配电网馈线自动化

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Transcript 配电网馈线自动化 

配电网自动化技术
Distribution Automation Technology
电气工程与自动化学院
第6章 配电网馈线自动化
• 6.1 馈线自动化模式
• 6.2 基于重合器的馈线自动化
–
–
–
–
–
6.2.1 重合器的分类和功能
6.2.2 分段器的分类和功能
6.2.3 重合器与电压-时间型分段器配合
6.2.5 重合器与过流脉冲计数型分段器配合
6.2.6 基于重合器的馈线自动化系统的不足
• 6.3 基于馈线监控终端的馈线自动化
–
–
–
–
6.3.1 系统概述
6.3.2 馈线故障区段定位算法简介
6.3.3 基于网基结构矩阵的定位算法
6.3.4 基于网形结构矩阵的定位算法
• 6.4 馈线自动化系统设计
– 6.4.1 系统结构
– 6.4.2 硬件设计
– 6.4.3 软件设计
6.1 馈线自动化模式
馈线自动化FA（Feeder Automation）是指在正
常情况下，远方实时监视馈线分段开关与联络开
关的状态和馈线电流、电压情况，并实现线路开
关的远方合闸和分闸操作以优化配网的运行方式
，从而达到充分发挥现有设备容量的目的；
在故障时获取故障信息，并自动判别和隔离馈线
故障区段以及恢复对非故障区域的供电，从而达
到减小停电面积和缩短停电时间的目的；
在单相接地等异常情况下, 对单相接地区段的查找
提供辅助手段。
6.1 馈线自动化模式
•
•
•
•
1. 就地控制方式
（1）利用重合器和分段器
（2）利用重合器和重合器
（3）利用点对点通信
– 现地隔离故障，故障信息上传
• 2. 远方集中监控模式
• 远方集中监控模式由变电站出线断路器、各柱上
负荷开关、馈线监控终端、通信、配调中心站组
成。
• 每个开关或环网柜的馈线监控终端要与配调中心
站通信，故障隔离操作由馈线自动化主站以遥控
方式进行集中控制。
6.2 基于重合器的馈线自动化
• 采用配电网自动化开关设备的馈线自动化
系统，不需要建设通信通道，利用开关设
备的相互配合，实现隔离故障区域和恢复
健全区域供电。
• 重合器和重合器配合模式，重合器和电压时间型分段器配合模式及重合器和过流脉
冲计数型分段器配合模式。
一、重合器的功能
• 当故障发生后，若重合器监测到超过设定值的故
障电流，则重合器跳闸，并按预先整定的动作顺
序做若干次合、分的循环操作。
• 若重合成功则自动终止后序动作，并经一段延时
后恢复到预先整定状态，为下一次故障做好准备。
• 若经若干次合、分的循环操作后重合失败则闭锁
在分闸状态，只有通过手动复位才能解除闭锁。
二、分段器的分类和功能
• 分段器是一种与电源侧前级开关（如重合
器等）配合，在失压或无电流的情况下自
动分闸的开关设备，一般不能断开短路故
障电流。
• 分段器的关键部件是故障检测装置 (Fault
Detecting Device，FDD)。根据故障判断方
式的不同，分段器可分为电压-时间型分段
器和过流脉冲计数型分段器两类。
1. 电压-时间型分段器
• 电压-时间型分段器是凭借加压、失压的时
间长短来控制其动作的，失压后分闸或闭
锁，加压后合闸，一般由带微处理器的分
段器故障检测装置根据馈线运行状态控制
其分闸、合闸及闭锁。
TV
TV
FDD
FDD
1. 电压-时间型分段器
• 电压-时间型分段器有两个重要参数：X时限和Y
时限需整定。
– X时限，从分段器电源侧加压至该分段器合闸的时延；
– Y时限，又称为故障检测时间，若分段器合闸后在未超
过Y时限的时间内又失压，则该分段器分闸并闭锁在分
闸状态，待下一次再得电时也不再自动重合。
• 分段器故障检测装置一般有两套功能。第一套是
应用于常闭状态的分段开关；第二套是应用于处
于常开状态的联络开关。可通过参数配置实现两
套功能的切换。
1. 电压-时间型分段器
• 对于辐射状馈线，将分段器的故障检测装
置设置为第一套功能。当分段器的故障检
测装置监测到分段器电源侧得电后起动X计
时器，在经过X时限规定的时间后，令分段
器合闸；
• 同时起动Y计时器，若在计满Y时限规定的
时间以内，该分段器又失压，则该分段器
分闸并闭锁在分闸状态，待下一次再得电
也不再自动重合。
1. 电压-时间型分段器
• 安装于处于常开状态的联络开关处的分段器故障
检测装置要设置在第二套功能。
• 安装于联络开关处的分段器故障检测装置要对两
侧的电压进行监测，当监测到任一侧失压时起动
XL计数器，规定时间XL时限后，使分段开关合闸
。同时起动Y计时器，若在计满Y时限规定的时间
以内，该分段器同一侧又失压，则该分段器分闸
并闭锁在分闸状态，待下一次再得电也不再自动
重合。
2. 过电流脉冲计数型分段器
• 过电流脉冲计数型分段器通常与前级的重合器或
断路器配合使用，它不能开断短路故障电流。但
在一段时间内，能记忆前级开关设备开断故障电
流动作次数。
• 在预定的记忆次数后，在前级的重合器或断路器，
将线路从电网中短时切除的无电流间隙内，分段
器分闸，隔离故障。
• 若前级开关设备开断故障电流动作次数未达到分
段器预设的动作次数，分段器在一定的复位时间
后会清零动作次数并恢复到预先整定的初始状态，
为下一次故障做好准备。
三、重合器与电压-时间型分段器配合
1. 辐射状网故障区段隔离
• A为重合器，整定为一慢二快，即第一次重合时
间为15s，第二次重合时间为5s。
• B和D采用电压-时间型分段器，X时限均整定为7s
。
• C和E采用电压-时间型分段器，X时限均整定为
14s。
• 所有分段器的故障检测装置的Y时限均整定为5s
。
• 分段器均设置在第一套功能。
三、重合器与电压-时间型分段器配合
1. 辐射状网故障区段隔离
E e
a
A
b
D d
a
A
15s
B
a)
C c
b
B
7s
7s
D d
C
e)
E e
c
E e
a
A
b
D d
B
C
b)
a
c
E e
b
a
A
15s
A
15s
B
C
c
a
E e
a
b
B
7s
D d
b
c
E e
7s
14s
D d
B
7s 闭锁 C
g)
C
d)
A
5s
E e
B
7s 闭锁 C c
14s
f)
D d
c)
A
15s
b
7s
D d
c
三、重合器与电压-时间型分段器配合
2. 环状网开环运行时的故障区段隔离
• A采用重合器，整定为一慢二快，即第一次重合
时间为15s，第二次重合时间为5s。
• B、C和D采用电压-时间型分段器并且设置在第一
套功能，X时限均整定为7s，Y时限均整定为5s。
• E也是采用电压-时间型分段器，但设置在第二套
功能，其XL时限整定为45s，Y时限整定为5s。
三、重合器与电压-时间型分段器配合
2. 环状网开环运行时的故障区段隔离
a
A
c
b
C
B
d
D
e
E
F
联络开关
a
A
5s
b
闭锁
C
B
7s
a)
a
A
C
B
d
D
e
E
F
联络开关
b)
a
A
15s
C
B
D
e
E
F
联络开关
a
A
5s
b
闭锁
c
C
B
7s
d
D
e
E
F
联络开关
g)
c
b
d
f)
c
b
c
d
D
e
E
F
联络开关
a
A
c)
b
闭锁
c
C
B
闭锁
D
d
e
E
F
联络开关
h)
a
A
15s
c
b
C
B
7s
d
D
e
E
F
联络开关
d)
闭锁
a
A
15s
b
B
7s
c
C
7s
e)
a
A
e
E
F
D
联络开关
d
b
B
闭锁 c 闭锁
e
d
E
F
C
D
联络开关
i)
三、重合器与电压-时间型分段器配合
3.重合器与电压-时间型分段器配合的整定方法
• （1）分段器的时限整定。
• 分段器的Y时限一般可以统一取为5s；
• 分段器的X时限的整定。
– 第一步：确定分段器合闸时间间隔，并从联络开关处
将配电网分割成若干以电源开关为根的树状（辐射状）
配电子网络。
– 第二步：在各配电子网络中，以电源节点合闸为时间
起点，分别对各个分段器标注其相对于电源点合闸时
刻的绝对合闸延时时间，并注意不能在任何时刻有一
台以上的分段开关同时合闸。
– 第三步：某台分段器的X时限等于该开关的绝对合闸延
时时间减去其父节点分段器的绝对合闸延时时间。
3.重合器与电压-时间型分段器配合的整定方法
• （2） 联络开关的时限整定
• “手拉手”的环状配电网只有一台联络开关参与故
障处理时，分别计算出与该联络开关紧邻的两侧
区域故障时，从故障发生到与故障区域相连的分
段开关闭锁在分闸状态所需的延时时间TL（左）
TR和（右），取其中较大的一个记作Tmax，则XL
时限的设置应大于Tmax 。这样整定是允许在故障
后重合过程中可从任一侧进行按顺序的依次合闸
。
3.重合器与电压-时间型分段器配合的整定方法
3.重合器与电压-时间型分段器配合的整定方法
• 例6-1 对于图6-4所示的配电网，S1、S2和S3代
表具有两次重合功能的变电站出口重合器，第一
次重合时间为15s，第二次重合时间为5s。B、C
、D、F、G和M代表线路上的电压-时间型分段开
关，设置在第一套功能，X时限均整定为7s。E和
H为联络开关；实心符号代表该开关处于合闸状
态，空心符号代表该开关处于分闸状态。假设相
邻两台分段开关合闸时间间隔为7s。要求整定：
• （1）虚线框内的网络中，各台分段开关的X时限
及联络开关E的XL时限；
• （2）整个网络中，两台联络开关E、H均参与故
障处理的情况下，分别整定联络开关E、H的XL时
限。
3.重合器与电压-时间型分段器配合的整定方法
a
c
b
S1
C
B
1
e
d
D
E
f
S2
F
2
g
3
G
h
H
m
M
S3
3.重合器与电压-时间型分段器配合的整定方法
3.重合器与电压-时间型分段器配合的整定方法
3.重合器与电压-时间型分段器配合的整定方法
四、重合器与过流脉冲计数型分段器配合
1.隔离永久故障区段
B
a
B
a
b
b
A
A
a)
C
B
a
c
d)
C
闭锁
c
b
A
b)
C
c
B
a
b
A
B
a
b
A
c)
C
c
e)
C
闭锁
c
四、重合器与过流脉冲计数型分段器配合
1.隔离暂时性故障区段
B
a
b
A
a)
C
B
a
c
b
A
b)
C
B
a
c
b
A
c)
C
c
五、基于重合器的馈线自动化系统不足
• （1）为了隔离故障，重合器和分段器要进行多次分合操
作，切断故障的时间较长，且对设备及负荷造成一定的冲
击。当采用重合器与电压－时间型分段器配合隔离开环运
行的环状网的故障区段时，要使联络开关另一侧的健全区
段所有的开关都分一次闸，造成供电短时中断，更加扩大
了事故的影响范围。
• （2）基于重合器的馈线自动化系统仅在线路发生故障时
发挥作用，而不能在远方通过遥控完成正常的倒闸操作。
• （3）基于重合器的馈线自动化系统不能实时监视线路的
负荷。
• （4）当故障区段隔离后，在恢复健全区段供电，进行配
电网络重构时，无法确定最优方案。
6.3基于馈线监控终端的馈线自动化
• 系统由馈线监控终端、通信网络及主站系统构成。
配电网馈线故障定位系统主站
综合应用层
可视化
拓扑分析
馈线故障
定位
终端管理
报表管理
数据管理层
告警信息
管理
系统管理
其他系统接口
故障定位系统数据库
数据采集层 前置通信服务器A
馈线监控终端
前置通信服务器B
通信接入设备
防火墙
GPRS网络
移动服务器
馈线监控终端
馈线监控终端
一、系统概述
• 当配电网发生故障后，各相关馈线监控终
端将相应的分段开关及联络开关处的实时
信息通过数据通信传到主站系统，主站系
统根据一定的故障区段定位算法自动定位
出故障所在区段，并下发命令给相关馈线
监控终端操作开关设备将故障区段隔离，
并恢复非故障区段供电。
一、系统概述
• 对于辐射网、树状网和处于开环运行的环状网，
故障区段定位只需要判断沿线的各个开关是否流
过故障电流。
• 假如线路出现单一故障，沿电源到负荷的方向最
后一个经历了故障电流和第一个没有经历故障电
流的开关之间为故障区段。
• 为了确定开关上是否流过故障电流，需要对安装
于其上的各台馈线监控终端进行整定，由于不是
通过对各个开关整定值的区别来定位故障区段，
所以这种整定较方便。
• 配电网故障区段定位最基本的问题就是如何用合
理的数学方式来描述故障区段定位问题，并快速
求解。
二、基于网基结构矩阵的定位算法
• 通过网基结构矩阵D和故障信息矩阵G的运
算，得到一个故障判断矩阵P，根据故障判
断矩阵P判断和隔离故障区段。
二、基于网基结构矩阵的定位算法
1. 网基结构矩阵D
• 网基结构矩阵D描述了配电网的潜在联接方式,它
取决于配电线路的架设。
1
过流
2
3
过流
过流
断路器
4
5
6
7
图6-8 一个简单的配电网
f
联络开关
0
1
0
D  0
0
0
0
分段开关
1
0
1
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
1
0
二、基于网基结构矩阵的定位算法
2.故障信息矩阵G
• 如果节点的开关经历了超过整定值的故障电流
，则故障信息矩阵G的第行第列的元素置0；
反之则第行第列的元素置1；
• 故障信息矩阵G的其他元素均置0。
• 也即故障信息反映在矩阵G的对角线上。
• 如图6-4所示，节点3和节点4之间发生故障
，则相应的故障信息矩阵G为
0
0
0
G  0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
二、基于网基结构矩阵的定位算法
3.故障判断矩阵P
• 故障区段两侧的开关必定一个经历了故障电流
，另一个未经历故障电流。而且故障区段的一
个没有故障信息节点的所有相邻节点中，不存
在两个以上的节点有故障信息。
• 网基结构矩阵D和故障信息矩阵G相乘后得
到矩阵Q，再对矩阵Q进行规格化后就得到
了故障判断矩阵P，即
P  g D  G   g Q 
• 其中 g () 代表规格化处理
三、基于网基结构矩阵的定位算法
• 如果矩阵D中的元素 dmj , d nj ,, dkj 为1（表
示节点 m, n, , k 与节点 j 相邻）；
• 矩阵G中的元素 g jj  1 即节点 j 无故障；
• 并且对应的矩阵G中的元素 g mm , g nn , , g kk
至少有两个为0（表示有两个以上与节点 j
相邻的节点有故障信息）；
• 则节点j一定不是构成故障区段的节点 ；
• 必须对矩阵Q进行规格化处理，也就是将矩
阵Q中第j行和第j列的元素全置为0。
三、基于网基结构矩阵的定位算法
• 如果故障判断矩阵P中的元素 pij XORp ji  1
（XOR表示异或），则故障发生在馈线上
的第i节点和第j节点之间的区段，
三、基于网基结构矩阵的定位算法
• 例6-1 分析图6-9所示的一个较复杂的配电
网络故障区段判定方法。
5
1
2
3
6
f2
4
f1
7
8
断路器
分段开关
馈线末梢
图6-9一个较复杂的配电网
三、基于网基结构矩阵的定位算法
• 网形结构矩阵C
• 若节点i和节点j之间存在一条馈线且该馈线
的正方向是由节点i指向节点j ，则对应的网
形结构矩阵C中的元素cij=1 ，而 cji=0
• 故障信息矩阵G
• 若第i节点存在故障电流，则该节点对应的
对角元素gii=1，反之gii=0。
• 故障区间判断矩阵P P  C  G
三、基于网基结构矩阵的定位算法
故障区段定位判据
• 1） pii=1 ；
• 2）对所有的pij=1 （i不等于j），都有pjj=0
。
• 3）末梢情况：若pii=1，对于所有pij （i不等
于j），都有pij=0 。
三、基于网基结构矩阵的定位算法
• 例6-2 分析图6-10所示的典型单电源配电网故障
区段定位判断方法（含同时有2个故障情况）。
1
f3
4
2
f2
3
f1
5
断路器
分段开关
馈线末梢
图6-10 典型的单电源配电网简化模型
工程实例介绍
• 利用简单、成本低廉的通信手段将故障指示器所
采集到的故障信息通过其附近的FTU上传到配电
网自动化系统的主站，将可实现故障区段的更精
确定位，从而进一步提高配电网馈线自动化水平
。
GPRS网络
…
故障指示器
故障采集器
FTU
主站