智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征信息提取與響應(yīng)向量重構(gòu)控制的研究

國(guó)網(wǎng)嘉興供電公司、國(guó)網(wǎng)安徽岳西縣供電公司、國(guó)網(wǎng)浙江海鹽縣供電公司的研究人員殷軍、方國(guó)保、徐光年、屠楚明，在2016年第3期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，隨著太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源接入配電網(wǎng)，顛覆了傳統(tǒng)配電網(wǎng)單向潮流的特征，配電網(wǎng)的饋線保護(hù)與重構(gòu)成為了實(shí)際生產(chǎn)中亟待解決的難題。

本文結(jié)合常規(guī)饋線自動(dòng)化的保護(hù)方式，提出一種智能饋線終端單元（FTU）的設(shè)計(jì)方案。從工程實(shí)現(xiàn)角度，提出了基于智能FTU的配電網(wǎng)饋線保護(hù)與重構(gòu)方案，用于提高饋線保護(hù)的選擇性和重合成功率，保證電網(wǎng)供電可靠性。

配電自動(dòng)化(DA, Distribution Automation)利用現(xiàn)代電子、通信、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和圖形等技術(shù)對(duì)配電網(wǎng)和電力用戶在正常運(yùn)行下和突發(fā)事故下實(shí)行檢測(cè)、保護(hù)、控制和管理的一門(mén)技術(shù)[1]。配電自動(dòng)化主要包括：用戶需求側(cè)管理自動(dòng)化、饋線自動(dòng)化、變電站綜合自動(dòng)化、配電管理自動(dòng)化這四個(gè)層次，其中饋線自動(dòng)化對(duì)于改善供電質(zhì)量，提高供電的可靠性起著重要作用[2]。

目前有關(guān)饋線自動(dòng)化的研究與實(shí)際應(yīng)用，一般利用分布安裝于10kV饋線線路各節(jié)點(diǎn)上的饋線終端單元(FTU),對(duì)線路電壓、電流等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,并通過(guò)光纖、無(wú)線、載波等通信方法將檢測(cè)的各種接地特征電氣量上送到配電自動(dòng)化子站或主站。

在子站/主站上,綜合應(yīng)用整個(gè)配電線路各節(jié)點(diǎn)的特征量,通過(guò)模糊技術(shù)、人工智能技術(shù)、小波技術(shù)等方法尋找故障點(diǎn),并通過(guò)通信方法控制開(kāi)關(guān),隔離故障區(qū)域[3-5]。然而常規(guī)饋線自動(dòng)化系統(tǒng)在發(fā)生短路故障時(shí)通過(guò)饋線出口保護(hù)，切除整條饋線；FTU裝置之間沒(méi)有相互通訊，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有選擇的切除故障段，擴(kuò)大停電范圍，降低了供電可靠性。

隨著控制技術(shù)的發(fā)展，配電終端FTU的硬件性能足以完成更多的功能，包括RTU功能、保護(hù)功能、濾波功能、開(kāi)關(guān)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和智能維護(hù)功能等[6-7]。因此，本文首先提出了一種智能型FTU，不僅包含了常規(guī)FTU的功能，而且在自動(dòng)化和智能化方面更加完善，可替代傳統(tǒng)饋線自動(dòng)化中主站和子站的基本功能。

在此基礎(chǔ)上，本文又著重研究了基于新型智能FTU的網(wǎng)絡(luò)故障隔離與自愈技術(shù)，它能根據(jù)前后智能FTU裝置間的通訊，變電站出口保護(hù)作為后備保護(hù)配合動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)有選擇的切除故障段，最大限度的減少停電范圍，實(shí)現(xiàn)了饋線保護(hù)的選擇性要求；同時(shí)能夠有效提高分段開(kāi)關(guān)重合與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的成功率，加快了供電恢復(fù)速度，保證供電服務(wù)水平。

1 智能饋線終端裝置（FTU）的原理

1.1智能FTU介紹

饋線終端裝置簡(jiǎn)稱FTU(Feeder Terminal Unit)，安裝在10 kV饋電線路上監(jiān)控柱上開(kāi)關(guān)，完成遙測(cè)、遙信、遙控以及故障檢測(cè)功能，同時(shí)與配電主站進(jìn)行通信，傳送配電系統(tǒng)運(yùn)行工況及各種監(jiān)測(cè)控制所需信息，包括電能參數(shù)、開(kāi)關(guān)位置、相間故障、接地故障以及故障時(shí)的參數(shù),并執(zhí)行配電自動(dòng)化主站下發(fā)的命令，對(duì)配電設(shè)備調(diào)節(jié)和控制，實(shí)現(xiàn)故障定位、故障隔離和非故障區(qū)域快速恢復(fù)供電功能。主要包括監(jiān)視功能、通信功能和自動(dòng)化功能三個(gè)模塊。

智能型FTU涵蓋了上述的常規(guī)FTU功能，其中監(jiān)視功能模塊由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、遙信遙控、諧波分析和實(shí)時(shí)顯示組成；自動(dòng)功能模塊具體為故障檢測(cè)定位、故障隔離和恢復(fù)控制。智能型FTU的總體功能如圖1所示。

圖1 智能型FTU的總體功能

同時(shí)，智能型FTU還設(shè)計(jì)了增強(qiáng)功能，是指同一控制區(qū)內(nèi)的多個(gè)FTU，在通訊系統(tǒng)的支持下，內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能控制系統(tǒng)，增加了對(duì)配網(wǎng)結(jié)構(gòu)的監(jiān)控以及相應(yīng)的處理策略。

故障發(fā)生后，F(xiàn)TU系統(tǒng)與饋線繼電保護(hù)相配合，不需要變電站配網(wǎng)子站和配電自動(dòng)化主站系統(tǒng)參與，就可自治實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)的故障隔離及重合、故障恢復(fù)功能。

各智能型FTU單元在FTU系統(tǒng)中地位對(duì)等，并能實(shí)現(xiàn)即插即用功能，具有安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，便于推廣使用的特點(diǎn)。

1.2智能FTU的工作模式

智能FTU的工作模式設(shè)計(jì)為主控模式和普通模式。主控模式只在重合及重構(gòu)過(guò)程中有效，其設(shè)置目是為了加快系統(tǒng)恢復(fù)的速度。FTU系統(tǒng)正常工作時(shí)，可動(dòng)態(tài)選出一臺(tái)FTU作為主控FTU，進(jìn)行快速重合；如果沒(méi)有主控FTU，系統(tǒng)仍然具備重合功能。

主控模式的智能FTU在硬件上與普通模式的智能FTU相同，且在功能上每個(gè)智能FTU均具備主控模式和普通模式兩種運(yùn)行方式。根據(jù)運(yùn)行投入的次序，自動(dòng)選舉出主控模式的智能FTU，其余的智能FTU為普通模式。

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，任何時(shí)刻最多只有一臺(tái)FTU運(yùn)行于主控模式。主控模式的FTU負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)其它普通模式的FTU，共同完成相應(yīng)的自動(dòng)化功能。某些情況下，若原有的主控FTU退出運(yùn)行，則按照一定的排序，有另外一臺(tái)普通模式的FTU自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹骺啬Ｊ?，接替原有的主控FTU。

普通模式的智能FTU采集相應(yīng)開(kāi)關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)，包括負(fù)荷、電流、電壓、功率和開(kāi)關(guān)實(shí)際位置等，同時(shí)記錄故障前及故障時(shí)的負(fù)荷電流等特征信息，將上述特征信息傳至主控模式的智能FTU，并由主控FTU轉(zhuǎn)發(fā)到其它的FTU。

各個(gè)相關(guān)的FTU接受主控FTU的指令，進(jìn)行相應(yīng)的控制，或在一定范圍內(nèi)自主地進(jìn)行控制。當(dāng)然，主控FTU也同時(shí)具有普通FTU的功能。本文將指定一臺(tái)FTU作為主控FTU。

1.3智能FTU與常規(guī)FTU的比較

區(qū)別于常規(guī)配電網(wǎng)自動(dòng)化結(jié)構(gòu)，在智能FTU系統(tǒng)不設(shè)置專用的子站和主站，而是通過(guò)分布式的智能FTU自動(dòng)完成配網(wǎng)的故障隔離及重合、重構(gòu)功能，并配置相對(duì)簡(jiǎn)單的后臺(tái)管理機(jī)，完成原先配置主站和子站的系統(tǒng)相應(yīng)的功能；通過(guò)對(duì)智能FTU的運(yùn)行模式的設(shè)定，使智能FTU基于高速通訊平臺(tái)，又不完全依賴于通訊。智能FTU與常規(guī)FTU運(yùn)行模式的性能概略比較如下表1所示：

表1智能FTU與常規(guī)FTU性能對(duì)比表

2基于智能FTU的配電網(wǎng)饋線保護(hù)與重構(gòu)方案設(shè)計(jì)

配置智能FTU的配電線路在正常運(yùn)行時(shí)，相鄰FTU通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)相互交換開(kāi)關(guān)位置、電流/電壓等信息。當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)電源側(cè)配電終端將檢測(cè)到故障信號(hào)，而負(fù)荷側(cè)配電終端檢測(cè)不到故障信號(hào)。

故障點(diǎn)兩側(cè)配電終端通過(guò)對(duì)等通信在收到線路故障信號(hào)后，就地判斷故障區(qū)段，進(jìn)而完成故障區(qū)段有選擇隔離。在故障隔離完畢后，智能FTU裝置，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊（主控模式或?qū)Φ饶Ｊ剑?，?shí)現(xiàn)通過(guò)鄰近終端上報(bào)的故障信息來(lái)恢復(fù)非故障區(qū)段的供電。

同時(shí)，它在運(yùn)行過(guò)程中與變電站保留常規(guī)的饋線保護(hù)是完全獨(dú)立的，沒(méi)有信息交換，確保了兩套系統(tǒng)互為備用。但是，它們?cè)谶壿嬌闲枰嗷サ呐浜?，由于需要FTU系統(tǒng)首先做出故障區(qū)間選擇，因此饋線保護(hù)應(yīng)在時(shí)間輪次上延后一級(jí)，作為智能FTU的后備保護(hù)。同理，原饋線保護(hù)的后備保護(hù)，如主變的過(guò)流保護(hù)，也需要順延一級(jí)。

智能FTU可適應(yīng)配網(wǎng)中出現(xiàn)的多分段、多連接的供電途徑的網(wǎng)格化發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)階段以嘉興地區(qū)的一個(gè)手拉手單元（如圖2所示）為例，根據(jù)饋線上發(fā)生瞬時(shí)性故障和永久性故障兩種情況，闡述了進(jìn)行二個(gè)輪次跳閘與重構(gòu)的控制策略，進(jìn)而對(duì)此方案在實(shí)際應(yīng)用中的適應(yīng)性進(jìn)行了分析。

圖2 典型的環(huán)網(wǎng)或手拉手單元

2.1饋線發(fā)生瞬時(shí)性故障

2.1.1第一輪次跳閘與重構(gòu)（通過(guò)主控FTU協(xié)調(diào)控制）

圖3 K點(diǎn)發(fā)生瞬時(shí)故障

（1）故障定位和隔離

假定正常運(yùn)行時(shí)K點(diǎn)發(fā)生瞬時(shí)性故障，如圖3所示。為了準(zhǔn)確并快速的切除故障，采用FTU之間相互通訊閉鎖的協(xié)調(diào)方式。各個(gè)FTU采集故障后的電氣量和開(kāi)關(guān)量，并進(jìn)行特征量計(jì)算，如電流是否越限、電壓是否跌落、實(shí)際開(kāi)關(guān)位置等。

隨后，F(xiàn)TU將計(jì)算結(jié)果發(fā)到相鄰的FTU，如果某個(gè)FTU收到了閉鎖信號(hào)則閉鎖跳閘，否則經(jīng)過(guò)較短延時(shí)后跳開(kāi)相應(yīng)分段斷路器，從而實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的故障定位及隔離。故障電流消失后，各FTU將隔離前狀態(tài)及當(dāng)前狀態(tài)發(fā)送到主控FTU。

（2）故障后恢復(fù)

經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)后，由于FTU內(nèi)置了配網(wǎng)拓?fù)湫畔?，可由主控FTU對(duì)各FTU根據(jù)上傳的信息進(jìn)行分析判斷，對(duì)先前跳開(kāi)的FTU下發(fā)一次重合指令。

對(duì)于瞬時(shí)性故障，由于短路不復(fù)存在，因此一次重合閘即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恢復(fù)供電。如果主控FTU沒(méi)有下發(fā)重合指令，則一側(cè)帶電的FTU可過(guò)較長(zhǎng)延時(shí)后就地自動(dòng)重合。

圖4 第一輪次跳閘邏輯流程圖

（3）動(dòng)作異常情況分析

當(dāng)饋線發(fā)生瞬時(shí)性故障，基于智能FTU的饋線保護(hù)與重構(gòu)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了故障定位、切除故障、故障后重合直至恢復(fù)正常運(yùn)行。以上整個(gè)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)都是從理想狀態(tài)下考慮的，然而在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中，由于配電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、受干擾因素多，不可避免地出現(xiàn)各種異常情況，因此有必要對(duì)這套系統(tǒng)的適應(yīng)性進(jìn)行合理分析：

1)若FTU3故障，造成S3拒動(dòng)；并且不能向FTU2發(fā)出閉鎖信號(hào)；則FTU2跳開(kāi)S2，切除故障;

2)若S3開(kāi)關(guān)損壞，造成拒動(dòng)；但是FTU3向FTU2發(fā)出了閉鎖信號(hào)；則第一輪無(wú)法由分段開(kāi)關(guān)切除故障，需要由第二輪出線保護(hù)跳開(kāi)出口斷路器QF1;

3)若通訊發(fā)生故障，最嚴(yán)重的情況是所有的通訊都中斷，則S1、S2、S3可能都跳開(kāi)，喪失了選擇性，但保障了速動(dòng)性，重合恢復(fù)過(guò)程較慢。

2.1.2第二輪次跳閘重構(gòu)（由變電站出線保護(hù)配合完成）

（1）故障定位和隔離

若某個(gè)FTU出現(xiàn)故障、分段開(kāi)關(guān)拒動(dòng)或就地跳閘閉鎖時(shí)，造成故障不能盡快切除，則由第二輪次的饋線線路保護(hù)處理。

在躲過(guò)FTU系統(tǒng)快速動(dòng)作的時(shí)間條件下（最長(zhǎng)350ms），為了盡快切除故障，由出線保護(hù)在第二輪次將整條饋線切除。同樣，所有FTU根據(jù)所采集的失壓前電流及方向信息發(fā)送給相鄰的FTU，用于判斷是否需要閉鎖相應(yīng)分段斷路器的跳閘。如果沒(méi)有邏輯上的閉鎖信息，在失壓后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間延時(shí)，由FTU就地跳開(kāi)相應(yīng)斷路器。

（2）恢復(fù)供電

再經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)后，QF1重合。若QF1重合成功，則由主控FTU對(duì)處于斷位的FTU下發(fā)一次重合指令，對(duì)于瞬時(shí)性故障，由于短路不復(fù)存在一次重合閘，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恢復(fù)供電。

圖5 第二輪次跳閘邏輯流程圖

（3）動(dòng)作異常情況分析

以圖3中K點(diǎn)發(fā)生故障為例，假定FTU3故障，造成S3拒動(dòng)，但同時(shí)又向FTU2發(fā)出了閉鎖信號(hào)，則延時(shí)后由出線保護(hù)將QF1跳開(kāi)。因此，失壓后，S1、S2、S3仍處于閉合狀態(tài)。

a)假定FTU3正常，但S3拒動(dòng)，則延時(shí)后由出線保護(hù)將QF1跳開(kāi)。失壓后，S1、S2、S3仍處于閉合狀態(tài);

b)假定通訊正常，但所有的分段開(kāi)關(guān)都拒動(dòng)，失壓后S1、S2處于閉合狀態(tài)，但是S3有可能隨后跳開(kāi)。

2.2 饋線發(fā)生永久性故障

2.2.1第一輪次跳閘與重構(gòu)（通過(guò)主控FTU協(xié)調(diào)控制）

（1）故障定位和隔離

原理同上述饋線發(fā)生瞬時(shí)性故障第一輪的故障定位和隔離。

（2）重合與重構(gòu)

經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)后，由主控FTU對(duì)先前的FTU下發(fā)一次重合指令，由于是永久性故障，重合不成功，S3立刻就地加速跳閘。隨后，主控FTU指揮S4跳閘，或檢無(wú)壓后經(jīng)過(guò)一定延時(shí)S4跳閘。經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)后，由主控FTU對(duì)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的FTU下發(fā)一次重合指令，恢復(fù)供電。若主控FTU失效，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間延時(shí)后自動(dòng)重合。

（3）動(dòng)作異常情況分析

通信完好時(shí)，即S2能收到閉鎖信號(hào)時(shí)，通過(guò)FTU3就地?cái)嚅_(kāi)S3即可切除故障，經(jīng)延時(shí)，S3重合，由于是永久性故障，則S3加速跳閘且閉鎖分閘。如果S2未收到閉鎖信號(hào)時(shí)，則就地?cái)嚅_(kāi)S3，由于S2未收到分閘閉鎖信號(hào)，則延時(shí)斷開(kāi)S2切除故障；重合時(shí)，先合S2，延時(shí)重合S3，由于是永久性故障，重合到故障上，則S3加速跳閘且閉鎖分閘。

2.2.2第二輪次跳閘與重構(gòu)（由變電站出線保護(hù)配合完成）

（1）故障定位和隔離

原理同上述饋線發(fā)生瞬時(shí)性故障第二輪的故障定位和隔離。

（2）重合與重構(gòu)

饋線保護(hù)經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)后，QF1重合。若重合成功，則由主控FTU對(duì)S3的FTU下發(fā)一次重合指令。若S3收不到重合信號(hào)，則S3在感受到一側(cè)電壓后，經(jīng)過(guò)延時(shí)重合。對(duì)于永久性故障，S3就地加速跳閘，若S3加速跳閘不成功，則由QF1跳閘，并不再安排重合。若QF1重合不成功，QF1加速跳閘，不再安排QF1再次重合。而重構(gòu)功能則如第一輪次所述一致。

（3）動(dòng)作異常情況分析

如果第一輪未能切除故障，則在躲過(guò)第一輪FTU系統(tǒng)快速動(dòng)作的時(shí)間后，由第二輪來(lái)切除故障。即：S1不動(dòng)作時(shí)，由斷開(kāi)QF1來(lái)切故障，經(jīng)延時(shí)重合QF1，由于是永久性故障，則重合到故障上，QF1加速跳閘且閉鎖分閘。經(jīng)延時(shí)，S2失電跳閘，經(jīng)延時(shí)，L一側(cè)失壓合閘，恢復(fù)非故障區(qū)的供電。

3 系統(tǒng)方案的特點(diǎn)

與配電網(wǎng)中各種故障隔離的設(shè)計(jì)相比，基于智能FTU的配電網(wǎng)饋線保護(hù)與重構(gòu)設(shè)計(jì)采用智能FTU做主站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在功能上分為主控和普通兩種；故障隔離在策略上利用兩個(gè)輪次的策略，快速、準(zhǔn)確且可靠的切除故障。對(duì)本文提出的方案特點(diǎn)總結(jié)如下：

1）區(qū)別于常規(guī)配電網(wǎng)饋線自動(dòng)化系統(tǒng)，方案中將智能FTU內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能控制系統(tǒng)，不需要變電站配網(wǎng)子站和配電自動(dòng)化主站系統(tǒng)參與，就可自治實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)的故障隔離及重合、故障恢復(fù)功能。在主站只需配置相對(duì)簡(jiǎn)單的后臺(tái)管理功能對(duì)智能FTU實(shí)現(xiàn)配置管理，在不具備配網(wǎng)自動(dòng)化主站系統(tǒng)的情況下也能提高饋線自動(dòng)化水平，因此本系統(tǒng)具備安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，便于推廣使用的特點(diǎn)。

2）實(shí)現(xiàn)了智能饋線自動(dòng)化系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)饋線保護(hù)的選擇性。發(fā)生短路故障時(shí)，常規(guī)饋線自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)饋線出口保護(hù)，切除整條饋線；智能饋線自動(dòng)化系統(tǒng)根據(jù)前后智能FTU裝置間的通訊，變電站出口保護(hù)作為后備保護(hù)沒(méi)有動(dòng)作，不用整條線路切除，實(shí)現(xiàn)有選擇的切除故障段，最大限度的減少停電范圍，提高供電可靠性。

3）具備高可靠性的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)智能FTU的運(yùn)行模式的設(shè)定，使智能饋線自動(dòng)化系統(tǒng)基于高速通訊平臺(tái)，又不完全依賴于通訊。有光纖通訊的情況下，可以通過(guò)高速的光纖通訊，實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性。當(dāng)通訊中斷或無(wú)通訊情況下，智能饋線自動(dòng)化系統(tǒng)能夠自動(dòng)退化成“電壓-時(shí)間”型的常規(guī)饋線自動(dòng)化系統(tǒng)，通過(guò)時(shí)間配合，實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)恢復(fù)。

4）恢復(fù)供電速度快。由于在恢復(fù)供電的過(guò)程中，都是通過(guò)主控FTU中預(yù)置好的恢復(fù)策略來(lái)進(jìn)行恢復(fù)，不需要主站、子站的配合，因此恢復(fù)時(shí)間大大縮短，尤其是當(dāng)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)龐大的情況下。

4.結(jié)語(yǔ)

本文的研究表明，智能型FTU不僅包含了傳統(tǒng)FTU的功能，而且在自動(dòng)化和智能化方面更加完善，可替代傳統(tǒng)饋線自動(dòng)化中主站和子站的基本功能。

同時(shí)，通過(guò)智能FTU實(shí)現(xiàn)的配電網(wǎng)故障隔離與自愈技術(shù)，可以減少不必要的停電范圍，實(shí)現(xiàn)了饋線保護(hù)的選擇性要求；還能夠有效提高分段開(kāi)關(guān)重合與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的成功率，加快了供電恢復(fù)速度。

但是本文研究中沒(méi)有考慮小電流接地等情況，后續(xù)工作仍需要從生產(chǎn)實(shí)際的角度，驗(yàn)證解決方案的適用性與有效性。