配电网的数字化改造：从局部智能到系统智能

日期：2020-12-15 来源：输配电世界

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阿拉巴马电力公司在配电领域令人瞩目的两个革命性进步是在其高级配电管理系统（ADMS）中实施了「故障隔离和服务恢复（FISR）」以及「故障定位（FL）」这两个高级应用。它们不仅改变了公用事业公司看待自动化设备的方式，还改变了它们的使用方式。随着公用事业寻求自动化设备使用的最佳实践，在集成的ADMS中使用“故障隔离和服务恢复”以及“故障定位”是一种可以对其业务和客户产生积极影响的重要手段。

诸如无人机（UAV）之类的新技术可以快速确定故障位置，尤其是在一般情况下难以巡逻的地区。

“故障隔离和服务恢复”以及“故障定位”

“故障隔离和服务恢复”应用的基础是准确的配网模型，通过动态分析系统中的故障状态以制定恢复计划，使用实时潮流检查它们的潜在问题，并通过「远程监视控制与数据采集（SCADA）」系统来实施供电切换。尽管FISR是故障定位、隔离和服务恢复（FLISR）的一种形式，但两者之间存在一个关键区别——FLISR需要使用“故障定位”来确定线路断开的位置，但FISR依赖于SCADA的故障判断。

阿拉巴马电力公司采用了GE Digital的ADMS解决方案，尽管可以将其配置为运行FLISR或FISR，但该电力公司还是谨慎地选择了使用FISR，而“故障定位”单独运行。FISR可以在几种不同的模式下运行——闭环模式：使用自动设备恢复客户供电；咨询模式：使用系统上所有可用的开关设备提供供电恢复建议。

阿拉巴马电力公司（Alabama Power）对就地控制方案并不陌生，多年来部署了许多不同的设备配置。与这些费时费力的传统方案相比，FISR具有很多有吸引力的品质。

由于FISR是ADMS的一部分，因此现场设备不需要特殊的中继逻辑。借助ADMS的这种全局视图，即使发生系统异常，FISR也可以创建动态供电恢复计划。因为FISR通过SCADA发送控制命令，所以它不需要设备之间的点对点对等通信，也不需要特定的设备制造商。此外，与传统的集中式方案不同，FISR使用ADMS实时状态（as-switched）模型，无需构建和维护单独的模型。这些特性使得FISR在与传统技术的对比中脱颖而出，非常适合阿拉巴马电力公司。

使用SCADA提供的故障电流幅值和配电系统实时状态阻抗模型，“故障定位”应用程序实现故障位置计算。定位以图形形式呈现为在ADMS地理区域上绘制的光标，帮助运行人员和检修人员进行巡逻。由于线路末端和夜间可见度有限，可能难以巡查配电故障。通过自动计算和绘制光标，“故障定位”可以显着减少停电检查所需的时间，从而缩短了总的客户停电时间。

该图显示了随着部署更多的开关站，每月“故障隔离和服务恢复”的数量变化。部署的站点越多，FISR可用于恢复计划的联络开关就越多。

FISR与就地化方案的一个标志性的区别是FISR可以使用所有的自动化设备。在阿拉巴马电力公司68％的“故障隔离和服务恢复”中，FISR仅使用从未部署就地化方案的设备来实施。在18％的“故障隔离和服务恢复”中，FISR提供了一个比原有就地化方案更好的供电恢复计划。

“故障定位”所需要的故障电流幅值来自SCADA，它采集了变电站馈线继电器、线路重合闸继电器和故障指示器所提供的测量值。在ADMS地理区域上绘制的可配置光标为计算出的故障位置的±5％[线路长度]，并且只要线路仍在断电状态，就会保留在地图中。

部署策略

2018年，阿拉巴马电力公司在伯明翰进行了一次小规模试点，然后开始了FISR的部署。作为实施计划的重要一环，为确保FISR的潮流仿真准确性，阿拉巴马电力公司在部署FISR之前致力于改进馈线模型。这些模型改进工作包括替换不良的SCADA传感器以及对模型可疑部分进行现场检查。

项目实施过程中，项目组编写了一些报告，标记了可疑数据，以供最终用户进行调查。这与传统上对模型数据的使用方式有所不同，从SCADA测量到地理信息系统（GIS）、导体尺寸，现在模型数据对系统供电恢复具有实时影响。FISR部署过程中，每六个星期大约实施60个变电站，这为模型改进腾出了时间。

试点结束后，阿拉巴马电力公司在18个月内完成了所有适合该技术的系统变电站和馈线的FISR部署。尽管有部分客户条件使变电站或馈线不符合FISR的要求，但阿拉巴马电力公司已经能够成功地将其部署到98％的客户群中。部署区域包括715多个变电站，1,890个馈线和大约5,300个SCADA设备。此外，禁用了220多个就地化方案，并将设备移交给FISR。变电站中存在的SCADA线路设备越多，在故障停电期间FISR可以提供帮助的机会就越大。

2018年初，“故障定位”与配电潮流一起得到了采用。从2019年开始，阿拉巴马电力公司在馈线断路器下游开始安装其他故障指示器，那里没有用于跳闸的继电器。在馈线头端安装故障指示器使“故障定位”功能可以看到馈线上的所有故障。对比老旧的继电器升级，这些故障指示器安装被证明具有更高的成本效益，同时还使最终用户能够通过工程数据来分析故障。

自实施以来到2020年8月1日，“故障隔离和服务恢复”和“故障定位”功能表现。

实际结果

与需要人工下载和人工评估的就地化方案相比，FISR大大简化了故障处理过程，因为它存在于ADMS中，ADMS可将所有评估和供电恢复存档。到2020年8月1日，FISR已在阿拉巴马电力公司的服务区域实现332次成功的供电恢复，避免了大约4280万分钟的客户供电中断时间（Customer Minutes Interrupted, CMI）。每个FISR的供电恢复功能平均受到影响的客户达到509个或者是3867 kWh的供电量，同时避免129,852分钟的CMI。

Double Oak Mtn变电站的重合器故障。FISR实施了两步计划，从FISR动作开始的37秒内恢复了受到停电影响的2,957个客户中的2,151个。

Elvira Rd变电站的重合器故障。FISR实施了两步计划，同时由于点对点通信不佳，导致就地化方案失败。系统所指示的故障定位使巡逻距离从3.7英里减少到0.4英里（6 km减少到700 m），减少了88％，在一次设备上发现一棵树。

在评估FISR的性能时，让阿拉巴马电力最感兴趣的是，有86％的FISR事件至少使用了一个过去没有设置就地化自动恢复的设备。在这种情况下，术语“非就地化设备”是指那些退役的就地化自动转供方案，共有220多个，目前已经移交给FISR的设备。换句话说，FISR能够在86％的时间内恢复，比退役方案能够服务更多的客户。

也许更令人印象深刻的是，68％的FISR事件仅使用“非就地化设备”，这意味着这些供电恢复只能通过FISR自动进行。这些统计数据突显了FISR的真正潜力——充分利用自动化设备参与以前无法进行的供电恢复工作。

Elliotsville变电站的重合器故障。FISR实施了两步计划，从FISR动作开始的41秒内，恢复1,998个客户中的1,114个。

作为关于FISR有效性的案例研究，2020年4月12日，一场严重风暴袭击了阿拉巴马州电力服务区域，影响了312,000多名客户，占公用事业客户群的20％以上。得到确认的有23场龙卷风，造成2,000多段导线断线以及460个杆塔倒杆。

在这场风暴中，服务区域内FISR实施了31项供电恢复计划，避免了约1180万分钟的CMI。在风暴期间，这些FISR恢复具有特别积极的影响，因为它们帮助客户避免了异常漫长的修复过程和停电。尽管这是一场严重风暴，也只是当月袭击阿拉巴马电力的四场严重风暴之一。仅在2020年4月，FISR就成功实施了71次恢复。

4月12日阿拉巴马电力公司IDMS资讯主页快照。在这场风暴中，FISR实施了31项供电恢复计划。

Bluff公园变电站的馈线断路器故障。FISR实施了6步计划，从FISR启动开始的110秒内恢复了1,630个客户中的1,263个，其中48秒用来发送SCADA控制命令。

N Gordo变电站的馈线断路器故障。FISR实施了两步计划，从FISR启动开始的55秒内恢复了476个客户中的246个。这是阿拉巴马电力公司（Alabama Power）进行的首次FISR修复，并且是在过去没有就地化方案的地区。

2020年，公用事业的主要关注点是在COVID-19之后其员工的安全。自2020年3月16日起，阿拉巴马电力公司一直在现场实施“社交安全距离”和其他预防措施以保护其员工。为了最大程度地减少暴风雨和停电时对工作效率的影响，ADMS的高级应用正在弥合业务空白，以维持对客户的可靠服务。

在2020年3月16日至8月1日实施的206个FISR事件中，有82个事件恢复了60％以上的受影响客户，其中128个事件避免了大约50,000多分钟的CMI，还有26个事件涉及到四个或更多转供步骤。每次FISR可以恢复客户供电并避免持续数小时的停电，这对阿拉巴马电力公司的客户都有积极的影响。自3月16日以来，这些FISR恢复总共帮助阿拉巴马电力避免了大约2690万分钟的CMI。

尽管使用FISR功能避免停电肯定对公用事业公司有利，但避免停电对全社会的影响更大。根据美国能源部的「供电中断成本估算（ICE）」工具，所有FISR恢复工作加起来为阿拉巴马电力的客户避免了8,250万美元的损失。这显然是一笔可观的财务收益，对企业所有者产生了非常实际的影响。如果发生停电，企业或许就会全天关闭，或提前允许员工下班回家。其他好处包括节省了维护就地化方案的时间，无需人工切换线路提高了员工安全性，并减少了员工在现场的时间。

到2020年8月1日，“故障定位”已判断出超过21,000次的潜在故障位置。这些故障定位标记中约有17％是永久性故障，而配电调度中心报告的故障定位准确率达到90％。如此高的准确性鼓励运行人员在有故障时首先查看故障光标，以至于发生故障后，现场的应急抢修人员会主动询问运行人员故障定位的位置。平均而言，在实时ADMS地理上绘制的故障定位光标使巡逻距离减少了66％，即1.83英里（2.94 km），配电调度中心确认这减少了停掉巡逻查找故障点的时间。总体上，实时ADMS地理上绘制的故障定位光标使得线路巡检的距离减少了约6,655英里（10,710公里）。

除了控制中心的运行人员外，在现场进行工作的检修人员还可以查询故障定位报告，该报告将故障定位结果叠加到卫星图像和路线图上。用户不再需要运行工程仿真软件来使用这些数据进行故障定位。尽管使用故障定位通常不会像使用FISR一样效果显著，但它对减少阿拉巴马电力客户群的停电时间有重大意义。

经验教训

不需要夸大FISR和故障定位对阿拉巴马电力公司的配网运行产生了怎样的革命性影响。我们需要重新评估许多公用事业的建模技术、检修规程和转供规程，以考虑FISR的行为或使用数据的方式。

W Grelot变电站的馈线断路器故障。FISR实施了4步计划，从FISR启动开始的74秒内自动恢复了1,644个客户中的1,541个。使用FISR转供后，只有6％的客户仍然停电。

Chace Lake变电站故障时故障位置光标。光标可以帮助缩小巡逻区域的范围，以解决难以发现的故障，例如上述开关底部对应相位上的蛇。在夜间，几乎不可能发现此类故障。

每月在ADMS地理上绘制的故障位置数量。根据配电调度中心的说法，这些光标始终保持90％的准确度，并有助于减少巡逻时间。

一个教训是模型完整性的价值，特别是在初始模型改进后的数据维护方面。由于配网系统是动态的，可能每天都在进行更改。当发生暴风雨时，很难保持模型正确性，因为抢修人员总是试图尽快安全地重新上电，造成系统接线变化。为了应对这种模型“漂移”，通过主动查询GIS和ADMS模型形成了一些报告，可以标记可疑问题并进行调查。此外，采用了各地区维护的理念，即最了解自己地区的运行人员应保持其地区FISR模型的准确性。

维护模型的另一个最有效方法是配电潮流，这是ADMS的另一项高级应用程序，该功能2018年初与故障定位同时启用。配电潮流可以快速识别潜在的建模问题，并要求进行调查。举个例子，已经有很多次配电潮流不仅正确地识别出建模问题还发现很多系统问题。

Mtn站点变电站瞬时故障的定位光标。评估人员和工作人员在野外使用故障位置报告，该报告将故障光标坐标叠加到卫星图像上。瞬时事件的光标很有价值，因为它们可以提供线索，指出将来某个故障可能会导致永久故障的原因——这是在系统末端，很难巡逻，尤其是在夜间。

另一个教训是，应当强调在开发和测试的所有阶段，涵盖所有最终用户的重要性。当用户将这些工具部署到ADMS时，他们参与其中以帮助他们塑造这些高级应用程序的界面和意见，从而获得积极的反馈。最终用户还确定了在部署工具之前可以解决的潜在问题和解决方案。他们帮助提高了工具的价值，培训了用户并回答了问题。

在供应商方面，阿拉巴马电力与其他客户一起参加了GE Digital的工作组，以确保应用程序继续积极发展。

下一步

仅在ADMS的高级应用的前24个月中就看到了变革性的成功，改变了阿拉巴马电力公司的配网发展愿景。明年，将继续部署“失压触发FISR”功能，在输电系统故障期间将自动实施供电恢复。正在进行的另一项工作是在GE Digital的ADMS中实施分布式能源管理系统（DERMS），因此可再生能源可以成功地与配电系统集成，并且FISR可以在启动计算期间更好地跟踪这些负荷。