淺析架空線路自動化的實現與柱上開關選型

摘 要：DA實現方法的比較，淺析架空線路自動化故障處理的三種模式，DA過程時間與模擬預演功能，配電自動化系統DA功能的幾個特點，柱上開關的技術要求及其優缺點比較。

關鍵詞：架空線；故障檢測；自動化；DA過程（模式 時間 功能）；柱上開關(斷路器)

1 架空線路配電網自動化實現模式

一般將DA的實現方法分為兩種，即不需通訊的分布智能模式和需要通訊的集中智能模式。

分布智能模式是指FTU和柱上開關具備自動故障判斷隔離及網絡重構的能力，不需要通訊與主站系統的參與。這種模式主要有電壓時間型和電流計數型兩種。方法是FTU結合斷路器或負荷開關構成的具有重合功能的分段器。通過開關功能和保護時間配合實現故障隔離與供電的恢復。日本東芝公司生產的VSP5和其配套的FTU 是此類產品的典型代表。此類方法雖然成本低，不需要通訊與主站參與。但是，故障處理及供電恢復速度較慢，對系統及用戶多次沖擊；需改變變電站速斷保護定值及重合閘次數；沒有接地故障檢測功能。當出現接地故障時，若像對待短路故障一樣全線跳閘，再重合的辦法來隔離故障，則對于占總故障數很大比例的接地故障來說會出現頻繁跳閘的現象，失去了中性點不接地的優點。此外，網絡重構后，需改變重合器的整定參數，多電源多分支的復雜網絡，參數配合困難。由于沒有子站，因而無法考慮實際負荷水平和網絡運行約束。綜上所述，這種方法僅適合于網架結構比較簡單，主要是雙電源供電的‘手拉手’線路，在不具備通訊手段或通訊條件不完善可靠性較低的場合。

集中智能模式的DA方案，是由FTU將檢測的故障信息上傳給上級主站（即子站），子站根據配電網絡的實時拓撲結構，按照一定的算法進行故障定位，下達命令給相關的FTU跳閘隔離故障。此后，主站通過在線潮流等配網分析軟件，考慮過負荷、電壓、網損等前提下，提供最佳臨時性的系統配置方案，重組網絡，使盡可能多的用戶恢復供電，因此，這是一種基于DMS的DA方案。其特點是適用于任意結構，開環運行的配電網絡，可以考慮實際負荷水平和網絡約束。

按照城區配電自動化主站系統方的設想，未來城區配電網故障處理分為三個層次，一是以配電終端為基礎的故障檢測，二是以配電子站為輻射中心的低層區域控制，三是以主站為管理中心的高層全局控制。

配電終端負責故障的檢測，執行配電子站故障處理命令，實現故障隔離功能， 并上報故障信息及接受主站的控制策略。配電子站負責處理所轄區域饋線終端（FTU）的故障上報，查詢故障信息、分析故障位置及實現故障的當地隔離。主站根據子站的故障處理結果，提供非故障區域的供電策略，實現恢復供電。下面以架空線路說明DA過程。

架空線路的故障處理一定要區分瞬時和永久故障。對于瞬時故障，通過變電站出口斷路器的一次重合閘予以消除。而永久性故障，則由FTU上報故障信息給主站（或子站，簡單線路可由子站完成故障處理；復雜線路故障有可能超出子站管理范圍，并且需要考慮供電轉供過負荷、線損等情況則必須由主站完成）。根據現場具體情況及考慮問題出發點的不同，這里有3種故障處理模式，它們各有其特點。

（1）模式一：

分段器不具有重合功能，FTU檢測到變電站出口斷路器兩次切斷故障電流并且線路連續失壓一定時間后上報故障給主站。由主站根據FTU故障信息，確定故障區域。通過遙控進行故障隔離與恢復非故障區供電。故障定位基本原理就是故障點前的FTU能夠檢測到故障電流，故障點后的FTU檢測不到故障電流，從而確定了故障區域。故障處理過程如下：

故障發生，變電站出口斷路器D1跳閘（圖1-a）

D1重合，如果是瞬時故障，重合成功，故障處理過程結束；如果是永久性故障，線路將再次流過故障電流（圖1-b）

D1再次跳閘，重合閉鎖。FTU再次檢測到故障電流并且線路失壓一定時間后確認變電站出口斷路器重合閉鎖，上報主站故障信息（圖1-c）

主站收到FTU故障信息，確定出故障發生在開關K2-K3間，遙控跳開K2和K3，隔離成功后，閉合D1和聯絡開關K4，恢復供電（圖1-d）

（2）模式二：

變電站外第一個出線開關具有重合功能，其他開關不具有重合功能。處理過程如下：

故障發生，變電站出口斷路器D1跳閘（圖2-a）此后，變電站外第一個出線開關K1檢測到線路失壓、失流而跳閘（圖2-b）

D1重合，K1得壓，延時一定時間T（T>變電站出口斷路器重合復歸時間）后重合，如果是瞬時故障重合成功，故障處理過程結束；如果是永久性故障，則線路再次流過故障電流（圖2-c）

D1再次跳閘，此后，K1再次檢測到線路失壓、失流而跳閘并且重合功能閉鎖。FTU上報故障給主站（圖2-d）

D1再次重合，D1-K1段供電恢復。主站收到FTU故障信息，確定出故障發生在開關K2-K3間，遙控跳開K2和K3，隔離成功后，閉合K1和聯絡開關K4，恢復供電（圖2-e）

這種模式適合于不允許配網自動化系統對變電站內的10KV線路出口斷路器進行監控，或者變電站內上了RTU但信息不能共享的情況下使用。為了保證故障上游的失電區能夠恢復供電，通過變電站外第一個出線開關的延時重合，使得線路發生永久性故障時，變電站內的出口斷路器也能夠重合成功，這樣，故障上游的失電區可通過閉合變電站外的第一個出線開關實現供電恢復。

（3）模式三：

所有分段器都具有重合功能，并且重合方式都是得壓延時重合。各分段器延時重合的時間相同，重合功能的復歸時間也相同，并且延時重合時間大于重合復歸時間。故障處理過程如下：

故障發生，故障發生，變電站出口斷路器D1跳閘（圖3-a）

此后，分段器K1、K2檢測到線路失壓、失流而跳閘（圖3-b）

D1重合，K1得壓，延時一定時間T（T>變電站出口斷路器重合復歸時間）后重合，K2得壓，延時T（T>K1重合復歸時間）后重合，如果是瞬時故障重合成功，故障處理過程結束；如果是永久性故障，則線路再次流過故障電流（圖3-c）

D1再次跳閘，此后，K1、K2再次檢測到線路失壓、失流而跳閘，并且K2重合功能閉鎖。FTU上報故障給主站（圖3-d）

D1再次重合，D1-K1段供電恢復。K2得壓，延時T后重合，K1-K2段供電恢復。主站收到FTU故障信息，確定出故障發生在開關K2-K3間，遙控跳開K3，隔離成功后，閉合聯絡開關K4，恢復供電（圖3-e）

顯然，這種模式吸收了分布智能模式的部分思想，兼有分布智能模式與集中智能模式各自優點：顯然，故障點下游區恢復供電時間不受網絡重構變化的影響，即聯絡開關位置改變，故障恢復時間仍然是固定的并且小于分布智能模式；故障點上游區恢復供電由FTU自動完成，這樣，即使通訊線路完全癱瘓，上游區的故障隔離、恢復供電仍可由FTU自動完成。

2 DA過程的時間

整個故障處理自動化動作過程時間分配如下：

步驟1：永久性故障的判別時間約3-5秒。對于架空線路，故障發生后，經過變電站的保護動作及自動重合裝置的重合，若一次重合失敗，則確認線路發生永久性故障；對于電纜線路，若重合失敗（如果配置自動重合裝置），則表明故障發生在主干線上（如前所述，分支線故障，在重合前完成故障隔離，將重合成功）。一次重合失敗后，系統DA功能啟動，檢測到故障電流的FTU開始主動上傳故障信息。

步驟2：子站的故障信息的收集時間，指子站收齊所有FTU的故障信息，包括變電站內的保護動作信息和出線開關跳閘信息的時間。如果采用子站直接采集變電站的保護動作信息和出線開關跳閘信息，則故障信息的收集時間為5-10秒；如果變電站內信息由RTU轉發則一般為10-15秒（不同廠家的產品稍有差異）。

步驟3：子站的故障定位時間約1秒。

步驟4：子站執行故障隔離時間2-6秒。通常情況下隔離每個開關時間小于2秒，隔離開關數通常為1-3個。

步驟5：主站收到子站隔離報文，啟動故障恢復，進行過負荷效驗，計算網損，確定最佳恢復供電方案共用時間為4-5秒。

步驟6：主站執行故障恢復時間2-6秒。通常情況下恢復每個開關時間小于3秒，恢復開關數通常為1-3個。

3 DA 模擬預演功能

系統的DA模塊具有實際運行和模擬預演兩種模式。在預演模式下，系統可模擬配電網絡在典型負荷下，各種運行方式時，發生各種故障，系統處理過程和恢復方案。動態顯示全過程，如潮流分布、開關操作、失電線路等。各種故障的恢復方案保存在專門的'方案知識庫'中。演示中，調度員可人工修改恢復方案，并將其保存在'方案知識庫'中。因此，預演模式，一方面可供調度員訓練、學習DA功能的處理。另一方面，可供調度員人工修改恢復方案庫。當系統恢復方案較復雜，為了減少故障處理時間，系統首先從方案庫中查找相應故障的處理方法，如果該方案已存在則不必進行復雜計算。如果不存在，則由人工手動恢復。

4 配電自動化系統DA功能的幾個特點

（1）本故障診斷、隔離與恢復的功能適于開環運行的各種配網網架結構，用戶擴充或修改網絡結構后，其功能不受影響。

（2）故障隔離是在變電站內的10KV出線斷路器跳開以后才進行的，因此，本方案完全支持負荷開關。

（3）開關拒動的處理方法。當故障隔離時，如果遇到開關拒動，系統將自動擴大隔離范圍，跳開上一級開關，直至隔離成功。如圖3中，如果開關K5拒動，系統將自動開關K3，仍可達到同樣隔離效果。當故障恢復時，如果有多種恢復方案，系統首先按照安全、經濟的原則，確定一種最佳方案。但是，如果用于恢復的聯絡開關拒動，同樣，系統將自動執行次佳的恢復方案。如果，系統僅有一種恢復方案，并且聯絡開關拒動，則系統將在調度員界面上給予告警提示，同時指出拒動的開關。

（4）當配電網絡非常復雜，恢復方案較多時，如果故障發生后，才進行計算分析，確定最佳恢復方案，將導致恢復時間過長。為了縮短恢復時間，系統采用一種'恢復方案熱備用'的方法。這就是，在未發生事故時，在研究模式下，系統自動計算出所有可能發生故障的情況的恢復方案，將其存儲在‘方案知識庫’中，作為‘熱備用’。一旦，發生故障，系統自動從‘方案知識庫’中調出備用方案，然后僅進行安全效驗，從而大大縮短了恢復時間。開關變位事項將自動啟動恢復方案的計算，自動更新作為熱備用的‘方案知識庫’。

（5）故障恢復分全自動和半自動恢復兩種方式：全自動方式就是故障恢復自動由主站完成；半自動方式就是系統自動形成故障恢復方案，并顯示于MMI界面上，由調度員確認后，手動執行故障恢復方案。同時系統支持先經過方案預演后，再由調度員確認，執行方案。

（6）系統的故障診斷、隔離與恢復提供實時運行和模擬預演功能。在實時模式下，系統根據電網運行的拓撲狀態自動完成開關設備的操作，達到故障的診斷與隔離，并提出可實施的恢復方案；在研究模式下，可人為設置假想故障，系統自動演示故障的處理過程，包括故障定位、隔離過程及主站的恢復策略的預演等。

（7）未來城區配電自動化系統中，主站和子站的網絡拓撲結構描述應完全相同，只不過主站中存儲著的是整個網絡的拓撲，子站則存儲著所轄區域局部網絡的拓撲。故障隔離算法也完全相同。當故障區域超出單一子站所轄區域時，則直接由主站協調各子站進行故障隔離。因此，當屬于同一環網的各配電網絡的中各段線路在通訊上無法全部隸屬于同一子站時，通過主站同樣仍可完成故障隔離與恢復。

5 饋線自動化對柱上開關的技術要求

要實現架空配電網絡自動化，所選用的柱上開關及配套的FTU應滿足以下要求：

（1）高可靠性。在廈門這種濕度大、地處亞熱帶的海島城市，最好采用真空開關管滅弧以提高分斷能力，SF6氣體解決相間絕緣，縮小體積。因為零表壓，密封問題相對容易解決。由于真空負荷開關管和斷路器開關管價格差不多，其他結構也相差無幾，所以真空負荷開關可以用真空斷路器代替。操動機構應當密封，以解決機構銹蝕出現誤動、拒動現象。永磁機構就其原理而言由于元件數少，可靠性很高。但要注意到其本質上還是電磁操動機構，瞬時功率大及機械特性控制是其難點，啟動電容以及電子控制線路的壽命、溫度特性及可靠性是操動機構總體可靠性的瓶頸，應加以高度重視，這些問題若能解決永磁機構應為首選機構。彈簧機構若能解決密封問題，近期將成為一個適宜于柱上的操動機構。

（2）與FTU 配套后具有故障檢測與識別功能、測量與控制功能、通訊功能和遠程維護功能。測量和控制所需要的CT、CVT（PT）應盡量內置于負荷開關或斷路器內。

（3）具備電動操作功能。

總之，城區配電網是一個電纜和架空線混合的網絡。雖然從線路總長度上統計纜化率已達50%以上，但真正能獨立構成電纜網絡的并不多。柱上開關是實現配電網自動化的重要設備，需慎重選擇開關的型號和生產廠家。