集中式配網(wǎng)自愈復(fù)電速度提升措施研究

許 達(dá)，顧大德，秦綺蒨，陳 嫻

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣州 510620）

0 引言

隨著人民追求美好生活，對(duì)電力的需求也在持續(xù)的增長(zhǎng)。分布式電源接入使得配電網(wǎng)規(guī)模日益增大，結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，設(shè)備量也呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。這對(duì)配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和配網(wǎng)故障后的快速?gòu)?fù)電提出了巨大的挑戰(zhàn)［1-3］。自20世紀(jì)90年代末美國(guó)提出自愈電網(wǎng)概念后，國(guó)內(nèi)外均開(kāi)展了大量的研究和應(yīng)用。近年來(lái)，隨著我國(guó)配電自動(dòng)化、智能化的建設(shè)與發(fā)展［4-7］，國(guó)內(nèi)一些地區(qū)已將配網(wǎng)自愈投入實(shí)際應(yīng)用［8-9］。對(duì)比不同的自愈技術(shù)路線(xiàn)，主站集中式配網(wǎng)自愈對(duì)配網(wǎng)運(yùn)行方式適應(yīng)性強(qiáng)，不受配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)限制，開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)相對(duì)少，自愈動(dòng)作過(guò)程可進(jìn)行人工干預(yù)［9-13］?；谝陨咸攸c(diǎn)，主站集中式配網(wǎng)自愈目前得到廣泛使用。

集中式配網(wǎng)自愈需根據(jù)線(xiàn)路實(shí)時(shí)拓?fù)浜团潆娮詣?dòng)化終端故障信號(hào)完成故障區(qū)域的定位，自動(dòng)控制配電自動(dòng)化開(kāi)關(guān)進(jìn)行故障隔離和非故障區(qū)域復(fù)電［10-11］。許達(dá)等［12］分析了線(xiàn)路分段開(kāi)關(guān)引起的線(xiàn)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變對(duì)集中式自愈的故障定位及隔離復(fù)電策略產(chǎn)生的影響，提出措施提高線(xiàn)路拓?fù)渑c實(shí)際的一致性，繼而提高了自愈動(dòng)作的正確率。許達(dá)等［13］考慮線(xiàn)路開(kāi)關(guān)設(shè)備的故障概率，進(jìn)一步優(yōu)化了集中式自愈的故障隔離策略，以提高自愈成果率。因自愈配電主站和配電終端之間進(jìn)行信息交互，主站需下發(fā)控制命令至配電終端完成控制開(kāi)關(guān)分合的動(dòng)作，動(dòng)作時(shí)間比分布式方式相對(duì)較長(zhǎng)［9-11］。目前針對(duì)集中式配網(wǎng)自愈動(dòng)作過(guò)程和動(dòng)作時(shí)間的研究較少，函待詳細(xì)分析集中式自愈動(dòng)作時(shí)間特性，并制定針對(duì)性策略，縮短自愈動(dòng)作時(shí)間，提升集中式自愈復(fù)電速度。

1 集中式自愈復(fù)電過(guò)程

主站集中式配網(wǎng)自愈動(dòng)作流程如圖1所示。（1）故障發(fā)生，線(xiàn)路F1的A1B1段發(fā)生故障，變電站出線(xiàn)開(kāi)關(guān)CB1立即跳閘，F(xiàn)1自愈啟動(dòng)。（2）主站系統(tǒng)對(duì)接收到的配電終端（DTU/FTU）告警信號(hào)，結(jié)合線(xiàn)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析并進(jìn)行研判，并進(jìn)行故障定位。如CB1的過(guò)流/零序保護(hù)信號(hào)，A1發(fā)故障信號(hào)，B1及后段配電終端無(wú)告警信號(hào)，系統(tǒng)研判故障區(qū)域在A1B1段。（3）主站系統(tǒng)向配電終端下發(fā)開(kāi)關(guān)控制命令，斷開(kāi)故障區(qū)域的各側(cè)開(kāi)關(guān)，如斷開(kāi)A1和B1，隔離故障區(qū)域。合上站出線(xiàn)開(kāi)關(guān)CB1和聯(lián)絡(luò)線(xiàn)路開(kāi)關(guān)（聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)D1或D2），進(jìn)行非故障區(qū)域復(fù)電。至此自愈過(guò)程結(jié)束。

圖1 集中式配網(wǎng)自愈動(dòng)作

由上述過(guò)程可知，集中式配網(wǎng)自愈在線(xiàn)路跳閘后立即啟動(dòng)，依次經(jīng)歷信號(hào)獲取階段、分析拓?fù)浼靶盘?hào)并完成故障定位階段、主站下發(fā)控制命令進(jìn)行開(kāi)關(guān)隔離和送電操作等多個(gè)環(huán)節(jié)。上述幾個(gè)階段為串行關(guān)系，每個(gè)階段的時(shí)長(zhǎng)均會(huì)影響自動(dòng)動(dòng)作全流程的總時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而影響線(xiàn)路復(fù)電時(shí)長(zhǎng)。故分析上述自愈動(dòng)作各階段的特點(diǎn)，制定優(yōu)化措施，縮短環(huán)節(jié)耗時(shí)，可提高自愈復(fù)電速度，減少用戶(hù)停電時(shí)長(zhǎng)。

2 自愈全過(guò)程時(shí)間特性分析

自愈全流程可分為3個(gè)階段，如圖2所示。自愈動(dòng)作全流程時(shí)間ttol可分為3部分，分別是信號(hào)獲取時(shí)間tsc、故障區(qū)域判定時(shí)間tfl和隔離及復(fù)電控制時(shí)間tc。

圖2 自愈動(dòng)作時(shí)間

2.1 信號(hào)獲取時(shí)間

當(dāng)配網(wǎng)線(xiàn)路跳閘，其變電站出線(xiàn)開(kāi)關(guān)發(fā)保護(hù)信號(hào)+開(kāi)關(guān)分閘信號(hào)，配電主站系統(tǒng)立即啟動(dòng)自愈程序。若站出線(xiàn)開(kāi)關(guān)配置了重合閘功能，則配電主站系統(tǒng)獲取的是重合失敗后的保護(hù)信號(hào)+開(kāi)關(guān)分閘信號(hào)，作為自愈啟動(dòng)信號(hào)。配網(wǎng)線(xiàn)路上配電自動(dòng)化終端的通信條件各有差異，如通信方式有光纖方式、無(wú)線(xiàn)方式，無(wú)線(xiàn)方式又分4G、5G形式等。考慮配電自動(dòng)化終端告警信號(hào)會(huì)因通信條件而延時(shí)，避免漏分析故障信號(hào)引起的自愈復(fù)電失敗情況，故需從自愈啟動(dòng)至系統(tǒng)開(kāi)始分析故障區(qū)域之間，需增設(shè)一段時(shí)延，為信號(hào)獲取時(shí)間tsc。信號(hào)獲取時(shí)間tsc的大小，與所在區(qū)域的通信方式和通信條件密切相關(guān)。采用光纖通信的配電終端信號(hào)時(shí)延較小，所需要的信號(hào)獲取時(shí)間tsc可以整定較小，如小于5 s。而配電終端通信使用4G無(wú)線(xiàn)通信形式的，信號(hào)有一定的時(shí)延。根據(jù)現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)通信條件，信號(hào)獲取時(shí)間tsc可整定為30 s。而對(duì)于通信條件較差（如山區(qū)地帶），信號(hào)時(shí)延也較大，tsc的整定根據(jù)實(shí)際情況也需要同步增大。

2.2 故障區(qū)域判定時(shí)間

當(dāng)故障信號(hào)獲取階段結(jié)束，主站系統(tǒng)隨即進(jìn)入已有系統(tǒng)的分析以及電網(wǎng)拓?fù)浞治鲭A段。系統(tǒng)通過(guò)算法對(duì)電網(wǎng)拓?fù)溥M(jìn)行分析，結(jié)合線(xiàn)路分段開(kāi)關(guān)分合狀態(tài)和配電自動(dòng)化終端信號(hào)進(jìn)行綜合研判，完成故障區(qū)域判定，并同步生成故障隔離和復(fù)電控制方案。上述過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間稱(chēng)為故障區(qū)域判定時(shí)間tfl。故障區(qū)域判斷時(shí)間tfl的大小，與主站運(yùn)算速度、拓?fù)浞治鏊惴ā㈦娋W(wǎng)規(guī)模大小有關(guān)。主站的運(yùn)算速度主要與硬件設(shè)備有關(guān)。拓?fù)浞治鏊惴橹髡鞠到y(tǒng)廠商提供算法。需分析的電網(wǎng)規(guī)模大小，與人為劃分的配電網(wǎng)分區(qū)有關(guān)。根據(jù)南方某城市2020年配網(wǎng)設(shè)備規(guī)模：公用饋線(xiàn)近7 000回，配網(wǎng)斷路器及開(kāi)關(guān)60萬(wàn)臺(tái)，配電變壓器約10萬(wàn)臺(tái)（含公變和專(zhuān)變）進(jìn)行測(cè)算，使用南瑞D5000系統(tǒng)對(duì)該規(guī)模設(shè)備量進(jìn)行全網(wǎng)設(shè)備拓?fù)湫韬臅r(shí)35 s。

2.3 隔離及復(fù)電控制時(shí)間

當(dāng)故障區(qū)域判定完成，系統(tǒng)的故障隔離及非故障區(qū)域復(fù)電控制方案同步制定完成，便進(jìn)入隔離及復(fù)電控制階段。主站系統(tǒng)將隔離及復(fù)電控制方案以遙控指令的方式下發(fā)至各配電自動(dòng)化終端（三遙開(kāi)關(guān)），遙控?cái)嚅_(kāi)故障區(qū)域各側(cè)的三遙開(kāi)關(guān)，完成故障區(qū)域的隔離操作。隨后遙控合上站出線(xiàn)開(kāi)關(guān)或各側(cè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行，進(jìn)行非故障區(qū)域的復(fù)電操作。上述過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間稱(chēng)為隔離及復(fù)電控制時(shí)間tc。隔離及復(fù)電控制時(shí)間tc的大小，與遙控開(kāi)關(guān)數(shù)量N、配電自動(dòng)化終端通信時(shí)延、三遙開(kāi)關(guān)遙控時(shí)間等有關(guān)。集中式配網(wǎng)自愈復(fù)電策略會(huì)優(yōu)先選擇遙控開(kāi)關(guān)數(shù)量N最少的方案。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）相關(guān)規(guī)約，單個(gè)開(kāi)關(guān)遙控需要進(jìn)行遙控預(yù)置和遙控執(zhí)行，相應(yīng)的單個(gè)開(kāi)關(guān)遙控時(shí)間tcs取決于遙控預(yù)置時(shí)間tcsp和遙控執(zhí)行時(shí)間tcse大小，如下所示：

據(jù)統(tǒng)計(jì)，光纖通信的三遙終端單個(gè)開(kāi)關(guān)遙控時(shí)間一般為5～10 s，4G無(wú)線(xiàn)通信的單個(gè)開(kāi)關(guān)遙控時(shí)間一般為15～60 s。

由上述分析可得，自愈動(dòng)作全流程時(shí)間ttol的大小如下所示：

3 自愈復(fù)電速度提升措施

對(duì)于自愈動(dòng)作全過(guò)程的3個(gè)串行階段，可制定針對(duì)性措施，減少各階段對(duì)應(yīng)的時(shí)間，以縮短自愈動(dòng)作全流程時(shí)間。

3.1 縮短獲取時(shí)間

根據(jù)上述分析，通信方式和條件直接影響信號(hào)獲取時(shí)間tsc的大小。對(duì)于供電可靠性要求高的A+、A區(qū)域，配電自動(dòng)化終端通信方式可優(yōu)先改造成全光纖通信。其他可靠性要求較高的區(qū)域，使用的無(wú)線(xiàn)通信方式可制定5G通信升級(jí)改造計(jì)劃［14-16］。在保證故障信號(hào)獲取無(wú)遺漏的前提下，盡可能地縮短信號(hào)獲取所需要的時(shí)間。

3.2 減少分析時(shí)間

由上述分析可知，主站運(yùn)算速度、拓?fù)渌惴ê托柽\(yùn)算電網(wǎng)規(guī)模均影響故障區(qū)域判定時(shí)間的大小。其中，主站運(yùn)算速度、拓?fù)渌惴ㄖ饕芍髡鞠到y(tǒng)廠家提供的硬件和軟件決定，可進(jìn)行主站系統(tǒng)升級(jí)，算法的優(yōu)化進(jìn)而加快主站故障定位速度。

另一方面，從運(yùn)算電網(wǎng)規(guī)模大小入手制定對(duì)策。對(duì)城市配電網(wǎng)可從物理上和算法上進(jìn)行分割，以達(dá)到配電網(wǎng)網(wǎng)格化管理的目標(biāo)［17-21］，以減少每次拓?fù)浞治鲞\(yùn)算的配電網(wǎng)設(shè)備規(guī)模，繼而減少故障區(qū)域分析耗時(shí)。如從算法層面上進(jìn)行饋線(xiàn)組的劃分，以配網(wǎng)線(xiàn)路典型接線(xiàn)3-1接線(xiàn)，4-1接線(xiàn)，形成3回一組或4回一組的饋線(xiàn)組。在配網(wǎng)線(xiàn)路跳閘時(shí)，主站系統(tǒng)只需分析饋線(xiàn)組內(nèi)的拓?fù)潢P(guān)系和組內(nèi)其他饋線(xiàn)的電源情況即可生成隔離及復(fù)電方案。極端情況下，饋線(xiàn)組內(nèi)線(xiàn)路全部同時(shí)跳閘或相繼跳閘，可在算法上保留饋線(xiàn)組間的支援聯(lián)絡(luò)線(xiàn)路參與復(fù)電方案。又例如，一些高可靠性示范區(qū)或工業(yè)園區(qū)，除主變電源外是與外部配網(wǎng)分割的，其天然具有物理上的網(wǎng)格化屬性，可進(jìn)行獨(dú)立的配網(wǎng)網(wǎng)格化或饋線(xiàn)組化分析，如圖3所示。如某示范區(qū)24條饋線(xiàn)，饋線(xiàn)之間具備聯(lián)絡(luò)關(guān)系，與外部配網(wǎng)線(xiàn)路無(wú)聯(lián)絡(luò)。拓?fù)浞治鰰r(shí)間由30 s縮減至15 s。對(duì)于典型接線(xiàn)為4-1接線(xiàn)方式的饋線(xiàn)組，可進(jìn)一步縮減至10 s左右。

圖3 配網(wǎng)線(xiàn)路網(wǎng)格化和饋線(xiàn)組化

3.3 優(yōu)化控制時(shí)間

由式（1）可知，隔離及復(fù)電控制時(shí)間tc的大小取決于順序遙控開(kāi)關(guān)的數(shù)量N、遙控預(yù)置時(shí)間tcsp和控執(zhí)行時(shí)間tcse。N的大小因故障區(qū)域的不同而變化。如圖4所示，故障一發(fā)生的情況下，遙控開(kāi)關(guān)數(shù)量N1=4（分別為A1，B1，CB1，D1或D2）。而故障二發(fā)生時(shí)，遙控開(kāi)關(guān)數(shù)量N2=6（分別為B1，C1，E1，CB1，D1，D2）。在順序控制的情況下，故障二比故障一的遙控開(kāi)關(guān)數(shù)量增加了50%，控制時(shí)間tc也會(huì)相應(yīng)增加50%。

圖4 故障區(qū)域不同對(duì)遙控開(kāi)關(guān)數(shù)量影響

在此引入自愈復(fù)電“操作對(duì)”概念。一個(gè)復(fù)電“操作對(duì)”即隔離-復(fù)電操作對(duì)Cn（斷開(kāi)一個(gè)開(kāi)關(guān)，合上另一個(gè)開(kāi)關(guān)），可使得故障區(qū)域之外的一個(gè)路徑恢復(fù)供電。以圖4為例，故障一情況下，故障區(qū)域外有2個(gè)復(fù)電路徑，則自愈遙控復(fù)電共有2個(gè)復(fù)電“操作對(duì)”，分別為操作對(duì)C1（A1，CB1）和操作對(duì)C2（B1，D1）或C2（B1，D2）。同理，故障二情況下，自愈復(fù)電“操作對(duì)”有3個(gè)，為C1（B1，CB1）、C2（C1，D1）和C3（E1，D2）。

（1）操作對(duì)并行操作。如圖4故障一發(fā)生時(shí)，操作對(duì)C1（A1，CB1）與C2（B1，D1）并行執(zhí)行。即同步斷開(kāi)A1、B1后，再合上CB1和D1，操作對(duì)之間隔離和復(fù)電不會(huì)影響，所需的控制時(shí)間為順序執(zhí)行所需時(shí)間的一半。若故障區(qū)域外復(fù)電路徑為n，在自愈順序控制進(jìn)行隔離復(fù)電的模式下，需遙控最小開(kāi)關(guān)數(shù)為N=2 n。自愈隔離及復(fù)電控制時(shí)間tc如式（3）所示。以復(fù)電操作對(duì)為單位，對(duì)多個(gè)操作對(duì)并行處理，則tc′為原有tc的1/n，如式（4）所示，其中，tcs為單個(gè)開(kāi)關(guān)遙控時(shí)間。并行操作方式可極大縮短隔離和復(fù)電控制時(shí)間，復(fù)電路徑越多，效果越明顯，如圖5所示。

圖5 操作對(duì)并行操作方式

（2）操作對(duì)遙控預(yù)置同步觸發(fā)。以圖4故障一情況為例，對(duì)于操作對(duì)C2（B1，D1）控制時(shí)間tc2為斷開(kāi)B1、合上D1所需時(shí)間，假設(shè)每個(gè)開(kāi)關(guān)的單個(gè)控制時(shí)間一樣，即遙控預(yù)置時(shí)間tcsp一致，遙控執(zhí)行時(shí)間tcse也一致，則有：

對(duì)于無(wú)線(xiàn)通信的配電終端，通信情況良好時(shí)，遙控預(yù)置時(shí)間tcsp一般需要1～2 s，遙控執(zhí)行時(shí)間tcse一般需要5～6 s，預(yù)置有效保持時(shí)間為40 s。則可以在對(duì)B1遙控預(yù)置完成后，B1遙控執(zhí)行時(shí)，對(duì)D1進(jìn)行遙控預(yù)置。待B1遙控執(zhí)行完畢后，再對(duì)D1下發(fā)遙控執(zhí)行命令，控制時(shí)間可節(jié)省D1的一個(gè)遙控預(yù)置時(shí)間tcsp，操作對(duì)C2″（B1，D1）的控制時(shí)間如式（6）所示。采用該優(yōu)化方式的控制時(shí)間t″c如式（7）所示。

（3）復(fù)電路徑遙控預(yù)置同步觸發(fā)。在原自愈復(fù)電控制模式中，因故需斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)遙控失敗后，會(huì)進(jìn)行擴(kuò)大隔離范圍進(jìn)行對(duì)下一個(gè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行遙控操作。以圖4故障一情況為例，如操作對(duì)C2（B1，D1），在對(duì)B1進(jìn)行遙控?cái)嚅_(kāi)時(shí)控分失敗后，會(huì)對(duì)C1開(kāi)關(guān)進(jìn)行控分操作。若遙控?cái)嚅_(kāi)C1成功，則操作對(duì)為C″2（B1，C1，D1）。類(lèi)似上一點(diǎn)的分析情況，若在對(duì)B1遙控預(yù)置完成后，B1遙控執(zhí)行時(shí)，對(duì)C1進(jìn)行遙控預(yù)置，同理可以在隔離開(kāi)關(guān)遙控失敗的情況下，減少一次遙控預(yù)置時(shí)間tcsp。對(duì)操作對(duì)中有n次斷開(kāi)開(kāi)關(guān)遙控失敗的情況，在開(kāi)關(guān)遙控執(zhí)行時(shí)，對(duì)下一次序可能操作的開(kāi)關(guān)進(jìn)行遙控預(yù)置，可減少遙控預(yù)置時(shí)間n×tcsp。操作對(duì)遙控預(yù)置同步觸發(fā)、復(fù)電路徑遙控預(yù)置同步觸發(fā)流程如圖6所示。

圖6 遙控預(yù)置同步觸發(fā)流程示意圖

4 效果對(duì)比情況

以圖4故障一情況進(jìn)行分析，原線(xiàn)路配電終端為無(wú)線(xiàn)通信，信號(hào)獲取時(shí)間為30 s。主站拓?fù)浞治鋈詾槿W(wǎng)模型拓?fù)浞绞?，故障區(qū)域判定時(shí)間為30 s。并假定各開(kāi)關(guān)通信均正常，遙控均成功，每個(gè)遙控預(yù)置耗時(shí)為2 s，遙控執(zhí)行耗時(shí)為8 s。圖4故障一的自愈隔離及復(fù)電需遙控開(kāi)關(guān)數(shù)量為4，控制時(shí)間為40 s，自愈動(dòng)作全過(guò)程時(shí)間為100 s。

采用本文優(yōu)化措施的自愈動(dòng)作各階段時(shí)間和全過(guò)程時(shí)間對(duì)比如圖7所示。當(dāng)配電終端通信方式采用光纖或5G后，終端信號(hào)上送時(shí)延大幅減小，測(cè)算后信號(hào)獲取時(shí)間tsc可縮短預(yù)設(shè)定值至10 s。在主站硬件及算法不變的情況下，通過(guò)配網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)格化設(shè)定或饋線(xiàn)組管理，測(cè)試一個(gè)包含24回饋線(xiàn)的網(wǎng)格化配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，故障區(qū)域判定時(shí)間tfl可減少至15 s。采用自愈復(fù)電操作對(duì)并行操作及操作對(duì)遙控預(yù)置同步觸發(fā)優(yōu)化措施后，自愈隔離及復(fù)電控制時(shí)間壓縮至18 s，自愈動(dòng)作全過(guò)程時(shí)間ttol為43 s，對(duì)比優(yōu)化前減少57 s，復(fù)電速度提升57%。各項(xiàng)時(shí)間參數(shù)如表1所示。

圖7 自愈動(dòng)作時(shí)間對(duì)比示意圖

表1 自愈各階段時(shí)間參數(shù)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

集中式配網(wǎng)自愈通過(guò)配電主站系統(tǒng)和配電自動(dòng)化終端相互配合完成故障隔離及復(fù)電。故障信息交互、故障分析定位及開(kāi)關(guān)控制均需要消耗一定時(shí)間，影響用戶(hù)的停電時(shí)間和供電可靠性。本文分析了自愈動(dòng)作全過(guò)程時(shí)間特性，包括信號(hào)獲取時(shí)間、故障區(qū)域判定時(shí)間、隔離及復(fù)電控制時(shí)間3個(gè)主要階段。信號(hào)獲取時(shí)間主要與配電主站與終端的通信方式和通信條件密切相關(guān)。故障區(qū)域判定時(shí)間受主站運(yùn)算速度、拓?fù)浞治鏊惴ā㈦娋W(wǎng)設(shè)備模型規(guī)模大小影響。復(fù)電控制時(shí)間的影響因素主要為配電自動(dòng)化終端通信時(shí)延、遙控開(kāi)關(guān)數(shù)量、單個(gè)開(kāi)關(guān)遙控情況等。提出了相應(yīng)措施，如采取配電終端采用光纖通信、配網(wǎng)線(xiàn)路模型網(wǎng)格化和饋線(xiàn)組管理、自愈遙控操作對(duì)并行操作和預(yù)置同步觸發(fā)等手段，減少自愈全過(guò)程時(shí)間，提升集中式自愈復(fù)電速度和提高供電可靠性。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證了措施的有效性。