基于先进FTU的智能配电网面保护研究

洪亮, 陈旸, 余浩斌, 傅彬, 连鸿波,王承民

(1.国网福建省电力公司福州供电公司，福州350100；2.国网上海市电力公司松江供电公司，上海201600；3.上海交通大学，上海 200240)

0 引 言

随着电力系统信息化的快速发展，对配电网运行管理水平以及自动化程度的要求也越来越高。“8·14美加大停电”使全世界对电网的安全可靠运行引起了高度的关注。

配电网监控和保护的改进是提高配电网供电安全可靠运行的重要手段之一[1-4]。基于计算机技术和通信技术的配网馈线自动化系统和基于配电自动化开关设备相互配合的馈线自动化系统是目前广泛应用的两种配电网监控和保护系统。但前者需将各终端装置采集到的故障信息上传到配网自动化中心的主站，主站经过判断分析后进行遥控开关操作以实现对故障的隔离，这种处理方式延长了故障处理时间，并且对配网自动化中心的通信网络和主机有较高要求。后者则利用多次重合闸来实现对故障的隔离和非故障区域的恢复送电，多次重合行为对电气设备有较大的冲击[5-6]。

本世纪初期配网自动化系统逐渐向分布式智能处理方式发展，成为一种新的技术方向[7-8]。在目前分布式电源大量渗透和通信网络高密度覆盖的背景下，针对馈线终端装置(Feeder Terminal Unit，FTU)的研究开发也愈发成熟[9-10]，功能也较以前有很大提高。文中以先进FTU为硬件基础，提出一种基于面保护的智能配电网故障诊断与自愈系统。面保护方式是针对于传统的点保护方式而言的，是一种先进的全线速动性分布式智能故障处理模式，这种方式是通过完整的通信网络和安装于室外电气开关上的配电终端来实现的。通过实际应用案例表明，所提出的基于先进FTU的面保护系统能够实现故障快速定位与隔离和非故障区的供电快速恢复。

1 基于先进FTU的面保护系统

1.1 智能配电网故障诊断与自愈架构

智能配电网一般采用闭环设计开环运行，利用联络开关将不同配电母线连接起来，如图1中的椭圆形框所示，每一条母线上会有若干个分段开关，如图1中的矩形方框所示。不论是分段开关还是联络开关均配置有先进FTU。

图1 智能配电网网络图

为了实现智能配电网的故障诊断和自愈功能，智能配电网故障诊断和自修复系统架构如图2所示设计，每个FTU与相邻FTU处于互惠关系(相邻的FTU是指受控单元之间的电气连接)，而主站之间的一些FTU和智能配电网络可以通信。

仅在相邻FTU之间进行通信而不是任意FTU之间进行通信的原因在于，短时间内，通常认为只有处于相邻电气关系的设备的信息(正常操作或故障)会对彼此的运行状态产生影响。如果许多FTU相互之间都进行通信，则需要增加FTU存储容量，并势必会影响FTU的处理速度。为此，无论从科学，经济和效率的考虑来看，只有相互之间的FTU沟通是明智之举。

智能分布网络主站设计的出发点在于预测一些由于轻微故障引起的互锁故障，并及时隔离故障区域，同时对于管理层级而言，便于在不同电网管理级别调用响应的信息。

只有部分FTU和智能配电网主机通信的原因，一方面可归结为即使是部分FTU和智能电网主站的通信同样可以实现让主站获取整个网络所有信息的目的；另一方面在于简洁不繁琐的设计，这将提高整个保护架构的安全性和可靠性。

在智能配电网中，FTU常用的通信方式有光纤通信、无线扩频通信和GPRS通信。目前应用最广泛的是光纤通信方式。三种通讯方式各有其优缺点。光纤通信的传输容量大，抗干扰能力强，但敷设困难，通信设备以及设备维护费用较高。扩频通信的抗干扰能力强、误码率低、发射功率小，但绕射能力差，信号易受传输的影响。GPRS通信的建设费低、组网灵活、不受环境距离和规模的限制，通信范围广，但传输速度和实时性较光纤通信差。

图2 智能配电网故障诊断与自愈架构

1.2 先进FTU的功能要求

为了实现智能配电网面保护功能，每个开关上的FTU需要具备相应的功能，总的来说包括以下五个方面：(1)采集流过开关的保护电流I和开关两侧的电压U；(2)能够测量流过开关的潮流方向，将潮流流入开关的方向称为“入端”，流出开关的方向一端称为“出端”;(3)能够与相连的FTU相互通信，且通信时耗短；(4)能够进行自动重合闸；(5)可以进行电流参考值、电压参考值以及延时时间的整定。

2 面保护故障处理原理

基于先进FTU的智能配电网面保护的功能是实现对故障的快速定位与隔离以及供电恢复。为此，根据FTU检测到的电压电流信息如何确定故障地点，以及如何快速隔离故障并恢复可恢复区域供电是面保护功能的具体内容。本节从故障定位、故障隔离、故障恢复等层面来阐述故障诊断与自愈系统的功能实现。

2.1 故障定位方法

智能配电网中发生最多的是单相接地故障和三相短路故障，当然也不排除两相短路和各种断路故障等。故障定位的目的在于为该区域智能配电网管理中心提供故障处的具体信息，以防在无法通过自动重合闸消除故障的情况下，方便检修人员及时到达故障地点进行故障修复。

以如图3所示的馈线结构图说明短路故障定位的算法原理。图3中所示的配电网共有7个开关，每个开关均配置一个先进FTU，开关2与3之间发生短路故障，流过开关1和2的电流将比正常运行情况下要大，而流过开关3、4、5、6、7的电流将变为0。智能配电网根据当前的运行方式可以整定一个短路电流临界值Ie，若有开关的电流超过这个值，说明配电网发生了短路故障。

图3 馈线短路结构图

从以上分析可以看出故障线路两端的开关的电流值相差甚大，即：

|Im-In|>Ie

(1)

式中Im为FTUm检测到的电流，In为开关FTUn检测到的电流，且FTUm和FTUn相连。

若某相连FTU检测到的电流满足式(1)，那么馈线mn发生了短路故障。

以如图4所示的馈线结构图说明断路故障定位的算法原理。

图4 馈线断路结构图

若开关2和3之间发生断线故障，那么开关3、4和5将失压，其他开关处均能够正常运行，维持在正常电压，所以不难看出若馈线mn间发生了断路故障，那么,有：

|Um-Un|>kUN

(2)

式中Um为开关m处的电压；Un为开关n处的电压；UN为额定电压；k为灵敏度系数。

总结以上，开关m和n之间发生故障的判据在于：其两端的电流差或者电压差超过FTU的整定值。

2.2 故障隔离方法

故障隔离是针对短路故障而言的，通过开关的分合闸将故障区域分离出去，保证非故障区域能够正常的供电。相邻开关的FTU之间通过相互发送消息来决定开关的操作。

对于每个FTU而言，根据其检测到的功率信息得到该线路的功率流动方向。当智能配电网故障发生时，若FTU采集到的电流值I大于系统给定的最大电流值Ie，说明发生了过流故障。FTU立即向其入端方向相邻的FTU发送跳闸闭锁命令，向其出端方向相邻的FTU发送跳闸命令。

为了准确并快速的切除故障，相邻FTU之间采用相互通信闭锁的协调方式。若某个FTU检测到过流故障且收到跳闸闭锁命令，那么该开关保持合闸；若某个FTU检测到过流故障且没有收到跳闸闭锁命令，那么该开关跳闸；若某个FTU没有检测到过流故障但接到了跳闸命令，那么该开关跳闸。

2.3 故障恢复方法

当故障隔离后，智能配电网要进行故障恢复，我们知道，电力系统很多故障都是瞬时性的，为此如1.2节所述，先进FTU应具有自动重合闸功能。

故障恢复的方法分为两个步骤，第一步是故障隔离后进行一次自动重合闸，若故障消除，那么就恢复了正常的供电；若FTU仍然检测到过流或者过零故障，那么进行第二步。第二步是采用闭合联络开关的方式恢复部分或者全部失电用户，联络开关的FTU检测开关两侧的电压，若有一侧电压正常，另一侧电压失压，那么说明联络开关的一侧的供电是正常的，另一侧已发生故障。以图5为例，若开关1和2之间发生故障，而母线2侧供电正常，此时联络开关7合闸可以恢复部分负荷的供电；若开关3和7之间发生故障，此时开关7会收到分闸命令，不能闭合联络开关7。第二步总的来说是通过判断联络开关两边的电压，若只有一侧失压且没有收到分闸命令，那么可以通过闭合联络开关来恢复部分负荷的供电。

图5 馈线联络图

从自动重合闸和闭合联络开关这两步可以看出他们存在一定的时间差，第二步操作执行时间与第一步执行时间可以设定一个适宜的延时整定时间。

3 仿真分析

将基于先进FTU的配电网面保护原理应用于上海松江配电网中，成功地进行了测试以检验其可行性。在松江110 kV莱阴变电中，选择两个串接的、具有环网供电能力的两个开关站进行测试与应用，如图6和图7所示。

图6 西郊百丽1号开关站电系接线图

图7 西郊百丽2号开关站电系接线图

试验配网的简化测试线路图如图8所示，并选取104、202、204、205安装先进FTU进行功能测试，其中205为联络开关，其它均为进出线开关。

图8 测试线路图

分别模拟故障发生在站与站之间(104与202之间)、站内(202与204之间)和204出线端，试验结果如下：

(1)故障点发生在104与202之间。

线路正常运行时，104、202、204 FTU检测到的电流值为300 A左右。当104 FTU检测到的电流为980 A，大于FTU的电流整定值，而202、204 FTU检测到的电流为零时，判断故障发生在104与202之间。104 FTU分别向其入端相邻的102 FTU发送跳闸闭锁命令，向其出口相邻的202 FTU发送跳闸命令。故障整定时间到达后(0～100 ms可设)，104 FTU自身检测到过流信息，同时并未收到其它FTU发来的命令，综合信息判断104 FTU驱动开关跳闸；202 FTU仅收到104 FTU发来的跳闸命令，综合信息判断202 FTU驱动开关跳闸，故障被快速隔离。经过一定时间延时后(延时时间可整定)，104、202 FTU发送重合闸命令驱动相应开关合闸。如果104、202、204 FTU在重合闸整定时间内检测到的电流值恢复到正常时的300 A左右，则为瞬时性故障，重合闸成功，线路恢复正常；如果没有，则为永久性故障，重合闸失败，104、202将再次跳闸。

(2)故障点发生在202与204之间。

线路正常运行时，104、202、204 FTU检测到的电流值为300 A左右。当104FTU检测到的电流为940 A，202 FTU检测到的电流为931 A，大于FTU的电流整定值，而204 FTU检测到的电流为零时，判断故障发生在202与204之间。104 FTU向102 FTU发送跳闸闭锁命令，向202 FTU发送跳闸命令；202 FTU向104 FTU发送跳闸闭锁命令，向204、205 FTU发送跳闸命令。在故障整定时间到达后(0～100 ms可设)，104自身检测到过流信息，同时收到202 FTU发来的跳闸闭锁命令，综合信息判断104开关仍保持合闸状态；202自身检测到过流信息，同时收到104 FTU发来的跳闸命令，因此202 FTU驱动开关跳闸；204 FTU仅收到202发来的跳闸命令，因此204FTU驱动开关跳闸；联络开关205仅收到202发来的跳闸命令，综合信息判断仍然保持分闸状态，故障被隔离。经过一定时间延时(延时时间可整定)，202，204 FTU发送重合闸命令驱动相应开关合闸，如果104、202、204 FTU在重合闸整定时间内检测到的电流值恢复到正常时的300 A左右，则为瞬时性故障，重合闸成功，线路恢复正常；如果没有，则为永久性故障，重合闸失败，202、204将再次跳闸。

(3)故障点发生在204出线端。

线路正常运行时，104、202、204FTU检测到的电流值为300 A左右。当104FTU检测到的电流为850 A，202 FTU检测到的电流为845A，204FTU检测到的电流为836 A，大于FTU的电流整定值，判断故障发生在204的出线端。104 FTU向102 FTU发送跳闸闭锁命令，向202 FTU发送跳闸命令；202 FTU向104 FTU发送跳闸闭锁命令，向204、205 FTU发送跳闸命令；204 FTU向202、205 FTU发送跳闸闭锁命令。在故障整定时间到达后(0～100 ms可设)，104自身检测到过流信息，同时收到202 FTU发来的跳闸闭锁命令，综合信息判断104开关仍保持合闸状态；202自身检测到过流信息，同时收到104 FTU发来的分闸命令和204 FTU发来的跳闸闭锁命令，综合信息判断202开关仍保持合闸状态；204检测到自身过流信息，同时收到202 FTU发来的跳闸命令，因此204 FTU驱动开关跳闸；出线端故障被隔离，经过一定时间延时(延时时间可整定)，204 FTU发送重合闸命令驱动相应开关合闸，如果104、202、204 FTU在重合闸整定时间内检测到的电流值恢复到正常时的300 A左右，则为瞬时性故障，重合闸成功，线路恢复正常；如果没有，则为永久性故障，重合闸失败，204再次跳闸。

上述结果表明，本文设计的面保护方案能够实现在故障时刻可靠地、有选择性地进行动作，将故障切除并保证非故障区快速恢复供电的电网保护功能。

4 结束语

实现故障隔离和恢复非故障区域送电是实现智能配电网的重要环节，是提升配电网可靠性的核心技术。基于先进FTU设备，本文首先介绍了相邻FTU(相邻FTU的判断原则是FTU所控单元之间存在着电气连接)之间的通信以及部分FTU与配电网主站间的通信，而后基于此，设计了一种新型的保护逻辑算法和整体架构。该面保护系统在一定程度上克服了传统配网自动化系统中故障处理缓慢、非故障区停电、开关设备损耗大等缺点。经过实际测试验证，所提系统能实现对故障的快速隔离和非故障区域的快速恢复送电，且在近后备保护拒动的情况下，上级开关会可靠动作，隔离故障，能够很好地应用于智能配电网中。