配电网故障主动预警及快速处置技术探索

应用论 NAAI南瑞集团公司 配电网故障主动预警及快速技处术置应用技论术坛探索 国电南瑞科技股份有限公司 二〇二三年八月 C目录 现状挑战 二总体思路 ontents三关键技术 四后续研究 一、现状挑战NARI南瑞集团 随着分布式光伏/风电、充电汽车和新型储能规模化接入，配电网发展将面临保供应、促消纳和低成本的矛盾三角，提升配电网故障处理的快速性和电能质量监测能力对保供应意义重大。但配电网已成为个多电源网络，网架日趋复杂、运行方式多变，当前的故障处理技术面临诸多挑战 线 电技术 集中式集中式 馈线 级差式保护自动化自动化 克 （局部配置纵联式保护） 小 绶动型化 分布式 非 非故区缓动型 分布式障 馈线故障段分 馈线区 故 自动化区布自动化 MG理恢 电 障区股分布式电 调度拉路 （同部配置单相接地保护） 分布式电源保护动作脱 重合通动作（张空线路） 段 源井 网就地就地网 重合式 式电源并网 重合式 速动型分布式馈线自动化 故障前故障时故障后 一、现状挑战NARI南瑞集团全品 自前城市配电电缆运行年限已超15年不逐步进入了老龄化状态，老化问题是线路故障的主要问题之 一。电缆永久性故障的发生开始于局部潜伏性缺陷。而局部潜伏性缺陷与电缆绝缘水平息息相关。但当前故障处理技术重心在故障定位、隔离与恢复，缺乏有效的线缆绝缘状态预警手段。 设备老化占电缆故障的21.1%绝缘老化是量变到质变过程，当前缺乏在线监测和预警手段 设备老化局部破损电缆 外力破坏21.1%安装调试永久性故障电缆 设备老化11% 安装调试 制造质量制造质量 自然因素6.8% 过电压 自然因素4% 过负荷过电压2.1%受潮老化电缆 运维问题过负荷1.5% 设计造型和检修运维问题1.2% 51.5% 外力破坏设计造型和检修0.8% 一、现状挑战NARI南瑞集团全品 分布式新能源故障电流幅值受限、相角受控，导致配电网潮流和短路电流分布特性发生显著变化传统阶段式过流保护整定配合越发困难，甚至失去选择性。配网规模增大，单相接地故障处置不及时引！发山火、人畜伤害等安全事故的风险增大，故障辨识可靠性、隔离快速性有待持续提升。 潮流双向流动、运行方式更为灵活多变树线矛盾严重，穿林线路故障处置不及时可能会引发山火 DG接入助增作用，增大下游短路电流，可能造成下游保护误动 Q/C Q/csG 中国用方电网有限资任公司全业标准 配电网技术导则小电流按地选线装置捷术规范 Ika4.3.3选战就用准确率不 低于90% DG接入外汲作用，减小上5.8.6永久性单相接地故障宣快 游短路电流，可能造成上违就近阳离 游保护拒动 一、现状挑战NA南瑞集团公品 配网网架由辐射向环网多联络转变以及分布式新能源比例逐步提高，在故障隔离后，健全区故障恢复时需考虑多路径最优转供、供电能力分布式电源穿越特性等多重约束条件，现有就地自愈技术难以满足多源配网故障时的快速安全转供与分布式电源协同控制需求 多联络网架故障就地恢复：功率平衡负荷重要性、开关动作分布式电源协同控制：异常工况下快速最小化隔离故障，非 次数等多重因素影响故障区域分布式电源可能大规模脱网 1.1 .低电压穿越区域(uc,tc) (UA.IA)(UB,IB) ++A 02382883885 tc1(s) 光伏日光伏网逆变器 C目录 现状挑战 二总体思路 ontents三关键技术 四后续研究 二、总体思路NARI南瑞集团全品 故障前，以基于电气量的电缆绝缘状态监测技术为重点，提升故障预警能力；故障时，以“分布式就地处置优先，集中式主站处置协同”原则，提出适应不同场景的差异化方案，提升故障隔离的精准性 提高绝缘隐性故障预警能力 高精度同步宽频量测 就地处理优先分布式电源主动参与供电恢复集中处置协同提高快速性精准测距支撑故障清除运维 配网光纤/5G线路融合CT极性在线校核计及多电源协调和负 差动保护单相接地自适应判别荷约束就地快速自愈 线缆绝缘隐形故障预警 基于载波/5G通信就地分布式保护与馈线自动考虑不同类型DER备用 分布式保护化协同故障处理电源能力供电恢复 基于人工智能故障预警 不依赖PT纵联 不完全线路差动保护 故障区段定位协同 方向保护精准测距 故障前故障时故障后 NARI南瑞集团公司 C目录 现状挑战 二总体思路 ontents三关键技术 四研究展望 三、关键技术-故障前NAI南瑞集团盆司 1、高精度同步宽频量测技术 电力电子装备大规模应用使得配电网运行形态向宽频域衍变，不仅带来电能质量问题，也对频率保护产生影响。为配网故障定位、解合环、谐波溯源和动态监测提供基础数据，有必要将终端测量由异步基频扩展到同步宽频，但受限干终端成本，采样率不高、PT/CT精度比主网低，实现高精度宽频量测难 度大。 新能源场景配电用户工矿企业2 0 -2 W数据异步难以支撑高级应用 装置02TO时刻装置01TO时刻 风力发电精密制造钢铁企业0100200300400 0.5要暂态信息丢大高采样率 低采样率 光伏发电数据中心煤矿企业0.5100200300400500 三、关键技术-故障前NARI南瑞集团全 1、高精度同步宽频量测技术 通过混合窗+混合基zoomFFT技术，结合GPS秒脉冲采样实现高精度同步宽频量测，在FTU/DTU终 端现有硬件基础上宽频量测检测范围可达2Hz~6kHz，电能质量可监测最高63次谐波。 RV-H混合窗 Hanning窗 阶1项RV商 窗函数：1Wr()=co(()wg()=..2100 150 -200 2元250 300 =01...N/2-10.20.40.60.8 用论(—)50390+()503[-[=()* N2 RVH混合窗调线 普10波.11次12数131/4次15161718192021 混合窗兼具适当的主瓣宽度和更快的旁瓣 混合基zoomFFT能自适应频率5Hz、2Hz分率计算，采样率衰减，可有效抑制锁谱泄露，理论量测精 6.4kHz，数据窗10周波条件下运算量可降低10%度可达到10-6，实际精度万分之五 三、关键技术-故障前NARI南瑞集团全品 2、基于电气量的线缆绝缘隐性故障主动预警技术 潜伏性故障：故障持续短根据同一绝缘薄弱点在一定时间内瞬时性接地次数及变化趋势，综合瞬时性敌 保护或绝缘监测装置不动作，障持续时间、击穿强度（零厚序电压幅值）等综合评估当前线路绝缘劣化状态 未察觉到的瞬时性故障 电缆绝缘受潮电弧类潜伏故5ms瞬时故障主动绝 障持续时间一般不超过2个捕捉劣 周波，绝大多数仅半个周波化 40ms短时故障精准区 研判段 定 潜伏性故障蕴含丰富系统绝广域同步采集位 绝缘劣化主动预 防患于未”燃 缘信息，是永久故障的前兆 缘劣化状态评估 劣化指数动态传递 三、关键技术-故障前NARI南瑞集团全品 2、基于电气量的线缆绝缘隐性故障主动预警技术 通过配电线路终端（FTU/DTU）融合广域同步采集功能，实时同步捕捉短时扰动/瞬时故障，使用小 波变换提取故障特征信息，利用绝缘劣化程度评价指标计算并评估是否存在潜伏性故障风险点。 配电自动化主站 不网柜 5ms (a) 10kV母线原始波形图 （b）小波提取特征图 三、关键技术-故障时NARI南瑞集团品 3、配网光纤/5G线路差动保护技术 环网柜内设备若按间隔配置，则面临装置数多、二次回路复杂、安装空间紧张，若采用单设备集成多条光纤线路差动保护，则需同时与多条线路对侧保护进行数据同步。提出主从机自动认定的数据同步方法，解决传统一主一从同步方法造成链路上同时出现多台主机数据无法同步问题 链式数据交互、主从机自动认定的数据同步方法健全线路主从机自动分段识别方法 比对最大识别码重新识别 重新识别 确定唯一主机 最大值最大值 传输识别码比对确认识别码识别码传输识别码 健全区段主机1健全区段主机2 主机中断主机 口 拟联码： 机联弱： 微联码： 以联码： 1231 变电池 1232 1235 1233 通道 1231 1232 12321234 1234 1234 变电话 纵联码：微联码：线联码：我联码： 123212351233. 机联码： 1234 光通道光纤通道 配网路配网线路 新路表环网施/开闭所1环网柜/开闭所斤2环距开闯所3环网柜/开闭所1环用能/开闯折2环用能/开闯折3 三、关键技术-故障时NARI南瑞集团品 3、配网光纤/5G线路差动保护技术 5G通道无法保证通道收发延时一致性，传统丘乓同步方法不适用现有5G差动同步方法则存在运算量大、同步精度低、受运行方式影响等不足，提出秒脉冲触发、采样序号对齐、回退时延动态调整协同自适应数据同步方法，有效解决5G通信双向路由不一致、时延抖动大导致差动保护难以适应的问题 无线信道多径传播缓存区回退延时 动态调整动态调整 当前接收对 直接方向、反射和折侧采样值 射使得传播路径随机 接收采样数框缓存区 核心网络复杂多变回退后本则回退后对侧差动 采样值采样值保护 5G核心网，路由选 择的不确定性 ！本地采样数据缓存区 收发延时随机且不一 一致 NR(4:1) NR(7:3)DdDDuDDduu 传输机制下行优先 当前中断 本侧当前采样值 NR(8:2) DDDDDDDDUU 5G标准协议中定义下通道延时短，保护动作快：通道延时长，保护不拒动 行优先模式 D:DownlinktimeslotU:Upinktimesbot 三、关键技术-故障时NARI南瑞集团 4、基于载波/5G通信的就地分布式保护技术 针对故障隔离快速性要求高、光纤不具备敷设条件或5G信号无法覆盖的场景，借用原有动力电源线构建中压电力线载波通信链路，实现纵联方向保护，满足配电网差异化、多场景应用需求。 载波通道 核心指标业务需求中压载波5G通信 1K/案空线带宽 总带宽5~10Mbps平均上行100Mbps 500kbps 架空线路 电容视仓器 电含制台器 R45 RS232 遥信≤30s 时延遥控≤6s 保护≤20ms 提供500kbps端口平均下行500Mbps 端到端时延~20ms端到端时延~18ms （最大25ms）(最大81ms) 配电FTU轮皮通信装置载波通造装置配电FTU 误码率1×10-6 误码率1×10-5 满足要求 W ABC可靠性%6666丢包率<0.01%丢包率1.61%（200Mbps 三速率) 满足要求 电缆线路安全性电力有线专网需硬件切片、设立安全接入 电感式期台器 配电DTU配电DTU 物理隔离 物理隔离区、配置加密模块 覆盖性 适配电网点对点通信距离15km 基站信号覆盖范围0.2-1km， 不适用C类地区 三、关键技术-故障时NARI南瑞集团全品 4、基于载波/5G通信的就地分布式保护技术 基于中压载波组网特点，提出基于载波/5G通信的就地分布式保护技术。配电网发生故障时，就地分 布式保护通过终端间邻域信息交互，就地完成故障区段判断及隔离，以及非故障区域供电恢复。 1K1处相间短路故障：分布式保护区域内 2511开关至1514#首开关区域内终端通过过 流保护检测到故障，定位故障点位于开关间， 2511#、1514#断路器直接跳闸。 ■K2处单相接地故障：分布式保护区域内1514#开关处终端通过单相接地检测模块判定下游故障，0548#分段断路器处终端判定上游 架空线路 佳上负苗开关（分段） 柱上变压器 分界负荷开关 挂上街路器（联路 柱上负菌开关（联落） 分布式保护区块 故障，就地直接跳1514#、0548#断路器。 三、关键技术-故障时NA公I南瑞集团司 6、单相接地故障自适应判别技术 故障特征受中性点接地方式、故障初始角及过渡电阻影响大，自适应困难；高阻接地故障电流微弱暂态过程时间短、故障分量提取困难。提出以暂态量最大极性、首半波极性，以及含零序直流分量特征为主判据，结合零序功率方向、支路和电流暂态能量的单相接地故障自适应保护技术， 某支路零序电流暂态量最大暂态量 特征频带最大支路 辨识不同接地方式下 数据窗 所有支路和的暂态能量趋近于0支路和暂 暂态量极性