基于提高供电可靠性的配电网自动化系统研究

摘要：供电可靠性是衡量电网优越性的重要指标，配电自动化的引入对提高电网的安全、可靠及高效运行有着重要作用，但由于配电网网络结构复杂等特点，目前国内使用的配电自动化系统效果有待提高，着重研究如何通过对现有配网自动化系统的改造以达到提高供电可靠性的目的。

关键词：供电可靠性；配电自动化；网络结构

作者简介：陈灵根（1982-），男，福建三明人，泉州电力技能研究院自动化培训处，讲师；黄红荔（1964-），女，福建泉州人，福建电力职业技术学院电力工程系，副教授。（福建 泉州 362000）

基金项目：本文系福建省教育厅社会科学院项目（项目编号：JA12441）的研究成果。

中图分类号：TM726 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）05-0180-02

电力系统可靠性是电力系统规划和运行的重要内容。统计表明， 用户的停电事故中约有80%是由于配电网的故障引起的，提高供电可靠性已成为电力部门的迫切任务。[1]

一、影响配电网供电可靠性的主要因素[2]

衡量配电网可靠性的指标主要包括停电次数和每次停电的时间，而影响供电可靠性的因素又可分为故障引起的停电和计划停电两类。

1.影响停电次数的因素

据统计，影响停电的主要因素包括计划检修和故障停电。计划检修包括电网相关设备的计划性停电检修，以及与配网相连的上级线路及变电所的检修、改造等。故障停电主要包括设备老化、外力破坏、气候因素等。其中，气候因素及外力破坏因素占到了绝大多数。

2.影响停电时间的因素

影响停电时间的主要因素包括：故障查找时间；抢修队伍到达故障现场的时间；隔离故障及非故障部分恢复供电时间；抢修时间以及抢修后故障点的恢复供电时间等。

二、传统配电自动化系统存在的问题对供电可靠性的影响

功能设计单一。传统配电自动化设计以提高配电网供电可靠性为主要目的，而现阶段影响供电可靠性的主要因素是人为干预因素，传统的配网自动化无法提高供电可靠性，它只是将简单的数据监控及采集加上配电自动化等同于配电自动化系统，缺少配电管理系统（DMS）、地理信息系统（GIS）等较完整的配电自动化实时管理系统，这样的状况影响了配网自动化系统对故障点判断的准确性，并且加长了故障处理时间；设备选择中的盲目求新，无法取得整体优化的效果，进而无法体现提高供电可靠性的功能；系统结构设计中存在顾此失彼的现象，基础设备老化，如果只是把先进的配电自动化系统装在陈旧的配电网架上，其效果难以实现；配电自动化系统设计中存在重系统、轻客户，重技术、轻管理，重形式、轻实效的思维定式；不同地区配电自动化系统判断各类故障的软件设计没有从实际出发，生搬硬套导致判断准确率差，若利用此系统进行故障处理，反而加长了故障影响时间。[3]

三、基于提高供电可靠性的配电网自动化系统改造方案

1.方案总则

根据国家电网公司电网建设与改造技术导则的要求，配电自动化系统应具有较高的安全性、可靠性、实用性、开放性、扩展性和容错性。

2.具体实施

如上所述，影响供电可靠性的主要指标有停电次数及停电时间，这两者主要与配电网网络结构、设备状况、管理方式及配网自动化监控能力有关。以下将对这几方面的改造方式进行研究。

配电网结构、基础设施及管理方式的改造措施：相关单位应优化网络结构，多使用环网及多分段多联络等结构方式，提高供电可靠性；多采用先进的高效低耗的先进技术和设备；强化配网设备的技术及运行管理工作，设备出现异常时能及时调整运行方式，确保各类设备都在合理的情况下工作；严格配电设备停电计划的审批及管理工作，合理安排检修计划，多采用带电作业技术进行检修作业，最大限度减少计划性停电；采用高性能的避雷器，确保架空线路避雷线接地性能完好，采用高性能的绝缘子，配电变压器、电力线缆、柱上开关的引线采用高性能的绝缘导线，多采用电缆线路等，以避免大风影响；加强巡视、监控，定期清扫绝缘瓷件，减少线路发生故障的几率；加强标示，减少外力对配电线路相关设施的外力破坏；加强对用户的安全用电知识宣传力度，减少违规用电造成的设备故障。

3.配网自动化系统改造[4，5]

通过配网网络结构、配网基础设备的升级或改造，为实现配网自动化技术升级或改造提供了必要的基础。配电自动化系统主要包括变电站自动化及馈线自动化。变电站自动化需完成对变电站的监视控制功能，而馈线自动化结合自动化开关设备和通信技术等，则要完成对配电网的监控控制，以期提高整个系统的供电可靠性。本文着重介绍馈线自动化系统升级改造。

（1）国内常见的馈线自动化系统存在的问题主要包括三类：

1）通过继电保护装置切除故障，再配合故障指示器提示信息实现故障定位，进而实现隔离及非故障部分恢复供电，该系统结构简单，但是自动化程度低，停电时间长。

2）通过分段器、重合器的反复配合动作来自动实现故障隔离及非故障部分恢复供电，该系统相对于系统自动化水平有较大提高，但是最终故障切除时间长、断路器负担重、非故障部分恢复供电慢。

3）基于馈线终端单元FTU和网络通信的馈线自动化系统，通过FTU采集故障信息并上传给调度中心完成故障的查找，并由调度中心通过远程操作完成故障隔离以及非故障部分恢复供电，目前该系统在城市配电自动化系统中广泛应用。

图1为一典型配网手拉手环网结构，L1、L2线路分别由变电站A、B供电，QF1、QF2分别为线路L1、L2出口断路器，QF3是联络开关，正常运行时处于常开状态，如果此时开关QS1和QS2之间的K点发生了永久性故障，线路L1出口处保护动作使断路器QF1断开切除故障，由于QF1断开前QS1开关处的FTU能监测到故障电流，而QS2开关处的FTU则检测不到故障电流，因此自动化系统判断该故障是发生在开关QS1和QS2之间的，然后快速地跳开QS1，QS2实现故障隔离，之后再合上线路出口断路器QF1，最后再合上联络开关QF3，恢复对非故障区域的供电。

该系统具有更高的自动化水平，开关只需一次动作，但是它对于通道的依赖性太强，系统可靠性直接取决于通道的可靠性。

（2）具有无通道保护功能的新型智能馈线自动化系统。[6]图2为具有无通道保护功能的配电自动化系统，该系统将馈线的故障识别和故障隔离下放到第三级（FTU装置级）来实现，但与传统配电自动化系统（基于FTU及通信系统的馈线自动化）的不同之处在于沿线路分布的FTU之间无通道相连，FTU装置具有独立捕捉故障信息的能力。其中，主站和区域工作站子站系统仍具有远方集中监控功能，通过遥控方式来实现网络重构，并将该项功能作为整个配电自动化方案的主要实现方式。因此，这种系统大大节约了建设投资成本和后期运行维护管理费用，并且大大降低了对通信系统的依赖，提高了系统可靠性。

上述系统结构中也存在弊端，如当FTU本身出现故障时，无法完成故障判断及隔离，故考虑“有主有备”系统结构，即根据通信系统正常与否，配置两套配电自动化系统控制方案。具体原理如下：

1）在通信正常的情况下，由基于FTU及通信系统的馈线自动化系统实现馈线监视、故障隔离及恢复非故障区的供电等功能。

2）在FTU与子站系统通信出现问题时，FTU直接启动故障处理功能，以最短的时间切除故障线路，提高电网的可靠性。具体原理如下：馈电线路无通道保护方案的实现原理，图3为典型单电源环网结构配电系统，正常情况下，采用“闭环结构、开环运行”的方式及联络开关R0是打开的，此时，环网系统分解形成两条辐射状馈电线路独立运行。另外，此类配电网配置传统的定时限电流保护，其启动电流按躲过最大负荷电流整定，动作时间整定按照闭环网运行方式下的“阶梯原则”进行整定，每级相差大约0.5s左右，即在规定正方向情况下，距离电源侧保护动作时间最长，远离电源线路保护动作时间最短。

此类系统如果仅仅采用传统的保护配置及整定原则，当L4上发生永久性短路故障时，由于R4L有较大短路电流通过，而R4R处没有短路电流通过，此时，应当由R4L迅速断开切除故障，但由于保护整定动作时间为3.5s，故这种保护配置方案对电网安全运行非常不利。而新型保护则通过判断负荷侧保护整定值较小的保护是否动作，来决定电源侧保护是否动作，且电源保护动作将在加速时间段内完成动作。针对图3系统接线方式，若L4发生故障时，最快在1.6秒内切除故障，并且此类保护配置可达到越接近故障点，故障切除时间越短，从而达到提高电网可靠性的目的。

3）考虑“微电网”情况下的保护的配置。微电网是实现智能电网的过渡，也是智能配电网的有机组成部分，随着电网的发展，越来越多的城市配电网接入不同规模的微电网，微电网具有自治、稳定、兼容、灵活、经济的特点，并可灵活、高效地利用分布式电源提高电网的利用率，改善用户供电可靠性和电能质量。[6]由于目前国内微电网接入主网控制技术等不够成熟，导致微电网接入后，不同电源发电的不规律性、不稳定性等特点给整个配电网的安全控制带来困难，因此，目前国内微电网虽与主网实现并网，但大部分运行还只能实现单向功能，即主网可向微电网供电，而微电网不许向主网返送电。[7]

微电网的引入一定程度上提高了供电可靠性，但是如何迅速查找故障点及恢复非故障部分的供电，为配网自动化提出了新的难题。目前，处理微电网故障的方法主要有：差动电流判别法、电流序分量法、谐波畸变法、扰动电压量法及无通道保护法。笔者通过文献[8]发现，无通道保护法原理简单、易于实现，对于不同情况下的微电网故障保护效果明显。

综上所述，对于不同馈线中发生的不同故障，无通道保护都能快速地切除故障并恢复非故障部分的供电，配电自动化系统中若引入此系统对提高配电网供电可靠性有着重要意义，是未来配网自动化改造和发展的方向。

参考文献：

[1]周雪松，刘欣，马幼捷，等.配电网可靠性的改进算法研究[J].华东电力，2010，（2）：48-52.

[2]刘健.配电自动化系统[M].第二版.北京：中国水利水电出版社，

2002.

[3]刘健，毕鹏翔，董海鹏.复杂配电网简化分析与优化[M].北京：中国电力出版社，2003.

[4]费军，单渊达.配电网自动故障定位系统的研究[J].中国电机工程学报，2000，20（9）：32-34，40.

[5]刘子亚.基于无通道保护技术的配电自动化应用研究[D].重庆：重庆大学，2006.

[6]李振杰，袁越.智能微网——未来智能配电网新的组织形式[J].电力系统自动化，2009，33（17）.

[7]伍磊，袁越，季侃，等.微型电网及其在防震减灾中的应用[J].电网技术，2008，32（16）：32-36.

[8]郭凯.计及配电网影响的微电网线路保护研究[D].山西：太原理工大学，2012.