淺析架空線路自動化的實現(xiàn)與柱上開關(guān)選型

1、淺析架空線路自動化的實現(xiàn)與柱上開關(guān)選型        摘 要：DA實現(xiàn)方法的比較，淺析架空線路自動化故障處理的三種模式，DA過程時間與模擬預(yù)演功能，配電自動化系統(tǒng)DA功能的幾個特點，柱上開關(guān)的技術(shù)要求及其優(yōu)缺點比較。 關(guān)鍵詞：架空線；故障檢測；自動化；DA過程（模式 時間 功能）；柱上開關(guān)(斷路器) 1 架空線路配電網(wǎng)自動化實現(xiàn)模式 一般將DA的實現(xiàn)方法分為兩種，即不需通訊的分布智能模式和需要通訊的集中智能模式。 分布智能模式是指FTU和柱上開關(guān)具備自動故障判斷隔離及重構(gòu)的能力，不需要通訊與主站系統(tǒng)的參與。這種模式

2、主要有電壓時間型和電流計數(shù)型兩種。方法是FTU結(jié)合斷路器或負(fù)荷開關(guān)構(gòu)成的具有重合功能的分段器。通過開關(guān)功能和保護(hù)時間配合實現(xiàn)故障隔離與供電的恢復(fù)。日本東芝公司生產(chǎn)的VSP5和其配套的FTU 是此類產(chǎn)品的典型代表。此類方法雖然成本低，不需要通訊與主站參與。但是，故障處理及供電恢復(fù)速度較慢，對系統(tǒng)及用戶多次沖擊；需改變變電站速斷保護(hù)定值及重合閘次數(shù)；沒有接地故障檢測功能。當(dāng)出現(xiàn)接地故障時，若像對待短路故障一樣全線跳閘，再重合的辦法來隔離故障，則對于占總故障數(shù)很大比例的接地故障來說會出現(xiàn)頻繁跳閘的現(xiàn)象，失去了中性點不接地的優(yōu)點。此外，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)后，需改變重合器的整定參數(shù)，多電源多分支的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，參數(shù)配

3、合困難。由于沒有子站，因而無法考慮實際負(fù)荷水平和網(wǎng)絡(luò)運行約束。綜上所述，這種方法僅適合于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)比較簡單，主要是雙電源供電的手拉手線路，在不具備通訊手段或通訊條件不完善可靠性較低的場合。 集中智能模式的DA方案，是由FTU將檢測的故障信息上傳給上級主站（即子站），子站根據(jù)配電網(wǎng)絡(luò)的實時拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，按照一定的算法進(jìn)行故障定位，下達(dá)命令給相關(guān)的FTU跳閘隔離故障。此后，主站通過在線潮流等配網(wǎng)分析軟件，考慮過負(fù)荷、電壓、網(wǎng)損等前提下，提供最佳臨時性的系統(tǒng)配置方案，重組網(wǎng)絡(luò)，使盡可能多的用戶恢復(fù)供電，因此，這是一種基于DMS的DA方案。其特點是適用于任意結(jié)構(gòu)，開環(huán)運行的配電網(wǎng)絡(luò)，可以考慮實際負(fù)荷水平和網(wǎng)

4、絡(luò)約束。 按照城區(qū)配電自動化主站系統(tǒng)方的設(shè)想，未來城區(qū)配電網(wǎng)故障處理分為三個層次，一是以配電終端為基礎(chǔ)的故障檢測，二是以配站為輻射中心的低層區(qū)域控制，三是以主站為管理中心的高層全局控制。 配電終端負(fù)責(zé)故障的檢測，執(zhí)行配電子站故障處理命令，實現(xiàn)故障隔離功能, 并上報故障信息及接受主站的控制策略。配電子站負(fù)責(zé)處理所轄區(qū)域饋線終端（FTU）的故障上報，查詢故障信息、分析故障位置及實現(xiàn)故障的當(dāng)?shù)馗綦x。主站根據(jù)子站的故障處理結(jié)果，提供非故障區(qū)域的供電策略，實現(xiàn)恢復(fù)供電。下面以架空線路說明DA過程。 架空線路的故障處理一定要區(qū)分瞬時和永久故障。對于瞬時故障，通過變電站出口斷路器的一次重合閘予以消除。而永久

5、性故障，則由FTU上報故障信息給主站（或子站，簡單線路可由子站完成故障處理；復(fù)雜線路故障有可能超出子站管理范圍，并且需要考慮供電轉(zhuǎn)供過負(fù)荷、線損等情況則必須由主站完成）。根據(jù)現(xiàn)場具體情況及考慮問題出發(fā)點的不同，這里有3種故障處理模式，它們各有其特點。 （1）模式一： 分段器不具有重合功能，F(xiàn)TU檢測到變電站出口斷路器兩次切斷故障電流并且線路連續(xù)失壓一定時間后上報故障給主站。由主站根據(jù)FTU故障信息，確定故障區(qū)域。通過遙控進(jìn)行故障隔離與恢復(fù)非故障區(qū)供電。故障定位基本原理就是故障點前的FTU能夠檢測到故障電流，故障點后的FTU檢測不到故障電流，從而確定了故障區(qū)域。故障處理過程如下： 故障發(fā)生，變電

6、站出口斷路器D1跳閘（圖1-a） D1重合，如果是瞬時故障，重合成功，故障處理過程結(jié)束；如果是永久性故障，線路將再次流過故障電流（圖1-b） D1再次跳閘，重合閉鎖。FTU再次檢測到故障電流并且線路失壓一定時間后確認(rèn)變電站出口斷路器重合閉鎖，上報主站故障信息（圖1-c） 主站收到FTU故障信息，確定出故障發(fā)生在開關(guān)K2-K3間，遙控跳開K2和K3，隔離成功后，閉合D1和聯(lián)絡(luò)開關(guān)K4，恢復(fù)供電（圖1-d） （2）模式二： 變電站外第一個出線開關(guān)具有重合功能，其他開關(guān)不具有重合功能。處理過程如下： 故障發(fā)生，變電站出口斷路器D1跳閘（圖2-a）此后，變電站外第一個出線開關(guān)K1檢測到線路失壓、失流而

7、跳閘（圖2-b） D1重合，K1得壓，延時一定時間T（T>變電站出口斷路器重合復(fù)歸時間）后重合，如果是瞬時故障重合成功，故障處理過程結(jié)束；如果是永久性故障，則線路再次流過故障電流（圖2-c） D1再次跳閘，此后，K1再次檢測到線路失壓、失流而跳閘并且重合功能閉鎖。FTU上報故障給主站（圖2-d） D1再次重合，D1-K1段供電恢復(fù)。主站收到FTU故障信息，確定出故障發(fā)生在開關(guān)K2-K3間，遙控跳開K2和K3，隔離成功后，閉合K1和聯(lián)絡(luò)開關(guān)K4，恢復(fù)供電（圖2-e） 這種模式適合于不允許配網(wǎng)自動化系統(tǒng)對變電站內(nèi)的10KV線路出口斷路器進(jìn)行監(jiān)控，或者變電站內(nèi)上了RTU但信息不能共享的情況下使

8、用。為了保證故障上游的失電區(qū)能夠恢復(fù)供電，通過變電站外第一個出線開關(guān)的延時重合，使得線路發(fā)生永久性故障時，變電站內(nèi)的出口斷路器也能夠重合成功，這樣，故障上游的失電區(qū)可通過閉合變電站外的第一個出線開關(guān)實現(xiàn)供電恢復(fù)。 （3）模式三： 所有分段器都具有重合功能，并且重合方式都是得壓延時重合。各分段器延時重合的時間相同，重合功能的復(fù)歸時間也相同，并且延時重合時間大于重合復(fù)歸時間。故障處理過程如下： 故障發(fā)生，故障發(fā)生，變電站出口斷路器D1跳閘（圖3-a） 此后，分段器K1、K2檢測到線路失壓、失流而跳閘（圖3-b） D1重合，K1得壓，延時一定時間T（T>變電站出口斷路器重合復(fù)歸時間）后重合，K

9、2得壓，延時T（T>K1重合復(fù)歸時間）后重合，如果是瞬時故障重合成功，故障處理過程結(jié)束；如果是永久性故障，則線路再次流過故障電流（圖3-c） D1再次跳閘，此后，K1、K2再次檢測到線路失壓、失流而跳閘，并且K2重合功能閉鎖。FTU上報故障給主站（圖3-d） D1再次重合，D1-K1段供電恢復(fù)。K2得壓，延時T后重合，K1-K2段供電恢復(fù)。主站收到FTU故障信息，確定出故障發(fā)生在開關(guān)K2-K3間，遙控跳開K3，隔離成功后，閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)K4，恢復(fù)供電（圖3-e） 顯然，這種模式吸收了分布智能模式的部分思想，兼有分布智能模式與集中智能模式各自優(yōu)點：顯然，故障點下游區(qū)恢復(fù)供電時間不受網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)變

10、化的影響，即聯(lián)絡(luò)開關(guān)位置改變，故障恢復(fù)時間仍然是固定的并且小于分布智能模式；故障點上游區(qū)恢復(fù)供電由FTU自動完成，這樣，即使通訊線路完全癱瘓，上游區(qū)的故障隔離、恢復(fù)供電仍可由FTU自動完成。 2 DA過程的時間 整個故障處理自動化動作過程時間分配如下： 步驟1：永久性故障的判別時間約3-5秒。對于架空線路，故障發(fā)生后，經(jīng)過變電站的保護(hù)動作及自動重合裝置的重合，若一次重合失敗，則確認(rèn)線路發(fā)生永久性故障；對于電纜線路，若重合失?。ㄈ绻渲米詣又睾涎b置），則表明故障發(fā)生在主干線上（如前所述，分支線故障，在重合前完成故障隔離，將重合成功）。一次重合失敗后，系統(tǒng)DA功能啟動，檢測到故障電流的FTU開始主

11、動上傳故障信息。 步驟2：子站的故障信息的收集時間，指子站收齊所有FTU的故障信息，包括變電站內(nèi)的保護(hù)動作信息和出線開關(guān)跳閘信息的時間。如果采用子站直接采集變電站的保護(hù)動作信息和出線開關(guān)跳閘信息，則故障信息的收集時間為5-10秒；如果變電站內(nèi)信息由RTU轉(zhuǎn)發(fā)則一般為10-15秒（不同廠家的產(chǎn)品稍有差異）。 1         步驟3：子站的故障定位時間約1秒。 步驟4：子站執(zhí)行故障隔離時間2-6秒。通常情況下隔離每個開關(guān)時間小于2秒,隔離開關(guān)數(shù)通常為1-3個。 步驟5：主站收到子站隔離報文，啟動故障恢復(fù)，進(jìn)行過負(fù)荷

12、效驗，網(wǎng)損，確定最佳恢復(fù)供電方案共用時間為4-5秒。 步驟6：主站執(zhí)行故障恢復(fù)時間2-6秒。通常情況下恢復(fù)每個開關(guān)時間小于3秒，恢復(fù)開關(guān)數(shù)通常為1-3個。 3 DA 模擬預(yù)演功能 系統(tǒng)的DA模塊具有實際運行和模擬預(yù)演兩種模式。在預(yù)演模式下，系統(tǒng)可模擬配電在典型負(fù)荷下，各種運行方式時，發(fā)生各種故障，系統(tǒng)處理過程和恢復(fù)方案。動態(tài)顯示全過程，如潮流分布、開關(guān)操作、失電線路等。各種故障的恢復(fù)方案保存在專門的'方案知識庫'中。演示中，調(diào)度員可人工修改恢復(fù)方案，并將其保存在'方案知識庫'中。因此，預(yù)演模式，一方面可供調(diào)度員訓(xùn)練、學(xué)習(xí)DA功能的處理。另一方面，可供調(diào)度員人工修

13、改恢復(fù)方案庫。當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)方案較復(fù)雜，為了減少故障處理時間，系統(tǒng)首先從方案庫中查找相應(yīng)故障的處理方法，如果該方案已存在則不必進(jìn)行復(fù)雜計算。如果不存在，則由人工手動恢復(fù)。 4 配電自動化系統(tǒng)DA功能的幾個特點 （1）本故障診斷、隔離與恢復(fù)的功能適于開環(huán)運行的各種配網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，用戶擴(kuò)充或修改網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)后，其功能不受影響。 （2）故障隔離是在變電站內(nèi)的10KV出線斷路器跳開以后才進(jìn)行的，因此，本方案完全支持負(fù)荷開關(guān)。 （3）開關(guān)拒動的處理方法。當(dāng)故障隔離時，如果遇到開關(guān)拒動，系統(tǒng)將自動擴(kuò)大隔離范圍，跳開上一級開關(guān)，直至隔離成功。如圖3中，如果開關(guān)K5拒動，系統(tǒng)將自動開關(guān)K3，仍可達(dá)到同樣隔離效果。當(dāng)故障

14、恢復(fù)時，如果有多種恢復(fù)方案，系統(tǒng)首先按照安全、的原則，確定一種最佳方案。但是，如果用于恢復(fù)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)拒動，同樣，系統(tǒng)將自動執(zhí)行次佳的恢復(fù)方案。如果，系統(tǒng)僅有一種恢復(fù)方案，并且聯(lián)絡(luò)開關(guān)拒動，則系統(tǒng)將在調(diào)度員界面上給予告警提示，同時指出拒動的開關(guān)。 （4）當(dāng)配電網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜，恢復(fù)方案較多時，如果故障發(fā)生后，才進(jìn)行計算分析，確定最佳恢復(fù)方案，將導(dǎo)致恢復(fù)時間過長。為了縮短恢復(fù)時間，系統(tǒng)采用一種'恢復(fù)方案熱備用'的方法。這就是，在未發(fā)生事故時，在研究模式下，系統(tǒng)自動計算出所有可能發(fā)生故障的情況的恢復(fù)方案，將其存儲在方案知識庫中，作為熱備用。一旦，發(fā)生故障，系統(tǒng)自動從方案知識庫中調(diào)出備用方

15、案，然后僅進(jìn)行安全效驗，從而大大縮短了恢復(fù)時間。開關(guān)變位事項將自動啟動恢復(fù)方案的計算，自動更新作為熱備用的方案知識庫。 （5）故障恢復(fù)分全自動和半自動恢復(fù)兩種方式：全自動方式就是故障恢復(fù)自動由主站完成；半自動方式就是系統(tǒng)自動形成故障恢復(fù)方案，并顯示于MMI界面上，由調(diào)度員確認(rèn)后，手動執(zhí)行故障恢復(fù)方案。同時系統(tǒng)支持先經(jīng)過方案預(yù)演后，再由調(diào)度員確認(rèn)，執(zhí)行方案。 （6）系統(tǒng)的故障診斷、隔離與恢復(fù)提供實時運行和模擬預(yù)演功能。在實時模式下，系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)運行的拓?fù)錉顟B(tài)自動完成開關(guān)設(shè)備的操作，達(dá)到故障的診斷與隔離，并提出可實施的恢復(fù)方案；在研究模式下，可人為設(shè)置假想故障，系統(tǒng)自動演示故障的處理過程，包括故障

16、定位、隔離過程及主站的恢復(fù)策略的預(yù)演等。 （7）未來城區(qū)配電自動化系統(tǒng)中，主站和子站的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述應(yīng)完全相同，只不過主站中存儲著的是整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)洌诱緞t存儲著所轄區(qū)域局部網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?。故障隔離算法也完全相同。當(dāng)故障區(qū)域超出單一子站所轄區(qū)域時，則直接由主站協(xié)調(diào)各子站進(jìn)行故障隔離。因此，當(dāng)屬于同一環(huán)網(wǎng)的各配電網(wǎng)絡(luò)的中各段線路在通訊上無法全部隸屬于同一子站時，通過主站同樣仍可完成故障隔離與恢復(fù)。 5 饋線自動化對柱上開關(guān)的技術(shù)要求 要實現(xiàn)架空配電網(wǎng)絡(luò)自動化，所選用的柱上開關(guān)及配套的FTU應(yīng)滿足以下要求： （1）高可靠性。在廈門這種濕度大、地處亞熱帶的海島城市，最好采用真空開關(guān)管滅弧以提高分?jǐn)嗄芰?，SF6氣體解決相間絕緣，縮小體積。因為零表壓，密封問題相對容易解決。由于真空負(fù)荷開關(guān)管和斷路器開關(guān)管價格差不多，其他結(jié)構(gòu)也相差無幾，所以真空負(fù)荷開關(guān)可以用真空斷路器代替。操動機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)密封，以解決機(jī)構(gòu)銹蝕出現(xiàn)誤動、拒動現(xiàn)象。永磁機(jī)構(gòu)就其原理而言由于元件數(shù)少，可靠性很高。但要注意到其本質(zhì)上還是電磁操動機(jī)構(gòu)，瞬時功率大及機(jī)械特性控制是其難點，啟動電容以及控制線路的壽命、溫度特性及可靠性是操動機(jī)構(gòu)總體可靠性的瓶頸，應(yīng)加以高度重視，這些