1、江西省农配网故障隔离系统设计及应用徐宁 1，孙旻 1，曾伟 1，周谦 2（1. 江西省电力科学研究院，江西省南昌市 330006）（2. 武汉大学电气工程学院, 湖北省武汉市 430072）摘要：江西省现有农村配电网供电半径大，运行环境恶劣，故障率高，且对线路运行数据无法实时掌控，导致发生故障时排查困难，停电时间长，影响范围大，抢修效率低。若采用常规方式建设配电自动化系统，不仅投资大、周期长、运维要求高。本文进行了简捷经济型农配网运行状态监测与故障隔离系统方案设计，介绍了该系统的实现目标、设计原则和总体结构，详细说明了系统重要组成单元的设计和建设方案。实际运行效果表明该系统具有投资省、维护方便
2、、操作简单等优势，可适应江西农配网现有技术装备水平及人员素质，对于提升农网运维管理水平和供电可靠性具有实用价值。关键词：农村配电网；故障隔离系统；APN；状态监测；Design of the Fault Isolation System of Jiangxi Rural Distribution NetworkXu Nin1,Sun Min1, Zeng Wei1, Zhou Qian2(1. Jiangxi Electric Power Design Institute, Nanchang330006, Jiangxi Province, China)(2. School of Electr
3、ical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei Province, China)Abstract: The weaknesses of existing rural distribution network in Jiangxi province, such as large feeder line radius, poor operating environment, high failure rate and the unavailable real-time operation data of the network, ca
4、uses the difficulty in troubleshoot, long power outage time, large area of blackout and low efficiency of repair. Distribution automation system based on conventional mode not only has large investment and long contribution cycle, but also has high requirements of operation and maintenance. This pap
5、er designs a simple and economical operation condition monitoring and fault isolation system for rural distribution network. The aspects of the proposed system including the realization goal, design principle and the overall structure are introduced, the design and construction scheme of the key par
6、ts of the system are explained in detail. Practical operation results show that the presented system has the advantages such as small investment, easy maintenance and operation, and it accommodate the current technical equipment level and personnel quality of Jiangxi rural power grid. It has practic
7、al value in improving the operation and maintenance management and power supply reliability of rural power network.Keywords: Rural distribution network; Fault isolation system; APN; Condition monitoring;0 引言 目前江西农配网多属于 C、D 类供电区域，供电半径大，运行环境恶劣，故障率高。现有配电系统自动化水平低，线路运行状况和故障排查大都需要人工到现场操作，导致线路停电时间长，影响面积大，极
8、大影响了农配网的安全可靠性 1。因此设计合理有效的农配网运行状态监测和故障隔离系统具有重要现实意义 2, 3。配电线路运行监测与隔离系统可有效提高配电网的供电安全性与可靠性，具有非常优越的发展前景。文献4将故障隔离系统有效地运用到配电网系统中，并阐述了 10kV 配电网故障自动隔离系统原理及其应用实际过程。文献5-7分别从农网运行现状、故障隔离系统原理和隔离技术的应用等方面对故障隔离技术进行了一定的介绍。本文结合江西省农配网的实际，提出基于云服务 8-10和 APN 通信技术 11-12的简洁经济型一体化故障隔离系统。提出了系统设计的实现目标及设计原则。在给出系统总体设计方案的基础上，详细设计
9、了APN 农配网云数据中心、终端设备和阶梯保护整定。给出了故障隔离系统在江西农网的具体实施方案和实际应用案例。1 故障隔离系统设计目标及原则1.1 系统设计目标在农配网中建设实施故障隔离系统围绕如下目标进行：(1) 农配网故障隔离系统需可靠稳定，系统可实时、直观反映线路开关状态及运行参数，同时反映小水电等分布式电源接入情况。(2) 缩小故障停电范围。通过线路开关保护定值的级差配合，提高开关保护动作的选择性，实现故障区域自动隔离和切除，避免越级跳闸造成的全线停电事故，将全年越级跳闸次数减少 90%以上。(3) 提高抢修效率。故障发生后及时发布事件报警信息，减少线路运维人员查找故障的盲目性。改变以
10、往对全线路杆塔逐个排查的传统方法，缩短故障查找时间和线路停电时间，将排查短路和接地故障时间减少 60%以上。(4) 规范工作流程、实现数据共享、提高配电网管理水平。可随时随地查看辖区内线路的一次接线图、运行状态、故障信息等数据；同时对线路历史故障进行查询、处理、汇总统计及报表显示打印。可了解农配网用电高峰的时间分布特点，优化线路运检和维护方案，提高农配网的管理水平。1.2 系统总体设计原则农配网故障隔离系统设计遵循国家电网公司最新发布的配电自动化规划设计技术导则 Q/GDW 11184-2014，依据配电网现状，因地制宜设计，确保配网监控系统安全可靠、经济实用。(1) 经济实用原则根据江西地区
11、农配网供电可靠性要求，采取区域差异化的技术策略，因地制宜，避免因系统建设造成的电网频繁改造。注重系统功能实用性，结合农配网发展有序投资，充分体现系统建设应用的实际效果和投资效益。(2) 差异区分原则根据各县公司规模、可靠性需求、配电网目标网架等情况，合理选择不同类型供电区域的故障处理模式、主站建设规模、配电终端配置方式、通信建设模式、数据采集节点及配电终端数量。(3) 协调性原则配电网一次设备新建、改造时应同步考虑配电终端、通信等二次需求，方案规划区域内的一次设备如柱上开关、环网柜、配电站等建设改造时应考虑自动化设备安装位置、供电电源、电操机构、测量控制回路、通信通道等，同时应考虑通风、散热、
12、防潮、防凝露等要求。1.3 各子系统设计原则(1) APN 农配网云数据中心APN 农配网云数据中心功能应满足农配网运行信息实时监测、故障研判、抢修指挥等要求。数据中心应充分考虑农配网故障隔离系统实施范围、建设规模、构建方式、故障处理模式和建设周期等因素有序建设。(2) 终端建设原则配电终端应满足高可靠、易安装、免维护、低功耗的要求，并应提供标准通信接口。配电终端供电电源应满足数据采集、控制操作和实时通信等功能要求。(3) 通信网建设原则江西农配网覆盖区域属于 C、 D 类供电区域，导则要求以无线通信方式为主。无线组网可采用无线公网和无线专网方式。采用无线公网通信方式时，应采取专线 APN 安
13、全通信方式。 2 系统设计2.1 总体结构设计根据江西省农配网结构，所设计的农配网故障隔离系统逻辑结构如图 1 所示。该系统由两大功能模块构成：(1) APN 农配网云数据中心（云服务支持系统、APN 专线通信系统）该功能块是整个农配网故障隔离系统的数据中心，所有历史数据都存储于 APN农配网云数据中心服务器中由所有县级配网客户端都共享。云服务支持系统完成配电线路实时数据的采集和故障研判，确定故障区段。图 1 农配网故障隔离系统结构图Fig.1 Structure of the fault isolation system of the rural distribution network(2
14、) 终端设备及客户端终端设备安装于配电网线路上，是为农配网设计的一体化故障隔离装置，负责对线路进行实时数据采集、状态监测、开关控制、故障判断及隔离；客户端部署于各县级供电公司调度室或运维人员办公室，手机客户端 APP 安装于运维人员随身携带的手机上。2.2 系统组成设计(1) APN 云服务支持系统云服务支持系统由数据中心管理系统、广域数据采集子系统和配电线路故障研判子系统组成。完成配电线路实时数据的采集和故障研判，确定故障区段。云服务支持系统规模能够按照接入数据点的个数进行灵活扩容、增量配置，在系统稳定运行的前提下，既满足系统在线升级扩容，又达到系统按需建设的目的，具有良好的经济实用性。数据
15、中心管理系统可以对运行服务器进行在线检测和管理，及时了解服务器的运行信息。管理系统不仅能对服务器的物理运行状态，还可以监控各个系统的业务数据。广域数据采集子系统完成链路管理，设备通信、设备身份甄别，数据解析和数据采集等功能。支持 IEC101、IEC104 等常用通信规约；通过插件模式设计，可以灵活、并发支持各种通讯规约。配电线路故障研判子系统研判子系统完成故障数据处理，综合线路全局设备实时运行信息，对故障区段进行智能判断，并通过故障点前后的设备投运和运行情况，综合各种信息对故障区段进行准确判定，支持查阅线路数据。(2) APN 专线通信系统APN 专线通信网技术通过 GPRS/ WCDMA
16、网络提供数据安全传输。移动终端可以通过无线数据专网与系统内网进行数据交互，保证数据传输的安全可靠。同时无线数据专网还可以为接入设备和终端提供接入鉴权认证和智能管理功能，是一种非常成熟的广域安全通信解决方案。农配网故障隔离系统通过 APN 建立广域通信网络，通过专用无线网络和设备进行数据交互。农配网故障隔离系统中 APN 通信系统可以分为专用无线通信网和专用数据汇入点两个部分。前者完成广域范围数据的采集，并将通过无线网络传输至的数据中心。后者完成配网数据从移动运营商到数据中心的数据安全汇集。(3) 一体化故障隔离终端一体化故障隔离装置专为农配网架空线路设计，可实现线路的故障监测、研判、隔离，是用
17、于开断短路电流、负荷电流的户外配电终端设备。如图 2 所示。控 制 单 元信 号 处 理 单 元取 能 单 元隔 离 开 关短 路 器 本 体图 2 一体化故障隔离装置Fig.2 Integrated fault isolation device该装置无需再配置电源 PT，其取电单元与断路器本体一体化结构设计，采用小型化、轻量化的高压电容，直接从 10kV 线路取电为终端提供工作电源。也可针对农配网线路上未达到使用年限的普通型断路器进行智能化改造，以满足自动化实施的要求。普通断路器改造后，可以与 APN 农配网云数据中心配合，完成数据分析、故障处理和告警，实现三遥功能。如图 3 所示。图 3
18、普通断路器智能化改造Fig.3 Intelligent transformation of common circuit breaker(4) 移动客户终端移动客户端是农配网故障隔离系统数据多样化展示的重要部分，通过安装在客户手机、移动终端上的 APP 进行系统数据展示，移动终端通过专用 SIM 卡，通过APN 访问云数据中心，即保证了数据的安全，又打破了传统系统依靠电脑客户端获取数据的束缚。可以让运检人员随时随地获取运行数据，降低了系统使用门槛，消除了获取信息的环境限制，将移动互联技术和配电自动化技术有效地结合，让工作变得更轻松。除了一般商用手机可以安装 APP 进行数据浏览外，还可以通过工
19、业级移动终端进行数据浏览。在安全的通信环境下，用户可以获取身份鉴别，远程进行设备的定值调整和遥控分、合等高级功能。如图 4所示。图 4 工业级移动终端Fig.4 Industrial mobile terminal(5) 阶梯化保护定值整定方案系统可对农配网线路一体化故障隔离装置保护定值进行“远方整定”，通过变电站间隔开关保护和线路开关保护的配合，相邻线路开关保护定值的级差配合，保证线路故障的分段选择性，实现故障就地自动隔离，准确的切除故障区段，避免出现越级跳闸情况。图 5 给出了根据线路开关安装位置和变电站间隔开关保护定值阶梯配置设备参数的示例。变 电 站出 线 开 关 干 线 4#开 关
20、干 线 171#开 关大 墩 梁 支线 开 关李 记 沟 支线 开 关沟 北支 线开 关速 断 : 80A,0s过 流 : 320A,0.5s 速 断 : 70A,0s过 流 : 260A,0.4s速 断 : 40A,0s过 流 : 150A,0.3s速 断 : 50A,0s过 流 : 20A,0.3s速 断 : 40A,0s过 流 : 10A,0.2s速 断 : 1040A,0s过 流 : 825A,0.6s图 5 保护配置示意图Fig.5 Example of protection configuration 2.3 系统设计特点及优势农配网故障隔离系统可准确检测线路的单相接地故障、相间短
21、路故障以及线路负荷等信息，实现配电线路的监测和控制以及开关的远程操作，具有以下优势及特点：(1) 采用 APN 农配网云数据中心工作模式，免去主站维护工作。由于所有数据接入数据中心，便于进行数据管理和数据分析工作。各个县局客户端通过电力系统内网访问数据中心数据，也可以在移动终端上通过 APN 专网访问系统数据，安全便捷。减少了各个县局的系统维护工作，减轻了运检人员工作压力，提高工作效率。(2) 终端一体化设计，方便施工。安装在配电线路上的一体化故障隔离装置，各部件一体化设计，无现场接线工作，减少人为接线错误的隐患。现场施工只需一次吊装完成，安装时间节省 50%，方便地形复杂的农配网地区施工。(
22、3) 工作电源安全可靠，从原理上杜绝铁磁谐振事故发生。在配电线路发生接地故障时，若线路遭受雷击、操作过电压，使用传统铁磁式 PT 供电容易诱发铁磁谐振，造成 PT 损毁或爆炸，影响线路安全运行。安装在配电线路上的一体化故障隔离装置，采用 LC 压感式电容取能技术，取代了传统电磁式电压互感器设备，可完全杜绝铁磁谐振等配网线路安全隐患。整个装置安全、可靠、免维护。(4) 已安装普通断路器改造，避免重复投资。现有普通断路器智能化改造方案和常规配电自动化方案相比，可节省 50%的投资，大大降低项目的投资额度。且实现原有普通断路器再利用，减少闲置资产，确保原有设备资产的升值和保值。(5) 建设周期短，“
23、即安装、即调试”。在常规配电自动化系统建设过程中，设备安装和就地调试完成后，需要进行设备的接入调试。传统的配电自动化系统设备接入调试需要主站配合，一般都是安装一批，统一接入调试一批，很难做到立即安装，立即调试。农配网故障隔离系统打破这一限制，提供在线调试的技术手段，做到立即安装，立即接入调试。为了在运行安全的前提下保证及时接入，农配网故障隔离系统分为实时态和调试态，调试成功的设备运行在实时态系统中，安装好待调试的设备默认接入到调试态中，安装人员通过移动终端对设备进行调试，成功后，将设备接入到实时态中。这样通过移动终端，可以在安装现场对设备进行接入，打破了常规配电自动化系统终端建设和系统建设分开
24、进行、分别调试的瓶颈，做到即装、即调试，提升了工作效率。3 系统建设方案及应用实例3.1 APN 农配网云数据中心APN 农配网云数据中心作为在线监测系统的功能外延和有益补充，可对江西省农配网进行实时监测。通过一体化隔离装置实时采集线路电压和负荷电流数据，通过 APN 农配网云数据中心实时发布，将解决农配网智能化管理缺乏相应的技术手段的问题，为农配网线路透明管理提供数据基础和技术支撑。APN 农配网云数据中心建成后，可实时监测江西省内安装一体化隔离装置的农配网线路。运检、管理部门可以通过客户端和移动 APP 随时随地获取线路运行情况。系统根据装置采集的线路故障信息，综合判定短路、接地故障类型和
25、故障区段，为线路故障抢修提供技术支撑，可以大幅度缩小停电范围，减少停电时间。APN 农配网云数据中心包括两部分：云服务支持系统和 APN 专线通信系统，APN 农配网云数据中心部署于省电科院电网中心，由专业人员负责运行维护工作，保证系统稳定运行。一期建设工程，计划接入共青城供电公司已投运一体化故障隔离装置 10 台、奉新供电公司已投运一体化故障隔离装置 35台。一期工程的系统容量：可满足约 15 个县局，10000 个监控点的接入。二期扩容后的系统容量：可再增加约10 个县局，6000 个监控点接入。3.2 终端设备接入方案(1) 共青城终端接入方案计划接入共青城供电公司终端设备 6台，接入点
26、覆盖 10kV 江益线。10kV 江益线 2014 年 1-9 月间共计跳闸 36 次，属于典型高故障配电线路，列入“省公司配网百日大排查、大检修工作”重点督办线路，根据线路实际情况，原有6 台普通断路器安装一体化故障隔离装置，投运后对隔离装置保护定值做合理的整定，实现故障就地隔离，防止越级跳闸情况频繁发生，减少停电面积，提高了供电可靠性。10kV 江益线一体化故障隔离装置分布如图 5 所示：图 5 一体化故障隔离装置分布图Fig.5 Distribution of integrated fault isolation device(2) 奉新终端接入方案计划接入奉新供电公司终端设备 35 台
27、，接入点覆盖崇贤一线、崇贤二线、大修厂线、城南线等 7 条线路。线路原有开关均采用普通真空断路器，手动分合闸操作方式，未实现智能化，开关保护定值不能随用电峰谷动态整定，无法有效隔离故障。崇贤线、城西线等线路负荷电流接近最大允许电流，对干支线各区段的电流数据缺乏监测手段，以往处于“盲调”状态，缺乏线路运行数据动态监控的手段。奉新一体化故障隔离装置点位开关多为农改时期产品，运行环境恶劣，多数设备老旧、锈蚀严重、健康水平低，且开关无电动操作机构，因此新装了一体化故障隔离装置共 31 台。崇贤线、崇贤线 4台普通断路器具备智能化改造条件，开关均安装于 2013 年，投运时间不到一年，为避免设备闲置造成
28、浪费，对此 4 台普通型断路器进行了智能化改造。3.3 故障隔离实例共青城市供电公司 10kV 江益线一体化故障隔离装置投运后，已准确隔离故障两次，避免了越级跳闸。案例一：2014 年 12 月 5 日 15:44:41江益线发生 BC 相速断故障，江益线干线43+2#杆一体化故障隔离装置速断保护动作，准确将故障隔离，富华变电站出线开关未动作（速断保护时延为 0.2S），避免了以往顶跳变电站的全线停电，后农配网故障隔离系统及时告警，显示故障区段为“江益干线 43+2#开关之后、江益干线 91#开关之前、荷塘干线 42+19#杆之前”（47#为普通开关），并将故障信息发到了运检人员的手机上，运检
29、人员根据提示信息直奔故障区段巡线，发现故障点在渔场移动基站配变处，随将该故障配变切除，43+2#杆开关合闸成功，农配网故障隔离系统客户端显示线路各点开关电压、负荷数据正常，此次故障查找和处理时间只有约 50 分钟，大大缩短了停电时间。案例二： 2014 年 12 月 24 日 00:04:06 江益线发生 BC 相过流故障，江益干线#091 杆一体化故障隔离装置过流保护动作，准确隔离故障，富华变电站出线开关未动作。农网故障隔离系统提示：“江益干线 91#杆开关后发生过流故障”，后经运检人员在所报区段查询后，发现故障点在一伐木场配变入地电缆处，立即对故障进行了处理。因故障得到准确隔离，本次故障只
30、造成了江益干线 91#杆后短时间停电。4 结论农村配电网系统要为电力用户提供更加优质的供电服务和更加可靠的供电电能，配电网故障的排查和修复尤为重要。本文设计了基于云服务和 APN 通信的简捷经济型农配网运行状态监测与故障隔离系统。基于系统总体设计目标和原则，给出了系统总体结构设计方案和 APN 农配网云数据中心、终端设备和阶梯保护整定等各重要组成部分的设计。该故障隔离系统已在江西共青城和奉新建设并投入实际应用，运行结果表明，该故障隔离系统能够准备判断并隔离故障，大大缩减了故障停电时间，为提高农村地区的供电可靠性打下了坚实基础。参考文献1 邓军平, 李彦佐, 王新炜. 江西电网: 迈向骨干电网配
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