智能配电网分布式馈线自动化技术

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随着社会经济的发展,用户对供电可靠性的要求进一步提高,对于高科技数字化设备来说,哪怕持续数秒钟的短时停电也会带来严重的经济损失与社会影响,而传统的就地式和集中式馈线自动化(Feeder Auomstion,简称FA)的供电恢复时间达分钟级,因此亟待采用先进的配电FA技术进行故障区段定位、隔离与供电恢复操作,以进一步提高供电质量,减少停电损失。采用基于馈线终端对等通信的分布式FA技术,可以将供电恢复时间缩短至1s以内,分布式FA技术也已经成为目前FA领域的研究热点。此外,随着分布式电源的大量接入、高度渗透,使得配电网成为故障电流双向流动的有源网络,给配电线路的故障区段定位提出了新问题。因此,研究智能配电网分布式FA技术及研究含分布式电源智能配电网的故障区段定位方法具有重要的理论意义与工程应用价值。本文在分析传统的就地式FA与集中式FA以及现有的分布式FA技术的基础上,给出了分布式FA的实现模式,提出了通用性较强的分布式故障区段定位、隔离与供电恢复原理及联络开关自动识别方法。研究分布式电源对智能配电网短路电流的影响,提出基于故障电流幅值比较和基于故障电流相位比较的含分布式电源智能配电网故障区段定位方法。论文主要的研究内容及创新点有:(1)提出了通用性较强的分布式FA的控制原理及实现模式。分布式FA系统由智能终端单元、对等通信系统及配电自动化主站三部分构成,智能终端单元之间对等交换信息,独立判断出故障区域,进行分布式故障区段定位、隔离与供电恢复操作,实现分布式控制;对等通信系统承载着智能终端单元之间以及智能终端单元与配电自动化主站的数据通信;而配电自动化主站只负责接收智能终端单元故障处理的最终结果。将分布式FA面向开关类型设计算法,把馈线开关分为电源开关、干线开关与支线开关,针对具体的开关类型执行相应的故障区段定位、隔离与供电恢复算法。根据实现方法的不同将分布式FA分成协同型与代理型两种实现模式,协同型分布式FA由多个智能终端单元共同决策、协同完成分布式故障区段定位、隔离与供电恢复操作;代理型分布式FA则由主控智能终端单元(代理)收集关联馈线上所有开关的故障信息并进行代理控制决策,实现故障区段定位、隔离与供电恢复操作。(2)提出了基于智能终端“接力查询”的联络开关自动识别方法。在配电智能终端内配置局域拓扑信息,智能终端通过“接力查询”识别出馈线拓扑结构,根据开关状态信息(是否处于“分”位)及开关位置信息(开关两侧是否都与电源相连)来识别出联络开关位置,识别方法简单、可靠,能够适应配电线路拓扑变化的状况,而且不需要加装电压互感器,投资小,经济性好,易于工程实现。(3)介绍了分布式FA的对等通信技术。分析了分布式FA对通信系统的要求,给出了适用于分布式FA的两种光纤通信组网方式一一工业以太网和EPON;利用虚拟局域网技术,将关联馈线上的终端设置在虚拟局域网内,提升分布式FA对等通信网络的管理效率;介绍了分布式FA实时控制数据快速传输的三种方式(数字化变电站GOOSE传输机制、支持优先级的TCP协议及支持重发机制的UDP协议),指出采用UDP协议传输实时控制数据能够满足分布式FA应用的要求。(4)分析了含分布式电源智能配电网短路电流特征,研究了故障时分布式电源对故障点、故障点上游线路及故障点下游线路短路电流的影响,推导出含分布式电源智能配电网故障点上游非故障区段、故障点下游非故障区段以及故障区段两端短路电流之间的幅值关系和相位关系,为下一步研究含分布式电源智能配电网的故障区段定位问题奠定基础。(5)提出了基于故障电流幅值比较和基于故障电流相位比较的含分布式电源智能配电网的故障区段定位方法。研究考虑电压变化量约束时分布式电源的准入容量,通过分析电网电压变化量约束对分布式电源准入容量的影响,推导出分布式电源准入容量与电网电压变化量及并网点的系统短路容量之间的关系。当分布式电源不参与电网调压且其准入容量受电网电压变化量限制时,分析分布式电源提供最大短路电流与系统短路电流之间的幅值关系,提出通过比较线路区段两端故障电流的幅值进行故障区段定位的方法,并给出该方法在分布式FA中应用的实现方案;如果分布式电源渗透率进一步提高,提出通过比较线路区段两端故障电流的相位进行故障区段定位的方法,在定位过程中采用故障信号实现相位测量的自同步。提出的故障区段定位方法原理简单,易于工程实现。(6)对智能配电网分布式FA方法进行静态模拟试验测试与现场试运行。构建了分布式FA原型测试系统,在智能配电网静态物理模拟试验室中搭建“手拉手”电缆线路,将智能终端单元接入EPON对等通信网络,模拟电缆线路不同位置短路故障,验证分布式FA的动作逻辑,并分析其动作实时性;最后将分布式FA系统在厦门等地进行现场试验测试,验证分布式FA系统的工程实用性。本文提出的分布式FA控制方法,能够自动识别馈线拓扑结构与联络开关的位置,加快了配电网的故障处理速度,将供电恢复时间缩短至秒级,控制方法通用性强,能适应不同的运行方式;提出的基于故障电流幅值比较和基于故障电流相位比较的含分布式电源智能配电网的故障区段定位方法,原理简单,易于工程实现。本文的研究成果加快了智能配电网故障隔离及供电恢复速度,进一步提高了智能配电网的供电可靠性,对于推动智能配电网分布式控制技术及智能配电网的发展具有重要的意义。
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