基于智能設(shè)備的實時停電監(jiān)測與保護技術(shù)研究?

李 慧 陳少梁 陳愷妍 李韞莛

（廣州供電局有限公司 廣州 518000）

1 引言

近年來，隨著信息技術(shù)、數(shù)字化、自動化等技術(shù)的發(fā)展，智能電網(wǎng)技術(shù)日漸成熟，傳統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)慢慢被取代。一方面，智能電網(wǎng)的應(yīng)用對供電的效率提出更高的要求，另一方面，人們對供電質(zhì)量要求也越來越高，突然的停電會帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟和社會影響，因此，提高供電可靠性，不僅是廣大客戶的需要，也是電力企業(yè)提高企業(yè)效益的需要［1～3］。

電力網(wǎng)絡(luò)供電可靠性要求，盡量減少電力網(wǎng)絡(luò)停電，造成不必要的損失。停電的原因有很多，包括發(fā)電站故障、輸電線路損壞、變電站或配電系統(tǒng)的其他部分、短路或電力超載等。有數(shù)據(jù)顯示，95%的停電是配電網(wǎng)的故障造成的［4］。

智能配電網(wǎng)是直接面向用戶的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在智能電網(wǎng)中控制著供電功能，是智能電網(wǎng)的重要組成部分。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，分布式用戶對故障電流的振幅、方向、分布和自動重合閘的作用影響很大。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)故障定位、保護方法將不適用。為了克服這一局限性，使智能配電網(wǎng)更加完善和廣泛應(yīng)用，必須對故障監(jiān)測和控制方法進行重新設(shè)計。智能電網(wǎng)通過智能設(shè)備（IED，文中以下部分將使用簡稱）強化信息交換，在用戶單元之間及用戶單元與站臺之間實現(xiàn)交互，實現(xiàn)運行狀態(tài)和故障狀態(tài)的實時監(jiān)控功能，并具有數(shù)據(jù)處理和計算、故障的確定和處理、故障隔離、負載重定向等控制能力［5～6］。

本文首先介紹智能配電網(wǎng)中的組成設(shè)計，以及智能設(shè)備在智能配電網(wǎng)中的應(yīng)用，并詳細說明智能設(shè)備的布置及作用，在此基礎(chǔ)上，提出斷電保護策略，完善智能配電網(wǎng)的設(shè)計。

2 智能設(shè)備在智能配電網(wǎng)中的停電監(jiān)測設(shè)計

根據(jù)智能電網(wǎng)的要求，智能配電網(wǎng)主要由變電站、開關(guān)站、環(huán)形主機組、極點安裝開關(guān)、微電網(wǎng)（MG）、分布式發(fā)電裝置（DG）、饋線，智能設(shè)備及全球定位系統(tǒng)（GPS）等組成。智能配電網(wǎng)采用ADA系統(tǒng)，由先進的配送操作（ADO）和先進的配送管理組成。ADO實現(xiàn)了配電監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（DSCADA）、饋線自動化（FA）、無功控制、DG 調(diào)度等功能。ADM以地理圖像為背景信息獲得數(shù)據(jù)輸入、編輯和網(wǎng)絡(luò)拓撲數(shù)據(jù)［7］。

在該智能配電網(wǎng)設(shè)計過程中，每一個負載中都內(nèi)置了智能設(shè)備，從而可以檢測和避免每個負載中的電源需求和功率缺失。并且如果在任何負載發(fā)生電力缺失，相應(yīng)智能設(shè)備進行保護和故障隔離，從而智能配電網(wǎng)系統(tǒng)的其他負載仍然不受影響。

如圖1所示，智能設(shè)備及子站通過光以太網(wǎng)連接到分布式控制系統(tǒng)。通過智能設(shè)備將操作命令發(fā)送到交換機，ADO系統(tǒng)實現(xiàn)了故障定位、隔離和電源恢復(fù)。智能設(shè)備以兩種形式發(fā)送命令信號。包括變電站、傳輸極和負載在內(nèi)的組件從自己的服務(wù)器發(fā)送和接收信號，并通過主服務(wù)器與其他服務(wù)器進行互連［8］，所有的發(fā)電站都連接起來監(jiān)視其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。服務(wù)器從智能設(shè)備得到故障信號，并通過與智能設(shè)備相連的GPS定位位置。故障分離在延遲時間內(nèi)自動工作，或者需要一些手動操作來糾正故障或更換設(shè)備，通過智能配電網(wǎng)恢復(fù)正常的連續(xù)供應(yīng)。

圖1 智能設(shè)備在智能配電網(wǎng)中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖

智能設(shè)備的主要作用是狀態(tài)監(jiān)測、故障檢測、故障定位、故障診斷、信息交互和開關(guān)控制［9～12］。通過檢測饋線的電壓損耗、過電流、瞬態(tài)電流和電壓，檢測故障的位置，并操作各自的開關(guān)，隔離故障，恢復(fù)供電。如圖2所示，為智能配電網(wǎng)中智能設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 智能設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

與傳統(tǒng)的FTU相比，智能配電網(wǎng)中的智能設(shè)備具有以下特性：

1）智能設(shè)備實現(xiàn)完全信息交互。分布式控制網(wǎng)絡(luò)由光纖以太網(wǎng)連接，并輔以微波和電力線載波。在一個智能設(shè)備之間及智能設(shè)備與主站之間實現(xiàn)完全信息交互。交互的信息內(nèi)容不僅包括節(jié)點電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率、諧波、電壓波動、電壓閃變、開關(guān)位置信號、斷路器故障信號、所有更多的非限制信號、重合閘和故障記錄信號，還有保護和故障隔離輸出信號、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和故障診斷、決策信號等。通過這種廣泛的信息交互作用，智能設(shè)備可以提高保護動作的速度和故障定位精度，避免保護繼電器的誤操作。

2）實現(xiàn)分布式控制。智能設(shè)備執(zhí)行保護跳閘、故障定位、功率恢復(fù)和故障分析決策等一系列動作?？刂浦鳈C的遠程調(diào)制順序起備份作用。這不僅改善了實時監(jiān)控，而且提高了配電網(wǎng)絡(luò)的可靠性，避免了控制主機故障導(dǎo)致的整個網(wǎng)絡(luò)的控制故障。

3）自我修復(fù)功能。由于智能設(shè)備具有分析功能，為自我修復(fù)功能奠定了基礎(chǔ)。并且通過相鄰的智能設(shè)備監(jiān)測掉線的故障設(shè)備。當(dāng)整個配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，智能設(shè)備可以自動隔離故障區(qū)域，恢復(fù)無故障區(qū)域的供電，實現(xiàn)配電網(wǎng)的自我修復(fù)功能。同時，該智能設(shè)備可以診斷局部節(jié)點的設(shè)備。利用饋線和設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，檢測出薄弱環(huán)節(jié)或可能的故障環(huán)節(jié)，及時報警，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施進行連接［13］。

3 保護及控制策略

3.1 繼電保護策略

在智能配電網(wǎng)中光以太網(wǎng)和智能設(shè)備，采用電流差動保護法作為繼電保護算法，具有操作簡單，可靠性好，能快速保護和免受電力系統(tǒng)干擾等優(yōu)點。但對于高阻抗故障，此算法將失效。由于這種方法需要大量的信息傳輸，所以當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)擁塞時，保護時間會過長。因此，很難滿足配電網(wǎng)保護的實時性要求。為了克服傳統(tǒng)電流瞬時跳閘保護無法保護整條線路的缺點，提出了方向電流保護算法。這種保護算法僅當(dāng)保護方向與下行保護方向相反時才會起作用。因此，保護具有選擇性。當(dāng)輸入電壓接近零或非常小的相位故障時，這種保護不起作用，稱為“截止電壓”。當(dāng)通信過程受到某種方式的干擾時，智能設(shè)備接收到的下行電流的方向可能與實際電流方向相反，本地保護的操作可能會失敗。因此，主保護選擇電流差動保護和方向電流保護，提高保護可靠性。最后的保護輸出是通過執(zhí)行“或”操作獲得的。通信網(wǎng)絡(luò)故障時，選擇過流保護作為常規(guī)的電流跳閘保護。

圖3 智能配電網(wǎng)保護圖

方向電流保護過程如下：從總線到饋線的方向被認為是正向方向，從饋線到總線的方向被認為是負方向的。如圖3所示，當(dāng)BC段中K1發(fā)生停電故障時，IED2和IED2都能感覺到故障電流，但其電流方向為正方向，因此下行IED2將通過通信網(wǎng)絡(luò)鎖定上行IED1，保護IED1不運行。如果DG容量較小，IED3不會感覺到故障電流，也不會感覺到IED2的阻塞信號。IED2起保護作用。如果DG容量大，IED3能感覺到故障電流，但感覺故障電流的方向為負。IED3不會將阻塞信號發(fā)送到IED2。所以保護IED2起保護作用。因此，只有當(dāng)智能配電網(wǎng)分布式電源相鄰饋線或本地饋線出現(xiàn)故障時，方向電流保護算法才能成功運行［14～16］。

電流差動保護過程如下：如圖3所示，當(dāng)BC段故障的K1時，IED1中的電流與通信網(wǎng)絡(luò)中IED2電流及L1電流總和相比。如果電流的差異不超過指定值，IED2起保護作用。當(dāng)前其他保護的差異都不超過指定值，則不起作用。

當(dāng)保護系統(tǒng)起作用后，經(jīng)過一段時間的延遲。然后各自子系統(tǒng)保護開始，并且各自開關(guān)被關(guān)閉。如果IED沒有診斷故障，故障類型為瞬態(tài)故障，配電網(wǎng)恢復(fù)正常運行。如果IED仍在診斷故障，則故障類型為永久性故障。各自子系統(tǒng)保護行動重新開啟，相應(yīng)的斷路器也將打開。

在保護動作后，通過通信網(wǎng)絡(luò)，相應(yīng)的IED通知下行分布式網(wǎng)絡(luò)，上游分布式電源將留在網(wǎng)絡(luò)中。例如，當(dāng)DE段K2發(fā)生故障時，IED4將遠程控制命令發(fā)送到DG1，以便從網(wǎng)絡(luò)退出，因為它是一個上游分布式電源，并且不會將遠程控制命令發(fā)送到IED6，DG1仍然有效。

3.2 故障隔離與恢復(fù)供電

如圖3所示，當(dāng)連接到線性系統(tǒng)的BC段中K1發(fā)生永久故障，IED2打開并鎖定斷路器2。同時，IED2將打開和鎖定命令發(fā)送到IED3和斷路器3，并被打開及鎖定，從而實現(xiàn)了故障隔離。由于DE段是非故障區(qū)域，因此需要恢復(fù)電源。IED5和IED7-9將向電力系統(tǒng)端的IED10發(fā)送恢復(fù)電源命令。IED10關(guān)閉環(huán)路交換機10，DE段由新的電源系統(tǒng)2提供。但是，當(dāng)產(chǎn)系統(tǒng)1中發(fā)生永久故障時，電源的連續(xù)性就會中斷。因此，智能配電網(wǎng)連接在環(huán)路主配電系統(tǒng)中，系統(tǒng)2和系統(tǒng)3將保證電源的連續(xù)性，以防發(fā)電系統(tǒng)1發(fā)生永久故障。例如，當(dāng)系統(tǒng)1發(fā)生故障時，IED1-3將恢復(fù)電源命令發(fā)送到 IED4，因此 IED4將關(guān)閉環(huán)路開關(guān)，IED1-3由系統(tǒng)2配置。同時IED14和IED15將恢復(fù)電源命令發(fā)送到IED13，以便關(guān)閉環(huán)路交換機1，IED14-15從系統(tǒng)3供電。當(dāng)DE段中的K2發(fā)生故障，IED7和IED8預(yù)測故障點位于節(jié)點7和節(jié)點8之間，但節(jié)點7和節(jié)點8中的開關(guān)無法切斷故障電流。IED7將直接跳轉(zhuǎn)命令發(fā)送到IED5，IED5打開斷路器5。如果IED7檢測饋線中沒有電壓，則打開節(jié)開關(guān)7。在延遲時間段后，斷路器5重新被關(guān)閉。然后，節(jié)開關(guān)7也關(guān)閉。如果檢測到的故障是瞬態(tài)類型，則配電網(wǎng)恢復(fù)工作。如果檢測到的故障是永久性類型，IED7再次監(jiān)測到故障電流，并將直接跳轉(zhuǎn)命令發(fā)送到IED5。斷路器5重新被打開。節(jié)點5及節(jié)點7之間工作段恢復(fù)供電。同時，IED8將恢復(fù)電源命令發(fā)送到IED10，環(huán)路交換機10被關(guān)閉，并從系統(tǒng)3供電。節(jié)點8及節(jié)點10之間工作段恢復(fù)供電。

3.3 故障隔離后續(xù)保護

當(dāng)BC段中K1發(fā)生故障，斷路器2和斷路3隔離故障部分和DE部分是由電力系統(tǒng)2供電。對于具有更多電源和更多分支的配電網(wǎng)，饋線和電源容量的負載水平、負載量、容限電流容量必須整體考慮。通過不同智能設(shè)備的交互信息，構(gòu)建新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［17］。

在網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)后，智能設(shè)備之間的關(guān)系發(fā)生了變化。例如，當(dāng)BC段中的K1發(fā)生故障，在網(wǎng)絡(luò)重新配置之前，節(jié)點5是節(jié)點7的上行節(jié)點，節(jié)點7是節(jié)點8的上行節(jié)點。在網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)后，節(jié)點5是節(jié)點7的下行節(jié)點，節(jié)點7是節(jié)點8的下行節(jié)點。在方向電流保護中，下游節(jié)點檢測故障電流鎖定上有節(jié)點進行保護的方案必須修改。修改后的方案是節(jié)點5鎖定節(jié)點7，節(jié)點7鎖定節(jié)點8，從而實現(xiàn)了保護復(fù)位。

4 結(jié)語

高效穩(wěn)定地供電是智能電網(wǎng)的重要要求。配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)中的重要環(huán)節(jié)，直接實現(xiàn)向用戶供電，配電網(wǎng)故障是停電的首要原因。

圖4 智能配電網(wǎng)停電監(jiān)測圖

如圖4所示，本文提出一種在配電系統(tǒng)中采用智能設(shè)備進行停電監(jiān)測及故障診斷的應(yīng)用結(jié)構(gòu)，并提出相應(yīng)的停電保護。經(jīng)過測試證明，所提方案有力提升了配電網(wǎng)管理水平，為提高用戶供電可靠性提供了有效的支撐，具有很大的推廣應(yīng)用價值。