配电网馈线自动化概论

1、36935-6a,主编,第6章配电网馈线自动化,6.1馈线自动化模式6.2基于重合器的馈线自动化6.3基于馈线监控终端的馈线自动化6.4馈线自动化系统设计,6.1馈线自动化模式,1.就地控制模式2.远方集中监控模式,1.就地控制模式,(1)利用重合器和分段器(2)利用重合器和重合器(3)利用点对点通信,(1)利用重合器和分段器,这是在通信技术尚不发达、配电网自动化发展的初始阶段所采用的做法，主要方式是重合器(断路器)加分段器。以架空环网为例，变电站出线开关采用重合器，其他的柱上开关为分段器。,(2)利用重合器和重合器,线路上开关均采用重合器，采用重合器作为馈线分段开关。重合器具有切断短路电流的

2、能力，并且自身具有保护与自动化功能。,(3)利用点对点通信,采用具有电动操作机构的负荷开关或环网柜作为馈线分段开关，同时配置具有通信功能的馈线监控终端。在线路故障、变电站出线断路器跳闸后，线路各分段负荷开关的馈线监控终端间通过点对点通信交换故障信息，经馈线监控终端分析判断，识别故障区段，并自动隔离故障，自动恢复非故障区段的供电。,2.远方集中监控模式,远方集中监控模式由变电站出线断路器、各柱上负荷开关、馈线监控终端、通信网络、配电主站组成。每个开关或环网柜的馈线监控终端要与配电主站通信，故障隔离操作由配电主站以遥控方式集中控制。,6.2基于重合器的馈线自动化,6.2.1重合器的功能6.2.2分

3、段器的分类和功能6.2.3重合器与电压-时间型分段器配合6.2.4重合器与过电流脉冲计数型分段器配合6.2.5基于重合器的馈线自动化系统的不足,6.2.1重合器的功能,重合器是一种具有控制及保护功能的开关设备，它能按照预定的开断和重合顺序自动进行开断和重合操作，并在其后自动复位或闭锁。,6.2.2分段器的分类和功能,1.电压-时间型分段器2.过电流脉冲计数型分段器,1.电压-时间型分段器,图6-1电压-时间型分段器的接线原理,2.过电流脉冲计数型分段器,过电流脉冲计数型分段器通常与前级的重合器或断路器配合使用，它不能开断短路故障电流，但在一段时间内，能记忆前级开关设备开断故障电流的动作次数。在

4、预定的记忆次数后，在前级的重合器或断路器将线路从电网中短时切除的无电流间隙内，分段器分闸，隔离故障。若前级开关设备开断故障电流的动作次数未达到分段器预设的动作次数，分段器在一定的复位时间后会清零动作次数并恢复到预先整定的初始状态，为下一次故障做好准备。,6.2.3重合器与电压-时间型分段器配合,1.辐射状网故障区段隔离2.环状网开环运行时的故障区段隔离3.重合器与电压-时间型分段器配合的整定方法,1.辐射状网故障区段隔离,1)辐射状网正常工作的情形。2)在c区段发生永久性故障后，重合器A跳闸，导致线路失电压，造成分段器B、C、D和E均分闸。3)事故跳闸15s后，重合器A第一次重合。4)经过7s

5、的X时限后，分段器B自动合闸，将电供至b区段。5)又经过7s的X时限后，分段器D自动合闸，将电供至d区段。6)分段器B合闸后，经过14s的X时限后，分段器C自动合闸。7)重合器A再次跳闸后，又经过5s进行第二次重合，分段器B、D和E依次自动合闸，而分段器C因闭锁保持分闸状态，从而隔离了故障区段，恢复了健全区段供电。,1.辐射状网故障区段隔离,图6-2辐射状网故障区段隔离的过程a)正常运行b)f)故障隔离过程g)故障隔离,2.环状网开环运行时的故障区段隔离,1)该开环运行的环状网正常工作的情形。2)在c区段发生永性故障后，重合器A跳闸，导致联络开关左侧线路失电压，造成分段器B、C和D均分闸，联络

6、开关E启动XL计时器。3)事故跳闸15s后，重合器A第一次重合。4)又经过7s的X时限后，分段器B自动合闸，将电供至b区段。5)又经过7s的X时限后，分段器C自动合闸，此时由于c区段存在永久性故障，再次导致重合器A跳闸，从而线路失电压，造成分段器B和C均分闸。6)重合器A再次跳闸后，又经过5s进行第二次重合，7s后分段器B自动合闸，而分段器C因闭锁保持分闸状态。7)重合器A第一次跳闸后，经过45s的XL时限后，联络开关E自动合闸，将电供至d区段。,2.环状网开环运行时的故障区段隔离,8)又经过7s的X时限后，分段器D自动合闸，此时由于c区段存在永久性故障，导致联络开关右侧线路的重合器跳闸，从而

7、右侧线路失电压，造成其上面的所有分段器均分闸。9)联络开关以及右侧的分段器和重合器又依顺序合闸，而分段器D因闭锁保持分闸状态，从而隔离了故障区段，恢复了健全区段供电。,2.环状网开环运行时的故障区段隔离,图6-3环状网开环运行时故障区段隔离的过程a)正常运行b)h)故障隔离过程i)故障隔离,3.重合器与电压-时间型分段器配合的整定方法,(1)分段器的时限整定(2)联络开关的时限整定,(1)分段器的时限整定,1)确定分段器合闸时间间隔，并以联络开关为界将配电网分割成若干以变电站出口重合器为根的树状(辐射状)配电子网络。2)在各配电子网络中，以变电站出口重合器合闸为时间起点，分别对各个分段器标注其

8、相对于变电站出口重合器合闸时刻的绝对合闸延时时间，并注意不能在任何时刻有两台及两台以上的分段器同时合闸。3)某台分段器的X时限等于该分段器的绝对合闸延时时间减去其父节点分段器的绝对合闸延时时间。,(2)联络开关的时限整定,1)确保开环运行方式，即不会出现两台联络开关同时合闸的现象。2)可以事先确定营救策略的优先级，比如，L1为第一方案，L2为第二方案，Lm为第m方案。3)第一方案失灵后可启动第二方案，第二方案失灵后可启动第三方案，以此类推。4)在采用第二方案、第三方案或备用方案时，同样可确保开环运行方式，即不会出现两台联络开关同时合闸的现象。,图6-4配电网实例,6.2.4重合器与过电流脉冲计

9、数型分段器配合,1.隔离永久故障区段2.隔离暂时性故障区段,1.隔离永久故障区段,1)该辐射状网正常工作的情形。2)在c区段发生永久性故障后，重合器A跳闸，分段器C计过电流一次，由于未达到整定值2次，因此不分闸而保持在合闸状态。3)经一段延时后，重合器A第一次重合。4)由于再次合到故障点处，重合器A再次跳闸，并且分段器C的过电流脉冲计数值达到整定值2次，因此分段器C在重合器A再次跳闸后的无电流时期分闸并闭锁。5)又经过一段延时后，重合器A进行第二次重合，而分段器C保持在分闸状态，从而隔离了故障区段，恢复了健全区段的供电。,1.隔离永久故障区段,图6-5重合器与过电流脉冲计数型分段器配合隔离永久

10、性故障区段的过程a)正常运行bd)故障隔离过程e)故障隔离,2.隔离暂时性故障区段,1)辐射状网正常工作的情形。2)在c区段发生暂时性故障后，重合器A跳闸，分段器C计过电流一次，由于未达到整定值2次，因此不分闸而保持在合闸状态。3)经一段延时后，暂时性故障消失，重合器A重合成功恢复馈线供电，再经过一段整定的时间以后，分段器C的过电流计数值清除，又恢复到其初始状态。,图6-6重合器与过电流脉冲计数型分段器配合处理暂时性故障的过程a)正常运行b)故障隔离过程c)故障消失,2.隔离暂时性故障区段,6.2.5基于重合器的馈线自动化系统的不足,1)采用重合器或断路器与电压-时间型分段器配合时，当线路故障

11、时，分段器不立即分断，而要依靠重合器或位于变电站的出线断路器的保护跳闸，导致馈线失电压后，各分段器才能分断。2)基于重合器的馈线自动化系统仅在线路发生故障时发挥作用，而不能在远方通过遥控完成正常的倒闸操作。3)基于重合器的馈线自动化系统不能实时监视线路的负荷，无法掌握用户用电规律，也难于改进运行方式。,6.3基于馈线监控终端的馈线自动化,6.3.1系统概述6.3.2馈线故障区段定位算法简介6.3.3基于网基结构矩阵的定位算法6.3.4基于网形结构矩阵的定位算法,6.3.1系统概述,图6-7系统结构图,6.3.1系统概述,1)实时性。2)容错性。,1)实时性。,故障区段定位必须在很短的时间内完成

12、。配电网故障的快速、准确定位，可以节省大量的人工现场巡查及操作，及时修复系统，保证可靠供电，对保证整个系统的安全稳定和经济运行都有重要的作用。,2)容错性。,配电网的故障区段定位算法应考虑故障信息的不确定性。近年来，随着配电网规模的不断扩大，配电网中的电源点和节点的数量也在不断增多；配电网中馈线监控终端所处的环境比较恶劣，受强电磁、雷电、温度、湿度等因素的影响；在数据传输时，还可能因信道受到干扰而产生数据丢失及错误等问题。因此，主站系统所得到的数据可能会不完整或包含错误信息。,6.3.2馈线故障区段定位算法简介,1.人工智能型配电网馈线故障区段定位算法2.矩阵运算型配电网馈线故障区段定位算法3

13、.其他算法,1.人工智能型配电网馈线故障区段定位算法,系统的信息主要来自户外馈线监控终端，因其所处的环境较差，配电网故障信息受干扰、畸变或丢失的可能性较大，从而影响故障区段定位的正确性。近年来出现了一些具有抗干扰性能的人工智能型算法，如遗传算法、神经网络和模式识别算法、Petri网理论、利用专家系统的方法等。遗传算法应用于故障诊断的基本思路是首先建立诊断的数学模型，然后用遗传操作求解。,2.矩阵运算型配电网馈线故障区段定位算法,矩阵算法因其简明直观、计算量小等特点，应用更为广泛。这类方法首先针对配电网的拓扑结构获得一个网络描述矩阵，在发生故障时，根据馈线分段开关处和主变电站处的馈线监控终端上报

14、的过电流信息生成一个故障信息矩阵，通过网络描述矩阵及故障信息矩阵的运算得到故障判定矩阵，由故障判定矩阵就可判断和隔离故障区段了。,3.其他算法,应用粗糙集理论的方法把保护和馈线监控终端的信息作为故障分类的条件属性集，考虑了各种可能发生的故障情况，以此建立决策表，然后实现决策表的自动化简和约简的搜索，并利用决策表的约简形式，区分关键信号和非关键信号，直接从故障样本中导出诊断规则，从而达到在不完备信息模式下的快速故障诊断。,6.3.3基于网基结构矩阵的定位算法,1.网基结构矩阵D2.故障信息矩阵G3.故障判断矩阵P,1.网基结构矩阵D,图6-8一个简单的配电网,1.网基结构矩阵D,2.故障信息矩阵

15、G,3.故障判断矩阵P,假设馈线上发生单一故障，故障区段显然位于从电源到末梢方向第一个未经历故障电流的节点和最后一个经历了故障电流的节点之间。因此故障区段两侧的开关必定一个经历了故障电流，另一个未经历故障电流。而且故障区段的一个没有故障信息节点的所有相邻节点中，不存在两个以上的节点有故障信息。也即如果一个未经历故障电流节点的所有相邻节点中，若存在两个节点经历了故障电流，则该节点不构成故障区段的一个节点。,3.故障判断矩阵P,3.故障判断矩阵P,（6-5）,例6-2分析图6-9所示的一个较复杂的配电网故障区段判定方法。,图6-9一个较复杂的配电网,（6-6）（6-7）,（6-8）（6-9）,（6

16、-10）（6-11）,（6-12）,6.3.4基于网形结构矩阵的定位算法,基本算法(1)网形结构矩阵C(2)故障信息矩阵G(3)故障区间判断矩阵P(4)故障区段定位判据,(1)网形结构矩阵C,N节点网络，网形结构矩阵C为NN矩阵，其元素定义如下：如果节点i有子节点j，则cij=1，否则cij=0。亦即，若节点i和节点j之间存在一条馈线段且该馈线段的正方向是由节点i指向节点j，则对应的网形结构矩阵C中的元素cij=1，而cji=0。该网络描述矩阵C是一非对称阵，反映了网络的实时拓扑结构。,(2)故障信息矩阵G,在单电源树形辐射状网络中，全网的功率方向是一定的，因此发生故障时，不必考虑故障电流方向

17、，只需根据各节点是否有故障电流通过来得到故障信息，从而形成网络的故障信息矩阵G。N节点网络对应NN矩阵，其元素形成规则如下：若第i节点存在故障电流，则该节点对应的对角线元素gii=1，反之gii=0。,(3)故障区间判断矩阵P,对单电源树形网络中有一馈线区段发生单重故障时，其父节点存在故障过电流，而所有子节点均无故障过电流。换句话说，如某馈线区段上的父节点和子节点均无故障过电流或者父节点有故障过电流且某一子节点也有故障过电流,则该馈线区段一定为非故障区段。基于以上思路，引入故障区段判断矩阵P，定义P为P=C+G(6-13)(4)故障区段定位判据判断故障区段的原则是若P中有元素同时满足下面两个判

18、定条件，则故障发生在由节点i和节点j确定的区段上。,(4)故障区段定位判据,判断故障区段的原则是若P中有元素同时满足下面两个判定条件，则故障发生在由节点i和节点j确定的区段上。1)pii=1。2)对所有pij=1的j(ji)，都有pjj=0。,图6-10典型的单电源配电网简化模型,6.4馈线自动化系统设计,6.4.1系统结构6.4.2硬件设计6.4.3软件设计,6.4.1系统结构,图6-11系统结构图,6.4.2硬件设计,1.故障指示器无线通信接口模块设计2.故障采集器硬件设计3.FTU硬件设计,1.故障指示器无线通信接口模块设计,图6-12无线通信模块的硬件结构,2.故障采集器硬件设计,图6

19、-13故障采集器的硬件结构,3.FTU硬件设计,图6-14FTU的硬件结构,6.4.3软件设计,1.设备的地址编码2.通信协议3.通信软件设计,1.设备的地址编码,故障指示器地址采用4个字节的BCD码表示，出厂时按顺序编号，不重复，不可更改；若某故障指示器报废则其用过的编号不再使用；其中“0 x00000000”为现场手持设备的地址。故障采集器地址采用8个字节的BCD码表示，直接采用XBeePR0ZB模块出厂的唯一ID号，不可更改。FTU的地址编码按照IEC60870-5-104通信规约的公共地址的要求确定。,2.通信协议,故障指示器与故障采集器、故障采集器与FTU、现场手持设备与故障采集器或

20、FTU间的通信帧格式设计为：帧起始字符(68H)功能码(FUN)数据域长度(L)数据域(DATA)+结束符(16H)。470MHz无线通信芯片本身具有CRC校验功能，故帧格式没有加入校验域。XBeePR0ZB通信模块提供AT指令及API两种通信方式。API方式可指定任意通信目标节点，具有校验域，且本身具有数据重发机制，可保证数据准确到达目标节点，故采用API通信方式。FTU与主站软件通信遵循IEC60870-5-104通信规约。,3.通信软件设计,(1)故障指示器与故障采集器间的通信软件设计(2)故障采集器与FTU间的通信软件设计(3)FTU与主站间的通信软件设计,(1)故障指示器与故障采集器

21、间的通信软件设计,故障指示器通信模块的CPU检测到线路状态发生变化后，将数据传送给故障采集器有两种方式：第一种是主动发送给故障采集器；第二种是等待故障采集器发查询命令来取。,(2)故障采集器与FTU间的通信软件设计,1)扫描信道(ScanChannel)和个域网识别标志(PANID)。2)目标地址。3)串口通信参数。4)数据路由。5)API模式数据传输。6)网络安全。,1)扫描信道(ScanChannel)和个域网识别标志(PANID)。,网络由协调器负责创建，在组建网络时，协调器要进行通道的能量扫描，找出不同通道的RF活动水平，以避免协调器在高能量通道区组网。一共有16个通道可以设置，XBeePR0ZB模块支持其中的14个。同样，路由器和终端设备在加入网络时，也要进行同样的通道扫描。扫描时间越久，功耗越大。,2)目标地址。,当故障采集