配電環網故障自同步與快速自愈技術實驗系統開發

仉志華，田詠桃，馮興田，薛永端

（1. 中國石油大學（華東） 新能源學院，山東 青島 266580；2. 中國石油大學（華東） 理學院，山東 青島 266580）

社會經濟的不斷發展對供電可靠性提出了更高的要求。敏感設備的應用越來越多，短時停電對其影響較大，由此導致的停電損失日益突出，已成為當今業內重點關注并著重解決的問題之一[1]。傳統配電網一直遵循著“閉環設計、開環運行”的原則，其保護控制方法簡單，但供電可靠性普遍不高，即使采用了自動重合閘、配網自動化等技術手段，仍無法避免負荷停電轉供過程引起的短時停電現象，成為進一步提高供電可靠性、解決短時停電問題的瓶頸之一。近年來，配電環網運行技術受到了廣泛重視，其在解決短時停電現象以及分布式電源友好接納方面均具有一定的優勢。國內外針對配電環網的潮流分析與主動控制、短路故障分析與繼電保護等方面，展開了諸多理論研究，且已有現場示范應用[2-3]。

“新工科”教育背景下對于人才培養提出了新要求，為深化教育教學改革，提高高校教學水平、創新能力和人才培養質量，2016年，教育部印發了《關于中央部門所屬高校深化教育教學改革的指導意見》，明確了學科專業結構和人才培養類型結構更加適應國家和區域經濟社會發展需要，以支撐新工科背景下創新驅動發展戰略和服務經濟社會發展導向，并于 2017年先后形成了復旦共識、天大行動與北京指南[4-7]。為有效落實新工科教育背景下的教學改革理念與思路，保證電氣專業學生及時了解實際存在問題與專業發展動態[8-12]，實現由知識學習向能力培養的轉變，我校電氣專業在“電力工程”“電能質量分析與控制”等課程中普及了暫態電能質量及其對敏感負荷影響相關知識；同時，不同時間尺度下的故障自愈功能作為智能電網的特征之一，在“電力系統自動化”“配電網自動化”“智能電網導論”等專業課中均有所涉及。配合上述理論教學內容，立足“電力系統分析”“電力系統繼電保護”“電力系統微機保護”等專業基礎課程內容，基于閉環運行配電線路，采用縱聯保護技術設計開發了短路故障自愈實驗系統。通過實驗環節的鍛煉，學生能夠切實加深對新知識的認知與理解，增強了分析與解決問題的能力。

1 配電環網短路故障自同步與快速自愈技術基本實現原理

1.1 基于故障信號的配電終端自同步方法

配電終端（feeder terminal unit，FTU）是實現快速自愈技術的基本單元，且 FTU之間的信號需要同步。傳統基于 GPS或者北斗等對時方法受經濟性限制，難以在配電網中廣泛部署。基于故障信號的FTU自同步技術能夠滿足繼電保護對對時精度的要求，已成為近年來業界普遍關注的實現方法[1,3]。如圖 1所示，故障發生后，故障區段兩側的電流會發生突變，配電線路較短，認為兩側FTU可同時檢測到故障，即通過首個突變點的檢測，可實現故障數據同步。

圖1 故障信號自同步示意圖

為防止系統頻率波動以及系統振蕩的影響，基于相電流突變量作為信號同步以及FTU啟動的判據，如下所示：

其中，N為一個工頻周波內的采樣點數，Im(k)為當前時刻三相電流幅值為一周波前的對應電流幅值。

1.2 配電環網短路故障快速自愈實現原理

如圖2所示，來自同一變電站的2條饋線構成環網，且正常運行時所有聯絡開關均處于閉合狀態。在每個環網柜中安裝FTU，實時監測系統運行情況。所有FTU通過光纖以太網絡實現對等通信，采用分布式智能技術，相鄰FTU之間根據故障后電流變化方向、相位信息以及功率方向等特征[2-3]即可判斷故障區段，實現故障隔離。由于采用閉環運行模式，故障區段隔離后，非故障區段即可立即恢復供電，不會出現停電轉供導致的短時中斷現象，從而實現故障快速自愈功能。

圖2 配電網短路故障快速自愈系統構成示意圖

2 實驗系統設計與實驗結果分析

2.1 實驗系統結構

配電環網短路故障自愈實驗系統的結構與相關參數分別如圖3與表1所示，整體外觀如圖4所示。

2.2 基于故障信號的FTU自同步實驗結果

在實驗系統中D25—D29故障點設置短路故障，分別獲取 FTU1—FTU5測量得到的電流初相位。以FTU2和FTU3為例，不同位置設置12次故障后的測量結果如表 2所示。2臺 FTU間的平均同步偏差為1.59°，小于 0.1 ms；其中最大同步偏差為 4.98°（約0.27 ms）。自同步偏差分布如圖5所示，多數情況下自同步偏差在2°以內（低于0.1 ms），能夠滿足配電網電流差動保護等實現原理的同步需求。

2.3 短路故障快速自愈技術性能測試

對于閉環網絡，當故障點發生短路故障時，各檢測點均可以檢測到故障，最終由故障區段兩側的檢測點判定為區內故障并給出正確的保護命令，非故障區段的保護裝置判定為區外故障。FTU跳開對應開關即可隔離區段，而非故障區段能夠立即恢復供電，不會出現因停電轉供導致的短時中斷問題，從而實現了故障快速自愈功能。

圖3 配電環網短路故障自愈實驗系統結構

表1 實驗系統參數

分別在D25、D26、D27、D28、D29位置設置不同類型短路故障，通過差動保護原理判據實現故障區段定位；考慮到實驗系統中采用交流接觸器代替實際電力系統中的斷路器、負荷開關等電氣設備，其動作速度相對較慢，故僅記錄從故障開始到保護出口的動作時間。為統一描述FTU動作情況，定義故障區段左側開關對應的保護出口為M側，右側開關對應的保護出口為N側，每個實驗重復2次；記錄的實驗結果如表3所示。

圖4 實驗系統整體外觀

表2 FTU自同步實驗數據表

圖5 基于故障信息的自同步偏差分布

表3 短路故障區段保護出口時間

分別針對兩相與三相短路故障各做 20次實驗，FTU出口動作時間的分布規律如圖6所示。其中，前20次測試為兩相短路故障的動作時間，21—40次測試為三相短路故障的動作時間。可見，對于閉環運行線路，任意位置的短路故障下，基于電流差動保護原理的故障自愈技術可正確檢測到故障并判斷故障區段，給出保護動作信號，且保護出口時間平均約為40～41 ms，具有足夠的快速性。

圖6 FTU出口動作時間分布圖

3 結論

本文基于社會發展對供電可靠性提出的挑戰與“新工科”教育改革背景，針對電氣專業學生，設計開發了配電環網短路故障自同步與快速自愈技術實驗系統，詳細分析了實現原理與系統構成，并分別針對故障自同步與快速自愈技術進行了實驗測試。該實驗系統具有如下功能與特點：

（1）學生能夠密切跟蹤電氣專業新知識的發展，充分了解智能配電網中故障自愈技術的現實需求與實現效果，將教科書中的知識與實際工程需要有機結合，有助于鍛煉工程實踐思維，培養工程實踐能力。

（2）該實驗平臺具有一定的開放性與靈活性，既能滿足常規驗證性實驗需要，也為研究新型的環網保護判據提供實驗平臺，可適應不同層次學生的創新學習需要。

（3）該實驗平臺具有一定的綜合性，既立足電氣專業基礎知識，也涉及對通信技術、分布式智能控制技術等交叉以及新興學科的內容；為充分落實本專業“新工科”教育改革理念，為實現由知識學習向能力培養的轉變提供助力。