基于配电自动化的有源配电网故障定位与隔离综述

戴宇航

国网南京供电公司

1 配网自动化发展背景

配电网络是电网的毛细血管，直接与负荷相连，是电力系统的末梢环节。我国电力系统高速发展以来，为解决特有的能源中心与负荷中心分布不均的主要矛盾，其发展模式长期重输电，轻配电。近年来，随着高新科技企业、服务业的高速发展，用电用户对于供电可靠性、电能质量等要求与日俱增。南京江宁地区经济发达，人口稠密。辖区内有交通重要枢纽南京南站、禄口空港，电力用户包括大量高新企业、高等院校、大型商场、居民小区，截止2019年底，江宁区范围内合计下辖高压电力用户4995户、低压电力用户82万户。高度用电可靠性是衡量供电部门供电质量的重要指标。

年平均停电时间是计算供电可靠性的主要因素，减少故障发生后的停电时间有赖于故障的迅速定位、隔离与恢复。在配电网三段式电流保护的基础上，基于配电自动化设备的配电网故障定位与隔离的研究受到广泛关注。区域用电负荷的增长伴随着更加严苛的环保要求以及化石能源的日渐枯竭，长远来看，光伏发电、储能等分布式能源在配电网中的占比将不断提高，对于传统配电网辐射型供电，基于故障电流呈单一方向的现有配电网故障定位与隔离方法将不再适用。尽管现阶段江宁配电网中以光伏发电为主的分布式能源装机容量对比配电网容量仍处于可忽略不计的状态。但长期来看，计及分布式电源对配电网影响的配电网故障与隔离策略的研究显得尤为重要。

2 以FTU为基础的配电网故障定位与隔离发展及研究现状

自电力系统存在以来，其自动化程度就在不断提高。配电网络细枝末节，连接千家万户，具有高度复杂性，发生故障概率高。南京江宁地区原为广袤农田，在近年城市化高速进展的过程中存在电源点建设滞后的现象。因此，变电站往往设置36回10kV出线，且10kV馈线供电半径长达数公里。一旦发生故障，若无相应的故障定位方法，通过巡线实现故障点的定位耗时巨大，造成用电用户不良体验对社会经济生产造成影响。以江宁地区配电网为例，2019年度，共发生各类型配电网络故障257起（其中主要为单相接地故障）。对于配电网络故障的自动化定位与隔离始终是供电部门高度关注的问题。关于配电网的故障定位与隔离技术，前人已做出大量研究成果。

原始的配电网故障隔离基于三段式电流保护，电流速断保护（第一段）、限时电流速断保护（第二段）、定时限过电流保护（第三段）相互配合。这种方式虽简洁高效，但随着单条馈线供电半径的增加，在发生故障时其选择性并不良好。对此，供电部门采取“试送法”配合重合闸实现单相接地故障定位，即在电流速断保护跳开开关且一次重合闸失败后，对于馈线上的各分段开关自电源侧起向线路末端依次试送，若发生二次跳闸，则判断故障处于该分段开关下游。此方法省去了复杂的逻辑判断定位，简单易行，但会对故障线路所带设备产生二次冲击，尤其是在现阶段配电网电缆高度覆盖，二次重合会对电缆线路产生冲击。由此，近年来，基于FTU的配电网故障定位与隔离技术被广泛采用。

2.1 FTU发展历程

配电自动化的根本目的是实现对配电网络运行状态的监控并能实现对于配电网络运行的实时控制。DTU（开闭所远方监控终端）、TTU（配变终端）、FTU（馈线自动化终端）三者配合监控主站共同实现配电自动化功能。其中FTU针对馈线开关，包括断路器、负荷开关、分段开关。

自我国开始配电自动化改造以来，即开始由传统的三段式电流保护配合重合闸实现故障定位向利用实现故障的隔离与恢复。基于FTU对10kV配电馈线运行方式及负荷的监测与控制以及对故障进行定位与隔离的功能，其功能实现方式的发展主要经历三个阶段。一是仅具备“三遥”功能的FTU，对于故障不能实现自动化处置，仅作为调度员处置故障的辅助信息。二是我国开展配电自动化试点后至今，与主站相配合，具有故障诊断功能的“主从式”馈线自动化终端，依靠主站分析，可实现故障自动定位与隔离。三是现处于试点状态的具备面保护功能的馈线自动化终端，可通过相邻FTU之间的相互通讯，不依赖主站，实现故障的隔离与定位功能。

2.2 基于直接算法的配电网故障定位与隔离技术

配电网故障定位与隔离的直接算法指利用图论，对配电网拓扑进行分析，将配电网以矩阵的方式进行数学描述。矩阵法判别故障位置的方式核心逻辑为：根据运行方式提前整定馈线各节点（断路器、分段开关、负荷开关）电流越限值，基于FTU实时采集各节点是否发生电流越限以及电流越限的时刻。若相邻的两个FTU同时感受到故障或同时均不感受到故障，则故障不在该两个节点之间。若一个节点感受到故障，另一个节点未感受到故障，则故障发生在该两个节点之间。具体实现方法为矩阵异或逻辑运算，生成一个配电网络拓扑描述举证，生成一个实时的故障描述举证，通过两个矩阵相乘后进行异或逻辑运算实现故障的定位。现在配电网实际运行环节中使用的故障定位与隔离主要采用这种矩阵直接算法实现。此方法逻辑简单直观，计算准确，但对FTU实时向主站传递数据的准确性有较高要求，由于FTU安装于户外，其外部环境较为恶劣，当数据传递产生畸变时，此种直接算法的准确性会收到影响。同时，由于矩阵的阶数取决于配电网中节点数目，对于复杂配电网的故障定位不适用。

2.3 基于智能算法的配电网故障定位与隔离技术

为了解决直接算法在FTU传递数据环节畸变、复杂配电网络对于主站运算压力较大等问题，基于智能算法的配电网故障定位隔离技术受到研究人员的广泛关注。

蚁群算法与粒子群算法。蚁群算法指模拟自然界中蚂蚁群体觅食搜索的行为，实现对于优化问题的求解，具有良好的正反馈特性及容错性。

遗传算法基于“物竞天择适者生存”的达尔文进化论，是一种具有自然遗传机制的随机搜索算法。其模拟自然进化从而实现寻找最优解的方式使其具有不易陷入局部最优解以及抗干扰能力强的特点。引进新的基于个体差异的调整因子，改进父代与子代之间的相似性从而提高算法的收敛性能。为了解决遗传算法中复杂开关函数的构造问题。

3 南京江宁地区配电自动化故障定位与隔离策略现状

南京地区配网与其他地区配网相比，具有中压馈线众多、平均单条馈线长度较长、配电网结构复杂等特点。在长馈线及分支较多的馈线上，对于重合器的时间整定较为困难，因此采用时间逻辑相配合的重合器应用效果不好。在实际配电网生产运维过程中，南京地区配电网在故障的定位与隔离方面仍主要依靠传统三段式電流保护以及重合闸、备自投自动装置辅以线路故障指示器以及跌落式熔断器等配合实现。

自2010年之后，南京地区在配电自动化发展方面投入大量精力，结合南京地区配网特点以及技术成熟度综合考量，采取了“主站——终端”的两层主从式配电网故障定位与隔离发展策略。终端层基于FTU及DTU实现馈线各节点以及终端配电变压器各相电流、电压幅值的实时监控，在发生电流越限事件时主动上报，并能通过主站遥控命令实现开关的分合操作。主站层基于SCADA、DMS、GIS、OMS等系统实现监控、分析定位、给出隔离方案的功能。

在配电自动化硬件基础建设方面，南京地区于2019年建成无线4G专网，在主站与终端的通讯方面打下了坚实基础，在自动化终端建设上，以江宁配电网为例，现有配电自动化设备总量1040台。从进一步发展的角度看，近期南京江宁地区配电自动化工作方向涵盖以下两个个方面。一是保证自动化终端稳定在线。江宁地区存在开闭所、配电房终端多，光纤工况差，4G专网信号覆盖弱，针对这一现状针对性解决，目标将自动化在线率稳定在95%左右。二是对于新上设备实现FTU装设全覆盖，确保对于配电网状态的可观性。

参考文献

[1]永端，徐丙垠，李天友，等.配网自动化系统小电流接地故障暂态定位技术[J].电力自动化设备，2013，33（12）.

[2]马俊，何兴昊.配电网故障自动定位技术中通信技术的分析与研究[J].中国电力教育，2013（5）.