油田配電網自愈控制技術研究及應用

中國石化勝利石油管理局有限公司電力分公司 杜正旺 李來鴻 張金梅

配網自愈是指利用自動化裝置或系統監視配電線路的運行狀況，及時發現線路故障，診斷出故障區間并將故障區間隔離，自動恢復對非故障區間的供電。配電網自愈控制目標是：避免故障的發生；如故障發生故障后不失去負荷；以故障后失去部分負荷為基本控制底線；如發生電網癱瘓事故則意味著電網自愈控制失敗。要實現配電網的自愈，對配電網的設備、網架結構、通信等多個方面提出更高的要求，簡單的講，實現自愈需智能化的一次設備、靈活可靠的網架結構、先進的通信網絡、智能決策與先進控制技術、自動化實時軟件處理系統等，而饋線自動化是配電網自愈的支撐技術。

1 油田配電網自動化的現狀

勝利油田所轄配電網有6～10kV 配電線路1085條、9656km，點多面廣，易發生故障和跳閘，對油井供電影響較大。目前雖然在各個區域建立了初步的配網自動化系統，但是由于配電自動化終端覆蓋率低，配電網自動化主站系統功能不完善，變電站綜合自動化保護與配網自動化保護不完全配合，還不能夠一次性將故障隔離與恢復健全區域供電進行到位，造成非故障區域的恢復供電時間仍較長，跳閘時仍對油井供電影響較大，因此有必要進一步提升配網自動化應用水平。

配電自動化終端覆蓋率低。大部分供電管理區線路自動化覆蓋率只有40%左右，與國家能源局《配電網建設改造行動計劃（2015-2020年）》規定的90%的覆蓋率還有很大差距；配網自動化主站功能不完善。主站只具有SCADA 功能，DA 功能不完善，GIS 功能和TMR 重要功能都沒有。且目前集中型饋線自動化方案對于故障判斷、隔離及恢復完全由人來判斷處理，非故障區段的恢復供電時間仍較長[1]。

配網自動化方面的先進技術應用較少且不能充分整合。目前國內配網自動化已把錄波型故障指示器、小電流接地選線等功能整合到一個系統里，能更好的進行故障判斷和處理。同時以DMS 配電自動化系統為基礎，融合了EMS 系統量測信息、用電信息采集系統信息、營銷系統信息、配網生產管理系統信息，打通了各系統間的壁壘實現數據共享；在此基礎數據上實現了基于多源數據的主動故障研判體系，而油田配電網主站均不具備這些功能，落后于國內的發展。

2 配電網自愈控制的方式

2.1 基于時間順序相互配合的就地控制模式

這種供電方式并沒有完全依靠配電機組和自動化的主站，主要是利用開關設備相互配合來實現饋線自動化。即可采用一種具有就地切斷控制隔離功能的各線路自動切斷重合器和自動分段器，實現對電力配電線路設備在各線路中一旦發生電源故障時的自動切斷隔離及及時恢復電源供電。就地檢測控制系統中的自動饋線檢測自動化按照所有的檢測所得到的饋線電氣源和物理元件質量的大小差異，又通常可依次劃分為饋線電流計數型和具有時間性的電壓測量計數型。

電流型電壓解決辦法方案廣泛指分別采用電流重合器、過程直流電壓脈沖型和計數型等多種分段器互相配套，以自動檢查每個饋線的實時電流電壓作為技術基礎，對其電流進行自動監視、保護；實時電壓型電流解決辦法方案是在兩種基礎上分別采用了電流重合器及時-過流電壓型兩種分段器互相配套，以自動檢查每個饋線的實時電壓電流作為技術基礎，對其電壓進行了自動控制及進行保護。

2.2 基于配電自動化主站的集中控制方式

主要是通過自動化地安裝一個配電終端來監控所有設備，并在現場內搭建可靠有效的無線通訊網絡把監控終端和一個由配電互聯網控制中心(scada)系統緊密地聯接起來，再配以相關的處理軟件所構成的高性能系統。正常使用情況下，遠方饋線可實時自動監視遠方饋線自動開關的實際工作運行狀態和遠方饋線的工作電流、電壓等波動情況，實現對開關線路自動開關遠方饋線合閘和近地分閘的實時操作，在開關發生特定故障時，通過遠方饋線傳感器自動獲取特定故障發生數據源并進行實時記錄，并自動分析判別和判斷隔離遠方饋線的特定故障發生區段，以及自動恢復向非特定故障地段的區域開關提供電源供電[2]。

2.3 基于分布式智能終端的就地控制方式

智能線路分布式安全故障保護控制系統主要采用了對等式中斷通信終端網絡，發生開關故障時，線路上的開關智能機與分布式通信終端相互進行通信，收集并得到與其他線路相鄰的中斷開關發生故障相同中斷位置的開關信息，分析數據定位后可得出開關故障相同的開關具體位置，進而自動控制與開關故障相同的中斷開關并使接入點最近的開關隔離中斷開關防止跳閘。智能就地分布式監控終端就地時間監測技術是采用了全新的就地時間監測技術配合故障管理技術思路，能盡可能減少就地時間監測系統受到各種故障事件影響的主要使用者以及群體，并有效率地避免了在各種傳統就地時間監測中因就地時間監測測量電流與就地時間測量級差的正確配合而導致出現系統實現困難。

3 適合油田配網自愈控制方式的設計及實現關鍵與測試

3.1 適合油田配網自愈控制方式的設計

分段器/重合器方案不利用信道交換信息，動作效率不高，多次重合閘對電網沖擊大；集中故障控制處理模式故障處理依賴主站、依賴通道，處理時間長、系統可靠性低；智能分布式保護采用對等式的通信網絡，有無比的優越性，但其依賴光纖和5G 可靠的通信，在通信方面需要很高的投資，高昂的投資是油田無法承受的。原有的配電網自愈控制技術存在著各種各樣的弊端，不適用于油田電網現狀。為提高供電可靠性、保障原油生產效率，實現運營管理智能化，快速實現故障區段隔離，故對配電網自愈智能分布式保護技術進行研究，提出一種適應油田配電網的自愈方式。

這種自愈方式利用LORA 無線通信技術研發具有避免上級保護誤動的無線遠傳閉鎖裝置，主要通過采集FTU 的保護動作信號，將FTU 跳閘回路中串入閉鎖裝置節點，實現線路故障的二次判斷，當最末一級FTU 檢測到故障電流動作時，會將這一動作信號以無線方式傳到其上級FTU，對上級開關跳閘回路實現保護閉鎖，確保有故障電流流過的最末一級開關跳閘，上級其它開關均已被閉鎖，因此不會越級跳閘，實現選擇并切除故障，可有效解決配電網上下級的保護配合問題。

在進行設計時，每一級斷路器所在線路上配置有相互通訊接連的一個FTU 設備及一個DTU 設備；其中DTU 設備中包括有保護閉鎖主控單元，以及分別與保護閉鎖主控單元相連接的LORA 通訊模塊、至少一組的FTU 閉鎖控制模塊、串口測試單元、RS232通訊單元；LORA 通訊模塊由射頻控制開關、無線發射模塊、無線接收模塊以及IPEX 天線座構成。這種防誤動閉鎖裝置將lora 無線通訊技術應用于配網自動化保護中，實現了配電網的過流、速斷保護，準確選擇了故障段跳閘、并防止了非故障部分的誤跳，具有良好的應用前景及廣闊的市場價值。

3.2 油田配電網自愈控制技術實現關鍵

要在規定時間內完成上級開關的跳閘閉鎖和末端有故障電流流過開關的跳閘。從FTU 接收到保護觸發信號到上級FTU 接收到保護閉鎖信號不超過80毫秒，同時120ms 以內通過LORA 通訊判斷故障發生的準確線路段并完成相應開關的跳閘。此外，需安裝閉鎖裝置的線路上所有FTU 的速斷和過流定值調整為0時限，變電站出口的過流及速斷保護時限調整為0.2s 以上；組網及遠程維護狀態下根據自適應邏輯自動切換頻率方式，解決通訊頻段干擾問題，確保附近節點同時工作互不干擾；解決遠程調試維護問題，實現設備遠程配置參數和狀態診斷。

3.3 油田配電網自愈控制技術測試

主要涉及射頻無線通訊信號質量測試、4G 無線通訊信號質量測試、分合閘信號檢測及保護閉鎖動作測試、保護閉鎖遠程啟停測試、保護閉鎖遠程參數設置測試等內容。

通過在相鄰級FTU 裝置安裝位置放置保護閉鎖通訊模塊，發送指令并讀取返回值（信號頻率、速率、強度）來獲取兩級間的信號質量；在每個FTU裝置安裝位置使用工控機連接保護閉鎖裝置獲取運營商4G 網絡連接狀態及信號質量；模擬FTU 故障跳閘信號輸入，保護閉鎖立即檢測到分閘信號將分閘動作閉鎖，同時啟動延時分閘任務。若在40ms時間內接收到其下級保護閉鎖上傳的閉鎖信號則判定為非本級故障，保持本次閉鎖操作直到分閘信號消失；若40ms 超時時間已到還未收到下級保護閉鎖的信號則判定為本級故障，啟動分閘操作使FTU動作。

模擬故障發生時的保護閉鎖裝置通過4G 網絡上傳數據，監控平臺檢測信息，包括保護閉鎖的本級地址及其上級地址、在整條線路所處等級[3]、工作模式（保護閉鎖模式、重合閘模式、不啟用模式）、超時時間、無線頻率、無線信號強度、平時運行心跳故障次數、下發信號時長、接收信號時長、啟動分閘操作時長；通過4G 網絡監控平臺發送測試信號，現場檢測裝置根據指令可靠停用和恢復運行狀態；通過4G 網絡監控平臺遠程檢測運行狀態信息，包括及歷史故障日志、異常日志等，并及時返回成功確認信息；通過4G 網絡監控平臺遠程下發頻率、速率等參數的設置指令并返回接收確認信息，裝置能準確更改及時返回設置成功確認信息，通過裝置打印輸出本地驗證準確無誤。

綜上，該研究首次將LORA 無線通訊用于配網自動化保護，尤其用于電力配網線路FTU 保護間的選擇性配合，這在國內也是首創，與傳統光纜通訊的高成本相比節省了大量資金。該技術借鑒了對等式網絡保護下智能保護算法及閉鎖邏輯，并將其簡化為故障閉鎖信號的傳輸，大大提高了故障判斷效率，降低了對網絡的依賴[4]，且很好地解決了集中故障控制處理模式和就地故障控制處理模式必須先跳閘、后判斷故障的問題，實現了不停電狀態下的故障判斷及隔離，有效解決配電網上下級的保護配合問題，防止非故障部分的誤跳，適合勝利油田配電網的應用，具有很大的應用和推廣價值。