智能配电网的 故障处理自动化技术 袁钦成,中国电力科学研究院 北京科锐配电自动化股份有限公司 2010/08/21,主要内容,一、概述 二、网络式保护技术－解决配网保护快速 性和选择性的矛盾 三、分布式智能技术－故障自动隔离、负 荷自动转供的可靠性更高 四、故障点自动定位技术－解决查找故障点的效率问题,一、概述,智能电网的特点是“自愈、安全、经济、清洁，能够提供适应未来社会经济发展需要的优质电力与服务” 自愈——实时掌控电网运行状态，及时发现、快速诊断和消除故障隐患；在尽量少的人工干预下，快速隔离故障、自我恢复，避免大面积停电的发生，提升电网运行的可靠性 配电系统故障处理自动化技术：解决配电网故障的自动切除、故障区段的自动隔离、非故障区域的自动恢复供电、故障点的自动定位问题，提高供电可靠性配电系统的故障处理过程的三个阶段：,1、故障发生瞬间，故障的开断和清除 一般在毫秒级时间内完成问题：选择性和快速性的矛盾一般技术只能是变电站出口断路器跳闸，扩大了停电范围 2、故障处理的第二阶段：故障区段的隔离和非故障区域的恢复供电 持续时间一般是秒级至分钟一般采用集中控制方案，存在缺陷，可靠性不高 3、故障处理的第三个阶段是故障点的定位和排除故障。
通常需要数十分钟至若干小时配电网故障点精确定位困难，故障查找时间一般占故障处理时间的50％，供电可靠性的提高受到限制二、网络式保护技术－解决配网保护快速性和选择性的矛盾,传统电流保护的问题： 现象：城市配网线路短、多开关串联，短路电流差别小，保护的电流定值配合困难用时间配合，会造成出口保护的动作时间太长，因此一般都是变电站出口跳闸，停电时间长，停电范围扩大 原因：传统的配电系统电流保护其实质是一个独立的单元保护，它只检测流过所监测开关的电流而决定保护的动作与否及动作延时，而不关心相邻开关的保护动作情况，这是造成相邻保护相互配合困难的主要原因网络式保护的原理,保护监测的范围由一个点扩大到相联开关甚至串联的一组开关，则上下级保护的配合可以理解为保护的内部协调 现代计算机技术和网络技术的发展，使得我们借助于网络通信实现保护之间的协调而成为可能 不同地点的模拟量在当地检测完成，只是将检测结果的数据信息、保护判别结果的状态信息、开关状态信息等通过网络由不同保护进行共享，以达到不同地点保护之间协调和配合， 网络式保护的核心目标：实现保护的快速性和选择性的统一 两种模式：基于主从式通信网络的网络式保护和基于对等式通信网络的网络式保护。
F,传统保护问题：保护配合困难 网络式保护：任一点故障均可以有选择性的速断跳闸 特点：解决了选择性和快速性的矛盾网络式保护在架空线路的应用,网络式保护技术在变电站的应用,利用CAN总线进行高速数据交换，可以实现站内网络式保护，保证任一点故障时，能实现故障的快速隔离,利用CAN总线进行高速数据交换，可以实现站内网络式保护，保证任一点故障时，能实现故障的快速隔离,智能环网柜组成的电缆环网方案,,,,F3,F5,,,,,,,,,,,,,,S1,S2,T1,T2,T3,S3,T4,,,,,,,RDCU-3A控制器,三、分布式智能技术－故障自动隔离、负荷自动转供的可靠性更高,（1）现有的故障隔离和转供的集中控制方式： 对通信通道和主站依赖性太强，控制可靠性低 （2）传统的分段器和重合器方案，不利用信道交换信息，动作效率不高,电压分段器工作原理,,,,,,,,F,,特点：不需要主站和通信 缺点：只检测电压、动作次数多 应用状况：日本应用较多,电流计数型分段器工作原理,,,,,,F,,特点：不需要主站和通信 缺点：只检测电流、不适合主环路 应用状况：一般与重合器配合使用,,,,,重合器工作原理,,,,,,CB1,,,S1,,S2,,S3,S4,S5,CB2,,,,,,,,,,,,,,,,,,F,,特点：不需要主站和通信，可以自己切断故障，增加环网功能后可以进行故障隔离和供电转供 缺点：保护配合比较困难,,综合型分布智能模式,综合检测电流电压 综合了电压分段器、电流分段器和重合器的优点 不依赖通信，但可以利用通道提高效率 与各种开关集成构成智能柱上开关 适合在主环路或分支回路,综合型分布智能模式 在架空网中的应用,柱上开关可使用负荷开关或断路器 实现故障自动隔离、自动转移供电 支持两电源或三电源、四电源系统 没有通信通道也可以实现故障隔离和电源转供及供电恢复 有通信时可自动升级实现远程自动化功能 故障就地处理：可靠性高、速度快 适应不同阶段的自动化要求,,,,自动隔离故障分支,故障自动隔离和转供,RDCU-1A控制器,分布式智能模式在电缆网应用,智能环网柜进出线开关可使用负荷开关或断路器 出线故障只跳出线 内部故障自己隔离 主环故障时自动隔离故障区段、自动转移供电 不依赖通信实现自动化功能 有通信时自动实现远程自动化,智能环网柜组成的电缆环网方案,,,,F3,F5,,,,,,,,,,,,,,S1,S2,T1,T2,T3,S3,T4,,,,,,,RDCU-3A控制器,工程应用,以分布式智能技术为基础的故障隔离和转供方案，由于不依赖通信道和主站会使得控制方案更可靠； 由于可以逐步升级，因此适合分步实施。
利用该技术设计的智能柱上开关和智能环网柜已经在工程中广泛应用智能环网柜,特点： 1、GRC外壳、纯户外设计、共箱式结构 2、进出线开关断路器和负荷开关可选 3、实现网络式保护功能，故障就地快速切除 4、分布式智能控制功能：自动隔离故障区段，自动转移供电 5、FTU功能内置：实现四遥和配电自动化,智能重合器、断路器,特点： 1、永磁操作机构，稳定、可靠、寿命长 2、可安装在变电站出线、线路分段、线路分支处 3、实现网络式保护功能，故障就地快速切除 4、分布式智能控制功能：自动隔离故障区段，自动转移供电 5、FTU功能内置：可实现实现四遥和配电自动化,四、故障点自动定位技术－解决查找故障点的效率问题,1、短路故障指示器的原理和应用 2、故障指示器的最新发展 （1）单相接地故障检测和指示 （2）带通信的故障远程指示和故障自动定位系统,故障指示器原理、现状、分类,1、故障指示器：一种安装在配电线路上指示故障电流通路的智能装置 2、批量安装故障指示器是一种最实用的配电自动化方案 3、不需要开关和智能控制器就能实现实现故障定位，因而更经济 4、与用开关和智能控制器进行故障区段定位和隔离不同，由于故障指示器成本低，因而安装数量可以更多，故障区段定位可以更精确，从而大大缩短故障巡查时间,短路故障指示器原理和应用,6kV-35kV 架空线导线 电缆 母排,用于指示短路故障电流通路，确定故障分支和故障点,适用范围,功能,工作原理,过流动作的指示原理,类似于过流继电器，当线路中流过的电流大于其设定值时，故障指示器给出动作信号。
自动适应负荷变化的故障指示器原理,该原理获得国家发明专利： 指示器自动适应负荷变化，指示器是否动作动作主要取决于故障电流分量而不是总电流智能化程度高，判据比较全面，可以大大减少误动的可能性； 架空线型故障指示器,2、故障指示器的最新发展,（1）单相接地故障检测和接地故障指示器 单相接地故障检测方案方案 （2）故障信号远传、故障自动定位系统,（1）单相接地故障检测、选线和定位技术,单相接地故障检测是世界难题,对于中性点非直接接地的配电系统来说，配电线路上单相接地故障点的定位是世界难题 目前大多数产品主要用在变电站接地选线 配电线路上单相接地故障点定位是供电部门迫切需要解决的问题,传统的接地故障检测方法的局限性,1、零序电流和零序电压的检测方法不适合在架空线路上的故障指示器使用 2、需用比较各出线和各分支的检测结果的方法不适合在故障指示器上直接使用 3、随系统结构变化而变化、随接地情况变化而变化的故障特征不适合用在在故障指示器上作为故障检测判据 所以需要设法产生一个容易检测的故障特征信号,在变电站接地变压器的中性点对地之间接入可控的中电阻（100多欧姆）故障时在变电站接地变的中性点上（无中性点时可接在母线上）的动态阻性负载信号源自动短时投入, 在变电站和现场接地点之间产生特殊的小的编码信号电流，通过对信号源对地电阻的编码控制，产生叠加在负载电流上的编码信号电流。
变电站出线和线路分支点处安装的接地故障指示器，检测这个电流信号，可自动动作指示，达到指示故障的目的 系统组成： 信号源装置+故障检测装置,主要原理：,变电站中阻智能接地法,变电站接线示意图（接在中性点）,,,,,北京科锐,Jan 2007,,故障发生后： （1）信号源延时投入；（2）变电站出线的故障指示器指示出故障出线（k号指示器动作）；（3）选线装置自动显示和记录故障出线（4）线路上故障通路上的的故障指示器k1-k3自动翻牌，给出红色指示故障指示器,,配电自动化,北京科锐,Jun.2001,将故障指示器的动作状态通过适当的通信方式送到控制中心的以GIS为基础的计算机监控系统，实现在地理图上的故障自动定位,,接地故障信息处理过程,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,GSM通信网,架空探头,探测短路和接地信号 利用翻牌给出故障指示 利用无线信号传输故障信息 无线发射频率419MHz 66位加密码，有效防止误动 工作温度：-45ºC~85ºC,架空系统故障指示器安装示意图,正常状态,动作状态,架空子站,接收探头发射的故障信息调制的无线信号并进行解调 对解调后的信号进行解密计算并判断是否正确 将故障信息以短消息的方式发送给主站系统 定期报告子站运行状态 对后备电源的充放电进行管理,架空子站,,架空系统指示器和子站配置示意图,,架空系统子站安装示意图,电缆系统故障指示器,该产品适用于小电流接地系统或小电阻接地系统的故障定位。
由三部分组成： 1、三个安装在相线上的故障检测探头，检测相间短路故障 2、一个接地故障指示器（检测零序电流信号）检测接地故障 3、一个安装在开关柜面板上的故障指示器，显示并传输故障信号3、面板型故障指示器,2、接地故障指示器,1、短路故障指示器,,,,电缆子站,电缆系统指示器和子站配置示意图,SFI：短路故障指示器 EFI：接地故障指示器,故障指示器和子站安装示意图,,,电缆型指示器和子站安装示意图,子站,,指示器,,,中心站功能,实现通信管理和数据集中功能它向下与各个子站通信，负责收集现场探头的故障信息，向上与主站通信，传送所收集的数据具备基本的通信连接、协议转换、信息收集、缓存和处理功能具备与第三方软件接口的功能主站,集GIS（地理信息系统）和MIS（管理信息系统）于一体，它既可用来实时监测配电网络状态和故障，并自动确定故障位置，便于电路的维护和事故抢修，又可用来对配电网设施进行管理，便于设施信息的录入、查询和统计,主站,实时搜集故障指示器动作信息和网络拓扑数据 ——故障指示器的动作信息和网络拓扑数据的一致性原则 故障通路和故障点的查找 纠错和补漏 GIS支撑平台 将故障点发给中心站 配电网图形编辑 ——创建和修改配电网网络图,包括电力线路、杆塔、开关、变电站、开闭所和故障指示器,基于GIS的故障定位,,基于主接线图的故障定位,,在故障定位系统基础上升级的二遥系统,目的：实现实现故障的快速定位，减少故障巡查和故障处理时间；实时监测电流和开关状态，实现对电网的基本监测 设备：故障指示器＋监测终端 特点： 不需要改造现有一次设备、投资省、见效快、容易实施、容易推广,在故障定位系统基础上升级的二遥系统,新型的带电流测量功能的短路故障指示器主要用于电缆线路的短路故障检测及线路负荷电流的测量。
指示器正常情况下监测电缆线路的负荷电流，并定时上传负荷电流数据当线路出现短路故障或接地故障时，指示器自动识别短路故障电流特征（或接地信号电流特征），并给出短路（或接地）故障指示信号，同时通过塑料光纤将故障信号以及电流信息上传给光纤数据采集器及面板型指示器 二遥通信。