基于IEC61850的智能分布式馈线自动化模型

ｆｅｅｄｅｒ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
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２０１２，３６（６）
在图５中增加了变电站 Ｃ，共６ 条馈线，在每个 变电站各配置一台 ＦＡ 控制器，并相互通信，实现整 个子网的故障定位、隔 离 与 非 故 障 区 域 恢 复 供 电 功
能。显 然，这 些 分 布 式 ＦＡ 系 统 结 构 均 与 基 于 ＩＥＣ ６１８５０的 变 电 站 自 动 化 分 层 分 布 式 的 结 构 相 适应。
第 ３６ 卷 第 ６ 期 ２０１２ 年 ３ 月 ２５ 日
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１０２６．２０１２．０６．０１６
Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．６ Ｍａｒ．２５，２０１２
基于ＩＥＣ ６１８５０的智能分布式馈线自动化模型
凌 万 水 ，刘 东 ，陆 一 鸣 ，于 文 鹏
（电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海市 ２００２４０）
如图３所示，开 关 级 智 能 分 布 式 ＦＡ 系 统 在 馈 线上的ＦＡ 系统结构 Ｆｉｇ．３ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｂｒｅａｋｅｒ－ｌｅｖｅｌ ｓｍａｒｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ
ｆｅｅｄｅｒ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
摘要：智能分布式馈线自动化的典型实 现 模 式 可 以 分 为 子 站 级 分 布 式、馈 线 级 分 布 式 和 开 关 级 分 布 式 （包 括 负 荷 开 关 方 式 和 断 路 器 方 式 ）。 文 中 归 纳 了 这 些 模 式 在 系 统 实 现 原 理 、配 置 ，以 及 系 统 独 立性、拓扑适应性、可维护性、兼容性、动作速度等功能 特 性 上 的 差 别。 在 此 基 础 上，从 智 能 分 布 式 馈 线 自 动 化 的 技 术 实 现 角 度 ，提 出 了ＩＥＣ ６１８５０ 的 系 统 扩 展 模 型 与 系 统 配 置 过 程 ，并 基 于 扩 展 模 型 研究了智能分布式馈线自动化的算法。
３ 功 能 特 性
虽然这几 种 模 式 都 最 终 实 现 了 ＦＡ，但 因 其 原 理与配置不同，在 实 际 应 用 时，功 能 特 性 差 别 很 大。 各模式的综合比较如表１所示。
表 １ 各 模 式 的 综 合 比 较 Ｔａｂｌｅ １ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ａｌｌ ｐａｔｔｅｒｎｓ
２ 结 构 配 置
智能分布式 ＦＡ 系统采用支持对等通信的以太 网结构，各种智 能 分 布 式 ＦＡ 模 式 都 需 要 建 立 基 于 ＩＰ 的通信网络，如 以 太 网 无 源 光 网 络 （ＥＰＯＮ）或 工 业 以 太 网 ，但 因 为 这 几 种 模 式 的 分 布 式 颗 粒 度 不 同 ， 配置差别较大。
本文基于ＩＥＣ ６１８５０ 模 型 的 扩 展 思 路，提 出 了 逻 辑 节 点 （ＬＮ）、逻 辑 设 备 （ＬＤ）、服 务 器 （Ｓｅｒｖｅｒ），以 及物理设备模型及 其 配 置 过 程，可 以 满 足 各 种 模 式 的需求。
１ 实 现 原 理
智能分布式 ＦＡ 系统就是指不需要配电主站或 配 电 子 站 控 制 ，通 过 终 端 相 互 通 信 、保 护 配 合 或 时 序 配 合 ，在 配 电 网 发 生 故 障 时 ，隔 离 故 障 区 域 ，恢 复 非 故障区域供电，并 上 报 处 理 过 程 及 结 果。 不 同 模 式 的 ＦＡ 在具体实现原理、配置、功能特性上并不完全 相同，本文在 传 统 的 馈 线 终 端 （ＦＴＵ）、配 电 变 压 器 终端 （ＴＴＵ）、配 电 子 站 等 终 端 之 外，提 出 ＦＡ 控 制 器这一全 新 的 控 制 终 端，即 通 过 收 集 对 应 终 端 （保 护、ＦＴＵ、ＴＴＵ）的 信 息，并 与 相 邻 的 ＦＡ 控 制 器 实 现对等通信，运行智能分布式 ＦＡ 系统的控制算法， 实现故障定位、隔离 与 非 故 障 区 域 恢 复 供 电 功 能 的 设备单元。实际应用中可能把 ＦＡ 控制器的功能融 合在传统的控制终端中。以一条典型的环网线路的 一个典型故障为 例，结 合 ＦＡ 控 制 器 来 阐 释 这 几 种 智能分布式 ＦＡ 系统的实现原理与结构配置。 环网 线路如图１所示。
线路 保 护 或 ＦＴＵ 监 控 单 元 采 集 的 信 息，当 线 路 发 生短路故障时，利用 ＦＡ 控制器收集到的故障信息， 并通过对等通信的方式与相邻的其他 ＦＡ 控制器共 同 实 现 故 障 定 位 、隔 离 与 非 故 障 区 域 恢 复 供 电 功 能 。 一般来说，变电 站 内 的 保 护 与 ＦＡ 控 制 器 总 是 独 立 配置的；线路上的 ＦＡ 控制器与 ＦＴＵ 监控单元可以 合并，也可以独 立 配 置。 独 立 配 置 模 式 有 其 显 著 的 优点，通过独立 配 置 的 ＦＡ 控 制 器 可 以 实 现 将 不 同 种类的 ＦＴＵ 之间的通信，统一为相同的 ＦＡ 控制器 之 间 的 对 等 通 信 ，显 著 提 高 了 通 信 与 算 法 的 可 靠 性 。
图４ 馈线级智能分布式 ＦＡ 系统结构 Ｆｉｇ．４ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｆｅｅｄｅｒ－ｌｅｖｅｌ ｓｍａｒｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ
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图５ 子站级智能分布式 ＦＡ 系统结构 Ｆｉｇ．５ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ－ｌｅｖｅｌ ｓｍａｒｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ
收 稿 日 期 ：２０１１－０８－０４；修 回 日 期 ：２０１１－１１－０８。 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 （９７３ 计 划 ）资 助 项 目 （２００９ＣＢ２１９７０３）；国家高技术研究发展计 划（８６３ 计 划）资 助 项 目 （２０１２ＡＡ０５０２１２）；上 海 市 科 技 攻 关 重 点 项 目 （１０ｄｚ１２０２８００）。
图４、图５所示为馈线级和子站级分布式 ＦＡ 系 统的结构。馈线 级 以 馈 线 为 单 位 配 置 ＦＡ 控 制 器， 每条馈线有一个 ＦＡ 控 制 器，并 与 相 邻 馈 线 对 应 的 控 制 器 一 起 ，实 现 整 个 配 电 子 网 的 故 障 定 位 、隔 离 与 非故障区域恢复供电控制逻辑。子站级以变电站或 开关站为单位配置 ＦＡ 控制器。
另一方面，基于ＩＥＣ ６１８５０ 标 准 的 各 种 应 用 在 数 字 化 变 电 站 及 智 能 电 网 领 域 快 速 发 展 。 ［９－１２］ ＩＥＣ ６１８５０具有完整 的 数 据 对 象 建 模 方 法 和 一 致 的 服 务 接 口 ，使 得 不 同 厂 家 设 备 之 间 的 数 据 交 互 、功 能 联合及互操作成为 可 能，加 上 其 点 对 多 点 的 交 互 通 信模式，非常适用于基于ＩＰ 网络技术的智能分布式 ＦＡ 系统。若参与智 能 分 布 式 ＦＡ 系 统 的 各 种 智 能 设 备 能 基 于ＩＥＣ ６１８５０ 标 准 建 模 ，实 现 信 息 交 互 ，不 仅能够提高 ＦＡ 系统集成的效率，而且能够促进 ＦＡ 的标准 化 和 实 用 化。ＩＥＣ ＴＣ５７ 已 启 动 了 将 ＩＥＣ ６１８５０拓 展 到 配 电 领 域 的 应 用，未 来 ＩＥＣ 将 制 定 ＩＥＣ ６１８５０－７Ｘ０ 标 准 。 ［１３］ 目 前 国 内 外 已 有 一 些 专 家提 出 了 在 配 电 自 动 化 上 应 用 ＩＥＣ ６１８５０ 的 方 案 。 ［５，１４－１７］ 但是，当前 版 本 的ＩＥＣ ６１８５０ 在 设 计 时，
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· 研 制 与 开 发 · 凌 万 水 ，等 基 于ＩＥＣ ６１８５０ 的 智 能 分 布 式 馈 线 自 动 化 模 型
图 １ 典 型 配 电 线 路 Ｆｉｇ．１ Ｔｙｐｉｃａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｌｉｎｅｓ
该典型环网由变电站 Ａ 的１号馈线与变电站Ｂ 的 ８ 号 馈 线 组 成 ，整 个 环 网 包 含 ８ 个 开 关 ，其 中 ５ 号 开关为联络 开 关。 当 ３ 号、４ 号 开 关 之 间 的 区 段 发 生永久性短路故障 时，几 种 模 式 的 实 现 过 程 不 尽 相 同，但 ＦＡ 系统最终的结果都是 ３ 号、４ 号开关因 处 于 故 障 点 两 侧 跳 开 ，联 络 开 关 ５ 合 上 ，以 恢 复 区 段 之 间 负 荷 的 供 电 ，如 图 ２ 所 示 。
图２ ＦＡ 系统的处理结果 Ｆｉｇ．２ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ＦＡ ｓｙｓｔｅｍ
子站级智能分布式 ＦＡ 系统，由子站对应的 ＦＡ 控制器收集属于本子站范围内的所有终端设备采集 的信息，并与相邻变电站的 ＦＡ 控制器对等通信，实 现故障定位、隔离与非故障区域恢复供电 。 ［３］
馈线级智能分布式 ＦＡ 系统，由馈线对应的 ＦＡ 控制 器 收 集 本 馈 线 范 围 内 的 所 有 ＦＴＵ 采 集 的 信 息，并与其相邻 的 其 他 馈 线 对 应 的 ＦＡ 控 制 器 相 互 对 等 通 信 ，实 现 故 障 定 位 、隔 离 与 非 故 障 区 域 恢 复 供 电。可以把馈线级智能分布式 ＦＡ 系统简单理解为 仅包含一条馈线的 子 站，其 工 作 原 理 与 子 站 级 智 能 分布式 ＦＡ 系统一致。
较少考虑配电自动 化 的 实 际 需 求，其 模 型 设 计 也 较 少考虑到配电自动化系统与变电站自动化系统的差 异。实际上，配电自 动 化 相 关 设 备 数 量 远 超 变 电 站 内的设备，对标 准 化 与 互 操 作 的 要 求 更 为 迫 切。 已 有 文 献 的 主 要 侧 重 点 都 是 基 于ＩＥＣ ６１８５０ 来 实 现 一 种 装 置 或 一 套 系 统 ，并 未 对 不 同 厂 家 、不 同 设 备 在 配 电自动化上的相互 协 作 进 行 专 门 的 研 究，更 没 有 针 对智能分布式 ＦＡ 系 统 的 实 现 模 式 结 合ＩＥＣ ６１８５０ 进行分析。
开关级智能 分 布 式 ＦＡ 系 统，由 分 布 在 各 个 开 关处的 ＦＡ 控制器采集就地的信息，并与相邻的 ＦＡ 控制器相互通信实 现 故 障 定 位、隔 离 与 非 故 障 区 域 恢复供电。根据馈 线 上 一 次 开 关 设 备 的 不 同，可 以 分为负荷开关方 式 和 断 路 器 方 式。 故 障 隔 离 时，断 路器方式可以先于馈线出口保护动作直接将故障隔 离［４－６］，而负荷开关方式则需要在馈线出口保 护 动 作 且线路停电后才能隔离故障 。 ［７－８］