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摘要：集中式配网自愈通过配电主站系统和配电自动化终端交互通信，协同完成故障区域隔离和非故障区域的复电。自愈复电全过程耗时直接影响用户的停电时间。讨论了自愈动作全过程的时间特性，将自愈动作全流程分为信号获取、故障区域判定和复电遥控控制3个主要阶段。分析了自愈动作各个阶段影响其时间的重要因素。提出了针对措施，如配电终端采用光纤通信、配网线路模型网格化和馈线组管理、自愈遥控操作对并行操作和预置同步触发等手段。提升措施有效减少自愈全过程时间，提升自愈复电速度，提高了配电网的供电可靠性。
关键词：配电网；集中式自愈；自愈动作时间；复电速度提升
Research on the Improvement Measures of Self Healing Recovery Speed of Centralized Distribution Network
Xu Da，Gu Dade，Qin Qiqian，Chen Xian
(Guangzhou Power Supply Bureau，Guangdong Power Grid Co．，Ltd．，Guangzhou 510620，China)
Abstract：The centralized distribution network self－healing cooperates to complete the isolation of fault areas and the restoration of power in non fault areas through the interactive communication between the distribution master station system and the distribution automation terminal．The whole process of self－healing and power restoration takes time，which directly affects the power outage time of users．The time characteristics of the whole process of self－healing action were discussed，and the whole process of self－healing action was divided into three main stages：signal acquisition，fault area determination and power restoration remote control．The important factors affecting the time of each stage of self－healing action were analyzed．Some measures were put forward，such as optical fiber communication at distribution terminals，gridding of distribution network line model and feeder group management，parallel operation of self－healing remote control operation and preset synchronous triggering．The improvement measures effectively reduce the whole process time of self－healing，improve the power restoration speed of self－healing，and improve the power supply reliability of distribution network．
Key words：distribution network；centralized self－healing；action time of self－healing；recovery speed increasing
0引言
随着人民追求美好生活，对电力的需求也在持续的增长。分布式电源接入使得配电网规模日益增大，结构越发复杂，设备量也呈爆发式增长。这对配电网的安全稳定运行和配网故障后的快速复电提出了巨大的挑战[1－3]。自20世纪90年代末美国提出自愈电网概念后，国内外均开展了大量的研究和应用。近年来，随着我国配电自动化、智能化的建设与发展[4－7]，国内一些地区已将配网自愈投入实际应用[8－9]。对比不同的自愈技术路线，主站集中式配网自愈对配网运行方式适应性强，不受配网网络结构限制，开关动作次数相对少，自愈动作过程可进行人工干预[9－13]。基于以上特点，主站集中式配网自愈目前得到广泛使用。
集中式配网自愈需根据线路实时拓扑和配电自动化终端故障信号完成故障区域的定位，自动控制配电自动化开关进行故障隔离和非故障区域复电[10－11]。许达等[12]分析了线路分段开关引起的线路拓扑结构改变对集中式自愈的故障定位及隔离复电策略产生的影响，提出措施提高线路拓扑与实际的一致性，继而提高了自愈动作的正确率。许达等[13]考虑线路开关设备的故障概率，进一步优化了集中式自愈的故障隔离策略，以提高自愈成果率。因自愈配电主站和配电终端之间进行信息交互，主站需下发控制命令至配电终端完成控制开关分合的动作，动作时间比分布式方式相对较长[9－11]。目前针对集中式配网自愈动作过程和动作时间的研究较少，函待详细分析集中式自愈动作时间特性，并制定针对性策略，缩短自愈动作时间，提升集中式自愈复电速度。
1集中式自愈复电过程
主站集中式配网自愈动作流程如图1所示。(1)故障发生，线路F1的A1B1段发生故障，变电站出线开关CB1立即跳闸，F1自愈启动。(2)主站系统对接收到的配电终端(DTU／FTU)告警信号，结合线路拓扑结构分析并进行研判，并进行故障定位。如CB1的过流／零序保护信号，A1发故障信号，B1及后段配电终端无告警信号，系统研判故障区域在A1B1段。(3)主站系统向配电终端下发开关控制命令，断开故障区域的各侧开关，如断开A1和B1，隔离故障区域。合上站出线开关CB1和联络线路开关(联络开关D1或D2)，进行非故障区域复电。至此自愈过程结束。
由上述过程可知，集中式配网自愈在线路跳闸后立即启动，依次经历信号获取阶段、分析拓扑及信号并完成故障定位阶段、主站下发控制命令进行开关隔离和送电操作等多个环节。上述几个阶段为串行关系，每个阶段的时长均会影响自动动作全流程的总时长，进而影响线路复电时长。故分析上述自愈动作各阶段的特点，制定优化措施，缩短环节耗时，可提高自愈复电速度，减少用户停电时长。
2自愈全过程时间特性分析
自愈全流程可分为3个阶段，如图2所示。自愈动作全流程时间ttol可分为3部分，分别是信号获取时间tsc、故障区域判定时间tfl和隔离及复电控制时间tc。
2．1信号获取时间
当配网线路跳闸，其变电站出线开关发保护信号＋开关分闸信号，配电主站系统立即启动自愈程序。若站出线开关配置了重合闸功能，则配电主站系统获取的是重合失败后的保护信号＋开关分闸信号，作为自愈启动信号。配网线路上配电自动化终端的通信条件各有差异，如通信方式有光纤方式、无线方式，无线方式又分4G、5G形式等。考虑配电自动化终端告警信号会因通信条件而延时，避免漏分析故障信号引起的自愈复电失败情况，故需从自愈启动至系统开始分析故障区域之间，需增设一段时延，为信号获取时间tsc。信号获取时间tsc的大小，与所在区域的通信方式和通信条件密切相关。采用光纤通信的配电终端信号时延较小，所需要的信号获取时间tsc可以整定较小，如小于5 s。而配电终端通信使用4G无线通信形式的，信号有一定的时延。根据现有无线通信条件，信号获取时间tsc可整定为30 s。而对于通信条件较差(如山区地带)，信号时延也较大，t sc的整定根据实际情况也需要同步增大。
2．2故障区域判定时间
当故障信号获取阶段结束，主站系统随即进入已有系统的分析以及电网拓扑分析阶段。系统通过算法对电网拓扑进行分析，结合线路分段开关分合状态和配电自动化终端信号进行综合研判，完成故障区域判定，并同步生成故障隔离和复电控制方案。上述过程所经历的时间称为故障区域判定时间tfl。故障区域判断时间tfl的大小，与主站运算速度、拓扑分析算法、电网规模大小有关。主站的运算速度主要与硬件设备有关。拓扑分析算法为主站系统厂商提供算法。需分析的电网规模大小，与人为划分的配电网分区有关。根据南方某城市2020年配网设备规模：公用馈线近7000回，配网断路器及开关60万台，配电变压器约10万台(含公变和专变)进行测算，使用南瑞D5000系统对该规模设备量进行全网设备拓扑需耗时35 s。
2．3隔离及复电控制时间
当故障区域判定完成，系统的故障隔离及非故障区域复电控制方案同步制定完成，便进入隔离及复电控制阶段。主站系统将隔离及复电控制方案以遥控指令的方式下发至各配电自动化终端(三遥开关)，遥控断开故障区域各侧的三遥开关，完成故障区域的隔离操作。随后遥控合上站出线开关或各侧联络开关进行，进行非故障区域的复电操作。上述过程所经历的时间称为隔离及复电控制时间tc。隔离及复电控制时间tc的大小，与遥控开关数量N、配电自动化终端通信时延、三遥开关遥控时间等有关。集中式配网自愈复电策略会优先选择遥控开关数量N最少的方案。根据国际电工委员会(IEC)相关规约，单个开关遥控需要进行遥控预置和遥控执行，相应的单个开关遥控时间tcs取决于遥控预置时间tcsp和遥控执行时间tcse大小，如下所示：
据统计，光纤通信的三遥终端单个开关遥控时间一般为5~10 s，4G无线通信的单个开关遥控时间一般为15~60 s。由上述分析可得，自愈动作全流程时间ttol的大小如下所示：
3自愈复电速度提升措施
对于自愈动作全过程的3个串行阶段，可制定针对性措施，减少各阶段对应的时间，以缩短自愈动作全流程时间。
3．1缩短获取时间
根据上述分析，通信方式和条件直接影响信号获取时间tsc的大小。对于供电可靠性要求高的A＋、A区域，配电自动化终端通信方式可优先改造成全光纤通信。其他可靠性要求较高的区域，使用的无线通信方式可制定5G通信升级改造计划[14－16]。在保证故障信号获取无遗漏的前提下，尽可能地缩短信号获取所需要的时间。
3．2减少分析时间
由上述分析可知，主站运算速度、拓扑算法和需运算电网规模均影响故障区域判定时间tfl的大小。其中，主站运算速度、拓扑算法主要由主站系统厂家提供的硬件和软件决定，可进行主站系统升级，算法的优化进而加快主站故障定位速度。
另一方面，从运算电网规模大小入手制定对策。对城市配电网可从物理上和算法上进行分割，以达到配电网网格化管理的目标[17－21]，以减少每次拓扑分析运算的配电网设备规模，继而减少故障区域分析耗时。如从算法层面上进行馈线组的划分，以配网线路典型接线3－1接线，4－1接线，形成3回一组或4回一组的馈线组。在配网线路跳闸时，主站系统只需分析馈线组内的拓扑关系和组内其他馈线的电源情况即可生成隔离及复电方案。极端情况下，馈线组内线路全部同时跳闸或相继跳闸，可在算法上保留馈线组间的支援联络线路参与复电方案。又例如，一些高可靠性示范区或工业园区，除主变电源外是与外部配网分割的，其天然具有物理上的网格化属性，可进行独立的配网网格化或馈线组化分析，如图3所示。如某示范区24条馈线，馈线之间具备联络关系，与外部配网线路无联络。拓扑分析时间由30 s缩减至15 s。对于典型接线为4－1接线方式的馈线组，可进一步缩减至10 s左右。
3．3优化控制时间
由式(1)可知，隔离及复电控制时间tc的大小取决于顺序遥控开关的数量N、遥控预置时间tcsp和控执行时间tcse。N的大小因故障区域的不同而变化。如图4所示，故障一发生的情况下，遥控开关数量N1＝4(分别为A1，B1，CB1，D1或D2)。而故障二发生时，遥控开关数量N2＝6(分别为B1，C1，E1，CB1，D1，D2)。在顺序控制的情况下，故障二比故障一的遥控开关数量增加了50％，控制时间tc也会相应增加50％。
在此引入自愈复电“操作对”概念。一个复电“操作对”即隔离－复电操作对Cn(断开一个开关，合上另一个开关)，可使得故障区域之外的一个路径恢复供电。以图4为例，故障一情况下，故障区域外有2个复电路径，则自愈遥控复电共有2个复电“操作对”，分别为操作对C1(A1，CB1)和操作对C2(B1，D1)或C2(B1，D2)。同理，故障二情况下，自愈复电“操作对”有3个，为C1(B1，CB1)、C2(C1，D1)和C3(E1，D2)。
(1)操作对并行操作。如图4故障一发生时，操作对C1(A1，CB1)与C2(B1，D1)并行执行。即同步断开A1、B1后，再合上CB1和D1，操作对之间隔离和复电不会影响，所需的控制时间为顺序执行所需时间的一半。若故障区域外复电路径为n，在自愈顺序控制进行隔离复电的模式下，需遥控最小开关数为N＝2 n。自愈隔离及复电控制时间tc如式(3)所示。以复电操作对为单位，对多个操作对并行处理，则tc′为原有tc的1／n，如式(4)所示，其中，tcs为单个开关遥控时间。并行操作方式可极大缩短隔离和复电控制时间，复电路径越多，效果越明显，如图5所示。
(2)操作对遥控预置同步触发。以图4故障一情况为例，对于操作对C2(B1，D1)控制时间tc2为断开B1、合上D1所需时间，假设每个开关的单个控制时间一样，即遥控预置时间tcsp一致，遥控执行时间tcse也一致，则有：
对于无线通信的配电终端，通信情况良好时，遥控预置时间tcsp一般需要1~2 s，遥控执行时间tcse一般需要5~6 s，预置有效保持时间为40 s。则可以在对B1遥控预置完成后，B1遥控执行时，对D1进行遥控预置。待B1遥控执行完毕后，再对D1下发遥控执行命令，控制时间可节省D1的一个遥控预置时间tcsp，操作对C2″(B1，D 1)的控制时间如式(6)所示。采用该优化方式的控制时间tc″如式(7)所示。
(3)复电路径遥控预置同步触发。在原自愈复电控制模式中，因故需断开的开关遥控失败后，会进行扩大隔离范围进行对下一个开关进行遥控操作。以图4故障一情况为例，如操作对C2(B1，D1)，在对B1进行遥控断开时控分失败后，会对C1开关进行控分操作。若遥控断开C1成功，则操作对为C2″(B1，C1，D1)。类似上一点的分析情况，若在对B1遥控预置完成后，B1遥控执行时，对C1进行遥控预置，同理可以在隔离开关遥控失败的情况下，减少一次遥控预置时间tcsp。对操作对中有n次断开开关遥控失败的情况，在开关遥控执行时，对下一次序可能操作的开关进行遥控预置，可减少遥控预置时间n×tcsp。操作对遥控预置同步触发、复电路径遥控预置同步触发流程如图6所示。
4效果对比情况
以图4故障一情况进行分析，原线路配电终端为无线通信，信号获取时间为30 s。主站拓扑分析仍为全网模型拓扑方式，故障区域判定时间为30 s。并假定各开关通信均正常，遥控均成功，每个遥控预置耗时为2 s，遥控执行耗时为8 s。图4故障一的自愈隔离及复电需遥控开关数量为4，控制时间为40 s，自愈动作全过程时间为100 s。
采用本文优化措施的自愈动作各阶段时间和全过程时间对比如图7所示。当配电终端通信方式采用光纤或5G后，终端信号上送时延大幅减小，测算后信号获取时间tsc可缩短预设定值至10 s。在主站硬件及算法不变的情况下，通过配网设备网格化设定或馈线组管理，测试一个包含24回馈线的网格化配网网络，故障区域判定时间tfl可减少至15 s。采用自愈复电操作对并行操作及操作对遥控预置同步触发优化措施后，自愈隔离及复电控制时间压缩至18 s，自愈动作全过程时间ttol为43 s，对比优化前减少57 s，复电速度提升57％。各项时间参数如表1所示。
5结束语
集中式配网自愈通过配电主站系统和配电自动化终端相互配合完成故障隔离及复电。故障信息交互、故障分析定位及开关控制均需要消耗一定时间，影响用户的停电时间和供电可靠性。本文分析了自愈动作全过程时间特性，包括信号获取时间、故障区域判定时间、隔离及复电控制时间3个主要阶段。信号获取时间主要与配电主站与终端的通信方式和通信条件密切相关。故障区域判定时间受主站运算速度、拓扑分析算法、电网设备模型规模大小影响。复电控制时间的影响因素主要为配电自动化终端通信时延、遥控开关数量、单个开关遥控情况等。提出了相应措施，如采取配电终端采用光纤通信、配网线路模型网格化和馈线组管理、自愈遥控操作对并行操作和预置同步触发等手段，减少自愈全过程时间，提升集中式自愈复电速度和提高供电可靠性。经测试验证了措施的有效性。
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