配电环网故障自同步与快速自愈技术实验系统开发

仉志华，田咏桃，冯兴田，薛永端

（1. 中国石油大学（华东） 新能源学院，山东 青岛 266580；2. 中国石油大学（华东） 理学院，山东 青岛 266580）

社会经济的不断发展对供电可靠性提出了更高的要求。敏感设备的应用越来越多，短时停电对其影响较大，由此导致的停电损失日益突出，已成为当今业内重点关注并着重解决的问题之一[1]。传统配电网一直遵循着“闭环设计、开环运行”的原则，其保护控制方法简单，但供电可靠性普遍不高，即使采用了自动重合闸、配网自动化等技术手段，仍无法避免负荷停电转供过程引起的短时停电现象，成为进一步提高供电可靠性、解决短时停电问题的瓶颈之一。近年来，配电环网运行技术受到了广泛重视，其在解决短时停电现象以及分布式电源友好接纳方面均具有一定的优势。国内外针对配电环网的潮流分析与主动控制、短路故障分析与继电保护等方面，展开了诸多理论研究，且已有现场示范应用[2-3]。

“新工科”教育背景下对于人才培养提出了新要求，为深化教育教学改革，提高高校教学水平、创新能力和人才培养质量，2016年，教育部印发了《关于中央部门所属高校深化教育教学改革的指导意见》，明确了学科专业结构和人才培养类型结构更加适应国家和区域经济社会发展需要，以支撑新工科背景下创新驱动发展战略和服务经济社会发展导向，并于 2017年先后形成了复旦共识、天大行动与北京指南[4-7]。为有效落实新工科教育背景下的教学改革理念与思路，保证电气专业学生及时了解实际存在问题与专业发展动态[8-12]，实现由知识学习向能力培养的转变，我校电气专业在“电力工程”“电能质量分析与控制”等课程中普及了暂态电能质量及其对敏感负荷影响相关知识；同时，不同时间尺度下的故障自愈功能作为智能电网的特征之一，在“电力系统自动化”“配电网自动化”“智能电网导论”等专业课中均有所涉及。配合上述理论教学内容，立足“电力系统分析”“电力系统继电保护”“电力系统微机保护”等专业基础课程内容，基于闭环运行配电线路，采用纵联保护技术设计开发了短路故障自愈实验系统。通过实验环节的锻炼，学生能够切实加深对新知识的认知与理解，增强了分析与解决问题的能力。

1 配电环网短路故障自同步与快速自愈技术基本实现原理

1.1 基于故障信号的配电终端自同步方法

配电终端（feeder terminal unit，FTU）是实现快速自愈技术的基本单元，且 FTU之间的信号需要同步。传统基于 GPS或者北斗等对时方法受经济性限制，难以在配电网中广泛部署。基于故障信号的FTU自同步技术能够满足继电保护对对时精度的要求，已成为近年来业界普遍关注的实现方法[1,3]。如图 1所示，故障发生后，故障区段两侧的电流会发生突变，配电线路较短，认为两侧FTU可同时检测到故障，即通过首个突变点的检测，可实现故障数据同步。

图1 故障信号自同步示意图

为防止系统频率波动以及系统振荡的影响，基于相电流突变量作为信号同步以及FTU启动的判据，如下所示：

其中，N为一个工频周波内的采样点数，Im(k)为当前时刻三相电流幅值为一周波前的对应电流幅值。

1.2 配电环网短路故障快速自愈实现原理

如图2所示，来自同一变电站的2条馈线构成环网，且正常运行时所有联络开关均处于闭合状态。在每个环网柜中安装FTU，实时监测系统运行情况。所有FTU通过光纤以太网络实现对等通信，采用分布式智能技术，相邻FTU之间根据故障后电流变化方向、相位信息以及功率方向等特征[2-3]即可判断故障区段，实现故障隔离。由于采用闭环运行模式，故障区段隔离后，非故障区段即可立即恢复供电，不会出现停电转供导致的短时中断现象，从而实现故障快速自愈功能。

图2 配电网短路故障快速自愈系统构成示意图

2 实验系统设计与实验结果分析

2.1 实验系统结构

配电环网短路故障自愈实验系统的结构与相关参数分别如图3与表1所示，整体外观如图4所示。

2.2 基于故障信号的FTU自同步实验结果

在实验系统中D25—D29故障点设置短路故障，分别获取 FTU1—FTU5测量得到的电流初相位。以FTU2和FTU3为例，不同位置设置12次故障后的测量结果如表 2所示。2台 FTU间的平均同步偏差为1.59°，小于 0.1 ms；其中最大同步偏差为 4.98°（约0.27 ms）。自同步偏差分布如图5所示，多数情况下自同步偏差在2°以内（低于0.1 ms），能够满足配电网电流差动保护等实现原理的同步需求。

2.3 短路故障快速自愈技术性能测试

对于闭环网络，当故障点发生短路故障时，各检测点均可以检测到故障，最终由故障区段两侧的检测点判定为区内故障并给出正确的保护命令，非故障区段的保护装置判定为区外故障。FTU跳开对应开关即可隔离区段，而非故障区段能够立即恢复供电，不会出现因停电转供导致的短时中断问题，从而实现了故障快速自愈功能。

图3 配电环网短路故障自愈实验系统结构

表1 实验系统参数

分别在D25、D26、D27、D28、D29位置设置不同类型短路故障，通过差动保护原理判据实现故障区段定位；考虑到实验系统中采用交流接触器代替实际电力系统中的断路器、负荷开关等电气设备，其动作速度相对较慢，故仅记录从故障开始到保护出口的动作时间。为统一描述FTU动作情况，定义故障区段左侧开关对应的保护出口为M侧，右侧开关对应的保护出口为N侧，每个实验重复2次；记录的实验结果如表3所示。

图4 实验系统整体外观

表2 FTU自同步实验数据表

图5 基于故障信息的自同步偏差分布

表3 短路故障区段保护出口时间

分别针对两相与三相短路故障各做 20次实验，FTU出口动作时间的分布规律如图6所示。其中，前20次测试为两相短路故障的动作时间，21—40次测试为三相短路故障的动作时间。可见，对于闭环运行线路，任意位置的短路故障下，基于电流差动保护原理的故障自愈技术可正确检测到故障并判断故障区段，给出保护动作信号，且保护出口时间平均约为40～41 ms，具有足够的快速性。

图6 FTU出口动作时间分布图

3 结论

本文基于社会发展对供电可靠性提出的挑战与“新工科”教育改革背景，针对电气专业学生，设计开发了配电环网短路故障自同步与快速自愈技术实验系统，详细分析了实现原理与系统构成，并分别针对故障自同步与快速自愈技术进行了实验测试。该实验系统具有如下功能与特点：

（1）学生能够密切跟踪电气专业新知识的发展，充分了解智能配电网中故障自愈技术的现实需求与实现效果，将教科书中的知识与实际工程需要有机结合，有助于锻炼工程实践思维，培养工程实践能力。

（2）该实验平台具有一定的开放性与灵活性，既能满足常规验证性实验需要，也为研究新型的环网保护判据提供实验平台，可适应不同层次学生的创新学习需要。

（3）该实验平台具有一定的综合性，既立足电气专业基础知识，也涉及对通信技术、分布式智能控制技术等交叉以及新兴学科的内容；为充分落实本专业“新工科”教育改革理念，为实现由知识学习向能力培养的转变提供助力。