配網(wǎng)自動化系統(tǒng)詳解

2023/2/6第4章饋線自動化饋線自動化是配電自動化的重要組成部分。目的：對饋出線路進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控（SCADA功能），故障時，及時準確地確定故障區(qū)段，迅速隔離故障區(qū)段并恢復健全區(qū)段供電。主要功能：配網(wǎng)饋線運行狀態(tài)監(jiān)測、控制、故障診斷、故障隔離、網(wǎng)絡重構。實現(xiàn)：一種是基于重合器的饋線自動化系統(tǒng)；另一種是基于饋線終端設備(FTU)的饋線自動化系統(tǒng)。2023/2/64.1基于重合器的饋線自動化原理：無需通信，根據(jù)短路時出現(xiàn)的短路電流，靠多次重合閘找出故障區(qū)段并進行隔離，主要用在輻射線路。實現(xiàn)模式：重合器與重合器配合模式、重合器與電壓-時間型分段器配合模式、重合器與過流脈沖計數(shù)型分段器配合模式。2023/2/6重合器(Recloser)分類和功能定義：集斷路器、繼電保護、操動機構為一體，具有控制和保護功能的開關，能按預定開斷、重合順序自動操作，并可自動復位、閉鎖。2023/2/6重合器(Recloser)分類和功能－續(xù)功能：故障后重合器跳閘，按預定動作順序循環(huán)分、合若干次，重合成功則自動終止后續(xù)動作；重合失敗則閉鎖在分閘狀，手動復位。動作特性：根據(jù)動作時間-電流特性分快速動作特性（瞬動特性）、慢速動作特性（延時動作特性）兩種。動作特性整定：“一快二慢”、“二快二慢”、“一快三慢”。2023/2/62.分段器(Sectionalizer)分類和功能定義：與電源側前級開關配合，失壓或無電流時自動分閘的開關設備。功能：永久故障時，分合預定次數(shù)后閉鎖在分閘狀，隔離故障區(qū)段；若未完成預定分合次數(shù)，故障已被其他設備切除，則保持在合閘狀（經(jīng)一段延時后恢復到預定狀態(tài)，為下次故障作準備）。要求：一般不能開斷短路故障電流。關鍵部件：故障檢測繼電器（FDR:FaultDetectingRelay）。根據(jù)判斷故障方式的不同分類：電壓－時間型，過流脈沖記數(shù)型。2023/2/61)電壓－時間型分段器故障隔離原理：根據(jù)加壓、失壓時間長短控制動作，失壓后分閘，加壓時合閘或閉鎖。用于輻射、樹狀、環(huán)狀網(wǎng)。FDR整定參數(shù)：X時限：分段器電源側加壓至該分段器合閘的時延。Y時限：分段器合閘后未超過Y時限的時間內(nèi)又失壓，則該分段器分閘并被閉鎖在分閘狀，下一次再得電時不再自動重合

。

Y時限又稱故障檢測時間。FDR功能：

第一套功能：用于常閉狀態(tài)的分段開關，用于輻射、樹狀網(wǎng)；要求X時限>Y時限>電源端斷路器跳閘時間。

第二套功能：用于常開狀態(tài)的聯(lián)絡開關，用于環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡開關常開狀態(tài)。2023/2/62)過流脈沖計數(shù)型分段器故障隔離原理：記憶前級開關開斷故障電流動作次數(shù)，達到預定記憶次數(shù)時，在前級開關跳閘的無電流間隙內(nèi)，分段器分閘，隔離故障區(qū)段。前級開關開斷故障電流動作次數(shù)未達到預定記憶次數(shù)時，分段器經(jīng)一定延時后計數(shù)清零，復位至初始狀態(tài)。FDR整定參數(shù)：前級開關過流開斷次數(shù)。FDR功能：前級開關開斷過電流電流動作計數(shù)與記憶。當記憶次數(shù)=設定次數(shù)時，分段器閉鎖。2023/2/63.重合器與分段器配合實現(xiàn)故障區(qū)段隔離重合器與電壓－時間型分段器配合情況。（重點掌握）重合器與過流脈沖計數(shù)型分段器配合情況類似（自學）。2023/2/61）輻射狀網(wǎng)故障區(qū)段隔離過程A重合器：一慢一快，第一次重合=15S，第二次重合=5S；B、D分段器：X=7S，Y=5S；C、E分段器：X=14S，Y=5S2023/2/6各開關動作時序圖A重合器：第一次重合時間=15S，第二次重合時間=5SB、D分段器：X時限=7S，Y時限=5SC、E分段器：X時限=14S，Y時限=5S2023/2/62）環(huán)狀網(wǎng)開環(huán)運行時的故障區(qū)段隔離A重合器：一慢一快，第一次重合=15S，第二次重合=5S；B、C、D分段器：X=7S，Y=5S；E分段器：X=45S，Y=5S2023/2/6各開關動作時序圖A重合器：第一次重合=15S，第二次重合=5SB、C、D分段器：X=7S，Y=5SE分段器：X=45S，Y=5S2023/2/64.重合器與重合器配合實現(xiàn)故障區(qū)段隔離

發(fā)生過流或低電壓時重合器動作。出線重合器：一快二慢，失壓3S后分斷；中間重合器：二慢，失壓10S后關閉重合功能，并改為一次分閘后閉鎖；聯(lián)絡重合器：一慢，兩側失壓后15S合閘。2023/2/65.基于重合器的饋線自動化系統(tǒng)不足我國饋線自動化近幾年才開始，主要采用電壓型及電流型兩種控制模式。我國配電網(wǎng)是小接地電流系統(tǒng)，歐美、日本等國，大部分是大接地電流系統(tǒng)。我國配網(wǎng)設備狀況、管理要求不同于國外，照搬國外電流型或電壓型模式，推廣用于城網(wǎng)必然帶來問題?；谥睾掀髂軌驕蚀_地判斷故障區(qū)段，并能自動隔離故障區(qū)段。2023/2/6存在缺陷1）切斷故障時間較長，動作頻繁，減少開關壽命。2）故障由重合器或變電所斷路器分斷，系統(tǒng)可靠性降低；多次短路電流沖擊、多次停送電，對用戶造成嚴重影響。3）重合器或斷路器拒動時，事故進一步擴大。4）環(huán)網(wǎng)時使非故障部分全停電一次，擴大事故影響。5）不能尋找接地故障。6）無斷線故障判斷功能，一相、多相斷線，重合器不動作。7）變電站出線開關需改造，目前出線開關具有一次重合閘功能，裝重合器后，需改造為多次重合型。8）重合器保護與出線開關保護配合難度大，要靠時限配合。9）不具備“四遙”功能，無法進行配電網(wǎng)絡優(yōu)化等工作。2023/2/6自動重合器2023/2/64.2基于FTU的饋線自動化系統(tǒng)1.基于FTU的饋線自動化系統(tǒng)D的組成2023/2/6系統(tǒng)特點配網(wǎng)實時信息通過就地FTU采集，傳送到區(qū)域集控或變電站集中，上報配電調(diào)度中心。配電調(diào)度中心控制命令通過區(qū)域集控或變電站轉發(fā)給FTU執(zhí)行。FTU采集柱上開關運行情況，將信息上傳到配網(wǎng)控制中心，或接受控制中心命令進行遠方操作。故障時，F(xiàn)TU將記錄的故障電流、時間等上報，供分析使用。區(qū)域工作站：通道集中器和轉發(fā)裝置，并將各單元通信規(guī)約轉換為標準遠動規(guī)約。2023/2/62.FTU的性能要求(1)遙信功能：開關位置、貯能完成情況、通信完好性；遙測功能：U、I、P、Q等；遙控功能：遠方對柱上開關分合、貯能等；統(tǒng)計功能：開關動作次數(shù)、動作時間、累計切斷電流水平；SOE和對時功能：保證SOE的準確性，與系統(tǒng)時鐘一致；事故記錄：記錄事故發(fā)生時的最大故障電流和事故前（1min）負荷，便于確定故障區(qū)段；定值遠方修改和召喚定值：適應配網(wǎng)運行方式變化；自檢和自恢復功能：設備故障時報警、干擾時自復位；2023/2/6FTU的性能要求(2)遠方控制閉鎖和手動操作功能：檢修線路或操作開關時確保操作安全性；遠程通信功能：RS-232，RS-485，通信規(guī)約問題；抗惡劣環(huán)境：雷電、環(huán)境溫度、防雨、防濕、風沙、振動、電磁干擾；維修方便：保證不停電檢修；電源可靠：保證故障或停電時FTU有工作電源；可選功能：電度采集（核算電費、估計線損，防竊電）；微機保護（實現(xiàn)自適應保護）；故障錄波（故障分析用）。2023/2/63.FTU的組成和結構一種典型的FTU系統(tǒng)框圖2023/2/62023/2/64.區(qū)域工作站特點：1）一般采用工業(yè)PC、多路串行口擴展板構成，采用通用規(guī)約，允許多臺FTU共用同一通道；2）一般設置在主變電所，并設UPS。

2023/2/65.配變遠方測控單元（TTU）TTU的主要功能：1）實現(xiàn)對配電變壓器實現(xiàn)遠方監(jiān)視。2）采集變壓器的I、U、P、Q、cos、分時電量、電壓合格率等數(shù)據(jù)。3）根據(jù)監(jiān)視的負荷曲線，準確計算線損、用戶電量核算、防竊電。4）通過低壓配電線載波實現(xiàn)對本臺區(qū)低壓用戶進行抄表數(shù)據(jù)的遠傳。結構特點：與FTU類似，但增加低壓載波、輸出控制為補償功率因數(shù)的電容器。2023/2/6一種典型的配變測控終端單元組成2023/2/66.兩種饋線自動化系統(tǒng)的比較基于重合器、FTU的饋線自動化系統(tǒng)國外大量使用?；谥睾掀鏖_關設備配合的饋線自動化系統(tǒng)基于FTU和通信網(wǎng)絡的饋線自動化系統(tǒng)主要優(yōu)點1)結構簡單。2)建設費用低。3)不需建通信網(wǎng)絡。4)無電源提取問題。1)故障時隔離故障區(qū)域，正常時監(jiān)控配網(wǎng)運行，可優(yōu)化運行方式，實現(xiàn)安全經(jīng)濟運行。2)適應靈活的運行方式。3)恢復健全區(qū)域供電時，可采取安全和最佳措施。4)可與MIS、GIS等聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)全局信息化。兩種饋線自動化系統(tǒng)的比較2023/2/6主要缺點1)僅故障時起作用,正常運行時無監(jiān)控作用，不能優(yōu)化運行方式。2)調(diào)整運行方式后,需到現(xiàn)場修改定值。3)恢復健全區(qū)域供電時，無法采取安全、最佳措施。4)需多次重合,對設備沖擊大。1)結構復雜。2)建設費高。3)需通信網(wǎng)絡。4)存在電源提取問題。主要設備重合器、分段器等FTU、通信網(wǎng)絡、區(qū)域工作站、計算機系統(tǒng)。適用范圍農(nóng)網(wǎng)、負荷密度小的偏遠地區(qū)、供電途徑少于兩條的電網(wǎng)。城網(wǎng)、負荷密度大的地區(qū)、重要工業(yè)園區(qū)、供電途徑多的網(wǎng)格狀配網(wǎng)、供電可靠性要求高的區(qū)域。兩種饋線自動化系統(tǒng)的比較(續(xù)表)2023/2/6開環(huán)運行的多電源環(huán)狀網(wǎng)兩種系統(tǒng)比較1)基于重合器的饋線自動化系統(tǒng)若為使網(wǎng)上負荷均衡化，將聯(lián)絡開關從G調(diào)整到D，則G和D均應重新到現(xiàn)場整定。b區(qū)發(fā)生永久性故障時，分段開關B、C分閘后，聯(lián)絡開關G、E究竟合哪個，無法選擇。2)基于FTU的饋線自動化系統(tǒng)：可很方便地解決以上問題。2023/2/64.3故障區(qū)段判斷和隔離1.基本原理1）輻射、樹狀網(wǎng)、開環(huán)運行的環(huán)狀網(wǎng)：根據(jù)最后一個有故障電流和第一個無故障電流兩個開關的電流變化判斷故障區(qū)段。2）閉環(huán)運行的環(huán)狀網(wǎng)：根據(jù)故障功率方向判斷故障區(qū)段。2023/2/62.故障區(qū)段判斷和隔離算法采用矩陣算法來實現(xiàn)判斷、隔離故障區(qū)段。1）網(wǎng)絡描述矩陣D斷路器、分段開關、聯(lián)絡開關作為節(jié)點（N），可構N×N維方陣；若第i、j節(jié)點間存在饋線，則第i行、第j列元素，第j行、第i列元素均置1；不存在饋線的節(jié)點對應元素置0。2）故障信息矩陣G若第i個節(jié)點的開關故障電流超過整定值，則第i行第i列元素置0，反之置1，矩陣的其他元素均置0。也是N×N維方陣。2023/2/6網(wǎng)絡描述矩陣與故障信息矩陣舉例簡單饋線網(wǎng)絡（“C”為流過故障電流標志）2023/2/63）故障判斷矩陣P對矩陣D與矩陣G相乘，并進行規(guī)格化，得

P=g（D×G）=g（P‘）g代表矩陣的規(guī)格化運算，其具體操作：若D陣中元素dmj、dnj、…dkj為1，且G陣中gjj=1時，需對P‘陣中第j行和第j列元素進行規(guī)格化處理；若gmm、gnn、…gkk至少有兩個為0，則將P‘陣中第j行和第j列的元素全置0；若上述條件不滿足時，P陣中相應的元素值不變。矩陣P反映了故障區(qū)段：若P中的元素pijXORpji＝1，則饋線上第i節(jié)點和第j節(jié)點間的區(qū)段有故障。2023/2/6故障判斷矩陣P舉例p34XORp43＝0，p45XORp54＝0，p56XORp65＝0，p67XORp76＝0，p23XORp32＝1，因此故障點在節(jié)點2、3之間。2023/2/6較復雜饋線網(wǎng)絡舉例（1）“C”為流過故障電流標志）2023/2/6較復雜饋線網(wǎng)絡舉例（2）P矩陣中，只有p43XORp34＝1，p46XORp64＝1，因此故障點在節(jié)點4和3之間，或在節(jié)點4和6之間。規(guī)格化目的是避免誤判，若P’不進行規(guī)格化，則會錯誤地判斷故障點位于節(jié)點5和7之間。2023/2/64.4饋線自動化的電源問題電源要求：時刻保證電源的連續(xù)性；故障時，各測控單元仍應能接受遠方控制和上報信息。饋線自動化控制中心：可為SCADA配置大容量UPS，保證停電時仍可安全運行。區(qū)域站的集中轉發(fā)系統(tǒng)：一般在變電所內(nèi)，可設置UPS電源。FTU及TTU：采用雙路電源，自動切換，保證電源連續(xù)。

2023/2/61.操作電源和工作電源均取自饋線方式1：電源采用開關兩側饋線供電。方式2：低壓線路與柱上開關共桿，采用饋線與一回低壓線供電.方式3：不同電源的兩回低壓線路與柱上開關較近，采用兩回低壓線供電。缺點：方式1、2：饋線停電后，F(xiàn)TU也失去工作電源。方式3：不同配電變間易產(chǎn)生耦合，對安全有影響。特點：無需蓄電池，兩路電源自動切換。2023/2/6兩路電源的自動切換電路－工作電源FTU工作電源自動切換；FTU的CPU對兩路電源電壓分別進行監(jiān)測，當主回路電壓下降到70％時，將操作電源切換到備用回路。2023/2/6兩路電源的自動切換電路－操作電源交流操作電源直流操作電源2023/2/62.操作電源和工作電源取自蓄電池實現(xiàn)方法：在FTU機箱內(nèi)設置較大容量蓄電池，提供FTU工作電源、柱上開關操作電源。優(yōu)點：不受饋線停電影響。要求：開關采用直流操作機構、直流貯能電機（對交流操作機構，需加逆變器）。直流電壓：一般48V、24V。2023/2/63.操作電源取自饋線，工作電源取自蓄電池特點：可保證FTU、柱上開關的電源供給。問題：電網(wǎng)故障開關越級跳閘時，須依靠蓄電池操作，要求容量增大（可采用失壓脫扣分段器代替過流脫扣分段器）。延長蓄電池壽命的措施：

1）放電回路采用快速熔斷器做短路保護，充電回路采用大容量壓敏電阻做脈沖保護。2）采用電壓繼電器、時間繼電器保護蓄電池，防止過充和過放電。2023/2/64.5饋線自動化的若干技術問題1.合閘中的勵磁涌流1）變壓器合閘造成的勵磁涌流配網(wǎng)中配電變壓器多，合閘時產(chǎn)生勵磁涌流，最大6～8倍變壓器額定電流，使繼保動作，遙控合閘失敗。配網(wǎng)中涌流衰減時間約0.1~0.15S，呈指數(shù)衰減。常用方法：加大動作整定值，但犧牲靈敏度。解決辦法：根據(jù)涌流中二次諧波成分大的特點，設置二次諧波制動裝置。2023/2/61.合閘中的勵磁涌流2）電容器合閘造成的沖擊涌流涌流產(chǎn)生原因：電容器第一次合閘時，電容充電阻抗很小，合閘沖擊涌流大；電容器切除后放電未完時合閘，因暫態(tài)效應（電容上初始電壓與電網(wǎng)電壓極性相反），合閘涌流更大。解決辦法：電容器中串電抗器，增大回路阻抗；設置二次諧波制動裝置，并設軟件延時，使電容器充分放電。

2023/2/62.接點抖動與遙信誤報產(chǎn)生原因：戶外開關的輔助接點易發(fā)生抖動，影響遙信量的判斷。電源沖擊、高頻噪聲、后備電源切換、遙信檢測電源容量不足等。解決辦法：采用硬件濾波措施。采用軟件延時消抖措施。2023/2/63.單相接地區(qū)段判斷1）問題的提出我國配電系統(tǒng)為小電流接地系統(tǒng)；歐美、日等部分為大電流接地系統(tǒng)，接地保護易實現(xiàn)，保護動作使開關跳閘。國內(nèi)引進的重合器、分段器、配電自動開關等按大電流接地系統(tǒng)設計，無法滿足小電流接地系統(tǒng)尋找接地故障區(qū)段需要。配電系統(tǒng)故障率（尤其是架空線路）90%以上是單相接地故障，單相接地故障的識別問題，將嚴重影響?zhàn)伨€自動化系統(tǒng)的實用性。國內(nèi)的一些小電流接地選線裝置，無法很好地應用于饋線自動化的接地故障區(qū)段尋址中。

2023/2/62）接地選線保護原理零序電流原理：基于故障線路零序電流大于非故障線路零序電流的特點，區(qū)分出故障和非故障元件，從而構成有選擇性的保護。零序功率方向原理：利用故障線路零序電流滯后零序電壓900，非故障線路零序電流超前零序電壓900的特點來實現(xiàn)。首半波原理：利用故障線路中故障后暫態(tài)零序電流第一個周期的首半波與非故障線路相反的特點實現(xiàn)選擇性保護。諧波電流方向原理：利用5次或7次諧波電流大小或方向構成選擇性接地保護。2023/2/63）實現(xiàn)方法在開關內(nèi)裝設零序電壓互感器，以實現(xiàn)方