摘要：采用分布式智能控制技术和基于IEC61850标准设计是智能配电终端的发展趋势。本文给出了分布智能式馈线自动化系统的结构；阐述了分布智能式馈线自动化中故障定位、隔离和恢复（FDIR）功能的基本原理；并遵循IEC61850标准对分布智能式FDIR功能进行了建模。本文的工作为实现智能配电终端模型标准化奠定了基础。
关键词：馈线自动化；配电终端；分布智能；IEC61850；FDIR。
ABSTRACT：It is a trend to design the smart distribution terminal using the distributed intelligent control technology and according to the IEC61850 standards. This paper presents the structure of the feeder automation system using the distributed intelligent control technology. Furthermore, the principle of FDIR (Fault Detection, Isolation, and Recovery) using the distributed intelligent control technology is proposed. Finally, the modeling of distributed smart terminal for feeder automation is designed based on IEC61850. All these make preparation for the further realization of plug and play in Feeder automation for a terminal.
KEY WORDS：Feeder automation; Distribution terminal; Distributed intelligence; IEC61850; FDIR.
中图分类号：TN81文献标识码：A 文章编号：
[ 国家电网公司基于国际标准的配电管理系统的研究和试验应用科技项目子项目（ZDK088-2010）。]1 引言
配电终端是馈线自动化系统的基础设备。传统的馈线自动化有两种模式：基于馈线重合器与分段器配合的就地控制模式[1,2]和基于配电终端与通信网络的集中式远方遥控方式[3,4],这两种方式都能实现分钟级的馈线自愈。自愈速度是智能配电网自愈特性的重要指标[5]，为了进一步提高配电网自愈速度，采用分布智能控制技术，实现秒级馈线自愈是智能配电网建设的迫切要求[6]。
2004年发布的IEC61850系列标准由于其在互操作性、开放性、可扩展性等方面的杰出表现，很大程度上推动了数字化变电站的建设，成为智能电网信息通信系统的重要组要部分[7,8]。目前已经发布的IEC61850第2版已经将应用领域扩展到公共电力公用事业的各个方面，IEC TC57已经启动了将IEC61850应用拓展到配电网领域的计划[9]。国内对于IEC61850在配网自动化中应用也进行了相关的探索，文献[10,11]分析了IEC61850标准在馈线自动化通信系统中的应用前景，认为该标准反映了配网自动化系统发展的方向。文献[12] 构建了馈线终端馈线监控终端（Feeder Termianl Unit，FTU）作为实时发布者/订阅者的功能模型和信息模型；文献[13]给出了比较实用的馈线终端和配电变压器终端的信息模型、信息交互模型和服务映射模型，但两篇文献都尚未涉及采用分布智能控制技术的配电终端的建模。本文将分析分布智能式馈线自动化的结构和基本工作原理，采用IEC61850的技术和方法对分布智能式配电终端进行建模，以规范智能配电终端的数据接口。
2 分布智能式馈线自动化系统结构
馈线自动化系统用于对配电网络进行监控和监视，使其处于可靠和高品质状态，并提高供电可靠性。馈线自动化系统的一项最重要的基本功能是故障检测、隔离和恢复（Fault Detection Isolation and Recovery, FDIR）。FDIR功能检测到故障点，通过开断相关的开关设备对故障点进行隔离，通过自愈逻辑改变拓扑结构对被影响负荷进行供电恢复，可以有效提高供电可靠性。FDIR是配电网自愈控制的重要内容，也是一个实时性要求比较高的功能。
图1 电网自愈控制3层结构
Fig. 1 Structure of 3-layer self-healing control
在电网自愈控制的框架体系中提出了“2-3-6”框架[14],由密切联系的2环控制逻辑、3层控制结构和6个控制环节组成。2个控制环指具有毫秒/秒级响应速度的局部控制环和具有分钟级响应速度的全局响应环。3层控制结构包括局部的反应层、高端的决策层和中间的协调层。电网自愈控制框架中的2个控制环和3层控制结构见图1。沿信息流方向，在3层控制结构上有采集测量、监视协调、工况评价、控制方案、部署协调和控制执行6个环节。
采用分布智能控制技术的馈线自动化系统根据功能可以分为：终端层、馈线层和主站层三层，分布智能式馈线自动化系统的结构见图2所示。终端层主要是馈线终端单元，对应于电网自愈控制框架中的反应层，主要起监视和控制一次设备的作用。主站层的主要作用是管理和优化整个配电网络，对应于电网自愈控制框架中的决策层。传统的基于FTU的集中式FDIR功能是采用全局控制环的模式，其逻辑判断及控制决策均放在配电网调度控制中心，即电网自愈控制结构的决策层，故只能实现分钟级的慢速自愈。若想把自愈速度提高到秒级，必须采用局部控制环模式，即分布智能模式。一般来讲，FDIR功能中故障检测和故障隔离功能所使用的信息只是局限于某条馈线的内部，故障恢复功能的控制也只是涉及相互支援的某条或某几条馈线内。故在主站层与终端层之间设置馈线层，对应于电网自愈控制框架体系中的协调层。分布智能式FDIR功能采用局部控制环模式，涉及馈线层和终端层，其逻辑判断及控制决策均放在馈线层，可以实现秒级的反应速度。
图2 分布智能式馈线自动化系统分层结构
Fig.2 Layered structure of distributed smart FA
3 分布智能式FDIR基本工作原理
首先给出逻辑馈线的概念。逻辑馈线是指正常运行工况下，单条馈线或以馈线出口断路器为起点，以联络开关为终点的某条馈线部分。由于逻辑馈线的划分是逻辑的概念，网络拓扑的变化不影响逻辑馈线的范围，开关的状态不影响逻辑馈线的划分。每个逻辑馈线的静态网络拓扑可以采用标准的IEC61850配置文件描述。
本文的分布智能式馈线自动化系统由多个逻辑设备共同完成FDIR功能。在馈线层，与逻辑馈线对象一一对应，部署一个馈线层逻辑设备，下文称之为FDIR逻辑设备。FDIR逻辑设备作为FDIR功能逻辑判断的主体，需要获取本逻辑馈线域中的系统信息。在终端层，在每个开关处部署一个终端层逻辑设备，下文称之为TMU逻辑设备。TMU逻辑设备负责采集所在开关处的系统信息（如开关位置、电流/电压信息、过电流/故障方向信息等），并实时上送到馈线层的FDIR逻辑设备处。由于FDIR逻辑设备也只是获取了局部配电网信息，因此还需要与其他相关的FDIR逻辑设备合作以获取所需的相应信息。FDIR逻辑设备之间利用对等通信结构实现信息的交互。故障定位和隔离功能在单个FDIR逻辑设备即可实现，故障恢复功能需要两个或多个FDIR逻辑设备交互。
图3 分布智能式馈线自动化拓扑示意图
Fig.3 Topology of distributed smart FA
图3给出了分布智能式馈线自动化系统的逻辑设备部署图示例。图3中有3条逻辑馈线，每条逻辑馈线部署一个FDIR逻辑设备；每个负荷开关和馈线出口断路器处都部署TMU逻辑设备，负责当地电流、电压和位置信号的采集。FDIR逻辑设备和TMU逻辑设备通过配电网IP通信网络联系在一起。
FDIR功能中的故障定位与故障隔离功能的实现犹如集中式保护[15]。本文按以下原则设计：终端层的TMU逻辑设备充当数字化变电站中合并单元的角色，馈线层的FDIR逻辑设备收集FTU所采集的信息集中处理，实现故障定位。所采用的故障定位原理可以多样化，以适应不同的应用场合。传统的过电流检测的方式适合于传统的单电源辐射状配电网使用。若考虑大规模分布式电源的接入后的配电网，故障定位需要故障方向信息或采用广域电流差动保护。实现故障定位后，依次对每个故障点进行故障隔离操作。如果某些开关操作执行失败，则相应的扩大隔离范围。故障隔离结束后，需要识别出被影响的负荷进行转供。如果有多条转供路径均可以提供转供能力，则需要从大到小选择转供路径；当所有转供路径都不足以提供转供能力时，将根据约束条件选择甩掉部分负荷，转供结果的执行需要相应的馈线层FDIR逻辑设备发送控制命令。故障恢复控制的原则是尽快恢复供电，不要求是最优恢复策略。馈线层的FDIR逻辑设备并将处理结果上送到主站，主站可以根据优化控制的需要进行额外的控制。
4 分布智能式FDIR功能建模
随着智能配电网的发展，分布式电源将大量接入，馈线自动化的故障定位算法需要面向多电源结构。文献[16]给出了微网条件下采用广域差动保护实现智能配电网故障处理。下文的建模过程中，将以FTU实现电流相量的同步采集，逻辑馈线FDIR模块采用广域差动保护原理的方式实现故障定位为例进行设计。
4.1 配电终端与逻辑设备
当前的配电终端一般按开关类型分不同容量设计，一般原则是一个FTU容量可以涵盖所监控的某一个母线节点的所有开关。如柱上开关型FTU一般按双开关设计；环网柜型FTU一般按四/六个开关设计；开闭所型FTU一般按八/十六个开关设计。
终端层的TMU逻辑设备是为监视与控制一个开关的原则来定义的。故FTU硬件设备按其监控开关量划分为几个TMU逻辑设备。
FDIR逻辑设备是一个独立的、自治单元，可以采用独立的硬件设备实现，也可以作为一个逻辑设备与终端层的TMU逻辑设备一起集成在某个FTU的硬件实体内部。
4.2 故障定位功能所涉及逻辑节点
分布智能式FDIR功能的故障定位功能类似于集中式保护结构。在逻辑馈线域中，大多数分段都可以采用差动保护原理实现故障定位，对于部分馈线末端分支，采用电流保护原理实现故障定位。在图4所示的逻辑馈线域示例中，存在两个环网柜RMU1和RMU2，以断路器CB1和联络开关LB5为界形成了一个逻辑馈线域。该逻辑馈线域中存在两个双端区段L1和L2；存在2个三端区段B1和B2；以及2个单端区段L3和L4。
图4 配电网逻辑馈线示例
Fig.4 Example of logic feeder
逻辑节点是IEC61850中用来表示功能的最小单元。可以采用图5所示的逻辑节点组合可以实现故障定位功能覆盖。主要涉及三种逻辑节点：部署于终端层TMU逻辑设备中的差动测量（MDIF）逻辑节点负责在整10/20毫秒时刻进行同步相量测量，形成打时标相量，并上送到馈线层FDIR逻辑设备；FDIR逻辑设备中的差动保护（PDIF）逻辑节点负责利用MDIF逻辑节点的数据实现双端或多端区段的故障判断；瞬时过电流保护（PIOC）逻辑节点负责利用MDIF逻辑节点的数据实现单端区段的故障判断。
图5 故障定位功能中逻辑节点组合示例
Fig.5 Example of logic nodes in fault location function
4.3 故障隔离功能所涉及逻辑节点
故障隔离功能与故障定位功能紧密相连，是保护功能在配电网中为了适应负荷开关而进行的功能裂解。在本文中，把故障隔离的逻辑判断分解，并由PTRC（保护跳闸条件）逻辑节点来完成具体分解功能。图6给出了故障隔离功能逻辑节点组合示例，该示例对应于图4所给出的逻辑馈线域示例。
图6 故障隔离功能中逻辑节点组合示例
Fig.6 Example of logic nodes combinations in fault isolation function
在图6中，故障定位所涉及的PDIF、PIOC逻辑节点的故障定位结果输出到PTRC逻辑节点，PTRC逻辑节点的输入可能对应多个保护逻辑节点；PTRC逻辑节点将跳闸信号通过通信报文的方式发送到XCBR（断路器或负荷开关）节点。PTRC逻辑节点部署在馈线层的FDIR逻辑设备中，XCBR逻辑节点部署在终端层的TMU逻辑设备中。
4.4 供电恢复功能所涉及逻辑节点
故障恢复功能的逻辑节点属于自动控制类逻辑节点，在IEC61850标准中并没有类似的逻辑节点可以借用，本文采用通用自动过程控制（GAPC）逻辑节点对此功能进行建模。在逻辑馈线域中存在几个联络开关，则建立几个GAPC逻辑节点如其对应。如在图4所示例的逻辑馈线域中有一个联络开关，则建立一个GAPC逻辑节点对象，来实现供电恢复功能所需实现的逻辑。逻辑节点组合示例图及其在逻辑设备中的部署见图7所示。
图7 供电恢复功能中逻辑节点组合示例
Fig.7 Example of logic nodes combinations in supply recovery function
5 结论和展望
分布智能式馈线自动化可以实现秒级的配电网自愈。本文给出了分布智能式馈线自动化系统的结构和基本工作原理，并采用IEC61850的技术和方法，对分布智能式馈线自愈中故障定位、隔离及恢复（FDIR）功能进行了建模，规范了智能配电终端的设计，为智能配电终端的互操作打下了良好的基础。
目前，将IEC61850标准应用到配电终端和智能配电网还处于探索和实验阶段，下一步将进一步完善系统模型；并在适合配电网应用的IEC61850信息交换模型和服务映射模型方面作进一步的研究。
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作者简介：王凯(1983-)，男，华北电力大学在读研究生，助理工程师，杭州市电力局配电自动化专职，长期从事配电自动化建设及运行管理工作
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。