湖北配电网馈线自动化部署方案研究

雷 杨，汪文超，宿 磊，车方毅，李 鹏

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.国网湖北省电力公司荆门供电公司，湖北 荆门 448000）

0 引言

配电自动化是智能配电网中“智能感知”环节的基础，也是“十三五”期间国家电网公司配电网建设改造的重要工作内容。馈线自动化是配电自动化的核心部分之一，利用自动化装置或系统，监视配电线路的运行状况，及时发现线路故障，迅速诊断出故障区间并将故障区间隔离，快速恢复对非故障区间的供电。通过馈线自动化的功能，配电网可以在短期内实现故障隔离，能够大幅提高配电网供电可靠性，具备较高的经济社会效益。

由于馈线自动化策略多种多样，应用的场景和效果也存在较大差异，目前针对馈线自动化的选型部署方案，国内已开展了一些研究。文献[1]阐述了电压-时间型馈线自动化的基本原理和应用过程中存在的问题，并提出了改进方案；文献[2]研究了馈线自动化在核心城区的建设应用方案；文献[3]阐述了馈线自动化与变电站重合闸的配合方式，文献[4]、[5]阐述了馈线自动化测试方案。整体来说，现有针对馈线自动化的研究主要集中在馈线自动化应用技术和测试技术，对于馈线自动化整体选型模式缺乏针对性分析研究。本文从各类馈线自动化的实现方式和优缺点比较入手，并基于现有的网架结构进行分析，提出了适用于湖北电网的馈线自动化及配电自动化终端设备选型技术方案。

1 馈线自动化的实现方式

目前应用的馈线自动化模式主要有三种，即集中型、就地型和故障定位型，其实现原理各有不同。本节将结合实例对各类馈线自动化的技术特点进行分析，其中CB代表变电站出线开关、F代表分段开关、L代表联络开关。

1.1 集中型馈线自动化

集中型馈线自动化是指由配电主站与配电终端相互配合，通过配电主站搜集到的信息综合判断故障区间，并结合实际网架、负荷情况进行故障隔离，如图1。具体流程如下：发生故障时，10 kV出线开关保护跳闸，配电自动化主站搜集各配电终端故障告警信息，由于F1、F2开关感受到故障电流，发出故障告警，而F3没有故障电流通过，无故障告警信号发出，因此配电主站判定故障位于F2和F3之间。之后，F3分闸，CB1合闸，联络开关L1合闸，完成故障区域隔离和非故障区域恢复。集中型馈线自动化可以切换为半自动和全自动模式，其中半自动模式仅提示故障区间，由人工操作开关进行故障处理，全自动模式则自动执行故障处理步骤。

图1 集中型馈线自动化处理逻辑Fig.1 Processing logic of centralized feeder automation

1.2 就地型馈线自动化

就地馈线自动化是不依赖配电主站的馈线自动化模式，通过配电开关之间的逻辑配合来实现故障的就地识别和隔离。目前主流的就地型馈线自动化有智能分布型和重合器型，其中重合器型在发展过程中出现了很多衍生类型，例如自适应综合型、“电压-时间”型、“电压-电流-时间”型、链式纵联型等。

智能分布型馈线自动化通过可靠的光纤通信手段，使馈线自动化配置区域内的配电终端具备对等通信能力，进行小范围内的信息交互。在故障发生后，通过故障点临近各配电终端之间的信息综合判定故障范围，并迅速跳开故障两侧开关，通过联络开关合闸实现负荷转供。在智能分布型馈线自动化模式下，变电站出线开关无需跳闸隔离故障，配电主站也不参与故障处理过程。具体流程如下：故障发生时，通过F1、F2、F3开关之间的通信和故障告警情况，判定故障位于F2和F3之间，因此F2动作跳开故障，并延时重合，若重合失败，则F2、F3均分闸，临近联络开关L1合闸，恢复非故障区间供电，见图2。

图2 智能分布型馈线自动化处理逻辑Fig.2 Processing logic of intelligent distributed feeder automation

重合器型馈线自动化是通过配电终端之间的逻辑配合来就地进行故障隔离的一种馈线自动化方式（见图3），不依赖配电主站以及配电终端之间的对等通信，其前身是重合器、分段器技术。是目前就地型馈线自动化应用范围最广的一种类型，以最基本的“电压-时间”型为例，变电站出线开关具备故障重合闸功能，分段开关具备失压分闸、有压延时合闸功能。在故障发生后，CB1分闸，由于失压，F1、F2和F3同时分闸，之后CB1合闸，若为瞬时故障，则F1、F2和F3经过一定延时依次合闸，若为永久故障，则F2合闸后CB1再次分闸，此时F2失压闭锁，F3检残压闭锁，CB1再次重合后，经过延时F1合闸，手动合L1恢复非故障区间供电。

图3 重合器型馈线自动化处理逻辑Fig.3 Processing logic of reclosed feeder automation

1.3 故障定位型馈线自动化

故障定位型馈线自动化即通过各类型故障指示器来进行故障区间判断，运维人员通过配电主站或其他故障研判后台综合判定故障区间，并通过人工巡视查找、解决线路故障。其优势在于节约配电自动化建设改造成本，大幅减少寻找故障点的时间和人力投入。故障定位型馈线自动化的核心设备是故障指示器，其原理是在故障发生时，通过感应到的故障电气量变化，通过就地指示或远传发信等方式发出故障信息。目前主流的故障指示器从指示方式上分为远传型和就地型；从原理上分为外施信号型、稳态特征型、暂态录波型和暂态特征型等。

2 各类馈线自动化的比较

2.1 故障处理时效性

集中型馈线自动化通过配电主站搜集配电终端上送的告警信息综合判断故障区间，信息收集的全面性是其故障判断准确性的基本保障，因此通常情况下，集中型馈线自动化启动后将预留15～30 s的故障信息收集时间，故障判定时间需数秒，全自动化模式下整体故障处理耗时一般在10 s级。智能分布型馈线自动化通过配电终端之间的对等通信，可以快速定位、隔离故障，不涉及到变电站出线开关跳闸，故障定位时间为毫秒级，故障处理时间可以达到秒级，同时由于终端之间实时交互信息，不存在保护级差配合的问题。重合器型馈线自动化通过配电终端失压分闸、有压延时合闸逻辑来判定故障，通常情况下有压延时合闸时间设置在5～10 s，由于变电站出线开关需要经过2～3次重合闸，其故障处理时间跟故障发生位置有关，对于“电压-时间”型馈线自动化，在前文示例中，主干线第三个分段开关和联络开关之间发生故障的情况下，故障处理时间为几分钟到十几分钟。故障定位型馈线自动化的主要功能是定位故障区间，故障处理主要由人工赴现场进行。在目前的技术条件下，远传型故障指示器指示故障区间的时间通常在秒级。

2.2 故障判断可靠性

集中型馈线自动化对通信可靠性、配电终端上送信息准确性的要求较高，故障路径上的每个终端都必须在主站信息收集的有效时间内上送正确的告警信息，才能保障本次故障动作结果的正确性，若故障线路路径上个别配电终端信息没有上送，或信息上送错误的情况下，将导致故障隔离和恢复策略错误，造成重复停电。智能分布型馈线自动化要求配电终端之间的对等通信，同时故障信息收集时间比集中型馈线自动化短，对通信实时性、可靠性的要求更高，若配电终端之间通信不畅将严重影响故障判断的准确度，甚至造成馈线自动化功能闭锁。重合器型馈线自动化是通过配电终端自身的保护动作逻辑进行故障隔离，不依赖通信，在故障路径上个别配电终端损坏的情况下，能够自动越级隔离故障，具备较高的可靠性。故障定位型馈线自动化的主要作用是判断故障区间，各类型故障指示器判定成功率各有不同，其中暂态录波型故障指示器需要在故障发生时将临近线路故障指示器的波形上送配电主站进行集中判断，对通信的依赖性较强，其余类型的远传型故障指示器对通信的依赖相对偏弱。

2.3 建设运维成本

根据国网公司最新规范要求，涉及到控制功能的配电终端设备必须通过光纤通信方式，经过安全接入区接入生产控制大区，对信息安全的要求较高。采用无线通信方式的配电终端或故障指示器通过安全隔离组件接入管理信息大区，信息安全的要求相对较低。由于集中型馈线自动化的建设主要依赖“三遥”配电终端，需要采用光纤通信方式，对应的建设和调试成本相对较高。智能分布型馈线自动化依赖具备对等通信要求的“三遥”配电终端，亦采用光纤通信方式，建设和调试成本最高。重合器型馈线自动化主要采用“二遥”动作型配电终端结合无线通信方式，由于通信成本较低，建设和调试成本相对前两类馈线自动化较低。故障定位型馈线自动化主要采用故障指示器结合无线通信方式，对于重要线路采用远传型故障指示器指示故障，并综合选用就地型故障指示器进一步缩小故障判断区间，对应的建设成本最低。从运维方面，由于集中型馈线自动化和智能分布型馈线自动化利用光纤通信方式，对应“三遥”配电终端的蓄电池也主要采用蓄电池作为主后备电源，相应的运维工作量较大。重合器型馈线自动化和故障定位型馈线自动化主要采用无线通信方式，通信运维工作量相对较小，设备层面原理相对简单，也大大减小了运维工作量。

3 湖北电网馈线自动化选型部署方案分析

目前，湖北电网配电自动化共计覆盖线路400条，包括架空线路181条，电缆线路219条，覆盖区域面积共198.17 km2，线路总长1 820.55 km。配电自动化已覆盖区域以城市核心区为主，对供电可靠性要求较高，建设模式较为单一，基本采用全光纤、全“三遥”终端的建设模式，应用集中型馈线自动化。根据规划，“十三五”末期，湖北将实现配电自动化全覆盖，根据各类供电区域的网架结构、负荷特点和设备现状，并结合施工难度选用合适的馈线自动化类型，对完成“十三五”馈线自动化覆盖率的目标、保障良好的配电自动化建设应用效果具有决定性的作用。

3.1 配电自动化设备选型思路

目前配电自动化建设的模式主要是根据供电区域的重要性，在A+、A、B和C类供电区域结合遥控操作的部署需求来选择配电终端设备类型，对于“三遥”配电终端考虑信息安全性，采用光纤通信方式；对于“二遥”配电终端，在光纤路径沿线则通过光纤接入，否则采用无线通信方式；考虑到整体建设成本，在部分B、C和D类区域采用故障指示器，减少人工查询故障的难度，在规划过程中未优先考虑馈线自动化的实施方式。从配电自动化的建设初衷来分析，配电自动化的建设是为了实现配电网的监测、控制和快速故障隔离。其中实现配电网的监测、控制可以根据需求在重要分段、联络开关处部署配电终端，主要涉及到点的改造。而为了实现故障隔离，则必须统筹考虑区域的故障判断和隔离策略，涉及到的则是面的改造，因此在配电自动化的规划过程中，馈线自动化的策略选择宜放在优先位置，先根据不同供电区域的故障隔离效率要求、实际改造部署难度来选择适宜的馈线自动化部署方式，根据馈线自动化的部署需求确定范围内的设备部署方式。馈线自动化的部署情况和设备选型情况确定后，再在故障定位型馈线自动化区域适当部署配电终端，用以满足重要节点的监测需求。

3.2 分层分区的馈线自动化选型策略

针对馈线自动化的选型方式，可以根据不同区域对于供电可靠性和远方操作的需求来制定策略，采用分层分区的配置方案，提高馈线自动化的经济型和实用性，减少配电自动化改造难度。目前，湖北电网10 kV公用线路共计11 443回，其中电缆线路1 546回，主要接线模式为单环式；架空线路9 897回，接线模式主要包括辐射式、单联络及多联络。本文将针对湖北电网各类供电区域的特征进行馈线自动化及设备选型方案分析。

1）A+、A类地区

A+类及A类地区主要位于省会中心城区和重点经济开发区，共计配电线路1 972条，其中电缆线路占43%，主要采用单环式结构，架空线路站57%，主要采用单联络接线。线路联络率达到98%，平均分段数为2.8。该类区域联络率和分段数较高，负荷转供方式比较灵活，同时由于A+和A类地区均为城市核心区，对供电可靠性的要求较高。可采取集中型馈线自动化的部署模式，通过光纤部署可靠通信网，配电终端以“三遥”终端为主，能够对区域内开关设备进行远方操作。对于重要供电用户区域，为切实保障馈线自动化动作的可靠性，可采用智能分布型馈线自动化进行部署，并用集中型馈线自动化作为后备，在终端之间通信出现故障时闭锁智能分布式型馈线自动化，由集中型馈线自动化来判断和隔离故障。

2）B、C类地区

B、C类地区主要位于除省会外各地市、县中心城区和重点城镇中心区域，涵盖配电线路4682回，其中电缆线路占6%，主要位于地市核心区域，接线方式包括单环和单辐射，架空线路占94%，主要为单辐射和单联络式接线，整体联络率为53%，平均分段数2.31。此类区域包括城市中心区域和城郊区域，供电可靠性要求较高，目前该类区域的开关设备大多不具备电动操作机构，通信网络也不完善，由于开关设备改造和通信光纤部署的成本较高。从经济型和实用性的角度来说，建议在中心城区选用集中型馈线自动化，以“三遥”终端为主，采用光纤通信方式，以保证各分段开关、联络开关能够配合配电主站的馈线自动化策略灵活进行操作，完成故障隔离。在城郊区域选用重合器型馈线自动化，以“二遥”动作型终端为主，采用无线通信方式，在故障发生时，能够通过配电终端自身的延时动作隔离故障，在重要联络开关处部署“三遥”终端，通过开关远方操作来进行非故障区的供电恢复操作，在联络开关“三遥”终端部署规划过程中综合考虑光纤部署成本和运维效益。同时，根据湖北电网网架结构现状，在部分B、C类城市中心区域和城郊区存在少量长线路，在故障发生时难以对故障进行准确定位，可在此部分线路中间适当部署就地型故障指示器，对于重点线路部署暂态特征型远传故障指示器，便于故障准确定位。

3）D类地区

D类区域主要是农业经济区，涵盖配电线路4 779回，主要为架空线路，为单辐射和单联络接线，整体联络率16%，平均分段数1.81。此类区域由于线路联络率不高，负荷转供能力较弱，且农网长线路比例较高，部署光纤的成本过高，针对此类区域应尽量考虑无线通信方式，以故障定位型馈线自动化为主，少部分具备条件的重要线路采用重合器型馈线自动化。由于农网区域主要采用中性点不接地方式，外施信号型、暂态录波型、暂态特征型故障指示器均能够适用。由于暂态录波型故障指示器对通信的依赖性较强，需要采集故障临近区域的波形，上送配电主站进行集中判断，因此对于无线信号较强的区域可采用暂态录波型故障指示器。对于信号较弱的地方可以在变电站出线加装外施信号源，采用外施信号型故障指示器进行故障判断。为缩小故障定位区间，增强故障判断准确性，对于长线路可以在线路中间适当部署就地型故障指示器或暂态特征型远传故障指示器。

4 结语

馈线自动化是配电自动化的核心部分之一，但目前馈线自动化策略种类繁多，适用范围也存在差异，本文从集中型、就地型和故障定位型馈线自动化的基本原理分析入手，从故障处理时效性、故障判断可靠性和建设运维成本三个方面对各类馈线自动化方案进行了深入对比，根据湖北10 kV配电网的网架和负荷特点提出了适宜于湖北电网特点的馈线自动化部署方案，配电自动化的规划建设应从设备选型入手，结合各供电区域特点、供电可靠性、经济实用性来制定馈线自动化策略，通过馈线自动化的设备部署要求初步确定整体设备选型方案，再对部分重要节点针对性进行配置。

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