毕业设计辐射状中低压电网故障隔离方案研究.docx
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毕业设计论文
辐射状中低压电网故障隔离方案研究
辐射状中低压电网故障隔离方案研究
摘要
配电自动化是近几年发展起来的新兴技术。
配电自动化系统是应用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术，将配电网实时信息、离线信息、用户信息、电网结构参数、地理信息进行集成，构成完整的自动化及管理系统。
在电力系统自动化的发展过程中，馈线自动化是整个电力系统自动化的主要功能之一。
它对于提高供电的可靠性、降损节能、改善供电质量来说至关重要。
同时FTU也是馈线自动化的重要部分之一，因为所有命令的执行和数据的采集都是由FTU来实现。
而该文主要完成的就是对馈线自动化中关键部分—FTU的研究。
同时对馈线自动化的优化进行了探讨。
主要研究的内容与成果有：
1.提出了故障处理的解决方案。
2.在配电自动化系统中，FTU与上一级子站或主站需要传输各种数据、发送和接收各种控制命令，FTU与FTU及其它智能设备间也可能需要传递信息。
针对这种传送信息的不同，对各种通信规约进行了分析与比较。
3.根据FTU的基本功能完成了其系统框图和流程图的设计。
硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。
关键词：
馈线终端单元；馈线自动化系统；故障隔离
RadialMiddleandLowVoltagePowerGridsinthe
StudyofFaultIsolationProgram
Abstract
DistributionAutomationisanewdevelopingtechnologyinrecentyears.阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
Theacombinesreal-timeinformation,userinformation,networkstructuralparameterandgeographicalinformationthroughthemodernelectronictechnologycommunication,computerandnetworktechnology,formintegratedautomationandadministratersystem.DuringthedevelopmentofPowersystemautomation,FeederAutomationisoneofthemainfunctionsinthePowerSystemAutomation.Itisessentialtoimprovethereliabilityoftheelectricitysupply,Lowertheelectricalenergyandsaveandimprovethequalityofpowersupply.AtthesametimeFTUisoneoftheimportantpartsofFeederAutomation,BecauseFTUcancollectdataandexecuteallthecommands.ThepaperintheFeederAutomationmainlyresearchesontheFTUwhichiskeyunit.Andthesametimeitdiscussestheautomaticoptimizationonfeeder.氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。
Themaincontentsareasfollows:
1.Confirmthesolutionfordealingwiththemalfunction.釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。
2.Indistributionautomationsystem,FTUtransmitsvariousdata,Sendsandreceivesvariouscontrolcommandsfromahigherlevelsubstationormainstation,ItmayalsoneedtotransmitinformationamongFTUorbetweenotherintellectualapparatu.Accordingtothedifferenceofsendinginformation,analzeandcomparevariouscommunicationprotocols.怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。
3.DesignthesystemblockdiagramandtheflowdiagramaccordingtothebasicfunctionsofFTU.谚辞調担鈧谄动禪泻類。
Keywords:
FTU;Feederautomationsystem;FaultIsolation.嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。
1绪论
1.1课题背景及意义
配电网线路和设备众多，绝缘等级低，受外界影响因素多，尤其是架空配电线路，收到雷击、鸟害、自然灾害和走廊树木等影响，使配电网故障频繁。
由于配电网的故障会给用户和电力公司带来不便和财产损失，现在电能在国家的经济和人们的日常生活中发挥着巨大的作用，因此必须对电网故障加以高度的重视。
故障隔离和处理是配电网的日常工作。
每一个电力部门以及发电厂都高度的重视电网故障，电网故障还会将发电机损坏的。
配电网的故障隔离可以采用基于配电开关相互配合的方法，也可以采用基于FTU的馈线自动化方法。
在实际的电网中，可以采用单一的方法，但是为了提高故障隔离的速度与准确性，通常在电网中，将两种方法同时采用。
城农网改造后，城郊和农村中压配电网以辐射状接线、树状接线等开环形式为主。
而中国是一个地大物博的国家，农村人口占多数，农村电网是电网的主要组成部分。
因此研究辐射状中压配电网故障隔离对提高供电可靠性具有重要意义。
熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
1.2研究现状
随着农网改造的基本完成，农村配电网自动化水平有了很大的提高，故障定位与隔离技术也有了很大改进，现阶段采用的方法有两种：
一种是早期基于重合器、分段器的故障定位与隔离的方法，这种方法切断故障时问较长，短时间内就能扩大事故范围，恢复供电时无法进行全局最优网络重构。
另一种是基于FTU故障信息的配电网故障定位与隔离的方法。
该方法有两大类：
一类是根据配电网络的拓扑结构进行故障定位；另一类以遗传算法、神经网络算法为代表的人工智能型故障定位算法。
两种方法各有特点，文献[1]中以图论为基础，采用过热弧搜寻算法，其过程复杂，构成配电网络的导纳矩阵过于庞大;文献[2]中采用基于搜索树的算法，以电源为树根,以供电的末梢为树叶，需要对树中的每个节点进行搜索判断，其计算时间较长，程序繁琐；文献[3-5]中采用基于人工智能的遗传算法、神经网络算法和模糊推理算法,当网络拓扑结构发生变化时，需要重新构建函数或修改评价函数。
鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
受配电网络建设成本的限制，我国农村配电主干线路采用智能控制开关，而配电变压器高压侧一般都采用高压负荷开关，只有少数配电变压器加装了测量装置，其测量点较少，致使FTU等智能终端上传的信息不能准确、全面地反映配电网络的实时运行状态，造成故障定位不准确。
纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
1.3本论文研究的主要工作
本篇论文的主要工作是：
（1）了解配电网接线和配电开关设备的基本工作原理；
（2）了解馈线自动化系统的基本结构和功能；
（3）学习配电网故障隔离的基本方法和技术，并对各种方法的优劣进行比较；
（4）针对辐射状中压配电网，研究基于FTU的线路故障隔离方案。
2基于FTU的辐射状中低压电网故障隔离系统的组成
2.1农村、城郊辐射网的特点
我国农村地形复杂，用电负荷较分散，受其影响农村配电网的拓扑结构以树状为主，线路以架空裸导线为主，因而出现故障的概率高，影响面积较大：
在所有故障中，架空线路发生的瞬时故障占2／3以上，永久性故障则少于1／3。
在配电网发生故障后，如何根据FTU上报的信息及时准确地对出现故障的区域进行定位，并采取有效隔离措施，缩小停电面积、缩短停电时间、实现供电可靠性99.96％的目标。
采用配电网自动化技术是关键。
颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
基于FTU的辐射状中低压电网故障隔离如图2-1。
当图A中1线路发生故障时，FTU检测到线路有故障，通过无线扩频技术将信息送到主站，主站根据故障情况，发出信号给线路1的FTU将给线路断开，其他线路将保持正常供电状态。
其余情况类似。
濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
2.2基于FTU的辐射状中低压电网故障隔离系统的组成
基于FTU的辐射状中低压电网故障隔离系统是由主站及区域工作站，通信，FTU终端三部分组成的。
典型的基于FTU的辐射状馈线自动化系统的组成如图2-2所示。
图2-2典型的基于FTU的辐射状馈线自动化系统的组成
在如图2-2所示的系统中，各FTU分别采集相应柱上开关的运行情况，如负荷、电压、功率和开关当前位置、贮能完成情况等，并将上述信息由通信网络发向远方的配电网自动化控制中心。
各FTU还可以接受配网自动化控制中心下达的命令进行相应的远方倒闸操作。
在故障发生时，各FTU记录下故障前及故障时的重要信息，如最大故障电流和故障前的负荷电流、最大故障功率等，并将上述信息传至DAS控制中心，经计算机系统分析后确定故障区段和最佳供电恢复方案，最终以遥控方式隔离故障区段、恢复健全区段供电。
区域工作站实际上是一个通道集中器和转发装置，它将众多分散的采集单元集中起来和DAS控制中心联系，并将各采集单元的面向对象的通信规约转换成为标准的远动规约（如SC1801、CDT、DNP和Modus等），这样配电网自动化SCADA系统和变电站、开闭所的数据采集装置就可以直接借鉴调度自动化的成熟技术。
銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
当线路的某一处发生故障时，现由FTU检测到故障电流，通过无线电通信技术将故障信息传送给主站，主站根据传送来的信息经过分析后，下达控制信息，再有FTU进行故障处理，下面将介绍FTU如何检测故障电流。
挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
2.2.1FTU如何检测故障电流
对于辐射状网，树状网和处于开环运行的环状网，判断故障区段，只须根据馈线沿线各开关是否流过故障电流就可以了，假设馈线上出现单一的故障，显然故障区段应当位于从电源侧到末梢方向最后一个经历了故障电流的开关和第一个未经历故障电流的开关之间的区段。
赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
值得一提的是，由于配电网中的开关整定困难，经常在发生故障以后，距故障最近的开关尚未跳开，其上级开关却先分断的现象，因此在故障后，不能仅依据开关的跳开情况来判断故障区段，例如图2-3所示的馈线，在e段故障，Q4拒分，Q3分断，根据开关位置不能判断故障区段，但根据是否经历了故障电流（图中标记“过流”）却能够作出正确判断（Q1,Q2,Q3,Q4均经历了故障电流，但Q5未经历故障电流，从而得出故障区段e段的结论）。
塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
为了确定个开关是否经历了故障电流，需对安装于其上的各台FTU进行整定，由于从原理上不是通过对各台开关整定值的差别，来隔离故障区段，因此这种整定相当容易，多台开关甚至全部开关可以采用同一组定值。
这样即使增加馈线上的分段数目也不会带来任何影响。
裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
3基于FTU辐射状中低压电网故障隔离矩阵算法
3.1算法基本原理
在实际运行的配电网络中,以常开型联络开关为界可以将配电网划分成2种基本类型的区域:
一种是双侧电源供电区域或处于闭环运行的配电网络环状区域;另一种是单侧电源供电区域,例如辐射状、树状网和处于开环运行的环状区域。
仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
对于配电网网络中单侧电源供电区域,例如辐射状和树状网,在判断故障区段时,只需根据沿着功率方向是否流过故障电流就可以判断故障区段。
每个FTU设置一故障状态变量,电流越限时,此状态变量为1,否则为0。
当故障发生时,FTU主动把故障状态变量1上传并计算功率方向相邻两状态变量经异或的结果,若为1,则可以得出为内部故障;若为0,可以判断出为外部故障。
绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
采用上述方法后,可将FTU设置成0或1工作模式。
在0模式下,FTU只有在电流越限且功率方向为正时,上传故障状态变量;在1模式下,FTU只要电流越限,就上传故障状态变量。
在单侧电源供电区域,例如辐射状和树状网,则线路上的FTU设置成1工作模式。
工作模式可由控制中心进行远方修改或由工作人员现场修改,以适应故障隔离后网络结构重构时,相应FTU工作模式的改变。
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
为使算法同样能适用于任意多个电源,本算法基于文献[8]在对网络拓扑描述时考虑了方向性。
首先,生成描述配电网拓扑结构的网络描述矩阵D。
当发生故障时,根据配电管理系统数据库中计算库计算的结果,修正D矩阵中元素为1的值,修正后含故障信息的矩阵设为P。
最后,根据P矩阵中是否有为1的元素,根据该元素在矩阵中位置判断故障区间。
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
3.2网络描述矩阵
如图4所示，假定供电电源A，节点编号顺序有意打乱，图中A为电源点，.为测控点，
为联络开关，
为馈线首端FCB,箭头所示方向为假定正方向。
鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
根据图3-1,网络描述矩阵D如下所示。
称D中值为1的元素为矩阵故障信息元素,为0的元素为矩阵非故障信息元素。
只需修正矩阵故障信息元素,而非故障信息元素不变。
栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
3.3馈线节点故障信息矩阵
由图3-1知道,以常开型联络开关2为界,配电网划分为2部分。
根据工作模式设置原则,1,3,8,11,4，9FTU的工作模式为0;2,7,5,6,10FTU工作模。
辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
为1，当1,3,8,11,4,9节点流过故障电流并且方向与网络正方向相同,则FTU向控制中心上传信号1而2,7,5,6,10节点在功率方向流过故障电流时FTU就向控制中心上传信号1。
假定图4馈线在节点1,3之间出现单重故障与其对应的馈线节点故障信息矩阵如下:
峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
3.4故障判断矩阵
通过馈线节点故障信息矩阵中功率方向上相邻的2个节点进行异或运算求得的结果修正网络描述矩阵D中相应矩阵故障信息元素,修正后的矩阵为故障判断矩阵,即用dij=giXORgj（i和j为功率方向上相邻的2个节点）修正D中的dij。
通过观察故障判断矩阵中值为1的元素在矩阵中的位置即可判断出故障所处区段,结果简单明了。
因为d13,d27,d36,d38,d49,d62,d75,d8,10,d8,11,d11,4中的元素为1,所以结合馈线节点故障信息矩阵修正这些元素值。
d13=g1XORg3=1,d36,d38,d49,d62,d75,d8,10,d8,11,d11,4修正后全部为0,则故障判断矩阵为詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
考察值为1的元素所处位置为第1行第3所以故障在节点1和3之间。
4FTU介绍
4.1FTU的性能要求
FTU通常安装在户外，因此要求它在恶劣环境下仍能可靠地工作。
恶劣环境通常包括：
1）雷电：
直接雷击或间接雷击造成的过电压是极其有害的。
因此，必须考虑充分的防雷措施，包括加装避雷、可靠接地和电气防雷等。
需要防雷击的部分常有低压电源进线（采用低压交流线路馈电）、有线通信电缆、无线通信天线系统和10KV线路（采用TV获取低压电源），要在这些与FTU接口的部位考虑可靠的防雷措施。
则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
2）环境温度：
一般FTU应能在-25~+65℃的环境下正常工作，对于一些特殊地区，甚至会有更高要求。
如在吐鲁番，夏天的会出现高达50℃以上的高温，而在大庆，冬天的环境温度全低于-35℃通常设备在低温下仍能连续运行，这是由于器件自身因损耗发出热量维持芯片工作的，一旦在严寒环境下停机一段时间，往往就会造成设备重新起动困难。
这使得FTU的重要部件不得不选择工业品级芯片。
胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
3）防雨、防湿：
具有导电性的雨水是一切电子设备的大敌，因此FTU应当具有可靠的防雨手段值得注意的是，通常操作箱的防雨设计是不能满足FTU需要的，因为FTU的印刷线路板布局很密，不用说雨水，即使是过大的湿度也会对设备运行造成威胁。
因此，必须采取更加周密的防雨、防湿（FTU应能在湿度达95%的环境下工作）措施。
电力线载波通信的结合设备的结构是很值得参考的。
鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
4）风沙:
风沙也是户外设备的大敌，风沙加上雨水会浸蚀设备的一切保护材料。
此外，风沙对于FTU的引线和固定结构也是会造成冲击，威胁其安全。
稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
5）振动:
由于安装于户外，来往车辆，大风原因等会对FTU造成振动，若将FTU装入开关本体构成一体化的设备，则开关动作和贮能电机运转时，也会对FTU造成振动，若设计不当，会导致FTU中印刷板上的器件脱落或接触不良以及接插件松动等，导致设备故障。
为此，制作FTU时，应尽量考虑考虑采用单板机的一体化结构必要的接插件应选用质地好而且可靠的，并尽可能在结构上采取紧固措施。
陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
6）电磁干扰：
随着电信技术的发展，城市范围内充满了电波，安放于户外的FTU也往往伴随这较长的引线（或者是0.4KV低压馈电线，或是有线通信线，或者是10KV线路本身），而这些长线实际上构成了天线，它能有效地接收各种电磁波并耦合进FTU，为此FTU中必须考虑有效的抗干扰措施。
沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
7）具有良好的维修性。
由于FTU安放于分段开关处，因此当FTU故障时必须能够不停电检修，否则会造成较大面积停电。
为此，FTU应能很方便地和开关隔离开来，有必要在TA进线处采用试验端子，与开关之间采用航空插头连接，加装电源保险，，以及采用双层机壳等措施。
钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
4.2FTU的基本功能
馈线终端单元（FTU）主要用于监视与控制配电系统中的变压器、断路器，重合器、分段器、柱上负荷开关、环网柜、调压器、无功补偿电容器等设备，并与配电自动化主站通信，提供配电系统运行监视及控制所需的信息，执行主站命令对配电设备进行调节和控制。
一般来说，FTU应具有状态监测、故障检测、故障定位、传输信息、控制开关动作的作用。
懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。
（1）遥测信息:
采集并发送模拟量、脉冲量、数字量信息。
在配电网自动化系统中,遥测信息以采集电流信息和电压信息为主。
要测量正常负荷状态下的电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电能、无功电能和频率，还需要测量故障情况下的电压、电流和频率等量，并需要测量和评估系统的电能质量，其内容主要包括供电电压中的谐波、电压波动、电压闪变等参数。
另外，FTU还要能够测量零序、负序电压及电流等反映系统不平衡程度的电气量。
謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。
（2）遥信信息:
采集并发送状态量信息，遥信变位优先传送。
配电网中除了需要采集一些设备的运行状态信息（例如:
断路器的位置信号，断路器失灵信号，各种越限动作跳闸信号，重合闸动作信号，交直流电源异常信号，小电流接地故障信号，负荷开关和分段开关位置信号）外，还需要采集一些特殊的遥信信息，包括标志记录、FTU运行状态信息、远方/当地控制切换位置。
FTU的运行状态信息主要是指各类功能的闭锁信号，如大电流闭锁、远方跳闸及闭锁、监视跳闸及闭锁。
断路器失灵状态信息主要是指导致闭锁断路器操作的相关信号，一般包括远方合闸失败、操作蓄电池电压过低等。
所有这些特殊的遥信信息均可以通过顺序控制设置为运行状态。
远方/当地控制切换有两套办法实现:
一套是采用硬切换开关，另一套是启动控制器。
这两套切换的信息均应该作为状态信息。
呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。
（3）遥控和遥调信息:
接收并执行主站端发来的遥控和遥调命令。
操作信号是直接执行设备跳闸、合闸操作的控制信号，这些控制信号可以是当地操作命令，也可以是控制上站下达的控制命令。
针对故障处理的控制信号有:
接地跳闸、过电流跳闸、越限跳闸、接地闭锁。
针对改变设备运行方式的控制信号有重合闸成功标志清除。
控制状态的管理信号有:
重合闸的投入/退出、事件记录的投入/退出、接地跳闸闭锁的启动、重合闸成功标志清除的启动、断路器触头负荷测试的投入/退出、重新设置的状态信号、小电流接地的投入/退出，以及接地跳闸优先的投入/退出。
重新设置的状态信号包括:
断路器失灵状态信号、控制回路运行状态信号、带有标志的状态信号。
带有时间信息标志管理的控制信号通常考虑的内容有:
过流跳闸、复位、人工操作的合闸、远方控制的合闸、人工控制的闭锁、远方控制的闭锁、远方控制的跳闸、交流输入电源失电、交流输入电源恢复、程序控制、小电流跳闸以及及合闸试验闭锁。
莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。
4.3结构设计
整个FTU在结构上采用的是各个部分以插件形式通过一块底板连接在一起的方式。
从功能和抗干扰的角度将整个FTU分成了主CPU板，信号采集板，电源板，液晶显示、键盘输入处理CPU板。
其中主CPU板，信号采集板和电源板是插接在一块底板上的，而液晶显示、键盘输入处理CPU板做在了面板上，和液晶、键盘共面板。
面板是通过扁平电缆线和主CPU板相连的，这样只要打开面板就可以插拔底板上的各个电路板，这给安装检修带来了很大的方便。
智能化FTU的硬件组成：
FTU在配电网自动化系统中是一个独立的智能设备，由核心部件远方终端控制器、数字量I/O部分、调制解调器、充电器、蓄电池和一些附件组成，如图4-1：
麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
4.4FTU模式下的故障处理
馈线自动化系统是配电自动化主要组成部分。
利用馈线综合自动化系统。
当线路发生故障时，故障信息由开关的智能终端通过通信传送到配调子站，由配调中心的SCADA系统和GIS系统迅速判断故障区域,一次进行故障判断和隔离，并对非故障段通过联络开关恢复供电。
馈线自动化系统结构如图4-2。
从馈线自动化系统结构可以看到，当系统发生永久性接地故障时，利用可控消弧系统的控制，变电站综合自动化系统可以判断故障的馈线。
配调子站通过搜集馈线沿线各分段点的故障信息，结合站控系统提供的信息，可以判断故障点所在的区域。
站控系统提供的故障线路的信息，可以大大减小配调子站对故障区域判断的难度，并提高判断的准确性。
納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。
（1）速跳后的故障隔离
对于辐射状网和树状网,如图4-3所示。
判断故障区段，只需根据馈线沿线各开关是否流过故障电流就可以确定。
假设馈线上出现单一故障,显然故障区段应当位于从电源侧到末梢方向最后一个经历了故障电流1和第一个未经历故障电流2开关之间的区段。
根据图4-3，当线路发生故障时，各开关的信息由各自的FTU经配电系统网络上传到SCADA控制中心，由SCADA控制中心根据各开关的信息判断出故障点所在的区段之后,下发命令到相应的FTU，由FTU跳开两侧开关1和2,然后SCADA中心检查故障区域开关1和2跳开,合上备用电源S2开关（或通过备自投装置）,将非故障段转备用电源供电。
風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。
（2）永久性接地故障的不停电故障隔离
当系统采用谐振接地方式并且是快速可控消弧系统时。
对于瞬时性接地故障，经过消弧系统的快速补偿，可使故障迅速消除，系统可保持连续供电。
而对于永久性故障，在有效地解决故障定位后。
还可以采用不停电故障隔离的方法，进
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