智能分布式配电保护及自愈控制系统.docx

智能分布式配电保护及自愈控制系统摘要：完善的继电爱护和自愈控制是提高配电网供电可靠性的关键技术伎俩智能分布式配电爱护及自愈控制系统，能够基于智能终端包括继电爱护装置之间直接对等交换实时数据，通过自主判断、自主决策、协同工作，实现快速隔离故障、缩短停电时间，是中心城市(区)配电网爱护控制的开展方向 　　文章分析了实现该计划所需的根底条件，介绍了继电爱护功能配置的优化计划和自愈控制的实现策略，针对不同的接线形式和根底条件给出了一些项目应用实例未来，爱护控制自动化系统的深度融合、一次二次设备的融合、通信技术(特别是5G)的开展、分布式发电(包括负荷侧储能)的应用值得期待，基于状态监测的隐患诊断与隐患排除还需要深入研究 　　关键词：配电网,继电爱护,自愈控制,状态监测 　　0引言 　　配电网是国民经济和社会开展的重要公共根底设施我国在发电容量、输电能力方面已经取得了巨大进步，作为联系用电侧的“最后十公里〞[1]，配电网成为满足用户用电需求、提高供电可靠性的关键环节 　　2022年7月，国家能源局印发?配电网建设改造行动方案(2022—2022年)》[2]，明确要求：到2022年，中心城市(区)智能化建设和应用水平大幅提高，供电可靠率到达99.99%，用户年均停电时间不超过1h，供电质量到达国际先进水平。

要保证中心城市(区)较高的供电可靠率，离不开完善的继电爱护和自愈控制 　　继电爱护用于检出故障或其他异常情况，从而切除故障、终止异常情况、发出信号或指示自愈〞的概念首先出现在生物医学等生命科学领域，用于配电网那么指在无需或者仅需少量人工干涉的前提下，自动进行故障定位、故障隔离、供电恢复，不影响电网的平安运行与供电质量，或将故障的影响降至最低[3-4] 　　故障定位、故障隔离、供电恢复，简称FLISR，又称为馈线自动化(FA)继电爱护也可以看作是自愈控制的一局部目前项目应用的馈线自动化模式主要有：就地级差模式、重合器模式、主站集中模式其中就地级差模式基于断路器的阶段式电流爱护应用广泛，但该模式受配电网架和运行方式的影响较大，往往不能满足灵敏性或爱护范围的要求 　　重合器模式基于就地开关设备实现馈线自动化，主要采用电压-时间型等方式，简单经济，对提高供电可靠性具有一定的作用，但该模式隔离故障需要屡次重合，对设备冲击大，而且恢复供电时间长 　　主站集中模式充沛利用通信网络，采用主站集中监控获取全面信息，确定最优故障隔离和恢复算法，可有效提高配电网的供电可靠性，是目前馈线自动化的主流计划，但该模式实质上是在智能终端(包括继电爱护装置)无选择性动作后的恢复供电，无法实现重要区域的供电可靠性目标，且该模式需要安装专门的控制主站，对通信网络的依赖性很强，终端与主站之间的数据传输量大，当主站通信故障时，会导致整个系统瘫痪，失去故障隔离、恢复供电的功能。

　　针对目前控制模式故障处理时间长、爱护高低级配合困难、系统可靠性低、开关设备损耗大等缺点，提出了智能分布模式[5-7]，通过智能终端(包括继电爱护装置)之间直接对等交换实时数据，自主判断、自主决策、协同工作，不依赖于主站，自动快速地完成配电网故障隔离和供电恢复 　　该模式系统结构简单、动作速度快、灵活性好、运维简便，适用于对供电可靠性要求特别高的核心地区或者供电线路本文分析了分布式配电爱护及自愈的系统构成，介绍了继电爱护功能配置的优化计划和自愈控制的实现策略，针对不同的接线形式和根底条件给出了一些项目应用实例，并对未来开展作出展望 　　1分布式配电爱护及自愈控制的系统构成 　　要实现分布式配电爱护及自愈控制，必须满足可观性、可控性要求从可观性来说，要配置必要的电流和电压互感器、智能终端、通信伎俩，能够自动共享信息，辨认配电网架拓扑，辨认故障及其发生区段，预测转供前后的负荷变化从可控性来说，也要有自动判断、决策并发出跳闸合闸和调整等控制命令的终端，传输命令的通信通道，执行控制命令的断路器等设备 　　1.1电流和电压互感器 　　目前，变电站和开关站进线及出线配置三相电流互感器，母线上安装电压互感器;架空线路柱上断路器、负荷开关一般配置三相电流互感器、零序电流互感器，局部还配有电阻或者电容分压传感器用于测量电压;电缆线路环网柜进线和出线配置三相电流互感器，母线上安装电压互感器。

由于不能获得完整的电流电压信息，在继电爱护功能配置、控制决策计算、控制策略选择方面受到一定程度的限制另外，常规互感器体积大、安装不便采用基于小铁芯线圈或者空心线圈(罗氏线圈)、电阻和/或电容分压器的低功率互感器(LPIT)[8-9]，配合就地安装的智能终端，将大大改善配电网的可观性[10] 　　1.2智能终端 　　在分布式配电爱护及自愈控制系统中，继电爱护装置、配电终端、故障指示器，都可以看作是智能终端智能终端在硬件配置上，一般应具有模拟量输入、开关量输入、开关量输出、处理单元、辅助电源、通信接口等模块;在软件上，应能够实现不同层次的继电爱护功能、监测功能、协调控制功能，支持不同的通信协议 　　配电自动化智能终端[11]，除具备常规配电自动化终端[12]的所有功能以外，还具备分布式馈线自动化功能和即插即用功能分布式馈线自动化功能，可以不依赖于配电主站，而是直接通过配电终端之间相互通信实现馈线的故障定位、隔离和非故障区域自动恢复供电，并将处理过程及结果上报配电自动化主站，根据其处理完成在上级变电站切除故障之前还是之后分为速动型(适用于断路器)和缓动型(适用于负荷开关) 　　即插即用功能，是指配电终端具有统一规范的电气和数据接口、规范的自描述数据模型，通过规范的通信协议自动接入相关系统或设备。

故障指示器用于故障发生后快速定位故障区段，它实时检测线路的电气量，通过一定的故障判别算法，当故障发生时发出警示[13]根据故障检测原理，故障指示器可分为3种类型：外施信号型、暂态特征型和暂态录波型目前，智能故障指示器已能主动将故障信息上传至配电网主站，实现故障自动定位[14] 　　1.3通信伎俩 　　实现分布式配电爱护及自愈控制，需要有较完善的通信伎俩，关注通信的快速性、可用性、可靠性、互操作性、可扩展性、平安性、同步性 　　1.3.1通信媒介 　　用于配电线路的通信媒介分为有线通信和无线通信电缆线路一般有随同敷设的光缆，通信条件较好;架空线路那么主要依赖无线通信，又分为公网和专网为了获得较好的通信性能，在分布式配电爱护及自愈控制系统中，有线通信应尽量采用光纤，无线通信尽量选择专网 　　1.3.2通信协议 　　对于分布式配电爱护及自愈控制系统而言，IEC61850容易实现即插即用、互联互通，应该是最合适的可以通过GOOSE机制传递状态量信息用于配电网架的拓扑辨认，交换故障方向信息构成纵联方向爱护，传递控制命令以完成故障隔离和供电恢复如果通信容量允许，也可以直接传输模拟量信息，构成纵联差动爱护[15]。

　　国际电工委员会技术报告IECTR61850-90-6:2022?IEC61850在配电自动化系统中的应用》[16]提供了应用IEC61850进行系统和元件之间的信息交换以支持配电自动化应用时需要考虑的根本方面，包括典型应用的用例、常用元件的建模办法、新的逻辑节点和对现有逻辑节点的扩展、通信体系结构和效劳、IED配置办法、故障通路指示用传感器的IEC61850模型等 　　1.4电源 　　在配电网的各个节点上，需要为智能终端提供工作电源、为断路器提供操作电源变电站、开关站等场合可直接使用公用直流电源架空线路柱上开关、电缆线路环网柜，可以由外置电源变压器、高压取能装置、电压互感器甚或电流互感器和蓄电池、超级电容共同供电有条件的，也可以用光伏板[17] 　　1.5开关设备 　　对于架空线路，安装在架空线柱上的开关设备有断路器、重合器、负荷开关、自动分段器、自动分界开关、自动分支开关等其中，负荷开关、自动分段器不能开断故障电流，不能配合爱护控制系统实现故障的快速、准确切除和供电的恢复考虑到断路器价格与负荷开关相差不大，应该尽量配置可以切断和关合故障电流的断路器，特别是长线路后段(超出变电站过流爱护范围)、大分支线路首端、用户分界点处[18]。

　　对于电缆线路，环网柜中可能配置负荷开关、断路器或者负荷开关-熔断器组合电器，电缆分支箱中一般配置熔断器、隔离开关或者可带电插拔的电缆终端头，有时也配置开关设备电缆分支箱将逐步被环网箱取代[18] 　　2分布式配电爱护及自愈控制的实现策略 　　2.1拓扑分析和状态评估 　　配电网结构常常因为增容、技改、城建等原因发生永久性改变，或者因为运行需要发生动态改变故障隔离计划、供电恢复计划的生成依赖于配电网的拓扑分析功能该功能需要强大的计算能力支持，目前主要集中在配电自动化主站系统中实现在分布式自愈控制中，为快速恢复供电，冀望由智能终端收集拓扑动态信息、承当拓扑分析任务，其根本思路是：每个配电终端仅需配置安装处的根本拓扑信息，通过对等通信获取相关配电终端的拓扑信息，进而拼接生成故障定位和爱护控制所需的整个拓扑信息，分析速度快、配置简单[19-22] 　　故障发生后，能否通过转供方式恢复供电，一个关键因素就是转供后不能过载电网一次系统规划时应预留转供裕度正常运行时，智能终端应能自主辨认联络开关位置，持续采集相邻区段的负荷信息，预测转供前后的负荷变化，随时为故障切除后的恢复供电做准备[22] 　　2.2配电爱护及故障隔离 　　依据现行规范[23]，母线宜采用不完全电流差动爱护，爱护装置仅接入有电源支路的电流。

对配电线路相间短路故障，可装设两段过电流爱护，必要时配置光纤电流差动爱护作为主爱护、带时限的过电流爱护为后备爱护;对于接地故障，母线上应装设单相接地监视装置，满足爱护选择性和灵敏性要求时线路上应装设动作于信号的单相接地爱护，必要时应装设动作于跳闸的单相接地爱护[18] 　　对于断线故障，文献[24]针对小电阻接地配电网给出了解决计划要减少故障停电时间，应首先完善配电网爱护的配置与整定[25]，加强主爱护、配置断路器失灵爱护、减少对阶段式电流爱护的依赖，将故障隔离时间由秒级、分钟级降低至百毫秒级对于配电母线应考虑配置电流差动爱护或者电弧光爱护[26-27]作为主爱护，保证母线故障的快速隔离 　　对于配电线路应优先采用纵联差动爱护作为主爱护，使用光纤专用通道时可采用与输电网相同的“乒乓〞计划来实现两侧采样同步，使用光纤以太网时可以通过IEEE1588对时系统实现高精度时钟同步，以及基于以太网无源光网络(ethernetpassiveopticalnetwork，EPON)固有的IEEE802.1AS时钟同步机制来实现差动爱护采样同步[28]，另外还可以考虑通过检测故障发生时刻来同步[29]。

　　基于GOOSE机制交换故障方向信息的线路纵联方向爱护、反向联锁式(方向式)母线爱护可作为主爱护的快速后备，实现爱护冗余配置，提高可靠性应增加断路器失灵爱护作为近后备爱护，在断路器拒动时，发远跳命令跳开相邻开关，保证隔离故障最后，再辅以常规的阶段式电流爱护作为后备爱护，当主爱护失效时才允许投入，以尽可能防止多级开关的级差整定配合和由此带来的长故障切除时间 　　构成阶段式电流爱护的高低游终端之间可以通过交换“是否曾经流过故障电流〞这一信息，采用允许式(未流过故障电流的终端向上游终端发允许跳闸信号)或者闭锁。