡混亂等問題。復雜多變的配電網絡不僅給實際調度運行操作帶來一定的難度，也不利于饋線自動化的實施。因此，在對電纜網規(guī)劃實施饋線自動化之前，應優(yōu)先做好電纜網一次網架的優(yōu)化和建設。

2.2 建設模式選取

不同的饋線自動化模式的實施作用、實現方式、通信要求等都有所不同，3種基本建設模式比較結果如表1所示。

表1 建設模式比較

由于運行監(jiān)測型不具備實時故障處理功能，集中控制型需對一次設備進行較大規(guī)模的改造建設且對通信方式要求高，在現狀光纜通道普遍匱乏的情況下，可考慮在電纜網開展就地控制型饋線自動化。同時鑒于3種基本模式各有優(yōu)缺點，單一模式難以適應現狀復雜多變的配電網及其未來的發(fā)展需求，可考慮采用混合模式進行規(guī)劃建設。

2.3 通信方式選取

目前在配電自動化中可供使用、選擇的通信方式有光纖通信、中壓電力載波、無線通信（專網、公網）等多種方式，其中技術較為成熟、應用相對廣泛的主要是光纖通信和無線公網這兩種，它們的技術比較結果如表2所示。

表2 通信方式比較

結合建設模式和通信方式的比較結果，對不同自動化模式采用通信方式的選取建議如表3所示。

表3 通信方式選取建議

2.4 開關自動化改造

實施自動化，需根據要實現的自動化功能對開關設備進行相應的自動化改造，對不具備改造條件的結合開關運行年限進行更換，暫不符合更換條件的可配置帶通信功能的故障指示器。

開關自動化改造應與一次網架建設相配合，并符合自動化規(guī)劃的發(fā)展方向。對于新建線路的一次設備，應同步配置與規(guī)劃相應的自動化功能；對于原有線路的一次設備，應結合相關的改造工程和大修技改項目，將符合改造更換條件的開關按規(guī)劃實現的自動化功能進行配置。

3 規(guī)劃案例

下文以南方某地區(qū)電纜網的饋線自動化規(guī)劃方案作為案例參考。

3.1 案例背景

該地區(qū)現狀電纜網同樣存在結構復雜的問題，尤其是在舊城區(qū)，有的環(huán)網線路組涉及線路多達6、7回。同時隨著電纜化率的不斷提高，電纜線路故障率增長態(tài)勢比較明顯，且電纜線路超過80%的故障發(fā)生在分支線。地區(qū)現狀光纖通道匱乏。

3.2 電纜線路網架優(yōu)化規(guī)劃方案

為了梳理好線路主干線、分支線網絡拓撲關系，地區(qū)供電局出臺相關技術規(guī)范，規(guī)定了電纜線路組網原則：電纜網網絡結構原則上分兩層，第一層為干線上的配電站（或開關站、環(huán)網箱），即“主干配”；第二層為主干配引出的配電設施。其中與線路結構相關的規(guī)定有：

（1）每一條主環(huán)線路上主干配的個數以5個及以下為宜。

（2）主干配優(yōu)先考慮建設配電站（開關站），盡量少使用電纜分支箱。箱變不應接入主環(huán)網。

（3）主干配應根據負荷的分布情況和線路長度綜合設置，每一主干配的饋出裝見容量不宜小于2 500 kVA。

（4）環(huán)網線路組裝接容量應根據負荷性質加以控制，其供電容量按“N-1”原則校核。

（5）支線從主環(huán)主干配饋出，若構成支環(huán)原則上要求在同一段母線進行自環(huán)，支環(huán)的實供負荷不宜大于3 000 kW，裝見總容量不宜超過5 000 kVA。

圖1給出了電纜網主干配結構示意圖。

按上述要求規(guī)范和簡化電纜網結線，層次清晰、結構簡單，可提高供電可靠性，有利于配網安全運行及饋線自動化實施。

3.3 電纜網饋線自動化規(guī)劃方案

在電纜網主干配接線模式的基礎上，提出的饋線自動化配置方案如下：

（1）“主干配”配電站（開關站）

1）主干線“主干配”節(jié)點，在主干線出線柜處配置電纜型故障指示器。

2）分支線采用智能分界斷路器柜成套設備，暫不具備更換改造的分支線柜可配置電纜型故障指示器。

3）主進出線柜按斷路器柜選型，初期暫不配置控制單元，但預留相應接口和安裝位置。

4）自動化建設結合配網基建工程：對于新建“主干配”配電站（開關站）按照以上原則進行配置；對現有“主干配”配電站（開關站）應結合配網改造項目，按照以上原則進行配置。

（2）支環(huán)配電站

支環(huán)上配電站可在出線柜配置具備通信功能的電纜型故障指示器。

圖1 電纜網主干配結構示意圖

（3）用戶分界點

用戶分界點裝設具有快速保護功能的斷路器型開關設備。

鑒于地區(qū)電纜線路故障有80%以上是發(fā)生在分支線上，考慮投資效益最大化原則，初期的電纜網饋線自動化規(guī)劃以“故障指示器+分支線分界斷路器”的配置方式實施就地控制型饋線自動化。

圖2給出了該地區(qū)電纜網饋線自動化最終配置方案示意圖。圖2中，CB為變電站饋線斷路器，K為主進出線斷路器（初期可暫不配置控制單元），ZB為分支線智能分界斷路器，LS為聯(lián)絡開關，YB為用戶分界開關，FI為故障指示器。

CB、ZB、YB之間通過設置不同的保護動作延時時間來實現保護配合，動作延時時間滿足：

式中，TCB為CB保護動作時間，TZB為CB保護動作時間，TYB為YB保護動作時間，T為斷路器保護配置的最小時間級差。

3.4 通信方式選擇

實施就地控制型饋線自動化，無需通信手段即可實現故障的迅速隔離；若配合通信手段可實時監(jiān)控各開關的狀態(tài)，開關動作時向后臺發(fā)送故障信號，實現故障的快速定位，同時可實時采集監(jiān)視饋線潮流和開關運行信息。因此，初期可采用無線公網通信方式，遠期隨光纜通道的不斷覆蓋再升級為光纖通信方式。

3.5 設備選擇

（1）故障指示器

要求具備通信終端的“二遙”電纜型故障指示器，具備短路和接地故障檢測功能。

（2）智能斷路器

安裝在“主干配”配電站（開關站）的智能斷路器柜，采用模塊化設計的成套開關柜。設備具有靈活性，可方便地按需要配置和升級，支持多種通信方式。另外，采用成套設備可以避免二次接線，降低工程難度，減少維護工作量，提高開關設備的可靠性。

圖2 電纜網饋線自動化最終配置方案

智能斷路器柜與智能負荷開關柜相比有如下優(yōu)勢：

（1）若采用智能負荷開關柜，無論采用哪種饋線自動化模式，線路局部故障都會造成饋線全線停電；智能斷路器具備切除故障電流能力，可以避免因局部故障造成的全線停電。

（2）通常同一回饋線上的開關設備投運年限不一、型號差異較大，若采用智能負荷開關柜實現就地控制功能，需要多臺開關相互配合實現，應1組饋線同時進行改造更換，由此會導致相當一部分不具備改造條件而運行年限又較低的設備面臨更換；智能斷路器投入后只要做好保護配合即可獨立發(fā)揮故障自動隔離功能，可以結合一次網架建設工程單個網點逐步建設，由此避免了開關設備因實施自動化而進行大規(guī)模更換。

3.6 建設模式的升級及故障處理策略

遠期隨著網架結構向主干配接線模式完善、主干配節(jié)點開關的逐步更換以及區(qū)域光纜通道的不斷完善，在條件成熟時配置光纖通信方式，即可實現就地控制型饋線自動化向集中控制型自動化的平滑過渡。

（1）初期電纜網饋線自動化

饋線自動化方案：配置“故障指示器+分支線分界斷路器”，采用無線通信方式，實施“運行監(jiān)測型+就地控制型”混合模式。

故障處理策略：若為主干線故障，CB跳閘，需要根據故障指示器上傳信號定位故障區(qū)域后，人工現場隔離故障段和恢復非故障段供電；若為分支線故障，ZB先于CB動作，故障分支線自動切除；若為用戶故障，則YB直接跳閘，防止用戶故障出門。

（2）遠期電纜網饋線自動化

饋線自動化方案：配置“故障指示器+主干配智能斷路器”（即圖2所示方案），配置光纖通信方式，實施“集中控制型+就地控制型”混合模式。

故障處理策略：若為主干線故障，相鄰的K通過相互通信定位故障區(qū)間后自動跳閘隔離故障段，由主站發(fā)出操作命令遙控備用線路聯(lián)絡開關合閘，恢復故障區(qū)域下游供電；若為分支線故障，ZB先于CB動作，故障分支線自動切除，然后主站根據上報故障信息定位故障區(qū)域，發(fā)出操作命令遙控斷開故障點電源側開關并閉合分支線分界斷路器，切除故障區(qū)域并恢復分支線故障區(qū)域上游供電；若為用戶故障，則YB直接跳閘，防止用戶故障出門。

3.7 規(guī)劃方案的優(yōu)越性

案例中的電纜網饋線自動化方案的優(yōu)越性如下。

（1）持續(xù)建設。規(guī)范了電纜線路網架結構，并規(guī)劃在其基礎上實施饋線自動化，饋線自動化建設與一次網架建設的發(fā)展趨勢保持一致，避免了網架變化造成的重復建設和浪費。

（2）經濟實用。采用智能斷路器柜實施就地控制型自動化，即可實現故障快速隔離，又避免了光纜通道建設的高額投資；初期先考慮在故障占比超過80%的分支線設置分界斷路器，符合投資效益最大化原則。

（3）建設靈活。方案采用智能斷路器為核心設備實施饋線自動化，初期實施就地控制模式，采用無線公網通信，因此只要線路主干與分支結構清晰、監(jiān)測網點具備條件，自動化建設視網架和設備情況甚至可以按點實施。

（4）便于升級。由于采用的智能斷路器柜成套設備可方便地按需要配置和升級，支持多種通信方式，未來只要光纖通信條件成熟，即可由就地控制型饋線自動化順利升級為集中控制型饋線自動化，而無需再對開關設備進行較大的改造或更換。

4 結論

饋線自動化規(guī)劃需與地區(qū)配電網現狀特點相結合，單一饋線自動化模式各有優(yōu)缺點，可考慮采用混合模式進行優(yōu)化，實現投資效益最大化。

本文所提出的電纜網饋線自動化規(guī)劃方案，是在優(yōu)化的電纜網網架方案上實施以智能斷路器柜為核心設備的饋線自動化，因此饋線自動化建設與一次網架的發(fā)展趨勢相一致；再加上智能斷路器具備獨立的故障自動隔離功能、滿足高層次自動化水平功能要求等優(yōu)勢，使得方案具有實用性、靈活性、可持續(xù)性。

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