基于配网的自愈闭环系统逻辑设计及验证

杨亚洲 王永雪 严玉廷 杨 洋 王洪林 徐佳宁

（1.南电网有限责任公司电力调度控制中心 2.云南大学信息学院3.云南电网有限责任公司电力科学研究院）

0 前言

配网上接电力主网， 下连千家万户， 是国民经济和社会发展的重要公共设施。在实际应用中， 配网在线监测、 故障报警、 主动抢修和故障管理是电网研发和建设的重中之重。配网自愈技术能够通过实时地监控配电线路运行状况， 及时发现并处理线路故障， 判断并隔离故障区间， 恢复非故障区域供电， 实现负荷快速转供， 避免大面积停电， 改善用户服务水平。配电主站系统实时监测并管理整个配网运行设备的功能， 通过分析终端上传的故障信息给出对应结论和下游复电策略， 控制隔离开关完成线路自愈过程。

随着配电网建设改造计划的实施， 配电网的发展得到了显著的成效， 按照南方电网公司配电自动化管理要求， 中国南方电网公司大力开展配电自动化建设， 配电自动化主站系统基本实现了配电SCADA （电网数据采集与监控系统） 、 配电故障处理、 Web 浏览等应用功能， 并实现与调度自动化系统、 计量自动化系统的信息交互与共享[1］。配网自愈是快速隔离配网故障和提升对用户供电质量的重要手段， 为适应智能电网的发展要求， 研究能够抵御并缓解系统各种故障的影响、 保证电网安全运行的自愈技术显得尤为重要。

本文基于普洱配电网设计实现故障配电自动化自愈闭环系统。系统主站由多个应用子模块组成， 能够实现与海量准实时平台、 GⅠS 系统、 数据资源管理平台等系统之间的数据交互， 具备故障隔离及恢复等功能。通过主站故障场景模拟和现场试验检测自愈系统策略准确度。试验结果表明， 配网自动化自愈系统在现场能够对配网故障进行精准定位并就地隔离， 恢复上游供电； 主站系统对下游故障恢复策略准确， 隔离开关响应无误。此次配网自愈闭环线路现场试验的成功动作， 为下一步全面推广配网自愈系统指明了方向， 具有重要意义。

1 配网自愈系统逻辑设计

1.1 自愈系统逻辑设计原理

配网自愈包含自我感知、 自我诊断、 自我决策和自我恢复四个方面功能。自愈系统的控制手段以预防控制为主并且能够在线路故障情况下维持系统连续运行的能力， 分别用以保证及时发现、 诊断和消除故障隐患和降低故障导致的损失[2］， 通过自愈系统可将配电线路故障的影响降至最低[3］。

本自愈系统利用现有电压时间式就地隔离自愈模式来实现定位和隔离故障区域以及对故障上游恢复供电操作。配电主站系统根据主网发送的故障信息 （出线开关动作和故障信息） 、 终端上传的保护、 闭锁信息等自动生成完整的故障定位、 隔离以及非故障区域最优的转供电的策略。

图2 为一次配电网侧、 就地侧设备以及配网主站系统三者之间协同实现线路故障自愈的流程， 一次配电侧线路发生故障， 就地设备检测、 识别故障信息并对故障进行就地处理， 智能断路器动作， 同时将故障信号发送至主站系统进行分析。主站系统接收到故障信号以后启动故障处理程序， 根据故障动作信号和现场设备动作信号， 并结合当前线路的拓扑结构、 实时的系统运行方式和实时系统的负荷分布等信息等， 对故障定位、 隔离和转供电进行深入分析， 根据分析结果执行转供电方案并遥控自动化终端， 完成配网故障处理。现场就地保护设备或自动化设备完成故障定位、 故障隔离 （上游）， 避免故障点上游负荷发生停电。故障下游边界的隔离、 非故障停电区域的转供电等工作由主站系统完成， 当就地未完成全部隔离及上游恢复操作时， 主站完整策略会保留就地失败的操作， 交给调度员通过遥控的方式执行。

图1 配网自愈系统实际应用与功能

图2 配网自愈故障处理流程

配电网自愈功能以标准统一的公共信息模型和混合组网通讯为支撑， 以信息安全为保障， 通过配电网设备的高度集成与互动， 实现配电网的优化控制、 灵活运维与辅助决策[4］。自愈作为智能配电网的重要功能之一， 重点解决其首要的目的是减小甚至避免故障对系统的影响， 保证电网安全稳定运行； 最终目标是为用户提供理想的电力服务， 从而提高系统的安全性、 可靠性和用户的满意度[5-7］。

1.2 自愈试验线路运行情况

试验所用线路拓扑图如图3所示， 为35kⅤ翠云变10kⅤ仙人洞线至35kⅤ龙潭变10kⅤ南本线的10kⅤ联络线。仙人洞线053 断路器、 南本线051 断路器为10kⅤ出线开关， 是具备断路器功能开关； 仙人洞线11号杆G01 断路器、 南本线70 号杆G01 断路器、 南本线59 号杆G01 断路器、 南本线19 号杆G01 断路器为主干线路断路器； 仙人洞线17号杆T 南本线A01断路器为联络开关即自愈开关。

图3 试验线路网络拓扑图

图4 线路故障自愈动作逻辑

搭建10kⅤ南本线T试验支线1号杆T-CS#1， 安装一台自愈试验操作的真空断路器； 搭建10kⅤ南本线T试验支线2 号杆T-CS#2， 安装一组跌落熔断器， 将A、B 相跌落熔断器下端设置短路， C 相跌落熔断器下端设置接地； 在10kⅤ南本线37 号杆安装横担， 将新建10kⅤ南本线T 试验支线搭接于10kⅤ南本线37 号杆，完成现场线路布设。

2 现场验证

2.1 自愈动作逻辑设计

自愈动作逻辑设计主要通过测试变电站和线路智能断路器的保护配合功能及配电自动化主站自愈功能的故障定位和快速转供电功能来开展。在10kⅤ南本线“10kⅤ南本线19号杆至60号杆之间37号杆测试T2故障”永久性相间故障， 35kⅤ龙潭变断路器过流保护跳闸， 变电站出口10kⅤ南本线051断路器一二次重合闸后， 根据智能断路器闭锁信息故障定位在10kⅤ南本线19 号杆至60 号杆之间； 主站系统基于变电站跳闸、故障定位后对10kⅤ仙人洞线17 号杆T 南本线A01 断路器系统自动遥控， 对电网非故障区域自动转供电。

在10kⅤ南本线“10kⅤ南本线19 号杆至60 号杆之间37号杆测试T2故障”性接地故障， 35kⅤ龙潭变051断路器小电流选线跳闸， 变电站出口10kⅤ南本线051断路器一重合闸后， 19号杆智能断路器合到零压快速分闸， 根据对应的闭锁信息智能断路器故障定位在10kⅤ南本线19号杆至60号杆之间； 主站系统基于变电站跳闸、 故障定位后对10kⅤ仙人洞线17号杆T南本线A01断路器系统自动遥控， 对电网非故障区域自动转供电。

自愈系统现场试验及主站验证软件环境、 系统支撑平台软件、 历史数据管理、 人机会话配置由表1所示； 硬件环境为普洱配网运行环境； 使用fmsrset程序进行信号仿真， 模拟开关刀闸跳闸信号和各种保护信号。测试试验时平台正常启动， 服务器端PAS （电网应用软件） 、SCADA、 FA （隔离开关） 等进程运行正常。

表1 试验环境

2.2 现场试验结果及分析

2.2.1 试验结果分析

搭建现场试验环境， 模拟配电一次故障。基于主站的功能测试验证并分析现场试验果。进行多组试验， 验证FA在各种故障情况下动作策略是否正确， 分析故障动作结果以及自愈系统策略理论结果与测试结果的差异， 针对不同故障类型自愈系统动作如表2， 主站故障模拟及其策略响应试验结果如表3中显示。

表2 配网主站自愈闭环动作

表3 主站故障模拟及策略分析

对于不同线路故障类型， 主站自愈闭环响应正确；通过主站系统故障模拟看出故障现场就地隔离响应动作正确， 主站系统复电策略准确， 对自愈开关控制动作正确并且迅速， 实现了精准定位故障区域， 快速就地隔离故障， 主站系统复电策略正确度高， 能够正确控制智能断路器， 实现线路的自愈功能。

在测试过程中为防止出现相间短路和主站自愈存在判断异常的情况， 通过终端配置完全AB、 AC、 BC相量测相关检测自愈程序区分正反向闭锁合闸信号， 提高定位精确程度， 故障区间判断为正向闭锁合闸信号下游或反向闭锁合闸信号上游降低主网信号判断优先级和减少二次重合闸失败对自愈逻辑判断影响等方法改进自愈系统， 保证配网主站正确启动自愈策略， 主站自愈功能正常定位故障范围， 给出正确的隔离、 转供策略，并通过主站自愈控制指令分、 合后段的自动化开关正确实现故障的隔离、 转供， 快速恢复非故障区域供电， 动作全过程正确。

2.2.2 故障过程录波分析

对试验过程故障录波进行分析， 故障录波软件为武汉中元华电CAAP2008X故障录波软件。通过对接地故障和永久性故障录波进一步分析系统自愈逻辑正确性。

如图5、 图6为试验线路发生接地故障后自愈系统对非故障区域恢复供电的电流与电压变化图， 断路器为单相自动重合闸真空断路器， 南本线59号杆发生接地故障， 自愈系统耗时144s完成故障定位、 故障就地隔离并对非故障线路区段复电， 主站系统动作策略准确， 操控自愈开关完成线路自愈。

图5 电流自愈复电

图6 电压自愈复电

如图7为南本线19号杆发生永久性故障， 断路器自动重合闸， 再次重合闸后断路器仍然分闸， 自愈系统耗时56s 确定故障区段为南本线051 断路器与59 号杆之间， 就地隔离故障并恢复上游供电， 主站系统判断为永久性故障信息， 隔离故障区域。

图7 永久性故障自愈结果

3 结束语

配网自愈在智能配电网中处于核心地位， 未来也将会在电网中大力推行并进行实用化， 本文介绍了配网自愈系统逻辑设计， 详细说明了配网自愈技术在普洱配电网上试验的成果： 配网发生故障后利用电压时间式故障就地隔离， 快速恢复非故障区域供电， 减少停电范围； 主站系统分析故障信息， 生成西游复电策略， 实现线路故障的快速诊断和自愈。在变电站出口断路器保护动作之前， 实现快速故障定位、 故障隔离和非故障区域的恢复供电， 实现配网可视可控， 减少人工巡检工作量， 从而提高配网运行的可靠性与安全性， 对智能配电网的发展有深远的意义。

目前配网自动化自愈是提高供电可靠性的重要手段， 也是智能电网的重要组成部分。南方电网公司将以建设智能配电网为切入点， 坚持需求引导、 整体规划、 有序推进、 重点突破。结合自愈实际应用情况， 下一阶段普洱局将继续配合网省公司发展要求， 积极编制主站自愈接入规范， 解决配网自愈管理流程上的缺失， 进一步推进配网自愈线路的正确性和故障自愈的正确率， 满足不同环境的需求。