新型配電網(wǎng)中的饋線自動化技術(shù)探微

牛瀟昆

（北京信息科技大學(xué)，北京 100192）

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)用電需求的不斷擴(kuò)大，如何確保配電網(wǎng)的運行穩(wěn)定已經(jīng)成為當(dāng)今首要面臨的問題。由于大量的分布式電源接入電網(wǎng)運行和越來越多的自動化技術(shù)被應(yīng)用到配電網(wǎng)中，電力系統(tǒng)也逐步由“傳統(tǒng)電網(wǎng)時代”過渡到了“智能電網(wǎng)時代”，實現(xiàn)了發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六個環(huán)節(jié)的全面“信息化、自動化、互動化”?！爸悄茈娋W(wǎng)”具有“堅強(qiáng)、自愈、兼容、經(jīng)濟(jì)、集成、優(yōu)化”六個主要特征。2019年，國家電網(wǎng)有限公司提出了“三型兩網(wǎng)，世界一流”的戰(zhàn)略目標(biāo)，標(biāo)志著中國即將構(gòu)建一個“樞紐型、平臺型、共享型”的世界一流“堅強(qiáng)智能電網(wǎng)”和“泛在的電力物聯(lián)網(wǎng)”。在智能配電網(wǎng)中，饋線自動化技術(shù)所發(fā)揮的作用至關(guān)重要，它是配電自動化的核心之一，其主要控制對象是中壓配電網(wǎng)。饋線自動化技術(shù)可以對智能電網(wǎng)的饋電線路進(jìn)行優(yōu)化控制和狀態(tài)監(jiān)測，并在配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時快速進(jìn)行供電恢復(fù)。饋線自動化技術(shù)作為一項應(yīng)用于配電網(wǎng)中的新興技術(shù)，其特點是什么？在配電網(wǎng)中占據(jù)什么樣的地位？將其應(yīng)用于配電網(wǎng)會帶來哪些效益？本文將以饋線自動化技術(shù)的基本工作原理和應(yīng)用條件為視角，結(jié)合當(dāng)今配電網(wǎng)逐步走向智能化、自動化的過程，從幾個不同角度，探討了對這些問題的答案。

1 饋線自動化技術(shù)概述

1.1 饋線自動化技術(shù)的應(yīng)用范圍

饋線自動化技術(shù)（Feeder Automation，F(xiàn)A）應(yīng)用在變電站的饋電線路，它能夠幫助變電站出口到用電設(shè)備之間的饋電線路實現(xiàn)自動化。饋線自動化技術(shù)的應(yīng)用可以分為兩個方面，即線路的正常運行狀態(tài)和故障狀態(tài)。在線路正常運行時，饋線自動化技術(shù)可以起到線路監(jiān)控、數(shù)據(jù)測量和優(yōu)化運行的作用；在線路發(fā)生故障時，饋線自動化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對故障的診斷、隔離以及供電恢復(fù)，包括對線路出現(xiàn)故障的位置進(jìn)行判斷，及時將故障隔離，隨后快速消除故障以恢復(fù)正常用電。饋線自動化技術(shù)是配電網(wǎng)中重要的組成部分，同時，該技術(shù)的實現(xiàn)也需要配電網(wǎng)的自身結(jié)構(gòu)和自動化技術(shù)作為支撐，饋線自動化技術(shù)與配電網(wǎng)二者之間是屬于相輔相成的關(guān)系。

1.2 饋線自動化技術(shù)的實現(xiàn)條件

饋線自動化技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用，需要配電網(wǎng)具備足夠的前提條件，第一，饋線自動化技術(shù)對智能配電網(wǎng)的自身結(jié)構(gòu)有明確的要求，譬如，該配電網(wǎng)要有形成環(huán)網(wǎng)供電的條件，如普通環(huán)式或拉手環(huán)式配電網(wǎng)，這是饋線自動化技術(shù)應(yīng)用的基本條件。第二，該智能配電網(wǎng)亦應(yīng)具備開環(huán)運行的條件，即配電網(wǎng)中應(yīng)具有聯(lián)絡(luò)開關(guān)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)的閉合與斷開能夠決定配電網(wǎng)處于閉環(huán)或開環(huán)運行的狀態(tài)。第三，智能配電網(wǎng)中各種類型的開關(guān)，包括聯(lián)絡(luò)開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)以及隔離開關(guān)等，都要具有遠(yuǎn)程操控的功能。這是由于在故障出現(xiàn)時，通過遠(yuǎn)程操控可以及時對故障所在區(qū)域的開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，對故障進(jìn)行隔離。第四，配電網(wǎng)中的環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜、FTU以及通信設(shè)備所使用的電源都要安全可靠，且這些設(shè)備之間的通信不能受到外界干擾，要有高級別的抗干擾能力。

2 饋線自動化技術(shù)的實現(xiàn)原理

饋線自動化技術(shù)經(jīng)過不斷發(fā)展和進(jìn)步，已經(jīng)成為一項較為完備的技術(shù)，其分類可包括就地型饋線自動化和基于FTU的饋線自動化。

2.1 就地型饋線自動化實現(xiàn)原理

就地型饋線自動化，其最大的特點就是不依賴配電自動化主站，由配電終端或現(xiàn)場自動化裝置協(xié)同實現(xiàn)故障定位、故障隔離和恢復(fù)非故障區(qū)域的供電。就地型饋線自動化也可以繼續(xù)劃分為重合器式饋線自動化和智能分布式饋線自動化兩種類型。

重合器式饋線自動化的實現(xiàn)原理就是通過重合器、分段器等設(shè)備之間的相互協(xié)調(diào)、配合實現(xiàn)對故障的隔離和故障恢復(fù)。重合器在工作的過程中會檢測線路的電流和電壓兩個信號，作為線路是否發(fā)生故障的判斷依據(jù)。重合器在使用的過程中需要與電壓-時間型分段器進(jìn)行配合，假設(shè)配電網(wǎng)的A區(qū)域內(nèi)存在1個重合器，N個分段器，當(dāng)A區(qū)域內(nèi)某線路出現(xiàn)故障時，重合器會首先自動分閘，分段器在完全失壓后也會分閘，之后重合器延時重合，各個分段器會按照預(yù)先設(shè)定的恢復(fù)次序，依次延時X秒后自動合閘。若故障區(qū)段的分段器再次合閘，則重合器會立刻分閘，故障區(qū)段的分段器會因為在其合閘后Y秒內(nèi)檢測到跳閘從而閉鎖，實現(xiàn)故障隔離。重合器在第二次重合之后，即可依次恢復(fù)所有非故障區(qū)域的供電，而故障區(qū)域的分段器不會再次合閘。這樣的工作原理既不會擴(kuò)大故障范圍，又能在最短時間內(nèi)對非故障區(qū)域恢復(fù)供電。

智能分布式饋線自動化可以在故障出現(xiàn)后的毫秒級時間內(nèi)跳開距離故障區(qū)域最近的兩側(cè)電源開關(guān)，同時聯(lián)絡(luò)開關(guān)自動合閘，配電網(wǎng)形成環(huán)網(wǎng)運行。智能子站相互間可以進(jìn)行通信，實現(xiàn)信息交流，并及時執(zhí)行供電恢復(fù)方案，提高故障處理效率。

對于重合器式饋線自動化，其設(shè)備選擇應(yīng)遵循以下要求，所使用的重合器額定電壓應(yīng)大于配電網(wǎng)系統(tǒng)的額定電壓；重合器的動作電流應(yīng)大于重合點可能出現(xiàn)的最大故障電流，進(jìn)而能夠在出現(xiàn)故障時及時跳閘；重合器的長期工作額定電流應(yīng)大于線路的負(fù)荷電流，確保重合器可以長期工作；所使用的分段器額定電壓應(yīng)大于系統(tǒng)的最高工作電壓；分段器要串聯(lián)在重合器的負(fù)荷側(cè)，其長期工作的額定電流應(yīng)大于預(yù)期的負(fù)荷電流，額定瞬時電流應(yīng)大于可能出現(xiàn)的最大故障電流；分段器的熱穩(wěn)定電流應(yīng)大于線路的最大短路電流，其動、熱穩(wěn)定時間應(yīng)大于上級保護(hù)的斷開時間。

就地型饋線自動化技術(shù)，其優(yōu)點是不需要互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)的支持，也不需要遠(yuǎn)程控制中心的干預(yù)，結(jié)構(gòu)簡單，投資費用較低，但也有一定的局限性。由于對故障區(qū)域的具體位置需要進(jìn)行多次測定，因此配電網(wǎng)中的開關(guān)要頻繁動作才能找出準(zhǔn)確的故障點，這對配電網(wǎng)中的開關(guān)通斷能力要求很高，同時這種方式也會對用電設(shè)備有一定沖擊。在運行過程中不能對運行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，所以故障信息無法及時反饋到配電主站。

2.2 基于FTU的饋線自動化實現(xiàn)原理

基于FTU的饋線自動化技術(shù)是通過在變電所的出口斷路器或饋線分段開關(guān)上安裝FTU（Feeder Terminal Unit）設(shè)備，同時還應(yīng)在配電網(wǎng)的配電變壓器上安裝FTU設(shè)備，并建設(shè)可靠的通信系統(tǒng)，將這些安裝了FTU的變壓器和變電所出口與配電網(wǎng)控制中心的SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統(tǒng)連接起來，再配合相關(guān)的運算處理軟件，構(gòu)成一個高性能的饋線自動化系統(tǒng)?；贔TU的饋線自動化技術(shù)的控制單元及核心部件就是FTU，F(xiàn)TU在該系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，既能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，又能控制配電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部不同單元之間的連接。同時，F(xiàn)TU還具有監(jiān)控作用，屬于一種高度集成的自動化設(shè)備。

配電網(wǎng)在正常運行時，基于FTU的饋線自動化技術(shù)可以遠(yuǎn)程實時監(jiān)控分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)的狀態(tài)以及饋線電壓和電流的情況，通過遠(yuǎn)程控制手段，實現(xiàn)饋線中的開關(guān)遠(yuǎn)程合閘和分閘操作，優(yōu)化配電網(wǎng)的運行方式，從而最大化利用現(xiàn)有設(shè)備的能力，提高能量利用率，降低線路損耗。

配電網(wǎng)在出現(xiàn)故障時，基于FTU的饋線自動化技術(shù)可以及時獲得故障處的相關(guān)信息，自動判別并隔離故障區(qū)域，對于非故障區(qū)域及時恢復(fù)供電，最終達(dá)到減小停電范圍和縮短停電時間的目的。在基于FTU的饋線自動化技術(shù)的應(yīng)用中，由于不同類型的數(shù)據(jù)在傳輸時有著不同的時間限制，因此要保證線路數(shù)據(jù)的傳輸完整性以及系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)的快速性，這就要求系統(tǒng)中的通信網(wǎng)絡(luò)要有很強(qiáng)的抗干擾能力。

基于FTU的饋線自動化技術(shù)為全面實現(xiàn)配電自動化奠定了基礎(chǔ)。配電網(wǎng)在采用了該技術(shù)后，自動化程度會相當(dāng)高，但其缺點是對通信線路的依賴性較高，一旦通信設(shè)備出現(xiàn)問題，該系統(tǒng)的工作就會受到影響。同時，F(xiàn)TU復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也會導(dǎo)致其建設(shè)投資較為昂貴。

3 饋線自動化技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1 對配電網(wǎng)的整體監(jiān)控

隨著我國電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，配電環(huán)節(jié)在如今已經(jīng)形成了高度智能化的配電系統(tǒng)。饋線自動化技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用，能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控并在出現(xiàn)故障時及時反饋到總站。配電網(wǎng)在正常運行時，饋線自動化技術(shù)可以對用戶負(fù)荷、饋線狀態(tài)以及用電情況等進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)配電網(wǎng)中某個區(qū)域一旦出現(xiàn)故障，通過饋線自動化技術(shù)，能夠?qū)收线M(jìn)行快速響應(yīng)，反饋故障位置、故障電流和故障處的負(fù)荷容量等信息。

3.2 對系統(tǒng)電源進(jìn)行保護(hù)

在電能的生產(chǎn)和運輸過程中，配電網(wǎng)負(fù)責(zé)運送不同電壓等級的電能。這就導(dǎo)致配電網(wǎng)中的變電站數(shù)量較多，輸送的電壓也各不相同。因此，在配電網(wǎng)中只要出現(xiàn)一處線路故障，就會影響到配電網(wǎng)的整體運行。饋線自動化技術(shù)的應(yīng)用，其目的之一就是要保護(hù)系統(tǒng)的電源，該技術(shù)可以對配電系統(tǒng)的電源側(cè)進(jìn)行實時監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)某區(qū)域的饋電線路出現(xiàn)故障，就能及時進(jìn)行反饋，并快速將該區(qū)域的系統(tǒng)電源進(jìn)行隔離。同時應(yīng)保證非故障線路能夠通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)連接到其他電源，從而及時獲得電能，盡可能減少停電范圍和停電時間。

3.3 與互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)緊密結(jié)合

互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，切實提高了工業(yè)系統(tǒng)自動化程度和運行效率，這更為饋線自動化技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用提供了良好的平臺。饋線自動化技術(shù)中正是由于結(jié)合了通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，才能在配電網(wǎng)中實現(xiàn)種種控制功能。通信技術(shù)是饋線自動化技術(shù)所采用的核心技術(shù)之一，其特點就是響應(yīng)及時且準(zhǔn)確。當(dāng)某一饋線出現(xiàn)故障時，配電網(wǎng)中的智能設(shè)備會快速分析故障出現(xiàn)的位置，通過通信系統(tǒng)向總站做出反饋，總站會根據(jù)接收到的信息數(shù)據(jù)，通過互聯(lián)網(wǎng)通信向其他硬件設(shè)備發(fā)出指令，對故障線路進(jìn)行隔離和修復(fù)。由于配電網(wǎng)中出現(xiàn)的故障通常會造成較大范圍的影響，所以上述操作都要在極短的時間內(nèi)完成，如果沒有成熟的、現(xiàn)代化的互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)，就無法做到在短時間內(nèi)完成這些操作。

4 結(jié)語

智能配電網(wǎng)是以傳統(tǒng)配電網(wǎng)為基礎(chǔ)逐步發(fā)展起來的，是在傳統(tǒng)配電網(wǎng)的基礎(chǔ)之上，整合了眾多現(xiàn)代化的高新技術(shù)，尤其是饋線自動化技術(shù)的加入，使傳統(tǒng)配電網(wǎng)煥然一新，形成了一種具有高度智能的自動化配電網(wǎng)。與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，智能配電網(wǎng)在供電可靠性和供電質(zhì)量方面有了很大提高，運行方式更加靈活，對能源的利用效率也有所上升。同時更是能很好地利用分布式電源并協(xié)調(diào)其與用戶負(fù)荷之間的關(guān)系。饋線自動化技術(shù)在智能配電網(wǎng)中的重要作用之一就是在出現(xiàn)故障時能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)進(jìn)行保護(hù)，有利于配電網(wǎng)整體的安全運行、穩(wěn)定運行，提高配電網(wǎng)供電的可靠性。在不久的將來，饋線自動化技術(shù)還會進(jìn)行不斷的創(chuàng)新和發(fā)展，也會在越來越多的配電網(wǎng)中應(yīng)用，使傳統(tǒng)電網(wǎng)快速進(jìn)入智能化時代，為電力系統(tǒng)的全面智能化做出更大的貢獻(xiàn)。