我國農村饋線自動化模式的探討

李劍峰,宋 丹

（1.東北電力科學研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006 2.東北電網有限公司,遼寧 沈陽 110006）

至1998年底,農村電網已覆蓋全國95%以上人口,縣及以下行政區年用電量4 593.6億kW?h,占全社會總用電量的40%以上。農村鄉、村、戶通電率分別為99.19%、98.11%、96.88%[1]。到1999年農村用電量達到4 982億kW?h,比1998年增長8.31%,占社會總用電量的41.2%[2]。隨著農村經濟的增長和物質生活水平的提高,農村用電量仍呈現逐年增長趨勢,對供電的質量和可靠性的要求也越來越高。配電網自動化是提高供電可靠性的一種重要技術手段,實現饋線自動化是配電網自動化的核心內容。配電網自動化在一定意義上指的就是饋線自動化。在配電自動化系統中,饋線自動化對于提高農村供電可靠性、減少停電面積和縮短停電時間具有深遠的意義。

饋線自動化具有基于重合器饋線自動化和基于FTU饋線自動化兩種模式,在農村具體實現采用哪種模式有必要進行詳細的探討。

1 饋線自動化的兩種模式

1.1 基于重合器饋線自動化

基于重合器饋線自動化模式主要依靠裝設在變電站出線端的重合器、配電網中的分段器及柱上開關等具有一定智能的硬件設備,通過開關功能和保護時間配合,實現對故障的自動診斷、隔離故障區段和恢復健全區域供電的目的。

根據檢測電氣量的不同,可分為電流型方案和電壓型方案。電流型方案是采用重合器與重合器或重合器與電流脈沖型分段器相配合,檢測饋線電流進行控制和保護;電壓型方案是采用重合器與電壓—時間型分段器相配合,檢測饋線電壓為依據進行控制和保護。

a.重合器與重合器配合方式。當出現故障時,離故障最近且有故障電流流過的重合器先斷開,經一段時間后進行第二次閉合;若為瞬時性故障閉合成功,若為永久性故障,重復前面過程。當過流脈沖計數器計數次數達到預先設定值自動閉鎖,聯絡開關檢測到一側失壓,達到一定時間閉合,按照上述判定故障過程實現對故障的隔離和恢復非故障區的供電。

b.重合器與時間型分段器配合方式。當出現故障時重合器跳閘,分段器維持在合閘位置,但經歷了故障電流的分段器的過流脈沖計數器加一,經一段時間后重合器進行第二次重合;若為瞬時性故障閉合成功,若為永久性故障,重復前面過程。當重合器斷開次數達到預先整定次數后自動閉鎖,聯絡開關檢則到一側失壓,達到一定時間閉合,按照上述判定故障過程實現對故障的隔離和恢復非故障區的供電。

c.重合器與電壓—時間型分段器配合方式。當出現故障時重合器跳閘,隨后沿線分段器因失壓而跳閘,經一段時間后重合器進行第二次重合,沿線分段器依次順序自動合閘;若為瞬時性故障閉合成功,若為永久性故障,重合器第二次跳閘,并將與故障區段相連的分段器閉鎖在分閘位置,聯絡開關檢測到一側失壓,達到一定時間閉合,按照上述判定故障過程實現對故障的隔離和恢復非故障區的供電。每種配合方式詳細工作過程參閱文獻[3]。

1.2 基FTU饋線自動化

基于FTU點對點通信模式和基于FTU遠方集中監控模式是基于FTU饋線自動化的兩種方案。

a.基于FTU點對點通信模式。采用具有電動操作機構的負荷開關或環網柜作為饋線分段開關,同時配置FTU饋線智能控制終端,通過對等通信方式,FTU把故障后的開關狀態及記錄信息傳送給相鄰開關的FTU,經FTU智能判斷,識別故障區段,并自動隔離故障,自動恢復非故障區段的供電。

如圖1所示,CB1、CB2為變電站10 kV出線斷路器,S1,S2,S3,S4,S5為饋線自動分段開關（S3為聯絡開關處于開斷狀態）。正常情況下L1, L2,L3線段由CB1供電,L4,L5,L6線段由CB2供電,S3為聯絡開關處于開斷狀態。

圖1 基于FTU點對點通信模式

設L2出現持久性故障,CB1斷開后第一次重合不成功又跳開,S1的FTU記錄了2次失壓、2次故障電流,經一定延時S1斷開,S2的FTU記錄2次失壓（無故障電流）,經過延時S2跳開,通過對等通信方式,各自將FTU記錄的狀態向相鄰開關傳送。當聯絡開關S3的FTU收到各開關記錄狀態時,分析相鄰開關S2的記錄,若只是失壓而斷開,則判斷故障不在L3區段,S3的FTU發出S3合閘命令,同時把S3的狀態向相鄰開關傳送。S1, S2的FTU分別檢出相鄰的記錄有差異,S1有2次故障電流,S2只有失壓,則判斷故障在L2區段, S1,S2保持斷開位置,經一定延時,CB1重合,恢復對L1供電,完成故障自動隔離和自動恢復非故障段的供電過程。

b.基于FTU遠方集中監控模式。通過FTU分別采集相應柱上開關的運行情況,如負荷、電壓、功率和開關當前位置、貯能完成情況等,并將上述信息經由通信網絡發送遠方配電自動化控制中心,FTU還可以接受配網自動化控制中心下達的命令進行相應的遠方倒閘操作,以優化配網的運行方式。在故障發生時,FTU記錄下故障前及故障時的重要信息（最大故障電流和故障前的負荷電流、最大故障功率等）,將信息傳至配電自動化控制系統,經分析后確定故障區段和最佳供電恢復方案,以遙控方式隔離故障區段、恢復健全區段供電。

圖2為基于FTU遠方集中監控模式的簡單環網示意圖。CB1,CB2為變電站10 kV出線斷路器, S1,S2,S3,S4,S5為饋線自動分段開關。正常情況下L1,L2,L3線段由CB1供電;L4,L5,L6線段由CB2供電;S3為聯絡開關正常時處于開斷狀態,使配電網運行在環網開環狀態;遠方控制站（主站）具有接收FTU信息、分析計算、向FTU發送控制命令等功能。若L2段饋線發生永久性故障,由斷路器CB1的一次重合功能檢測出永久性故障,同時FTU將故障的測量結果送到控制站。由于S1處FTU檢測到故障電流,S2處FTU檢測不到故障電流,所以控制站可以確定S1、S2之間為故障區,自動遙控分斷開關S1、S2,閉合斷路器CB1及聯絡開關S3,完成故障區域L2的隔離及其他非故障區域供電的恢復。

圖2 基于FTU遠方集中監控模式簡單環網示意圖

2 饋線自動化模式的比較

基于重合器和分段器的配合方式,具有結構簡單、建設費用低及不需要通信設備等優點。但也有不足之處：在進行故障隔離時,變電站出線端需要進行多次重合閘,對系統和一次設備沖擊較大且切斷故障時間較長;依靠重合器保護整條饋線,降低了系統的可靠性;故障時重合器跳閘造成了非故障區的停電,擴大了故障范圍;在非正常運行方式下,因與分段開關常規整定不符,需重新設置定值,非常不方便。

基于重合器與重合器配合方式當故障發生時,不會影響饋線健全區段供電的連續性,停電時間也較短,供電的質量和可靠性得到了很大的提高。由于重合器需多次重合才能隔離故障,對系統和一次設備沖擊較大;由于重合器之間保護的配合靠延時實現,分段越多保護級差越難配合;重合器價格比較高,投資比較大。

基于FTU點對點通信模式克服了基于重合器饋線自動化的缺點,采用智能終端FTU之間的點對點通信,判斷、隔離故障區域及恢復健全區域非常迅速,對一次設備和系統的沖擊小,雖然增加了智能終端FTU,但成本與基于重合器的饋線自動化相比并沒有增加。

基于FTU遠方集中控制模式能夠快速一次性切斷故障,快速恢復供電,有效地提高了供電質量和可靠性。但該方案對配電網通信的依賴性太強,通信系統或控制中心發生故障時將導致整個系統癱瘓,失去故障隔離和恢復供電的功能。

3 我國農村電網發展狀況

我國農村電網20世紀60年代開始起步建設,但由于長期以來對農村電網建設的重視不夠,建設資金投入不足,造成農網發展非常滯后。隨著農村經濟的發展,農村用電量增長很快,農村電網發展迅速,但農村電網結構仍然非常薄弱,其特點是用戶分散,負荷密度小,輸配電線路長,布局不合理,卡脖子線路、迂回線路普遍存在,導線截面積小,設備陳舊,網損較大,電能質量及用電可靠性差,供電能力自動化水平較低[5]。為了促進農村的經濟發展,從1998年開始國家投資1 800億對農村電網進行建設與改造,農村電力事業得到前所未有的發展。農村電網結構優化、布局較為合理,農網安全性、經濟性、穩定性及其自動化程度有了很大的提高。線損明顯下降,農網的供電質量和供電能力顯著提高,基本滿足了農村經濟發展的需要。2004年度,農村電網供電可靠性達到99.3%,比1998年的94%提高5個百分點,農網綜合電壓合格率達到95%,比1998年的85%提高10個百分點;農村綜合線損率由1998年的15%下降到7.8%,低壓線損率由23.5%下降到12%左右。

4 饋線自動化發展模式的選擇

根據饋線自動化模式的比較和我國農村電網發展狀況,基于FTU點對點饋線自動化模式是農村配網自動化未來很長一段時期內的發展方向。

a.基于重合器饋線自動化模式已經不能滿足農村現狀。長期以來,我國農村采用的配網自動化模式是基于重合器饋線自動化,判斷、隔離、恢復故障區域的供電所需時間長。隨著農村經濟迅速發展,物質文化生活水平的提高,特別是鄉鎮企業的崛起,對用電的質量及其可靠性的要求也越來越高,這種在農村長期使用的饋線自動化模式的缺陷日益明顯,制約著農村經濟的發展。

b.基于FTU遠方集中控制饋線自動化模式不適合我國農村發展的現狀。這種饋線自動化模式能夠極大地提高供電質量和供電可靠性,能夠優化配電網的運行模式。但要實現這種模式的饋線自動化,需要進行巨大的設備投資和通信網建設費用,對于經濟基礎仍舊比較薄弱的農村,這種巨額費用難以承擔。另外,農村電網的特點是用戶比較分散、負荷密度小、輸配電線路非常長,不便于進行遠方集中控制。

c.在農村發展基于FTU點對點通信的饋線自動化模式好處多。這種饋線自動化模式與基于重合器的饋線自動化模式相比具有明顯的優越性。判定、隔離、恢復故障區域供電的時間短,顯著提高了供電質量和供電可靠性;增加FTU和通信線的費用對于經濟快速發展的農村可以承擔;這種模式的饋線自動化使用了遠方終端設備FTU,滿足了農村配電網未來發展的需要,當農村經濟條件及客觀條件允許時,只需要在原來的基礎上增加通信設備即可實現集中遠方控制的饋線自動化模式。

5 結束語

隨著農村經濟的迅速發展,對供電質量和供電可靠性要求越來越高,農村實現配電網自動化勢在必行。基于FTU點對點通信模式的饋線自動化能夠滿足農村的現狀及其未來配網自動化發展的需要,是未來相當長時期內農村實現配網自動化的立足點,對提高農村供電質量和供電可靠性及滿足農村經濟發展的需要具有很大的現實意義。

[1] 張英書,蔣連海.農村電網建設與改造[M].北京：中國電力出版社,1999.

[2] 王衛星.農村電力系統[M].廣州：廣東高等教育出版社,2005.

[3] 苗俊杰,李 娟等.配網自動化中故障處理模式的分析比較[J].電工技術雜志,2003,22（3）：17-20.

[4] 劉 健等編著.城鄉電網建設與改造指南[M].北京：中國電力出版社,2001.

[5] 夏媚珠,韓昆侖,吳 青.我國城市及農村配電網自動化發展的探討[J].廣西電力,2003,26（4）：52-54.