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配電自動(dòng)化技術(shù)是什么
一 引言
配電自動(dòng)化技術(shù)是服務(wù)于城鄉配電網(wǎng)改造建設的重要技術(shù)，配電自動(dòng)化包括饋線(xiàn)自動(dòng)化和配電管理系統，通信技術(shù)是配電自動(dòng)化的關(guān)鍵。目前，我國配電自動(dòng)化進(jìn)行了較多試點(diǎn)，由配電主站、子站和饋線(xiàn)終端構成的三層結構已得到普遍認可，光纖通信作為主干網(wǎng)的通信方式也得到共識。饋線(xiàn)自動(dòng)化的實(shí)現也完全能夠建立在光纖通信的基礎上，這使得饋線(xiàn)終端能夠快速地彼此通信，共同實(shí)現具有更高性能的饋線(xiàn)自動(dòng)化功能。
二。配電網(wǎng)饋線(xiàn)保護的技術(shù)現狀
電力系統由發(fā)電、輸電和配電三部分組成。發(fā)電環(huán)節的保護集中在元件保護，其主要目的是確保發(fā)電廠(chǎng)發(fā)生電氣故障時(shí)將設備的損失降為最小。輸電網(wǎng)的保護集中在輸電線(xiàn)路的保護，其首要目的是維護電網(wǎng)的穩定。配電環(huán)節的保護集中在饋線(xiàn)保護上，配電網(wǎng)不存在穩定問(wèn)題，一般認為饋線(xiàn)故障的切除并不嚴格要求是快速的。不同的配電網(wǎng)對負荷供電可靠性和供電質(zhì)量要求不同。許多配電網(wǎng)僅是考慮線(xiàn)路故障對售電量的影響及配電設備壽命的影響，尚未將配電網(wǎng)故障對電力負荷（用戶(hù)）的負面影響作為配電網(wǎng)保護的目的。
隨著(zhù)我國經(jīng)濟的發(fā)展，電力用戶(hù)用電的依賴(lài)性越來(lái)越強，供電可靠性和供電電能質(zhì)量成為配電網(wǎng)的工作重點(diǎn)，而配電網(wǎng)饋線(xiàn)保護的主要作用也成為提高供電可靠性和提高電能質(zhì)量，具體包括饋線(xiàn)故障切除、故障隔離和恢復供電。具體實(shí)現方式有以下幾種：
2.1傳統的電流保護
過(guò)電流保護是最基本的繼電保護之一�？紤]到經(jīng)濟原因，配電網(wǎng)饋線(xiàn)保護廣泛采用電流保護。配電線(xiàn)路一般很短，由于配電網(wǎng)不存在穩定問(wèn)題，為了確保電流保護動(dòng)作的選擇性，采用時(shí)間配合的方式實(shí)現全線(xiàn)路的保護。常用的方式有反時(shí)限電流保護和三段電流保護，其中反時(shí)限電流保護的時(shí)間配合特性又分為標準反時(shí)限、非常反時(shí)限、極端反時(shí)限和超反時(shí)限，參見(jiàn)式（1）、（2）、（3）和（4）。這類(lèi)保護整定方便、配合靈活、價(jià)格便宜，同時(shí)可以包含低電壓閉鎖或方向閉鎖，以提高可靠性；增加重合閘功能、低周減載功能和小電流接地選線(xiàn)功能。
電流保護實(shí)現配電網(wǎng)保護的前提是將整條饋線(xiàn)視為一個(gè)單元。當饋線(xiàn)故障時(shí)，將整條線(xiàn)路切掉，并不考慮對非故障區域的恢復供電，這些不利于提高供電可靠性。另一方面，由于依賴(lài)時(shí)間延時(shí)實(shí)現保護的選擇性，導致某些故障的切除時(shí)間偏長(cháng)，影響設備壽命。
2.2重合器方式的饋線(xiàn)保護
實(shí)現饋線(xiàn)分段、增加電源點(diǎn)是提高供電可靠性的基礎。重合器保護是將饋線(xiàn)故障自動(dòng)限制在一個(gè)區段內的有效方式「參考文獻」。參見(jiàn)圖1，重合器R位于線(xiàn)路首端，該饋線(xiàn)由A、B、C三個(gè)分段器分為四段。當AB區段內發(fā)生故障F1，重合器R動(dòng)作切除故障，此后，A、B、C分段器失壓后自動(dòng)斷開(kāi)，重合器R經(jīng)延時(shí)后重合，分段器A電壓恢復后延時(shí)合閘。同樣，分段器B電壓恢復后延時(shí)合閘。當B合閘于故障后，重合器R再次跳開(kāi)，當重合器第二次重合后，分段器A將再次合閘，此后B將自動(dòng)閉鎖在分閘位置，從而實(shí)現故障切除、故障隔離及對非故障段的恢復供電。
目前在我國城鄉電網(wǎng)改造中仍有大量重合器得到應用，這種簡(jiǎn)單而有效的方式能夠提高供電可靠性，相對于傳統的電流保護有較大的優(yōu)勢。該方案的缺點(diǎn)是故障隔離的時(shí)間較長(cháng)，多次重合對相關(guān)的負荷有一定影響。
2.3基于饋線(xiàn)自動(dòng)化的饋線(xiàn)保護
配電自動(dòng)化包括饋線(xiàn)自動(dòng)化和配電管理系統，其中饋線(xiàn)自動(dòng)化實(shí)現對饋線(xiàn)信息的采集和控制，同時(shí)也實(shí)現了饋線(xiàn)保護。饋線(xiàn)自動(dòng)化的核心是通信，以通信為基礎可以實(shí)現配電網(wǎng)全局性的數據采集與控制，從而實(shí)現配電SCADA、配電高級應用（PAS）。同時(shí)以地理信息系統（GIS）為平臺實(shí)現了配電網(wǎng)的設備管理、圖資管理，而SCADA、GIS和PAS的一體化則促使配電自動(dòng)化成為提供配電網(wǎng)保護與監控、配電網(wǎng)管理的全方位自動(dòng)化運行管理系統。參見(jiàn)圖2所示系統，這種饋線(xiàn)自動(dòng)化的基本原理如下：當在開(kāi)關(guān)S1和開(kāi)關(guān)S2之間發(fā)生故障（非單相接地），線(xiàn)路出口保護使斷路器B1動(dòng)作，將故障線(xiàn)路切除，裝設在S1處的FTU 檢測到故障電流而裝設在開(kāi)關(guān)S2處的FTU沒(méi)有故障電流流過(guò)，此時(shí)自動(dòng)化系統將確認該故障發(fā)生在S1與S2之間，遙控跳開(kāi)S1和S2實(shí)現故障隔離并遙控合上線(xiàn)路出口的斷路器，最后合上聯(lián)絡(luò )開(kāi)關(guān)S3完成向非故障區域的恢復供電。
這種基于通信的饋線(xiàn)自動(dòng)化方案以集中控制為核心，綜合了電流保護、RTU遙控及重合閘的多種方式，能夠快速切除故障，在幾秒到幾十秒的時(shí)間內實(shí)現故障隔離，在幾十秒到幾分鐘內實(shí)現恢復供電。該方案是目前配網(wǎng)自動(dòng)化的主流方案，能夠將饋線(xiàn)保護集成于一體化的配電網(wǎng)監控系統中，從故障切除、故障隔離、恢復供電方面都有效地提高了供電可靠性。同時(shí)，在整個(gè)配電自動(dòng)化中，可以加裝電能質(zhì)量監測和補償裝置，從而在全局上實(shí)現改善電能質(zhì)量的控制。
三。饋線(xiàn)保護的發(fā)展趨勢
目前，配電自動(dòng)化中的饋線(xiàn)自動(dòng)化較好地實(shí)現了饋線(xiàn)保護功能。但是隨著(zhù)配電自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展及實(shí)踐，對配電網(wǎng)保護的目的也要悄然發(fā)生變化。最初的配電網(wǎng)保護是以低成本的電流保護切除饋線(xiàn)故障，隨著(zhù)對供電可靠性要求的提高，又出現以低成本的重合器方式實(shí)現故障隔離、恢復供電，隨著(zhù)配電自動(dòng)化的實(shí)施，饋線(xiàn)保護體現為基于遠方通信的集中控制式的饋線(xiàn)自動(dòng)化方式。在配電自動(dòng)化的基礎上，配電網(wǎng)通信得到充分重視，成本自動(dòng)化的核心。目前國內的主流通信方式是光纖通信，具體分為光纖環(huán)網(wǎng)和光纖以太網(wǎng)。建立在光纖通信基礎上的饋線(xiàn)保護的實(shí)現由以下三部分組成：
1）電流保護切除故障；
2）集中式的配電主站或子站遙控FTU實(shí)現故障隔離；
3）集中式的配電主站或子站遙控FTU實(shí)現向非故障區域的恢復供電。
這種實(shí)現方式實(shí)質(zhì)上是在自動(dòng)裝置無(wú)選擇性動(dòng)作后的恢復供電。如果能夠解決饋線(xiàn)故障時(shí)保護動(dòng)作的選擇性，就可以大大提高饋線(xiàn)保護的性能，從而一次性地實(shí)現故障切除與故障隔離。這需要饋線(xiàn)上的多個(gè)保護裝置利用快速通信協(xié)同動(dòng)作，共同實(shí)現有選擇性的故障隔離，這就是饋線(xiàn)系統保護的基本思想。
四。饋線(xiàn)系統保護基本原理
4.1 基本原理
饋線(xiàn)系統保護實(shí)現的前提條件如下：
1）快速通信；
2）控制對象是斷路器；
3）終端是保護裝置，而非TTU.
在高壓線(xiàn)路保護中，高頻保護、電流差動(dòng)保護都是依靠快速通信實(shí)現的主保護，饋線(xiàn)系統保護是在多于兩個(gè)裝置之間通信的基礎上實(shí)現的區域性保護�；驹砣缦拢�
參見(jiàn)圖3所示典型系統，該系統采用斷路器作為分段開(kāi)關(guān)，如圖A、B、C、D、E、F.對于變電站M，手拉手的線(xiàn)路為A至D之間的部分。變電站N則對應于C至F之間的部分。N側的饋線(xiàn)系統保護則控制開(kāi)關(guān)A、B、C、D的保護單元UR1至UR7組成。
當線(xiàn)路故障F1發(fā)生在BC區段，開(kāi)關(guān)A、B處將流過(guò)故障電流，開(kāi)關(guān)C處無(wú)故障電流。但出現低電壓。此時(shí)系統保護將執行步驟：
Step1：保護起動(dòng)，UR1、UR2、UR3分別起動(dòng)；
Step2：保護計算故障區段信息；
Step3：相鄰保護之間通信；
Step4：UR2、UR3動(dòng)作切除故障；
Step5：UR2重合。如重合成功，轉至Step9；
Step6：UR2重合于故障，再跳開(kāi)；
Step7：UR3在△T內未測得電壓恢復，通知UR4合閘；
Step8：UR4合閘，恢復CD段供電，轉至Step10；
Step9：UR3在△T時(shí)間內測得電壓恢復，UR3重合；
Step10：故障隔離，恢復供電結束。
4.2 故障區段信息
定義故障區段信息如下：
邏輯1：表示保護單元測量到故障電流，
邏輯0：表示保護單元未測量到故障電流，但測量到低電壓。
當故障發(fā)生后，系統保護各單元向相鄰保護單元交換故障區段，對于一個(gè)保護單元，當本身的故障區段信息與收到的故障區段信息的異或為1時(shí)，出口跳閘。
為了確保故障區段信息識別的正確性，在進(jìn)行邏輯1的判斷時(shí)，可以增加低壓閉鎖及功率方向閉鎖。
4.3 系統保護動(dòng)作速度及其后備保護
為了確保饋線(xiàn)保護的可靠性，在饋線(xiàn)的首端UR1處設限時(shí)電流保護，建議整定時(shí)間內0.2秒，即要求饋線(xiàn)系統保護在200ms內完成故障隔離。
在保護動(dòng)作時(shí)間上，系統保護能夠在20ms內識別出故障區段信息，并起動(dòng)通信。光纖通信速度很快，考慮到重發(fā)多幀信息，相鄰保護單元之間的通信應在30ms內完成。斷路器動(dòng)作時(shí)間為40ms~100ms.這樣，只要通信環(huán)節理想即可實(shí)現快速保護。
4.4 饋線(xiàn)系統保護的應用前景
饋線(xiàn)系統保護在很大程度上沿續了高壓線(xiàn)路縱聯(lián)保護的基本原則。由于配電網(wǎng)的通信條件很可能十分理想。在此基礎之上實(shí)現的饋線(xiàn)保護功能的性能大大提高。饋線(xiàn)系統保護利用通信實(shí)現了保護的選擇性，將故障識別、故障隔離、重合閘、恢復故障一次性完成，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
�。�1）快速處理故障，不需多次重合；
�。�2）快速切除故障，提高了電動(dòng)機類(lèi)負荷的電能質(zhì)量；
�。�3）直接將故障隔離在故障區段，不影響非故障區段；
�。�4）功能完成下放到饋線(xiàn)保護裝置，無(wú)需配電主站、子站配合。
四。系統保護展望
繼電保護的發(fā)展經(jīng)歷了電磁型、晶體管型、集成電路型和微機型。微機保護在擁有很強的計算能力的同時(shí)，也具有很強的通信能力。通信技術(shù)，尤其是快速通信技術(shù)的發(fā)展和普及，也推動(dòng)了繼電保護的發(fā)展。系統保護就是基于快速通信的由多個(gè)位于不同位置的保護裝置共同構成的區域行廣義保護。
電流保護、距離保護及主設備保護都是采集就地信息，利用局部電氣量完成故障的就地切除。線(xiàn)路縱聯(lián)保護則是利用通信完成兩點(diǎn)之間的故障信息交換，進(jìn)行處于異地的兩個(gè)裝置協(xié)同動(dòng)作。近年來(lái)出現的分布式母差保護則是利用快速的通信網(wǎng)絡(luò )實(shí)現多個(gè)裝置之間的快速協(xié)同動(dòng)作如果由位于廣域電網(wǎng)的不同變電站的保護裝置共同構成協(xié)同保護則很可能將繼電保護的應用范圍提高到一個(gè)新的層次。這種協(xié)同保護不僅可以改進(jìn)保護間的配合，共同實(shí)現性能更理想的保護，而且可以演生于基于繼電保護相角測量的穩定監控協(xié)系統，基于繼電保護的高精度多端故障測距以及基于繼電保護的電力系統動(dòng)態(tài)模型及動(dòng)態(tài)過(guò)程分析等應用領(lǐng)域。目前，在輸電網(wǎng)中已經(jīng)出現了基于GPS的動(dòng)態(tài)穩定系統和分散式行波測距系統。在配電網(wǎng)，伴隨賊配電自動(dòng)化的開(kāi)展。配電網(wǎng)饋線(xiàn)系統保護有可能率先得到應用。
五。結論
建立在快速通信基礎上的系統保護是繼電保護的發(fā)展方向之一。隨著(zhù)配電網(wǎng)改造的深入及配電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，系統保護技術(shù)可能在配電網(wǎng)中率先得以應用。本文討論了配電網(wǎng)饋線(xiàn)保護的發(fā)展過(guò)程，提出了建立在配電自動(dòng)化和光纖通信基礎之上的饋線(xiàn)系統保護新原理。這種新原理能夠進(jìn)一步提高供電可靠性。同時(shí)，系統保護分布式的功能也將提高配電自動(dòng)化的主站及子站的性能，是一種極具前途的饋線(xiàn)自動(dòng)化新原理。