基于智能設備的實時停電監測與保護技術研究?

李 慧 陳少梁 陳愷妍 李韞莛

（廣州供電局有限公司 廣州 518000）

1 引言

近年來，隨著信息技術、數字化、自動化等技術的發展，智能電網技術日漸成熟，傳統的電網結構慢慢被取代。一方面，智能電網的應用對供電的效率提出更高的要求，另一方面，人們對供電質量要求也越來越高，突然的停電會帶來嚴重的經濟和社會影響，因此，提高供電可靠性，不僅是廣大客戶的需要，也是電力企業提高企業效益的需要［1～3］。

電力網絡供電可靠性要求，盡量減少電力網絡停電，造成不必要的損失。停電的原因有很多，包括發電站故障、輸電線路損壞、變電站或配電系統的其他部分、短路或電力超載等。有數據顯示，95%的停電是配電網的故障造成的［4］。

智能配電網是直接面向用戶的關鍵環節，在智能電網中控制著供電功能，是智能電網的重要組成部分。當系統發生故障時，分布式用戶對故障電流的振幅、方向、分布和自動重合閘的作用影響很大。傳統的配電網故障定位、保護方法將不適用。為了克服這一局限性，使智能配電網更加完善和廣泛應用，必須對故障監測和控制方法進行重新設計。智能電網通過智能設備（IED，文中以下部分將使用簡稱）強化信息交換，在用戶單元之間及用戶單元與站臺之間實現交互，實現運行狀態和故障狀態的實時監控功能，并具有數據處理和計算、故障的確定和處理、故障隔離、負載重定向等控制能力［5～6］。

本文首先介紹智能配電網中的組成設計，以及智能設備在智能配電網中的應用，并詳細說明智能設備的布置及作用，在此基礎上，提出斷電保護策略，完善智能配電網的設計。

2 智能設備在智能配電網中的停電監測設計

根據智能電網的要求，智能配電網主要由變電站、開關站、環形主機組、極點安裝開關、微電網（MG）、分布式發電裝置（DG）、饋線，智能設備及全球定位系統（GPS）等組成。智能配電網采用ADA系統，由先進的配送操作（ADO）和先進的配送管理組成。ADO實現了配電監控和數據采集（DSCADA）、饋線自動化（FA）、無功控制、DG 調度等功能。ADM以地理圖像為背景信息獲得數據輸入、編輯和網絡拓撲數據［7］。

在該智能配電網設計過程中，每一個負載中都內置了智能設備，從而可以檢測和避免每個負載中的電源需求和功率缺失。并且如果在任何負載發生電力缺失，相應智能設備進行保護和故障隔離，從而智能配電網系統的其他負載仍然不受影響。

如圖1所示，智能設備及子站通過光以太網連接到分布式控制系統。通過智能設備將操作命令發送到交換機，ADO系統實現了故障定位、隔離和電源恢復。智能設備以兩種形式發送命令信號。包括變電站、傳輸極和負載在內的組件從自己的服務器發送和接收信號，并通過主服務器與其他服務器進行互連［8］，所有的發電站都連接起來監視其網絡系統。服務器從智能設備得到故障信號，并通過與智能設備相連的GPS定位位置。故障分離在延遲時間內自動工作，或者需要一些手動操作來糾正故障或更換設備，通過智能配電網恢復正常的連續供應。

圖1 智能設備在智能配電網中的應用結構圖

智能設備的主要作用是狀態監測、故障檢測、故障定位、故障診斷、信息交互和開關控制［9～12］。通過檢測饋線的電壓損耗、過電流、瞬態電流和電壓，檢測故障的位置，并操作各自的開關，隔離故障，恢復供電。如圖2所示，為智能配電網中智能設備的結構圖。

圖2 智能設備結構圖

與傳統的FTU相比，智能配電網中的智能設備具有以下特性：

1）智能設備實現完全信息交互。分布式控制網絡由光纖以太網連接，并輔以微波和電力線載波。在一個智能設備之間及智能設備與主站之間實現完全信息交互。交互的信息內容不僅包括節點電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、頻率、諧波、電壓波動、電壓閃變、開關位置信號、斷路器故障信號、所有更多的非限制信號、重合閘和故障記錄信號，還有保護和故障隔離輸出信號、網絡重構和故障診斷、決策信號等。通過這種廣泛的信息交互作用，智能設備可以提高保護動作的速度和故障定位精度，避免保護繼電器的誤操作。

2）實現分布式控制。智能設備執行保護跳閘、故障定位、功率恢復和故障分析決策等一系列動作?？刂浦鳈C的遠程調制順序起備份作用。這不僅改善了實時監控，而且提高了配電網絡的可靠性，避免了控制主機故障導致的整個網絡的控制故障。

3）自我修復功能。由于智能設備具有分析功能，為自我修復功能奠定了基礎。并且通過相鄰的智能設備監測掉線的故障設備。當整個配電網出現故障時，智能設備可以自動隔離故障區域，恢復無故障區域的供電，實現配電網的自我修復功能。同時，該智能設備可以診斷局部節點的設備。利用饋線和設備的實時數據，檢測出薄弱環節或可能的故障環節，及時報警，并采取相應的預防措施進行連接［13］。

3 保護及控制策略

3.1 繼電保護策略

在智能配電網中光以太網和智能設備，采用電流差動保護法作為繼電保護算法，具有操作簡單，可靠性好，能快速保護和免受電力系統干擾等優點。但對于高阻抗故障，此算法將失效。由于這種方法需要大量的信息傳輸，所以當通信網絡擁塞時，保護時間會過長。因此，很難滿足配電網保護的實時性要求。為了克服傳統電流瞬時跳閘保護無法保護整條線路的缺點，提出了方向電流保護算法。這種保護算法僅當保護方向與下行保護方向相反時才會起作用。因此，保護具有選擇性。當輸入電壓接近零或非常小的相位故障時，這種保護不起作用，稱為“截止電壓”。當通信過程受到某種方式的干擾時，智能設備接收到的下行電流的方向可能與實際電流方向相反，本地保護的操作可能會失敗。因此，主保護選擇電流差動保護和方向電流保護，提高保護可靠性。最后的保護輸出是通過執行“或”操作獲得的。通信網絡故障時，選擇過流保護作為常規的電流跳閘保護。

圖3 智能配電網保護圖

方向電流保護過程如下：從總線到饋線的方向被認為是正向方向，從饋線到總線的方向被認為是負方向的。如圖3所示，當BC段中K1發生停電故障時，IED2和IED2都能感覺到故障電流，但其電流方向為正方向，因此下行IED2將通過通信網絡鎖定上行IED1，保護IED1不運行。如果DG容量較小，IED3不會感覺到故障電流，也不會感覺到IED2的阻塞信號。IED2起保護作用。如果DG容量大，IED3能感覺到故障電流，但感覺故障電流的方向為負。IED3不會將阻塞信號發送到IED2。所以保護IED2起保護作用。因此，只有當智能配電網分布式電源相鄰饋線或本地饋線出現故障時，方向電流保護算法才能成功運行［14～16］。

電流差動保護過程如下：如圖3所示，當BC段故障的K1時，IED1中的電流與通信網絡中IED2電流及L1電流總和相比。如果電流的差異不超過指定值，IED2起保護作用。當前其他保護的差異都不超過指定值，則不起作用。

當保護系統起作用后，經過一段時間的延遲。然后各自子系統保護開始，并且各自開關被關閉。如果IED沒有診斷故障，故障類型為瞬態故障，配電網恢復正常運行。如果IED仍在診斷故障，則故障類型為永久性故障。各自子系統保護行動重新開啟，相應的斷路器也將打開。

在保護動作后，通過通信網絡，相應的IED通知下行分布式網絡，上游分布式電源將留在網絡中。例如，當DE段K2發生故障時，IED4將遠程控制命令發送到DG1，以便從網絡退出，因為它是一個上游分布式電源，并且不會將遠程控制命令發送到IED6，DG1仍然有效。

3.2 故障隔離與恢復供電

如圖3所示，當連接到線性系統的BC段中K1發生永久故障，IED2打開并鎖定斷路器2。同時，IED2將打開和鎖定命令發送到IED3和斷路器3，并被打開及鎖定，從而實現了故障隔離。由于DE段是非故障區域，因此需要恢復電源。IED5和IED7-9將向電力系統端的IED10發送恢復電源命令。IED10關閉環路交換機10，DE段由新的電源系統2提供。但是，當產系統1中發生永久故障時，電源的連續性就會中斷。因此，智能配電網連接在環路主配電系統中，系統2和系統3將保證電源的連續性，以防發電系統1發生永久故障。例如，當系統1發生故障時，IED1-3將恢復電源命令發送到 IED4，因此 IED4將關閉環路開關，IED1-3由系統2配置。同時IED14和IED15將恢復電源命令發送到IED13，以便關閉環路交換機1，IED14-15從系統3供電。當DE段中的K2發生故障，IED7和IED8預測故障點位于節點7和節點8之間，但節點7和節點8中的開關無法切斷故障電流。IED7將直接跳轉命令發送到IED5，IED5打開斷路器5。如果IED7檢測饋線中沒有電壓，則打開節開關7。在延遲時間段后，斷路器5重新被關閉。然后，節開關7也關閉。如果檢測到的故障是瞬態類型，則配電網恢復工作。如果檢測到的故障是永久性類型，IED7再次監測到故障電流，并將直接跳轉命令發送到IED5。斷路器5重新被打開。節點5及節點7之間工作段恢復供電。同時，IED8將恢復電源命令發送到IED10，環路交換機10被關閉，并從系統3供電。節點8及節點10之間工作段恢復供電。

3.3 故障隔離后續保護

當BC段中K1發生故障，斷路器2和斷路3隔離故障部分和DE部分是由電力系統2供電。對于具有更多電源和更多分支的配電網，饋線和電源容量的負載水平、負載量、容限電流容量必須整體考慮。通過不同智能設備的交互信息，構建新的網絡結構［17］。

在網絡重構后，智能設備之間的關系發生了變化。例如，當BC段中的K1發生故障，在網絡重新配置之前，節點5是節點7的上行節點，節點7是節點8的上行節點。在網絡重構后，節點5是節點7的下行節點，節點7是節點8的下行節點。在方向電流保護中，下游節點檢測故障電流鎖定上有節點進行保護的方案必須修改。修改后的方案是節點5鎖定節點7，節點7鎖定節點8，從而實現了保護復位。

4 結語

高效穩定地供電是智能電網的重要要求。配電網是智能電網中的重要環節，直接實現向用戶供電，配電網故障是停電的首要原因。

圖4 智能配電網停電監測圖

如圖4所示，本文提出一種在配電系統中采用智能設備進行停電監測及故障診斷的應用結構，并提出相應的停電保護。經過測試證明，所提方案有力提升了配電網管理水平，為提高用戶供電可靠性提供了有效的支撐，具有很大的推廣應用價值。