（电机与电器专业论文）馈线故障隔离识别和开关智能控制器的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed i s t r i b u t e da u t o m a t i o ns w i t c h e so p e r a t e dn o w a d a y sd o n th a v ec u r r e n ta n dv o l t a g e s e n s o r so ne a c hp h a s e ，a n dm o s t l yh a v en oc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n s o 也c yh a v et o o p e r a t ew i m f t u si nf as y s t e m sb a s e do nc o m m u n i c a t i o n a c c o r d i n g l yt h ef a s y s t e m s c a n n o tl o c a t es i n g l ep h a s eg r o u n d i n gf a u l ti nn o e f f i c i e n tg r o u n d i n gp o w e rs y s t e m s a c c o r d i n g t ot h ea n a l y s i so f t h ea c t u a i t ya n dd e v e l o p m e n tt r e n d so f f a s y s t e m ，an e w f as c h e m eb a s e do nan e w t y p eo f d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns w i t c hw i 也i n t e g r a t e dc u r r e n t a n dv o l t a g es e n s o ro ne a c hp h a s ea n di n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ri sb r o u g h tf o r w a r di nt h i s s c h e m e ，e a c hc o n t r o l l e rc a nl o c a t es h o r tc u r r e n tf a u l ta n ds i n g l ep h a s eg r o u n d i n gf a u l ti n n oe f f i c i e n tg r o u n d i n gp o w e rs y s t e mb ya n a l y z i n gt h ec o l l e c t e dd a t aa n dt h er e c e i v e d i n f o r m a t i o n c a nb u sn e t w o r kv i ao p t i c a lf i b e rh a sb e e nc h o s et ob ec o m m u n i c a t i o ns c h e m e ，w i t h t h e d e s i g n e d f l a m ef o r m a ta n dt h ek n o ta d d r e s sd e f i n e m e t h o d ，f l e x i b l eg r o u p c o m m u n i c a t i o ni s s u p p o r t e d i nt h e s c h e m e ，t h u s d e c r e a s et i m e e x p e n s e i n c o m m u n i c a t i o na n dr e s u l ti ns p e e d i n gu pr e a lt i m er e a c t i o n s i n c et h el o c a t i o na n di s o l a t i o no ff a u l ts e c t i o ni st h ek e yf u n c t i o no ff a s y s t e m s ，s t u d y h a sb e e nd o n eo n3m a t r i xa r i t h m e t i c n o n eo f 也e s ea r i t h m e t i cc a nl o c a t et h ef a u l tt h a t o c c u r sa tt h ee n do fb r a n c h e so fn e t w o r k s a sar e s u l to ft h es t u d y ，an e w g e n e r a lm a t r i x a r i t h m e t i ci sp r o p o s e da n das i m p l i f i e da c t u a l i z em e t h o ds u i t e dt om e s ha r c h i t e c t u r ei n r a d i a lo p e r a t i n gi sp u tf o r w a i d v i at h e s s t c h e s ，w h i c h h a v ec u r r e n ta n d v o l t a g e s e n s o ro ne a c h p h a s e a n d c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n 1 0 t so fj n f o r m a t i o nc a nb eg a i n e d b a s e do nt h ed i s 砸b u t e d o n l i n em o n i t o r i n go nz e r os e q u e n c ec u r r e n ta n dz e r os e q u e n c ev o l t a g e ，an e wm e t h o do f l o c a t i o ns i n g l ep h a s eg r o u n d i n gf a u l ts e c t i o ni nn oe f f i c i e n tg r o u n d i n gp o w e r s y s t e mi s p r o p o s e d ，t h a tt h es i n g l ep h a s eg r o u n d i n gf a u l ts e c t i o no f af e e d e rc a nb el o c a t e db y m o n i t o r i n gz e r os e q u e n c ec u r r e n ta n dz e r os e q u e n c ev o l t a g eo nt h es w i t c hk n o t so ft h i s f e e d e r m a u 8 bs i m u l a t i o n st e s t i f yt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dc a r l c o r r e c t l yl o c a t e f a u l t s e c t i o n s ，j u d g e m e n t s a r en o tr e l a t e dt og r o u n d i n gf a u l tr e s i s t a n c ei nt h e o r y t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ra r ed e s c r i b e di nt h i s t h e s i s i nh a r d w a r ed e s i g n ，t w op i e c eo fm a x l 2 5i s a d o p t e dt os a m p l es i m u l t a n e o u s l y e a c hp h a s ec u r r e n ta n dv o l t a g ef o rt h ep u r p o s eo fo b t a i nz e r os e q u e n c ec u l t e n ta n dz e r o i i 华中科技大学硕士学位论文 s e q u e n c ev o l t a g e ，r e a da n d w r i t ec o n t r o ll o g i ca n da d d r e s sc o d i n gr u n i o ni se x e c u t e di n ag a li c ，t h e r e f o r e s i m p l i f i e d c i r c u i t d e s i g na n di m p r o v et h ee m cc a p a c i t y t h e 0 1 3 一t h e s t a g e t a s k b a c k g r o u n d s t r u c t u r ei ss e l e c t e di ns o f t w a r e d e s i g n ，s o t h a tt a s k o p e r a t i o nw i l ln o tb er e s t r i c t e d t ob ed o n ed u r i n gt h es i m p l ei n t e r r u p tp e r i o d ，a n dm e e t w i t ht h em u l t i t a s kr e a l t i m er e q u i r e m e n to f s y s t e m f i n a l l y , as u m m a r ) 7a n ds o m et e n t a t i v ep l a n o nt h ee x t e n d e dr e s e a r c hi s b r o u g h i f o r w a r d k e v 、v o r d s ：d i s t r i b u t i o ns y s t e m f e e d e ra u t o m a t i o n ， l o c a t i o na n di s o l a t i o no f t h u l ts e c t i o n ， d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n s w i t c h e s i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r j j j 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论m 1 当今社会的高速发展，使得全社会对电能的需求和依赖程鏖日益提高。配电系 统与用户直接相连，提高配电系统的可靠性和供电质量至关重要。 配电自动化系统是对配电网上的设备进行远方实时监视、协调和控制的个集 成系统，配电自动化是电力系统现代化的必然趋势。作为配电自动化系统的重要组 成部分，馈线自动化系统的功能是在正常工况下，远方实时监视馈线分段开关与联 络开关的状态和馈线电流、电压情况，并实现线路开关的远方合、分闸操作；在故 障时获取故障记录，并自动定位和隔离馈线故障区段，恢复对非故障区段的供电。 配电目动化开关是馈线自动化的关键设备，进行配电自动化开关智能化的研究 工作对促适馈线自动化技术的发展有重要意义。 11 配电网馈线自动化的现状刚5 目前配电网馈线目动化已有多种方案这些方曩主要建立在环网供电丌环运行 ! 网络结码基础之上大体可以划分为无通信联系就地控制方案和基于通信的智能 控制方粟两大类。 11 1 无通信联系就地控制方案” 111 1 电压配合方案 在这和方案中，采用重合器或有重台闸功能的断路器作为变电站出线开关，以 电压一时间型分段器作为馈线分段开关，方案示意如图1 一l 。 电游a电源b 图1 1 电压配台寺案 馈线上发生故障时，重合器( 或断路器) 开断故障电流，并延时重合，以区分 瞬时性故障和永久故障；分段器则根据加压、失压的时间长短来控制动作，重合器 ( 断路器) 分段器共同配合完成故障区段的隔离和恢复供电。 这种方案的缺点在于：故障影响范围大，隔离故障所需时间长，出线开关多次 重合才能隔离故障，增加了对配电系统一次设备造成的冲击。 11 1 2 电流配合方案 华中科技大学硕士学位论文 电流配合方案包括两类：重台器过流脉冲计数型分段器配合方案和重合器 重合器配合方案。 重合器过流脉冲计数型分段器配台方案 这种方案采用重合器( 或有重合闸功能的断路器) 做为变电站出线开关，用过， 流脉冲计数型分段器作为线路分段开关。在馈线发生永久性故障时，出线开关会多 次重合，如果分段器达到预定的“记忆”次数，在出线开关将故障电流开断的无电 流间隙内，分段器将闭锁于分闸状态，达到隔离故障区段的目的。 此方案的缺点与前述的重合器电压一时间型分段器配合方案类似。 重合器重合器配合方案 中源a电源b 图1 _ 二电流配合方案 重合器重合器配合方案中变电站出线开关和馈线分段开关均采用重合器， 方案示意如图1 2 。此方案通过前后级重合器之间保护动作延时的配合，利用重合器 开断故障电流的能力，能实现故障的就地隔离。这种方案与前两种相比，投资较大， 但故障影响范围较小，同时也减少了开关动作次数。但由于配合困难实际运行中常 出现越级跳闸的现象。 从总体看，此类方案无需建立通信信道，投资较少，但仅具有隔离大短路电流 故障和恢复供电的功能且故障处理速度慢，目前已不能适应配电自动化的发展需要。 112 基于通信的智能控制方案1 j 2 0 采用基于通信智能控制方案的馈线自动化系统具备遥控、遥信、遥测、遥调的 功能，是现代配电自动化系统的有机予系统。 1 1 2 1 基于s c a d a 系统的集中控制方案 典型的基于s c a d a 系统( 数据采集和监控系统) 集中控制方案示意如图1 3 。 采用此方案的系统中，各f t u ( 馈线开关远程式终端单元) 采集相应的数据信息，并 通过s c a d a 系统的通信网络将数据上传至配电网自动化控制中一h 各f t u 接受配 电网自动化控制中心的命令进行相应的远方倒闸操作，此系统中的区域工作站实际 上是通道集中器和转发装置。在故障发生时，各f n j 记录下故障的重要信息上传至 控制中心，由控制中心计算机系统分析信息，确定故障区段和最佳恢复供电方案， 华中科技大学硕士学位论文 最终以遥控方式隔离故障区段，并恢复供电。 幽j 3 基is c a d a 系统的控制声案 在此娄系统中，配电自动c 控制中心位于放射性连接的网络的中心节点 发生故障会导致灾难的后果： 1122 基于s c a o a 系统的分层分布控制方案 基于此方案的系统结构与上述集中控制方案相类似，但采取集中控制与分散分 _ 布处理相结合的策略，一般分为三个层次： 以f t u 为基础，主要完或故障检测与识别： 以区域工作站为辐射中t 、，完成在其辖区内馈线自动化处理和控制； 以配电网自动化控制中。为配调中心层，实现高层次全局管理和网络优化。 这3 个层次的分布处理相互关联，能在底层处理的，尽量在底层处理：底层处 理不了的，将信息转送上层处理，以保证馈线自动化处理的快速性、准确性。相 对于集中控制方案，此方案的可靠性和故障处理速度有一定的提高。 1 2 配电网馈线自动化的发展趋势 国际上配电系统自动化的一个发展趋势是由集中控制向分布式控制发展f 2 ”。在 馈线自动化层次上，分布式控制方式允许一组开关相互之间通信，根据共享的信息， 各个设备独立作出操作决定：豉自动切除来隔离故障区段，或重新闭合以恢复供电。 目前美国e n e r g y l i n e 系统公司的i n t e l l i t e a m 分布式控制系统已在芝加哥c o m e d 华中科技大学硕士学位论文 公司投入运行，此系统通过p t p ( p e e rt op e e r ) 通信方式，将2 - 7 个分段开关作为 一组进行连续监视，开关之间共享电路的电压，开关位置和故障状态信息，开关在 过流或电压低落到预定值时立即断开，将故障自动切除。通过p t p 通信系统，各开 关获得组内其他开关的开关位置信息，根据自身的位置独立决定操作，断开以隔离 故障或闭合以恢复正常区段的供电。国内也有文献提出了类似的馈线自动化解决方 案如：配电终端f a 就地解决方案、保护方式f a 解决方案，可统称为基于专用通信 网络的f t u 就地控制方案 2 “，示意如图1 4 。 图1 4 基于专用通信网络的f t u 就地控制方案 此方案的特点是通过在各f t u 之间建立通讯网络，由f t u 就地实现馈线自动化 功能。即在采用此方案的馈线自动化系统中，各f t u 根据现场采集数据和网络上 其他f t u 采集的数据进行故障识别和定位，独立做出开关操作决定，完成故障隔离。 网络重构自恢复供电，根据环路一次接线情况，有两种不同处理方式： 电力环路一次接线是双电源情况，开环点联络开关的f t u 就地控制自动恢 复供电。 电力环路一次接线两个电源以上，且馈线上f t u 不在一个网段内。这种情况 下开环点f t u 就地控制的判据不全，因此网络重构和目恢复供电由区域工作站或配 电网自动化控制中心完成。 相对1 1 节中的方案，基于专用通信网络的就地控制方案具有更快的故障处理 速度，由于现场设备具有独立处理故障的能力，配电系统不必依靠配电自动化控制 中心处理每一个事故，控制中心的故障对配电系统的工作影响将大大减小。 1 3 我们提出的新方案采用新型配电开关及其智能控制器实现高性能馈线自动 化 华中科技大学硕士学位论文 目前已上网的配电自动化开关都不具备三相电压电流传感器，且大多数不具备 远程通信功能，只能实现无通信的就地控制式的馈线自动化；必须加装f t u ，才能 实现基于通信的馈线自动化。但开关控制器和f t u 共同控制开关，会存在一些问题 1 2 3 1 。首先，二者均有单片机系统、采样系统、控制输出回路、电源系统，存在软、 硬件功能重复，造成资源浪费。其次，二者存在一定的配合问题，如远方定位、隔 离与当地隔离的配台，闭锁与解闭锁的远方与当地功能配合，远方控制与当地控制 何者优先等问题。另外，由于开关控制器与f t u 非同一厂家研制，造成接口、调试、 运行和维护不便。鉴于以上原因，有必要设计新型配电开关及其智能控制器，以实 现基于专用通信网络的高性能馈线自动化方案。 新方案的目标是：仅依靠条馈线上可相互通信的开关，完成此馈线相间短路 故障和单相接地故障的定位隔离。 除了研制具有远程通信、故障定位匀能的智能开关控制嚣以外，新方桑赖以买 观的另一基础是配巴开关的各钼具有满足工程要求的一体化巴压电流传感器。 本章分析了馈线自动化方蒹的现状和发展趋势提出采乓新型配电矸关及其鼍 能控制器实现基于亏用通信f 霹络的高性能馈线自动比方案的杠步设想。 华中科技大学硕士学位论文 2 采用新型配电自动化开关的高性能馈线自动化系统 21 高性能馈线自动化系统的目标 相对于现有的馈线自动化系统，本系统具有高可靠性、高速故障处理能力，不 仅能定位隔离相间短路故障，而且也能定位隔离小电流接地系统的单相接地故障： 能进一步减小故障影响范围，达到非故障区段基本不停电，隔离仅限于故障区段的 目标。双电源环网中开关的最大台数为2 0 台，预期达到的故障处理速度为：接地故 障隔离时间小于1 0 秒，永久短路故障开断隔离时间小于0 2 秒，永久短路故障发生 虱故障区段隔离的时间小于3 秒。 22 系统构成2 6 注：i c ( i n t e l l i g e mc o n t r o l l e r ) 开关智能控制器 圈2 1 妥嗣新型配臣自动化开关的离性能馈线自动化方素 系统采用基于专用通信网络的就地控制方式，由安装于环网上的新型配电自动 化亍关、配电子站、配电主站构成，系统示意如图2 1 。新型配电自动化开关的智能 控制器是馈线自动化系统的核，h 具有线路故障检测功能、高速通信功能、故障定 位二勺能。控制器可根据远方命令控制开关动作、上传数据、调整参数；根据采集和 共享的信息判断故障类型、定位故障区段，对开关就地控制以实现故障隔离。配电 子站负责采集开关上传数据和下达配电主站的命令。配电主站负责全局管理和网络 优化。在馈线正常运行时，配电子站对各开关控制器采用查询方式进行通信；馈线 故障时，各开关控制器主动发送故障信息，以提高系统的实时性。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 3 对2 种实现方案的选择，j 采用具有不同开断能力的开关，可构成2 种实现方案。 方案1 ：出线开关具有开断故障电流能力，分段开关具有开断正常工作电流能 力： 方案2 ：出线开关和分段开关都具有开断故障电流的能力。 我国配电网大多采用小电流接地方式，单相接地故障电流较小，上述方案都能 实现接地故障的就地隔离：对于相间短路故障，由于开关的开断能力不同，上述方 案的故障处理过程不同： 方案1 由出线开关开断故障电流，并延时重合，以区分瞬时性故障和永久故障： 若重合不成功，则再次分闸，各分段开关根据采集和共享的信息确定开关动作，与 故障区段对应的分段开关在无电流的情况下分闸隔离故障；出线开关重合，恢复非 故障区段的供电。 方案：可采用2 种故障处理方式： 由出线开关开断故障电流，并延时重合，以区分瞬时性故障和永久故障；若 重合不成功，各开关相百通信定位故障区段，与故障区段对应的分段开关就地玎 断故障电流隔离故障。 由各开关相互通信，定位故障区段，与故障区段对应的分段开关就地开断故 障电流，并延时重合以区分瞬时性故障和永久故障；若重合不成功，则再次分闸隔 离故障。 由于定位故障区段在计算和通信上的时间开销，方案2 的故障处理方式2 无法 实现无时延速断保护。方案2 的故障处理方式1 与方案1 相比较，故障影响范围相 同，故障处理速度较快，非故障区段只经历一次瞬时停电；方案1 的系统成本较低， 在通信网络速率相同的条件下，与方案2 的故障处理速度相差不大。综合考虑提高 性能和控制系统成本的要求，本系统采用方案1 ，系统故障隔离采用以下方式： 对于接地故障，出线开关不动作由分段开关隔离故障区段； 对于短路故障，由出线开关开断故障电流，分段开关在无电流条件下隔离故 障区段。 24 系统通信方案 电力系统中采用的通信方式有多种，如电力线载波、电话专线、无线通信、光 缆等。本系统的故障处理速度要求较高，必须采用高速通信方式，综合考虑通信的 可靠性、建设费用，系统通信方案确定采用c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 协议构 成总线型光纤通信网络。 241c a n 总线简介 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 是德国b o s c h 公司8 0 年代初开发的一种串行 华中科技大学硕士学位论文 数据通信协议。c a n 总线是一种多主总线，通信介质可以使用双绞线、同轴电缆、 光导纤维，最大通信速率为1 m b p s 。 c a n 协议基于广播机制，它废除了传统的站地址编码，代之以对通信数据块编 码，使得c a n 网络上的节点个数在理论上不受限制，这种按数据块编码的方式还使 得不同节点可以同时接收到相同的信息，这一点在分布式控制系统中非常有用。c a n 协议采用c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ya c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 无损仲裁 机制，避免了多主竞争时的数据丢失和出错，使得c a n 网络上的任意节点在合适的 时机都可以主动向网上发送信息，确保了网络对意外事件的反应能力。c a n 协议规 定了数据帧长度最多8 个字节，可以满足通常工业控制领域中控制命令，工作状态 和测试数据的要求也保证了系统的实时性。c a n 协议采用c r c 校验并提供了相应 的错误处理功能，保证了通信的可靠性。 c a n 总线通信接口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对 通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判断等工 作。c a n 芯片得到世界范围主要芯片制造厂商的支持，生产规模大，价格仅为其他 总线芯片的1 + 5 - l 1 0 。 综上所述，c a n 总线是分布式控制系统的理想通信方式。 242 通信速率的确定 系统故障处理速度与故障检测、数据通信、故障定位、开关动作等环节有关， 参照某系统模拟试验结果，以6 4 k b p s 速率全双工方式采集3 0 台开关的数据用】7 0 m s 完成；本系统要求永久短路故障发生到故障区段隔离的时间小于3 秒，除去首次快 速重合闸和其他环节的时间，则要求数据通信的时间小于1 秒，综合考虑到开关台 数、故障处理过程中的通信信息量、通信信息成帧处理后数据量的增加、适当的时 间冗余，确定系统的通信速率为1 0 0 k b p s 。 2 43 网络节点地址的分配方法【2 9 c a n 网络上各节点间通信用到的信息帧有两种：数据帧、远程帧。数据帧和远 程帧的帧起始位后都包括由标识符和远程发送请求位( r t r ) 组成的仲裁场。节点 报文接收器的接收滤波器有两部分组成：接收码寄存器( a c r ) 和接收屏蔽寄存器 ( a m r ) 。所有a m r 为o 的位，a c r 和c a n 信息帧的对应位必须相同才算验收通过； 所有a m r 为l 的位，a c r 对应位的验收滤波功能则予以屏蔽，c a n 信息帧的相关位 与验收结果无关【2 “。 若采用标准帧格式，标识符的长度为1 1 ( i d 1 0 i d ，0 ) 位，此时相应的a m r 、 a c r 均为8 位，对标识符的高8 位( i d 1 0 i d 3 ) 验收。以具有4 个节点的系统为例， 各节点的接收滤波器可设置如下： 节点1 ：a c r = 8 1 h ，a m r = b e h 节点2 ：a c r = 8 2 h ，a m r = b d h 华中科技大学硕士学位论文 节点3 ：a c r = 8 4 h ，a m r 2 b b h 节点4 ：a c r = 8 8 h ，a m r = b 7 h 根据上述节点地址分配，各节点均可实现对其他任意节点组合的成组通信。如 节点4 对节点1 、2 、3 同时发送信息，则节点4 发送信息帧的标识符高8 位为：8 7 h 或0 7 h 。 对于报文接收器，i d 1 0 = 0 或1 无区别( a m r 7 = 1 ) 。根据c a n 总线协议， 显性位“0 ”比隐性位1 具有更高的总线优先权，则i d 1 0 = 0 的信息帧比i d1 0 = 1 的信息帧具有更高的优先级。 此地址分配方法具有以下优点： 易实现单点对其他点任意组合的信窟、发送； 各节点都具有两种地址编码，且优先级不同。 考虑到本系统的最大开关台数为2 0 台，通信报文采用扩展帧格式，其标识符长 熏为2 9 ( i d 2 8 i d 0 ) 位，标识符和r t r 位分别对应4 个a c r 和4 个a m r ，只 是a c r 3 和a m r 3 的低2 位未使嗣。本系统中节点地址分配方法如下： 标识符低2 1 位( i d2 0 i d0 ) 用于验证，可实现对系统中任慈节点组合的成组 通信：高8 位( i d 2 8 i d 2 1 ) 可用于标识报文类型。 按此- ：芎法分配地址，系统e ；故障信息通信过程中，任意节点的信息均可采用戚 组通信方式同时发送到处于开环点同侧的各节点，从而减小信息通信过程的时间开 销，提高系统的实时性。 2 44 网络通信报文类型格式定义 表2 - 1 系统通信报文类型格式一览表 报史类型 i d2 8 i d2 7i d2 6i d 二j i d2 4j d ：3 i d2 2i d2 li d2 0 动作命令 0o 0o0 台闸，分闸解钙! j 蛳锐 修改参数 oo参数号( 0 4 3 i ) 1 动作应答 o0000台闸丹闸解铣闭锁 改参应答 ool1参数号o 3 i ) 短路报警 ooooo 相下过泓过流b 相不过漉，过流c 相不过流过流 接地报警 o01o a 姐束接埘接地b 相束接地胜地c 掘束接地接地 查询数据 o0啦据号( o 3 】 盘倒参数 l参数号( o 3 1 ) 发送数据 00数据号( 0 - - 3 i ) 发送参数 o1l参数号( 0 3 ” 注：表中前对应i ：“，”后对应0 华中科技大学硕士学位论文 系统通信报文未采用远程帧，报文类型由数据帧仲裁区的高9 位描述，定义如 表2 - 1 ；仲裁区的低2 0 位定义报文的目的地址，可以是系统中任意节点的地址，或 是任意节点组合的成组通信地址。根据报文类型的不同，报文的数据区内容不同， 描述如表2 - 2 。 表2 2 系统通信报文类型数据区描述 报文类型 b 1 n 芑ilb y t e 2b y r e 3b 1 m 4b 、t e 5b r t e 6b 1 仃_ e 7b v 丁e s 动作命令 源地址( 配电子站地址) 修改参数 源地址( 配电子站地址)参莨内容 动作应答 源地址 改参虚答 源地址参数内容 短路报警 源地址 接地报警 源地埘霉序电流数据 查询数据fn k t a ： 查询参数游圯蚯配电子站j u 址) 发送数据漱地蛐叛托内容 发送参数 源地址参采内容 上述报文中，动作命令帧、修改参数帧、查询数据帧、查询参数帧用于支持远 方“四遥”，查询数据帧也用于系统中各节点间的相互查询；动作应答帧、改参应 答帧是分别与动作命令帧、修改参数帧对应的：短路报警帧、接地报警帧用于各节 点主动发送故障信息。 本章提出了新型馈线自动化系统的目标，介绍了系统的构成，并对2 种不同的 实现方案进行了讨论，确定了对出线开关、分段开关开断能力的要求。综合考虑多 方面因素后，确定采用c a n 协议构成总线型光纤通信网络的通信方案；并根据系统 的性能要求，确定了通信速率，设计了节点地址分配方法，定义了各类通信报文的 格式。 华中科技大学硕士学位论文 3 馈线故障定位和隔离方法研究 馈线故障的定位和隔离是馈线自动化的重要内容。无通信联系就地控制方式的 馈线自动化系统只能依靠各开关的多次配合动作，通过“时间差”、“电流差”、“次 数差”等来识别和隔离故障川。由于我国的配电网络多采用中性点小电流接地方式， 单相接地故障电流较小，上述系统只能识别相间短路故障，单相接地故障的识别只 能依靠变电站中的接地选线装置实现【j 。 本章首先分析了现有3 种馈线故障定位隔离算法的缺陷，提出了新的统一矩阵 算法，给出了简化的实现方法：在采用新型配电开关及其智能控制器建立高性能馈 线自动化系统的基础上，对小电流接地系统中馈线单相接地故障的判断、定位方： 圭 进行了研究，提出丁新的故障判断定位方法；采用新方法后，在上述系统中各开关 能独亏势断、定位和隔离馈线的单相接地故障区段，而无需夏电站的集控系统和巨 申自动化控制系统中心的参与。 31 配电网故障定位隔离的新统一矩阵算法 故障定位隔离矩阵算法的基本原理为：首先依据配电网的结构构造网络描述矩 阵：根掂故障发生时，各开关流过的电流是否超过其整定值构造故障掐述矩阵：通 过网络描述矩阵、故障描述矩阵的运算得到故障判断矩阵，根据故障判断矩阵判断 和隔离故障区段。由于我国配电网多采用小电流接地方式，相对于相间故障电流而 言，单相接地故障电流很小，不会超过开关的电流整定值；此类矩阵算法只能应用 于配电网相间故障的定位和隔离。 现有的几种故障定位算法中，统一矩阵算法1 1 1 适用于放射状网络和开环环网；简 化过热弧搜寻算法 3 1j 在重新定义故障信息向量g 后可适用于闭环环状配电网：优化 矩阵算法 3 2 l 自定位结果正确与否和网络的局部结构及故障发生位置有关，它们均无 法f 确定位树状分支末端的故障。 3113 种主要故障定位算法存在的问题 3111 统一矩阵算法和简化过热弧搜寻算法 图3 - 1 某馈线网络示意图 1 1 华中科技大学硕士学位论文 在图3 - 1 网络中，c 、d 区段为“树状分支末端”。设故障发生于树状分支末端， 若采用统一矩阵算法定位，可得p 阵为对称阵。此算法对故障区段的定位是通过比 较矩阵p 的主对角线两侧的对应元素是否相等来实现的( 若p d p 。，则故障在 i ，i 两点之间) ，若p 阵为对称阵则无法定位故障区段。简化过热弧搜寻算法中不仅 没有考虑故障发生于树状分支末端的情况( 即“区段始点”过流，区段无“末点”) ， 而且采用与统一矩阵算法一样的定位方法，故也无法定位故障区段。 31 1 2 优化矩阵算法分析 由优化矩阵算法的规格化处理过程可知，若网络中存在节点i 并同时满足下列条 件： r 节点l 不过流，仅与2 个节点相邻，且这两个节点故障信息同为1 或1 ； 与节点i 相邻的节点中，至少有一个不满足此算法的规格化条件。 则在故障定位结果中必有节点i ，因满足条件的节点必定不是故障区段的对 应节点，故该算法的故障定位结果不正确。 在图3 1 网络中若故障发生于区段b ，则节点4 满足条件、；优化矩阵算法 故障定位于节点1 、2 、4 及节点二、3 之间，显然不正确。优化矩阵算法对故障区段 的定位是通过比较矩阵p 主对角线两侧的对应元素是否相等来实现的，若有定位 结果则至少有2 个节点，即无法对发生于树状分支末端( 故障区段对应1 个节点) 的故障定位。在图3 1 网络中，若故障发生于区段c 则节点4 满足条件、，优 化矩阵算法将故障定位于节点1 、4 之间。若故障发生于区段d ，因矩阵p 为对称阵， 故优化矩阵算法无定位结果。 312 新的统一矩阵算法 新统一矩阵算法适用于放射状网络、双电源及多电源并列供电系统，对网络中 任何区段的故障均能准确判断并隔离。实现此算法需构造网络描述矩阵d 、故障信 息向量g 、源点分布向量m ；并根据d 与g 之间相应元素的运算构造矩阵p 及根 据m 与g 之间相应元素的运算构造向量q ；通过分析p 、q 定位故障区段。 31 21 构造网络描述矩阵d 将网络上的断路器、分段开关和联络开关当作节点进行编号，假设共有1 3 个节 点，则可构造一个n n 方阵d ，描述如式( 3 1 ) 。 妒黔； ， 华中科技大学硕士学位论文 f lf ，f 为相邻节点 口。2 1o j ，7 不是相邻节点 3122 构造源点分布向量m 源点分布向量m 为i 1 维向量，定义如下 f 1 f 节点对应出线开关( 即源点) ，。” m ，。1o 带点对应的开关不是出线开关 一 312j 构造故障信息向量g 以闭环中某一电源供出功率的方向为闭环线路上沿线各节点的潮流正向，其也 线路上；吕线各节点以节点所在线路的电；啄供出功率的方向为潮流f 向c 故障信扈、向量g 为r l 维同量，定义如下： 313 算法实现 口：1f 节点流适正向故障潮流( 3 - 3 ) 6 ， i o 沛点不迁流或流过反向故障潮流 根据d 与g 之间相应元素的运算构造矩阵p ，其中p ，= g z ，若p 中第i ， i 行仅有一个非零元素，令s = i ，j 。 根据m 与g 之间相应元素的运算构造向量q ，其中q ，= g 肌，若q 中q m ， q 。为l ，令q = m ，n ) 。 与q 中元素对应的矩阵p 各行中，若某行为零向量，则令该行号属于集合b 若为非零向量，则令该行号属于集合、。 隔离故障需分闸的丌关对立节点的集合为： 314 应用举例 f ；s + 0 一、 ( 3 4 ) 在图3 - 2 所示三电源配电网中约定闭环沿线各点以电源a 供出功率的方向为 潮流正向。某时刻两故障分别发生于c 、g 区段，由新算法得： 一一 1 3 华中科技大学硕士学位论文 则 a c b 一闭合线路开关；0 联络开关断开：联络开关闭合 专潮流正向：一故障潮流方同：多 短路故障点 d = 圈3 - 2 三电源配电鼯示意图 0010 000 00 0011000 0l 110 0 0 0001 0l00l0100 o00 10 0100 oo 0 0 00 0l1 00o1 10 0 00 o00 001000 o1100100 0 0 00001010 m = ( 1 0 00100 10 o ) 7 g = ( 1 0101010 1 咿 一 1 4 0 0 0 0 o 1 o 1 o o 华中科技大学硕士学位论文 p = o010oo o0 0 0o100 0o0】 1do oooool o o 0 0 】o 】oo ooooo o1oo 旧 ；0 f 0 1 0 oo o o oo o1 0o 00 o1 00 o0 00 oo 0o o0 o o 0o 01 oo o 0 oo0 o0o q = 1 000100000 。 p 中第1 、5 、6 、7 、9 行仅含个非零元素，则s = 1 ，5 ，6 ，7 ，9 ) ；q 中日j = 】、 q 5 2 1 ，则。2 】，5 ：与。中元素对应的p 中第1 行、第5 行为非零向量则、一f 1 5 j ，0 为空集；可得隔离故障需分闸的开关对应节点的集合为： f = s + p 一、= 6 ，7 ，9 j 即隔离故障需节点号为6 、7 、9 的开关分闸，此结果正确。 3 1 5 算法分析 隔离故障区段需使所有与故障区段相邻的节点分闸，本文从网络中各节点的角 熏分析。 设与正向电源( 该供出功蛊的方向为潮流正向) 对应的出线开关为正向出线开 关。若正向出线开关流过故障潮流则其 2 y j i e 向过流，其他出线开关不会出现正向 过流，“正向过流的出线开关”与“正向过流的正向出线开关”等价。 若节点i 是正向出线开关节点( 如图3 - 2 中节点l 、节点5 ) ，故障发生在与节点 i 相邻的区段( 对应图3 - 2 中区段a 、f ) 时，节点i 正向过流且不与正向过流节点相 邻；故障发生于网络中的其他区段时，如节点i 正向过流则必与一个正向过流节点 相邻，如节点i 不过流则不与正向过流节点相邻。 若节点j 不是正向出线开关节点，则当故障发生于与节点i 相邻的区段时，节点 j 必仅与一个正向过流节点相邻；当故障区段不与节点i 相邻时，节点i 必不满足上 述条件。 上述分析表明，对正向过流的出线开关节点( 集合a 中的元素) 需区别考虑： 集合s 中的元素为仅与一个正向过流节点相邻的节点，需排除仅与一个正向过 流节点相邻的正向过流出线开关节点( 集合y 中的元素) ，并加入不与正向过流节点 1 o o o o o o o o 华中科技大学硕士学位论文 相邻的正向过流出线开关节点( 集合b 中的元素) ，即得出隔离故障区段必须分闸的 所有节点的集合f 。 31 6 本算法在开环环网中的简化实现 对于开环环网的故障定位，无需定义各节点的潮流正向，可更改故障信息向量 g 的定义如下。 f l 栉点流过故障潮流、 o5 1 0 f 节点不过流 故障区段的定位隔离可通过各节点与相邻节点交换过流标志实现： 若节点i 是出线开关节点，节点i 过流且不与过流节点相邻，则故障发生在与节 点i 相邻的区段，节点i 分闸以隔离故障区段。 若节点i 不是出线开关节点，节点i 仅与一个过流节点相邻，则故障发生于与节 点i 相邻的区段，节点i 分闸以隔离故障区段。 32 配电网馈线单相接地故障定位隔离新方法 我国的配电网属于中性点不直接接地系统，系统发生单相接地虽不形成短路回 路，但有引发严重继发事故的可能性，必须迅速地查找出故障区段。 现有的单相接地故障选线方法可以分为三大类：采用基波或谐波零序电流、零 序能量的大小和方向实现故障选线 3 3 , 3 4 , 3 5 】，基于负序电流故障选线方法【3 “，检测注 入异频信号的故障选线方法 3 7 1 。基于以上方法的保护装置大多集成于变电站综合自 动化系统中，般需采集并比较各出线开关处的电量信息，才能确定单相接地故障 线。 在馈线上安装具有测量和通信功能的新型配电开关，能获取大量的线路电量信 息，为新方法的采用提供了可能1 3 ”。本文提出的新方法只需测量条馈线上各开关 处的零序电流和零序电压，通过比较流入区段零序电流即可实现对此馈线单相接地 故障判断和区段定位。 3 21 流入区段霉序电流分析 以两条出线的小配电网系统为例分析，两出线均分为三个区段。设系统的e 区 段某处c 相发生单相接地，零序等效网络如图3 - 3 。图中节点1 、4 为出线断路器， 节点2 、3 、5 、6 为线路分段开关：z n 为中性点接地元件等效阻抗( 对于中性点不 接地系统z n 2 。) ，r 为接地点过渡电阻；矽。为系统零序电压，。，( j = 1 , 2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 为流过各节点的零序电流，。( i 2 a ，b ，c ，d ，e ，f ) 为流过各区段单相对地电容的电流， 华中科技大学硕士学位论文 i 为流入故障点的零序电流。记由i 区段的各端点( 开关) 流入i 区段的零序电流的 相量和为流入i 区段零序电流f 。，即在同一电流参考方向下，流过区段i 的源点的 零洋电流与流过区段i 的所有末点的零序电流之差c i 0 2 h j n 图3 - 3 配电网系统零序等效匪络 流入各区段零序电