1、配电网故障处理配电网故障处理关键技术关键技术 刘刘 健健教授、博士生导师、博士、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主要内容 配电自动化概述配电自动化概述 继电保护与配电自动化协调配合继电保护与配电自动化协调配合 模式化故障处理模式化故障处理 大面积断电快速恢复大面积断电快速恢复 自愈式故障处理自愈式故障处理 备用电源备用电源 小结小结1、配电自动化概述
2、、配电自动化概述 发电厂发电厂 输电线输电线 变电站变电站 配电网配电网 用用 户户 能量管理系统能量管理系统(EMS) 配电管理系统配电管理系统(DMS) AGC 电网调度自动化电网调度自动化 配电网自动化配电网自动化 需方管理需方管理 综合管理层综合管理层次 SCADA 层层次 变电站自动化变电站自动化 配电自动化配电自动化(DAS) 电力系统及其自动化电力系统及其自动化35kV/10kV/6kV/0.4kV配电系统自动化的难度配电系统自动化的难度输电网自动化输电网自动化配电网自动化配电网自动化工作环境工作环境室内室内户外恶劣环境：户外恶劣环境：高低温，湿高低温，湿 度、防雨、防度、防雨、
3、防雷、防风沙、防振动、抗电磁雷、防风沙、防振动、抗电磁干扰等干扰等站点数量站点数量少，少，100多，几百、几千甚多，几百、几千甚至上万至上万电源获取电源获取方便方便困难困难量测数据量测数据充足充足严重缺乏严重缺乏我国配电自动化系统的发展我国配电自动化系统的发展 1995年东芝、年东芝、Cooper产品进入中国产品进入中国 1997年银川年银川DAS、上海金滕开发区、上海金滕开发区DAS 1998年大规模试点，部分地区过于豪华，指标年大规模试点，部分地区过于豪华，指标追求过于高追求过于高（不必要！）（不必要！）、摊子过于大、摊子过于大（不必（不必要！）要！） 韩国、法国、日本韩国、法国、日本（注
4、重投入产出）（注重投入产出） 2004年反省年反省 2005年制定标准年制定标准 2009智能电网。智能电网。我国配电自动化的我国配电自动化的5种模式种模式 简易型简易型（自动开关配合、故障指示器）（自动开关配合、故障指示器） 实用型实用型（两遥、无（两遥、无FA） 标准型标准型（SACDA+FA） 集成型集成型（标准型（标准型+信息交换总线）信息交换总线） 智能型智能型（集成型（集成型+自愈自愈+经济运行经济运行）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对于提高供电可靠性具有重要意义 配电自动化式智能
5、电网建设的重要组成部分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、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、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、福天津、武汉、重庆、成都、石家庄、长沙、合肥、福州、郑州州、郑州 23个城市开展配电自动化试点工程个城市开展配电自动化试点工程 南网公司系统广州、深圳等也开展配电自动化工程南网公司系统广州、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故障处理是配电自动化的核心功能之一配电网故障类型配
6、电网故障类型 永久故障和瞬时性故障永久故障和瞬时性故障 相间短路和单相接地相间短路和单相接地 用户故障、分支线故障和主干线故障用户故障、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配电网故障处理的困难性 开关级联个数多开关级联个数多 分支多分支多 中性点非直接接地中性点非直接接地 户外户外（恶劣条件、备用电源）（恶劣条件、备用电源） 设备分散设备分散 分布式电源接入分布式电源接入面临的实际问题面临的实际问题 馈线开关选型？馈线开关选型？ 断路器断路器? 负荷开关负荷开关? 怎样充
7、分利用继电保护资源？怎样充分利用继电保护资源？与与 FA协调配合协调配合? 怎样有效提高配电设施的利用率？怎样有效提高配电设施的利用率？ 模式化接线模式化接线? 怎样实现怎样实现“自愈自愈”? 只有重合器模式吗只有重合器模式吗? 哪种储能手段最适合于配电自动化？哪种储能手段最适合于配电自动化？只有电池只有电池? 。设计不当会导致设计不当会导致 造价高造价高 复杂复杂 不可靠不可靠 设备利用率低设备利用率低 维护工作量大维护工作量大 逐渐被废弃逐渐被废弃本报告本报告 讨论上述问题讨论上述问题 给出一些建议给出一些建议2、继电保护与配电自动化、继电保护与配电自动化协调配合协调配合 继电保护的应用继
8、电保护的应用 优点：优点： 切除故障的速度快切除故障的速度快 对健全区域不会造成停电对健全区域不会造成停电 问题问题: 造价高造价高. 需要配断路器需要配断路器 对于配电网，选择性难以实现对于配电网，选择性难以实现继电保护的困难继电保护的困难 电流定值整定困难电流定值整定困难 馈线沿线短路电流差别不大馈线沿线短路电流差别不大, CT难以准确分辨难以准确分辨 含分支馈线整定困难含分支馈线整定困难 延时时间整定困难延时时间整定困难 难以实现太多级差难以实现太多级差. 不好的配合不好的配合 Multi-tripping Bypass tripping trippedtrippedtrippedtri
9、ppedoutageoutageoutageoutageoutage不好的恢复不好的恢复 Multi-tripping trippedLooped switchoutage多级保护配合的可行性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实现选择性 变电站变电站10kV后备保护（母线进线开关过流保护）后备保护（母线进线开关过流保护）延时时间一般整定为延时时间一般整定为0.5s，因此，因此10kV线路保护只线路保护只能在此时间段内进行级差配合能
10、在此时间段内进行级差配合两级保护配合的可行性两级保护配合的可行性 馈线开关的动作时间：馈线开关的动作时间： 弹跳、继电器驱动弹跳、继电器驱动 、常规算法：、常规算法： 20ms(检测检测)+20ms(继电器驱动继电器驱动)+80ms(开关动作开关动作)120ms 两级保护配合：两级保护配合： 第第1级（分支开关或用户开关）：级（分支开关或用户开关）：0s、速断、速断 第第2级（变电站出线开关）：级（变电站出线开关）：0.20.25s延时速断延时速断三级保护配合的可行性三级保护配合的可行性 馈线开关的动作时间：馈线开关的动作时间： 永磁、继电器永磁、继电器IGBT驱动驱动 、快速算法：、快速算法
11、： 10ms(检测检测)+2ms(继电器驱动继电器驱动)+30ms(开关动作开关动作)50ms 两级保护配合：两级保护配合： 第第1级开关：级开关：0s、速断、速断 第第2级开关：级开关：0.150.2s、速断、速断 第第3级（变电站出线开关）：级（变电站出线开关）：0.250.35s延时速断延时速断两级保护两级保护FA配合典型设计配合典型设计 主干线采用负荷开关主干线采用负荷开关 分支线开关（或用户开关）采用断分支线开关（或用户开关）采用断路器路器 分支线开关（或用户开关）与变电分支线开关（或用户开关）与变电站出线开关实现两级保护配合站出线开关实现两级保护配合 依靠依靠FA进行修正性控制进行
12、修正性控制Example 1: overhead feeder LSLSLSLSLSCBCBCBCBCBCBCBCBCBA permanent fault on a branch LSLSLSLSLSCBCBCBCBCBCBCBCBCBA permanent fault on a branchExample 1: overhead feederExample 1 overhead feeder LSLSLSLSLSCBCBCBCBCBCBCBCBCBA temporary fault on the trunkExample 1 overhead feeder LSLSLSLSLSCBCBCBC
13、BCBCBCBCBCBA temporary fault on the trunkExample 1 overhead feeder LSLSLSLSLSRe-closingCBCBCBCBCBCBCBCBA temporary fault on the trunkExample 1 overhead feeder LSLSLSLSLSCBCBCBCBCBCBCBCBCBA permanent fault on the trunkExample 1 overhead feeder LSLSLSLSCBCBCBCBCBCBCBCBA permanent fault on the trunkFai
14、l of re-closingExample 1 overhead feeder LSLSLSLSCBCBCBCBCBCBCBCBA permanent fault on the trunkModified restoration by FA (telecontrol)Example 1 overhead feeder LSLSLSLSCBCBCBCBCBCBCBCBA permanent fault on the trunkModified restoration by FA (telecontrol)Example 1 overhead feeder LSLSLSLSCBCBCBCBCBC
15、BCBCBA permanent fault on the trunkModified restoration by FA (telecontrol)Example 2: cables A7 A8 A5 A6 A3 A4 A1 A2 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 B12 S1 S2 A10 A9 A12 A11 A14 A13 A16 A15 B13 B14 B15 B16 B17 B18 B19 B20 B21 B22 B23 B24 Ring main unitRing main unit优点优点 经济经济 分支线或用户故障不影响主干线分支线或用户故
16、障不影响主干线. 级差整定方便级差整定方便 瞬时故障时只须瞬时故障时只须 0.5 sec.就可以恢复就可以恢复 瞬时故障与永久故障判别简单瞬时故障与永久故障判别简单 配电自动化逻辑简单配电自动化逻辑简单 3、模式化故障处理、模式化故障处理典型模式化接线典型模式化接线 “手拉手手拉手”环状网环状网 多分段多连接多分段多连接 多供一备电缆网多供一备电缆网 4 6 接线接线 一条馈线需要留有能带动对侧全部负荷的备用容量，因此正常情况下配电一条馈线需要留有能带动对侧全部负荷的备用容量，因此正常情况下配电资源的利用率小于资源的利用率小于50%.“手拉手手拉手”环状网环状网50% Each feeder
17、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% in the normal situation.2分段分段2连接连接67% Each
18、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 improved to 75% in the normal situation.3分段分段
19、3连接连接75% A7 A5 A6 A3 A4 A1 A2 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 A8 B12 S1 S2 A10 A9 A12 A11 A14 A13 A16 A15 B13 B14 B15 B16 B17 B18 B19 B20 B21 B22 B23 B24 S3 A18 A17 A20 A19 A21 A23 B27 B26 B25 B30 B29 B28 B33 B32 B31 B36 B35 B34 S4 A24 A22 A25 3供供1备电缆网备电缆网Three cables in service are linked to one
20、 cable.Each cable may reach its loading limitation in the normal situation.Thus, the averaged efficiency may be 75% .75%注意注意 模式化接线可以提高配电设备的利用率模式化接线可以提高配电设备的利用率. 但是：但是： 必须采取模式化故障处理才能必须采取模式化故障处理才能达到上述目的！达到上述目的！模式化故障处理步骤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，对于多分段多联络模式化接线，永久故障发生后，FA将故障所在馈线分为多段，每段分别由不同的将故障所在馈线
21、分为多段，每段分别由不同的电源恢复。电源恢复。 对于多供一备模式，故障后健全区域的恢复一律对于多供一备模式，故障后健全区域的恢复一律由备用电缆实现。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。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因一成不变，配电自动化系统的故障处理逻辑将容易实现容易实现 Example 1 A fault occurs on the first section of a feeder.The main CB trips, recloses and
22、 trips, again. Thus, the fault is identified as a permanent fault. Example 1 The two healthy section 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 1F1F2 A7 A5 A6 A3 A4 A1 A2 B1 B2 B3 B4
23、 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 A8 B12 S1 S2 A10 A9 A12 A11 A14 A13 A16 A15 B13 B14 B15 B16 B17 B18 B19 B20 B21 B22 B23 B24 S3 A18 A17 A20 A19 A21 A23 B27 B26 B25 B30 B29 B28 B33 B32 B31 B36 B35 B34 S4 A24 A22 A25 Example 2A permanent fault occurs on the first section of a feeder. A7 A5 A6 A3 A4 A1 A2 B1 B2
24、 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 A8 B12 S1 S2 A10 A9 A12 A11 A14 A13 A16 A15 B13 B14 B15 B16 B17 B18 B19 B20 B21 B22 B23 B24 S3 A18 A17 A20 A19 A21 A23 B27 B26 B25 B30 B29 B28 B33 B32 B31 B36 B35 B34 S4 A24 A22 A25 Example 2After the fault is isolated, the healthy part is restored by theback-up cable,
25、even when the loading is so small that S2 or S3 can do the same job.参见：参见：1黄琪伟，刘健配电网模式化接线优化规黄琪伟，刘健配电网模式化接线优化规划划电力系统自动化，电力系统自动化，2008，32（7）4、大面积断电快速恢复、大面积断电快速恢复造成配电网大范围断电故障造成配电网大范围断电故障 自然灾害自然灾害（台风、地震（台风、地震）造成多个电源失去）造成多个电源失去 人为破坏人为破坏（战争、恐怖袭击（战争、恐怖袭击）造成多个电源失去）造成多个电源失去 超高压线路故障，超高压线路故障，造成多个电源失去造成多个电源失去 主变
26、电站故障或检修，主变电站故障或检修，造成多个电源失去造成多个电源失去 10kV母线故障，母线故障，造成多个电源失去造成多个电源失去 北美大面积停电北美大面积停电 近年来欧美发生的多次电网大停电事故，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。尽管造成配电网给电力工作者敲响了警钟。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。成大面积停电的危害极大。 西安西安20022002年初二年初二 正常母线故障母线全部失压母线全部失压负荷转移、避免大面积停电恢复恢复供电供电恢复恢复供电供电参见：参见：2 刘健，徐精求，程红
27、丽刘健，徐精求，程红丽.紧急状态下配电网大面紧急状态下配电网大面积断电快速恢复算法积断电快速恢复算法J.中国电机工程学报，中国电机工程学报，2004，24(12)：132-138. 3 刘健，石晓军，程红丽等刘健，石晓军，程红丽等. 配电网大面积断电配电网大面积断电供电恢复及开关操作顺序生成供电恢复及开关操作顺序生成.电力系统自动化，电力系统自动化，2008，32(2)：76-79，835、自愈、自愈 “自愈自愈”是一个经常备误解的概念是一个经常备误解的概念 “自愈自愈” 包括包括: 事前：概率风险评估与预防性控制事前：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）结合负荷
28、预测进行方式调整避免过负荷 2）结合在线检测（温度、局部放电）进行）结合在线检测（温度、局部放电）进行 相应控制避免酿成严重后果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中：继电保护与自动装置 事后：配电自动化修正性控制事后：配电自动化修正性控制 “自愈自愈”故障处理典型技术故障处理典型技术 配电自动化开关配电自动化开关 (重合器、分段器配合等重合器、分段器配合等) 继电保护与继电保护与FA协调配合的集中智能协调配合的集中智能DAS 分布智能分布智能FA：不依赖主站进行故障处理：不依赖主站进行故障处理 1） 基于基于Goose高速通信网和断路器配置，可有高速通信网和断路器
29、配置，可有效实现任意级任意分支配合。避免越级跳闸和效实现任意级任意分支配合。避免越级跳闸和多级跳闸多级跳闸. 2）基于中低速高速通信网和负荷开关配置，）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。分区段短暂停电。 参见：参见：4刘健等刘健等. “一种快速自愈的分布智能馈线自一种快速自愈的分布智能馈线自 动化动化系统系统”. 电力系统自动化，电力系统自动化，2010，35（10） 6、备用电源、备用电源重要性重要性 无论馈线采取何种类型开关，配电终端都必须具备可无论馈线采取何种类型开关，配电终端都必须具备可靠
30、的备用电源，在配电终端失去主供电源时，仍能满靠的备用电源，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。将故障隔离到最小范围。 LSLSLSLSCBFail of re-closingLSLSLSLSCBModified restoration by FA (telecontrol)蓄电池的缺点蓄电池的缺点 从技术
31、上看，蓄电池的寿命不长、对充放电管从技术上看，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。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，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大量的人力和物力，更换和维护蓄电池需要花费大量的人力和物力，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。次蓄电池，运行成本比较高。超级电容器的优点超级电容器的优点 1）更高的功率密度，为蓄电池的）更高的功率密度，为蓄电池的
32、10100倍，能够快倍，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。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）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。间完成充电过程。 3）超长使用寿命，充放电大于）超长使用寿命，充放电大于50万次，作为备用电源万次，作为备用电源使用、以每天充放电使用、以每天充放电20次计，寿命可达次计，寿命可达68年以上。年以上。 4）使用温度范围广，低温性能优越，其工作温度范围）使用温度范围广，低温性能优越，其工作温度范围为为-4085。 5）高可靠性，维
33、护工作量极少。）高可靠性，维护工作量极少。超级电容器设计超级电容器设计 The operating mechanism of the feeder load switch is selected to be 48V DC The 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. Th
34、e maximum power of the communication device is no more than 5W. We expect that the FTU keeps working within 10 min. in the situation without main power supplying. Taking above into consideration, we have The super capacitor may be designed to be 24F/80V参见：参见：5程红丽程红丽, 王立王立, 刘健等刘健等. 电容储能的自动化终端备电容储能的自动
35、化终端备 用开关电源用开关电源J. 电力系统保护与控制电力系统保护与控制. 2009,37(22):116-120. 7、其他问题、其他问题非健全信息故障诊断非健全信息故障诊断 贝叶斯方法、贝叶斯方法、Petri-网、。网、。 参见参见6 刘健等刘健等. “配电网非健全信息故障诊断及故障配电网非健全信息故障诊断及故障 处理处理 ”. 电力系统自动化，电力系统自动化，2010， 35（4）OCCBOC分布式电源接入对故障处理的影响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：分布式电源容量较大时： 需要安装需要安装PT，根据故障功率方向进行故障，根据故障功率方向进行故障判断判断 分布式电
36、源容量较小时：分布式电源容量较小时： 可以不安装可以不安装PT，仍根据各个馈线开关是否，仍根据各个馈线开关是否经历故障电流来进行故障判断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）：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，而不需要安装判断，而不需要安装PT单相接地处理单相接地处理 小电阻瞬间投入辅助处理法小电阻瞬间投入辅助处理法 自动按规则拉合闸法自动按规则拉合闸法
37、开关本体安装零序电压和精确零开关本体安装零序电压和精确零序电流传感器法序电流传感器法8、小结、小结 两级级差保护配合与配电自动化修正控制的方案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（或用户开关）采用断路器，分关、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。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，但是模式化接线可以提高配电设备的利用率
38、，但是 必须采取模式化故障处理才能达到上述目的。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，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其关键技术之一是：大批量开关操作顺序的生成技术技术 “自愈自愈” 包括以概率风险评估与预防性控制为主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的事前处理、以继电保护与自动装置为主的 事中事中处理、以配电自动化修正性控制为主的事后处理。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。备用电源的储能元件。Thank You for Attention!Thank You for Attention! 刘健教授、博士生导师、博士、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陕西电力科学研究院总工程师
