含微电网的配电网协同保护研究

国网嘉兴供电公司、国网安徽岳西县供电公司、国网浙江海盐县供电公司的研究人员殷军、方国保、徐光年、屠楚明，在2016年第3期《电气技术》杂志上撰文指出，随着太阳能、风能等新能源接入配电网，颠覆了传统配电网单向潮流的特征，配电网的馈线保护与重构成为了实际生产中亟待解决的难题。

本文结合常规馈线自动化的保护方式，提出一种智能馈线终端单元（FTU）的设计方案。从工程实现角度，提出了基于智能FTU的配电网馈线保护与重构方案，用于提高馈线保护的选择性和重合成功率，保证电网供电可靠性。

配电自动化(DA, Distribution Automation)利用现代电子、通信、计算机、网络和图形等技术对配电网和电力用户在正常运行下和突发事故下实行检测、保护、控制和管理的一门技术[1]。配电自动化主要包括：用户需求侧管理自动化、馈线自动化、变电站综合自动化、配电管理自动化这四个层次，其中馈线自动化对于改善供电质量，提高供电的可靠性起着重要作用[2]。

目前有关馈线自动化的研究与实际应用，一般利用分布安装于10kV馈线线路各节点上的馈线终端单元(FTU),对线路电压、电流等进行实时采集,并通过光纤、无线、载波等通信方法将检测的各种接地特征电气量上送到配电自动化子站或主站。

在子站/主站上,综合应用整个配电线路各节点的特征量,通过模糊技术、人工智能技术、小波技术等方法寻找故障点,并通过通信方法控制开关,隔离故障区域[3-5]。然而常规馈线自动化系统在发生短路故障时通过馈线出口保护，切除整条馈线；FTU装置之间没有相互通讯，无法实现有选择的切除故障段，扩大停电范围，降低了供电可靠性。

随着控制技术的发展，配电终端FTU的硬件性能足以完成更多的功能，包括RTU功能、保护功能、滤波功能、开关的状态监测和智能维护功能等[6-7]。因此，本文首先提出了一种智能型FTU，不仅包含了常规FTU的功能，而且在自动化和智能化方面更加完善，可替代传统馈线自动化中主站和子站的基本功能。

在此基础上，本文又着重研究了基于新型智能FTU的网络故障隔离与自愈技术，它能根据前后智能FTU装置间的通讯，变电站出口保护作为后备保护配合动作，实现有选择的切除故障段，最大限度的减少停电范围，实现了馈线保护的选择性要求；同时能够有效提高分段开关重合与网络重构的成功率，加快了供电恢复速度，保证供电服务水平。

1 智能馈线终端装置（FTU）的原理

1.1智能FTU介绍

馈线终端装置简称FTU(Feeder Terminal Unit)，安装在10 kV馈电线路上监控柱上开关，完成遥测、遥信、遥控以及故障检测功能，同时与配电主站进行通信，传送配电系统运行工况及各种监测控制所需信息，包括电能参数、开关位置、相间故障、接地故障以及故障时的参数,并执行配电自动化主站下发的命令，对配电设备调节和控制，实现故障定位、故障隔离和非故障区域快速恢复供电功能。主要包括监视功能、通信功能和自动化功能三个模块。

智能型FTU涵盖了上述的常规FTU功能，其中监视功能模块由数据采集、数据处理、遥信遥控、谐波分析和实时显示组成；自动功能模块具体为故障检测定位、故障隔离和恢复控制。智能型FTU的总体功能如图1所示。

图1 智能型FTU的总体功能

同时，智能型FTU还设计了增强功能，是指同一控制区内的多个FTU，在通讯系统的支持下，内部联网实现智能控制系统，增加了对配网结构的监控以及相应的处理策略。

故障发生后，FTU系统与馈线继电保护相配合，不需要变电站配网子站和配电自动化主站系统参与，就可自治实现配网的故障隔离及重合、故障恢复功能。

各智能型FTU单元在FTU系统中地位对等，并能实现即插即用功能，具有安装维护简单，便于推广使用的特点。

1.2智能FTU的工作模式

智能FTU的工作模式设计为主控模式和普通模式。主控模式只在重合及重构过程中有效，其设置目是为了加快系统恢复的速度。FTU系统正常工作时，可动态选出一台FTU作为主控FTU，进行快速重合；如果没有主控FTU，系统仍然具备重合功能。

主控模式的智能FTU在硬件上与普通模式的智能FTU相同，且在功能上每个智能FTU均具备主控模式和普通模式两种运行方式。根据运行投入的次序，自动选举出主控模式的智能FTU，其余的智能FTU为普通模式。

在系统运行过程中，任何时刻最多只有一台FTU运行于主控模式。主控模式的FTU负责协调其它普通模式的FTU，共同完成相应的自动化功能。某些情况下，若原有的主控FTU退出运行，则按照一定的排序，有另外一台普通模式的FTU自动转变为主控模式，接替原有的主控FTU。

普通模式的智能FTU采集相应开关的运行状态，包括负荷、电流、电压、功率和开关实际位置等，同时记录故障前及故障时的负荷电流等特征信息，将上述特征信息传至主控模式的智能FTU，并由主控FTU转发到其它的FTU。

各个相关的FTU接受主控FTU的指令，进行相应的控制，或在一定范围内自主地进行控制。当然，主控FTU也同时具有普通FTU的功能。本文将指定一台FTU作为主控FTU。

1.3智能FTU与常规FTU的比较

区别于常规配电网自动化结构，在智能FTU系统不设置专用的子站和主站，而是通过分布式的智能FTU自动完成配网的故障隔离及重合、重构功能，并配置相对简单的后台管理机，完成原先配置主站和子站的系统相应的功能；通过对智能FTU的运行模式的设定，使智能FTU基于高速通讯平台，又不完全依赖于通讯。智能FTU与常规FTU运行模式的性能概略比较如下表1所示：

表1智能FTU与常规FTU性能对比表

2基于智能FTU的配电网馈线保护与重构方案设计

配置智能FTU的配电线路在正常运行时，相邻FTU通过光纤网络相互交换开关位置、电流/电压等信息。当线路发生故障时，故障点电源侧配电终端将检测到故障信号，而负荷侧配电终端检测不到故障信号。

故障点两侧配电终端通过对等通信在收到线路故障信号后，就地判断故障区段，进而完成故障区段有选择隔离。在故障隔离完毕后，智能FTU装置，通过点对点通讯（主控模式或对等模式），实现通过邻近终端上报的故障信息来恢复非故障区段的供电。

同时，它在运行过程中与变电站保留常规的馈线保护是完全独立的，没有信息交换，确保了两套系统互为备用。但是，它们在逻辑上需要相互的配合，由于需要FTU系统首先做出故障区间选择，因此馈线保护应在时间轮次上延后一级，作为智能FTU的后备保护。同理，原馈线保护的后备保护，如主变的过流保护，也需要顺延一级。

智能FTU可适应配网中出现的多分段、多连接的供电途径的网格化发展趋势。现阶段以嘉兴地区的一个手拉手单元（如图2所示）为例，根据馈线上发生瞬时性故障和永久性故障两种情况，阐述了进行二个轮次跳闸与重构的控制策略，进而对此方案在实际应用中的适应性进行了分析。

图2 典型的环网或手拉手单元

2.1馈线发生瞬时性故障

2.1.1第一轮次跳闸与重构（通过主控FTU协调控制）

图3 K点发生瞬时故障

（1）故障定位和隔离

假定正常运行时K点发生瞬时性故障，如图3所示。为了准确并快速的切除故障，采用FTU之间相互通讯闭锁的协调方式。各个FTU采集故障后的电气量和开关量，并进行特征量计算，如电流是否越限、电压是否跌落、实际开关位置等。

随后，FTU将计算结果发到相邻的FTU，如果某个FTU收到了闭锁信号则闭锁跳闸，否则经过较短延时后跳开相应分段断路器，从而实现配电系统的故障定位及隔离。故障电流消失后，各FTU将隔离前状态及当前状态发送到主控FTU。

（2）故障后恢复

经过一定的延时后，由于FTU内置了配网拓扑信息，可由主控FTU对各FTU根据上传的信息进行分析判断，对先前跳开的FTU下发一次重合指令。

对于瞬时性故障，由于短路不复存在，因此一次重合闸即可实现系统的恢复供电。如果主控FTU没有下发重合指令，则一侧带电的FTU可过较长延时后就地自动重合。

图4 第一轮次跳闸逻辑流程图

（3）动作异常情况分析

当馈线发生瞬时性故障，基于智能FTU的馈线保护与重构系统实现了故障定位、切除故障、故障后重合直至恢复正常运行。以上整个过程的实现都是从理想状态下考虑的，然而在实际现场运行中，由于配电网运行环境复杂、受干扰因素多，不可避免地出现各种异常情况，因此有必要对这套系统的适应性进行合理分析：

1)若FTU3故障，造成S3拒动；并且不能向FTU2发出闭锁信号；则FTU2跳开S2，切除故障;

2)若S3开关损坏，造成拒动；但是FTU3向FTU2发出了闭锁信号；则第一轮无法由分段开关切除故障，需要由第二轮出线保护跳开出口断路器QF1;

3)若通讯发生故障，最严重的情况是所有的通讯都中断，则S1、S2、S3可能都跳开，丧失了选择性，但保障了速动性，重合恢复过程较慢。

2.1.2第二轮次跳闸重构（由变电站出线保护配合完成）

（1）故障定位和隔离

若某个FTU出现故障、分段开关拒动或就地跳闸闭锁时，造成故障不能尽快切除，则由第二轮次的馈线线路保护处理。

在躲过FTU系统快速动作的时间条件下（最长350ms），为了尽快切除故障，由出线保护在第二轮次将整条馈线切除。同样，所有FTU根据所采集的失压前电流及方向信息发送给相邻的FTU，用于判断是否需要闭锁相应分段断路器的跳闸。如果没有逻辑上的闭锁信息，在失压后经过一段时间延时，由FTU就地跳开相应断路器。

（2）恢复供电

再经过一定的延时后，QF1重合。若QF1重合成功，则由主控FTU对处于断位的FTU下发一次重合指令，对于瞬时性故障，由于短路不复存在一次重合闸，即可实现系统的恢复供电。

图5 第二轮次跳闸逻辑流程图

（3）动作异常情况分析

以图3中K点发生故障为例，假定FTU3故障，造成S3拒动，但同时又向FTU2发出了闭锁信号，则延时后由出线保护将QF1跳开。因此，失压后，S1、S2、S3仍处于闭合状态。

a)假定FTU3正常，但S3拒动，则延时后由出线保护将QF1跳开。失压后，S1、S2、S3仍处于闭合状态;

b)假定通讯正常，但所有的分段开关都拒动，失压后S1、S2处于闭合状态，但是S3有可能随后跳开。

2.2 馈线发生永久性故障

2.2.1第一轮次跳闸与重构（通过主控FTU协调控制）

（1）故障定位和隔离

原理同上述馈线发生瞬时性故障第一轮的故障定位和隔离。

（2）重合与重构

经过一定的延时后，由主控FTU对先前的FTU下发一次重合指令，由于是永久性故障，重合不成功，S3立刻就地加速跳闸。随后，主控FTU指挥S4跳闸，或检无压后经过一定延时S4跳闸。经过一定的延时后，由主控FTU对联络开关的FTU下发一次重合指令，恢复供电。若主控FTU失效，联络开关经较长时间延时后自动重合。

（3）动作异常情况分析

通信完好时，即S2能收到闭锁信号时，通过FTU3就地断开S3即可切除故障，经延时，S3重合，由于是永久性故障，则S3加速跳闸且闭锁分闸。如果S2未收到闭锁信号时，则就地断开S3，由于S2未收到分闸闭锁信号，则延时断开S2切除故障；重合时，先合S2，延时重合S3，由于是永久性故障，重合到故障上，则S3加速跳闸且闭锁分闸。

2.2.2第二轮次跳闸与重构（由变电站出线保护配合完成）

（1）故障定位和隔离

原理同上述馈线发生瞬时性故障第二轮的故障定位和隔离。

（2）重合与重构

馈线保护经过一定的延时后，QF1重合。若重合成功，则由主控FTU对S3的FTU下发一次重合指令。若S3收不到重合信号，则S3在感受到一侧电压后，经过延时重合。对于永久性故障，S3就地加速跳闸，若S3加速跳闸不成功，则由QF1跳闸，并不再安排重合。若QF1重合不成功，QF1加速跳闸，不再安排QF1再次重合。而重构功能则如第一轮次所述一致。

（3）动作异常情况分析

如果第一轮未能切除故障，则在躲过第一轮FTU系统快速动作的时间后，由第二轮来切除故障。即：S1不动作时，由断开QF1来切故障，经延时重合QF1，由于是永久性故障，则重合到故障上，QF1加速跳闸且闭锁分闸。经延时，S2失电跳闸，经延时，L一侧失压合闸，恢复非故障区的供电。

3 系统方案的特点

与配电网中各种故障隔离的设计相比，基于智能FTU的配电网馈线保护与重构设计采用智能FTU做主站的系统结构，在功能上分为主控和普通两种；故障隔离在策略上利用两个轮次的策略，快速、准确且可靠的切除故障。对本文提出的方案特点总结如下：

1）区别于常规配电网馈线自动化系统，方案中将智能FTU内部联网实现智能控制系统，不需要变电站配网子站和配电自动化主站系统参与，就可自治实现配网的故障隔离及重合、故障恢复功能。在主站只需配置相对简单的后台管理功能对智能FTU实现配置管理，在不具备配网自动化主站系统的情况下也能提高馈线自动化水平，因此本系统具备安装维护简单，便于推广使用的特点。

2）实现了智能馈线自动化系统，能够实现馈线保护的选择性。发生短路故障时，常规馈线自动化系统通过馈线出口保护，切除整条馈线；智能馈线自动化系统根据前后智能FTU装置间的通讯，变电站出口保护作为后备保护没有动作，不用整条线路切除，实现有选择的切除故障段，最大限度的减少停电范围，提高供电可靠性。

3）具备高可靠性的特点。通过对智能FTU的运行模式的设定，使智能馈线自动化系统基于高速通讯平台，又不完全依赖于通讯。有光纤通讯的情况下，可以通过高速的光纤通讯，实现保护的选择性。当通讯中断或无通讯情况下，智能馈线自动化系统能够自动退化成“电压-时间”型的常规馈线自动化系统，通过时间配合，实现故障的自动恢复。

4）恢复供电速度快。由于在恢复供电的过程中，都是通过主控FTU中预置好的恢复策略来进行恢复，不需要主站、子站的配合，因此恢复时间大大缩短，尤其是当配电网网络庞大的情况下。

4.结语

本文的研究表明，智能型FTU不仅包含了传统FTU的功能，而且在自动化和智能化方面更加完善，可替代传统馈线自动化中主站和子站的基本功能。

同时，通过智能FTU实现的配电网故障隔离与自愈技术，可以减少不必要的停电范围，实现了馈线保护的选择性要求；还能够有效提高分段开关重合与网络重构的成功率，加快了供电恢复速度。

但是本文研究中没有考虑小电流接地等情况，后续工作仍需要从生产实际的角度，验证解决方案的适用性与有效性。