浅析架空线路自动化的实现与柱上开关选型.docx

浅析架空线路自动化的实现与柱上开关选型摘 要：DA实现方法的比较，浅析架空线路自动化故障处理的三种模式，DA过程时间与模拟预演功能，配电自动化系统DA功能的几个特点，柱上开关的技术要求及其优缺点比较。关键词：架空线；故障检测；自动化；DA过程；柱上开关(断路器)1 架空线路配电网自动化实现模式一般将DA的实现方法分为两种，即不需通讯的分布智能模式和需要通讯的集中智能模式。分布智能模式是指FTU和柱上开关具备自动故障判断隔离及网络重构的能力，不需要通讯与主站系统的参与。这种模式主要有电压时间型和电流计数型两种。方法是FTU结合断路器或负荷开关构成的具有重合功能的分段器。通过开关功能和保护时间配合实现故障隔离与供电的恢复。日本东芝公司生产的VSP5和其配套的FTU 是此类产品的典型代表。此类方法虽然成本低，不需要通讯与主站参与。但是，故障处理及供电恢复速度较慢，对系统及用户多次冲击；需改变变电站速断保护定值及重合闸次数；没有接地故障检测功能。当出现接地故障时，若像对待短路故障一样全线跳闸，再重合的办法来隔离故障，则对于占总故障数很大比例的接地故障来说会出现频繁跳闸的现象，失去了中性点不接地的优点。此外，网络重构后，需改变重合器的整定参数，多电源多分支的复杂网络，参数配合困难。由于没有子站，因而无法考虑实际负荷水平和网络运行约束。综上所述，这种方法仅适合于网架结构比较简单，主要是双电源供电的手拉手线路，在不具备通讯手段或通讯条件不完善可靠性较低的场合。集中智能模式的DA方案，是由FTU将检测的故障信息上传给上级主站，子站根据配电网络的实时拓扑结构，按照一定的算法进行故障定位，下达命令给相关的FTU跳闸隔离故障。此后，主站通过在线潮流等配网分析软件，考虑过负荷、电压、网损等前提下，提供最佳临时性的系统配置方案，重组网络，使尽可能多的用户恢复供电，因此，这是一种基于DMS的DA方案。其特点是适用于任意结构，开环运行的配电网络，可以考虑实际负荷水平和网络约束。按照城区配电自动化主站系统方的设想，未来城区配电网故障处理分为三个层次，一是以配电终端为基础的故障检测，二是以配电子站为辐射中心的低层区域控制，三是以主站为管理中心的高层全局控制。配电终端负责故障的检测，执行配电子站故障处理命令，实现故障隔离功能, 并上报故障信息及接受主站的控制策略。配电子站负责处理所辖区域馈线终端的故障上报，查询故障信息、分析故障位置及实现故障的当地隔离。主站根据子站的故障处理结果，提供非故障区域的供电策略，实现恢复供电。下面以架空线路说明DA过程。架空线路的故障处理一定要区分瞬时和永久故障。对于瞬时故障，通过变电站出口断路器的一次重合闸予以消除。而永久性故障，则由FTU上报故障信息给主站。根据现场具体情况及考虑问题出发点的不同，这里有3种故障处理模式，它们各有其特点。模式一：分段器不具有重合功能，FTU检测到变电站出口断路器两次切断故障电流并且线路连续失压一定时间后上报故障给主站。由主站根据FTU故障信息，确定故障区域。通过遥控进行故障隔离与恢复非故障区供电。故障定位基本原理就是故障点前的FTU能够检测到故障电流，故障点后的FTU检测不到故障电流，从而确定了故障区域。故障处理过程故障发生，变电站出口断路器D1跳闸D1重合，如果是瞬时故障，重合成功，故障处理过程结束；如果是永久性故障，线路将再次流过故障电流D1再次跳闸，重合闭锁。FTU再次检测到故障电流并且线路失压一定时间后确认变电站出口断路器重合闭锁，上报主站故障信息主站收到FTU故障信息，确定出故障发生在开关K2-K3间，遥控跳开K2和K3，隔离成功后，闭合D1和联络开关K4，恢复供电模式二：变电站外第一个出线开关具有重合功能，其他开关不具有重合功能。处理过程故障发生，变电站出口断路器D1跳闸此后，变电站外第一个出线开关K1检测到线路失压、失流而跳闸D1重合，K1得压，延时一定时间T后重合，如果是瞬时故障重合成功，故障处理过程结束；如果是永久性故障，则线路再次流过故障电流D1再次跳闸，此后，K1再次检测到线路失压、失流而跳闸并且重合功能闭锁。FTU上报故障给主站D1再次重合，D1-K1段供电恢复。主站收到FTU故障信息，确定出故障发生在开关K2-K3间，遥控跳开K2和K3，隔离成功后，闭合K1和联络开关K4，恢复供电这种模式适合于不允许配网自动化系统对变电站内的10KV线路出口断路器进行监控，或者变电站内上了RTU但信息不能共享的情况下使用。为了保证故障上游的失电区能够恢复供电，通过变电站外第一个出线开关的延时重合，使得线路发生永久性故障时，变电站内的出口断路器也能够重合成功，这样，故障上游的失电区可通过闭合变电站外的第一个出线开关实现供电恢复。模式三：所有分段器都具有重合功能，并且重合方式都是得压延时重合。各分段器延时重合的时间相同，重合功能的复归时间也相同，并且延时重合时间大于重合复归时间。故障处理过程故障发生，故障发生，变电站出口断路器D1跳闸此后，分段器K1、K2检测到线路失压、失流而跳闸D1重合，K1得压，延时一定时间T后重合，K2得压，延时T后重合，如果是瞬时故障重合成功，故障处理过程结束；如果是永久性故障，则线路再次流过故障电流D1再次跳闸，此后，K1、K2再次检测到线路失压、失流而跳闸，并且K2重合功能闭锁。FTU上报故障给主站D1再次重合，D1-K1段供电恢复。K2得压，延时T后重合，K1-K2段供电恢复。主站收到FTU故障信息，确定出故障发生在开关K2-K3间，遥控跳开K3，隔离成功后，闭合联络开关K4，恢复供电显然，这种模式吸收了分布智能模式的部分思想，兼有分布智能模式与集中智能模式各自优点：显然，故障点下游区恢复供电时间不受网络重构变化的影响，即联络开关位置改变，故障恢复时间仍然是固定的并且小于分布智能模式；故障点上游区恢复供电由FTU自动完成，这样，即使通讯线路完全瘫痪，上游区的故障隔离、恢复供电仍可由FTU自动完成。2 DA过程的时间整个故障处理自动化动作过程时间分配步骤1：永久性故障的判别时间约3-5秒。对于架空线路，故障发生后，经过变电站的保护动作及自动重合装置的重合，若一次重合失败，则确认线路发生永久性故障；对于电缆线路，若重合失败，则表明故障发生在主干线上。一次重合失败后，系统DA功能启动，检测到故障电流的FTU开始主动上传故障信息。步骤2：子站的故障信息的收集时间，指子站收齐所有FTU的故障信息，包括变电站内的保护动作信息和出线开关跳闸信息的时间。如果采用子站直接采集变电站的保护动作信息和出线开关跳闸信息，则故障信息的收集时间为5-10秒；如果变电站内信息由RTU转发则一般为10-15秒。步骤3：子站的故障定位时间约1秒。步骤4：子站执行故障隔离时间2-6秒。通常情况下隔离每个开关时间小于2秒,隔离开关数通常为1-3个。步骤5：主站收到子站隔离报文，启动故障恢复，进行过负荷效验，计算网损，确定最佳恢复供电方案共用时间为4-5秒。步骤6：主站执行故障恢复时间2-6秒。通常情况下恢复每个开关时间小于3秒，恢复开关数通常为1-3个。3 DA 模拟预演功能系统的DA模块具有实际运行和模拟预演两种模式。在预演模式下，系统可模拟配电网络在典型负荷下，各种运行方式时，发生各种故障，系统处理过程和恢复方案。动态显示全过程，如潮流分布、开关操作、失电线路等。各种故障的恢复方案保存在专门的方案知识库中。演示中，调度员可人工修改恢复方案，并将其保存在方案知识库中。因此，预演模式，一方面可供调度员训练、学习DA功能的处理。另一方面，可供调度员人工修改恢复方案库。当系统恢复方案较复杂，为了减少故障处理时间，系统首先从方案库中查找相应故障的处理方法，如果该方案已存在则不必进行复杂计算。如果不存在，则由人工手动恢复。4 配电自动化系统DA功能的几个特点本故障诊断、隔离与恢复的功能适于开环运行的各种配网网架结构，用户扩充或修改网络结构后，其功能不受影响。故障隔离是在变电站内的10KV出线断路器跳开以后才进行的，因此，本方案完全支持负荷开关。开关拒动的处理方法。当故障隔离时，如果遇到开关拒动，系统将自动扩大隔离范围，跳开上一级开关，直至隔离成功。如图3中，如果开关K5拒动，系统将自动开关K3，仍可达到同样隔离效果。当故障恢复时，如果有多种恢复方案，系统首先按照安全、经济的原则，确定一种最佳方案。但是，如果用于恢复的联络开关拒动，同样，系统将自动执行次佳的恢复方案。如果，系统仅有一种恢复方案，并且联络开关拒动，则系统将在调度员界面上给予告警提示，同时指出拒动的开关。当配电网络非常复杂，恢复方案较多时，如果故障发生后，才进行计算分析，确定最佳恢复方案，将导致恢复时间过长。为了缩短恢复时间，系统采用一种恢复方案热备用的方法。这就是，在未发生事故时，在研究模式下，系统自动计算出所有可能发生故障的情况的恢复方案，将其存储在方案知识库中，作为热备用。一旦，发生故障，系统自动从方案知识库中调出备用方案，然后仅进行安全效验，从而大大缩短了恢复时间。开关变位事项将自动启动恢复方案的计算，自动更新作为热备用的方案知识库。故障恢复分全自动和半自动恢复两种方式：全自动方式就是故障恢复自动由主站完成；半自动方式就是系统自动形成故障恢复方案，并显示于MMI界面上，由调度员确认后，手动执行故障恢复方案。同时系统支持先经过方案预演后，再由调度员确认，执行方案。系统的故障诊断、隔离与恢复提供实时运行和模拟预演功能。在实时模式下，系统根据电网运行的拓扑状态自动完成开关设备的操作，达到故障的诊断与隔离，并提出可实施的恢复方案；在研究模式下，可人为设置假想故障，系统自动演示故障的处理过程，包括故障定位、隔离过程及主站的恢复策略的预演等。未来城区配电自动化系统中，主站和子站的网络拓扑结构描述应完全相同，只不过主站中存储着的是整个网络的拓扑，子站则存储着所辖区域局部网络的拓扑。故障隔离算法也完全相同。当故障区域超出单一子站所辖区域时，则直接由主站协调各子站进行故障隔离。因此，当属于同一环网的各配电网络的中各段线路在通讯上无法全部隶属于同一子站时，通过主站同样仍可完成故障隔离与恢复。5 馈线自动化对柱上开关的技术要求要实现架空配电网络自动化，所选用的柱上开关及配套的FTU应满足以下要求：高可靠性。在厦门这种湿度大、地处亚热带的海岛城市，最好采用真空开关管灭弧以提高分断能力，SF6气体解决相间绝缘，缩小体积。因为零表压，密封问题相对容易解决。由于真空负荷开关管和断路器开关管价格差不多，其他结构也相差无几，所以真空负荷开关可以用真空断路器代替。操动机构应当密封，以解决机构锈蚀出现误动、拒动现象。永磁机构就其原理而言由于元件数少，可靠性很高。但要注意到其本质上还是电磁操动机构，瞬时功率大及机械特性控制是其难点，启动电容以及电子控制线路的寿命、温度特性及可靠性是操动机构总体可靠性的瓶颈，应加以高度重视，这些问题若能解决永磁机构应为首选机构。弹簧机构若能解决密封问题，近期将成为一个适宜于柱上的操动机构。与FTU 配套后具有故障检测与识别功能、测量与控制功能、通讯功能和远程维护功能。测量和控制所需要的CT、CVT应尽量内置于负荷开关或断路器内。具备电动操作功能。总之，城区配电网是一个电缆和架空线混合的网络。虽然从线路总长度上统计缆化率已达50%以上，但真正能独立构成电缆网络的并不多。柱上开关是实现配电网自动化的重要设备，需慎重选择开关的型号和生产厂家。