基于配電自動化的有源配電網故障定位與隔離綜述

戴宇航

國網南京供電公司

1 配網自動化發展背景

配電網絡是電網的毛細血管，直接與負荷相連，是電力系統的末梢環節。我國電力系統高速發展以來，為解決特有的能源中心與負荷中心分布不均的主要矛盾，其發展模式長期重輸電，輕配電。近年來，隨著高新科技企業、服務業的高速發展，用電用戶對于供電可靠性、電能質量等要求與日俱增。南京江寧地區經濟發達，人口稠密。轄區內有交通重要樞紐南京南站、祿口空港，電力用戶包括大量高新企業、高等院校、大型商場、居民小區，截止2019年底，江寧區范圍內合計下轄高壓電力用戶4995戶、低壓電力用戶82萬戶。高度用電可靠性是衡量供電部門供電質量的重要指標。

年平均停電時間是計算供電可靠性的主要因素，減少故障發生后的停電時間有賴于故障的迅速定位、隔離與恢復。在配電網三段式電流保護的基礎上，基于配電自動化設備的配電網故障定位與隔離的研究受到廣泛關注。區域用電負荷的增長伴隨著更加嚴苛的環保要求以及化石能源的日漸枯竭，長遠來看，光伏發電、儲能等分布式能源在配電網中的占比將不斷提高，對于傳統配電網輻射型供電，基于故障電流呈單一方向的現有配電網故障定位與隔離方法將不再適用。盡管現階段江寧配電網中以光伏發電為主的分布式能源裝機容量對比配電網容量仍處于可忽略不計的狀態。但長期來看，計及分布式電源對配電網影響的配電網故障與隔離策略的研究顯得尤為重要。

2 以FTU為基礎的配電網故障定位與隔離發展及研究現狀

自電力系統存在以來，其自動化程度就在不斷提高。配電網絡細枝末節，連接千家萬戶，具有高度復雜性，發生故障概率高。南京江寧地區原為廣袤農田，在近年城市化高速進展的過程中存在電源點建設滯后的現象。因此，變電站往往設置36回10kV出線，且10kV饋線供電半徑長達數公里。一旦發生故障，若無相應的故障定位方法，通過巡線實現故障點的定位耗時巨大，造成用電用戶不良體驗對社會經濟生產造成影響。以江寧地區配電網為例，2019年度，共發生各類型配電網絡故障257起（其中主要為單相接地故障）。對于配電網絡故障的自動化定位與隔離始終是供電部門高度關注的問題。關于配電網的故障定位與隔離技術，前人已做出大量研究成果。

原始的配電網故障隔離基于三段式電流保護，電流速斷保護（第一段）、限時電流速斷保護（第二段）、定時限過電流保護（第三段）相互配合。這種方式雖簡潔高效，但隨著單條饋線供電半徑的增加，在發生故障時其選擇性并不良好。對此，供電部門采取“試送法”配合重合閘實現單相接地故障定位，即在電流速斷保護跳開開關且一次重合閘失敗后，對于饋線上的各分段開關自電源側起向線路末端依次試送，若發生二次跳閘，則判斷故障處于該分段開關下游。此方法省去了復雜的邏輯判斷定位，簡單易行，但會對故障線路所帶設備產生二次沖擊，尤其是在現階段配電網電纜高度覆蓋，二次重合會對電纜線路產生沖擊。由此，近年來，基于FTU的配電網故障定位與隔離技術被廣泛采用。

2.1 FTU發展歷程

配電自動化的根本目的是實現對配電網絡運行狀態的監控并能實現對于配電網絡運行的實時控制。DTU（開閉所遠方監控終端）、TTU（配變終端）、FTU（饋線自動化終端）三者配合監控主站共同實現配電自動化功能。其中FTU針對饋線開關，包括斷路器、負荷開關、分段開關。

自我國開始配電自動化改造以來，即開始由傳統的三段式電流保護配合重合閘實現故障定位向利用實現故障的隔離與恢復。基于FTU對10kV配電饋線運行方式及負荷的監測與控制以及對故障進行定位與隔離的功能，其功能實現方式的發展主要經歷三個階段。一是僅具備“三遙”功能的FTU，對于故障不能實現自動化處置，僅作為調度員處置故障的輔助信息。二是我國開展配電自動化試點后至今，與主站相配合，具有故障診斷功能的“主從式”饋線自動化終端，依靠主站分析，可實現故障自動定位與隔離。三是現處于試點狀態的具備面保護功能的饋線自動化終端，可通過相鄰FTU之間的相互通訊，不依賴主站，實現故障的隔離與定位功能。

2.2 基于直接算法的配電網故障定位與隔離技術

配電網故障定位與隔離的直接算法指利用圖論，對配電網拓撲進行分析，將配電網以矩陣的方式進行數學描述。矩陣法判別故障位置的方式核心邏輯為：根據運行方式提前整定饋線各節點（斷路器、分段開關、負荷開關）電流越限值，基于FTU實時采集各節點是否發生電流越限以及電流越限的時刻。若相鄰的兩個FTU同時感受到故障或同時均不感受到故障，則故障不在該兩個節點之間。若一個節點感受到故障，另一個節點未感受到故障，則故障發生在該兩個節點之間。具體實現方法為矩陣異或邏輯運算，生成一個配電網絡拓撲描述舉證，生成一個實時的故障描述舉證，通過兩個矩陣相乘后進行異或邏輯運算實現故障的定位。現在配電網實際運行環節中使用的故障定位與隔離主要采用這種矩陣直接算法實現。此方法邏輯簡單直觀，計算準確，但對FTU實時向主站傳遞數據的準確性有較高要求，由于FTU安裝于戶外，其外部環境較為惡劣，當數據傳遞產生畸變時，此種直接算法的準確性會收到影響。同時，由于矩陣的階數取決于配電網中節點數目，對于復雜配電網的故障定位不適用。

2.3 基于智能算法的配電網故障定位與隔離技術

為了解決直接算法在FTU傳遞數據環節畸變、復雜配電網絡對于主站運算壓力較大等問題，基于智能算法的配電網故障定位隔離技術受到研究人員的廣泛關注。

蟻群算法與粒子群算法。蟻群算法指模擬自然界中螞蟻群體覓食搜索的行為，實現對于優化問題的求解，具有良好的正反饋特性及容錯性。

遺傳算法基于“物競天擇適者生存”的達爾文進化論，是一種具有自然遺傳機制的隨機搜索算法。其模擬自然進化從而實現尋找最優解的方式使其具有不易陷入局部最優解以及抗干擾能力強的特點。引進新的基于個體差異的調整因子，改進父代與子代之間的相似性從而提高算法的收斂性能。為了解決遺傳算法中復雜開關函數的構造問題。

3 南京江寧地區配電自動化故障定位與隔離策略現狀

南京地區配網與其他地區配網相比，具有中壓饋線眾多、平均單條饋線長度較長、配電網結構復雜等特點。在長饋線及分支較多的饋線上，對于重合器的時間整定較為困難，因此采用時間邏輯相配合的重合器應用效果不好。在實際配電網生產運維過程中，南京地區配電網在故障的定位與隔離方面仍主要依靠傳統三段式電流保護以及重合閘、備自投自動裝置輔以線路故障指示器以及跌落式熔斷器等配合實現。

自2010年之后，南京地區在配電自動化發展方面投入大量精力，結合南京地區配網特點以及技術成熟度綜合考量，采取了“主站——終端”的兩層主從式配電網故障定位與隔離發展策略。終端層基于FTU及DTU實現饋線各節點以及終端配電變壓器各相電流、電壓幅值的實時監控，在發生電流越限事件時主動上報，并能通過主站遙控命令實現開關的分合操作。主站層基于SCADA、DMS、GIS、OMS等系統實現監控、分析定位、給出隔離方案的功能。

在配電自動化硬件基礎建設方面，南京地區于2019年建成無線4G專網，在主站與終端的通訊方面打下了堅實基礎，在自動化終端建設上，以江寧配電網為例，現有配電自動化設備總量1040臺。從進一步發展的角度看，近期南京江寧地區配電自動化工作方向涵蓋以下兩個個方面。一是保證自動化終端穩定在線。江寧地區存在開閉所、配電房終端多，光纖工況差，4G專網信號覆蓋弱，針對這一現狀針對性解決，目標將自動化在線率穩定在95%左右。二是對于新上設備實現FTU裝設全覆蓋，確保對于配電網狀態的可觀性。

參考文獻

[1]永端，徐丙垠，李天友，等.配網自動化系統小電流接地故障暫態定位技術[J].電力自動化設備，2013，33（12）.

[2]馬俊，何興昊.配電網故障自動定位技術中通信技術的分析與研究[J].中國電力教育，2013（5）.