配网自动化系统详解

2023/2/6第4章馈线自动化馈线自动化是配电自动化的重要组成部分。目的：对馈出线路进行数据采集和监控（SCADA功能），故障时，及时准确地确定故障区段，迅速隔离故障区段并恢复健全区段供电。主要功能：配网馈线运行状态监测、控制、故障诊断、故障隔离、网络重构。实现：一种是基于重合器的馈线自动化系统；另一种是基于馈线终端设备(FTU)的馈线自动化系统。2023/2/64.1基于重合器的馈线自动化原理：无需通信，根据短路时出现的短路电流，靠多次重合闸找出故障区段并进行隔离，主要用在辐射线路。实现模式：重合器与重合器配合模式、重合器与电压-时间型分段器配合模式、重合器与过流脉冲计数型分段器配合模式。2023/2/6重合器(Recloser)分类和功能定义：集断路器、继电保护、操动机构为一体，具有控制和保护功能的开关，能按预定开断、重合顺序自动操作，并可自动复位、闭锁。2023/2/6重合器(Recloser)分类和功能－续功能：故障后重合器跳闸，按预定动作顺序循环分、合若干次，重合成功则自动终止后续动作；重合失败则闭锁在分闸状，手动复位。动作特性：根据动作时间-电流特性分快速动作特性（瞬动特性）、慢速动作特性（延时动作特性）两种。动作特性整定：“一快二慢”、“二快二慢”、“一快三慢”。2023/2/62.分段器(Sectionalizer)分类和功能定义：与电源侧前级开关配合，失压或无电流时自动分闸的开关设备。功能：永久故障时，分合预定次数后闭锁在分闸状，隔离故障区段；若未完成预定分合次数，故障已被其他设备切除，则保持在合闸状（经一段延时后恢复到预定状态，为下次故障作准备）。要求：一般不能开断短路故障电流。关键部件：故障检测继电器（FDR:FaultDetectingRelay）。根据判断故障方式的不同分类：电压－时间型，过流脉冲记数型。2023/2/61)电压－时间型分段器故障隔离原理：根据加压、失压时间长短控制动作，失压后分闸，加压时合闸或闭锁。用于辐射、树状、环状网。FDR整定参数：X时限：分段器电源侧加压至该分段器合闸的时延。Y时限：分段器合闸后未超过Y时限的时间内又失压，则该分段器分闸并被闭锁在分闸状，下一次再得电时不再自动重合

。

Y时限又称故障检测时间。FDR功能：

第一套功能：用于常闭状态的分段开关，用于辐射、树状网；要求X时限>Y时限>电源端断路器跳闸时间。

第二套功能：用于常开状态的联络开关，用于环网联络开关常开状态。2023/2/62)过流脉冲计数型分段器故障隔离原理：记忆前级开关开断故障电流动作次数，达到预定记忆次数时，在前级开关跳闸的无电流间隙内，分段器分闸，隔离故障区段。前级开关开断故障电流动作次数未达到预定记忆次数时，分段器经一定延时后计数清零，复位至初始状态。FDR整定参数：前级开关过流开断次数。FDR功能：前级开关开断过电流电流动作计数与记忆。当记忆次数=设定次数时，分段器闭锁。2023/2/63.重合器与分段器配合实现故障区段隔离重合器与电压－时间型分段器配合情况。（重点掌握）重合器与过流脉冲计数型分段器配合情况类似（自学）。2023/2/61）辐射状网故障区段隔离过程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各开关动作时序图A重合器：第一次重合时间=15S，第二次重合时间=5SB、D分段器：X时限=7S，Y时限=5SC、E分段器：X时限=14S，Y时限=5S2023/2/62）环状网开环运行时的故障区段隔离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各开关动作时序图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.重合器与重合器配合实现故障区段隔离

发生过流或低电压时重合器动作。出线重合器：一快二慢，失压3S后分断；中间重合器：二慢，失压10S后关闭重合功能，并改为一次分闸后闭锁；联络重合器：一慢，两侧失压后15S合闸。2023/2/65.基于重合器的馈线自动化系统不足我国馈线自动化近几年才开始，主要采用电压型及电流型两种控制模式。我国配电网是小接地电流系统，欧美、日本等国，大部分是大接地电流系统。我国配网设备状况、管理要求不同于国外，照搬国外电流型或电压型模式，推广用于城网必然带来问题。基于重合器能够准确地判断故障区段，并能自动隔离故障区段。2023/2/6存在缺陷1）切断故障时间较长，动作频繁，减少开关寿命。2）故障由重合器或变电所断路器分断，系统可靠性降低；多次短路电流冲击、多次停送电，对用户造成严重影响。3）重合器或断路器拒动时，事故进一步扩大。4）环网时使非故障部分全停电一次，扩大事故影响。5）不能寻找接地故障。6）无断线故障判断功能，一相、多相断线，重合器不动作。7）变电站出线开关需改造，目前出线开关具有一次重合闸功能，装重合器后，需改造为多次重合型。8）重合器保护与出线开关保护配合难度大，要靠时限配合。9）不具备“四遥”功能，无法进行配电网络优化等工作。2023/2/6自动重合器2023/2/64.2基于FTU的馈线自动化系统1.基于FTU的馈线自动化系统D的组成2023/2/6系统特点配网实时信息通过就地FTU采集，传送到区域集控或变电站集中，上报配电调度中心。配电调度中心控制命令通过区域集控或变电站转发给FTU执行。FTU采集柱上开关运行情况，将信息上传到配网控制中心，或接受控制中心命令进行远方操作。故障时，FTU将记录的故障电流、时间等上报，供分析使用。区域工作站：通道集中器和转发装置，并将各单元通信规约转换为标准远动规约。2023/2/62.FTU的性能要求(1)遥信功能：开关位置、贮能完成情况、通信完好性；遥测功能：U、I、P、Q等；遥控功能：远方对柱上开关分合、贮能等；统计功能：开关动作次数、动作时间、累计切断电流水平；SOE和对时功能：保证SOE的准确性，与系统时钟一致；事故记录：记录事故发生时的最大故障电流和事故前（1min）负荷，便于确定故障区段；定值远方修改和召唤定值：适应配网运行方式变化；自检和自恢复功能：设备故障时报警、干扰时自复位；2023/2/6FTU的性能要求(2)远方控制闭锁和手动操作功能：检修线路或操作开关时确保操作安全性；远程通信功能：RS-232，RS-485，通信规约问题；抗恶劣环境：雷电、环境温度、防雨、防湿、风沙、振动、电磁干扰；维修方便：保证不停电检修；电源可靠：保证故障或停电时FTU有工作电源；可选功能：电度采集（核算电费、估计线损，防窃电）；微机保护（实现自适应保护）；故障录波（故障分析用）。2023/2/63.FTU的组成和结构一种典型的FTU系统框图2023/2/62023/2/64.区域工作站特点：1）一般采用工业PC、多路串行口扩展板构成，采用通用规约，允许多台FTU共用同一通道；2）一般设置在主变电所，并设UPS。

2023/2/65.配变远方测控单元（TTU）TTU的主要功能：1）实现对配电变压器实现远方监视。2）采集变压器的I、U、P、Q、cos、分时电量、电压合格率等数据。3）根据监视的负荷曲线，准确计算线损、用户电量核算、防窃电。4）通过低压配电线载波实现对本台区低压用户进行抄表数据的远传。结构特点：与FTU类似，但增加低压载波、输出控制为补偿功率因数的电容器。2023/2/6一种典型的配变测控终端单元组成2023/2/66.两种馈线自动化系统的比较基于重合器、FTU的馈线自动化系统国外大量使用。基于重合器开关设备配合的馈线自动化系统基于FTU和通信网络的馈线自动化系统主要优点1)结构简单。2)建设费用低。3)不需建通信网络。4)无电源提取问题。1)故障时隔离故障区域，正常时监控配网运行，可优化运行方式，实现安全经济运行。2)适应灵活的运行方式。3)恢复健全区域供电时，可采取安全和最佳措施。4)可与MIS、GIS等联网，实现全局信息化。两种馈线自动化系统的比较2023/2/6主要缺点1)仅故障时起作用,正常运行时无监控作用，不能优化运行方式。2)调整运行方式后,需到现场修改定值。3)恢复健全区域供电时，无法采取安全、最佳措施。4)需多次重合,对设备冲击大。1)结构复杂。2)建设费高。3)需通信网络。4)存在电源提取问题。主要设备重合器、分段器等FTU、通信网络、区域工作站、计算机系统。适用范围农网、负荷密度小的偏远地区、供电途径少于两条的电网。城网、负荷密度大的地区、重要工业园区、供电途径多的网格状配网、供电可靠性要求高的区域。两种馈线自动化系统的比较(续表)2023/2/6开环运行的多电源环状网两种系统比较1)基于重合器的馈线自动化系统若为使网上负荷均衡化，将联络开关从G调整到D，则G和D均应重新到现场整定。b区发生永久性故障时，分段开关B、C分闸后，联络开关G、E究竟合哪个，无法选择。2)基于FTU的馈线自动化系统：可很方便地解决以上问题。2023/2/64.3故障区段判断和隔离1.基本原理1）辐射、树状网、开环运行的环状网：根据最后一个有故障电流和第一个无故障电流两个开关的电流变化判断故障区段。2）闭环运行的环状网：根据故障功率方向判断故障区段。2023/2/62.故障区段判断和隔离算法采用矩阵算法来实现判断、隔离故障区段。1）网络描述矩阵D断路器、分段开关、联络开关作为节点（N），可构N×N维方阵；若第i、j节点间存在馈线，则第i行、第j列元素，第j行、第i列元素均置1；不存在馈线的节点对应元素置0。2）故障信息矩阵G若第i个节点的开关故障电流超过整定值，则第i行第i列元素置0，反之置1，矩阵的其他元素均置0。也是N×N维方阵。2023/2/6网络描述矩阵与故障信息矩阵举例简单馈线网络（“C”为流过故障电流标志）2023/2/63）故障判断矩阵P对矩阵D与矩阵G相乘，并进行规格化，得

P=g（D×G）=g（P‘）g代表矩阵的规格化运算，其具体操作：若D阵中元素dmj、dnj、…dkj为1，且G阵中gjj=1时，需对P‘阵中第j行和第j列元素进行规格化处理；若gmm、gnn、…gkk至少有两个为0，则将P‘阵中第j行和第j列的元素全置0；若上述条件不满足时，P阵中相应的元素值不变。矩阵P反映了故障区段：若P中的元素pijXORpji＝1，则馈线上第i节点和第j节点间的区段有故障。2023/2/6故障判断矩阵P举例p34XORp43＝0，p45XORp54＝0，p56XORp65＝0，p67XORp76＝0，p23XORp32＝1，因此故障点在节点2、3之间。2023/2/6较复杂馈线网络举例（1）“C”为流过故障电流标志）2023/2/6较复杂馈线网络举例（2）P矩阵中，只有p43XORp34＝1，p46XORp64＝1，因此故障点在节点4和3之间，或在节点4和6之间。规格化目的是避免误判，若P’不进行规格化，则会错误地判断故障点位于节点5和7之间。2023/2/64.4馈线自动化的电源问题电源要求：时刻保证电源的连续性；故障时，各测控单元仍应能接受远方控制和上报信息。馈线自动化控制中心：可为SCADA配置大容量UPS，保证停电时仍可安全运行。区域站的集中转发系统：一般在变电所内，可设置UPS电源。FTU及TTU：采用双路电源，自动切换，保证电源连续。

2023/2/61.操作电源和工作电源均取自馈线方式1：电源采用开关两侧馈线供电。方式2：低压线路与柱上开关共杆，采用馈线与一回低压线供电.方式3：不同电源的两回低压线路与柱上开关较近，采用两回低压线供电。缺点：方式1、2：馈线停电后，FTU也失去工作电源。方式3：不同配电变间易产生耦合，对安全有影响。特点：无需蓄电池，两路电源自动切换。2023/2/6两路电源的自动切换电路－工作电源FTU工作电源自动切换；FTU的CPU对两路电源电压分别进行监测，当主回路电压下降到70％时，将操作电源切换到备用回路。2023/2/6两路电源的自动切换电路－操作电源交流操作电源直流操作电源2023/2/62.操作电源和工作电源取自蓄电池实现方法：在FTU机箱内设置较大容量蓄电池，提供FTU工作电源、柱上开关操作电源。优点：不受馈线停电影响。要求：开关采用直流操作机构、直流贮能电机（对交流操作机构，需加逆变器）。直流电压：一般48V、24V。2023/2/63.操作电源取自馈线，工作电源取自蓄电池特点：可保证FTU、柱上开关的电源供给。问题：电网故障开关越级跳闸时，须依靠蓄电池操作，要求容量增大（可采用失压脱扣分段器代替过流脱扣分段器）。延长蓄电池寿命的措施：

1）放电回路采用快速熔断器做短路保护，充电回路采用大容量压敏电阻做脉冲保护。2）采用电压继电器、时间继电器保护蓄电池，防止过充和过放电。2023/2/64.5馈线自动化的若干技术问题1.合闸中的励磁涌流1）变压器合闸造成的励磁涌流配网中配电变压器多，合闸时产生励磁涌流，最大6～8倍变压器额定电流，使继保动作，遥控合闸失败。配网中涌流衰减时间约0.1~0.15S，呈指数衰减。常用方法：加大动作整定值，但牺牲灵敏度。解决办法：根据涌流中二次谐波成分大的特点，设置二次谐波制动装置。2023/2/61.合闸中的励磁涌流2）电容器合闸造成的冲击涌流涌流产生原因：电容器第一次合闸时，电容充电阻抗很小，合闸冲击涌流大；电容器切除后放电未完时合闸，因暂态效应（电容上初始电压与电网电压极性相反），合闸涌流更大。解决办法：电容器中串电抗器，增大回路阻抗；设置二次谐波制动装置，并设软件延时，使电容器充分放电。

2023/2/62.接点抖动与遥信误报产生原因：户外开关的辅助接点易发生抖动，影响遥信量的判断。电源冲击、高频噪声、后备电源切换、遥信检测电源容量不足等。解决办法：采用硬件滤波措施。采用软件延时消抖措施。2023/2/63.单相接地区段判断1）问题的提出我国配电系统为小电流接地系统；欧美、日等部分为大电流接地系统，接地保护易实现，保护动作使开关跳闸。国内引进的重合器、分段器、配电自动开关等按大电流接地系统设计，无法满足小电流接地系统寻找接地故障区段需要。配电系统故障率（尤其是架空线路）90%以上是单相接地故障，单相接地故障的识别问题，将严重影响馈线自动化系统的实用性。国内的一些小电流接地选线装置，无法很好地应用于馈线自动化的接地故障区段寻址中。

2023/2/62）接地选线保护原理零序电流原理：基于故障线路零序电流大于非故障线路零序电流的特点，区分出故障和非故障元件，从而构成有选择性的保护。零序功率方向原理：利用故障线路零序电流滞后零序电压900，非故障线路零序电流超前零序电压900的特点来实现。首半波原理：利用故障线路中故障后暂态零序电流第一个周期的首半波与非故障线路相反的特点实现选择性保护。谐波电流方向原理：利用5次或7次谐波电流大小或方向构成选择性接地保护。2023/2/63）实现方法在开关内装设零序电压互感器，以实现方