重合器和电压时间型分段器配合的馈线自动化系统的参数整定

第 30 卷 第 16 期电 网 技 术Vol. 30 No. 162006 年 8 月Power System TechnologyAug. 2006文章编号：1000-3673（2006）16-0045-05中图分类号：TM727.2；TM764文献标识码：A学科代码：4704051重合器和电压时间型分段器配合的 馈线自动化系统的参数整定刘健，张伟，程红丽（西安科技大学 电气与控制工程学院，陕西省 西安市 710054）The Parameter Setting of Feeder Automation System Based on Mutual Coordination of Recloser with VoltageTime Type of SectionalizersLIU Jian，ZHANG Wei，CHENG Hong-li（School of Electrical and Control Engineering，Xian University of Science & Technology， Xian 710054，Shaanxi Province，China）ABSTRACT: To facilitate the application of feeder automation based on mutual coordination of recloser with voltagetime typeof sectionalizer and research the parameter setting of such feeder automation system, a hierarchical model of distribution network is proposed. Under the condition that at any moment during the procedure of fault detection there is only one sectionalizer being switched on, the setting method for Xtime limit of sectionalizer and that for XLtime limit of interconnection switch in looped distribution network are expounded. As the setting principle ofinterconnection switches in basic multisection multi interconnected distribution network that all interconnection switches possess same XLtime limit, the setting method for the XLtime limits of interconnection switches in expanded multisection multiinterconnected distribution network is also researched. The case study result of each given setting method shows that these methods are feasible.KEY WORDS：feeder automation (FA)；fault isolation； restoration；recloser；sectionalizer；setting摘要：为方便重合器和电压时间型分段器配合馈线自动化 系统的应用，研究其参数整定问题，提出了配电网的分层模 型。以故障判定过程中任何时刻只能有 1 台分段开关合闸为 原则，论述了分段开关的 X时限的整定方法和手拉手环状 配电网的联络开关 XL时限的整定方法。以各个联络开关具 有相同的 XL时限为基本多分段多联络配电网的联络开关 XL时限的整定原则，论述了扩展多分段多联络开关 XL时 限的整定方法。实例表明了该方法的可行性。关键词：馈线自动化；故障隔离；恢复供电；重合器；分段 器；整定0 引言馈线自动化(feeder automation，FA)系统能够隔基金项目：全国优秀博士学位基金资助项目。离故障区域和恢复受故障影响的健全区域供电，对 于提高供电可靠性，减小停电面积、缩短停电时间 具有重要意义1-8。近年来，我国一些城市建设了基于计算机主 站、通信网络和馈线终端单元的高水平馈线自动化 系统1-8，有效提高了城市供电可靠性。但上述系统 需要建设复杂的通信网络，造价较高，应用到农村 电网不够经济。基于自动化开关设备相互配合的馈 线自动化系统不需要建设主站和通信网络，而依靠 智能开关设备(重合器和分段器)的相互配合达到隔 离故障和恢复健全区域供电的目的9-12。该馈线自 动化系统建设费用低，尤其适合于农网和负荷密度 较低的区域。重合器与电压时间型分段器配合的馈线自动 化系统是无主站馈线自动化系统的典型代表，具有 造价较低、动作可靠等优点11-12，在国内外得到较 好地推广应用。该系统适合于辐射状、“手拉手”环 状和多分段多连接的简单网格状配电网，一般不宜 用于更复杂的网架结构。应用该系统的关键在于重 合器和电压时间型分段器参数的恰当整定，若整定 不当，不仅会扩大故障隔离范围，也会延长健全区 域恢复供电的时间。因此，本文分别论述重合器与 电压时间型分段器配合模式馈线自动化系统应用 于辐射状、“手拉手”环状和多分段多连接的简单网 格状配电网时的参数整定方法。1 基本原理在重合器和电压时间型分段器配合的馈线自动化系统中，配电线路电源开关采用具有两次重合 功能的重合器，其第一次重合闸延时时间较长(典型 为 15 s)，第两次重合闸延时时间较短(典型为 5 s)， 分段开关和联络开关则采用电压时间型分段器。 故障发生时，做为电源开关的重合器跳闸，随 后沿线分段器因失压而分闸，经延时后重合器第一 次重合，作为分段开关的电压时间型分段器设置在第一套功能，在一侧带电后延时 X时限自动合闸， 当合到故障点时，引起重合器和分段器第 2 轮跳闸。 并由于与故障区段相连的分段器维持合闸时间未超 过 Y时限，而将其闭锁在分闸状态。与此同时，与 故障区段相连的下游分段器依靠残压闭锁机理也闭 锁在分闸状态。经一段延时后，重合器第二次重合 即可恢复故障线路电源侧的健全区段供电。做为联 络开关的电压时间型分段器设置在第二套功能， 发生故障时，其故障侧失压，经过 XL时限后自动 合闸，恢复故障线路非电源侧的健全区段供电。若 联络开关两侧带电时间未超过 YL时限，则该联络 开关不重合。此外，所有分段器在 X时限或 XL 时限内检测到联络开关两侧均带电时禁止合闸，从 而避免配电网闭环运行11-12。2分段开关的整定2.1 分层模型配电网通常开环运行，每条配电线路都可看作 以电源点为根、以末梢点和联络开关为终点的树， 从而建立配电网的分层模型13。在分层模型中，馈 线开关为开关节点，沿着潮流的方向定义从第 i 个 开关节点到第 j 个开关节点经过的开关节点数目 Sij+1 为开关节点 i 到开关节点 j 的间距，即化自行设置，仅需整定 X时限。当 X时限采用短 间隔(DT=7 s)时，Y时限自动设为 5s，当 X时限采 用长间隔(DT=14 s)时，Y时限自动设为 10 s。X时 限共有 6 档：在采用短间隔时，分别为 7、14、21、 28、35、42 s；在采用长间隔时，分别为 14、28、42、56、70、84 s。 为避免故障模糊判断和隔离范围扩大，整定分段开关的电压时间型分段器 X时限时，应以原则 1 为准，即重合器第一次重合引起的故障判定过程任何时刻只能有 1 台分段开关合闸。 在分层的基础上，整定一条配电线路上的分段开关 X时限时，可采取如下步骤：（1）确定相邻分段开关的合闸时间间隔DT。（2）按所在层从小到大的顺序依次排列各台 分段开关，得到各台分段开关的顺序号，第 i 台分 段开关的顺序号用 ni 表示。（3）计算各台分段开关的绝对合闸时间，即 根据各台开关的顺序，以DT 为间隔依次递增。第 i 台分段开关的绝对合闸时间用 ti 表示，即ti =ni DT(2)（4）计算各台分段开关的 X时限。某台开关 的 X时限等于该开关的绝对合闸延时时间减去其 父节点的绝对合闸延时时间，即Xi =ti -tj(3)式中，开关节点 j 是开关节点 i 的父节点。3联络开关的整定3.1 手拉手环状配电网联络开关的整定典型的具有分支线路的手拉手环状配电网如 图 2 所示。图中：D 为联络开关；S1 和 S2 为重合器，Ldis (i, j) = Sij +1(1)其余开关为分段开关；重合器到联络开关的路径，定义与电源点间距为 m 的所有开关节点处于以 该电源点为根的第 m 层。DCSAB以图 1 所示配电线路为例，电源点 S 为重合器， 分段开关 A、B、C、D 为电压时间型分段器。A 处于第一层，B、C 处于第二层，D 处于第三层。即 S1ABCD 和 S2GFED 为主干 线，其余的路径为分支线。图 1 一条典型的辐射状馈线Fig. 1 A typical radial feeder2.2 分段开关 X时限的整定做为分段开关的电压时间型分段器设置在第 一套功能，其 Y时限由电压时间型分段器内部固图 2 典型的手拉手环状配电网JS1ABMCNDEFI GKS2LPFig. 2 A typical looped distribution network对于手拉手环状配电网，1 条馈线要留有转带 对侧全部负荷的备用容量。整定联络开关 XL时限 时，应以原则 2 为准，即联络开关 XL时限大于其 两侧配电线路发生永久故障后，经重合器与分段开 关的第一次重合将电送到故障区段导致重合器再次跳闸的最长持续时间为 tS。 对于联络开关一侧的配电线路，其绝对合闸延时最长的分段开关下游区域发生永久故障后，重合 器第一次重合到再次跳闸的持续时间 tS,1 最长，即tS,1=tR,I+tmax(4)式中：tR,I 为重合器的第一次重合闸延时时间；tmax 为绝对合闸延时最长的分段开关合闸延时时间。类似地，可以计算出该联络开关另一侧的配电 线路发生永久故障后，重合器第一次重合到重合器 再次跳闸的持续时间 tS,2，由此得出tS=max(tS,1, tS,2)(5)XLtS +tp+dT(6)式(6)中：tp 为重合器保护继电器的动作时间（含过 流情况）最大值;dT 为重合器和各分段器整定时间 的误差,一般可取dT=0.2(tS-tR,I)；XL 为各联络开关的 XL时限。3.2 基本多分段多联络配电网的联络开关的整定做为联络开关的电压时间型分段器设置在第 二套功能，其 YL时限由电压时间型分段器内部设 置，仅需整定 X 时限。当 XL时限采用短间隔 (DTL=15 s)时，YL时限自动设为 5 s，当 XL时限采 用长间隔(DTL=20 s)时，YL时限自动设为 10 s。XL时限共有 6 档：在采用短间隔时分别为 45、60、 75、90、105、120 s；在采用长间隔时分别为 80、100、120、140、160、180 s。对于手拉手环状配电网，一条馈线需要备份对侧 馈线的全部负荷，正常运行时不够经济。因此在负荷 比较密集的地区多采用多分段多联络接线方式，将一 条馈线分为多个区段，每个区段都有多个供电途径与 之联络。在发生永久性故障时，多分段多联络接线方 式的故障处理以原则 3 为准，即由故障所在线路的电 源恢复尽可能多的区段供电，与之相联络的线路每条 最多为故障线路的某个区段提供电源。图 3 所示的相互连接的子网络中，以 S1 和 S2为电源的线路就是 3 分段 4 联络配电网，即将馈线分 3 个区段，每个区段都有 2 个供电途径，每条线S41区段 1B区段 1区段 2区段 3SAEDS5Cc区段 2区段 3S2bKGd FS6aJS3Ie HLMNS7图 3 基本的 3 分段 4 联络配电网Fig. 3 A basic three section four connecting grid表 1 以 S2 为电源的馈线发生永久性故障后的恢复策略 Tab. 1 Restoration schemes for the feeder with S2 故障位置恢复策略S2(电源)C、J 和 F 合闸，S2、K 和 G 分闸 区段 1J 和 F 合闸，S2、K 和 G 分闸，C 不合闸 区段 2S2 和 F 合闸，K 和 G 分闸，C 和 J 不合闸 区段 3S2 和 K 合闸，G 分闸，C、J 和 F 不合闸 联络开关的约束。首先用原则 2 对手拉手环状网的 联络开关 XL时限进行整定。然后以原则四为准，即 基本多分段多联络方式的馈线上的各个联络开关应 具有相同的 XL时限，并根据原则 2 和原则 3 得出该 XL时限的具体值对与周围馈线构成基本多分段多 联络方式的馈线联络开关 XL时限进行整定。 3.3 扩展多分段多联络配电网的联络开关的整定如果在基本多分段多联络配电网的各个区段 内再安装分段开关并分为若干段，每个区段与备用 供电途径的联络开关的连接途径也可经分段开关构 成可扩展的多分段多联络配电网。图 4 中以 S2 为电源的线路，分为 3 个区段，区 段 1 通过分段开关 R 和 P 分成 3 段，区段 2 通过分 段开关 Q 分成 2 段，联络开关 C 经过分段开关 P 后接到区段 1 上。定义各区段的边界分段开关为分 界开关，图 4 中的开关 K、G、A、E 就是分界开关。为简化处理，区段内的分段开关包括备用供电 途径上的分段开关未采用自动化开关时，可完全按 照 3.2 节描述的方法整定，故障处理策略完全满足原则 3 的要求。S4B路均有 4 个供电途径，除了本身电源以外还通过联络开关与另外 3 条线路相连接。以 S3 和 S7 为电源 的线路构成手拉手环状配电网，以 S2 为电源的线路区段 1S1C区段 2区段 3AEDS5区段 1区段 2区段 3又通过联络开关 J 对以 S3 为电源的线路形成备用联络关系。根据原则 3，对于图 3 中以 S2 为电源的馈线，S2KaS3Ie HQGFS6JLMNS7各部分发生永久性故障后的恢复策略如表 1 所示。联络开关的整定要综合考虑整个连通系的所有图 4 扩展 3 分段 4 联络配电网Fig. 4 An expanded three section four connecting grid为进一步缩小停电范围，区段内的分段开关包 括备用供电途径上的分段开关也采用电压时间型分 段器。此时，故障处理策略只能尽量满足原则 3 的 要求。由于故障处理时间将延长，故采用电压时间 型分段器的分段开关不宜过多。联络开关的整定以 原则五，即在联络开关参与的恢复过程中，多分段 多联络方式的馈线上各个分界开关两侧恢复带电时 间差小于该分界开关的 X时限，并根据原则 2 和原 则 3 得出对应联络开关的 XL时限为准。对于 X时限为 7 s(短间隔)或 14 s(长间隔)的分由表 3 可知，tS,1=15+49=64 s 由表 4 可知， tS,2=15+42=57 s，tS=max(tS,1, tS,2)=64 s。因此，联络开 关 D 的 XL时限大于74.6 s，联络开关 D 的 XL时 限可整定为 75 s，考虑其安全性，也可整定为 90 s。对于图 3 所示的基本 3 分段 4 联络配电网，采 用第 3.2 节所述方法对各条馈线上的分段开关 X时 限进行整定，其结果如表 5 所示。表 5 图 3 中各个分段开关的 X时限 Tab. 5 Xtime of the sectionalizing switches in Fig.3 分段开关AEKabGc 绝对合闸界开关，有时可能因联络开关的 XL时限 6 档整定延时时间/s714714212835值的限制而难以满足上述要求，此时可将若干分界 开关的 X时限改为 14 s(短间隔)或 28 s(长间隔)以增加缓冲时间，并按照原则 1 的要求，修改受影响的分段开关的 X时限。显然，调整某个分界开关的 X 时限时，只有与该分界开关处于同一层的分段开关 可能产生与该分界开关绝对合闸延时时间相同的现 象，从而违背原则 1。此时，将发生冲突的分段开 关的绝对合闸延时时间与该分界开关调整前的绝对 合闸延时时间相调换即可。4 实例分析设重合器的两次重合闸延时时间分别为 15 s 和5 s。电压时间型分段器均采用短时间间隔，即DT=7 s，Y时限为 5 s，DTL=15 s，YL时限为 5 s。tp=0.8 s。对于图 1 所示的辐射状配电网，按所在层从小到 大的顺序依次排列各台分段开关，即 ABCD。 各台分段开关的顺序号、绝对合闸时间和 X时限如 表 2 所示。分析图 2 中 S1 和 S2 引出的线路，其各个 分段开关的绝对合闸延时时间和 X时限分别如表 3和表 4 所示。表 2 图 1 中各个开关的参数 Tab. 2 Parameters of the switches in Fig.1 顺序号1234绝对合闸延时时间/s7142128 分段开关ABCD X时限/s77147 表 3 图 2 中 S1 线路上各个开关的参数 Tab. 3 Parameters of the switches on feeder S1 in Fig.2分段开关ABMCLPN顺序号1234567绝对合闸延时时间/s7142128354249X时限/s771414142121表 4 图 2 中 S2 线路上各个开关的参数 Tab. 4 Parameters of the switches on feeder S2 in Fig.2 分段开关G FI K E J 顺序号123456绝对合闸延时时间/s71421283542 X时限/s7 7 14 14 21 21 X时限/s77714212128 分段开关dIHeNM 绝对合闸延时时间/s4271421714 X时限/s14771477 整定联络开关时，首先整定手拉手环状网的联 络开关 L 的 XL 时限。 当 tS,1,L=15+21=36 s ， tS,2,L=15+14=29 s，tS=max(tS,1,tS,2)=36 s 时，联络开关 L 的 XL时限大于 41s，联络开关 D 的 XL时限可整 定为 45 s。图 3 中，C、J 和 F 应具有相同的 XL时限，C、 B 和 D 具有相同的 XL时限，因此 C、J、F、B 和 D 也应具有相同的 XL时限，并确保以 S2 为电源的 馈线对以 S3 为电源的馈线形成的备用联络关系，即 XL,C=XL,J=XL,F=XL,B=XL,DtF+tp+dTtF=maxtF1, XL,L+DT tF1=maxtS,C,tS,J,tS,F,tS,B,tS,DtS,C=maxtS,1,C, tS,2,C，tS,J=maxtS,1,J，tS,2,JtS,F=maxtS,1,F, tS,2,F，tS,B=maxtS,1,B，tS,2,B tS,D=maxtS,1,D, tS,2,D由表 5 得出tS,1,C=29 s，tS,2,C=57 s，tS,C=57 s；tS,1,J= 57 s，tS,2,J=36 s，tS,J= 57 s；tS,1,F= 57 s，假设 tS,1,FtS,2,F，则 tS,F= 57 s； tS,1,B= 29 s，假设 tS,1,BtS,2,B，则 tS,B= 29 s； tS,1,D= 29 s，假设 tS,1,DtS,2,D，则 tS,D= 29 s； 因此， t F1 = maxt S ,C, t S ,J, t S,F, tS ,B , t S ,D=57 s；tF=maxtF1, XL,L+DT=57 s；tF+tp+dT=66.2 s；XL,C=XL,J=XL,F=XL,B=XL,D=75 s 。对于图 4 所示的扩展 3 分段 4 联络配电网。采 用第 3 节所述方法对各条馈线上的分段开关的 X 时限进行整定，其结果如表 6 所示。可以得出 tF=57 s，tF+tp+dT=66.2 s，并且 C、B、 D 具有相同的 XL时限，因此XL,C=XL,B=XL,D 66.2 s(7)表 6 图 4 中各个分段开关的 X时限分段开关 绝对合闸延时时间/sA 7E 14R 7K 14P 21a 28Q 35述整定方法更好地应用于馈线自动化系统。X时限/s7777142121 Tab. 6 Xtime of the sectionalizing switches in Fig.4 （2）在本文基础上编写的重合器和电压时间 型分段器配合方式的馈线自动化系统整定软件使上 分段开关GIHeNM 绝对合闸延时时间/s4271421714 X时限/s7771477 XL,J 66.2s, XL,F 66.2 s(8)对于分界开关 K，为满足原则 5，有参考文献1徐丙垠馈线自动化技术J电网技术，1998，22(22)：54-60 Xu BingyinFeeder automationJPower Sysem Technology，1998， 22(22)：54-602Karen Nan Miu，Hsiao Dong Chiang，Bentao Yuan Guy DarlingFast Service Restoration for Large Scale Distribution Systems withX L, C + X P - X L, J XL,J-XL,C7 s(10)对于分界开关 G，为满足原则 5，有3吴福保，侯保永，李贵民，等ON2000 一体化配网综合调度自 动化系统J电力系统自动化，2002，26(22)：70-73Wu Fubao，Hou Baoyong，Li Guomin，et alON 2000 an integratedX L,J + XQ - X L,F XG(11)automation system for power distribution and real time monitor controlJAutomation of Electric Power System，2002，26(22)：70-734张永忠，青志文，邱仕义，等湖南汉寿城区配电自动化工程J电即14 sXL,F-XL,J28 s(12)根据式(7)(12)，可以得出XL,C=XL,B=XL,D=75 s，XL,J=90 s104 sXL,F118 s(13)根据联络开关的 XL时限的 6 档整定值，只有 选择 105 s 的对应档可满足式(10)的要求，但是与 XL,F 的下限 104 s 过于接近，考虑到联络开关的时间 偏差，此值不够理想。采取 3.3 节描述的分界开关 X时限调整策略， 将分界开关 K 的 X时限调整为 14 s(K 的绝对合闸 延时间变为 21 s)，并将与 K 处于同一层的分段开关 P 的绝对合闸延时间改为 K 调整前的绝对合闸延时 间 14 s，并重新整定受影响的分段开关 P 和 Q 的 X 时限，即 XP=7 s，XQ=14 s。重新采取上述方法可得出 tF 仍为 57 s, tF+tp+dT仍为 66.2 s，因此式(7)仍然成立，式(10)变换为力系统自动化，2001，25(8)：65-67Zhang Yongzhong，Qing Zhiwen，Qiu Shiyi，et alA distribution automation system in HanShou cityJAutomation of Electric Power System，2001，25(8)：65-675林功平，奚国富，徐石民农电系统县级城市配电自动化模式J电 力系统自动化，2004，28(24)：75-78Lin Gongping，Xi Guofu，Xu ShiminDistribution automation mode in county level of countryside power systemJ Automation of Electric Power System，2004，28(24)：75-786黄兵，吴成东，曾乃鸿增加供电可靠性的长岛馈线自动化系统J电网技术，1999，23(9)：38-42Huang Bing，Wu Chengdong，Zeng NaihongLilco distribution automation system increases reliabilityJPower Sysem Technology， 1999，23(9)：38-427杨爱民深圳福永镇配电自动化实施方案J电网技术，2002， 26(7)：84-86Yang AiminImplementation of distribution automation for fuyong substationJPower Sysem Technology，2002，26(7)：84-868曹福成，高明，岳金成大同配电网自动化系统的规划与实施J电 网技术，2000，24(10)：50-51Cao Fucheng，Gao Ming，Yue JinchengPlanning and implementation of Da Tong distribution automation systemJ Power Sysem Technology，2000，24(10)：50-51王章启，顾霓鸿配电自动化开关设备M北京：水利电力出版-7 sXL,J-XL,CXL,F-XL,J21 s(15)97 sXL,F111 s(16)因此，XL,F 可整定为 105 s。 需注意的是，此例中也可将分界开关 G 的 X时限调整为 14s，但此时 G 的绝对合闸延时变为 49s， 较调整分界开关 K的方法，故障处理时间要长一些。 5 结论（1）本文提出的配电网分层模型适用于辐射 状配电网、“手拉手”环状配电网和多分段多连接的 简单网格状配电网。10 陈堂，赵祖康，陈星莺，等配电系统及其自动化技术M北京： 中国电力出版社，200211 刘健，倪建立, 邓永辉配电自动化系统M北京：中国水利水 电出版社，199912 陈勇，海涛电压型馈线自动化系统J电网技术，1999，23(7)：31-33 Cheng yong， Hai Tao Voltage type feeder automation system JPower Sysem Technology，1999，23(7)：31-3313 刘健，程红丽配电网的分层及其应用J电网技术，2002，26(增 刊)：61-63Liu JianCheng Hongli. Distribution network and its applicationsJ Power Sysem Technology，2002，26(Supplement)：61-63收稿日期：2006-02-20。 作者简介：刘 健(1967)，男，博士，教授，博士生导师，研究领域为电力 系统自动化；张 伟(1982)，男，硕士生，研究领域为配电网自动化； 程红丽(1966)，女，硕士，副教授，研究领域为配电网自动化。（实习编辑杜宁）