配电自动化在自愈式电网中的应用

姜 鹏

(黑龙江省林业设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

大多数用户停电是由电力系统配电部分发生短路(故障)引起的。电网中个别输电线路上的单一故障通常不会导致用户长时间的电力损失，由于传输网络的网络化(mesh)配置在大多数情况下用户都会经由多个独立的输电线路供电。如果一条输电线路发生故障，电力将通过输电网络的其他路径流向配电系统的用户。一些变电站可能由辐射式网络供电，因此其中一个分接头的故障可能会中断客户服务。然而，除非变电站规模很小否则它很可能由多条输电线路供电，因此，如果一条供电线路发生故障，则通过该电路供电的客户将通过自动故障转移控制电路迅速转移到备用电源供电[1]。

配电馈线故障通常会导致短时间内失去电力服务。这是因为几乎所有的配电馈线本质上都是单侧电源辐射式供电的，即在任何给定的时间只提供一个电源的连接。然而，只要有备用电源存在并且备用电源有足够的容量，就可以将故障馈线所带的全部或者是一部分负载转移到备用电源。馈线故障后恢复服务所需的切换基本由现场工作人员手动执行，通过添加新的控制和通信设施可以使这一过程自动化，这是使用配电自动化创建“自愈”配电网的原理[2]。

1 配电馈线故障的性质

当配电线路发生永久性故障时，保护装置检测故障并触发故断路器跳闸。配电馈线上发生的许多故障，如配电线路与动植物的接触，短路电流会使故障燃烧干净，达到整定延迟时间后断路器跳闸，消除由此产生的自由空气电弧。如果原始故障完全排除，且没有配电设备因短路电流而损坏，则利用自动重合闸将在与重合闸相关的短暂中断(通常为5～15s)后成功恢复对受影响客户的服务。在某些情况下，自动重合闸过程会重复多次。但是，如果故障不能自行清除或故障电流对电力设备造成永久性损坏，现场工作人员必须手动干预以恢复服务[3]。

手动恢复服务的过程中，即使是连接到配电馈线未受损部分的客户，也可能经历持续数小时的断电，因为现场工作人员需要前往相关馈线，并沿着馈线进行搜索(巡查)以找到受损区域。在进行损坏评估后，现场工作人员可以选择维修损坏的设备或手动断开相应开关来隔离损坏的设备。一旦受损区域被物理隔离，并采取了安全保护措施后(安全接地、挂锁开关机构等)，可以手动恢复馈线的“正常”(未损坏)部分的电源。这一过程平均需要45～75min，在交通困难地区可能需要更长的时间[4]。

配电自动化(DA)提供了一种机制，可以在不到1分钟的时间内恢复对馈线未受损部分的客户的供电，从而减少这些客户的停电时间。在大多数情况下，整体可靠性改善将达到或超过50%，这就是“自愈”网格的本质[5]。

2 基于FLISR的服务自动恢复

FLISR应用功能可自动检测到发生的故障定位故障(在两个中压开关之间)，发出控制命令以断开连接损坏区域的开关隔离故障区段，然后关闭其他开关(如有可能)，以恢复正常部分的供电。目前最先进的技术允许所有这些操作在非人工干预的情况下完成(全自动控制)[6]。

2.1 故障检测

FLISR应仅在馈线本身或正常供电设施发生短路(故障)后运行。当馈线因手动开关操作或因触发低频低压减负荷操作而断电时，FLISR不应运行。为了满足这一要求，当检测到故障电压电流时，需要一个或多个故障检测器来触发FLISR操作。通常的做法是使用变电站中的保护继电器智能电子装置(IED)或带有独立保护设施的线路重合闸来确定配电馈线是否发生故障，然后提供信号触发FLISR操作[7]。

2.2 故障定位

确定包含故障的馈线的“区段”。在本讨论中，FLISR“部分”是由远程控制开关限定的馈线部分。每个开关都包括一个故障指示器(FCI)，用于确定最近是否有故障电流通过开关。FLISR使用故障指示器状态指示和运行馈线的拓扑结构来确定哪个部分出现故障。故障区段由一个“看到”故障的FCI和一个或多个未“看到”故障的FCI所包围[8]。

2.3 故障隔离

根据上述故障定位分析，FLISR发出控制命令，打开所需的开关以完全隔离馈线受损部分。通常情况下，FLISR推迟这些控制动作直到完成标准自动重合闸程序。这可确保仅在永久性故障后才通过FLISR重新配置馈线(如果故障是自清除的“临时”故障，则不应重新配置馈线)[9]。

2.4 服务恢复

一旦馈线的受损部分被隔离，FLISR将尝试通过可用的电源恢复馈线中尽可能多的“健康”部分的服务。可用电源包括馈线的正常电源，以及通过常开远程控制联络开关连接至故障馈线的任何可用备用电源。FLISR比较每个“正常”馈线部分的故障前负荷，然后将该负荷与备用电源上的备用容量进行比较。如果有足够的容量，则关闭联络开关以恢复服务。如果没有足够的容量，在现场工作人员到达现场之前，相关部分将保持断电状态[10]。

3 行业趋势和问题

3.1 在FLISR开关中使用重合闸与负载断路开关

FLISR可以通过故障中断重合闸或无故障中断能力的断路器来实现。对于负载断路器，故障中断由变电站内断路器处理，因此当发生故障时整个馈线都会发生电源中断。当使用重合器时，除了故障发生在馈电线路首端导致整条馈电线路断电之外，其他情况下馈电线路只有部分区段会停电。目前的行业趋势是使用重合闸，因为近年来重合闸和负荷断路开关之间的价差已经大大降低[11]。

3.2 安全事项

维护现场工作人员和公众的安全始终是FLISR的首要要求，通常的做法是在进行带电作业时禁用FLISR操作，另一项安全措施是确保所有FLISR开关关闭活动在2～3min内完成。

3.3 集中式与分散式体系结构

当前有多种可行的产品可用于实施FLISR。这包括使用集中式架构(主FLISR逻辑驻留在位于控制中心或IT数据中心的服务器上)或分散式架构(主逻辑驻留在位于变电站和杆/垫安装外壳中的处理器中)的FLISR系统。分散式方法的显著优点是不需要实际运行的配电系统模型，非常适合于处理中小型的馈线。集中式方法通常首选于包括高渗透分布式能源的馈线和可能经常为负载平衡或其他目的而重新配置的馈线。

3.4 分布式能源的影响

可提供故障电流的大型分布式发电机使FLISR的实施变得非常复杂。位于故障馈线段下游的柴油发电机组的故障电流可能导致错误的故障定位，在这种情况下，可能需要提供具有判断故障电流方向的FCI来正确识别故障馈线部分。分布式发电机的供电也可能导致错误的故障前负荷计算，例如，在故障发生之前，发电机可能会提供一部分负荷，从而减少故障前由电网提供的负荷。当故障发生时，柴油发电机组将断开，从而增加恢复后需要电网供电的负荷，由此产生的负载转移可能会使备用电源过载，导致其过载跳闸。

4 应对措施

4.1 业务恢复的闭环控制

在大多数情况下，故障检测和隔离是以全自动的方式进行处理的，而服务恢复(通常是一项更困难和风险更大的任务)则是在“咨询”模式下进行的。在这种模式下，操作员根据FLISR建议的切换做出最终的控制决策。由于需要防止过载、欠压以及馈线重新配置后的其他不利后果，恢复供电是目前为止最困难的任务。大多数分散安装使用全自动方法，而大多数集中系统是半自动或手动的。

4.2 馈线重构后的操作

随着系统在智能电网部署方面取得进展，由于恢复服务以外的原因而重新配置馈线的情况将更加频繁。最好的例子是优化网络重构(ONR)，它包括改变互连配电馈线的拓扑结构，以平衡负载、降低电损耗、改善电压质量和其他目的。当配电馈线处于“异常”配置时，早期的FLISR部署被禁用。新的设计能够更新修改后的配置为“新常态”，并继续运行。还需要进一步的工作来确保FLISR和ONR完全集成，并与外部应用(如电压无功优化)保持一致。

4.3 减少需求技术在重负荷馈线恢复中的应用

多年来，大多数地区的馈线负荷都在增加，而且从重负载的备用馈线恢复供电越来越困难。因此，由于负载和欠压问题，服务恢复通常会受阻。解决这个问题的一种方法是安装更多的远程控制开关，使馈线能够被分成更小的负载块，这样可以更容易地传输而不会使备用电源过载。但是，增加更多的开关或增加容量可能会导致成本过高，另一种可能性是通过储能装置、柴油发电机组触发快速需求响应控制动作来降低负载率。

5 结论

通过分析FLISR在自愈式电网中的作用，虽然FLISR有一些需要改进的方面，但是在缩短配电网事故停电时间、快速恢复非故障线路供电、提高供电可靠性、减轻调度运检人员工作压力方面有着广阔的前景。