1、2023/6/29,2023/6/29,第4章 馈线自动化,馈线自动化是配电自动化重要的分系统。目的：对馈出线路进行数据采集和监控（SCADA功能），故障时，及时准确地确定故障区段，迅速隔离故障区段并恢复健全区段供电。主要功能：配网馈线运行状态监测、控制、故障诊断、故障隔离、网络重构。实现：在户外分段开关处安装FTU（馈线终端单元），依靠通信系统，与配电控制中心的SCADA计算机系统相连。,2023/6/29,4.1 基于重合器的馈线自动化,原理：无需通信，根据短路时出现的短路电流，靠多次重合闸找出故障区段并进行隔离，主要用在辐射线路。馈线自动化模式：重合器与重合器配合模式、重合器与电压-时间
2、型分段器配合模式、重合器与过流脉冲计数型分段器配合模式。,2023/6/29,1.重合器(Recloser)分类和功能,定义：具有控制和保护功能的开关，能按预定开断、重合顺序自动操作，并可自动复位、闭锁。,2023/6/29,功能：故障后重合器跳闸，按预定动作顺序循环分、合若干次，重合成功则自动终止后续动作；重合失败则闭锁在分闸状，手动复位。动作特性：瞬动（快速动作时间电流特性）、延时动作（慢速动作时间电流特性）两种。动作特性整定：“一快二慢”、“二快二慢”、“一快三慢”。,2023/6/29,2.分段器(Sectionalizer)分类和功能,定义：与电源侧前级开关配合，失压或无电流时自动分
3、闸的开关设备。功能：永久故障时，分合预定次数后闭锁在分闸状，隔离故障区段；若未完成预定分合次数，故障已被其他设备切除，则保持在合闸状（经一段延时后恢复到预定状态，为下次故障作准备）。要求：一般不能开断短路故障电流。关键部件：故障电流检测继电器（Fault Detecting Relay，FDR）。分类：电压时间型，过流脉冲记数型。,2023/6/29,1)电压时间型分段器,原理：根据加压、失压时间长短控制动作，失压后分闸，加压时合闸或闭锁。用于辐射、树状、环状网。X、Y时限参数：X时限：分段器电源侧加压至该分段器合闸的时延。Y时限：又称故障检测时间。分段器合闸后未超过Y时限的时间内又失压，则该
4、分段器分闸并被闭锁在分闸状，下一次再得电时不再自动重合。,2023/6/29,典型电压时间型分段器原理,a,Y接点闭合条件：分段器一侧得电时间超过X时限，触点“a”闭合;或S2处于合位.FDR手动操作手柄：分闸手柄S1(合上时 Y 接点断开)，合闸手柄S2。,2023/6/29,电压时间型分段器动作过程,FDR功能：用于常闭状态的分段开关；用于常开状态的联络开关。由FDR操作手柄切换。第一套功能：用于辐射、树状网，要求X时限Y时限电源端断路器跳闸时间。第二套功能：用于环网联络开关常开状态（常闭状态时选第一套功能）。,2023/6/29,2)过流脉冲计数型分段器,与线路前级开关（重合器或断路器）
5、配合使用。原理：记忆前级开关开断故障电流动作次数，达到预定记忆次数时，在前级开关跳闸的无电流间隙内，分段器分闸，隔离故障区段。前级开关开断故障电流动作次数未达到预定记忆次数时，经一定延时后分段器复位清零。,2023/6/29,3.重合器与分段器配合实现故障区段隔离,介绍重合器与电压时间型分段器配合情况。重合器与过流脉冲计数型分段器配合情况类似（自学）。,2023/6/29,1）辐射状网故障区段隔离过程,A重合器：一快一慢，第一次重合=15S，第二次重合=5S；B、D分段器：X=7S，Y=5S；C、E分段器：X=14S，Y=5S,2023/6/29,各开关动作时序图,A重合器：第一次重合时间=1
6、5S，第二次重合时间=5SB、D分段器：X时限=7S，Y时限=5SC、E分段器：X时限=14S，Y时限=5S,2023/6/29,2）环状网开环运行时的故障区段隔离,A重合器：一快一慢，第一次重合=15S，第二次重合=5S；B、C、D分段器：X=7S，Y=5S；E分段器：X=45S，Y=5S,2023/6/29,各开关动作时序图,A重合器：第一次重合=15S，第二次重合=5SB、C、D分段器：X=7S，Y=5SE分段器：X=45S，Y=5S,2023/6/29,4.重合器与重合器配合实现故障区段隔离,发生过流或低电压时重合器动作。出线重合器：一快二慢，失压3S后分断；中间重合器：二慢，失压10
7、S后关闭重合功能，并改为一次分闸后闭锁；联络重合器：一慢，两侧失压后15S合闸。,2023/6/29,重合器与电压-时间型分段器配合的整定方法,关键条件：不能同一时刻有2台及以上的分段开关同时合闸。线路分叉处及以后，需注意。整定：（Y时限统一为5S）1）分段器确定分段器合闸时间间隔，从联络开关处将配电网分割成若干以电源开关为根的树状配电子网络。在子网络中，以电源节点合闸为时间起点，分别对各分段器标注绝对合闸延时时间。某台分段器的X时限为该开关的绝对合闸延时时间父节点的绝对合闸延时时间。,2023/6/29,以图4-11为例时间间隔：7S；3个配电子网络对S1、B、C、D、E、G、H，绝对合闸延
8、时时间B：7s C：14s D：21s G：28s对S2、F、E，绝对合闸延时时间 F：7s对S3、M、H，绝对合闸延时时间 M:7sX时限=该开关父节点,2023/6/29,2）联络开关手拉手环网：分别计算从故障发生到与故障区域相连的分段开关闭锁在分闸状态所需的延时时间tmax（左）和tmax（右），X时限大于其中的最大值。网格状网：各联络开关之间不同时合闸，分优先级，有备用。m 台联络开关L1、L2、.、Lm，分别计算各联络开关两侧最长的故障排除时间Tmax，则XL应大于Tmax，且L(m)-L(m-1)tm-1,m Ti,j表示从联络开关i合闸将电送到联络开关j的时间。,2023/6/2
9、9,5.基于重合器的馈线自动化系统,我国馈线自动化近几年才开始，主要采用电压型及电流型两种控制模式。我国配电网是小接地电流系统，美、日等国，大部分是大接地电流系统。我国配网设备状况、管理要求不同于国外，照搬国外电流型或电压型模式，推广用于城网必然带来问题。基于重合器能够准确地判断故障区段，并能自动隔离故障区段。,2023/6/29,存在缺陷,1）切断故障时间较长，动作频繁，减少开关寿命。2）故障由重合器或变电所断路器分断，系统可靠性降低；多次短路电流冲击、多次停送电，对用户造成严重影响。3）重合器或断路器拒动时，事故进一步扩大。4）环网时使非故障部分全停电一次，扩大事故影响。5）不能寻找接地故
10、障。6）无断线故障判断功能，一相、多相断线，重合器不动作。7）变电站出线开关需改造，目前出线开关具有一次重合闸 功能，装重合器后，需改造为多次重合型。8）重合器保护与出线开关保护配合难度大，要靠时限配合。9）不具备“四遥”功能，无法进行配电网络优化等工作。,2023/6/29,2023/6/29,2023/6/29,自动重合器,RTU,2023/6/29,2023/6/29,2023/6/29,4.2 基于FTU的馈线自动化系统,1.基于FTU的馈线自动化系统的组成,2023/6/29,系统特点,配网实时信息通过就地FTU采集，传送到区域集控或变电站集中，上报配电调度中心。配电调度中心控制命令
11、通过区域集控或变电站转发给FTU执行。FTU采集柱上开关运行情况，将信息上传到配网控制中心，或接受控制中心命令进行远方操作。故障时，FTU将记录的故障电流、时间等上报，供分析使用。区域工作站：通道集中器和转发装置，并将各单元通信规约转换为标准远动规约。,2023/6/29,2.FTU的性能要求(1),遥信功能：开关位置、贮能完成情况、通信完好性；遥测功能：U、I、P、Q等；遥控功能：远方对柱上开关分合、贮能等；统计功能：开关动作次数、动作时间、累计切断电流水平；SOE和对时功能：保证SOE的准确性，与系统时钟一致；事故记录：记录事故发生时的最大故障电流和事故前（1min）负荷，便于确定故障区段
12、；定值远方修改和召唤定值：适应配网运行方式变化；自检和自恢复功能：设备故障时报警、干扰时自复位；,2023/6/29,FTU的性能要求(2),远方控制闭锁和手动操作功能：检修线路或操作开关时确保操作安全性；远程通信功能：RS-232，RS-485，通信规约问题；抗恶劣环境：雷电、环境温度、防雨、防湿、风沙、振动、电磁干扰；维修方便：保证不停电检修；电源可靠：保证故障或停电时FTU有工作电源；可选功能：电度采集（核算电费、估计线损，防窃电）；微机保护（实现自适应保护）；故障录波（故障分析用）。,2023/6/29,3.FTU的组成和结构,一种典型的FTU系统框图,2023/6/29,Motoro
13、la公司生产的带拐臂的FTU原理框图,2023/6/29,4.区域工作站,特点：1）一般采用工业PC、多路串行口扩展板构成，采用通用规约，允许多台FTU共用同一通道；2）一般设置在主变电所，并设UPS。,2023/6/29,5.配变远方测控单元（TTU）,TTU的主要功能：1）实现对配电变压器实现远方监视。2）采集变压器的I、U、P、Q、cos、分时电量、电压合格率等数据。3）根据监视的负荷曲线，准确计算线损、用户电 量核算、防窃电。4）通过低压配电线载波实现对本台区低压用户进 行抄表数据的远传。结构特点：与FTU类似，但增加低压载波、输出控制为补偿功率因数的电容器。,2023/6/29,一种
14、典型的配变测控终端单元组成,2023/6/29,两种馈线自动化系统的比较,两种馈线自动化系统的比较,2023/6/29,两种馈线自动化系统的比较(续表),2023/6/29,开环运行的多电源环状网两种系统比较,1)基于重合器的馈线自动化系统若为使网上负荷均衡化，将联络开关从G调整到D，则G和D均应重新到现场整定。b区发生永久性故障时，分段开关B、C分闸后，联络开关G、E究竟合哪个，无法选择。2)基于FTU的馈线自动化系统：可很方便地解决以上问题。,2023/6/29,4.3 配电网简化建模,传统模型,2023/6/29,传统模型简化,2023/6/29,简化,从负荷的角度将配电网看做一种赋权图
15、。将线路上的电源点、馈线、开关和T接点看做节点（Node），节点的权为流过该节点的负荷。将相邻两个节点间的配电馈线和配变综合看做图的边，边的权即该条边上所有配变供出的负荷之和。,2023/6/29,简化模型,M:电源点S：馈线开关B:T接分支点E：末梢点,2023/6/29,邻接表,邻接表是图的一种链式存储结构。对图的每个顶点建立一个单链表（n个顶点建立n个单链表），第i个单链表中的结点包含顶点Vi的所有邻接顶点。又称链接表。在计算机科学中，邻接表描述一种紧密相关的数据结构，用于表征图。对于图中的每个顶点，将保存所有其它与之相连的顶点（即“邻接表”）。,2023/6/29,网基结构邻接表DT,
16、对N点的配电网络定义N行5列的 网基结构邻接表第一列元素各节点类型，取值为0、1、2、3，分别表示普通点、T接点、源点和末梢点。第二列元素描述各顶点是否过负荷，1（过负荷），0（不过负荷）。第三至五列元素描述和各顶点邻接的顶点的序号空闲位置的元素填-1.,2023/6/29,一个有故障的配电网,2023/6/29,描述了配电网的潜在连接方式，称为“网基”。决定于配电线路的架设。,2023/6/29,弧结构邻接表CT,N行5列第一列：各顶点所处的状态，合为1，分为0第二、三列：以顶点Vi为终点的弧的起点的序号第四、五列：以相应的顶点为起点的弧的终点的序号空闲位置填-1描述了配电网的运行方式，称为
17、“网形”,2023/6/29,负荷邻接表LT,N行4列第一列：描述相应顶点的负荷第二至四列：描述相应顶点为端点的边的负荷空闲位置填-1,2023/6/29,额定负荷邻接表RT,N行4列第一列：描述相应顶点的额定负荷第二至四列：描述相应顶点为端点的边的额定负荷空闲位置填0.01,2023/6/29,归一化负荷邻接表LnT,定义归一化负荷lntij=ltij/rtijN行4列第一列：描述相应顶点的归一化负荷第二至四列：描述相应顶点为端点的边的归一化负荷,2023/6/29,一个有故障的配电网,2023/6/29,2023/6/29,配电网络拓扑,配电网络拓扑是根据配电网架构（DT）和开关的当前状态
18、（CT第一列），求配电网的运行方式（CT其余各列）该过程称为“基形变换”。,2023/6/29,负荷间的关系,1、点弧变换已知各节点的负荷，根据CT，可以计算出各弧的负荷。实质是：根据各开关流过的负荷，求各馈线供出的负荷。2、弧点变换已知各条弧的负荷，根据CT，可以计算出各节点的负荷。实质是：根据各馈线供出的负荷求出各开故流过的负荷。,2023/6/29,配电网简化模型中参数的提取,网基结构表DT：根据线路建设结构事先定义；可以修改、删除和补充；第二列元素，即节点的过电流情况，来源于各开关处安装的数据采集装置的上报信息。电源点：主变电站的RTU柱上开关：FTU配变的低压开关：TTU,2023/
19、6/29,弧结构邻接表CT第一列元素取值，也即各开关的状态，来源于各开关安装处的数据采集装置的上报信息。电源点的过流情况：RTU柱上开关的过流情况：FTU箱变的低压出线开关：TTU其它元素根据基形变换得到。,2023/6/29,负荷邻接表LT第一列元素取值来源于RTU、FTU、TTU上报的流过相应开关的负荷电流信息其它元素根据CT和LT的第一列元素的点弧变换得出额定负荷邻接表RT的元素取值：根据电气设备和线路的极限参数，事先定义。归一化负荷邻接表LnT中的元素：根据LT和RT计算。,2023/6/29,4.4 配点网络重构,配电网络重构配电负荷均衡化线损最小,2023/6/29,4.5 故障区
20、段判断和隔离,配电自动化是减少停电时间，缩小停电面积，从而提高供电可靠性的重要手段。如何在配电网发生故障后，根据FTU上报的信息，及时准确地判断出故障区域，并采取有效措施隔离故障区域、恢复健全区域供电，是配网自动化的关键技术之一。,2023/6/29,最小配电区域,一个区域的所有端点都是开关，并且没有内点或所有内点都是T节点。,2023/6/29,判断原则,如果一个最小配电区域的始点经历了过电流，并且该区域的所有末点均未经历过电流，则该最小配电区域内有故障。一个馈电线路，一端流入了故障电流而另一端无故障电流流出，则故障发生在此故障区段上；一条馈电线路上，故障电路从一端流入而从另一端流出，则故障
21、区域不在此区段内。,2023/6/29,实际应用,1）辐射、树状网、开环运行的环状网：根据最后一个有故障电流和第一个无故障电流两个开关的电流变化判断故障区段。,2）闭环运行的环状网：根据故障功率方向判断故障区段。,2023/6/29,越级跳闸,不能单纯依靠开关的动作来判断故障点。因为受电流互感器和开关设备的动作时间的影响，单纯通过整定来实现选择性很困难。恢复：将故障隔离后的分断节点和故障前的相比较，除了为隔离故障必须分断的节点，剩下的为越级跳闸的节点。,2023/6/29,4.6 馈线自动化的电源问题,电源要求：时刻保证电源的连续性；故障时，各测控单元仍应能接受远方控制和上报信息。馈线自动化控
22、制中心：可为SCADA配置大容量UPS，保证停电时仍可安全运行。区域站的集中转发系统：一般在变电所内，可设置UPS电源。开闭所、小区变的RTU：采用双路电源，自动切换，保证电源连续。,2023/6/29,1.操作电源和工作电源均取自馈线,方式1：开关工作电源采用开关两侧单相变压器供电。方式2：低压线路与柱上开关共杆，采用一台单相变压 器与一回低压线供电。方式3：不同电源的两回低压线路与柱上开关较近，采 用两回低压线供电。,2023/6/29,FTU工作电源与开关操作电源的切换,方式1、2：馈线停电后，FTU也失去工作电源。方式3：不同配电变间易产生耦合，对安全有影响。方式3的解决方案：用两路供
23、电电源进行无扰切换。,FTU工作电源的无扰切换,2023/6/29,柱上开关操作电源的切换,交流操作电源,直流操作电源,2023/6/29,2.操作电源和工作电源取自蓄电池,实现方法：在FTU机箱内设置较大容量蓄电池，并提供FTU工作电源、柱上开关操作电源。优点：不受馈线停电影响。要求：开关采用直流操作机构、直流贮能电机（对交流操作机构，需加逆变器）。直流电压：一般48V、24V。,2023/6/29,3.操作电源取自馈线，工作电源取自蓄电池,特点：可保证FTU、柱上开关的电源供给。问题：电网故障开关越级跳闸时，须依靠蓄电池操作，要求容量增大（可采用失压脱扣分段器代替过流脱扣分段器）。延长蓄电
24、池寿命的措施：1）放电回路采用快速熔断器做短路保护，充电回路采用大容量压敏电阻做脉冲保护。2）采用电压继电器、时间继电器保护蓄电池，防止过充和过放电。,2023/6/29,4.7 馈线自动化的若干技术问题,1.合闸中的励磁涌流1）变压器合闸造成的励磁涌流配网中配电变压器多，合闸时产生励磁涌流，最大68倍变压器额定电流，使继保动作，遥控合闸失败。配网中涌流衰减时间约0.10.15S，呈指数衰减。常用方法：加大动作整定值，但牺牲灵敏度。解决办法：根据涌流中二次谐波成分大的特点，设置二次谐波制动装置。,2023/6/29,2）电容器合闸造成的冲击涌流,涌流产生原因：电容器第一次合闸时，电容充电阻抗很
25、小，合闸冲击涌流大；电容器切除后放电未完时合闸，因暂态效应（电容上初始电压与电网电压极性相反），合闸涌流更大。解决办法：电容器中串电抗器，增大回路阻抗；设置二次谐波制动装置，并设软件延时，使电容器充分放电。,2023/6/29,2.接点抖动与遥信误报,产生原因：户外开关的辅助接点易发生抖动，影响遥信量的判断。电源冲击、高频噪声、后备电源切换、遥信检测电源容量不足等。解决办法：采用硬件滤波措施。采用软件延时消抖措施。,2023/6/29,3.单相接地区段判断,1）问题的提出我国配电系统为小电流接地系统；美、日等为大电流接地系统。国内引进的重合器、分段器、配电自动开关等按大电流接地系统设计，无法满
26、足小电流接地系统寻找接地故障区段需要。配电系统故障率（尤其是架空线路）90%以上是单相接地故障，单相接地故障的识别问题，将严重影响馈线自动化系统的实用性。国内的一些小电流接地选线装置，无法很好地应用于馈线自动化的接地故障区段寻址中。,2023/6/29,2）接地选线保护原理,零序电流原理：基于故障线路零序电流大于非故障线路零序电流的特点，区分出故障和非故障元件，从而构成有选择性的保护。零序功率方向原理：利用故障线路零序电流滞后零序电压900，非故障线路零序电流超前零序电压900的特点来实现。首半波原理：利用故障线路中故障后暂态零序电流第一个周期的首半波与非故障线路相反的特点实现选择性保护。谐波
27、电流方向原理：利用5次或7次谐波电流大小或方向构成选择性接地保护。,2023/6/29,3）实现方法,在开关内装设零序电压互感器，以实现方向性选择性接地保护。由变电站内接地选线装置选出故障线路后，将信息发给FTU，由FTU确定故障区段。由FTU、微机测控装置对单相接地故障信息进行分散测量，上传后进行集中选线（在后台计算机机上选线）。,2023/6/29,4）在馈线自动化的应用辐射网,2023/6/29,在馈线自动化的应用环网,图示手拉手环网供电系统，采用集中远方控制模式，正常时，开环点S4断开。,若K处单相接地，配调中心召测各FTU接地信息，判出故障区段L3。将S2、S3开关跳开，实现故障区段隔离；合联络开关S4，恢复对非故障区段L4供电。,2023/6/29,5.对开关设备的要求-理想柱上开关结构,2023/6/29,（馈线自动化）小结1、地位2、作用3、原理4、结构5、主要设备6、性能指标7、注意的问题,
