智能配電網(wǎng)靈活分布式自動化技術(shù)創(chuàng)新

國網(wǎng)冀北電力有限公司 朱曉嶺 覃朝云 梁東 張國忠 楊靜 孫永峰 王書淵 張永茂 劉珅 趙世坡 趙麗萍 張建 張翼鳴 張智焜 宗瑾 潘宇 龍飛 董桐 周磊 黃小龍

一、前言

按照《國網(wǎng)運(yùn)檢部關(guān)于做好“十三五”配電自動化建設(shè)應(yīng)用工作的通知》要求，冀北公司積極組織轄下五地市開展配電自動化試點(diǎn)建設(shè)。其中張家口供電公司在市區(qū)深化配電自動化應(yīng)用，逐步安裝并使用智能分布式就地饋線自動化（以下簡稱“智能分布式FA”），目前已相繼投入智能分布饋線自動化功能線路共計(jì)19條。截至2017年8月，張家口智能分布式饋線自動化的線路保護(hù)跳閘24次，正確動作21次。

智能分布式FA的使用為快速隔離故障和恢復(fù)供電提供了可靠支持，大幅度的提高了供電可靠性和故障處理效率，縮短停電時(shí)間，提高了社會效益和優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平。

二、實(shí)施背景

智能分布式FA具有眾多優(yōu)點(diǎn)，在10千伏配電線路上，特別是具備負(fù)荷轉(zhuǎn)供條件的線路上，具有無可比擬的優(yōu)勢，其主要特點(diǎn)有以下四點(diǎn)：

故障定位精準(zhǔn)，能夠快速準(zhǔn)確地完成故障點(diǎn)隔離，使故障區(qū)域隔離范圍最?。?/p>

非故障區(qū)域在短時(shí)間能夠通過其他電源點(diǎn)進(jìn)行自動轉(zhuǎn)代，實(shí)現(xiàn)非故障區(qū)段不停電供電；

高度自動化，故障定位及非故障區(qū)段恢復(fù)供電無需要人工干預(yù)；

故障處理過程不依賴于配電主站，整個(gè)故障處理全程由可由就地智能分布式DTU自行完成，無需要主站參與。

雖然智能分布式FA具有以上優(yōu)點(diǎn)，但目前在國網(wǎng)范圍內(nèi)的推廣運(yùn)用并不成功，經(jīng)過冀北公司2年多的探索應(yīng)用，通過在19條線路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出以下幾點(diǎn)原因制約智能分布式FA的推廣：

適應(yīng)性差。智能分布式模式只能適用于固定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，一旦調(diào)試完成，其拓?fù)浼垂潭?，修改拓?fù)鋸?fù)雜；

維護(hù)、配置過程復(fù)雜，調(diào)試工作量大。以冀北公司的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，每一個(gè)環(huán)的調(diào)試時(shí)間不少于7個(gè)工作日，如遇到線路、參數(shù)等的變更，則需要更長時(shí)間進(jìn)行調(diào)試。通過調(diào)研上海公司智能分布式FA的使用情況，每個(gè)環(huán)的調(diào)試時(shí)間也在5到7個(gè)工作日，由此可見，調(diào)試復(fù)雜是目前智能分布式FA固有缺點(diǎn)；

維護(hù)、配置參數(shù)耦合性高，牽一發(fā)而動全身。對調(diào)試人員專業(yè)要求較高，普通自動化人員無法完成調(diào)試，甚至后期維護(hù)都必須設(shè)備廠家到場才能實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重降低了工作效率；

各廠家維護(hù)工具各異，界面不友好，系統(tǒng)驗(yàn)證復(fù)雜，無法通過單點(diǎn)進(jìn)行連鎖功能調(diào)試。例如調(diào)試時(shí)需要使用多臺設(shè)備在一個(gè)比較大的場地內(nèi)通過多臺繼電保護(hù)測試儀同時(shí)加故障測試動作邏輯，要求測試人員不但對儀器使用熟練，還需要熟悉線路運(yùn)行狀態(tài)和故障產(chǎn)生時(shí)的線路情況，而上海公司則是在電科院專門設(shè)置實(shí)驗(yàn)室，使用RTDS進(jìn)行仿真測試，整個(gè)邏輯功能測試非常復(fù)雜。

造成上述缺點(diǎn)的原因較多，但總結(jié)無非以下三點(diǎn)：一是不同現(xiàn)場實(shí)際情況的復(fù)雜性，二是一次側(cè)設(shè)備安裝接線的隨意性，三是功能配置的靈活性。針對上述問題，本方案提出智能分布FA即插即用的設(shè)計(jì)要求，饋線自動化設(shè)備達(dá)到一站式拓?fù)浣?、簡化參?shù)配置、一鍵式下裝組態(tài)參數(shù)、動作策略規(guī)范化、動作記錄界面化、仿真調(diào)試、硬件設(shè)備即插即用7個(gè)效果。

三、內(nèi)涵和做法

（一）內(nèi)涵

智能分布式FA系統(tǒng)是指不需要配電主站或配電子站控制，通過終端相互通信、保護(hù)配合或時(shí)序配合，在配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，能夠快速實(shí)現(xiàn)故障定位、隔離故障區(qū)域及恢復(fù)非故障區(qū)域供電，并將故障處理的結(jié)果或信息上報(bào)給配電主站。

采用對等通信的方式，可快速傳遞突發(fā)數(shù)據(jù)，故障處理速度快；故障隔離范圍最小，無需保護(hù)時(shí)間級差的配合，非故障區(qū)域自動完成負(fù)荷轉(zhuǎn)代。300毫秒完成故障隔離，秒級完成負(fù)荷轉(zhuǎn)代。

圖1 智能分布式FA動作時(shí)間

圖2 分布式FA動作原理

其基本動作原理是：基于以太網(wǎng)、EPON網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各站點(diǎn)間的對等通信，采用自定義通信規(guī)約，實(shí)現(xiàn)相鄰站點(diǎn)間快速穩(wěn)定的信息交換。與主站通信采用運(yùn)檢三〔2017〕6號文規(guī)定的擴(kuò)展104規(guī)約，能夠?qū)崿F(xiàn)主站對FA的參數(shù)下裝及軟件升級。

（二）創(chuàng)新性

1.確定相對合理的動作邏輯

在智能分布式FA動作原理的框架下，根據(jù)不同的現(xiàn)場情況，確定合理的動作邏輯，基本將其分為兩類：

1）緩動型智能分布式FA；

2）速動型智能分布式FA。

緩動型智能分布式FA針對采用負(fù)荷開關(guān)的線路，采用緩動型邏輯，F(xiàn)A的啟動條件是變電站出口開關(guān)保護(hù)動作并且開關(guān)分閘成功。

速動型智能分布式FA針對采用全斷路器的線路，采用速動型邏輯，F(xiàn)A的啟動條件是線路產(chǎn)生故障。

圖3 智能分布式FA啟動邏輯

無論速動型或是緩動型，智能分布式FA的故障點(diǎn)定位策略是相同的，即：自身有故障且下級開關(guān)無故障，則故障點(diǎn)位于下側(cè)，自身無故障且上級開關(guān)有故障，則故障點(diǎn)位于上側(cè)。此時(shí)故障隔離策略為跳開故障點(diǎn)兩側(cè)開關(guān)?？傮w來說，就是本身有故障且下級開關(guān)無故障或本身無故障但上級開關(guān)有故障，則需要跳開開關(guān)進(jìn)行隔離。具體邏輯如下圖。

圖4 智能分布式FA故障隔離邏輯

隔離成功后，即可進(jìn)行恢復(fù)操作，具體邏輯如下圖5。

圖5 智能分布式FA恢復(fù)邏輯

2.模塊化拓?fù)渑渲?/p>

更改以往的建模方式，針對智能分布式FA多用于電纜線路，適當(dāng)做出取舍，以國網(wǎng)公司確定的4、6間隔環(huán)網(wǎng)柜為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，以環(huán)網(wǎng)柜為建模最小單位，改變以往以開關(guān)為最小單位建模、一條線路幾十個(gè)開關(guān)的情況，大大減少了建模工作量。同時(shí)，由于以環(huán)網(wǎng)柜為最小建模單位，則拓?fù)涓囊哺鼮楹唵巍?/p>

以下圖為例：

圖6 以開關(guān)為單位建模示意圖

整個(gè)建模過程，需要添加很多個(gè)開關(guān)，以6個(gè)4間隔環(huán)網(wǎng)柜為例，需要添加24個(gè)開關(guān)，并對開關(guān)的連接關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)，而下面示間圖中以環(huán)網(wǎng)柜為例進(jìn)行建模，則只需要添加4個(gè)環(huán)網(wǎng)柜，且只需要設(shè)計(jì)環(huán)網(wǎng)柜間的連接關(guān)系，如下圖所示：

圖7 以環(huán)網(wǎng)柜為單位建模示意圖

3.參數(shù)配置標(biāo)準(zhǔn)化

將根據(jù)二次接線順序編輯FA設(shè)備信息改為固定FA邏輯中關(guān)于設(shè)備的信息的順序；環(huán)進(jìn)環(huán)出開關(guān)在FA的編號人為定義改為確定環(huán)進(jìn)環(huán)出的編號；規(guī)范環(huán)網(wǎng)柜每一回路信息接入數(shù)量、順序、三遙信息及信息的屬性；FA控制器采集電壓電流、開關(guān)位置的信息固定，就可以將其參數(shù)固化進(jìn)程序，不需要單獨(dú)配置；線路綜保投入與FA動作策略關(guān)聯(lián)；規(guī)范負(fù)荷轉(zhuǎn)代策略。

4.饋線自動化仿真測試

為降低現(xiàn)場調(diào)試難度，采用FA仿真的方式進(jìn)行現(xiàn)場故障模擬故障，檢驗(yàn)FA動作過程及一次開關(guān)的動作情況。該仿真系統(tǒng)的功能主要是在選擇故障點(diǎn)之后，自行判斷哪些開關(guān)會過流，從而模擬現(xiàn)場給予過流信號，然后系統(tǒng)再根據(jù)給的信號進(jìn)行FA的判斷，完成故障定位，故障隔離，非故障恢復(fù)，以達(dá)到FA動作的現(xiàn)場模擬。

5.硬件設(shè)備即插即用

硬件引入一二次成套理念，加大航空接插件和可插接端子的用量，并且做好接口定義，實(shí)現(xiàn)硬件接口通用，硬件設(shè)備的即插即用。

（三）推廣性和經(jīng)濟(jì)效益

引入國網(wǎng)通用的規(guī)范，確定DTU、環(huán)網(wǎng)柜等的規(guī)范，不標(biāo)新立異，盡量使用國網(wǎng)現(xiàn)有規(guī)范，降低推廣的難度，為實(shí)現(xiàn)此目的，主要進(jìn)行了如下的做法。

1.以國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)4、6間隔為基礎(chǔ)

以國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)4、6間隔環(huán)網(wǎng)柜為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮到目前及分布式FA的特點(diǎn)，其在FTU上使用的概率非常小，從研發(fā)難度和使用上，適當(dāng)取舍，不考慮FTU的使用。

在目前使用的環(huán)網(wǎng)柜中，4、6間隔為使用量最大的環(huán)網(wǎng)柜類型，應(yīng)優(yōu)先考慮，10間隔及以上的環(huán)網(wǎng)柜用量較小，暫不考慮使用分布式FA功能。8間隔環(huán)網(wǎng)柜與6間隔環(huán)網(wǎng)柜功能相似，但相對較用量較少，暫時(shí)不考慮，在此項(xiàng)目中，以4、6間隔為基礎(chǔ)。

以國網(wǎng)規(guī)范的4、6間隔為基礎(chǔ)，減少了對現(xiàn)有規(guī)范的更改，避免DTU生產(chǎn)廠家和環(huán)網(wǎng)柜生產(chǎn)廠家大規(guī)模改動現(xiàn)有生產(chǎn)模式，便于引入此項(xiàng)目成果。

2.區(qū)分負(fù)荷開關(guān)和全斷路器模式

區(qū)分負(fù)荷開關(guān)和全斷路器模式，使動作策略可滿足不同現(xiàn)場的不同動作要求。基本可分為：緩動隔離、緩動恢復(fù)、速動隔離和速動恢復(fù)4種策略，可以滿足絕大多數(shù)的使用現(xiàn)場。

3.降低建模難度和參數(shù)復(fù)雜度

由于建模難度的降低和參數(shù)復(fù)雜度的減小，對調(diào)試人員的要求也相應(yīng)降低，使用過程中的故障分析等多處以軟件界面處理，避免分析Message格式記錄，方便運(yùn)維人員分析故障和動作邏輯。

4.增加仿真測試功能降低邏輯測試難度

使用仿真測試功能，方便調(diào)試人員進(jìn)行邏輯測試，避免動轍動用多臺繼保測試儀或RTDS進(jìn)行邏輯測試，減少測試時(shí)間，便于現(xiàn)場測試有利于提交調(diào)試效率。

5.提高供電可靠性

智能分布式FA的推廣，可明顯提高供電可靠性，減少故障停電時(shí)間和故障停電范圍，減少運(yùn)維人員工作量，降低工作強(qiáng)度。

6.對智能分布式FA的推動作用明顯

目前分布式FA技術(shù)已相對成熟，并且多家企業(yè)已有產(chǎn)品上市，但使用范圍較窄，不能大面積推廣，其原因正如上文所述。

此項(xiàng)目針對上述缺點(diǎn)，進(jìn)行研究，力爭消除阻擋大面積推廣的各個(gè)難點(diǎn)，使智能分布式FA技術(shù)能更廣泛的應(yīng)用。

通過實(shí)施此項(xiàng)目，確定比較完善的智能分布式FA技術(shù)規(guī)范，從而引導(dǎo)智能分布式FA健康、規(guī)范、合理的發(fā)展：

1）確定智能分布式FA的故障處理流程；

2）確定智能分布式FA的故障處理策略；

3）確定智能分布式FA的啟動、隔離、恢復(fù)等邏輯過程；

4）統(tǒng)一智能分布式FA在異常情況下的動作方式；

5）統(tǒng)一智能分布式FA與主站的配合方式；

6）統(tǒng)一智能分布式FA的硬件接口。

四、實(shí)施效果

智能分布式FA的推廣運(yùn)用，可明顯改善10千伏配網(wǎng)的自動化水平，降低停電時(shí)間，減少故障停電范圍，而此項(xiàng)目將大大降低智能分布式FA的推廣難度，具體來說：

（一）社會效益分析

通過即插即用型智能分布式FA的研發(fā)，大幅減少工程調(diào)試驗(yàn)收時(shí)間、提高工作效率。為建設(shè)“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”提供支持。

一是降低了智能分布式FA的調(diào)試難度，原來配電自動化改造建設(shè)過程中，需要3到5人利用保護(hù)測試儀進(jìn)行各類檢測、進(jìn)行一、二次設(shè)備聯(lián)調(diào)傳動、進(jìn)行每個(gè)自動化終端的參數(shù)整定，調(diào)試驗(yàn)收人員技術(shù)要求高，工作復(fù)雜。該項(xiàng)目實(shí)施后，2人即可通過模塊化參數(shù)配置、仿真操作實(shí)現(xiàn)所有檢測項(xiàng)目的測試最終送電。大大提高了工作效率，減少了停電時(shí)間。

二是該項(xiàng)目在優(yōu)質(zhì)服務(wù)方面、社會責(zé)任和社會形象方面有著巨大的提升作用。停電時(shí)間的降低使用戶滿意度挺高，用戶投訴量減少。尤其在張家口申辦2022年申奧成功后，在政府轉(zhuǎn)變職責(zé)和城市轉(zhuǎn)型過程中，供電企業(yè)擔(dān)負(fù)的責(zé)任往往是背后無形的支撐，因此在2020年前，城市電網(wǎng)建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)，會高于其他城市，該項(xiàng)目的實(shí)施可以有效支撐城市配電網(wǎng)的發(fā)展和形象提升。

（二）經(jīng)濟(jì)效益分析

提高了供電可靠性，增加了供電量。在配電自動化改造過程中，拓?fù)浣！?shù)配置、邏輯測試等占用了改造停電時(shí)間超過70%以上的時(shí)間，通過該項(xiàng)目的研發(fā)，將此時(shí)間縮短至原先的20%左右，可大幅度提高工作效率，增加供電量、降低建設(shè)成本。

按照配電自動化一年增售電量帶來的經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算分析：1000條配電線路按照現(xiàn)有負(fù)荷和未來一年內(nèi)增加容量計(jì)量，共計(jì)約500萬千伏安，每戶每年可減少278.6分鐘停電時(shí)間，約4.64小時(shí)，每年故障停電減少損失電量約700萬千瓦時(shí)。（供電總?cè)萘俊镣ｋ姇r(shí)間×系數(shù)=停電損失電量）。