配電網(wǎng)架空及電纜線路故障自動化定位技術改造

國網(wǎng)江蘇省電力有限公司鎮(zhèn)江供電分公司 笪 濤 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司句容市供電分公司 劉小荷

1 引言

配電系統(tǒng)主要是由輸電線路、電力網(wǎng)、一部分發(fā)電站接收電力，通過相關配電設施與電力用戶形成互連，同時向用戶分配電力的電力網(wǎng)絡。根據(jù)配電線路布置方式可分為配電網(wǎng)架空線路和配電網(wǎng)電纜線路，配電系統(tǒng)的構(gòu)成主要是變電站、高壓配電線路、變壓器、低壓配電線路及保護自動化裝置等。配電線路在布置結(jié)構(gòu)上分為架空線和地下線，通常在大城市、觀光區(qū)、人口多的居民區(qū)等用地下電纜配置。在一些偏僻的室外、山間、農(nóng)村等地通常采用架空線的配置。

配電自動化主要基于電源電子、通訊、計算機等相關技術，實現(xiàn)配電自動化系統(tǒng)的實時監(jiān)控、配電管理等。當前，一些用電單位對電力的供給的要求越來越高，如果出現(xiàn)突發(fā)性的失電，將直接給用電單位帶來不同程度的影響[1]。因此，配電網(wǎng)的架空、電纜線路的故障自動化定位技術進行改造，對提高配電網(wǎng)的自動化管理水平和為廣大用電單位提供優(yōu)質(zhì)可靠供的電能有著非常重要的意義。

2 配電自動化系統(tǒng)組成

目前，配電自動化技術廣泛用于城市和農(nóng)村地區(qū)的輸電網(wǎng)絡建設，配電網(wǎng)自動化主要以網(wǎng)絡通信為載體。當前網(wǎng)絡通信還是以光纖通信為主，實現(xiàn)電源終端高速、高效率、高可靠性的自動化功能[2]。配電自動化系統(tǒng)是集實時監(jiān)視、協(xié)調(diào)控制和操作配電設備為一體的自動化系統(tǒng)，同時結(jié)合配電網(wǎng)數(shù)據(jù)收集和監(jiān)視系統(tǒng)、配電地理信息系統(tǒng)和需求側(cè)管理系統(tǒng)等構(gòu)建成完整的配電管理系統(tǒng)。配電自動化系統(tǒng)主要由主站、遠程終端、網(wǎng)絡通信系統(tǒng)等構(gòu)成，主站和終端以光纖環(huán)路網(wǎng)絡（SDH/MSTP）、無線3G/SPRS 公網(wǎng)等方式實現(xiàn)通信。

2.1 主站

如圖1所示，配電自動化主站系統(tǒng)基于三個子系統(tǒng)搭建而成。其中，主站具備配電網(wǎng)系統(tǒng)全面監(jiān)控和實時管理的功能，實現(xiàn)了配電網(wǎng)信息的收集、處理、存儲、綜合分析與計算、決策等功能，除此之外還與地理信息系統(tǒng)GIS、MIS、調(diào)度等系統(tǒng)進行了信息相互共享。

圖1 配電自動化主站系統(tǒng)

2.2 終端裝置

2.2.1 配電網(wǎng)架空線路自動化終端裝置

該裝置的主要功能是實時對配電網(wǎng)10kV 架空線路相關元件的監(jiān)控，例如段開關、主開關等元件。根據(jù)綜合控制邏輯保護設計，可以將電源和電壓時間設置為兩種操作模式。

電源模式。在電源模式下主要架空線路三相電流和零序電流的實時采集，同時在該模式下，設置相關的保護功能用于配電網(wǎng)架空線路自動化終端裝置，如過流保護、零序保護、自動閉鎖等。

電壓時間模式。電壓時間模式下實現(xiàn)的功能如圖2所示。

圖2 電壓時間模式下的功能

2.2.2 站所終端

站所終端主要功能是對遠方實現(xiàn)開關設備的遠程測量、遠程數(shù)據(jù)收集、開關遠方分、合閘，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電源開關的故障辨別和隔離。

2.3 故障電流指示裝置

如圖3所示，常見的故障電流指示裝置其原理是在電源為信號采集裝置、故障檢測電路以及輸出電路提供持續(xù)電源后，電流、電壓信號探頭在使用信號采集裝置對采集線路電流、電壓信號進行綜合辨別，若故障檢測回路檢測到電路的電流、電壓信號達到其裝置整定值時則觸發(fā)其保護動作，最后將故障信號通過信號輸出回路發(fā)送至故障提示器上，若故障提示器自動化主站相連接，將會將其故障報告直接傳送至主站終端[3]。

圖3 故障電流指示裝置原理示意圖

故障電流指示裝置通信方式可分為以下4種：現(xiàn)場指示型（即沒有遠程傳輸功能的故障電流指示裝置）、外置信號指示型、暫態(tài)特征型和暫態(tài)錄波型。

2.3.1 現(xiàn)場指示型故障電流指示裝置

現(xiàn)場指示型故障電流指示裝置在檢測到配電線路的故障異常電流后，通過紅色閃光燈警報指示故障位置。線路電流再次恢復正?；蛞欢〞r間恢復后，故障電流指示裝置就能恢復正常工作。

2.3.2 外置信號型故障電流指示裝置

如圖4所示，外置信號型故障電流指示裝置通常需要安裝外置信號源（也稱為不對稱電流源）并配置在變電站母線或線路上[4]。在變電站母線和線路發(fā)生短路或者接地故障時，其線路的零序電壓或者三相間相電壓就會出現(xiàn)異常，外置信號型故障自動投入，同時連續(xù)發(fā)出多組工頻電流信號并交織在接地或者短路故障線路上，以增大其故障電流值，這樣有助于外置信號型故障電流指示裝置作出判斷和定位。

圖4 外置信號型故障電流指示裝置系統(tǒng)示意圖

2.3.3 暫定特征型故障電流指示裝置

暫定特征型故障電流指示裝置由采集單元、集成單元、主站三大部分組成。采集單元采用微電流取電技術，即在線電流≥10A 時，可進行自取電，在失去備用電源時，可以在5s 內(nèi)為設備正常供電。集成單元正常運行中通過太陽能電池板取電，備用電源主要采用可浮充鋰電池，這樣可以確保裝置供電可靠。

暫定特征型故障電流指示裝置通常用于為6～35kV 電壓架空配電線路對短路、接地故障的實時檢測。在線路發(fā)生短路或者接故障時，暫定特征型故障電流指示裝置檢測到故障信號其故障指示燈會發(fā)出聲光故障告警，及時提醒運行監(jiān)視人員。同時，巡檢人員可通過故障指示燈迅速發(fā)現(xiàn)故障點，以便快速出力縮短停電時間確保供電的可靠性。其故障電流指示裝置指示故障如圖5所示。

圖5 故障電流指示裝置指示故障

2.3.4 暫態(tài)錄波型故障電流指示裝置

暫態(tài)錄波型故障電流指示裝置如圖6所示，主要應用于配電網(wǎng)架空線路故障定位范疇，是集成了無線電波通信、線普通信、微電流取電、高頻低耗采樣等多種技術的配電自動化裝置[5]。該裝置解決了配電網(wǎng)架空線路的短路故障檢測、單相接地定位等障礙，同時還具備線路負荷的實時監(jiān)視功能，通過捕捉故障發(fā)生時刻的暫定波形信號，進行現(xiàn)場或主站單相接地故障。

圖6 暫態(tài)錄波型故障電流指示裝置

2.3.5 故障電流指示裝置的應用比較分析

綜上所述，基于以上4種故障電流指示裝置的工作原理各不相同其對比分析見表1。

表1 4種故障電流指示裝置工作原理對比分析表

經(jīng)過在地區(qū)配電網(wǎng)故障電流指示裝置的應用差異性，其中4種故障電流指示裝置應用效果也存在差異，如表2所示。

表2 4種故障電流指示裝置應用效果對比

2.4 配網(wǎng)通信方式

2.4.1 工業(yè)用以太網(wǎng)通信

對于AON 網(wǎng)絡采用該技術的優(yōu)點是技術先進、性能可靠、網(wǎng)絡迅速靈活、容量大、擴展方便等，適用于一些惡劣的環(huán)境應用，缺點是光纖材料的需求量和投入資金大。

2.4.2 無源光纖通信

對于PON 網(wǎng)絡采用該技術，該技術的優(yōu)點是投建費用低、帶寬網(wǎng)絡快、擴展性強、網(wǎng)絡敏捷性以及與現(xiàn)有以太網(wǎng)完全兼容等優(yōu)點。缺點是PON 網(wǎng)絡采用的模式是星形搭接，根據(jù)自身的限制影響以太環(huán)形網(wǎng)絡。因此，在建設初期，一般提前規(guī)劃各節(jié)點的通信光功率。

2.4.3 公共無線網(wǎng)絡的通信

目前，公共無線網(wǎng)絡通信主要是SPRS、CDMA、3G 等。優(yōu)點是可以減少光纜的成本。由于網(wǎng)絡靈活，所以通常是無線網(wǎng)絡覆蓋的城市。缺點是由于僅限于簡單的數(shù)據(jù)收集應用，所以還需要提高適用范圍。

3 配電自動化層級結(jié)構(gòu)及技術

根據(jù)配電系統(tǒng)的容量，可以將配電自動化系統(tǒng)分為大、中、小。選定時，可以參照對側(cè)需求、目標、后期發(fā)展規(guī)模、經(jīng)濟性、擴張性、安全穩(wěn)定性。

如圖7所示，典型的配電自動化系統(tǒng)的優(yōu)點在于系統(tǒng)的靈活性強，在建設初期可以構(gòu)建中型系統(tǒng)，并且易于安裝主站、子站和終端。如果配電系統(tǒng)需要擴增，則可以適當?shù)卦黾又髡鞠到y(tǒng)的數(shù)量?？梢曰谝粋€主站用作中心站，并且根據(jù)不同的層級結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可以擴增諸如第二層級和第三層級的層級，并且在第二層級以下需要的情況下還可以適當?shù)財U展。

圖7 典型的配電自動化系統(tǒng)層級結(jié)構(gòu)

4 配電網(wǎng)故障自動定位技術改造方案

配電自動化障定位主要還是對自動化終端實現(xiàn)故障的精準、快速定位。在依托主站的集中式、就地式或者單獨智能分布式等自動化終端，都必須采用通信網(wǎng)絡系統(tǒng)才能實現(xiàn)配電自動化技術。為此，如果沒有安全、可靠、高速的通信網(wǎng)絡系，配電自動化技術也就不能實時進行迅速、精準地故障定位[6]。

故障自動定位技術主要基于檢測到的線路電流和電壓的變化來判斷故障特征和類型。此外故障指示器正常運行期間，故障提示狀態(tài)的持續(xù)時間長，達到數(shù)十小時。故障指示器還可以通過SPRS 無線通信向配電自動化主設備發(fā)送故障報告。

如圖8所示，在系統(tǒng)c 點發(fā)生短路接地故障的情況下，此時流過c 點的短路電流由故障指示器檢測，同時發(fā)送故障信息，基于電源與故障點c 之間的環(huán)路作為此系統(tǒng)故障點判別的依據(jù)。

圖8 工作原理圖

4.1 配電網(wǎng)架空線路實施方案

一是電纜采用聯(lián)絡電纜時，在聯(lián)絡電纜兩側(cè)的電纜頭上安裝故障電流指示裝置。

二是線路被分段開關分段時，在分段開關負載側(cè)設置故障電流指示裝置。在線路上不存在區(qū)段，距離＞2500m 的情況下，選擇適當?shù)奈恢脕碓O置故障電流指示裝置，設置位置以區(qū)段為參考點，使得每間隔1～2.5km 可以安裝一組故障電流指示裝置。

三是對于一些相對重要的線路分支點：對于長度超過3.5km 的分支或負載較重的分支安裝故障電流指示裝置，可以實現(xiàn)分支線路的故障提示。

4.2 配電網(wǎng)電纜線路實施方案

一是關于整個電纜線路，將各區(qū)段作為一個單元設置故障電流指示裝置，其安裝位置配置在正常運行電纜線路的電源側(cè)。

二是開關配電室內(nèi)高壓開關箱內(nèi)的改造方案：在電纜線路的三岔頭設置故障電流指示裝置，正常運行期間通過開關箱的觀察窗顯示故障電流指示裝置的警報信息。

三是長度超過400m 的電纜線路改造方案：在主干線、各支路的入線、出線側(cè)安裝故障電流指示裝置，與電纜通信終端連接。

5 可靠性及效益

在對配電網(wǎng)的架空、電纜線路進行改造后，其運行狀況得到實時監(jiān)控，從而提高線路的安全和穩(wěn)定性，同時也能有效防止因信息傳輸障礙而導致的盲目調(diào)節(jié)狀態(tài)。此外，還可實現(xiàn)線路故障的自動診斷、隔離、自動恢復等。自配電網(wǎng)架空、線纜線路改造后，配電網(wǎng)緊急維修工作量大幅減少，相應響應速度大幅提高。經(jīng)過初步計算，實施配電網(wǎng)絡架空、線纜線路改造后，所在區(qū)域平均停電時間減少0.08h/戶，供電可靠性能達到98%以上，為全面實現(xiàn)強大的智能電網(wǎng)打下了堅實的基礎。

綜上所述，通過智能電網(wǎng)的配電網(wǎng)架空、電纜線路故障自動化定位技術的改造，配電網(wǎng)的電力質(zhì)量有所提高，故障停電時間大幅減少，為恢復節(jié)省時間，電腦軟件、硬件產(chǎn)品的更新?lián)Q代較快配電網(wǎng)的自動化管理和維護非常復雜，需要多個數(shù)字終端裝置和通信網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸。因此，根據(jù)實際需求和運行方式的變化，為了滿足需求，需要不斷地進行改造。