（控制理论与控制工程专业论文）配电网馈线终端的智能化技术.pdf

摘要 馈线自动化系统是配电网系统的重要环节，而馈线终端单元 ( f t u ) 又是实现馈线自动化的重要设备，论文从配电网系统及馈线 自动化系统的分析出发，分析研究基于多a g e n t 系统( m a s ) 网络式 保护的f t u 馈线自动化模式。 论文首先分析比较了配电网系统和馈线自动化系统的特点、要求 和不同实现模式，提出以分布式智能化f t u 构成的终端层为主实现 馈线保护的馈线自动化模式。在该模式中，各f i u 之间通过现场总 线共享故障检测信息，采用网络式故障区域定位算法，通过对相邻馈 线开关上检测的故障信息的分析判断得出故障发生区域。f t u 的设计 基于a g e n t 技术，构成m a s ，其基于专家系统的故障判断模块能够 针对馈线的不同故障采取有效的保护措施实施馈线保护。 其次，论文研究了小电流接地系统单相接地故障的处理方法，综 合比较了多种故障选线方案后，确定零序、负序电流相结合的故障选 线方法。论文还分析了网络式故障区域定位算法的原理和基于m a s 的网络式保护算法，设计了f t u - - a g e n t 的结构及其故障诊断模块。 就f t u 的主要功能进行了硬件、软件方面的设计。给出了硬件整体 结构设计、各模块的具体电路设计、系统软件的总体框图和交流采样 算法等。同时，细致分析了适合m a s 和网络式保护的配电网通信系 统的特点，比较了常用的通信方式，设计了基于c a n 总线的通信系 统。 关键词馈线自动化，馈线终端单元( f 1 u ) ，多a g e n t 系统( m a s ) ， 单相接地故障，网络式保护 a b s t r a c t f e e d e ra u t o m a t o n 馓) i sa l li m p o r t a n tp a r to fp o w e rd i s t r i b u t i o n n e t w o r k ( p d n ) ，w h i l ef e e d e rt e r m i n a lu n i t ( f a l _ r ) i sk e ye q u i p m e n ti nf a b e g i n n i n gw i t ht h ep d n a n df a , t h i sp a p e rs t u d i e sa l li n t e l l i g e n tf a m o d eb a s e do nt h ei n t e l l i g e n td i s t r i b u t e df t ua n dn e t w o r kp r o t e c t i 傩 b a s e do nt h em u l t i - a g e n ts y s t e m ( m a s ) a tf i r s t , t h i sp a p e ra n a l y s e st h ef e a t u r e sa n dr e q u i r e m e n t so f 测 a n d 默c o m p a r e st h ed i f f e r e n tm o d e so ft h e m , t h e nb r i n g sf o r w a r da n o p t i m i z e df am o d et h a ti sm a i n l yb a s e do nt h ed i s t r i b u t e di n t e l l i g e n t f t u st or e a l i z et h ef e e d e rp r o t e c t i o n i nt h i sf am o d e e a c hn us h a r e s t h e i rf a u l td e t e c t i o ni n f o r m a t i o nw i t ht h ef i e l d - b u sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m , w o r k so u tt h ef a u l tl o c a t i o nb yu s i n gt h en e t w o r kf a u l tl o c a t i n ga r i t h m e t i c a n dt h ef a u l ti n f o r m a t i o nt h a ta r ec o m m u n i c a t e dw i t hn e i g h b o rf t u s 。 t 氧ef 羽曙i sd e s i g n e db a s e do l lt h ea g e n tt e c h n o l o g y 强ef 冒雨l a y e r f o r m sam a s 髓ef a u l td i a g n o s i n gm o d u l ec o u l dm a k ep r o p e rp r o t e c t i o n s c h e m ea c c o r d i n gt od i f f e r e n tk i n d so ff a u l tb yt h ee x p e r ts y s t e m s e c o n d l y , t h i sp a p e ra n a l y s e st h es i n g l e - p h a s e - t o - g r o u n df a u l ti n n e u t r a lu n e a r t h e dp o w e rs y s t e m a f t e rc o m p a r e ss e v e r a lf a u l t e dl i n e s e l e c t i o ns c h e m e s , z e r o - s e q u e n c ec u r r e n tc o m b i n e dn e g a t i v e - s e q u e n c e c u r r e n tf a u l tl i n es e l e c t i o ns c h e m ei se m p l o y e d t h i sp a p e ra n a l y s e st h e n e t w o r kf a u l tl o c a t i n ga r i t h m e t i ca n dm a s t e c h n o l o g yu s e di ni ld e s i g n s t h es t r u c t u r eo f t h ef w a g e n ta n di t sf a u l td i a g n o s em o d u l e 。a c c o r d i n g t ot h em a i nf u n c t i o no ff t ud e s i g n st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e 。p u t s f o r w a r dt h ew h o l es t r u c t u r e , e l e e t r o c i r c u i tc h a r to fe a c hm o d u l e s ，t h e w h o l e s y s t e mf l o wc h a r t , a cs a m p l i n ga r i t h m e t i ca n d e t c 强i sp a p e ra l s o s t u d i e st h ef e a t u r e so fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h a tf i r ef i tf o rt h en e t w o r k p r o t e c t i o n , c o m p a r e ss e v e r a ld i f f e r e n tk i n d so fc o m m u n i c a t i o nu s e di nf a s y s t e m , a n dd e s i g n st h ef ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e d0 1 1t h ec 斌 f i e l d b u sb ya c h i e v i n gt h ed e m a n d so f f t u s y s t e m 。 k e yw o r d sf e e d e r a u t o m a t i o n , f e e d e r t e r m i n a lu i l 以 m u l t i a g e n ts y s t e m , s i n g l e - p h a s e - t o - g r o u n df a u l t , n e t w o r kp r o t e c t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其它单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：盘墨盛日期：碰年月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者躲垒生聊签名杰缚期：矗目丝日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着国民经济的发展和人们物质文化生活水平的不断提高，人们对电力的需 求越来越大，因此电力事业迅速发展，电网不断扩大。同时人们对供电质量和供 电可靠性的要求也越来越高。为了提供更加安全、经济、可靠和高质量的电力， 必须使用新的技术和管理手段，配电自动化就是为了这一目的而提出来的。 配电自动化是近几年迅速发展的一个新兴的技术领域，它通过将现代计算机 技术和通信技术应用于配电网的监测和控制，大大提高了配电网运行的可靠性和 效率，提高了电能的供应质量，降低了劳动强度，并能充分发挥已有设备的功能， 能够为用户和电力公司带来可观的效益。 作为电力系统现代化的一种必然趋势，配电自动化系统在正常情况下通过监 测配网运行工况，及时隔离故障区段，恢复非故障区域用户的供电，减少停电时 间和停电面积；合理控制用电负荷，从而提高设备利用率；自动抄表计费，保证 抄表计费的及时和准确，提高了企业的经济效益和工作效率，为用户提供自动化 的用电信息服务。配电自动化系统在人力尽量少介入的情况完成大量的重复性工 作，有助于使配电网的潜力得以最大限度的挖掘，并确保提供给用户的电能质量 满足要求。因此，配电自动化对全社会来说都有着非常重要的意义。 针对某一具体的地区，其配网在地理环境、范围和规模、管理模式、用户性 质上都有其特殊性，使得对供电容量、供电质量和可靠性的要求千差万别，因此， 配电自动化所要完成的关键工作之一就是分析本地区配网所需要的潜在功能，充 分利用各种已成熟的技术，以确定在技术和经济上可行的实现方案，从而构建适 合特定区域的配电自动化系统的最优模式。 1 1 配电网自动化概述 电力工业是国民经济重要的基础工业，也是国民经济发展战略中的重点和先 行产业，其建设和发展速度必须高于国民经济生产总值的增长速度，才能为国民 经济各部门快速稳定发展提供良好的保障，电力工业的快速发展是我国综合国力 的增强及人民物质文化生活水平不断提高的需要。 电力行业一般包括发电、输电和配电三个环节。近十年来，我国在发电和输 电领域均取得了令人瞩目的发展。目前，我国的发电量和装机容量均位居世界前 列，并逐步形成了大区电网互联的基本格局，输电网自动化程度也有了很大的提 高，地区电网自动化调度系统已基本普及，县级电网自动化调度系统，无人值班 硕七学位论文第一章绪论 变电站和变电站综合自动化的建设和改造也发展迅速。 配电是电力系统发电、输电和配电中直接面向电力用户的功能。由配电设备 ( 包括馈线、降压变压器，断路器、各种开关等) 构成的配电网和继电保护、自 动装置、测量、计量仪表以及通信与控制设备构成一个配电系统，其按一定的规 则运行，以提供高质量的电能满足电力用户的需求为主要目标。 我国的电力系统中，将1 1 0 k v 及以下的电网作为配电网。通常1 1 0 k v 、3 5 k v 电压等级的电网被称为高压配电网；6 k v 至1 0 k v 电压等级的电网被称为中压配 电网；0 4 k v 电压等级( 包括3 8 0 v 、2 2 0 v ) 的电网被称为低压配电网【”。 配电网的供电网络由电源点、线路开关设备、网架( 线路联接) 三个部分组 成，电源点和网架不同的组合方式，直接决定了供电方式的多样性。在网络结构 方面，配电网基本上分为三种，即辐射状网、树状网、环状网，如图l 一1 所示。 其中辐射状网和树状网的任何一条线路在发生故障时，该线路及其以后的线路上 的用户的供电都将中断。而环状网在正常运行时联络开关是断开的，如果线路中 出现故障则能够只切除故障线路，非故障线路仍然可以得到供电。 ab c a 辐射状网b 树状网c 环状网 图l l 配电网结构图 配电自动化是指利用现代电子、计算机、通信及网络技术。将配电网在线数 据和离线数据、配电网数据和用户数据、电网结构和地理图形进行信息集成。构 成完整的自动化系统。实现配电网及其设备正常运行或事故状态下的监测、保护、 控制、用电和配电管理的现代化。配电自动化是一个庞大复杂、综合性很高的系 统工程。包括电力企业中与配电有关的全部功能数据和控制。配电网自动化涉及 计算机、通信、电子、网络、地理信息、开关、电源等多项技术。 一般而占，配电网自动化系统包括配电网监测控制和数据采集系统，即 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t o n ) 、配电地理信息系统，i p g i s ( d i s t r i b u t i o ng e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 和需方管理，l i p d s m ( d e m a n ds i d e m a n a g e m e n t ) 等几个部分，如图1 2 所示。 2 硕士学位论文第一章绪论 配电 图1 2 配电自动化系统组成 在配电自动化的各项功能中，馈线自动化无疑是最重要的功能之一。馈线自 动化就是配电线路的自动化，即指从变电站出口到用户用电设备之间的馈线线路 自动化，是对配电线路上的设备进行远方监视、协调及控制的集成系统。内容可 归结为二个方面：一是正常情况下的状态检测、数据测量和优化调压；二是事故 状态下的故障检测、故障隔离、负荷转移和恢复供电。 馈线远方终端( f e e d e rt e r m i n a lu n i t ，f t u ) 是按照配网自动化的需求，专 门为馈线自动化而设计制造的自动化设备，是馈线自动化系统的一个重要组成部 分。它集遥信、遥测、遥控等功能为一体，通过监测馈线电路的运行状态和运行 参数来判断线路故障，能快速定位、隔离配电线路故障并自动恢复非故障区的供 电。在有通信信道的馈线自动化系统中，各f 1 u 分别采集相应柱上开关的运行 情况，如负荷、电压、功率和开关当前位置等，并将上述信息通过通信系统发给 远方的配电网控制中心。各f 1 u 还可以接受配电网控制中心下达的命令进行相 应的操作。 1 2 配电网发展现状分析 随着计算机及通信技术在配电管理系统中的广泛应用，电力系统的控制保护 技术也逐渐发生了重要的变化，以前基于分离元件的模拟式的信号检测、传输已 发展为集成电路的数字式遥测、传输。现在通过完善的通讯手段，千里以外的计 算机主站可以方便地进行监测、通讯和数据存储，实现了电力设备的操作、运行 和保护的智能化。微电子、微处理技术与开关设备相结合，能充分发挥微电子、 微处理技术对大量信息存贮、实时判断、快速反应等优点，使开关设备能适时根 据电网参数变化动作，使一次设备的保护更加完善可靠，并减少维护工作量，且 硕士学位论文第一章绪论 有利于实现遥信、遥测、遥控。以上这些技术都为配电自动化迅速发展提供了良 好的条件 2 1 。 1 2 1 国外发展现状 国外对配电网自动化的研究比较早，其发展也很快，在工业发达国家中配电 网馈线自动化都受到了广泛的重视，但由于各国配电网发展及地域性差异，其馈 线自动化方案也各有特色。 1 、日本 以日本关西电力公司为例，在2 0 世纪7 0 年代中期，该公司就在其配电网中引 入时序重合闸的馈线自动化系统，并安装柱上真空开关以减少停电持续时间。时 序重合闸系统的主要部件是带远程终端装置( r e m o t et e r m i n a lu n i t ，r 1 m ) 的自 动分段开关，能够把出现故障的一段从配电网中隔离出来。该馈线自动化系统使 得系统平均停电持续时间指标( s a i d i ) 从6 0 m i n 减少n 5 m i n m 。在2 0 世纪9 0 年代 初，关西电力公司就实现了初级配电网馈线自动化：能够通过监测和控制自动分 段开关，远距离操作配电设备，观测配电变电站设各运行状况，自动化系统的执 行机构能够自动操作。在2 0 0 0 年4 月关西电力公司开始安装试运行高级配电网馈 线自动化系统。当变电站或配电系统某部分发生故障时，该系统通过多步互换计 算功能实现合理选择邻近配电线路和自动恢复送电。系统中采用的快速算法结合 了图论分析法和人工智能，即使变电站发生大范围停电事故，完成整个系统的计 算时间也不会超过l s ，如图1 3 所示。 ， i 绝缘架空线路 l空气绝缘开关 i 时序霞合闸 、 i 避雷器、保护线 0 i 配电自动化 b = 土。 1 9 6 01 9 6 51 9 7 01 9 7 51 9 8 01 9 8 5 1 9 9 01 9 9 51 9 9 9 is a i d i + s a i f i s a i d h 系统平均停电持续时间 s a i f h 系统平均停电频率 图l 一31 9 6 0 2 0 0 0 年日本s a i d i 和s a i f i 可靠性指标 4 o 5 o 5 o 5 如 ” 抛 吣 。 姗 瑚 枷 啪 m 如 o 硕士学位论文第一章绪论 2 、欧美 欧美国家配电网发展较早，其配电线路以放射为主，中性点小电阻接地。其 配电网馈线自动化方面的研究还要早于日本，在7 0 年代就实现了线路的自动查 寻并隔离故障和灭弧介质的无油化，并研制了微机型的远动装置。之后又一直保 持了久盛不衰的配电自动化发展浪潮。早在1 9 9 8 年，英国的供电可靠性就已经 达到9 9 9 8 8 ，美国为9 9 9 8 4 ，法国是9 9 9 9 1 。其馈线自动化的发展经历了 三个阶段，分别是柱上开关设备自动化、运方监控自动化和计算机配电自动化。 目前已实现了以“四遥”为特征的计算机实时控制，使配电网处于安全可靠、经 济优质的运行状态【4 5 】。在馈线自动化的通信系统中，得到广泛使用的是无线寻 呼通信网络和有线通信相结合的方式。但目前尚没有能够满足馈线自动化系统各 个层次需求的通信技术，所以往往由多种通信技术组成综合的通信系统，各个层 次按实际需要采用合适的通信方式。 1 2 2 国内发展现状 随着我国经济的快速发展，整个社会对电力始终存在巨大需求，因而主要矛 盾还是体现在电力的生产和需求不平衡，需求大于供给，并且差额较大。近年来， 我国投入巨资发展电力事业，其中大部分资金都投入到发电、输电项目中，目前 我国发电装机容量巳超过1 7 亿千瓦，跃居世界第二位。而长期以来对配电网的 建设未得到应有的重视，与发达国家相比，我国配电设施因资金短缺、网络薄弱， 设备技术性能落后，运行管理不规范，因而事故较为频繁【嗣。 我国配电网由于历史原因城市配电网和农村配电网发展速度不同、差距较 大。其中城市配电网的特点是供电负荷相对集中，供电环境好，网络分布范围广； 网络以架空网为主，约占配电网总长的8 4 ；网络拥有的装备数量多。突出的 问题是网架结构薄弱，主次网架不清晰，基础设施较差，能耗大，抵御事故能力 低，供电可靠性低。我国农村电网的特点是供电半径大，负荷小而分散，导线截 面较细，可靠性较低的“瓶颈”线路、迂回供电线路普遍存在，在高峰负荷时往 往造成负荷端电压极低，总体上落后于城市电网，电能质量差，用电可靠性差且 不安全。 为了改变这种局面，我国从1 9 9 8 年以来投入了大量资金，在全国范围内大 规模的实施配电网改造，截止2 0 0 2 年底我国已开展了各种形式的配电自动化系 统的单位约占全国地级市供电企业的2 5 3 0 ，覆盖线路长度约占其全部中 压线路长度的6 8 r ”，尽管经过电网改造，我国的配电网的安全性、可靠性、 和供电质量有较大提高，损耗明显降低，但仍然存在不少的问题。据2 0 0 0 年对 2 8 6 座城市统计，供电可靠性为9 9 8 8 7 ，与发达国家相比还有较大差距吲。 硕士学位论丈第一章绪论 馈线自动化系统开发建设初期，多为引进设备和技术，近年来国内自主开发 的设备技术已有相当大的比例，如各种型式的国产配电自动开关己达4 5 ，f t u 、 d t u 和t 1 u 国产化率己分别达到7 0 、9 0 和几乎1 0 0 。但是我国对配电自 动化的研究起步较晚，技术积累不够，经验欠缺，配电设备的某些性能还不能满 足配电自动化的要求。馈线测控终端、通信及配电的一次设备等关键环节的可靠 性比较薄弱，易受户外环境的影响。 在f t u 的研究设计方面，我国目前还主要使用单片机来作为f t u 的控制核 心，而随着馈线自动化对控制、通信、计算等方面的要求不断提高，d s p 芯片在 f 1 u 的研究设计中将会得到更加广泛的应用。馈线自动化使用的故障区域定位 算法和单相接地故障诊断算法在实际使用中都或多或少存在着一些不足，所以还 需要采用新的技术使其向智能化发展来提高准确性和可靠性。 1 3 课题研究的现实意义 由配电网在国内外的发展及其对比可知，尽管从上世纪9 0 年代末以来我国 加大了对配电网的建设力度，但是我国城乡电网的配电自动化技术、设备、水平 等多方面还是有明显的不足。 国家电力公司从总体上提出了明确目标：至1 1 2 0 1 0 年，经过1 0 年时间的建设， 要使我国城市1 0 千伏配电系统实现自动化运行管理的目标，使城市供电可靠性达 至f 9 9 9 9 0 。当前中国的城网改造包括两部分内容：首先是加强对城市配电网结构 的改造，其次是通过实现配电系统自动化来大幅度提高配电系统的运行管理水 平。农村电网中，最关键的是1 1 0 k v 和3 5 k v 变电站的建设，现阶段的农网改造中， 变电站向户外式、小型化、箱式发展，开关设备逐步向智能化和无油化发展。调 度自动化从“两遥”逐步扩展到“四遥”，并向“无人值班和少人值守”的方向 发展。大量的统计资料又表明，配电网的事故占电网总事故的9 5 以上，而配电 事故中瞬时故障又占9 0 ，永久性故障仅占事故的1 0 左右。 由此可见，研究配电网终端现场智能测控装置对于保证供电的可靠性、稳定 性，改善供电质量，切实提高企业的经济效益和工作效率具有重要意义。 1 4 论文的结构安排 本文共分六个章节，分别从配电网系统、馈线自动化模式、馈线接地保护、 故障区域定位算法、硬件软件设计和通信系统等方面研究了配电网馈线自动化的 智能化技术。下面分别介绍各章的主要内容： 6 硕士学位论文 第一章绪论 第一章为绪论，主要分析了配电网及其自动化的特点。介绍了配电网自动化 的整体构成、国内外的发展现状以及课题研究的现实意义 第二章主要分析配电网馈线自动化的实现模式。针对配电网系统、馈线自动 化系统的特点、要求和组成模式的分析，讨论了馈线自动化的不同实现模式。详 细分析了无通信基于自动开关的馈线自动化和基于通信的f 1 u 馈线自动化的实 现特点和保护性能，分析了最优馈线自动化方案的标准并介绍了系统所采用的馈 线自动化方案。 第三章分析了配电网馈线接地故障，讨论了不同小电流接地系统发生单相接 地故障时的故障特点和电流变化。比较了发生单相接地故障时配电网的零序电流 和负序电流，确定馈线自动化系统采用零序负序电流相结合的故障诊断方法。 第四章重点分析了配电网故障区域定位算法。介绍了网络式定位算法，进一 步提出了基于多a g e n t 系统( m u m - a g e n ts y s t e m ，m a s ) 的智能化配电网馈线 保护原理，给出了b t a s 的网络结构，设计了a g e n t 的体系结构和核心决策模块 的判断规则。 第五章主要介绍了f 1 u 系统的硬件和软件设计在分析馈线终端功能的基 础上，结合第四章提出的算法的要求，设计了基于高性能d s p 的f 1 u 硬件系统， 给出了硬件体系结构和各模块的电路原理图。同时本章还设计了刖系统的总 体软件流程，分析了交流采样算法。系统采用大量的抗干扰设计，能够有效提高 系统整体的可靠性和抗干扰能力。 第六章为馈线自动化系统的通信系统的设计通过分析配电网通信系统特 点，通信系统采用了基于c a n 总线的通信方式，采用d s p 芯片自带的c a n 总 线控制器结合总线驱动电路构成c a n 总线通信模块，设计了信息的发送和接收 的操作过程。 7 硕士学位论文第二章配电网馈线控制系统研究 第二章配电网馈线控制系统研究 2 1 馈线自动化的特点 馈线自动化是实现配电网自动化的核心，也是解决配电网供电可靠性问题的 主要环节。主要指变电站出口到用户用电设备之间的馈线线路自动化。国际电气 电子工程协会( i e e e ) 对馈线自动化定义为对配电线路上的设备进行远方监视、 协调及控制的集成系统。内容包括：l 、正常情况下的状态监测、数据测量，2 、 事故状态下的故障检测、故障隔离、负荷转移和供电恢复。馈线自动化是配电自 动化系统的基础。 一般而占配网馈线自动化的功能具体有如下几个方面：数据采集与监控 ( s c a d a ) ，即通常所说的远动，遥信、遥测、遥控、遥调等四遥；故障定位、 隔离及自动恢复供电，即线路故障区段的定位隔离及无故障区段供电的自动恢 复；无功控制，包括线路电压的调整和无功功率的控制；电能质量监测，检测线 路电压波动、电压闪变、电压畸变及谐波等参数，并通过通信网络上传到管理控 制中心。其中，故障处理功能是最重要的功能，是提高供电可靠性，改善电能质 量的关键。 馈线自动化的主要作用就是在正常情况下监视馈线负荷并优化运行方式，在 故障发生时，实现故障段的自动定位，迅速隔离并恢复非故障区段的供电，可以 减少停电时间，缩小故障停电范围，提高供电的可靠性。远方对配网进行监视和 控制以及其他的管理过程，可为实现配网潮流优化和经济运行打下良好的基础。 2 2 馈线自动化的模式分析 故障自动诊断、隔离与恢复是馈线自动化较重要和关键的功能。馈线自动化 技术的应用，从早期的单个电力环路、双电源，逐步扩大到多个电力环路、多个 备用电源。电力环路有架空馈线手拉手；地下电缆环网柜电力环路或架空，电缆 混合型电力环路；开闭所之间手拉手电力环路。配电网一次接线的网络结构越来 越复杂，系统对配电网馈线自动化的要求也越来越高 9 - 1 1 】。根据用户不同的需求、 配电网络不同的接线方式和通信模式的不同和故障隔离、网络重构策略的着重点 不同，馈线自动化技术的解决方案经历了分布式就地控制模式，远方集中监控、 分层处理模式以及综合智能控制模式三种控制模式，前两种模式使用比较广泛。 但随着电力系统综合自动化的升级改造和不断完善，综合智能控制将是以后的主 8 颈十学位论文 第二章配电嘲馈线控制系统研究 要发展方向。 2 2 1 配电网常用设备 断路器、重合器和分断器是配电网自动化中常用的自动化设备。下面将简单 介绍这三种设备的工作原型”。 l 、断路器 断路器是电力系统中重要的工作和保护设备，对维护电力系统的安全、经济 及可靠运行有着非常重要的作用。其功能为，能够带负荷通断电路，并接通和承 受一定时间的短路电流；能在保护装置作用下，在短路、过负荷和低电压时自动 跳闸，切除短路故障；当负荷投入或转移时，其能准确的开、合；当设备出现故 障或母线、输配电线路出现故障时，其能有选择的动作，保证非故障点的安全连 续运行。 按断路器的工作电压，其可分为高压断路器和低压断路器。高压断路器按其 采用的灭弧介质可分为油断路器、六氟化硫( s f 6 ) 断路器、真空断路器及压缩 空气断路器等。低压断路器主要指车间变电所变压器低压侧使用的断路器。按灭 弧介质可分为空气断路器和真空断路器等。按保护性能可分为有选择型和非选择 型两类。非选择型断路器一般为瞬时动作，只作短路保护用；也有的为长延时动 作，只作过负荷保护作用。选择型断路器分两段保护、三段保护和智能化保护等 类型。两段保护为瞬时或短延时与长延时两段。三段保护为瞬时、短延时与长延 时特性三段其中瞬时和短延时特性适用于短路保护，而长延时特性适用于过负 荷保护。智能化保护类型由微机控制，保护功能更多，选择性更好，一般称为智 能型断路器。 2 、重合器 重合器( r c c l o s c ) 是一种能够检测故障电流，并在给定时间内遮断故障电 流，能按预定的开断和重合顺序自动进行开断和重合操作，并能自动复位或闭锁 的控制保护功能的开关设备。 一般重合器的动作特性可以分为瞬时特性和延时动作特性两种。瞬时特性是 指重合器按照快速动作时间一电流特性跳闸；延时动作特性则是指重合器按照某 一慢速动作时间一电流特性跳闸。 3 、分段器 分段器( s e c t i o n a l i z e r ) 是配电网中与电源侧保护装置和开关配合用来隔离 线路区段在火压线无电流的情况下自动分闸的开关设备。分段器装有检测主回路 电流值的电流互感器，其输出送给电子控制器进行数字处理。分段器不能用来开 断故障电流，面当线路出现故障电流时，由电源侧保护装置切断故障线路，分段 9 硕士学位论文第二章配电网馈线控制系统研究 器电子控制器可记忆开断故障电流的动作次数，计数达到预先整定的动作次数之 后，重合器开故障线路的瞬间，分段器自动断开，使故障线路隔离开来，使重合 器成功重合无故障区段。若线路故障是瞬时故障，则分段器计数未达到预先整定 的次数，重合器再次重合，分段器不分段，如此可恢复线路的供电。 分段器按相分类可分为单相和三相，按控制方法可分为液压和电子的。分断 器的关键部件是故障捡测继电器( f a u l td e t e c t i n gr e l a y ) 跟据判断故障的方式的 不同，分断器可分为电压一时b j 型分段器和过流脉冲技术型分段器两类。 电压一时间型分段器，其原理是凭借加压、失压的时间长短来控制其动作， 失压后分闸，加压后合闸或闭锁。该型分段器适用于各种网络结构的配电网。 过流脉冲计数型分段器，此型分段器通常与前级的重合器或断路器配合使 用，它同样不能断开短路故障电流，但在一段时间内，其有记忆前级开关设备开 断故障电流动作次数的能力。在计数到预定次数后，当前级开关开闸，将线路从 电网中短时切除的无电流间隙内，过流脉冲型分段器分闸，切除故障区段。若在 一段时间内计数没有达到预定次数，则过流脉冲型分段器会清零并恢复到预先整 定的初始状态。 2 2 2 基于自动开关的无信道馈线自动化 以重合器和分段器等开关器件构成的配电网馈线的自动化模式，一般可以分 成两种方式：断路器或重合器+ 分段器方式和完全采用重合器方式。尽管其具体 构成方式各有不同，但他们的共同特点是依靠每台开关的整定值不同来进行配 合，依赖于重合到故障段上或通过记忆合闸次数分段切除以识别故障区段，然后 再加以隔离和恢复供电。其工作原理具体分析如下【协1 4 1 ： l 、断路器或重合器+ 分段器方式 如图2 一l 所示为一环状配电网。b 1 、b 2 为重合器，s 1 、s 2 、s 4 、s 5 为分段 器。s 3 为环网常开联络开关。其中，重合器可以分断短路电流。分段器只能关合 短路电流而没有切断短路电流的能力。常开联络开关s 3 在检测到两侧线路都有电 压时说明环网供电正常，若检测到任一侧电压信号消失，则表明该侧供电中断， 此时s 3 合闸对其供电。b 1 、b 2 的重合次数设定为3 次，s l 、s 5 设定为2 次，s 2 、 s 4 设定为1 次，s 3 为2 次。 假设图中s 1 至s 2 段线路发生瞬时性故障，b 1 检测到短路电流跳闸后延时t l 重合闸。分段器s l 、s 2 设定失压后延时t 2 再分闸。因为设定t l t 2 ，则b 1 合闸后s l 、 s 2 还未完成分闸动作，处于合闸状态。这样，b l 就可以在t l 时间内排除瞬时故障。 若该段发生永久性故障，重合器b 1 在检测到短路电流后跳闸，经一次重合使s 2 闭锁。经过t l 后重合器b 1 第二次合闸，检测到短路电流后再跳闸，经第二次重合 l o 硕士学位论文第二章配电蹦馈线控制系统研究 使得s 1 闭锁。常开联络开关s 3 检测到一侧失压后，闭合开关向其供电。系统切 除故障线路恢复非故障段供电。 一重合器( 或断路器) 分段器 图2 一l 基于断路嚣或重舍器+ 分段器的馈线自动化系统 基于断路器或重合器+ 分段器方式的馈线自动化无需通信设备，由分段器对 线路进行分段，通过分段器检测电压信号，根据加压时限，经断路器或重台器的 多次重合，实现故障自动隔离，投资少。但是隔离故障需要多次重合，增加了对 系统的冲击次数；隔离故障时会影响非故障区段，造成非故障区段的停电；馈线 越长，分段越多，逐级延时时间越长从而故障处理和恢复供电的时间也越长。 2 、完全采用重合器方式 以前开关的灭弧技术不是很成熟，因而重合器与分段器相比，其价格很高。 近年来，真空开关的价格呈逐渐下降趋势，与分段器的价格差距不断减小。因此 可以考虑在配电线路上全部使用重合器，为馈线自动化的实现提供了一种新的可 能。 如图2 2 所示，b i 、b 2 为断路器( 或重合器) ，s l 、s 2 、s 4 、s 5 为重合器， s 3 为环网常开联络开关当馈线上发生故障时，如果流过重合器的电流超过其定 值或重合器失压，则重合器跳闸，并按预先整定的动作顺序和次数进行合一分的 循环操作若重合成功( 瞬时性故障) ，则终止后续动作，经一定延时后重合器 复位，准备好下一次的动作；若重合不成功( 永久性故障) ，则完成整定次数的 合闸操作后闭锁在分闸状态，馈线的故障区段被隔离，这时只能通过手动解除闭 锁。 基于完全采用重合器方式的馈线自动化也无需通信设备，利用重合器本身切 硕士学位论文第二章配电刚馈线控制系统研究 断故障电流，可以通过较少次的重合以及保护动作时限的相互配合，实现馈线故 一重合器( 或断路器) 图2 2 完全采用重合器的馈线自动化系统 障就地自动隔离，避免了因某段故障导致全线路停电的情况，同时减少了出线开 关的动作次数。但是由于全部装配重合器投资大，分段越多，保护配合越复杂， 变电站出线开关的速断保护延时就越长，对末端故障能较好处理，但当出线端发 生故障时，对系统的影响较大。 从上面的分析可以看出，无信道故障分布处理是馈线自动化的。初级阶段”。 该方式通过配电自动化开关设备相互配合实现馈线自动化，利用配电网已有的柱 上自动化开关和重合器，结构简单，建设费用低，不需要建设通信网络和增加其 他设备，不存在提取电源问题，是一种简单经济的方案。但其主要功能是自动化 开关和重合器在故障时相互配合实现故障定位、隔离和配电网重组，在配电网正 常运行时，不能实时监视线路的负荷，无法掌握用户用电规律，故不具备正常运 行时的监控和优化配电网运行方式的作用。此外，其不足还包括以下方面：当配 电网运行方式改变时，必须到现场调整配电自动化设备相互配合的定值；对于可 以通过多途径供电的配电网，在故障后的配电网重构时，无法确定最佳恢复供电 方案；依靠主变电所出线重合器的动作实施对整条馈线的保护，若重合器的动作 失灵，则可能扩大事故范围或扩大停电范围；由于自动化开关和重合器的多次动 作，对设备的冲击大，且恢复供电时间长【1 5 】。 通过通信网络和馈线终端单元实现的馈线自动化方案( 即基于f t u 的有通讯 馈线自动化方式) 具有智能化和信息化特征，故障时快速自动实现故障定位和隔 离，并采取安全和最佳方案恢复对非故障区段供电；正常时监控配电网运行，能 硕士学位论丈第二章配电嘲馈线挣制系统研究 够优化运行方式，实现安全经济运行；并且通过远方修改和召唤功能，可以灵活 修改定值，适应配电网运行方式的改变；同时可以和g i s 、m i s 等联网实现全局 信息化。与无信道配电设备方案相比，其具有明显的先进性。 2 2 3 基于f 1 u 的有信道馈线自动化 兀u 是具有通信通道，能完成数据采集和远方控制等功能的装置。n u 一般 安装在户外馈线分段开关处，或是配电变压器处。在配电网馈线的各个区段上， 兀u 控制着负荷开关的分合操作，并通过可靠的通信网络和配电网控制中心的主 机相连，再结合相关的专用软件构成一个高性能系统。作为馈线自动化的核心设 备，f t u 发挥着重要作用。 典型的基于f 1 u 的馈线自动化系统的组成如图2 3 所示。 配电主站层 配电子站层 配电终端层 一馈线一数据线一通讯链路 一断路器of 1 u联络开关。分段开关 图2 - 3 基于兀u 的馈线自动化系统的典型结构 在图2 3 所示的系统中。各f 1 u 分别采集相应柱上开关的运行情况，如负荷、 电压、功率和开关当前位置、贮能完成情况等，并将上述信息经由通讯网络发向 远方的配电自动化控制系统，各f t u 还可以接受配网自动化控制中心下送的命令 进行相应的远动操作以优化配网的运行方式。在故障发生时，各刖记录下故障 前及故障时的重要信息，如最大故障电流和故障前的负荷电流、最大故障功率等， 并利用上述信息分析并判断出故障区域并控制各开关配合切除故障区段、恢复健 全区段供电。 硕七学位论文第二章配电朗馈线控制系统研究 配电主站、配电子站、馈线配电终端是构成配网自动化的三个重要组成部分。 根据各层在配电网自动化系统中作用的大小，基于f t u 的馈线自动化系统可分 为以下两种：主站控制为主的馈线自动化和子站控制为主的馈线自动化方式。下 面将详细分析比较这两种方式的特点。 l 、主站控制为主的馈线自动化 配电主站层在系统的最上层，是整个配电自动化监控和管理系统的核心，它 依靠通信来实现配电网全局性的数据采集与控制，负责整个配电网系统的监视和 管理，分析配电网的运行状态，完成全网范围内的故障处理，同时提供设备管理 和地理信息系统，并提高配电高级应用软件，以实现对整个配电系统的优化运行。 以主站控制为主的馈线自动化是指开关或环网柜的f 1 u 都要与配调中心站 通信，故障隔离操作由馈线自动化主站以遥控方式进行集中控制的馈线自动化方 式。在主站层实现的馈线自动化功主要实现如下，当线路出现故障时由变电站出 口断路器跳闸保护，再由主站收集所有f 1 u 的信息，处于故障线路靠近电源方 向的唧将检测到故障电流，而处于故障线路远端的f 1 u 将不会检测到故障电 流，由此主站将能够判断出故障所处区段，经过自动化软件处理后得到执行策略， 切除故障线路并对非故障线路恢复供电。 这种基于通信的馈线自动化方案以配电主站的集中控制为核心，综合了电流 保护、r t u 遥控及重合闸功能，能够快速切除故障，在几秒到几十秒的时间内 实现故障隔离，在几十秒到几分钟内实现恢复供电。配电子站不具有控制功能而 只是负责终端层信息向主站的传送和主站控制信息向兀u 的下达，配电终端仅 要求具有咖功能。 主站监控方案中故障识别、故障网络拓扑分析、故障定位、故障负荷转移都 由配电主站集中处理，形成顺序控制策略，再通过远方通信逐项完成。配电网紧 急控制功能及逻辑全部由主站实现。 主站控制为主的馈线自动化依赖于配电网通信的正常运行，当通信系统发生 故障或主站发生故障，都会导致整个控制系统瘫痪，失去故障隔离、恢复供电等 功能。因此，这种完全依赖通信的主站集中式控制模式可靠性较差。 2 、子站控制为主的馈线自动化 配电子站通常位于变电站或配网分控制中心，其功能涵盖通信处理和就地监 控。与变电站综合自动化一样，配电子站在子站层能够独立实现对馈线的信息采 集与控制。与主站控制为主的馈线自动化的最大不同在于在馈线故障处理中，故 障识别、故障隔离以及网络重构功能可以由配电子站独立完成。这种控制方式将 主站中紧急控制部分功能下放，将控制功能赋予子站，减弱了馈线故障处理对主 站的依赖，是目前比较普遍的馈线自动化实现方式。 1 4 碗士学位论文 第二章配电网馈线控制系统研究 该控制模式需要协调解决故障隔离与故障负荷转移的关系。如果电力环路一 次接线涉及多个变电站，配电网络重构超出了一个变电站的辖区范围，这种情况 下配电子站只能做到故障定位、故障自动隔离。由于主站能够基于配电网全局的 拓扑信息给出全局最优的故障负荷转移方案，所以网络重构功能由主站从全局出 发，按网络优化的原则进行网络重构。 实际上只有在复杂的大型配电网中发生大范围故障时，才会出现较大的负荷 需要转移，自动化系统将通过复杂的拓扑分析给出一系列顺序执行的转移负荷方 案。然而通常情况下，馈线故障的恢复供电措施都很简单，只需考虑联络开关投 入备用电源是否能够完成负荷转移。对于这种单一操作是完全可以通过配电子站 来完成的。 该方案的进一步改进是由主站在正常运行状态进行故障预想，在线生成控制 策略，并下载到配电子站中，明确哪些故障可以由配电子站直接进行故障负荷的 转移，主站作为该项任务的后备 1 6 3 7 1 。 2 3 馈线自动化系统的优化设计 2 3 1 馈线自动化最优控制模式的标准 由上文叙述并参见表2 一l 可知，基于自动开关的无信道馈线自动化由于其 结构简单、建设费用较低而得到了大量的使用，但是这种方式在发生故障时，虽 然能够判断并自动隔离故障区段，恢复健全区域供电。但是此种故障切除