一种电缆线路新型就地馈线自动化模式

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1、一种电缆线路的新型就地馈线自动化模式张维 1，张喜平 2，郭上华 1，杨献志 2，赵文博 2（ 1.珠海许继电气有限公司，广东 珠海 519060； 2.中山供电局，广东 中山 528400） 摘 要：讨论了电缆线路的新型就地馈线自动化模式， 提出了主干线采用 GPRS 馈线单元网 络拓扑的区域故障定位与隔离， 分支线采用就地分界保护功能， 与变电站出口断路器级差配 合的策略。详细论述了该策略的原理和方案，着重讨论了单元式网络拓扑机制和基于 3G 无 线专网的双通道通信机制：信息畸变、信息交互机制、信息交互时空特性、 信息交互安全特 性；给出了配套产品的整体设计， 并在中山局五桂山进行了工程示

2、范， 验证了可靠性和准确 性，对现有 10kV 电缆网馈线自动化的探索具有较大的理论和实践指导意义。关键字： 电缆网； 3G；馈线自动化；故障定位0 引言10kV 配电网架空线路馈线自动化经过十余年的发展， 基于二遥配电终端的电压时间型、 电流计数型等就地馈线自动化模式得到大规模应用 , 相间短路故障和小电阻系统接地故障得 到了有效的诊断 1-3 ；与此同时，随着对等分布式信息交互的智能分布式 FA模式4-5 的提出 和发展，架空线路的供电可靠性有望得到进一步提高。然而 10kV 电缆线路馈线自动化的建 设多年来发展缓慢，目前仅部分 A+ 区采用光纤通信实现了主站集中型或智能分布型的故障 自动

3、定位与隔离， 但受制于光通信网络铺设难以大面积推广； 一部分地区引入电压时间型模 式实现就地型故障自动定位与隔离 6 ，其余地区依靠故障指示器实现故障自动定位 7。传统 就地馈线自动化模式和故障定位技术虽然有效地降低了故障平均影响台区数量， 但故障的自 动隔离和非故障区域恢复供电较长， 已逐渐不能满足用户对供电质量及可靠性的要求。 因此 探索一种进一步提升供电可靠性、 经济实用、 易于推广的电缆网馈线自动化模式， 具有十分 重大的意义。1电缆线路馈线自动化模式提出如前节所述， 目前国内对于电缆网线路馈线自动化模式的研究集中在以下两个方向：1）不依赖于通信的就地馈线自动化模式， 如文献 8-9

4、提出的分层分区、 两级级差保护配合电压 时间型逻辑的故障就地隔离模式； 2）基于光纤通信的智能分布 FA 模式，如文献 10-11 提 出的基于 GOOSE 传输的实时网络拓扑识别、故障定位与隔离，恢复供电的策略。前者投资 小，见效快，供电可靠性偏低；后者投资大，建设周期长，供电可靠性高。基于此，本文结合笔者所在项目组的工程经验和技术积累，将 “不依赖于通信”重新定 义为“不依赖于通信数据的同步性和高实时性”， 提出一种新型就地馈线自动化模式， 即基 于继电保护和 3G 网络重构的分层分界区域故障定位与隔离策略， 实现馈线单元主从拓扑重 构模式，完成线路的故障定位隔离与转供。该策略采用双通道通

5、信方式借助于 3G 专网，可 不受通信通道空间制约实现数据纵横两向传递， 利用各节点状态信息完成主干线故障的定位与隔离及快速复电； 利用分界断路器成套设备与变电站出口断路器级差配合， 实现分支线路 的故障就地隔离；对无线专网采用 IPSec VPN 安全认证、加密和身份识别技术，充分保证 了智能设备之间信息安全交互。2 区域故障定位与隔离策略2.1 新型电缆线路馈线自动化典型系统架构配置电缆线路典型系统构架如图 1 所示。1）出口变电站 CB1 和 CB2 设定速断时限为 0.3s。2）主干线分段开关 K1K5 配置自动化负荷开关，采用基于 GPRS 通信的分布式 FA 馈 线自动化， 主干线

6、 FTU 之间通过 GPRS 通信网络交换配电线路各节点故障状态、 开关位置、 开关拒动等相关信息；智能分布 FA 功能结合静态网络拓扑信息、线路故障信息、开关动态 位置信息和各 FTU 的 GPRS 通信状态判断所控制开关的运行状态，确定所控制开关的动作 逻辑。3）分支出线配置自动化断路器，采用就地保护功能，速断时限为0s，与变电站出口断路器 CB1 和 CB2 构成级差配合，实现分支线故障就地切除。4）各 FTU 和 FDR 自动化终端通过另一个通道与主站进行信息交互，实现正常的二遥 数据上送。图1 典型方案系统构成图Fig.1 Typical system configuration2.

7、2 主干线主从网络拓扑重构模式基于对等通信的分布式 FA ，其拓扑重构较复杂、繁琐，一旦出现节点变动或新增，整 个网架拓扑的 ID 必须重新演算，考虑到我国现有 10kV 电缆网线路的网架结构往往在使用 过程中会变动调整， 本文采用馈线单元主从网络拓扑重构模式， 只需更改该节点及顺序以下 节点 ID ，依靠主节点注册相关 ID 并下发配置文件即可适应新网架，减少维护量。本文参考文献 12-13 所提出的原则和意见， 在非健全机制下充分考虑各种不良因素， 并 结合工程现场进一步简化和实用化。 馈线单元主从网络拓扑重构模式的拓扑信息建立， 可简 化为负荷开关为节点，线路为边。故障处理所需要的开关信

8、息包括：设备编号，相邻节点编 号，类型，状态以及是否有故障信息等。定义编号为 i 的开关的故障信息函数 f（ i），如 下：1）f（i ）1,节点有故障特征量0, 节点无故障特征量该模式下的主干线故障定位与隔离逻辑遵循以下原则：总原则：每一条基于 GPRS 分布智能的馈电线路均配置 1 台 FTU 作为分布智能主控制 装置，即主节点，其他 FTU 为从节点。当线路出现故障时，所有从节点向主节点发送线路 故障数据，主节点根据线路拓扑信息和线路故障信息确定故障区段，再通知相应的从节点。 依据区域拓扑结构信息和分布式算法进行分析判断， 确定故障区域， 完成故障区域的隔离和 复电； 并且还根据通信故障

9、信息、设备异常信息、 保护信号失真信息、 开关拒动信息等畸变 信息决定后备保护、远后备保护策略。分布式故障定位：以被保护的对象为一个逻辑区域（如开关 CB1 和 K1 之间的配电线 路区段、开关 K1 和 K2 之间的配电线路区段、开关 K2 和 K3 之间的配电线路区段、开关K3 和 LS 之间的配电线路区段）；逻辑区域为点，与逻辑区域相连接的开关为边，逻辑区域内相关联的开关只有一个开关有故障电流，其他开关无故障电流， 则该逻辑区域为故障区域，如图 2 所示。K11K12F2 K14F3/4 K15FC1B1电源区域CB ？ 变电站出口断路器电判图断源区区域域2 逻C辑BF？区变电域站出口关

10、断路联器 图Fig.2 Associated logic region盲区故障定位：变电站出线断路器 CB1 和 CB2 之后的线路第 1 台开关之间的故障通过 转发服务器和 K1 、K1主控制单元交互信息隔离故障并恢复故障负荷侧非故障区段的供电。故障隔离：由主节点 K1 综合线路各开关 K1K5 及 LS 的故障信息， 使用分布智能方法定位故障， 将故障信息分别发送至故障两侧自动化点， 由自动化点依据接收到的故障信息和自身故障信息，主动识别并发出跳闸命令，从而隔离故障。 联络转供：由主节点综合故障后开关动作状态信息，向 LS 发出故障成功隔离信息。 LS 接收到该信息后，进入转供逻辑判断，完

11、成转供。后备保护： 当故障区段两侧有多个通信模块或一二次设备异常时， 由相邻的电源侧或负 荷侧分段开关后备保护分闸，隔离故障。模式切换： 当通信通道处于非正常状态， 整个分布式处理机制退出， 自动切换到就地传 统的电压时间型馈线自动化模式。2.3 分支线两级级差保护模式将分支线与变电站出口保护两级级差配合， 另外考虑分支分界和用户分界同时存在， 可 同时跳闸， 依靠分支自动化设备一次重合实现故障定位与隔离； 考虑到现有设备的制造工艺 水平以及电缆线路短路电流承受水平，变电站 10kV 电缆出口断路器 “速断保护时间 ”可调整 一定延时，一般为 0.3s。如图 3 所示，根据线路或用户分布情况，

12、分支线配置分支线分界断由于该模式和相关技术路器，原则上按照 0.15s 进行级差配合，对于分支线分界断路器和用户分界断路器均为 0s的情况下， 可通过分支线分界断路器重合闸来实现用户故障的处理。产品比较成熟，本文不再赘述。图3 分支分界示意图Fig.3 Branches and boundaries3 双通信通道的 3G 无线专网通信如前文所述，采用双通信通道的 3G 无线专网通信传递各节点状态信息，可以摒除主站 集中型由于数据广播风暴、 信息拥塞情况而导致的配电网自动化功能瘫痪； 也可以充分发挥 无线网络传输空间制约小、建设周期短、建设费用低的优势；同时针对无线专网采用 IPSec VPN

13、安全认证、加密和身份识别技术，充分保证了智能设备之间信息安全交互常规无线通 信利用公共移动通信网络，通信数据流如图 4 所示。图4 信息流原理示意图Fig.4 Information Flow由于本文提出的策略依赖于3G 专网通信，则必须充分研究信息畸变、信息交互机制、配电主站信息交互时空特性、信息交互安全特性四大方面的问题。3.1 信息畸变情况分析与处理当馈线发生故障而设备有异常信息、 保护信号失真信息、 开关拒动信息、 通信故障信息 时，为正确隔离故障，缩小故障隔离范围，按照分布式馈线自动化故障判定原则， 当某开关 收到相邻开关的异常信息或判定有畸变信息， 并且该开关流经故障电流时， 开关

14、分闸。 若开 关未经历故障电流则开关不动作，其描述为：AxINx & &ROx式中： Ax为开关 x 的动作逻辑值，逻辑 0 为不动作，逻辑 1 为动作分闸； INx为开关 x 的故障电流逻辑值，其描述为：INx1,II0,IIIcIC3)式中：I I为流过开关的负荷电流值； Ic 为开关的电流保护整定值。ROx为开关 x 的相邻设备畸变信息逻辑值，其中逻辑1 为相邻设备有畸变信息，逻辑 0为相邻设备无畸变信息。开关 x 的描述为：xROx1 ROx 2 . ROxn式中： ROxj( j=1,2, n,)为开关 x 相邻设备的畸变信息逻辑值，逻辑值 1 为有畸变信息， 逻辑 0 为无畸变信息

15、。3.2 信息交互机制在采用无线 GPRS 通信方式的网络通信系统中，不可避免地会出现数据包丢失的情况。 数据包丢失可能是节点失败、 网络拥塞和数据碰撞造成的。 因为网络带宽有限， 且传输通道 由系统中各节点共享， 因此在某一时间内能够存取数据的传输通道和系统发信源的数目是有 限的，当负载较大时， 很容易发生节点失败、 网络拥塞和数据碰撞等情况， 造成数据包丢失。因此为了减少无线 GPRS 通信方式下数据丢包率， 增加数据传输重发机制， 并提高容错 处理能力。信息交互机制如图 5 所示。T图 5 信息交互机制示意说明Fig.5 Information interaction mechanism3.3 信息交互时空特性信息交互时空特性主要分析信息报文的传输路径、 传输时延、 信号强度等， 如图 6 所示。图 6 总传输时间定义Fig.6 Total transmission time传输时间指从发送方将数据内容置于其传输栈项时刻开始， 直到接收方从其传输栈中取出数据时结束；传输路径指智能装置 DSl 的功能 Fl 把报文发送到位于智能装置 PD2 中的功能 F2 的整个流程。发送节点和接收节点各需经历3 个步骤。发送节点需要经过如下 3 个步