配電網饋線自動化

1、36935-6a 主編第6章配電網饋線自動化6.1饋線自動化模式6.2基于重合器的饋線自動化6.3基于饋線監(jiān)控終端的饋線自動化6.4饋線自動化系統(tǒng)設計6.1饋線自動化模式1.就地控制模式2.遠方集中監(jiān)控模式1.就地控制模式(1)利用重合器和分段器(2)利用重合器和重合器(3)利用點對點通信(1)利用重合器和分段器這是在通信技術尚不發(fā)達、配電網自動化發(fā)展的初始階段所采用的做法，主要方式是重合器(斷路器)加分段器。以架空環(huán)網為例，變電站出線開關采用重合器，其他的柱上開關為分段器。(2)利用重合器和重合器線路上開關均采用重合器，采用重合器作為饋線分段開關。重合器具有切斷短路電流的能力，并且自身具有保

2、護與自動化功能。(3)利用點對點通信采用具有電動操作機構的負荷開關或環(huán)網柜作為饋線分段開關，同時配置具有通信功能的饋線監(jiān)控終端。在線路故障、變電站出線斷路器跳閘后，線路各分段負荷開關的饋線監(jiān)控終端間通過點對點通信交換故障信息，經饋線監(jiān)控終端分析判斷，識別故障區(qū)段，并自動隔離故障，自動恢復非故障區(qū)段的供電。2.遠方集中監(jiān)控模式遠方集中監(jiān)控模式由變電站出線斷路器、各柱上負荷開關、饋線監(jiān)控終端、通信網絡、配電主站組成。每個開關或環(huán)網柜的饋線監(jiān)控終端要與配電主站通信，故障隔離操作由配電主站以遙控方式集中控制。6.2基于重合器的饋線自動化6.2.1重合器的功能6.2.2分段器的分類和功能6.2.3重合器

3、與電壓-時間型分段器配合6.2.4重合器與過電流脈沖計數型分段器配合6.2.5基于重合器的饋線自動化系統(tǒng)的不足6.2.1重合器的功能重合器是一種具有控制及保護功能的開關設備，它能按照預定的開斷和重合順序自動進行開斷和重合操作，并在其后自動復位或閉鎖。6.2.2分段器的分類和功能1.電壓-時間型分段器2.過電流脈沖計數型分段器1.電壓-時間型分段器圖6-1電壓-時間型分段器的接線原理2.過電流脈沖計數型分段器過電流脈沖計數型分段器通常與前級的重合器或斷路器配合使用，它不能開斷短路故障電流，但在一段時間內，能記憶前級開關設備開斷故障電流的動作次數。在預定的記憶次數后，在前級的重合器或斷路器將線路從

4、電網中短時切除的無電流間隙內，分段器分閘，隔離故障。若前級開關設備開斷故障電流的動作次數未達到分段器預設的動作次數，分段器在一定的復位時間后會清零動作次數并恢復到預先整定的初始狀態(tài)，為下一次故障做好準備。6.2.3重合器與電壓-時間型分段器配合1.輻射狀網故障區(qū)段隔離2.環(huán)狀網開環(huán)運行時的故障區(qū)段隔離3.重合器與電壓-時間型分段器配合的整定方法1.輻射狀網故障區(qū)段隔離1)輻射狀網正常工作的情形。2)在c區(qū)段發(fā)生永久性故障后，重合器A跳閘，導致線路失電壓，造成分段器B、C、D和E均分閘。3)事故跳閘15s后，重合器A第一次重合。4)經過7s的X時限后，分段器B自動合閘，將電供至b區(qū)段。5)又經過

5、7s的X時限后，分段器D自動合閘，將電供至d區(qū)段。6)分段器B合閘后，經過14s的X時限后，分段器C自動合閘。7)重合器A再次跳閘后，又經過5s進行第二次重合，分段器B、D和E依次自動合閘，而分段器C因閉鎖保持分閘狀態(tài)，從而隔離了故障區(qū)段，恢復了健全區(qū)段供電。1.輻射狀網故障區(qū)段隔離圖6-2輻射狀網故障區(qū)段隔離的過程a)正常運行b)f)故障隔離過程g)故障隔離2.環(huán)狀網開環(huán)運行時的故障區(qū)段隔離1)該開環(huán)運行的環(huán)狀網正常工作的情形。2)在c區(qū)段發(fā)生永性故障后，重合器A跳閘，導致聯絡開關左側線路失電壓，造成分段器B、C和D均分閘，聯絡開關E啟動XL計時器。3)事故跳閘15s后，重合器A第一次重合。

6、4)又經過7s的X時限后，分段器B自動合閘，將電供至b區(qū)段。5)又經過7s的X時限后，分段器C自動合閘，此時由于c區(qū)段存在永久性故障，再次導致重合器A跳閘，從而線路失電壓，造成分段器B和C均分閘。6)重合器A再次跳閘后，又經過5s進行第二次重合，7s后分段器B自動合閘，而分段器C因閉鎖保持分閘狀態(tài)。7)重合器A第一次跳閘后，經過45s的XL時限后，聯絡開關E自動合閘，將電供至d區(qū)段。2.環(huán)狀網開環(huán)運行時的故障區(qū)段隔離8)又經過7s的X時限后，分段器D自動合閘，此時由于c區(qū)段存在永久性故障，導致聯絡開關右側線路的重合器跳閘，從而右側線路失電壓，造成其上面的所有分段器均分閘。9)聯絡開關以及右側的

7、分段器和重合器又依順序合閘，而分段器D因閉鎖保持分閘狀態(tài)，從而隔離了故障區(qū)段，恢復了健全區(qū)段供電。2.環(huán)狀網開環(huán)運行時的故障區(qū)段隔離圖6-3環(huán)狀網開環(huán)運行時故障區(qū)段隔離的過程a)正常運行b)h)故障隔離過程i)故障隔離3.重合器與電壓-時間型分段器配合的整定方法(1) 分段器的時限整定(2) 聯絡開關的時限整定(1) 分段器的時限整定1)確定分段器合閘時間間隔，并以聯絡開關為界將配電網分割成若干以變電站出口重合器為根的樹狀(輻射狀)配電子網絡。2)在各配電子網絡中，以變電站出口重合器合閘為時間起點，分別對各個分段器標注其相對于變電站出口重合器合閘時刻的絕對合閘延時時間，并注意不能在任何時刻有兩

8、臺及兩臺以上的分段器同時合閘。3)某臺分段器的X時限等于該分段器的絕對合閘延時時間減去其父節(jié)點分段器的絕對合閘延時時間。(2) 聯絡開關的時限整定1)確保開環(huán)運行方式，即不會出現兩臺聯絡開關同時合閘的現象。2)可以事先確定營救策略的優(yōu)先級，比如，L1為第一方案，L2為第二方案，Lm為第m方案。3)第一方案失靈后可啟動第二方案，第二方案失靈后可啟動第三方案，以此類推。4)在采用第二方案、第三方案或備用方案時，同樣可確保開環(huán)運行方式，即不會出現兩臺聯絡開關同時合閘的現象。圖6-4配電網實例6.2.4重合器與過電流脈沖計數型分段器配合1.隔離永久故障區(qū)段2.隔離暫時性故障區(qū)段1.隔離永久故障區(qū)段1)

9、該輻射狀網正常工作的情形。2) 在c區(qū)段發(fā)生永久性故障后，重合器A跳閘，分段器C計過電流一次，由于未達到整定值2次，因此不分閘而保持在合閘狀態(tài)。3)經一段延時后，重合器A第一次重合。4)由于再次合到故障點處，重合器A再次跳閘，并且分段器C的過電流脈沖計數值達到整定值2次，因此分段器C在重合器A再次跳閘后的無電流時期分閘并閉鎖。5)又經過一段延時后，重合器A進行第二次重合，而分段器C保持在分閘狀態(tài)，從而隔離了故障區(qū)段，恢復了健全區(qū)段的供電。1.隔離永久故障區(qū)段圖6-5重合器與過電流脈沖計數型分段器配合隔離永久性故障區(qū)段的過程a)正常運行bd)故障隔離過程e)故障隔離2.隔離暫時性故障區(qū)段1)輻射

10、狀網正常工作的情形。2)在c區(qū)段發(fā)生暫時性故障后，重合器A跳閘，分段器C計過電流一次，由于未達到整定值2次，因此不分閘而保持在合閘狀態(tài)。3)經一段延時后，暫時性故障消失，重合器A重合成功恢復饋線供電，再經過一段整定的時間以后，分段器C的過電流計數值清除，又恢復到其初始狀態(tài)。圖6-6重合器與過電流脈沖計數型分段器配合處理暫時性故障的過程a)正常運行b)故障隔離過程c)故障消失2.隔離暫時性故障區(qū)段6.2.5基于重合器的饋線自動化系統(tǒng)的不足1)采用重合器或斷路器與電壓-時間型分段器配合時，當線路故障時，分段器不立即分斷，而要依靠重合器或位于變電站的出線斷路器的保護跳閘，導致饋線失電壓后，各分段器才

11、能分斷。2)基于重合器的饋線自動化系統(tǒng)僅在線路發(fā)生故障時發(fā)揮作用，而不能在遠方通過遙控完成正常的倒閘操作。3)基于重合器的饋線自動化系統(tǒng)不能實時監(jiān)視線路的負荷，無法掌握用戶用電規(guī)律，也難于改進運行方式。6.3基于饋線監(jiān)控終端的饋線自動化6.3.1系統(tǒng)概述6.3.2饋線故障區(qū)段定位算法簡介6.3.3基于網基結構矩陣的定位算法6.3.4基于網形結構矩陣的定位算法6.3.1系統(tǒng)概述圖6-7系統(tǒng)結構圖6.3.1系統(tǒng)概述1)實時性。2)容錯性。1)實時性。故障區(qū)段定位必須在很短的時間內完成。配電網故障的快速、準確定位，可以節(jié)省大量的人工現場巡查及操作，及時修復系統(tǒng)，保證可靠供電，對保證整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定

12、和經濟運行都有重要的作用。2)容錯性。配電網的故障區(qū)段定位算法應考慮故障信息的不確定性。近年來，隨著配電網規(guī)模的不斷擴大，配電網中的電源點和節(jié)點的數量也在不斷增多；配電網中饋線監(jiān)控終端所處的環(huán)境比較惡劣，受強電磁、雷電、溫度、濕度等因素的影響；在數據傳輸時，還可能因信道受到干擾而產生數據丟失及錯誤等問題。因此，主站系統(tǒng)所得到的數據可能會不完整或包含錯誤信息。6.3.2饋線故障區(qū)段定位算法簡介1.人工智能型配電網饋線故障區(qū)段定位算法2.矩陣運算型配電網饋線故障區(qū)段定位算法3.其他算法1.人工智能型配電網饋線故障區(qū)段定位算法系統(tǒng)的信息主要來自戶外饋線監(jiān)控終端，因其所處的環(huán)境較差，配電網故障信息受干

13、擾、畸變或丟失的可能性較大，從而影響故障區(qū)段定位的正確性。近年來出現了一些具有抗干擾性能的人工智能型算法，如遺傳算法、神經網絡和模式識別算法、Petri網理論、利用專家系統(tǒng)的方法等。遺傳算法應用于故障診斷的基本思路是首先建立診斷的數學模型，然后用遺傳操作求解。2.矩陣運算型配電網饋線故障區(qū)段定位算法矩陣算法因其簡明直觀、計算量小等特點，應用更為廣泛。這類方法首先針對配電網的拓撲結構獲得一個網絡描述矩陣，在發(fā)生故障時，根據饋線分段開關處和主變電站處的饋線監(jiān)控終端上報的過電流信息生成一個故障信息矩陣，通過網絡描述矩陣及故障信息矩陣的運算得到故障判定矩陣，由故障判定矩陣就可判斷和隔離故障區(qū)段了。3.

14、其他算法應用粗糙集理論的方法把保護和饋線監(jiān)控終端的信息作為故障分類的條件屬性集，考慮了各種可能發(fā)生的故障情況，以此建立決策表，然后實現決策表的自動化簡和約簡的搜索，并利用決策表的約簡形式，區(qū)分關鍵信號和非關鍵信號，直接從故障樣本中導出診斷規(guī)則，從而達到在不完備信息模式下的快速故障診斷。6.3.3基于網基結構矩陣的定位算法1.網基結構矩陣D2.故障信息矩陣G3.故障判斷矩陣P1.網基結構矩陣D圖6-8一個簡單的配電網1.網基結構矩陣D2.故障信息矩陣G3.故障判斷矩陣P假設饋線上發(fā)生單一故障，故障區(qū)段顯然位于從電源到末梢方向第一個未經歷故障電流的節(jié)點和最后一個經歷了故障電流的節(jié)點之間。因此故障區(qū)

15、段兩側的開關必定一個經歷了故障電流，另一個未經歷故障電流。而且故障區(qū)段的一個沒有故障信息節(jié)點的所有相鄰節(jié)點中，不存在兩個以上的節(jié)點有故障信息。也即如果一個未經歷故障電流節(jié)點的所有相鄰節(jié)點中，若存在兩個節(jié)點經歷了故障電流，則該節(jié)點不構成故障區(qū)段的一個節(jié)點。3.故障判斷矩陣P3.故障判斷矩陣P（6-5）例6-2分析圖6-9所示的一個較復雜的配電網故障區(qū)段判定方法。圖6-9一個較復雜的配電網（6-6）（6-7）（6-8）（6-9）（6-10）（6-11）（6-12）6.3.4基于網形結構矩陣的定位算法基本算法(1)網形結構矩陣C(2)故障信息矩陣G(3)故障區(qū)間判斷矩陣P(4)故障區(qū)段定位判據(1)

16、網形結構矩陣CN節(jié)點網絡，網形結構矩陣C為NN矩陣，其元素定義如下：如果節(jié)點i有子節(jié)點j，則cij=1，否則cij=0。亦即，若節(jié)點i和節(jié)點j之間存在一條饋線段且該饋線段的正方向是由節(jié)點i指向節(jié)點j，則對應的網形結構矩陣C中的元素cij=1，而cji=0。該網絡描述矩陣C是一非對稱陣，反映了網絡的實時拓撲結構。(2)故障信息矩陣G在單電源樹形輻射狀網絡中，全網的功率方向是一定的，因此發(fā)生故障時，不必考慮故障電流方向，只需根據各節(jié)點是否有故障電流通過來得到故障信息，從而形成網絡的故障信息矩陣G。N節(jié)點網絡對應NN矩陣，其元素形成規(guī)則如下：若第i節(jié)點存在故障電流，則該節(jié)點對應的對角線元素gii=1

17、，反之gii=0。(3)故障區(qū)間判斷矩陣P對單電源樹形網絡中有一饋線區(qū)段發(fā)生單重故障時，其父節(jié)點存在故障過電流，而所有子節(jié)點均無故障過電流。換句話說，如某饋線區(qū)段上的父節(jié)點和子節(jié)點均無故障過電流或者父節(jié)點有故障過電流且某一子節(jié)點也有故障過電流,則該饋線區(qū)段一定為非故障區(qū)段。基于以上思路，引入故障區(qū)段判斷矩陣P，定義P為P=C+G(6-13)(4)故障區(qū)段定位判據判斷故障區(qū)段的原則是若P中有元素同時滿足下面兩個判定條件，則故障發(fā)生在由節(jié)點i和節(jié)點j確定的區(qū)段上。(4)故障區(qū)段定位判據判斷故障區(qū)段的原則是若P中有元素同時滿足下面兩個判定條件，則故障發(fā)生在由節(jié)點i和節(jié)點j確定的區(qū)段上。1)pii=1

18、。2)對所有pij=1的j(ji)，都有pjj=0。 圖6-10典型的單電源配電網簡化模型6.4饋線自動化系統(tǒng)設計6.4.1系統(tǒng)結構6.4.2硬件設計6.4.3軟件設計6.4.1系統(tǒng)結構圖6-11系統(tǒng)結構圖6.4.2硬件設計1.故障指示器無線通信接口模塊設計2.故障采集器硬件設計3. FTU硬件設計1.故障指示器無線通信接口模塊設計圖6-12無線通信模塊的硬件結構2.故障采集器硬件設計圖6-13故障采集器的硬件結構3. FTU硬件設計圖6-14FTU的硬件結構6.4.3軟件設計1.設備的地址編碼2.通信協議3.通信軟件設計1.設備的地址編碼故障指示器地址采用4個字節(jié)的BCD碼表示，出廠時按順序

19、編號，不重復，不可更改；若某故障指示器報廢則其用過的編號不再使用；其中“0 x00000000”為現場手持設備的地址。故障采集器地址采用8個字節(jié)的BCD碼表示，直接采用XBee PR0 ZB模塊出廠的唯一ID號，不可更改。FTU的地址編碼按照IEC 60870-5-104通信規(guī)約的公共地址的要求確定。2.通信協議故障指示器與故障采集器、故障采集器與FTU、現場手持設備與故障采集器或FTU間的通信幀格式設計為：幀起始字符(68H)功能碼(FUN)數據域長度(L)數據域(DATA)+結束符(16H)。470MHz無線通信芯片本身具有CRC校驗功能，故幀格式沒有加入校驗域。XBee PR0 ZB通信

20、模塊提供AT指令及API兩種通信方式。API方式可指定任意通信目標節(jié)點，具有校驗域，且本身具有數據重發(fā)機制，可保證數據準確到達目標節(jié)點，故采用API通信方式。FTU與主站軟件通信遵循IEC 60870-5-104通信規(guī)約。3.通信軟件設計(1)故障指示器與故障采集器間的通信軟件設計(2)故障采集器與FTU間的通信軟件設計(3) FTU與主站間的通信軟件設計(1)故障指示器與故障采集器間的通信軟件設計故障指示器通信模塊的CPU檢測到線路狀態(tài)發(fā)生變化后，將數據傳送給故障采集器有兩種方式：第一種是主動發(fā)送給故障采集器；第二種是等待故障采集器發(fā)查詢命令來取。(2)故障采集器與FTU間的通信軟件設計1)掃描信道(Scan Channel)和個域網識別標志(PAN ID)。2)目標地址。3)串口通信參數。4)數據路由。5)API模式數據傳輸。6)網絡安全。1)掃描信道(Scan Channel)和個域網識別標志(PAN ID)。網絡由協調器負責創(chuàng)建，在組建網絡時，協調器要進行通道的能量掃描，找出不同通道的RF活動水平，以避免協調器在高能量通道區(qū)組網。一共有16個通道可以設置，XBee PR0 ZB模塊支持其中的14個。同樣，路由器和終端設備在加入網絡時，也要進行同樣的通道掃描。掃描時間越久，功耗越大。2)目標地址。當故障采集器加入網絡時，