10kV配電網饋線自動化系統控制技術分析及應用

葛樹國，沈家新

（佛山市順德電力設計院有限公司，廣東佛山 528300）

10kV配電網饋線自動化系統控制技術分析及應用

葛樹國1，沈家新2

（佛山市順德電力設計院有限公司，廣東佛山 528300）

饋線自動化（Feeder Automation，FA），又稱配電線路自動化，是配電自動化的重要組成部分，是配電自動化的基礎，是實現配電自動化的主要監控系統之一。饋線自動化是指在正常情況下，遠方實時監視饋線分段開關與聯絡開關的狀態和饋線電流、電壓情況，并實現線路開關的遠方合閘和分閘操作，在故障時獲取故障記錄，并自動判別和隔離饋線故障區段以及恢復對非故障區域供電。

饋線自動化是提高配電網可靠性的關鍵技術之一。配電網的可靠、經濟運行在很大程度上取決于配電網結構的合理性、可靠性、靈活性和經濟性，這些又與配網的自動化程度緊密相關。通過實施饋線自動化技術，可以使饋線在運行中發生故障時，能自動進行故障定位，實施故障隔離和恢復對健全區域的供電，提高供電可靠性。

現在電網公司各供電局10kV架空線路網架以單放射型和“2-1”聯絡型為主，主干線上帶有多條分支線，分支線再延伸出多條小分支線，線路結構復雜，而且分支線上的每一次永久或瞬時故障均會引起全條饋線停電，影響范圍較大，2007年前故障點的查詢需巡線員沿線路查詢，耗費大量人力，停電時間長，以北京地區為例，停電時間平均超過116m i n，現在是通過重合器順序重合實現其控制功能，處理時間需要數m i n至30m i n，為了使饋線在運行中發生故障時，能自動進行故障定位，實施故障隔離，縮短停電時間，有必要對饋線自動化進行進一步深入研究，將停電控制時間減少至數s內。

國家電網公司對饋線自動化在我國的實踐已經有5a的歷程，許多城市都在不同層次、不同規模上對饋線自動化工作進行了試點，如北京在城區電網實施了一定規模的配網饋線自動化，實現了配網SCADA功能；上海配網自動化試點建設比較早，針對全電纜網、架空和電纜混合網、全架空網等3種配網形式都進行了饋線自動化試點。

南方電網公司早在2007年開始組織配網自動化的建設工作，目前各供電局只有部分架空饋線安裝了重合器方式自動化開關、故障指示器等設備。在供電局安裝的SCADA配網主站系統，只能實現對終端設備的遙測、遙信，不能進行遙控，不能自動故障隔離，不能快速進行故障定位，故障處理時間需要15m i n左右，甚至更長，并不能真正實現配電自動化。

實施饋線自動化的目的是對饋線進行快速地故障定位、故障隔離、非故障區域供電恢復，最大限度地減少故障引起的停電范圍、縮短故障恢復時間。

目前基于配電自動化開關設備相互配合的饋線自動化系統和基于饋線終端設備（F T U）和通信網絡的饋線自動化系統在部分地區采用，而基于配電自動化開關設備相互配合的饋線自動化系統因其結構簡單、不需要建設通信網絡、建設費用低等特點，故應用較多，饋線自動化目前在國內的技術發展，主站系統、智能配電終端已比較成熟，但自動故障識別、自動故障定位、自動故障隔離、快速復電技術尚不成熟。

因此，本文將就配電自動化技術現狀及存在問題進行分析，著重對饋線自動化控制技術方式、分布式智能控制技術進行研究。

1 饋線自動化的控制方式及功能

饋線自動化控制是指在正常情況下，遠方實時監控饋線分段開關與聯絡開關，并實現線路開關的遠方合閘和分閘操作，在故障時獲取故障記錄，并自動判別和隔離饋線故障區段以及恢復對非故障區域供電。

1.1 控制方式

饋線自動化的控制方式分為遠方控制和就地控制，這與配電網中可控設備（主要是開關設備）的功能有關。如果開關設備是電動負荷開關，并有通信設備，那就可以實現遠方控制分閘或合閘；如果開關設備是重合器、分段器、重合分段器，它們的分閘或合閘是由這些設備被設定的自身功能所控制，這稱為就地控制[1]。

遠方控制又可分為集中式和分散式2類。所謂集中式，是指由SCADA系統根據從F T U獲得的信息，經過判斷作出控制，亦稱為主從式；分散式是指F T U向饋線中相關的開關控制設備發出信息，各控制器根據收到的信息綜合判斷后實施對所控開關設備的控制。

1.2 控制功能

1）運行狀態監控。監控內容主要包括所有被監控的線路（包括主干線和各支路）的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、電能量等電氣參數。能夠實時顯示配電網絡的運行工況：實時監視10kV線路分段開關、聯絡開關等設備運行狀態；線路分段開關和聯絡開關的遙控；通過運行狀態的監測，可以實現遠動或者三遙（遙信、遙測、遙控）功能[2]。

2）故障定位、故障區隔離，負荷轉供及恢復供電或者進行網絡重構[3]。在配電網中，若發生永久性故障，通過開關設備的順序動作實現故障區隔離[4]；在環網運行或環網結構、開環運行的配電網中實現負荷轉供，恢復供電。當切除了配電網中的故障設備后，在滿足一定約束的條件下，為了減少停電面積從而盡可能地保證用戶供電而進行的網絡結構調整，即配電網故障后重構。這一過程是自動進行的。在發生瞬時性故障時，通常因切斷故障電流后，故障自動消失，可以由開關自動重合而恢復對負荷的供電。

2 饋線自動化類型

按照配電網建設模式劃分，饋線自動化系統可以分為故障定位系統、就地式饋線自動化、集中式饋線自動化，各個饋線自動化系統的介紹如下。

2.1 故障定位系統

配網故障定位系統是通過安裝故障指示器裝置，在配電線路發生故障時，相關人員通過人工巡視或根據上報的故障信息，確定故障區域的系統。故障指示器是一種安裝在電力線路（架空線，電纜及母排）上，指示故障電流的裝置，它通過檢測短路電流的特征來判別短路故障，可以通過給出動作翻牌、燈光報警等就地信號指示短路故障，迅速確定故障分支和區段，大幅度減少了尋找故障點的時間，有利于快速排除故障，恢復正常供電，提高供電可靠性。該系統僅僅在故障時起作用。

2.2 就地式饋線自動化

就地式饋線自動化指不依賴配電自動化主站，由配電終端或現場自動化裝置協同實現故障定位、故障隔離和恢復非故障區域供電。具體可采用重合器和智能分布式2種實現方式：

1）重合器方式。在原來的電壓分斷器、電流分段器、重合器技術基礎之上發展出了的一種技術不依賴于通信和主站，可靠性更高。在故障發生時，通過線路開關間的邏輯配合，利用重合器實現線路故障的就地識別、隔離和非故障線路恢復供電。有3種典型的重合器方式饋線自動化模式，即重合器和重合器配合模式、重合器和電壓-時間型分段器配合模式、重合器和過流脈沖計數型分段器配合模式[5]。

2）智能分布式。智能分布式的就地式饋線自動化是在重合器方式的就地式饋線自動化的基礎上，增加局部光纖通信，使得環網內的各F T U互相交互信息，在故障后m s級的時間內直接跳開離故障點最近的2側開關，變電站出線開關不需要跳閘，使得停電區域最小，同時聯絡開關自動合閘轉供。可實現多開關串聯無級差保護配合，快速準確地實現故障隔離和轉移供電，達到停電范圍最小、停電時間最短的目的。在保護通道故障時，可自動轉為重合器方式的就地式饋線自動化工作模式，可靠性高，可應用于供電可靠性要求高的骨干網絡。配電主站和子站可不參與處理過程。

2.3 集中式饋線自動化

集中式饋線自動化是指配電主站與配電終端相互配合，實現配電線路的故障定位、故障隔離和恢復非故障區域供電。具體可采用全自動和半自動2種實現方式：

1）全自動方式。配電主站或子站通過快速收集區域內配電終端的信息，判斷配電網運行狀態，集中進行故障識別、定位，自動完成故障隔離和非故障區域恢復供電[6]。

2）半自動方式。配電主站或子站通過收集區域內配電終端的信息，判斷配電網運行狀態，集中進行故障識別、定位，通過遙控或人工完成故障隔離和非故障區域恢復供電。

3 饋線自動化典型控制技術方案

3.1 基于主站監控式的集中式饋線自動化

配電主站、配電子站、饋線配電終端是構成配電自動化的3大環節。主站監控式饋線自動化是指完全由主站實現的饋線故障緊急控制。配電主站是大型配網自動化建設的核心，作為控制中心，它依賴于通信，實現配電網全局性的數據采集與控制[7]，從而實現配電SCADA、配電高級應用（PAS）。同時以地理信息系統（GIS）為平臺實現了配電網的設備管理、圖資管理，而SCADA,GIS和PAS的一體化則促使配電主站的功能更綜合、更緊密、更強大，成為提供配電網保護與監控、配電網管理與維護的全方位自動化運行管理系統。在主站層實現的饋線自動化功能簡單明了（如圖1所示），當在開關S1和開關S2之間發生故障F1（非單相接地），線路出口保護使斷路器B1動作，將故障線路切除，實現故障識別；再根據裝設在S1處的F T U檢測到故障電流而裝設在開關S2處的F T U沒有故障電流流過，此時自動化系統將確認該故障發生在S1與S2之間，遙控跳開S1和S2實現故障隔離并遙控合上線路出口的斷路器B1，最后合上聯絡開關S3完成向非故障區域的恢復供電。

圖1 基于主站的饋線自動化控制模式Fig.1 Feeder automation control scheme based on main station

這種基于通信的饋線自動化方案以集中控制為核心，綜合了電流保護、R T U遙控及重合閘功能，能夠快速切除故障，在幾s到幾十s的時間內實現故障隔離，在幾十s到幾m i n內實現恢復供電。

主站監控方案中故障識別、故障網絡拓樸分析、故障定位、故障負荷轉移都由配電主站集中處理，形成順序控制策略，再通過遠方通信逐項完成。配電網緊急控制功能及邏輯完全做在主站中，對配電終端僅要求其有R T U功能，對配電網通信的依賴性強，當通信系統發生故障或控制中心故障，則不可避免地導致整個控制系統癱瘓，失去故障隔離、恢復供電功能。如同在微機繼電保護發展初期，變電站的眾多保護功能僅由1臺計算機實現一樣，這種完全依賴通信的主站集中式控制模式可靠性較差，應當考慮緊急控制功能的分布實現與下放。

3.2 基于子站監控式的饋線自動化

配電子站通常位于變電站或配網分控制中心，其功能涵蓋通信處理和就地監控，與變電站綜合自動化一樣，配電子站在子站層能夠獨立實現對饋線的信息采集與控制。在饋線故障處理中，故障識別、故障隔離功能可以由配電子站完成。這種控制方式實現了主站中緊急控制部分功能的下放，增強了子站的控制功能，減弱了饋線故障處理對主站的依賴，是目前比較流行的控制方式。

該控制模式需要協調解決故障隔離與故障負荷轉移的關系。主站能夠基于配電網全局的拓撲信息給出全局最優的故障負荷轉移方案，其優化目標函數的約束條件包括開關的操作次數、負荷轉移的合理性、重構網絡的合理性、網損等因素。一般情況主站在故障發生后進行負荷轉移的分析，為調度給出最優恢復策略，由調度確認后實現負荷轉移。

實際上只有在復雜的大型配電網中發生大范圍故障時，才會出現較大的負荷需要轉移，自動化系統將通過復雜的拓撲分析給出一系列順序執行的轉移負荷方案。然而通常情況下，饋線故障的恢復供電措施都很簡單，只需考慮聯絡開關投人備用電源是否能夠完成負荷轉移。對于這種單一操作可以考慮通過配電子站來完成。理想的方案是由主站在正常運行狀態進行故障預想在線生成控制策略，并下載到配電子站中，即對于哪些可以由配電子站直接進行故障負荷轉移，主站作為該項任務的后備。

3.3 重合器方式的就地式饋線自動化

基于重合器的饋線自動化有2種實現方式：

1）重合器與電壓-時間型分段器配合實現故障定位、隔離。

2）重合器與過流脈沖計數型分段器配合實現故障定位、隔離。

基于重合器與電壓-時間分段器方式的饋線自動化基于電壓-延時方式，對于分段點位置的開關，在正常運行時開關為合閘狀態。當線路因停電或故障失壓時，所有的開關失壓分閘。在第一次重合后，線路分段一級一級地投入，投到故障段后線路再次跳閘，故障區段2側的開關因感受到故障電壓而閉鎖。當站內斷路器再次合閘后，正常區間恢復供電、故障區間通過閉鎖而隔離。而對于聯絡點位置的開關，在正常時感受到2側有電壓時為常開狀態，當一側電源失壓時，該聯絡開關開始延時進行故障確認。在延時時間完成后，聯絡開關投入，后備電源向故障線路的故障后端正常區間恢復供電。2側同時失壓時，開關為閉鎖狀態。

基于重合器與過流脈沖計數[8]分段器方式的饋線自動化在處理如圖2所示配電網結構，A為重合器，B、C、D為過電流脈沖計數分段器，其計數次數均整定為2次。

圖2 基于重合器與過流脈沖計數分段器故障處理示意圖Fig.2 Recovery process based on recloser and sectionalized pulse counting device

對于永久性故障，正常運行時，重合器A，分段器B、C、D均為合，當C之后的區段發生永久性故障時，重合器A跳閘，分段器C計過電流一次，由于沒有達到事先整定的2次，因此分段器保持合閘，經過一段時間后，重合器進行第一次重合，由于再次重合到故障點，重合器A再次跳閘，分段器第二次過電流而達到整定值，于是，分段器在重合器跳閘后無電流時期分閘；再經過一段時間，重合器A進行第二次重合，由于此時分段器C處于分閘狀態，從而將故障區段隔離開，恢復對健全區段的供電。

對于瞬時性故障，重合器A跳閘，分段器C記過電流一次，由于沒達到整定值2次，所以不分閘而保持合閘，經過一段時間，重合器進行第一次重合，由于瞬時故障消除，重合成功，恢復系統正常供電，再經過一段確定的時間（與整定有關）后，分段器C的過電流計數值清零，又恢復至其初始狀態，為下一次做好準備。

3.4 就地智能分布式饋線自動化

新型智能分布式控制方式則利用了電壓和電流2個信號作為故障段的判據，故又稱為U-I-T（電壓-電流-時間）型。此方案具有如下優點：

利用了電壓和電流2個信號作為故障段的判據，充分考慮了故障后線路失壓和過流次序和規律，制訂全面的網絡重構方案，方案的參數配置不受線路分段數目和聯絡開關位置的影響。

當利用智能負荷開關組網時，線路上各個開關按預先整定的功能相互配合自動隔離故障、自動進行故障后網絡重構；當采用重合器或斷路器組網時，能夠發揮重合器或斷路器的開斷和重合能力，迅速切除并隔離故障，恢復非故障線路供電。

采用“殘壓檢測”功能使故障點負荷側的開關提前分閘閉鎖，避免另一側電源向故障線路轉移供電時受到短路沖擊和不必要的停電。

在有局部光纖通信的條件下，可以自動升級為“協作模式”，從而進一步加快網絡重構速度，減少線路受到的短路沖擊。

采用智能分布式的控制方式，充分發揮智能分布式的實時性和可靠性，盡快完成故障隔離，恢復非故障區域供電，減少停電時間和范圍，并且，在具備配電SCADA的條件下，調度員可以監視和控制故障的處理過程。當通信網絡或后臺系統發生故障而不能正常運行時，也不會影響到智能分布式的控制系統及時地完成故障處理和非故障段恢復供電的功能。

分布式智能控制有2種實現方式：

1）基于終端的方式。終端通過對等通信（IP）網絡獲取相關站點終端數據，自行決策。不需要安裝專門的裝置，具有很高的實時性（最快達到200m s以內），但對終端處理能力要求高，且僅能用于IP通信網。

2）采用分布式智能控制器（Distributed Intelligent Controller，DIC）的方式。DIC安裝在變電站、開關站或者其他選定的站點內，其作用類似于傳統的配電子站，收集并處理附近小區內相關站點的終端信息，完成一些實時性要求較高的現場控制功能，能夠有力提高配電自動化系統的處理速度，減輕SCADA系統的處理數據能力，使得配電系統進一步智能化。通過通信網集中收集處理相關站點終端的數據，做出綜合決策，將控制命令送回終端。該方式可用于串行點對點通信，具有很好的適用性。

4 饋線自動化控制技術方式比較及應用

綜上所述，饋線自動化系統按控制技術方式可分為2大類（饋線自動化控制技術方式比較見表1）。

表1 饋線自動化控制技術方式比較表Tab.1 The comparison table of different feeder automation control patterns

1）就地式饋線自動化（含量合器方式、智能頒布式2種）。重合器方式就地式饋線自動化系統結構簡單，不需要通訊通道，通過重合器、分段器順序重合隔離故障，恢復對非故障區段的供電，在實際應用中，重合器與電壓——時間型分段器配合實現故障定位、隔離的類型應用較多。重合器方式就地式饋線自動化適用于C類及以下供電區的農村、城郊架空線路；目前在國內應用已比較成熟。智能分布式饋線自動化，系統結構是配電子站與配電終端之間、終端與終端之間通過對等通信網絡交換數據，由配電子站實現對終端的控制，實現快速故障隔離，和非故障段恢復供電，當通信網絡或主站系統發生故障而不能正常運行時，也不會影響到智能分布式的控制系統及時地完成故障處理和非故障段恢復供電的功能。智能分布式饋線自動化適用于城市中B類及以上供電區接有重要敏感負荷的電纜線路。目前在國內應用的地區不多，技術尚在實驗、研究探索階段。

2）集中式饋線自動化。它依賴于通信，主站集中控制方式，實現配電網全局性的數據采集與控制，主站通過快速收集區域內配電終端的信息，判斷配電網運行狀態，集中進行故障識別、定位，自動完成故障隔離和非故障區域恢復供電。根據各配電終端或故障指示器檢測到的故障報警，開關跳閘等故障信息，啟動故障處理程序，確定故障類型和發生位置。根據故障定位結果給出故障區域隔離方案，非故障區域恢復供電，集中式饋線自動化適用于城市中B類及以上供電區的電纜線路。集中式饋線自動化目前在國內的技術發展，主站系統、智能配電終端之間的兩遙（遙測、遙信）已比較成熟，但遙控技術出于安全性考慮，應用尚不成熟，自動故障識別、快速故障定位、自動故障隔離技術屬于新技術，尚在研究階段。

5 結論

饋線自動化系統按控制技術方式可分為2類3種方式，對不同用電區域宜采用不同類型的饋線自動化方式：

1）就地式饋線自動化的重合器方式，不依賴通信，結構簡單，通過重合器、分段器順序重合隔離故障和非故障段恢復供電。故障處理，供電恢復時間在15m i n以內，適用于C類及以下供電區的農村、城郊架空線路。

2）智能分布式控制方式，配電子站與配電終端之間、終端與終端之間通過對等通信網絡交換數據，可實現快速故障隔離，和非故障段恢復供電，故障處理，供電恢復時間在數s以內，當通信網絡或主站系統發生故障而不能正常運行時，也不會影響到智能分布式的控制系統及時地完成故障處理和非故障段恢復供電的功能。適用于城市中B類及以上供電區接有重要敏感負荷的骨干電纜線路。

3）集中式饋線自動化控制方式，實現配電網全局性的數據采集與控制，主站通過快速收集區域內配電終端的信息，判斷配電網運行狀態，集中進行故障識別、定位，自動完成故障隔離和非故障區域恢復供電。故障處理，供電恢復時間在數十s以內，適用于城市中心區B類及以上供電區的主電纜線路。

綜上所述，智能分布式控制方式、集中式饋線自動化控制方式均可以實現自動故障識別、快速故障定位，自動故障隔離技術，解決了目前饋線自動化技術存在的問題。兩者的差異，只是故障處理，供電恢復的時間前者更優。

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Analysis and Applications of the 10kV Electric Distribution Network Feeder Automation System Control Technology

GE Shu-guo，SHEN jia-xin
（Foshan Shunde Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Foshan 528300，Guangdong，China）

This paper presents the analysis and applications of the 10kV electric distribution feeder automation system control technology，and introduces the typical control technical solutions of feeder automation，Researchers emphasize on the comparisons between different patterns of feeder automation control.discuss the patterns oflocally feederautomation recolser，the patterns of intelligence distributed control and the patterns of centralized feeder automation based on main station monitor and sub-station monitor.The paper also，summarizes different kinds of feeder automation technique applied in different power supply regions.The result suggests that local feeder automation fits the overhead lines in Class C and below power supply regions，such as rural and suburban areas，while intelligence distributed automation fits the cable lines connected with important and sensitive loads in Class B and above power supply regions in cities.Centralized feeder automation fits the main cable lines in Class B and above power supply regions in the city center.

feeder automation；control technology；control mode；local control；remote control；distributed intelligence control

介紹了10kV配電網饋線自動化系統的控制方式及應用，饋線自動化的典型控制技術方案，著重對饋線自動化控制技術方式進行了分析比較，對就地式饋線自動化重合器方式、智能分布式控制方式，以及主站監控式、子站監控式的集中式饋線自動化作了詳細的論述，總結了各種饋線自動化技術方案在不同供電區域的應用。結果表明，就地式饋線自動化適用于C類及以下供電區的農村、城郊架空線路，智能分布式饋線自動化適用于城市中B類及以上供電區接有重要敏感負荷的電纜線路。集中式饋線自動化，適用于城市中心區B類及以上供電區的主電纜線路。

饋線自動化；控制技術；控制方式；就地控制；遠方控制；分布式智能控制

1674-3814（2012）08-0029-06

TM 726

A

2012-02-25。

葛樹國（1954—），男，高級工程師，注冊電氣工程師，從事電力設計研究。

（編輯 董小兵）