劉健配電網(wǎng)故障處理關鍵技術(shù)

1、配電網(wǎng)故障處理關鍵技術(shù),劉 健教授、博士生導師、博士、 Senior Member, IEEE百千萬人才工程國家級人選、國務院政府特殊津貼專家國家電網(wǎng)公司優(yōu)秀工程技術(shù)專家、陜西電力科學研究院總工程師,主要內(nèi)容,配電自動化概述繼電保護與配電自動化協(xié)調(diào)配合模式化故障處理大面積斷電快速恢復自愈式故障處理備用電源小結(jié),1、配電自動化概述,,,電力系統(tǒng)及其自動化,35kV/10kV/6kV/0.4kV,,,配電系統(tǒng)自動化

2、的難度,,,,我國配電自動化系統(tǒng)的發(fā)展,,1995年東芝、Cooper產(chǎn)品進入中國1997年銀川DAS、上海金滕開發(fā)區(qū)DAS1998年大規(guī)模試點，部分地區(qū)過于豪華，指標追求過于高（不必要?。?、攤子過于大（不必要?。╉n國、法國、日本……（注重投入產(chǎn)出）2004年反省2005年制定標準2009智能電網(wǎng)。。。,我國配電自動化的5種模式,,簡易型（自動開關配合、故障指示器）實用型（兩遙、無FA）標準型（SACDA+FA）集成型

3、（標準型+信息交換總線）智能型（集成型+自愈+經(jīng)濟運行）,配電自動化的核心問題,配電網(wǎng)故障處理,配電網(wǎng)故障處理研究意義,配電自動化對于提高供電可靠性具有重要意義配電自動化式智能電網(wǎng)建設的重要組成部分國網(wǎng)公司系統(tǒng)北京、杭州、廈門、銀川、上海、南京、寧波、青島、大連、太原、西安、唐山、蘭州、西寧、天津、武漢、重慶、成都、石家莊、長沙、合肥、福州、鄭州 23個城市開展配電自動化試點工程南網(wǎng)公司系統(tǒng)廣州、深圳等也開展配電自動化工程故

4、障處理是配電自動化的核心功能之一,配電網(wǎng)故障類型,永久故障和瞬時性故障相間短路和單相接地用戶故障、分支線故障和主干線故障饋線故障和中壓母線故障造成配電網(wǎng)大面積停電的災害性故障。。。。。。,配電網(wǎng)故障處理的困難性,開關級聯(lián)個數(shù)多分支多中性點非直接接地戶外（惡劣條件、備用電源）設備分散分布式電源接入,面臨的實際問題,饋線開關選型？ 斷路器? 負荷開關?怎樣充分利用繼電保護資源？與 FA協(xié)調(diào)配合?怎樣有效提高配電

5、設施的利用率？ 模式化接線?怎樣實現(xiàn)“自愈”? 只有重合器模式嗎?哪種儲能手段最適合于配電自動化？只有電池? 。。。。。。,設計不當會導致,造價高 復雜 不可靠 設備利用率低 維護工作量大

6、 ?逐漸被廢棄,本報告…,討論上述問題 給出一些建議,2、繼電保護與配電自動化協(xié)調(diào)配合,繼電保護的應用,優(yōu)點：切除故障的速度快對健全區(qū)域不會造成停電 問題:造價高. 需要配斷路器對于配電網(wǎng)，選擇性難以實現(xiàn),繼電保護的困難,電流定值整定困難 饋線沿線短路電流差別不大, CT難以準確分辨 含分支饋線整定困難延時時間整定困難 難

7、以實現(xiàn)太多級差.,不好的配合,Multi-trippingBypass tripping,,,,,,tripped,tripped,tripped,,,,,tripped,,,outage,,outage,,outage,,outage,,outage,,不好的恢復,Multi-tripping,,,,,tripped,Looped switch,,,,,,outage,,,,多級保護配合的可行性,對于供電半徑短的城市配電網(wǎng)，電

8、流、阻抗定值都難以整定以實現(xiàn)選擇性，只有依賴級差配合來實現(xiàn)選擇性變電站10kV后備保護（母線進線開關過流保護）延時時間一般整定為0.5s，因此10kV線路保護只能在此時間段內(nèi)進行級差配合,兩級保護配合的可行性,饋線開關的動作時間：彈跳、繼電器驅(qū)動 、常規(guī)算法：20ms(檢測)+20ms(繼電器驅(qū)動)+80ms(開關動作)<120ms兩級保護配合：第1級（分支開關或用戶開關）：0s、速斷 第2級（變電站出線開關）：0.2

9、~0.25s延時速斷,三級保護配合的可行性,饋線開關的動作時間：永磁、繼電器IGBT驅(qū)動 、快速算法：10ms(檢測)+2ms(繼電器驅(qū)動)+30ms(開關動作)<50ms兩級保護配合：第1級開關：0s、速斷 第2級開關：0.15~0.2s、速斷第3級（變電站出線開關）：0.25~0.35s延時速斷,兩級保護FA配合典型設計,主干線采用負荷開關分支線開關（或用戶開關）采用斷路器 分支線開關（或用戶開關）與變電站出線

10、開關實現(xiàn)兩級保護配合依靠FA進行修正性控制,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,LS,LS,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,,,A per

11、manent 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,,,,,,,,,,,,,

12、,,,,,,,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,Re-closing,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,CB,A temporary fault on the trunk,,,Example 1

13、 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

14、 the trunk,,,,Fail of re-closing,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,,

15、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,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

16、permanent fault on the trunk,,,Modified restoration by FA (telecontrol),,Example 2: cables,,Ring main unit,Ring main unit,優(yōu)點,經(jīng)濟分支線或用戶故障不影響主干線.級差整定方便瞬時故障時只須 0.5 sec.就可以恢復 瞬時故障與永久故障判別簡單配電自動化邏輯簡單,3、模式化故障處理,典型模式化接線,“手拉手

17、”環(huán)狀網(wǎng)多分段多連接多供一備電纜網(wǎng)4?6 接線……,,,,,,,,,一條饋線需要留有能帶動對側(cè)全部負荷的備用容量，因此正常情況下配電資源的利用率小于50%.,,,“手拉手”環(huán)狀網(wǎng),50%,,,,,,,,Each feeder is divided into two parts. The two parts of a feeder are linked to two different feeders, respectivel

18、y.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2連接,67%,,,,,,,,,,,,,,,,,,Ea

19、ch 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

20、 own loading. Thus, the efficiency can be improved to 75% in the normal situation.,3分段3連接,75%,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3供1備電纜網(wǎng),Three cables in service are linked to one cable.Each cable may reach its loading limitation

21、 in the normal situation.Thus, the averaged efficiency may be 75% .,75%,注意,模式化接線可以提高配電設備的利用率.但是： 必須采取模式化故障處理才能達到上述目的！！,模式化故障處理步驟,對于多分段多聯(lián)絡模式化接線，永久故障發(fā)生后，F(xiàn)A將故障所在饋線分為多段，每段分別由不同的電源恢復。對于多供一備模式，故障后健全區(qū)域的恢復一律由備用

22、電纜實現(xiàn)。即使負荷很輕、一個電源就可以完成全部健全區(qū)域恢復的情形，也嚴格執(zhí)行上述步驟。因一成不變，配電自動化系統(tǒng)的故障處理邏輯將容易實現(xiàn),,,,,,,Example 1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A fault occurs on the first section of a feeder.The main CB trips, recloses and trips, again. Thus, the

23、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

24、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 part is restored by

25、 theback-up cable, even when the loading is so small that S2 or S3 can do the same job.,,參見：[1]黃琪偉，劉?。潆娋W(wǎng)模式化接線優(yōu)化規(guī)劃．電力系統(tǒng)自動化，2008，32（7）．,4、大面積斷電快速恢復,造成配電網(wǎng)大范圍斷電故障,自然災害（臺風、地震…）造成多個電源失去人為破壞（戰(zhàn)爭、恐怖襲擊…）造成多個電源失去超高壓線路故障，造成多個

26、電源失去主變電站故障或檢修，造成多個電源失去10kV母線故障，造成多個電源失去……,北美大面積停電,近年來歐美發(fā)生的多次電網(wǎng)大停電事故，給電力工作者敲響了警鐘。盡管造成配電網(wǎng)大面積斷電的事故發(fā)生概率較小，但是若造成大面積停電的危害極大。 西安2002年初二……,正常,,,母線故障,,,,母線全部失壓,開關操作序列生成,負荷轉(zhuǎn)移、避免大面積停電,,,恢復供電,,恢復供電,參見：[2] 劉健，徐精求，程紅麗.緊

27、急狀態(tài)下配電網(wǎng)大面積斷電快速恢復算法[J].中國電機工程學報，2004，24(12)：132-138. [3] 劉健，石曉軍，程紅麗等. 配電網(wǎng)大面積斷電供電恢復及開關操作順序生成.電力系統(tǒng)自動化，2008，32(2)：76-79，83,5、自愈,“自愈”是一個經(jīng)常備誤解的概念“自愈” 包括: 事前：概率風險評估與預防性控制 1）結(jié)合負荷預測進行方式調(diào)整避免過

28、負荷 2）結(jié)合在線檢測（溫度、局部放電）進行 相應控制避免釀成嚴重后果 3）。。。。。。 事中：繼電保護與自動裝置 事后：配電自動化修正性控制,“自愈”故障處理典型技術(shù)配電自動化開關 (重合器、分段器配合等

29、) 繼電保護與FA協(xié)調(diào)配合的集中智能DAS分布智能FA：不依賴主站進行故障處理 1） 基于Goose高速通信網(wǎng)和斷路器配置，可有效實現(xiàn)任意級任意分支配合。避免越級跳閘和多級跳閘. 2）基于中低速高速通信網(wǎng)和負荷開關配置，可有效實現(xiàn)任意級任意分支配合，但會造成部分區(qū)段短暫停電。,參見：[4]劉健等. “一種快速自愈的分布智能饋線自 動化系統(tǒng)”. 電力系統(tǒng)自動化，2010，35（10）,6、備用電源,重要性,

30、無論饋線采取何種類型開關，配電終端都必須具備可靠的備用電源，在配電終端失去主供電源時，仍能滿足配電終端和通信裝置正常工作一段時間并確保開關若干次可靠分合閘操作，以確保故障信息可靠地上傳到主站供故障判斷之用，并且在恢復健全區(qū)域供電前將故障隔離到最小范圍。,,,,,,,,LS,LS,LS,LS,CB,,,,,Fail of re-closing,,,,,,,,LS,LS,LS,LS,CB,,,,Modified restoration by

31、 FA (telecontrol),,蓄電池的缺點,從技術(shù)上看，蓄電池的壽命不長、對充放電管理的要求較高，工作于惡劣環(huán)境條件下時，對其性能和壽命的影響尤其突出。從管理上看，配電終端數(shù)量眾多且位置分散，更換和維護蓄電池需要花費大量的人力和物力，為了確?？煽抗ぷ鳎话阋恢羶赡昃鸵鼡Q一次蓄電池，運行成本比較高。,超級電容器的優(yōu)點,1）更高的功率密度，為蓄電池的10～100倍，能夠快速放出幾百到幾千安培的電流，這個特點尤其適合作為開關的操作

32、電源。2）充電速度快，可以采用大電流充電，能在很短的時間完成充電過程。3）超長使用壽命，充放電大于50萬次，作為備用電源使用、以每天充放電20次計，壽命可達68年以上。4）使用溫度范圍廣，低溫性能優(yōu)越，其工作溫度范圍為-40～85℃。5）高可靠性，維護工作量極少。,超級電容器設計,The operating mechanism of the feeder load switch is selected to be 48V DC

33、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.The maximum power of the communic

34、ation 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 haveThe super capacitor may be designed to be 24F/8

35、0V,參見：[5]程紅麗, 王立, 劉健等. 電容儲能的自動化終端備 用開關電源[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制. 2009,37(22):116-120.,7、其他問題,非健全信息故障診斷,貝葉斯方法、Petri-網(wǎng)、。。。參見[6] 劉健等. “配電網(wǎng)非健全信息故障診斷及故障 處理 ”. 電力系統(tǒng)自動化，2010， 35（4）,,,,,,,,OC,CB,,,,,OC,分布式電源接入對故障處理的影響,分布式電

36、源容量較大時： 需要安裝PT，根據(jù)故障功率方向進行故障判斷分布式電源容量較小時： 可以不安裝PT，仍根據(jù)各個饋線開關是否經(jīng)歷故障電流來進行故障判斷逆變器類分布式電源（如：光伏）： 可以延時判斷，待分布式電源的電力電子開關快速截止（幾十毫秒）后，再根據(jù)各個饋線開關是否經(jīng)歷故障電流來進行故障判斷，而不需要安裝PT,單相接地處理,小電阻瞬間投入輔助處理法自動按規(guī)則拉合閘法開關本體安裝零序電壓和精確零序電流傳

37、感器法,8、小結(jié),兩級級差保護配合與配電自動化修正控制的方案是可行的，典型設計方案是：主干線采用負荷開關、分支線開關（或用戶開關）采用斷路器，分支線開關（或用戶開關）與變電站出線開關實現(xiàn)兩級保護配合，分支線或用戶故障不影響主干線。模式化接線可以提高配電設備的利用率，但是 必須采取模式化故障處理才能達到上述目的。,對于聯(lián)絡充分的配電網(wǎng)，利用配電自動化技術(shù)可以實現(xiàn)大面積斷電快速恢復以增強災害應對能力，其關鍵技術(shù)之一

38、是：大批量開關操作順序的生成技術(shù)“自愈” 包括以概率風險評估與預防性控制為主的事前處理、以繼電保護與自動裝置為主的 事中處理、以配電自動化修正性控制為主的事后處理。超級電容器非常適合于作為配電網(wǎng)自動化設備的備用電源的儲能元件。,Thank You for Attention!,劉健教授、博士生導師、博士、 Senior Member, IEEE百千萬人才工程國家級人選、國務院政府特殊津貼專家國家電網(wǎng)公司優(yōu)秀工程技術(shù)專家陜