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1、配电网故障处理关键技术,刘 健教授、博士生导师、博士、 Senior Member, IEEE百千万人才工程国家级人选、国务院政府特殊津贴专家国家电网公司优秀工程技术专家、陕西电力科学研究院总工程师,主要内容,配电自动化概述继电保护与配电自动化协调配合模式化故障处理大面积断电快速恢复自愈式故障处理备用电源小结,1、配电自动化概述,电力系统及其自动化,35kV/10kV/6kV/0.4kV,配电系统自动化的难度,我国配电自动化系统的发展,1995年东芝、Cooper产品进入中国1997年银川DAS、上海金滕开发区DAS1998年大规模试点，部分地区过于豪华，指标追求过于高（不必要！）、摊子过于大
2、（不必要！）韩国、法国、日本（注重投入产出）2004年反省2005年制定标准2009智能电网。,我国配电自动化的5种模式,简易型（自动开关配合、故障指示器）实用型（两遥、无FA）标准型（SACDA+FA）集成型（标准型+信息交换总线）智能型（集成型+自愈+经济运行）,配电自动化的核心问题,配电网故障处理,配电网故障处理研究意义,配电自动化对于提高供电可靠性具有重要意义配电自动化式智能电网建设的重要组成部分国网公司系统北京、杭州、厦门、银川、上海、南京、宁波、青岛、大连、太原、西安、唐山、兰州、西宁、天津、武汉、重庆、成都、石家庄、长沙、合肥、福州、郑州 23个城市开展配电自动化试点工程南网公司
3、系统广州、深圳等也开展配电自动化工程故障处理是配电自动化的核心功能之一,配电网故障类型,永久故障和瞬时性故障相间短路和单相接地用户故障、分支线故障和主干线故障馈线故障和中压母线故障造成配电网大面积停电的灾害性故障。,配电网故障处理的困难性,开关级联个数多分支多中性点非直接接地户外（恶劣条件、备用电源）设备分散分布式电源接入,面临的实际问题,馈线开关选型？ 断路器? 负荷开关?怎样充分利用继电保护资源？与 FA协调配合?怎样有效提高配电设施的利用率？ 模式化接线?怎样实现“自愈”? 只有重合器模式吗?哪种储能手段最适合于配电自动化？只有电池? 。,设计不当会导致,造价高 复杂 不可靠 设备利用率
4、低 维护工作量大 逐渐被废弃,本报告,讨论上述问题 给出一些建议,2、继电保护与配电自动化协调配合,继电保护的应用,优点：切除故障的速度快对健全区域不会造成停电 问题:造价高. 需要配断路器对于配电网，选择性难以实现,继电保护的困难,电流定值整定困难 馈线沿线短路电流差别不大, CT难以准确分辨 含分支馈线整定困难延时时间整定困难 难以实现太多级差.,不好的配合,Multi-trippingBypass tripping,tripped,tripped,tripped,tripped,outage,outage,outage,outage,outage,不好的恢复,Multi-tripping
5、,tripped,Looped switch,outage,多级保护配合的可行性,对于供电半径短的城市配电网，电流、阻抗定值都难以整定以实现选择性，只有依赖级差配合来实现选择性变电站10kV后备保护（母线进线开关过流保护）延时时间一般整定为0.5s，因此10kV线路保护只能在此时间段内进行级差配合,两级保护配合的可行性,馈线开关的动作时间：弹跳、继电器驱动 、常规算法：20ms(检测)+20ms(继电器驱动)+80ms(开关动作)120ms两级保护配合：第1级（分支开关或用户开关）：0s、速断 第2级（变电站出线开关）：0.20.25s延时速断,三级保护配合的可行性,馈线开关的动作时间：永磁、
6、继电器IGBT驱动 、快速算法：10ms(检测)+2ms(继电器驱动)+30ms(开关动作)50ms两级保护配合：第1级开关：0s、速断 第2级开关：0.150.2s、速断第3级（变电站出线开关）：0.250.35s延时速断,两级保护FA配合典型设计,主干线采用负荷开关分支线开关（或用户开关）采用断路器 分支线开关（或用户开关）与变电站出线开关实现两级保护配合依靠FA进行修正性控制,Example 1: overhead feeder,LS,LS,LS,LS,LS,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,A permanent fault on a branch,LS,LS,LS
7、,LS,LS,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,A permanent fault on a branch,Example 1: overhead feeder,Example 1 overhead feeder,LS,LS,LS,LS,LS,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,A temporary fault on the trunk,Example 1 overhead feeder,LS,LS,LS,LS,LS,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,A temporary fault on the trunk,Example 1 o
8、verhead feeder,LS,LS,LS,LS,LS,Re-closing,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,A temporary fault on the trunk,Example 1 overhead feeder,LS,LS,LS,LS,LS,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,A permanent fault on the trunk,Example 1 overhead feeder,LS,LS,LS,LS,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,A permanent fault on the trunk,Fail of re-c
9、losing,Example 1 overhead feeder,LS,LS,LS,LS,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,A permanent fault on the trunk,Modified restoration by FA (telecontrol),Example 1 overhead feeder,LS,LS,LS,LS,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,A permanent fault on the trunk,Modified restoration by FA (telecontrol),Example 1 overhead feeder
10、,LS,LS,LS,LS,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,A permanent fault on the trunk,Modified restoration by FA (telecontrol),Example 2: cables,Ring main unit,Ring main unit,优点,经济分支线或用户故障不影响主干线.级差整定方便瞬时故障时只须 0.5 sec.就可以恢复 瞬时故障与永久故障判别简单配电自动化逻辑简单,3、模式化故障处理,典型模式化接线,“手拉手”环状网多分段多连接多供一备电缆网46 接线,一条馈线需要留有能带动对侧全部负荷的备用容量，因此正常
11、情况下配电资源的利用率小于50%.,“手拉手”环状网,50%,Each feeder is divided into two parts. The two parts of a feeder are linked to two different feeders, respectively.Each feeder only has to consider one half of the back-up loading of the other feeder besides its own loading. Thus, the efficiency can be improved to 67%
12、in the normal situation.,2分段2连接,67%,Each feeder is divided into three parts. The three parts of a feeder are linked to three different feeders, respectively.Each feeder only has to consider one third of the back-up loading of the other feeder besides its own loading. Thus, the efficiency can be impr
13、oved to 75% in the normal situation.,3分段3连接,75%,3供1备电缆网,Three cables in service are linked to one cable.Each cable may reach its loading limitation in the normal situation.Thus, the averaged efficiency may be 75% .,75%,注意,模式化接线可以提高配电设备的利用率.但是： 必须采取模式化故障处理才能达到上述目的！,模式化故障处理步骤,对于多分段多联络模式化接线，永久故障发生后，FA将
14、故障所在馈线分为多段，每段分别由不同的电源恢复。对于多供一备模式，故障后健全区域的恢复一律由备用电缆实现。即使负荷很轻、一个电源就可以完成全部健全区域恢复的情形，也严格执行上述步骤。因一成不变，配电自动化系统的故障处理逻辑将容易实现,Example 1,A fault occurs on the first section of a feeder.The main CB trips, recloses and trips, again. Thus, the fault is identified as a permanent fault.,Example 1,The two healthy s
15、ection are separated and restored by its corresponding feeders, respectively, even when the loading is so small that F2 can restoreboth of the healthy sections.,Example 1,F1,F2,Example 2,A permanent fault occurs on the first section of a feeder.,Example 2,After the fault is isolated, the healthy par
16、t is restored by theback-up cable, even when the loading is so small that S2 or S3 can do the same job.,参见：1黄琪伟，刘健配电网模式化接线优化规划电力系统自动化，2008，32（7）,4、大面积断电快速恢复,造成配电网大范围断电故障,自然灾害（台风、地震）造成多个电源失去人为破坏（战争、恐怖袭击）造成多个电源失去超高压线路故障，造成多个电源失去主变电站故障或检修，造成多个电源失去10kV母线故障，造成多个电源失去,北美大面积停电,近年来欧美发生的多次电网大停电事故，给电力工作者敲响了警钟。
17、尽管造成配电网大面积断电的事故发生概率较小，但是若造成大面积停电的危害极大。 西安2002年初二,正常,母线故障,母线全部失压,开关操作序列生成,负荷转移、避免大面积停电,恢复供电,恢复供电,参见：2 刘健，徐精求，程红丽.紧急状态下配电网大面积断电快速恢复算法J.中国电机工程学报，2004，24(12)：132-138. 3 刘健，石晓军，程红丽等. 配电网大面积断电供电恢复及开关操作顺序生成.电力系统自动化，2008，32(2)：76-79，83,5、自愈,“自愈”是一个经常备误解的概念“自愈” 包括: 事前：概率风险评估与预防性控制 1）结合负荷预测进行方式调整避免过负荷 2）结合在线检
18、测（温度、局部放电）进行 相应控制避免酿成严重后果 3）。 事中：继电保护与自动装置 事后：配电自动化修正性控制,“自愈”故障处理典型技术配电自动化开关 (重合器、分段器配合等) 继电保护与FA协调配合的集中智能DAS分布智能FA：不依赖主站进行故障处理 1） 基于Goose高速通信网和断路器配置，可有效实现任意级任意分支配合。避免越级跳闸和多级跳闸. 2）基于中低速高速通信网和负荷开关配置，可有效实现任意级任意分支配合，但会造成部分区段短暂停电。,参见：4刘健等. “一种快速自愈的分布智能馈线自 动化系统”. 电力系统自动化，2010，35（10）,6、备用电源,重要性,无论馈线采取何种类型
19、开关，配电终端都必须具备可靠的备用电源，在配电终端失去主供电源时，仍能满足配电终端和通信装置正常工作一段时间并确保开关若干次可靠分合闸操作，以确保故障信息可靠地上传到主站供故障判断之用，并且在恢复健全区域供电前将故障隔离到最小范围。,LS,LS,LS,LS,CB,Fail of re-closing,LS,LS,LS,LS,CB,Modified restoration by FA (telecontrol),蓄电池的缺点,从技术上看，蓄电池的寿命不长、对充放电管理的要求较高，工作于恶劣环境条件下时，对其性能和寿命的影响尤其突出。从管理上看，配电终端数量众多且位置分散，更换和维护蓄电池需要花费
20、大量的人力和物力，为了确保可靠工作，一般一至两年就要更换一次蓄电池，运行成本比较高。,超级电容器的优点,1）更高的功率密度，为蓄电池的10100倍，能够快速放出几百到几千安培的电流，这个特点尤其适合作为开关的操作电源。2）充电速度快，可以采用大电流充电，能在很短的时间完成充电过程。3）超长使用寿命，充放电大于50万次，作为备用电源使用、以每天充放电20次计，寿命可达68年以上。4）使用温度范围广，低温性能优越，其工作温度范围为-4085。5）高可靠性，维护工作量极少。,超级电容器设计,The operating mechanism of the feeder load switch is se
21、lected to be 48V DCThe energy needed for switching operation once is about 320J.We desire the switch to operate twice in the situation without main power supplying.The rated power of the FTU is about 5W.The maximum power of the communication device is no more than 5W.We expect that the FTU keeps wor
22、king within 10 min. in the situation without main power supplying.Taking above into consideration, we haveThe super capacitor may be designed to be 24F/80V,参见：5程红丽, 王立, 刘健等. 电容储能的自动化终端备 用开关电源J. 电力系统保护与控制. 2009,37(22):116-120.,7、其他问题,非健全信息故障诊断,贝叶斯方法、Petri-网、。参见6 刘健等. “配电网非健全信息故障诊断及故障 处理 ”. 电力系统自动化，20
23、10， 35（4）,OC,CB,OC,分布式电源接入对故障处理的影响,分布式电源容量较大时： 需要安装PT，根据故障功率方向进行故障判断分布式电源容量较小时： 可以不安装PT，仍根据各个馈线开关是否经历故障电流来进行故障判断逆变器类分布式电源（如：光伏）： 可以延时判断，待分布式电源的电力电子开关快速截止（几十毫秒）后，再根据各个馈线开关是否经历故障电流来进行故障判断，而不需要安装PT,单相接地处理,小电阻瞬间投入辅助处理法自动按规则拉合闸法开关本体安装零序电压和精确零序电流传感器法,8、小结,两级级差保护配合与配电自动化修正控制的方案是可行的，典型设计方案是：主干线采用负荷开关、分支线开关（
24、或用户开关）采用断路器，分支线开关（或用户开关）与变电站出线开关实现两级保护配合，分支线或用户故障不影响主干线。模式化接线可以提高配电设备的利用率，但是 必须采取模式化故障处理才能达到上述目的。,对于联络充分的配电网，利用配电自动化技术可以实现大面积断电快速恢复以增强灾害应对能力，其关键技术之一是：大批量开关操作顺序的生成技术“自愈” 包括以概率风险评估与预防性控制为主的事前处理、以继电保护与自动装置为主的 事中处理、以配电自动化修正性控制为主的事后处理。超级电容器非常适合于作为配电网自动化设备的备用电源的储能元件。,Thank You for Attention!,刘健教授、博士生导师、博士、 Senior Member, IEEE百千万人才工程国家级人选、国务院政府特殊津贴专家国家电网公司优秀工程技术专家陕西电力科学研究院总工程师,
