新型配電網(wǎng)中的饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)探微

牛瀟昆

（北京信息科技大學(xué)，北京 100192）

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)用電需求的不斷擴(kuò)大，如何確保配電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定已經(jīng)成為當(dāng)今首要面臨的問(wèn)題。由于大量的分布式電源接入電網(wǎng)運(yùn)行和越來(lái)越多的自動(dòng)化技術(shù)被應(yīng)用到配電網(wǎng)中，電力系統(tǒng)也逐步由“傳統(tǒng)電網(wǎng)時(shí)代”過(guò)渡到了“智能電網(wǎng)時(shí)代”，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六個(gè)環(huán)節(jié)的全面“信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化”?！爸悄茈娋W(wǎng)”具有“堅(jiān)強(qiáng)、自愈、兼容、經(jīng)濟(jì)、集成、優(yōu)化”六個(gè)主要特征。2019年，國(guó)家電網(wǎng)有限公司提出了“三型兩網(wǎng)，世界一流”的戰(zhàn)略目標(biāo)，標(biāo)志著中國(guó)即將構(gòu)建一個(gè)“樞紐型、平臺(tái)型、共享型”的世界一流“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”和“泛在的電力物聯(lián)網(wǎng)”。在智能配電網(wǎng)中，饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)所發(fā)揮的作用至關(guān)重要，它是配電自動(dòng)化的核心之一，其主要控制對(duì)象是中壓配電網(wǎng)。饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)可以對(duì)智能電網(wǎng)的饋電線(xiàn)路進(jìn)行優(yōu)化控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并在配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)快速進(jìn)行供電恢復(fù)。饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)作為一項(xiàng)應(yīng)用于配電網(wǎng)中的新興技術(shù)，其特點(diǎn)是什么？在配電網(wǎng)中占據(jù)什么樣的地位？將其應(yīng)用于配電網(wǎng)會(huì)帶來(lái)哪些效益？本文將以饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)的基本工作原理和應(yīng)用條件為視角，結(jié)合當(dāng)今配電網(wǎng)逐步走向智能化、自動(dòng)化的過(guò)程，從幾個(gè)不同角度，探討了對(duì)這些問(wèn)題的答案。

1 饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)概述

1.1 饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用范圍

饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)（Feeder Automation，F(xiàn)A）應(yīng)用在變電站的饋電線(xiàn)路，它能夠幫助變電站出口到用電設(shè)備之間的饋電線(xiàn)路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用可以分為兩個(gè)方面，即線(xiàn)路的正常運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)。在線(xiàn)路正常運(yùn)行時(shí)，饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)可以起到線(xiàn)路監(jiān)控、數(shù)據(jù)測(cè)量和優(yōu)化運(yùn)行的作用；在線(xiàn)路發(fā)生故障時(shí)，饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)故障的診斷、隔離以及供電恢復(fù)，包括對(duì)線(xiàn)路出現(xiàn)故障的位置進(jìn)行判斷，及時(shí)將故障隔離，隨后快速消除故障以恢復(fù)正常用電。饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)是配電網(wǎng)中重要的組成部分，同時(shí)，該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)也需要配電網(wǎng)的自身結(jié)構(gòu)和自動(dòng)化技術(shù)作為支撐，饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)與配電網(wǎng)二者之間是屬于相輔相成的關(guān)系。

1.2 饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)條件

饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用，需要配電網(wǎng)具備足夠的前提條件，第一，饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)對(duì)智能配電網(wǎng)的自身結(jié)構(gòu)有明確的要求，譬如，該配電網(wǎng)要有形成環(huán)網(wǎng)供電的條件，如普通環(huán)式或拉手環(huán)式配電網(wǎng)，這是饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用的基本條件。第二，該智能配電網(wǎng)亦應(yīng)具備開(kāi)環(huán)運(yùn)行的條件，即配電網(wǎng)中應(yīng)具有聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的閉合與斷開(kāi)能夠決定配電網(wǎng)處于閉環(huán)或開(kāi)環(huán)運(yùn)行的狀態(tài)。第三，智能配電網(wǎng)中各種類(lèi)型的開(kāi)關(guān)，包括聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)、負(fù)荷開(kāi)關(guān)以及隔離開(kāi)關(guān)等，都要具有遠(yuǎn)程操控的功能。這是由于在故障出現(xiàn)時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)程操控可以及時(shí)對(duì)故障所在區(qū)域的開(kāi)關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，對(duì)故障進(jìn)行隔離。第四，配電網(wǎng)中的環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)柜、FTU以及通信設(shè)備所使用的電源都要安全可靠，且這些設(shè)備之間的通信不能受到外界干擾，要有高級(jí)別的抗干擾能力。

2 饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理

饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展和進(jìn)步，已經(jīng)成為一項(xiàng)較為完備的技術(shù)，其分類(lèi)可包括就地型饋線(xiàn)自動(dòng)化和基于FTU的饋線(xiàn)自動(dòng)化。

2.1 就地型饋線(xiàn)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)原理

就地型饋線(xiàn)自動(dòng)化，其最大的特點(diǎn)就是不依賴(lài)配電自動(dòng)化主站，由配電終端或現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化裝置協(xié)同實(shí)現(xiàn)故障定位、故障隔離和恢復(fù)非故障區(qū)域的供電。就地型饋線(xiàn)自動(dòng)化也可以繼續(xù)劃分為重合器式饋線(xiàn)自動(dòng)化和智能分布式饋線(xiàn)自動(dòng)化兩種類(lèi)型。

重合器式饋線(xiàn)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)原理就是通過(guò)重合器、分段器等設(shè)備之間的相互協(xié)調(diào)、配合實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的隔離和故障恢復(fù)。重合器在工作的過(guò)程中會(huì)檢測(cè)線(xiàn)路的電流和電壓兩個(gè)信號(hào)，作為線(xiàn)路是否發(fā)生故障的判斷依據(jù)。重合器在使用的過(guò)程中需要與電壓-時(shí)間型分段器進(jìn)行配合，假設(shè)配電網(wǎng)的A區(qū)域內(nèi)存在1個(gè)重合器，N個(gè)分段器，當(dāng)A區(qū)域內(nèi)某線(xiàn)路出現(xiàn)故障時(shí)，重合器會(huì)首先自動(dòng)分閘，分段器在完全失壓后也會(huì)分閘，之后重合器延時(shí)重合，各個(gè)分段器會(huì)按照預(yù)先設(shè)定的恢復(fù)次序，依次延時(shí)X秒后自動(dòng)合閘。若故障區(qū)段的分段器再次合閘，則重合器會(huì)立刻分閘，故障區(qū)段的分段器會(huì)因?yàn)樵谄浜祥l后Y秒內(nèi)檢測(cè)到跳閘從而閉鎖，實(shí)現(xiàn)故障隔離。重合器在第二次重合之后，即可依次恢復(fù)所有非故障區(qū)域的供電，而故障區(qū)域的分段器不會(huì)再次合閘。這樣的工作原理既不會(huì)擴(kuò)大故障范圍，又能在最短時(shí)間內(nèi)對(duì)非故障區(qū)域恢復(fù)供電。

智能分布式饋線(xiàn)自動(dòng)化可以在故障出現(xiàn)后的毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)跳開(kāi)距離故障區(qū)域最近的兩側(cè)電源開(kāi)關(guān)，同時(shí)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)自動(dòng)合閘，配電網(wǎng)形成環(huán)網(wǎng)運(yùn)行。智能子站相互間可以進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)信息交流，并及時(shí)執(zhí)行供電恢復(fù)方案，提高故障處理效率。

對(duì)于重合器式饋線(xiàn)自動(dòng)化，其設(shè)備選擇應(yīng)遵循以下要求，所使用的重合器額定電壓應(yīng)大于配電網(wǎng)系統(tǒng)的額定電壓；重合器的動(dòng)作電流應(yīng)大于重合點(diǎn)可能出現(xiàn)的最大故障電流，進(jìn)而能夠在出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)跳閘；重合器的長(zhǎng)期工作額定電流應(yīng)大于線(xiàn)路的負(fù)荷電流，確保重合器可以長(zhǎng)期工作；所使用的分段器額定電壓應(yīng)大于系統(tǒng)的最高工作電壓；分段器要串聯(lián)在重合器的負(fù)荷側(cè)，其長(zhǎng)期工作的額定電流應(yīng)大于預(yù)期的負(fù)荷電流，額定瞬時(shí)電流應(yīng)大于可能出現(xiàn)的最大故障電流；分段器的熱穩(wěn)定電流應(yīng)大于線(xiàn)路的最大短路電流，其動(dòng)、熱穩(wěn)定時(shí)間應(yīng)大于上級(jí)保護(hù)的斷開(kāi)時(shí)間。

就地型饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是不需要互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)的支持，也不需要遠(yuǎn)程控制中心的干預(yù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資費(fèi)用較低，但也有一定的局限性。由于對(duì)故障區(qū)域的具體位置需要進(jìn)行多次測(cè)定，因此配電網(wǎng)中的開(kāi)關(guān)要頻繁動(dòng)作才能找出準(zhǔn)確的故障點(diǎn)，這對(duì)配電網(wǎng)中的開(kāi)關(guān)通斷能力要求很高，同時(shí)這種方式也會(huì)對(duì)用電設(shè)備有一定沖擊。在運(yùn)行過(guò)程中不能對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，所以故障信息無(wú)法及時(shí)反饋到配電主站。

2.2 基于FTU的饋線(xiàn)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)原理

基于FTU的饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)是通過(guò)在變電所的出口斷路器或饋線(xiàn)分段開(kāi)關(guān)上安裝FTU（Feeder Terminal Unit）設(shè)備，同時(shí)還應(yīng)在配電網(wǎng)的配電變壓器上安裝FTU設(shè)備，并建設(shè)可靠的通信系統(tǒng)，將這些安裝了FTU的變壓器和變電所出口與配電網(wǎng)控制中心的SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統(tǒng)連接起來(lái)，再配合相關(guān)的運(yùn)算處理軟件，構(gòu)成一個(gè)高性能的饋線(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)?；贔TU的饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)的控制單元及核心部件就是FTU，F(xiàn)TU在該系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，既能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，又能控制配電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部不同單元之間的連接。同時(shí)，F(xiàn)TU還具有監(jiān)控作用，屬于一種高度集成的自動(dòng)化設(shè)備。

配電網(wǎng)在正常運(yùn)行時(shí)，基于FTU的饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控分段開(kāi)關(guān)和聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)以及饋線(xiàn)電壓和電流的情況，通過(guò)遠(yuǎn)程控制手段，實(shí)現(xiàn)饋線(xiàn)中的開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程合閘和分閘操作，優(yōu)化配電網(wǎng)的運(yùn)行方式，從而最大化利用現(xiàn)有設(shè)備的能力，提高能量利用率，降低線(xiàn)路損耗。

配電網(wǎng)在出現(xiàn)故障時(shí)，基于FTU的饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)可以及時(shí)獲得故障處的相關(guān)信息，自動(dòng)判別并隔離故障區(qū)域，對(duì)于非故障區(qū)域及時(shí)恢復(fù)供電，最終達(dá)到減小停電范圍和縮短停電時(shí)間的目的。在基于FTU的饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用中，由于不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)有著不同的時(shí)間限制，因此要保證線(xiàn)路數(shù)據(jù)的傳輸完整性以及系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)的快速性，這就要求系統(tǒng)中的通信網(wǎng)絡(luò)要有很強(qiáng)的抗干擾能力。

基于FTU的饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)為全面實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)。配電網(wǎng)在采用了該技術(shù)后，自動(dòng)化程度會(huì)相當(dāng)高，但其缺點(diǎn)是對(duì)通信線(xiàn)路的依賴(lài)性較高，一旦通信設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，該系統(tǒng)的工作就會(huì)受到影響。同時(shí)，F(xiàn)TU復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也會(huì)導(dǎo)致其建設(shè)投資較為昂貴。

3 饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1 對(duì)配電網(wǎng)的整體監(jiān)控

隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，配電環(huán)節(jié)在如今已經(jīng)形成了高度智能化的配電系統(tǒng)。饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用，能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并在出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)反饋到總站。配電網(wǎng)在正常運(yùn)行時(shí)，饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)可以對(duì)用戶(hù)負(fù)荷、饋線(xiàn)狀態(tài)以及用電情況等進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)配電網(wǎng)中某個(gè)區(qū)域一旦出現(xiàn)故障，通過(guò)饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)，能夠?qū)收线M(jìn)行快速響應(yīng)，反饋故障位置、故障電流和故障處的負(fù)荷容量等信息。

3.2 對(duì)系統(tǒng)電源進(jìn)行保護(hù)

在電能的生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中，配電網(wǎng)負(fù)責(zé)運(yùn)送不同電壓等級(jí)的電能。這就導(dǎo)致配電網(wǎng)中的變電站數(shù)量較多，輸送的電壓也各不相同。因此，在配電網(wǎng)中只要出現(xiàn)一處線(xiàn)路故障，就會(huì)影響到配電網(wǎng)的整體運(yùn)行。饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，其目的之一就是要保護(hù)系統(tǒng)的電源，該技術(shù)可以對(duì)配電系統(tǒng)的電源側(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)某區(qū)域的饋電線(xiàn)路出現(xiàn)故障，就能及時(shí)進(jìn)行反饋，并快速將該區(qū)域的系統(tǒng)電源進(jìn)行隔離。同時(shí)應(yīng)保證非故障線(xiàn)路能夠通過(guò)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)連接到其他電源，從而及時(shí)獲得電能，盡可能減少停電范圍和停電時(shí)間。

3.3 與互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)緊密結(jié)合

互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，切實(shí)提高了工業(yè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度和運(yùn)行效率，這更為饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用提供了良好的平臺(tái)。饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)中正是由于結(jié)合了通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，才能在配電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)種種控制功能。通信技術(shù)是饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)所采用的核心技術(shù)之一，其特點(diǎn)就是響應(yīng)及時(shí)且準(zhǔn)確。當(dāng)某一饋線(xiàn)出現(xiàn)故障時(shí)，配電網(wǎng)中的智能設(shè)備會(huì)快速分析故障出現(xiàn)的位置，通過(guò)通信系統(tǒng)向總站做出反饋，總站會(huì)根據(jù)接收到的信息數(shù)據(jù)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)通信向其他硬件設(shè)備發(fā)出指令，對(duì)故障線(xiàn)路進(jìn)行隔離和修復(fù)。由于配電網(wǎng)中出現(xiàn)的故障通常會(huì)造成較大范圍的影響，所以上述操作都要在極短的時(shí)間內(nèi)完成，如果沒(méi)有成熟的、現(xiàn)代化的互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)，就無(wú)法做到在短時(shí)間內(nèi)完成這些操作。

4 結(jié)語(yǔ)

智能配電網(wǎng)是以傳統(tǒng)配電網(wǎng)為基礎(chǔ)逐步發(fā)展起來(lái)的，是在傳統(tǒng)配電網(wǎng)的基礎(chǔ)之上，整合了眾多現(xiàn)代化的高新技術(shù)，尤其是饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)的加入，使傳統(tǒng)配電網(wǎng)煥然一新，形成了一種具有高度智能的自動(dòng)化配電網(wǎng)。與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，智能配電網(wǎng)在供電可靠性和供電質(zhì)量方面有了很大提高，運(yùn)行方式更加靈活，對(duì)能源的利用效率也有所上升。同時(shí)更是能很好地利用分布式電源并協(xié)調(diào)其與用戶(hù)負(fù)荷之間的關(guān)系。饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)在智能配電網(wǎng)中的重要作用之一就是在出現(xiàn)故障時(shí)能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)進(jìn)行保護(hù)，有利于配電網(wǎng)整體的安全運(yùn)行、穩(wěn)定運(yùn)行，提高配電網(wǎng)供電的可靠性。在不久的將來(lái)，饋線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)還會(huì)進(jìn)行不斷的創(chuàng)新和發(fā)展，也會(huì)在越來(lái)越多的配電網(wǎng)中應(yīng)用，使傳統(tǒng)電網(wǎng)快速進(jìn)入智能化時(shí)代，為電力系統(tǒng)的全面智能化做出更大的貢獻(xiàn)。