基于故障停电管控的城市电网馈线自动化建设模式

郭上华

(珠海许继电气有限公司，广东省珠海市，519060)

0 引言

提高城市电网供电可靠性是配电网自动化建设的目标之一。为了减少用户停电时间和停电次数，提升第三方客户满意度，城市电网的停电管控被提上议程，包括计划停电管控和事故停电管控。对于计划停电管控，需加强停电计划的制定和执行的刚性，减少设备重复停运次数和停电时间;同时，可优化复电管理模式和业务流程，大力开展带电作业和科学快速抢修［1-2］。

与依赖停电精细化管理的计划停电管控不同，事故停电管控更多需借助馈线自动化或配电自动化技术，做到故障快速报告、快速诊断、快速定位、快速隔离和快速修复，实现城市电网故障快速自愈［3-4］。故障快速自愈自动化模式的实现是一项系统工程，要综合考虑配电系统的各种运行情况、供电可靠性要求、故障处理时效性、对继电保护的技术要求及设备投资等各个方面。

1 10 kV配电线路故障分析

我国城市电网按区域可分为城市中心区、一般城区或城乡结合部、城镇及远郊区等3个级别。城市中心区以电缆线路为主，城镇及远郊区以架空线路为主，而一般城区或城乡结合部既有电缆线路、架空线路，也有架空电缆混合线路。为查找影响配网故障快速自愈的主要原因，南方某省电力公司对2009年以来的故障类型、故障设备、复电时间等信息数据进行了统计分析，如图1和表1所示。从图1、表1中可以看出，10 kV配电网的故障数量、故障类型与故障位置密切相关，架空线路、架空电缆混合线路及其配套设备故障发生频次远远大于其他类型，特别是用户架空线路及其配套设备。

2 故障停电管控与馈线自动化建设

城市电网故障停电管控，是指在10 kV中压配电网中，利用故障报告、故障诊断、故障定位、故障隔离等保护控制手段和故障修复、故障复电等管理控制手段，在馈线故障情况下，自动实现故障定位、故障隔离和供电恢复，避免停电或减少停电次数与停电时间，提高供电可靠性。

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目前，我国配电网一般仅在变电所出口配备断路器保护切断短路故障，然后通过馈线自动化(feeder automation，FA)技术实现故障的定位、故障区段的隔离与非故障区段的恢复供电［5-7］。依据配电网自动化程度不同，故障停电管控馈线自动化建设可分为知停电、少停电和防停电FA建设，重点实现10 kV架空线路和架空电缆混合线路的故障快速自愈。

2.1 知停电FA建设

知停电FA建设包括2个方面，如图2所示。一是在10 kV配电线路上布置带远传装置的故障指示器或智能终端设备等，实现对配电线路运行情况进行监测，在发生故障情况下能准确发送故障信息、停电信息给局端故障定位系统或配电自动化系统。二是在局端建设故障定位系统或配电自动化系统，将变电站10 kV馈出线开关的变位信息和保护动作信息、10 kV馈线分段开关与分界开关的变位信息和保护动作信息均接入该系统，实现故障点定位的半自动或人工快速定位和隔离。

图2 知停电FA建设示意Fig.2 Schematic diagram of knowing－power outage FA construction

2.2 少停电FA建设

少停电FA建设，即解决“故障停电范围和停电时间最小化”问题。缩小故障停电范围关键在于线路智能自愈，一方面需完善配电网网架结构，优化接线方式，如图3中的三分段三连接供电方式，提高配电网抵御自然灾害、外力破坏及转供电能力;另一方面大力推广带自动化功能的智能分段开关，减少每段线路用户数，实现供电线路小区间化，降低设备故障跳闸率。

图3 三分段三连接供电方式Fig.3 Three-sectioned and three-linked power supply mode

停电时间最小化主要取决于信息交互传递和抢修管控。如图4所示，建设配电自动化系统，通过“站—线—变—户”拓扑关系，实现在地理信息系统图上故障点快速定位和快速隔离，同时打通自动化系统和配电生产运营指挥系统之间的信息传递，运用全球定位系统定位抢修车等技术手段，缩短配网故障抢修时间，快速修复故障，并反馈修复信息至配电自动化系统，实现远程遥控以快速复电。

2.3 防停电FA建设

图4 少停电和防停电FA建设示意图Fig.4 Schematic diagram of decreasing-power outage and avoiding-power outage FA construction

防停电FA是故障停电管控建设的重点，包括线路智能自愈馈线自动化建设和配电生产管理指挥系统建设。首先，用户线路是故障频发区域，故障发生后容易扩大停电范围，造成责任纠纷。若能在分支线路、用户线路T接处(责任分界点)加装分界开关，实现支线故障、用户出门故障的快速拦截，防止某一用户故障引起主干线及相邻用户停电，将有效地减少站内出线开关故障跳闸率，缩小停电范围，实现预防停电，如图4所示。其次，在有条件地区，可建设新型供电方式及分布式电源接入等，具备合环转电条件的线路可推广应用合环转电技术。最后，建设配电生产管理指挥系统，对计划、故障停电进行风险分析与管控，加强与自动化系统和95598电力客服电话联动，实行状态检修，同样可预防停电，如图5所示。

图5 自动化系统与营配一体系统信息传递Fig.5 Information transmission between automation system and marketing/distribution integration system

预防停电，还需考虑设备安装调试和运行维护等环节造成的停电，一方面可在自动化建设设备选型时选择不带蓄电池的免维护智能设备，减少运维检修次数，另一方面可推广应用旁路开关和带电作业车，实行不停电作业。

3 主干、分支、用户故障智能自愈

10 kV架空线路或架空电缆混合线路更多位于城镇及远郊区，要实现故障线路快速自愈，综合考虑投资少、见效快、易实施、免维护等因素，可选择就地智能馈线自动化［8-10］。而10 kV电缆线路更多位于城市中心区和一般城区，负荷重，供电可靠性要求较高，可选择集中控制型馈线自动化。下面分别就主干线路、分支线路和T接用户线路，探讨故障快速智能自愈的馈线自动化建设模式。

3.1 主干线故障智能隔离

主干线路故障智能自愈的目标是实现知停电和少停电，对于架空线路或架空电缆混合线路，从实用化角度出发，可考虑建设就地智能型馈线自动化，选用电压时间型或电压电流型自动化分段负荷开关。当线路发生短路故障时，变电站出线开关保护跳闸，通过变电站出线开关的重合闸和线路上分段开关电压时间的逻辑时序配合，完成主干线路短路故障的隔离和非故障区间恢复送电。当线路发生单相接地故障时，变电站接地选线装置选出故障线路，通过手动拉合站内出线开关和线路上分段开关电压时间的逻辑时序配合，完成主干线接地故障的隔离和非故障区间恢复送电。

全电缆线路通常开环运行，一般建设集中控制型或分布智能型馈线自动化，选用负荷开关或断路器。当线路发生故障时，通过配电主站与配电终端的集中处理逻辑、配电终端之间的分布智能逻辑实现故障隔离和非故障区域恢复送电。在有条件的地区，电缆线路可闭环运行，环网柜进线开关采用能够遮断故障电流的断路器，建设分布式智能控制的网络保护，在线路故障时直接跳开故障区段两侧断路器切除故障，使非故障区段用户的供电不受影响，实现智能隔离。

3.2 分支线故障智能拦截

分支线路故障智能自愈的目标是实现知停电、少停电和防停电，可在分支线首端设置分支分界点，选用快速分断开关智能设备，防主干线停电。当分支线发生短路故障时，依靠分支分界快速分断开关与变电站出线开关的保护级差配合，抢先于变电站出线开关跳闸，自动拦截分支线路的短路故障，有效减少变电站出线开关跳闸率。对于线路较长的分支线路，可合理设置电压时间型或电流型自动化分段开关，实现分支线路少停电，其动作原理和主干线分段开关类似。

当分支线发生接地故障时，如果是小电阻接地系统，与分支分界快速分断开关拦截短路故障处理方式类似;如果是消弧线圈接地系统，与主干线自动隔离单相接地故障的处理方式类似。

3.3 用户线故障分界不出门

用户线路故障智能自愈的目标是实现知停电和防停电，可在用户T接点选用用户分界开关智能设备“看门狗”，故障不出门，防主干线和相邻用户停电［2］。加装“看门狗”的用户线路，当用户侧发生故障时，“看门狗”可自动切除用户侧接地故障和自动隔离用户侧短路故障。如图6所示，用户分界开关利用故障发生时界内与界外明显的故障电流差来判别和定位故障点，该方式故障检出隔离原理适合于中性点经小电阻、消弧线圈和不接地系统。对于消弧线圈接地系统的长电缆线路，可结合五次谐波和间断角等方式进行接地故障检出。

图6 分界开关故障检出隔离原理Fig.6 Principle of fault detection isolation for boundary load switches

4 馈线自动化模式选择

当前主流馈线自动化FA模式包括3种，分别是就地控制型、集中控制型和分布式智能控制型FA，这些馈线自动化模式都有各自的适用范围。

(1)就地控制型FA系统不依赖于通信通道就能实现故障隔离，具有投资小，易于实现的优点，由于国内大多数电缆线路不允许进行故障重合闸，除分界开关型FA可适用于对供电质量要求较高的城市中心区、一般城区配电线路外，其他主要适用于城镇及远郊区配电线路。

(2)集中控制型FA系统能实现配电网故障隔离与运行监视，对架空与电缆线路都适用，由于需要通信通道及控制主站，相对投资较大，主要适用于城市中心、城乡结合部等负荷较稳定区域。

(3)分布式智能控制型FA系统通过对等通信网络与分布式智能控制，不依赖于主站完成配电网故障自愈控制，具有投资较小、易于实现的优点，由于需要网络拓扑参数和铺设通信通道，主要适用于网架结构比较简单、稳定的配电线路，对网架线路经常变动的区域则不适用。

5 工程实践

南方某市局10 kV配电线路采用中性点经消弧线圈接地系统，城市中心区以电缆线路为主，城镇以架空线路为主，雷击瞬时性故障较多，以单相接地故障为主。2008年9月，该局提出了以提高站内出线开关重合成功率、快速隔离故障点、躲避瞬时性故障、缩短故障停电范围的馈线自动化建设思路。经过技术论证和筛选比较，最终选择电缆线路以建设集中控制型FA为主并试点分布智能型FA，架空线路建设电压时间型FA，分支线路和用户线路建设分界开关型FA。图7为自愈示意图。

图7 10 kV供电线路故障智能自愈示意图Fig.7 Schematic diagram of self-healing system for 10 kV power supply line

如图7所示，当主干线a点发生故障时，电缆线路集中控制型FA模式通过配电自动化主站数据采集站(data acquisition station，DAS)与配电终端数据终端单元(data terminal units，DTU)通信、分布智能型FA模式通过配电终端DTU之间对等通信，完成故障隔离与恢复供电。架空线路通过站内出线开关CB重合闸和分段开关的电压时间逻辑时序配合，完成故障隔离和恢复供电，对于消弧线圈接地系统中接地故障，需在变电站内增加接地选线装置选出故障线路。当分支线路或用户线路b点发生故障时，不管架空线路还是电缆线路，均通过安装在T接位置的分界型快速分断开关自动切除负荷侧短路和接地故障，躲避瞬时故障，避免波及主干线路及相邻用户。通信层根据不同FA模式可选用光纤或无线GPRS通信方式，第一时间上报线路故障信息和停电信息。主站系统层建设配电自动化系统，实现拓扑分析与数据解析，及时短信自动通报给一线运行维护人员，快速故障定位和指挥复电。

该局目前已投运超过3 000套电压时间型智能设备和大量分界开关智能设备，多次成功隔离故障，隔离准确率达83%以上;故障段定位平均时间也从投运前2.2 h缩短到投运后的0.5 h内。故障跳闸约3 min后，急修人员收到故障短信，根据短信提示迅速对故障段进行排查，前后不到30 min就对故障段进行了隔离，通过倒闸操作恢复了非故障段线路用户供电，整体有效地提高了供电可靠性。

6 结语

城市电网馈线自动化建设，既是技术问题，也是经济问题。本文针对城市电网如何实现故障快速自愈，提出了围绕主干线、分支线和用户线分别进行知停电、少停电、防停电的停电管控馈线自动化建设思路，并对馈线自动化模式的选择进行了总结与思考。工程实践表明，文中提出的基于故障停电管控的馈线自动化建设模式，能够避免停电或减少停电次数与停电时间，是实现城市电网故障快速自愈行之有效的技术手段，有投资少、见效快、易实施、免维护的特点，具有很好的推广价值。

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