電纜網(wǎng)饋線自動化規(guī)劃與實用性方案研究

黃 偉，黃春艷，韓利群，何 通，張勇軍，江浩俠

（1.華南理工大學(xué)，廣東廣州 510640；2.廣東電網(wǎng)有限責任公司佛山供電局，廣東佛山 528000；

3.廣州市奔流電力科技有限公司，廣東廣州 510640）

0 引言

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，日益龐大的電網(wǎng)規(guī)模對配電網(wǎng)的運維管理提出了更高的要求。與此同時，電力用戶對電能質(zhì)量和供電可靠性的要求越來越高。而實施配電自動化在國內(nèi)外已逐步成為提高網(wǎng)絡(luò)運行水平和管理水平、不間斷提供優(yōu)質(zhì)電能的重要手段[1-3]。

饋線自動化（feeder automation，簡稱為FA）是配電自動化的重要組成部分，其主要作用是監(jiān)測配電線路的運行狀況，實現(xiàn)配電線路的故障定位、故障隔離和恢復(fù)非故障區(qū)域供電。目前國內(nèi)外普遍采用的饋線自動化大致可歸類為2種方案3種基本模式：一種方案是通過智能開關(guān)設(shè)備之間相互配合來實現(xiàn)，即就地控制型模式；另一種方案是通過計算機、通信網(wǎng)絡(luò)和自動化遠方終端設(shè)備實現(xiàn)，按需求功能不同可分為實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)實時監(jiān)測的運行監(jiān)測型和實現(xiàn)遠方遙控的集中控制型2種模式[4-8]。

目前我國架空線發(fā)生的主要是瞬時故障，可通過饋線出口斷路器一次重合閘消除，因而架空線饋線自動化通常采用第一種方案就地控制型模式；而電纜線主要發(fā)生的是永久性故障，出于人身和設(shè)備安全考慮，一般不建議對電纜進行重合閘，因此電纜線饋線自動化主要采用第二種方案的2種模式[7-8]。架空線饋線自動化通常采用重合器與分段器配合的配置方案，具有設(shè)備配置簡單、隔離故障成功率高的優(yōu)點，但同時具有局部故障會導(dǎo)致全線停電、隔離故障需要多次重合對系統(tǒng)造成多次沖擊等缺點[9-11]。電纜網(wǎng)應(yīng)用較多的運行監(jiān)測型和集中控制型饋線自動化也各有缺點，前者不具備實時故障處理功能，后者依賴于通信信道、投資費用高、建設(shè)難度較大、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性差等。目前就地控制型饋線自動化較少應(yīng)用在電纜網(wǎng)，雖然有文獻從工程實踐方面證明在電纜網(wǎng)采用與架空線一致的重合器與分段器配合的自動化模式是可行的[12]，但同樣無法回避上文提到的缺點。

經(jīng)過多年的實踐和總結(jié)，架空線饋線自動化已形成一種有效避免傳統(tǒng)缺點的改進方案，并取得較為成功的應(yīng)用和推廣[13]，但如何在電纜網(wǎng)開展饋線自動化規(guī)劃與建設(shè)，目前還未有一個實際可行、易于推廣、公認的好方法。目前城市配電網(wǎng)正在向電纜化發(fā)展，大中城市的電纜化率不斷提高，而在負荷上升發(fā)展的現(xiàn)階段，配電網(wǎng)還處于經(jīng)常性的建設(shè)和改造當中，網(wǎng)架變化較快，因此探討一種可適應(yīng)電纜網(wǎng)不同階段自動化需求、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性高、具有長遠發(fā)展?jié)摿Φ酿伨€自動化方案顯得尤為必要。

為解決上述需求，本文通過梳理饋線自動化規(guī)劃的主要內(nèi)容，以提出的電纜網(wǎng)網(wǎng)架優(yōu)化方案為基礎(chǔ)，相應(yīng)的提出了以智能斷路器柜為核心設(shè)備的電纜網(wǎng)饋線自動化方案。

1 饋線自動化規(guī)劃的原則和思路

結(jié)合國內(nèi)兩大電網(wǎng)公司（國家電網(wǎng)公司和中國南方電網(wǎng)有限責任公司）出臺的關(guān)于配電自動化的相關(guān)導(dǎo)則，總結(jié)歸納饋線自動化規(guī)劃的原則和思路要點如下：

（1）饋線自動化應(yīng)根據(jù)本地區(qū)配電網(wǎng)現(xiàn)狀及發(fā)展需求分階段、分步驟實施；

（2）饋線自動化規(guī)劃與建設(shè)宜結(jié)合配電網(wǎng)一次系統(tǒng)規(guī)劃與建設(shè)，在進行一次系統(tǒng)的新建及改造時，應(yīng)考慮實施饋線自動化的需要；

（3）饋線自動化規(guī)劃應(yīng)結(jié)合地區(qū)配電網(wǎng)規(guī)模及應(yīng)用需求，綜合考慮建設(shè)區(qū)域一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及設(shè)備狀況，合理選擇饋線自動化實現(xiàn)方式，包括建設(shè)模式和通信方式等；

（4）饋線自動化規(guī)劃應(yīng)按照設(shè)備全壽命周期管理要求充分利用已有設(shè)備資源，結(jié)合一次設(shè)備的建設(shè)與改造逐步實施，避免對一次系統(tǒng)進行大規(guī)模的提前改造。

2 饋線自動化規(guī)劃的主要內(nèi)容和步驟

2.1 網(wǎng)架優(yōu)化是饋線自動化的前提和基礎(chǔ)

堅實可靠的配電網(wǎng)絡(luò)是實施配電自動化的前提和基礎(chǔ)。

在城市配電線路由架空線路向地埋電纜過渡的初期，由于網(wǎng)架的構(gòu)建缺乏規(guī)范性的指導(dǎo)，導(dǎo)致現(xiàn)狀城市電纜網(wǎng)結(jié)構(gòu)普遍較為復(fù)雜，存在層次不清、聯(lián)絡(luò)混亂等問題。復(fù)雜多變的配電網(wǎng)絡(luò)不僅給實際調(diào)度運行操作帶來一定的難度，也不利于饋線自動化的實施。因此，在對電纜網(wǎng)規(guī)劃實施饋線自動化之前，應(yīng)優(yōu)先做好電纜網(wǎng)一次網(wǎng)架的優(yōu)化和建設(shè)。

2.2 建設(shè)模式選取

不同的饋線自動化模式的實施作用、實現(xiàn)方式、通信要求等都有所不同，3種基本建設(shè)模式比較結(jié)果如表1所示。

表1 建設(shè)模式比較

由于運行監(jiān)測型不具備實時故障處理功能，集中控制型需對一次設(shè)備進行較大規(guī)模的改造建設(shè)且對通信方式要求高，在現(xiàn)狀光纜通道普遍匱乏的情況下，可考慮在電纜網(wǎng)開展就地控制型饋線自動化。同時鑒于3種基本模式各有優(yōu)缺點，單一模式難以適應(yīng)現(xiàn)狀復(fù)雜多變的配電網(wǎng)及其未來的發(fā)展需求，可考慮采用混合模式進行規(guī)劃建設(shè)。

2.3 通信方式選取

目前在配電自動化中可供使用、選擇的通信方式有光纖通信、中壓電力載波、無線通信（專網(wǎng)、公網(wǎng)）等多種方式，其中技術(shù)較為成熟、應(yīng)用相對廣泛的主要是光纖通信和無線公網(wǎng)這兩種，它們的技術(shù)比較結(jié)果如表2所示。

表2 通信方式比較

結(jié)合建設(shè)模式和通信方式的比較結(jié)果，對不同自動化模式采用通信方式的選取建議如表3所示。

表3 通信方式選取建議

2.4 開關(guān)自動化改造

實施自動化，需根據(jù)要實現(xiàn)的自動化功能對開關(guān)設(shè)備進行相應(yīng)的自動化改造，對不具備改造條件的結(jié)合開關(guān)運行年限進行更換，暫不符合更換條件的可配置帶通信功能的故障指示器。

開關(guān)自動化改造應(yīng)與一次網(wǎng)架建設(shè)相配合，并符合自動化規(guī)劃的發(fā)展方向。對于新建線路的一次設(shè)備，應(yīng)同步配置與規(guī)劃相應(yīng)的自動化功能；對于原有線路的一次設(shè)備，應(yīng)結(jié)合相關(guān)的改造工程和大修技改項目，將符合改造更換條件的開關(guān)按規(guī)劃實現(xiàn)的自動化功能進行配置。

3 規(guī)劃案例

下文以南方某地區(qū)電纜網(wǎng)的饋線自動化規(guī)劃方案作為案例參考。

3.1 案例背景

該地區(qū)現(xiàn)狀電纜網(wǎng)同樣存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，尤其是在舊城區(qū)，有的環(huán)網(wǎng)線路組涉及線路多達6、7回。同時隨著電纜化率的不斷提高，電纜線路故障率增長態(tài)勢比較明顯，且電纜線路超過80%的故障發(fā)生在分支線。地區(qū)現(xiàn)狀光纖通道匱乏。

3.2 電纜線路網(wǎng)架優(yōu)化規(guī)劃方案

為了梳理好線路主干線、分支線網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系，地區(qū)供電局出臺相關(guān)技術(shù)規(guī)范，規(guī)定了電纜線路組網(wǎng)原則：電纜網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)原則上分兩層，第一層為干線上的配電站（或開關(guān)站、環(huán)網(wǎng)箱），即“主干配”；第二層為主干配引出的配電設(shè)施。其中與線路結(jié)構(gòu)相關(guān)的規(guī)定有：

（1）每一條主環(huán)線路上主干配的個數(shù)以5個及以下為宜。

（2）主干配優(yōu)先考慮建設(shè)配電站（開關(guān)站），盡量少使用電纜分支箱。箱變不應(yīng)接入主環(huán)網(wǎng)。

（3）主干配應(yīng)根據(jù)負荷的分布情況和線路長度綜合設(shè)置，每一主干配的饋出裝見容量不宜小于2 500 kVA。

（4）環(huán)網(wǎng)線路組裝接容量應(yīng)根據(jù)負荷性質(zhì)加以控制，其供電容量按“N-1”原則校核。

（5）支線從主環(huán)主干配饋出，若構(gòu)成支環(huán)原則上要求在同一段母線進行自環(huán)，支環(huán)的實供負荷不宜大于3 000 kW，裝見總?cè)萘坎灰顺^5 000 kVA。

圖1給出了電纜網(wǎng)主干配結(jié)構(gòu)示意圖。

按上述要求規(guī)范和簡化電纜網(wǎng)結(jié)線，層次清晰、結(jié)構(gòu)簡單，可提高供電可靠性，有利于配網(wǎng)安全運行及饋線自動化實施。

3.3 電纜網(wǎng)饋線自動化規(guī)劃方案

在電纜網(wǎng)主干配接線模式的基礎(chǔ)上，提出的饋線自動化配置方案如下：

（1）“主干配”配電站（開關(guān)站）

1）主干線“主干配”節(jié)點，在主干線出線柜處配置電纜型故障指示器。

2）分支線采用智能分界斷路器柜成套設(shè)備，暫不具備更換改造的分支線柜可配置電纜型故障指示器。

3）主進出線柜按斷路器柜選型，初期暫不配置控制單元，但預(yù)留相應(yīng)接口和安裝位置。

4）自動化建設(shè)結(jié)合配網(wǎng)基建工程：對于新建“主干配”配電站（開關(guān)站）按照以上原則進行配置；對現(xiàn)有“主干配”配電站（開關(guān)站）應(yīng)結(jié)合配網(wǎng)改造項目，按照以上原則進行配置。

（2）支環(huán)配電站

支環(huán)上配電站可在出線柜配置具備通信功能的電纜型故障指示器。

圖1 電纜網(wǎng)主干配結(jié)構(gòu)示意圖

（3）用戶分界點

用戶分界點裝設(shè)具有快速保護功能的斷路器型開關(guān)設(shè)備。

鑒于地區(qū)電纜線路故障有80%以上是發(fā)生在分支線上，考慮投資效益最大化原則，初期的電纜網(wǎng)饋線自動化規(guī)劃以“故障指示器+分支線分界斷路器”的配置方式實施就地控制型饋線自動化。

圖2給出了該地區(qū)電纜網(wǎng)饋線自動化最終配置方案示意圖。圖2中，CB為變電站饋線斷路器，K為主進出線斷路器（初期可暫不配置控制單元），ZB為分支線智能分界斷路器，LS為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，YB為用戶分界開關(guān)，F(xiàn)I為故障指示器。

CB、ZB、YB之間通過設(shè)置不同的保護動作延時時間來實現(xiàn)保護配合，動作延時時間滿足：

式中，TCB為CB保護動作時間，TZB為CB保護動作時間，TYB為YB保護動作時間，T為斷路器保護配置的最小時間級差。

3.4 通信方式選擇

實施就地控制型饋線自動化，無需通信手段即可實現(xiàn)故障的迅速隔離；若配合通信手段可實時監(jiān)控各開關(guān)的狀態(tài)，開關(guān)動作時向后臺發(fā)送故障信號，實現(xiàn)故障的快速定位，同時可實時采集監(jiān)視饋線潮流和開關(guān)運行信息。因此，初期可采用無線公網(wǎng)通信方式，遠期隨光纜通道的不斷覆蓋再升級為光纖通信方式。

3.5 設(shè)備選擇

（1）故障指示器

要求具備通信終端的“二遙”電纜型故障指示器，具備短路和接地故障檢測功能。

（2）智能斷路器

安裝在“主干配”配電站（開關(guān)站）的智能斷路器柜，采用模塊化設(shè)計的成套開關(guān)柜。設(shè)備具有靈活性，可方便地按需要配置和升級，支持多種通信方式。另外，采用成套設(shè)備可以避免二次接線，降低工程難度，減少維護工作量，提高開關(guān)設(shè)備的可靠性。

圖2 電纜網(wǎng)饋線自動化最終配置方案

智能斷路器柜與智能負荷開關(guān)柜相比有如下優(yōu)勢：

（1）若采用智能負荷開關(guān)柜，無論采用哪種饋線自動化模式，線路局部故障都會造成饋線全線停電；智能斷路器具備切除故障電流能力，可以避免因局部故障造成的全線停電。

（2）通常同一回饋線上的開關(guān)設(shè)備投運年限不一、型號差異較大，若采用智能負荷開關(guān)柜實現(xiàn)就地控制功能，需要多臺開關(guān)相互配合實現(xiàn)，應(yīng)1組饋線同時進行改造更換，由此會導(dǎo)致相當一部分不具備改造條件而運行年限又較低的設(shè)備面臨更換；智能斷路器投入后只要做好保護配合即可獨立發(fā)揮故障自動隔離功能，可以結(jié)合一次網(wǎng)架建設(shè)工程單個網(wǎng)點逐步建設(shè)，由此避免了開關(guān)設(shè)備因?qū)嵤┳詣踊M行大規(guī)模更換。

3.6 建設(shè)模式的升級及故障處理策略

遠期隨著網(wǎng)架結(jié)構(gòu)向主干配接線模式完善、主干配節(jié)點開關(guān)的逐步更換以及區(qū)域光纜通道的不斷完善，在條件成熟時配置光纖通信方式，即可實現(xiàn)就地控制型饋線自動化向集中控制型自動化的平滑過渡。

（1）初期電纜網(wǎng)饋線自動化

饋線自動化方案：配置“故障指示器+分支線分界斷路器”，采用無線通信方式，實施“運行監(jiān)測型+就地控制型”混合模式。

故障處理策略：若為主干線故障，CB跳閘，需要根據(jù)故障指示器上傳信號定位故障區(qū)域后，人工現(xiàn)場隔離故障段和恢復(fù)非故障段供電；若為分支線故障，ZB先于CB動作，故障分支線自動切除；若為用戶故障，則YB直接跳閘，防止用戶故障出門。

（2）遠期電纜網(wǎng)饋線自動化

饋線自動化方案：配置“故障指示器+主干配智能斷路器”（即圖2所示方案），配置光纖通信方式，實施“集中控制型+就地控制型”混合模式。

故障處理策略：若為主干線故障，相鄰的K通過相互通信定位故障區(qū)間后自動跳閘隔離故障段，由主站發(fā)出操作命令遙控備用線路聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘，恢復(fù)故障區(qū)域下游供電；若為分支線故障，ZB先于CB動作，故障分支線自動切除，然后主站根據(jù)上報故障信息定位故障區(qū)域，發(fā)出操作命令遙控斷開故障點電源側(cè)開關(guān)并閉合分支線分界斷路器，切除故障區(qū)域并恢復(fù)分支線故障區(qū)域上游供電；若為用戶故障，則YB直接跳閘，防止用戶故障出門。

3.7 規(guī)劃方案的優(yōu)越性

案例中的電纜網(wǎng)饋線自動化方案的優(yōu)越性如下。

（1）持續(xù)建設(shè)。規(guī)范了電纜線路網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，并規(guī)劃在其基礎(chǔ)上實施饋線自動化，饋線自動化建設(shè)與一次網(wǎng)架建設(shè)的發(fā)展趨勢保持一致，避免了網(wǎng)架變化造成的重復(fù)建設(shè)和浪費。

（2）經(jīng)濟實用。采用智能斷路器柜實施就地控制型自動化，即可實現(xiàn)故障快速隔離，又避免了光纜通道建設(shè)的高額投資；初期先考慮在故障占比超過80%的分支線設(shè)置分界斷路器，符合投資效益最大化原則。

（3）建設(shè)靈活。方案采用智能斷路器為核心設(shè)備實施饋線自動化，初期實施就地控制模式，采用無線公網(wǎng)通信，因此只要線路主干與分支結(jié)構(gòu)清晰、監(jiān)測網(wǎng)點具備條件，自動化建設(shè)視網(wǎng)架和設(shè)備情況甚至可以按點實施。

（4）便于升級。由于采用的智能斷路器柜成套設(shè)備可方便地按需要配置和升級，支持多種通信方式，未來只要光纖通信條件成熟，即可由就地控制型饋線自動化順利升級為集中控制型饋線自動化，而無需再對開關(guān)設(shè)備進行較大的改造或更換。

4 結(jié)論

饋線自動化規(guī)劃需與地區(qū)配電網(wǎng)現(xiàn)狀特點相結(jié)合，單一饋線自動化模式各有優(yōu)缺點，可考慮采用混合模式進行優(yōu)化，實現(xiàn)投資效益最大化。

本文所提出的電纜網(wǎng)饋線自動化規(guī)劃方案，是在優(yōu)化的電纜網(wǎng)網(wǎng)架方案上實施以智能斷路器柜為核心設(shè)備的饋線自動化，因此饋線自動化建設(shè)與一次網(wǎng)架的發(fā)展趨勢相一致；再加上智能斷路器具備獨立的故障自動隔離功能、滿足高層次自動化水平功能要求等優(yōu)勢，使得方案具有實用性、靈活性、可持續(xù)性。

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