基于馈线拓扑自动识别的分布式FA控制方法

黄滇生++杨文波++张泽州++王波++赵彪

摘 要 配电网是智能电网的重要组成部分，智能配电网的建设目标是具有完备的故障自愈功能，能最大程度地减少配网故障对用户的影响，而且支持大量分布式电源的接入。但目前，配电网的网架结构薄弱，二次保护控制技术不够完善，使得配网停电事故时有发生。目前馈线自动化保护控制主要有两种模式：集中型和就地型。集中型方式由主站综合分析出线保护动作信息以及各配电终端信息完成故障定位；就地型是通过变电站一次重合配合“电压-时间型”分段开关就地完成故障区段的判定及隔离，无论是集中型还是就地型，都存在短时停电范围扩大，故障发生后，无论故障点位置如何，出线断路器首先跳闸，导致非故障区段失电；另外要综合分析相关开关的故障信息，才能判别故障区域，而后下发控制命令。需要信息的上传下达，实时性不强，判别过程复杂。文章提出一种复杂配网新型馈线终端自适应快速保护控制原理，利用多点故障信息的快速故障定位、故障隔离及供电恢复的通用型控制策略，适应有源配电网网络拓扑结构的变化，实现智能终端之间、智能终端与馈线主站之间的互通互联、即插即用以及分布式智能控制。

【关键词】多点故障信息的快速故障定位 多点故障信息的快速故障隔离 多点故障信息的快速故障恢复

配电网是智能电网的重要组成部分，智能配电网的建设目标是具有完备的故障自愈功能，能最大程度地減少配网故障对用户的影响，而且支持大量分布式电源的接入。但目前，配电网的网架结构薄弱，二次保护控制技术不够完善，使得配网停电事故时有发生。统计数据表明，电网中大约80%以上的故障发生在配电系统中。可见，配电网的保护控制及其故障自愈技术直接关系到整个配电系统的运行效率和终端用户的电能质量。

当前配电网的馈线自动化终端集中性控制方式和就地“电压-时间”型两种故障处理模式存在以下问题：

（1）仅由终端单元（FTU）实现，但不存在终端单元的信息交互，不能充分利用邻近节点的故障信息，故障定位准确度较低。

（2）具有主站和终端单元之间的信息交互，采用2G/3G/4G/无线通信或者网络/光纤通信方式方式，采用2G/3G/4G或无线通信方式主站与馈线自动化终端之间的通信速率低，并且通信缺乏稳定性、实时性，通信效率低；采用网络/光纤通信方式通信稳定、实时性强和效率高，但是故障定位算法及其他故障控制功能均由主站实现，无法满足智能配电网的实时性要求，控制效率不高，且不适用含有分布式电源的智能配电网。

（3）恢复供电时间较长。

（4）切除永久故障时，主供线路侧需要重合两次，使线路受到两次短路电流冲击，且波及线路对侧的用户，使其发生短时间陪停电。

（5）要对变电站馈线现有的保护及重合闸装置进行改进，使之与动作逻辑相适应，或另加馈线重合闸装置，增加了额外投资。

1 实现原理

1.1 分布式FA系统工作原理

高级馈线自动化终端（AFTU）之间利用光纤通信网络，构建基于IP对等通信的光纤网络，建立手拉手的链式网络通信通道，将快速故障定位、隔离与恢复策略植入AFTU中，实现各AFTU之间的相互通信、AFTU之间共享电路的电压、电气量信息、开关位置和故障状态等信息，利用多点故障信息的快速故障定位、故障隔离及供电恢复的通用型控制策略，适应有源配电网网络拓扑结构的变化，开关在获悉过流或失压信号后进行故障判断，从而将故障自动切除，并通过对等通讯得到手拉手链式通信网络高级馈线自动化终端（AFTU）组内其它开关已经切除的信息，然后每个开关将根据自己的位置自动决定是立即打开以便切除故障、隔离故障点，还是闭合并恢复对该线路正常区间的供电。高级馈线自动化终端通过点对点对等通信网络实现相互之间的信息交互，并向主站转发终端数据。在线路上发生故障时，利用对等通信网络各AFTU能够快速定位故障区段，实现故障检测信息与控制信息在相关智能终端之间的传递，无需馈线自动化主站/子站参与协调与控制，因此提高了故障自愈控制速度。

1.2 基于实时网络拓扑识别的联络开关身份确认方法

在分布式 FA 系统中，联络开关负责故障点下游非故障区段的供电恢复。在实际运行中，如果馈线运行方式改变，联络开关的位置也发生变化，需识别其位置。采用人工配置方式，工作量大，且在重新配置前系统需退出运行。通过检测常开开关两侧的电压可以识别联络开关，但需要在每一个分段开关的两侧安装电压互感器，投资大，经济性差。利用FA 系统中高级馈线自动化终端（AFTU）能够互相通信的特点，通过接力查询自动识别馈线的拓扑结构，可以克服以上2种方法的缺点。

为了实现馈线拓扑的自动识别，在分布式 FA系统中，需要为高级馈线自动化终端（AFTU）监控的当地开关配置开关性质信息，根据开关所处的位置，分为电源开关（出线断路器）、干线分段开关与支线开关3类。同时，为每一个当地开关配置相邻开关信息，包括相邻开关的名称及其所在高级馈线自动化终端（AFTU）的名称与通信地址。

当分段开关处的高级馈线自动化终端（AFTU）上电时所监控的开关处于“分”位，或在正常运行过程中由“合”位变为“分”位时，高级馈线自动化终端（AFTU）启动接力查询进行馈线拓扑自动识别，下面具体介绍接力查询方法与步骤。

步骤1：高级馈线自动化终端（AFTU）检测到某个分段开关处于 “分闸”状态，发起接力查询。

步骤2：首先查询该分段开关左侧实时干线拓扑结构。高级馈线自动化终端根据配置信息检测到该分段开关的当地左侧相邻干线开关。再根据配置信息，向该分段开关左侧的高级馈线自动化终端查询相邻干线分段开关的状态，以此类推，通过高级馈线自动化终端之间的通信、信息传递和接力查询，即可识别出干线分段开关名称及其动态拓扑关系。

步骤3：高级馈线自动化终端采用步骤2的方法，识别出联络开关与电源开关之间的干线分段开关名称及其动态拓扑关系。

步骤4：经过上述步骤，高级馈线自动化终端识别出馈线拓扑关系，区别出开关是干线分段开关还是联络开关。

步骤5：网络拓扑维护。如果网络静态拓扑发生变化，首先需要更新高级馈线自动化终端（AFTU）的配置信息，在相关高级馈线自动化终端（AFTU）的配置信息更新完毕后，发出“配置信息已更新”的消息。联络开关处的高级馈线自动化终端（AFTU）收到此信息后，重新进行实时馈线拓扑查询。

1.3 FA新型馈线自动化控制系统故障快速定位与隔离实现

检测到当地开关有故障电流流过的高级馈线自动化终端（AFTU），通过观察相邻开关是否有故障电流流过实现故障定位。如果一侧的相邻开关有故障电流流过，说明故障电流是穿越性的，则该相邻开关一侧的区段为非故障区段；如果一侧的相邻开关无故障电流流过，说明故障电流是注入性的，则该侧区段为故障区段。对于下游没有相邻开关的线路末端开关（如环网柜出线开关），当高级馈线自动化终端（AFTU）检测到其有故障电流流过时，直接判断故障在下游。

在确定故障区段后，故障区段上游边界开关处的高级馈线自动化终端（AFTU）发出跳开本地开关的命令，并通知其相邻的下游开关跳闸，隔离故障。在确认故障区段所有的边界开关都跳开后，发出“故障隔离成功”的信息。

1.4 高級馈线自动化终端故障隔离判断

对于手拉手运行的馈线线路，高级馈线自动化终端故障识别的处理过程为：

（1）当馈线发生短路故障时，线路上所有检测到故障电流大于纵联启动电流定值的AFTU终端模块置纵联启动标，小于纵联启动电流定值的AFTU终端模块不置纵联启动标志，他们都将其标志信息通过光纤通信在2-3ms内发给两侧的高级馈线自动化终端模块；

（2）各个高级馈线自动化终端根据自己检测到的保护电流判断自身的状态，如果故障电流大于纵联启动电流定值，且两侧高级馈线自动化终端模块传送过来的纵联启动标志中，有一侧有效，一侧无效，装置在经设定延时到后发自己跳闸的命令，

（3）高级馈线自动化终端模块在第一次跳闸后会重合，对于瞬时性故障，恢复供电；

对于永久性故障，重合闸后会加速再次跳闸，而且该AFTU终端模块会向相邻的纵联保护未启动侧发分闸命令，将故障隔离。

由以上高级馈线自动化终端模块故障隔离的过程可知，馈线上的每一个高级馈线自动化终端模块都可以作为故障隔离的主机，这取决于故障的位置，一般为离故障最近的高级馈线自动化终端模块。

2 分布式FA供电恢复控制策略

2.1 分布式FA供电恢复原理

现有的分布式 FA 系统，假设在供电恢复过程中联络电源备用容量充足，不考虑非故障区段的负载容量是否会超过备用容量。而实际运行中联络电源备用容量可能不足，因此在供电恢复过程中需要检查备用容量是否满足要求，并在备用容量不足时根据故障前负荷情况最大范围地恢复供电。

现有的配电网自动化系统中，往往只测量线路开关的电流，无法计算非故障区段的负荷功率及联络电源的备用功率容量。本项目中利用线路的负荷电流估算负荷功率并进行安全性校验，基于广域信息的供电恢复控制策略详细介绍如下。

正常运行时，高级馈线自动化终端（AFTU）测量并保存当地开关的负荷电流，故障发生后，在进行供电恢复操作前，联络开关处高级馈线自动化终端（AFTU）根据故障隔离信息及馈线拓扑结构识别出故障点下游非故障区段，并从非故障区段的高级馈线自动化终端（AFTU）处获取各个开关故障前负荷电流值；从备供电源开关的高级馈线自动化终端（AFTU）获取其故障前负荷电流，根据负荷电流与额定电流（最大允许电流） 差值，计算出备供电流裕量。将备供电流裕量与总的非故障区段电流相比较，即可判断备供容量是否满足要求。如果备供不足，可根据备供电源不过流以及恢复供电范围最大的原则，确定需要恢复供电的区段。

故障点上游的非故障区段由变电站出线开关合闸恢复供电。变电站出线开关处的高级馈线自动化终端（AFTU）在接收到“故障隔离成功”的消息后，如果故障不在变电站出线开关相邻区段上，则控制变电站出线开关合闸，恢复故障点上游非故障区段供电。

故障点下游的非故障区段，联络开关处的高级馈线自动化终端（AFTU）在接收到“故障隔离成功”的消息后，若故障区段位于馈线干线上，且不是联络开关相邻区段时，高级馈线自动化终端（AFTU）控制联络开关合闸，恢复故障点下游非故障区段供电。

2.2 可转供区域供电恢复策略

当故障隔离成功后，两侧的AFTU会带着隔离信息（过流、命令、动作）向上（或下）一个AFTU传递信息，联络断路器处的AFTU收到信息并检测到断路器两端一端有压另一端无压，AFTU发出合闸命令，合上联络断路器，无故障停电区域恢复供电。

2.3 故障抢修后的恢复供电策略

故障抢修完毕，可采用两种方式恢复供电：

（1）主站遥控恢复供电，主站遥控先断幵联络断路器，再依次合上故障点上下游侧的断路器，恢复以前的供电模式。

（2）AFTU就地控制恢复供电，操作AFTU先断开联络断路器，再依次合上故障点上下游侧的断路器，恢复以前的供电模式。

3 一种基于馈线拓扑自动识别的分布式 FA 控制方法实现方案

XXXX供电公司示范工程建设满足多电源、多联络、多分支网状连接的要求，典型网络图如图1。

智能分布式FA系统在满足典型网络图的运行方式下，在所有智能分布式开关在远方位置时，智能分布式FA系统投入运行。在此典型网络结构中，在不同故障点发生故障时，智能分布式FA的动作过程将详细说明如下。

3.1 当F1点发生故障时故障定位、隔离与供电恢复控制策略实现

（1）当发生瞬时性故障时，城北线N05塔开关跳闸，按照定值设定（3秒），一次重合闸成功，供电恢复。智能分布式FA不动作。

（2）当发生永久性故障时，城北线N05塔开关跳闸，按照定值设定，一次重合闸后，重合到故障上，城北线N05塔开关再次跳闸。智能分布式FA开始动作，将罗伟邑支线N50-1杆开关、母屯线N36塔开关分闸，隔离故障，之后将母屯线N46塔开关合上，供电恢复，母屯线N09和母屯线N39保持原始状态。（加两次故障电流，第一次加的时候，立马跳闸，城北线N05塔开关跳闸，按照定值设定（3秒），一次重合闸（罗伟邑支线N50-1、母屯线N36、母屯线N46不跳闸），一次重合闸后，重合到故障上，城北线N05塔开关再次跳闸，FA开始动作，将罗伟邑支线N50-1杆开关、母屯线N36塔开关分闸，隔离故障，1分钟后将母屯线N46塔开关合上，供电恢复，母屯线N09和母屯线N39保持原始状态。

3.2 当F2点发生故障时故障定位、隔离与供电恢复控制策略实现

（1）当发生瞬时性故障时，城北线N05塔开关跳闸，按照定值设定，一次重合闸成功，供电恢复。智能分布式FA不动作。

（2）当发生永久性故障时，城北线N05塔开关跳闸，按照定值设定，一次重合闸后，重合到故障上，城北线N05塔开关再次跳闸。智能分布式FA开始动作，将罗伟邑支线N50-1杆开关分闸，隔离故障，之后将城北线N05塔开关合上，供电恢复。

3.3 当F3点发生故障时故障定位、隔离与供电恢复控制策略实现

（1）当发生瞬时性故障时，城北线N05塔开关跳闸，按照定值设定，一次重合闸成功，供电恢复。智能分布式FA不动作。

（2）当发生永久性故障时，城北线N05塔开关跳闸，按照定值设定，一次重合闸后，重合到故障上，城北线N05塔开关再次跳闸。智能分布式FA开始动作，将母屯线N36塔开关分闸，隔离故障，之后将城北线N05塔开关合上，供电恢复。

3.4 当F4点发生故障时故障定位、隔离与供电恢复控制策略实现

（1）当发生瞬时性故障时，城中N06塔开关跳闸，按照定值设定，一次重合闸成功，供电恢复。智能分布式FA不动作。

（2）当发生永久性故障时，城中N06塔开关跳闸，按照定值设定，一次重合闸后，重合到故障上，城中N06塔开关再次跳闸。智能分布式FA开始动作，将城中线N69塔开关分闸，隔离故障，之后将城中N06塔开关合上，供电恢复。

3.5 当F5点发生故障时故障定位、隔离与供电恢复控制策略实现

（1）当发生瞬时性故障时，城中N06塔开关跳闸，按照定值设定，一次重合闸成功，供电恢复。智能分布式FA不動作。

（2）当发生永久性故障时，城中N06塔开关跳闸，按照定值设定，一次重合闸后，重合到故障上，城中N06塔开关再次跳闸。智能分布式FA开始动作，将城中线N69塔开关、城中线N44塔开关分闸，隔离故障，之后将城中N06塔开关、母屯线N46塔开关合上，供电恢复。

3.6 当F6点发生故障时故障定位、隔离与供电恢复控制策略实现

（1）当发生瞬时性故障时，城中N06塔开关跳闸，按照定值设定，一次重合闸成功，供电恢复。智能分布式FA不动作。

（2）当发生永久性故障时，城中N06塔开关跳闸，按照定值设定，一次重合闸后，重合到故障上，城中N06塔开关再次跳闸。智能分布式FA开始动作，将城中线N44塔开关分闸，隔离故障，之后将母屯线N46塔开关合上，供电恢复。

3.7 当F7点发生故障时故障定位、隔离与供电恢复控制策略实现

（1）当发生瞬时性故障时，隆鑫N03塔开关跳闸，按照定值设定，一次重合闸成功，供电恢复。智能分布式FA不动作。

（2）当发生永久性故障时，隆鑫N03塔开关跳闸，按照定值设定，一次重合闸后，重合到故障上，隆鑫N03塔开关再次跳闸。智能分布式FA开始动作，分析出故障以被隔离，无可恢复供电区域。

3.8 其他点发生故障时故障定位、隔离与供电恢复控制策略实现

当海北坪N66杆开关、母屯线N09塔开关、母屯线N39塔开关、城中线69-3塔开关在合位时，智能分布式FA系统认为有外电源进入，人为对电网进行调度，故智能分布式FA系统退出运行。

4 现场测试效果

通过在城北线N05塔断路器使用继保仪给高级馈线自动化终端加故障电流，模拟故障电流为A相23A，B相23A，第一次模拟瞬时性故障，城北线N05塔开关跳闸，按照定值设定（3秒），一次重合闸成功，供电恢复，与此同时罗伟邑支线N50-1杆开关、海北坪N66塔开关和母屯线N36塔开关保持原始合闸状态，测试结果满足项目的要求，达到预期目标；第二次模拟永久性故障，模拟故障电流为A相23A，B相23A，当第一次加故障电流时，城北线N05塔开关立马跳闸，按照定值设定（3秒），一次重合闸，罗伟邑支线N50-1开关、海北坪N66塔开关和母屯线N36开关不跳闸，保持原始状态，一次重合闸之后，第二次加故障电流，城北线N05塔重合闸到故障上，城北线N05塔开关再次跳闸，FA开始动作，将罗伟邑支线N50-1杆开关、母屯线N36塔开关分闸，隔离故障，5秒后将母屯线N46塔开关合上，城北线由母屯线N36反供电，城北线供电恢复，母屯线N09和母屯线N39保持原始状态，测试结果满足项目的要求，达到预期目标。

经过对项目的分布式FA模拟故障测试，测试结果与项目预期结果一致，从而验证了所开发的高级馈线自动化终端、快速保护控制算法以及通信方案的有效性和可行性，为项目的进一步推广应用提供了技术支撑和效果示范。

5 展望

基于广域信息与分布式智能技术，将保护功能分解为各个智能保护单元的简单动作规则，利用智能保护单元的本地信息及其邻域信息，快速判断故障位置，保证各个智能保护单元的选择性、可靠性、灵敏性和快速性，同时实现各个保护单元的后备与邻域保护单元之间的配合，利用分布式智能单元之间的对等通信，基于广域信息平台，根据上下游线路的电流是否越限、故障分量电流相位比较原理等，进行故障区段的定位与快速纵联保护，以克服分布式电源注入的故障电流的影响以及弱馈侧的保护问题； 高级馈线自动化终端通过点对点对等通信网络实现相互之间的信息交互，并向主站转发终端数据。在线路上发生故障时，利用对等通信网络各AFTU能够快速定位故障区段，实现故障检测信息与控制信息在相关智能终端之间的传递，无需馈线自动化主站/子站参与协调与控制，因此提高了故障自愈控制速度。根据开关所处的位置分为出线开关、中间开关与末端开关三大类，AFTU根据被监控开关的类型，将本地与相邻开关测量信息对比即可完成故障定位，能够准确区分干线与支路出线故障，无需完整地知道线路网络拓扑，因此整定配置简单，能够很好地适应配电网络拓扑变化； 设计基于IP对等通信的光纤通信方案，实现各AFTU间以及与馈线自动化主站之间的实时通信。在项目试点工程建设地铺设光纤网络，利用光纤通信网络，构建基于IP对等通信的光纤网络，实现各AFTU之间的相互通信，完成故障的快速定位、隔离与非故障区段的故障恢复，解决传统馈线自动化故障处理复杂、短时停电范围扩大等问题，同时利用先进的控制策略实现故障的快速自愈，这将显著提高配电系统的供电可靠性，减少停电时间，大大降低用户因停电所带来的损失，产生巨大的经济效益和社会效益。

作者简介

黄滇生（1956-），男，云南省大理市人。现为云南电网有限公司大理供电局技术专家、高级工程师。研究方向为复杂配网故障定位、隔离及供电恢复

杨文波（1968-），女，云南省大理市人。现为云南电网有限公司大理供电局高级工程师。研究方向为配网供电可靠性

张泽州（1973-），男，云南省大理市人。现为云南电网有限公司大理供电局高级工程师。研究方向为广域信息与分布式智能控制

王波（1974-），男，云南省大理市人。现为云南电网有限公司鹤庆供电公司工程师。研究方向为配网快速故障自愈

赵彪（1979-），男，云南省大理市人。现为云南电网有限公司鹤庆供电公司技师。研究方向为复杂配网故障定位、隔离及供电恢复

作者单位

1.云南电网有限公司大理供电局 云南省大理市 671099

2.云南电网有限公司鹤庆供电公司 云南省鹤庆县 671500