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(zhǔn)確地確定故障區(qū)段，迅速隔離故障區(qū)段并恢復(fù)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(luò)重構(gòu)。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(shè)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(gòu)為一體，具有控制和保護功能的開關(guān)，能按預(yù)定開斷、重合順序自動操作，并可自動復(fù)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(yù)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(fù)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(cè)前級開關(guān)配合，失壓或無電流時自動分閘的開關(guān)設(shè)備。功能：永久故障時，分合預(yù)定次數(shù)后閉鎖在分閘狀，隔離故障區(qū)段；若未完成預(yù)定分合次數(shù)，故障已被其他設(shè)備切除，則保持在合閘狀（經(jīng)一段延時后恢復(fù)到預(yù)定狀態(tài)，為下次故障作準(zhǔn)備）。要求：一般不能開斷短路故障電流。關(guān)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(cè)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(guān)，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(luò)開關(guān)，用于環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)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(guān)開斷故障電流動作次數(shù)，達到預(yù)定記憶次數(shù)時，在前級開關(guān)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(guān)開斷故障電流動作次數(shù)未達到預(yù)定記憶次數(shù)時，分段器經(jīng)一定延時后計數(shù)清零，復(fù)位至初始狀態(tài)。FDR整定參數(shù)：前級開關(guān)過流開斷次數(shù)。FDR功能：前級開關(guān)開斷過電流電流動作計數(shù)與記憶。當(dāng)記憶次數(shù)=設(shè)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(xué)）。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(guān)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(guān)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?jǐn)啵恢虚g重合器：二慢，失壓10S后關(guān)閉重合功能，并改為一次分閘后閉鎖；聯(lián)絡(luò)重合器：一慢，兩側(cè)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(shè)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?zhǔn)確地判斷故障區(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(guān)壽命。2）故障由重合器或變電所斷路器分?jǐn)?，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(yán)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(guān)需改造，目前出線開關(guān)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(guān)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(luò)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(zhuǎn)發(fā)給FTU執(zhí)行。FTU采集柱上開關(guān)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(zhuǎn)發(fā)裝置，并將各單元通信規(guī)約轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)遠動規(guī)約。2023/2/62.FTU的性能要求(1)遙信功能：開關(guān)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(guān)分合、貯能等；統(tǒng)計功能：開關(guān)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(zhǔn)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(fù)荷，便于確定故障區(qū)段；定值遠方修改和召喚定值：適應(yīng)配網(wǎng)運行方式變化；自檢和自恢復(fù)功能：設(shè)備故障時報警、干擾時自復(fù)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(guān)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(fēng)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(yīng)保護）；故障錄波（故障分析用）。2023/2/63.FTU的組成和結(jié)構(gòu)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(gòu)成，采用通用規(guī)約，允許多臺FTU共用同一通道；2）一般設(shè)置在主變電所，并設(shè)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(fù)荷曲線，準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(guān)設(shè)備配合的饋線自動化系統(tǒng)基于FTU和通信網(wǎng)絡(luò)的饋線自動化系統(tǒng)主要優(yōu)點1)結(jié)構(gòu)簡單。2)建設(shè)費用低。3)不需建通信網(wǎng)絡(luò)。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(yīng)靈活的運行方式。3)恢復(fù)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(fù)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(shè)備沖擊大。1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2)建設(shè)費高。3)需通信網(wǎng)絡(luò)。4)存在電源提取問題。主要設(shè)備重合器、分段器等FTU、通信網(wǎng)絡(luò)、區(qū)域工作站、計算機系統(tǒng)。適用范圍農(nóng)網(wǎng)、負(fù)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(fù)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(fù)荷均衡化，將聯(lián)絡(luò)開關(guān)從G調(diào)整到D，則G和D均應(yīng)重新到現(xiàn)場整定。b區(qū)發(fā)生永久性故障時，分段開關(guān)B、C分閘后，聯(lián)絡(luò)開關(guān)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(guān)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(luò)描述矩陣D斷路器、分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)作為節(jié)點（N），可構(gòu)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(yīng)元素置0。2）故障信息矩陣G若第i個節(jié)點的開關(guān)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(luò)描述矩陣與故障信息矩陣舉例簡單饋線網(wǎng)絡(luò)（“C”為流過故障電流標(biāo)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g(shù)jj=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(yīng)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(fù)雜饋線網(wǎng)絡(luò)舉例（1）“C”為流過故障電流標(biāo)志）2023/2/6較復(fù)雜饋線網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)：一般在變電所內(nèi)，可設(shè)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(guān)兩側(cè)饋線供電。方式2：低壓線路與柱上開關(guān)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(guān)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(dāng)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(shè)置較大容量蓄電池，提供FTU工作電源、柱上開關(guān)操作電源。優(yōu)點：不受饋線停電影響。要求：開關(guān)采用直流操作機構(gòu)、直流貯能電機（對交流操作機構(gòu)，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(guān)的電源供給。問題：電網(wǎng)故障開關(guān)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(shù)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(shè)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(yīng)（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(shè)置二次諧波制動裝置，并設(shè)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(guān)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(guān)跳閘。國內(nèi)引進的重合器、分段器、配電自動開關(guān)等按大電流接地系統(tǒng)設(shè)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(yán)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(yīng)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(gòu)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(gòu)成選擇性接地保護。2023/2/63）實現(xiàn)方法在開關(guān)內(nèi)裝設(shè)零序電壓互感器，以實現(xiàn)方