配電線路智能開關的布點規劃及二次功能應用研究

摘 要：配網是電網的重要組成部分，受山區，受地形、氣候等多方面的因素影響，配網故障率較高。在故障發生后，電網維護人員需要迅速定位線路故障點，準確判斷故障影響范圍，及時隔離故障點設備并恢復配電網的供電功能，以盡量降低故障帶來的經濟損失。提高配電網絡故障的定位效率和準確性，可以減輕一線員工的巡線管理負擔，減少停電搶修時間，增強供電可靠性。本文就樂昌市目前電網配網存在的問題進行了深入地探討，對其配網線路智能型開關布點及饋線通信功能應用提出相應的改進建議，對配網自動化建設研究提供一定的理論參考價值。

關鍵詞：配網線路智能開關；繼電保護整定；饋線自動化

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 24-0000-02

一、當前存在問題

樂昌市地處粵北山區，由于地形地貌復雜，氣候濕潤多雨，樂昌電網的配網故障率一直比較高，配網故障占總故障率90%以上。在電網改造前，當配網線路發生接地故障時，一般通過在變電站試漏饋線的方法查找，效率低，耗時長；而當線路末端發生永久性故障時將導致整條線路停電，會造成大量用戶停電，嚴重影響供電可靠性。

為避免配網出現故障引起大范圍停電，樂昌供電局在部分10kV配網線路上安裝了具有故障隔離及鎖定功能的智能型負荷開關。智能開關具備自動隔離故障點，迅速定位配網供電線路故障范圍等功能，從而起到減少停電范圍、縮短故障搶修時間的效果。但從目前的實際運行效果來看，樂昌局配網線路智能型開關存在著布局不合理、保護及通信功能未發揮效果、將智能型開關當作普通負荷開關使用等缺點，造成了一定的資源浪費，嚴重影響企業投資效率。目前迫切需要對10kV配網線路智能負荷開關布點安裝、功能應用、定值整定等方面進行研究及探討，針對當前存在的問題制定整改方案，達到減少停電區間、縮短停電時間、提高供電可靠性、實現饋線自動化等改進效果，并為樂昌供電局下一步的配網自動化建設改造積累經驗和提供一定的理論支持。

二、配網自動化

配網自動化技術基于一次網架和設備，利用計算機及其網絡技術、通信技術、現代電子傳感技術，以配網自動化系統為核心，采集配電網設備的實時、準實時和非實時性的數據信息，進行快速的整合分析，以實現對配電網正常運行或異常情況下的狀態監測、設備保護、工作狀態控制等目的，一般又稱作“饋線自動化技術”。饋線自動化系統一般包括配電自動化主站、配電自動化終端以及配網通信通道網絡等子系統。通信通道負責配電自動化主站與配電自動化信息終端之間的數據交換，主要有光纖、載波、無線等通訊類型。

當配電線路發生故障時，饋線自動化系統根據配電自動化終端監測到的故障電流及故障電壓，判斷故障發生的區域，并控制自動化開關設備（負荷開關或斷路器）實現故障隔離和恢復非故障區域供電。按照饋線故障處理控制邏輯的不同，饋線自動化系統主要分為主站集中型和就地型兩種，而根據系統中使用的智能控制開關的工作模式，就地型饋線自動化系統又再細分為電壓時間型饋線自動化和電流電壓型饋線自動化。與電流電壓型饋線自動化相比，電壓時間型饋線自動化所配合的分段器不受個數限制，且對通信的可靠性要求不高，考慮到樂昌市處于山區，部分地區通信信號較左，所以本文推薦樂昌供電局應用電壓時間型饋線自動化方案。

三、智能開關二次功能應用

（一）線路智能開關繼電保護整定

1.電壓時間型饋線自動化原理

在電壓時間型饋線自動化方案中，線路智能開關繼電保護的工作原理是基于電壓―延時方式：利用主干線分段負荷開關配套配電自動化終端與變電站出線斷路器保護、重合閘配合，依靠配電自動化終端自身電壓-時間邏輯判斷功能實現故障隔離和非故障區間的恢復供電。典型接線圖如下圖所示：

正常運行時，FS1～FS3等分段開關處于合位，如果饋線1的D點發生故障，FS1～FS3將自動斷開，在站內斷路器CB1第一次重合后，根據控制器預定義的邏輯延時設置，線路分段開關FS1～FS3逐級投入，當投到故障段后線路將再次跳閘，此時故障區段FS3開關將因感受到故障電壓而閉鎖[ ]。所有區段全部投入以后，站內斷路器將再次合閘，正常的區段恢復供電，故障區段通過閉鎖而隔離。

對于聯絡點位置LS開關，在電網正常運行時，它感受到開關兩側電壓平衡，故保持常開狀態，后備電源不接入饋線網路。當任一側的電源失壓，該聯絡開關開始延時進行故障確認，延時時間整定值為故障側線路完成對故障確定并閉鎖的時間。在延時結束后，聯絡開關閉合，后備電源開始向故障線路的故障后端正常區間恢復供電。

2.繼電保護配置及整定原則

進行配網自動化功能改造的變電站出線斷路器，必須具備電流三段保護、零序（小電阻接地系統）保護和二次重合閘功能。

（1）變電站出線開關保護和重合閘時間整定

速斷保護動作時間tI1、零序保護時間t0（小電阻接地系統）可按一般整定規程整定，推薦值為0s；一次重合閘時間和二次重合閘時間t1、t2按躲過配網自動化開關合閘延時時間Y時限整定，一般建議整定為5～7s。

（2）主干線分段負荷開關保護定值整定原則

1）與變電站出線斷路器重合閘整定時間配合；

2）為避免故障判斷不精確和隔離范圍無端擴大，應保證變電站出線斷路器第一次重合后故障判定過程中任何時刻只能有1臺分段開關合閘；

3）按順序依次相鄰自動化負荷開關時間tg間隔可整定為5s～7s，且tg≥t2。

（3）手拉手環狀配電網聯絡開關保護定值與變電站出線開關重合閘整定時間配合

聯絡開關時間整定值：tL=tg+t1+tg+t2+∑Xn

tg：線路短路到變電站出線斷路器跳閘間隔的時間；

t1：變電站出線斷路器第一次重合閘時間；

t2：變電站出線斷路器第二次重合閘時間；

Xn：X1至Xn為沿線自動化負荷開關設置來電延時合閘時間。

（二）通信、自動化功能實現

配電網安全監控和數據采集系統（Security Supervisory Control and Data Acquisition in Distribution Systam，DSCADA）負責搜集配電網設備實時運行數據，建立歷史數據模型，實現配電網安全經濟運行、控制、事故處理和分析計算。DSCADA由中央處理機（計算機）和配電變電所中的遠方終端單元（RTU）及中壓配電線路上沿線分布的配電箱、開關站、配網開關終端等的饋線終端單元（FTU）及信息傳輸信道組成。

一體化遙控終端單元（Remote Terminal Unit RTU）：主要由指令控制器、數據IO模塊（PLC）、數據通訊系統、電源、輔助部件與殼體等五個部分組成。具有智能化故障查尋、就地隔離功能和遠方通信功能，中央處理機可以遠程獲取RTU的工作狀態，設定RTU的運行參數。

饋線自動化終端（Feeder Terminal Unit FTU）：自動化系統與一次設備聯結的接口，與饋線主站通信，提供配電系統運行控制及管理所需的數據，執行主站給出的對配電設備的控制調節指令，以實現饋線自動化的各項功能。FTU實質上是介于一體化遙控終端單元（RTU）與繼電保護之間的一種自動化終端。

饋線自動化設備通常選用無線GPRS通信作為信息傳輸信道，一般分為2種：公網方式和VPN方式。無線公網具有業務開展快、初期網絡成本低、網絡覆蓋廣等優點，特別適合山區供電局配網通信，故本文推薦樂昌供電局配網智能開關采用APN專線方式和無線公網GPRS/CDMA接入主站，通過安全設備（防火墻）予以隔離，移動運營商采用IPSec、ACL、信息加密等技術保障公網的通信安全。自動化設備通過設置自身IP和端口號，與無線通信服務器建立連接，實現無線通道的搭建，進而實現與配電終端的通信，以提高配網運行狀態監控效率。但因部分地區無線公網信號不強，將影響影響終端通信的在線率，所以在開展配網自動化建設時，需提前進行無線公網信號的檢測工作，信號功率達不到要求時，需進行信號放大或對配網智能開關重新選點。

四、配網開關布點

在配網改造前，受多種因素影響，分段開關未能處于最優的位置，進而導致全網負荷配置存在一定的不合理性。由于分段開關是為了提高供電可靠性而部署，所以可以預先評估出各支線停電損失的等效費用，然后根據可靠性收益最佳的原則，并并綜合考慮用戶和負荷分布、線路長度、故障分布等情況進行合理布點，確立分段開關裝設的最優位置。若要在全網的范圍內獲取最佳的經濟性，則只需根據新的聯絡開關位置，對每條“拉手”式線路求取減少的停電損失的最大值[2]。

數學模型公式：

B=V（Epre-Epost）

Epre=（Zcoshλt）（S1L1+S2L2+…）

Epost=（Zcoshλt）∑Ni

V為單位電量的停電損失費用，貨幣單位/（kW h）；Epre為改造前每年的停電電量kW h；Epost為改造后每年的停電電量，kW h；η為線路上所有用戶變壓器的平均利用率；cosh為線路上所有用戶變壓器的平均功率因素；λ為線路平均故障率，次/（km 年）；t為故障平均恢復時間，小時；S1、S2...Si為該各分段線路的用戶變壓器總容量，KVA；L1、L2...Li為各分段線路的總長度，km；N為兩電源之間線路的分段功率和長度積。Epre是定值，由改造前聯絡開關的位置所決定，因此，求B的最大值問題，就可以轉化為求Epost的最小值的問題。求出Epost的最小值，并記錄此時分段點的位置，即為分段開關的安裝位置。將此Epost值與Epre值代入式B=V（Epre-Epost），所得B值即為最大收益。

圖3所示為樂昌局配網中一個典型場景，共計8個分支線路，總用戶數約3700多戶。其中“FX1”分支配置變壓器3臺，容量560kVA；“FX3”分支長度最長，擁有4個子分支線路且擁有最多的5臺變壓器，容量590kVA.其它分支均為單線供電，配置的電壓器和容量都較少。所以，FX1和FX3線路的故障率明顯高出其它分支線路。

圖3 樂昌局F11交警線配網示意圖

在本例中，單位電量停電損失費用、線路平故障率、線路變壓器總功率均可近似認為是定值。根據饋網實際情況，計算出各個分支線路的總容量與線路長度的乘積和，即實際影響年停電電量損失的唯一因子。將各分支的參數代入公式后，可以計算得出Epre為2830.5（Zcoshλt） kWh，假如分段開關總數為三個，則當分段開關如圖所示部署在標黃色的位置中時，可以計算出Epost為943.5（Zcoshλt） kW，則B值為1887（Zcoshλt） kWh。選取多個合適的分段開關數進行類似計算，并結合智能開關的投資額進行投資及效益回收比分析，可確定分段開關的數量和最佳部署位置。

五、結束語

配網智能開關的二次功能應用研究是當前饋線自動化技術研究的熱點領域，擁有廣泛的應用前景。饋線自動化技術可以使配網擁有快速隔離故障區域，恢復非故障區域供電的功能優勢，迅速定位配網供電線路故障范圍，可有效的提高供電可靠性；配網智能開關布點原則和數學建模方法，可以給供電局基建部門決策配網智能開關布點提供最有效的參考依據，進一步提高供電企業的供電可靠性和投資回報比。

參考文獻：

[1]吳粦橋.智能開關的特點與在配網自動化中的應用[J].裝備制造技術，2008（08）.

[2]王輝.基于模擬退火法和概率潮流的配網重構[D].東南大學，1995（06）.

[作者簡介]黃玉琛（1987.09-），湖南人，繼保自動化及通信管理員，助理工程師，本科，學士學位，從事電力系統繼電保護管理工作。