配電線路工技師論文|電力線路工技師論文

對閉環(huán)運行方式配電自動化系統(tǒng)的探討

【關(guān)鍵詞】自動化系統(tǒng)

【摘要】對閉環(huán)運行方式配電自動化系統(tǒng)的探討

0　概述?

　　配電作為電能發(fā)變送配中的最后一個環(huán)節(jié)，在電力生產(chǎn)中具有非常重要的作用。由于歷史原因，過去未得到足夠的重視。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高，對供電質(zhì)量和可靠性提出了更高的要求。大規(guī)模的兩網(wǎng)改造結(jié)束后，配電網(wǎng)的布局得到了優(yōu)化，但要進一步提高配電網(wǎng)的可靠性，還必須全面實現(xiàn)高水平的配電網(wǎng)自動化。?
　　實際上，近年來我國許多地區(qū)已經(jīng)在不同層次、不同規(guī)模上進行了配電網(wǎng)自動化的試點工作，也取得了一定的成績。但由于幾乎所有的系統(tǒng)都是開環(huán)運行模式[1]，故障恢復時間都在30?s以上甚至數(shù)分鐘，不能滿足對供電可靠性要求更高的用戶，只能采取雙回供電、自備發(fā)電、大容量UPS等高成本方式來彌補。在此背景下，筆者單位與有關(guān)電力企業(yè)合作，在某國家級開發(fā)區(qū)配備了閉環(huán)運行方式的配網(wǎng)自動化系統(tǒng)。經(jīng)過2年多的運行證明，系統(tǒng)功能和指標達到了設計要求，大大提高了配電網(wǎng)運行的可靠性，具有開創(chuàng)性意義。?

1　供電區(qū)域配電網(wǎng)概況及配網(wǎng)自動化規(guī)劃功能和目標　　

　　該區(qū)共10?km2，區(qū)內(nèi)110?kV變電站一座，目前投入31.5?MVA變壓器2臺。110?kV進線2回內(nèi)橋接線，分別引自上級500?kV變電站。出線為35?kV?10回、10?kV?14回，改造前為架空線路與電纜出線混合方式，中性點不接地；改造后全部以電纜排管方式引出，小電阻接地。二次設備原采用常規(guī)繼電保護和遠動，僅有遙測、遙信送往上級調(diào)度中心，通信通道為載波和擴頻，備有商用電話。?
　　擬分二期全面實現(xiàn)配電網(wǎng)自動化。本期規(guī)劃主要目標是：?
　�。�1）以全閉環(huán)運行方式實現(xiàn)區(qū)內(nèi)配電網(wǎng)自動化。?
　�。�2）提高供電可靠性，達到“N-1”供電安全準則，供電可靠率99.99%。?
　�。�3）建立配電監(jiān)控系統(tǒng)，提高供電質(zhì)量，電壓合格率98%。?
　�。�4）線路發(fā)生永久性故障時，能自動進行故障識別、故障隔離和恢復供電。?
　　（5）實現(xiàn)對用戶側(cè)設備的遠方監(jiān)控、抄表等負荷管理功能。?
　�。�6）同時容納開環(huán)運行的方式。本期配電自動化系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：?
　　1)SCADA功能包括數(shù)據(jù)采集及處理、人機聯(lián)系和制表打�。�?
　　2) 饋線自動化功能主要是故障識別、隔離和自動恢復供電；?
　　3) GIS地理信息系統(tǒng)功能；?
　　4) 包括遠方自動抄表功能在內(nèi)的負荷側(cè)管理功能；?
　　5) 與變電站RTU和上級調(diào)度中心通信功能包括傳送遙測、遙信和接收控調(diào)命令。對于電壓無功控制，本系統(tǒng)只向變電站/上級調(diào)度中心傳送電壓運行值，不在本系統(tǒng)中進行調(diào)壓操作，但提供接入用戶側(cè)調(diào)壓裝置的接口，也可傳達并執(zhí)行上級配電中心的調(diào)壓指令，并保留功能上的擴充余地。?

2　對原配電網(wǎng)改造的主要內(nèi)容?

2．1　變電站綜合自動化改造?
　　由于該110?kV變電站原有保護遠動均采用常規(guī)裝置，不具備聯(lián)網(wǎng)、與用戶變電室通信等功能，故首先對變電站進行改造，全部采用微機型的遠動和保護系統(tǒng)。改造后的系統(tǒng)具備完善的“四遙”功能和微機保護功能，并能與調(diào)度中心、上級配調(diào)中心、本級配調(diào)中心、客戶端RTU/FTU等進行通信。?
2．2　部分用戶變電室改造?
　　由于該開發(fā)區(qū)配網(wǎng)自動化規(guī)劃設計采用電纜環(huán)網(wǎng)方式，所涉及的用戶變電室在改造后均以2回電纜出線，與上下家企業(yè)連成環(huán)網(wǎng)，出線均安裝可以遙控的開關(guān)。?
　　在每個企業(yè)的降壓變加裝DEP-900型FTU，并以光纖為信道連成環(huán)。區(qū)內(nèi)整個配電網(wǎng)采用手拉手環(huán)網(wǎng)方案，可以在線路故障時就近的斷路器自動跳閘，動作時間短，不依賴主站，對系統(tǒng)無沖擊，避免了開環(huán)系統(tǒng)需開關(guān)多次跳合判斷故障而帶來的弊端。?
2．3　接地方式的改變及接地電阻值的選擇?
　　改造后全部改為電纜出線，電容電流要比架空線路高得多，需將原小電流接地方式改為經(jīng)小電阻接地的大電流接地方式。從單相接地故障的情況入手，嘗試了多個中性點接地電阻值，對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和瞬時二方面進行計算，并比較隨之改變的單相接地故障電流值、單相接地故障健全相電壓值及弧光接地過電壓值、鐵磁諧振過電壓值等，然后按照運行規(guī)程和繼電保護等約束條件進行比較分析，綜合計算考慮系統(tǒng)總電容電流、單相接地故障時的故障電流、工頻過電壓、繼電保護配合及通信干擾限制等，將接地電阻阻值確定為5Ω[2]。?
2．4　保護定值的調(diào)整?
　　系統(tǒng)接地方式改變及加裝具備故障狀態(tài)縱差保護功能的FTU后，對原110?kV變電站內(nèi)的饋線、母線、主變壓器、備自投各類保護定值均根據(jù)新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行方式進行了調(diào)整，上級500?kV變電站相應出線的保護定值也作了微調(diào)。?
2．5　其他?
　　少數(shù)企業(yè)原采用架空線路，這次統(tǒng)一改為排管電纜。此外，在小區(qū)內(nèi)敷設了多模光纖的環(huán)網(wǎng)信道，既為配網(wǎng)自動化提供高速可靠的數(shù)字信道，又為抄表、MIS系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮A留了通信手段。?
　　由于FTU及開關(guān)操作都必須有可靠的不間斷電源，以保證在配電網(wǎng)出現(xiàn)線路故障，導致保護動作、出線開關(guān)跳閘、故障電路全部停電或進行設備檢修時，仍能提供FTU工作電源、通信電源和開關(guān)操作電源，故在各用戶變配置了專用的小型220VDC高頻開關(guān)式直流操作電源。?

3　閉環(huán)式配網(wǎng)自動化方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能綜述?

3．1　配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的SCADA功能與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?
　　閉環(huán)式配網(wǎng)自動化系統(tǒng)SuperDMS-2100的SCADA功能與電網(wǎng)調(diào)度SCADA功能類似，具備完善的數(shù)據(jù)采集功能、監(jiān)視功能、事件記錄與報警處理功能、控制調(diào)節(jié)功能、系統(tǒng)管理功能以及通信功能等。?
　　配電網(wǎng)自動化應用功能有配電網(wǎng)運行監(jiān)視、配電網(wǎng)運行控制、配電網(wǎng)故障判別及診斷、在保護拒動情況下實現(xiàn)配電網(wǎng)故障自動隔離負荷轉(zhuǎn)移及恢復供電、AM/FM/GIS、遠方抄表、無功優(yōu)化與控制等功能。?
　　配電控制中心的計算機系統(tǒng)配置符合當前先進的水平，采用了主流機型，雙以太網(wǎng)、雙服務器、雙前置機多人機工作站結(jié)構(gòu)，大屏幕顯示器和高速打印機。?配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)SuperDMS-2000軟件的設計采用了面向?qū)ο蟮脑O計思想和軟件工程的管理方法，各軟件模塊按功能對象劃分，自成一體，接口簡捷明了。系統(tǒng)具有標準數(shù)據(jù)庫接口，符合商用數(shù)據(jù)庫規(guī)范；具有網(wǎng)絡支持；遵循開放式系統(tǒng)標準；具有廣泛的兼容性和自由的擴展性，便于二次開發(fā)以及用戶功能擴展和規(guī)模擴展而保護原有投資；很容易過渡到三層數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)基于客戶/服務器體系結(jié)構(gòu)，服務器負責數(shù)據(jù)維護和處理，并響應客戶機的請求傳送格式化的數(shù)據(jù)。客戶機則負責提供用戶接口，如圖形、表格甚至聲音、動畫等。系統(tǒng)支持跨平臺運行環(huán)境，可以和其他系統(tǒng)互聯(lián)。?
3．2　AM/FM/GIS功能?
　　SuperDMS-2000的AM/FM/GIS是配電管理系統(tǒng)的重要功能之一。它是將地理學空間數(shù)據(jù)處理、計算機技術(shù)與電力系統(tǒng)相結(jié)合，為獲取、存儲、檢索、分析和顯示電力設備的空間定位資料和屬性資料而建立的計算機化的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。其中AM為自動繪圖，F(xiàn)M為設備管理，GIS是地理信息系統(tǒng)。AM/FM/GIS是配電管理系統(tǒng)DMS的基本平臺，它以地理概念組織并涵蓋了SCADA、LM、PAS等子系統(tǒng)。利用AM/FM/GIS集成DMS系統(tǒng)，建立統(tǒng)一的DMS數(shù)據(jù)庫，為各子系統(tǒng)提供共享資料，從而減少資料的冗余度，保證資料的一致性，提供良好的全圖形化的人機界面。它以電子化的地理圖形為背景，生成顯示輸出電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖、發(fā)電廠變電站接線圖、規(guī)劃圖等專業(yè)圖形，支持導航、漫游、縮放、分塊、分層等顯示和查詢方式；以地理信息的形式保存和管理電網(wǎng)資料；根據(jù)需求進行負荷預計、變電站選址、線路走向及優(yōu)化、潮流計算、無功補償、短路計算、可靠性計算等電網(wǎng)改造和規(guī)劃方面的計算。?
　　SuperDMS-2000 AM/FM/GIS的基本功能是對電網(wǎng)接線、配電線路和設備等的各種圖紙資料進行綜合管理，對變電站接線圖進行管理，將線路和設備圖紙資料等同饋線圖結(jié)合起來進行綜合管理，配電網(wǎng)運行維護管理，配電網(wǎng)停電復役管理和故障處理，配電網(wǎng)的規(guī)劃和工程設計，以及多種統(tǒng)計功能網(wǎng)絡互聯(lián)功能。其在線應用主要在SCADA和停電管理方面，離線應用主要在設備管理、營業(yè)管理和規(guī)劃設計方面。?
　　SuperDMS-2100AM/FM/GIS與專業(yè)地理信息系統(tǒng)相比較，更注重AM/FM和其他專業(yè)功能，尤其符合配電的實際應用。開放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能兼容多種操作系統(tǒng)和商用數(shù)據(jù)庫平臺，并且與通用GIS有著風格一致的界面。其突出的技術(shù)特點是具有高效的海量數(shù)據(jù)管理和實時多維圖形顯示能力，良好的網(wǎng)絡協(xié)同作業(yè)環(huán)境，緊密地與實時監(jiān)控系統(tǒng)融合，高速的分級瀏覽查詢。可以方便地定義基本圖形窗口、菜單結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)格式以及相應的函數(shù)庫，完成各地理信息應用所需的公共數(shù)據(jù)管理和操作，通過點、線、多邊形、文本、路網(wǎng)等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述圖形數(shù)據(jù)，并以塊和類的方式管理和組織圖形數(shù)據(jù)。設備管理主要有參數(shù)管理、圖形管理、統(tǒng)計查詢、模擬操作、掛牌操作等。?
3．3　其他DMS應用功能?
　　SuperDMS-2000的其他DMS應用功能主要有故障線路報警、自動隔離、供電恢復、網(wǎng)絡重構(gòu)、負荷管理、自動抄表、故障呼叫，能滿足各類配電網(wǎng)的應用需求，其詳細內(nèi)容筆者將另撰專文論述。?
3.4　饋線自動化?
　　饋線自動化是指變電站出線到用戶用電設備之間的饋電線路自動化，其內(nèi)容可以歸納為二大方面：①正常情況下的用戶檢測、資料測量和運行優(yōu)化；②事故狀態(tài)下的故障檢測、故障隔離、轉(zhuǎn)移和恢復供電控制。本系統(tǒng)基于DEP-900饋線終端設備（FTU）實現(xiàn)饋線自動化。?
　　饋線自動化是配電網(wǎng)自動化的重要組成部分。要實現(xiàn)饋線自動化，需要合理的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，具備環(huán)網(wǎng)供電的條件；各環(huán)網(wǎng)開關(guān)、負荷開關(guān)和街道配電站內(nèi)開關(guān)的操作機構(gòu)必須具有遠方操作功能；環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜內(nèi)必須具備可靠的開關(guān)操作電源和供FTU、通信設備用的工作電源；具備可靠的通信系統(tǒng)。?
　　饋線自動化的實現(xiàn)原則是：故障后的網(wǎng)絡重構(gòu)采用集中控制與分布控制相結(jié)合，優(yōu)先采用分布式控制的原則，以提高反應速度；實現(xiàn)配電網(wǎng)的閉環(huán)運行，故障情況下，瞬時切斷故障段并保持對非故障區(qū)的不間斷供電；兼容開環(huán)運行模式。?FTU基本按照變電室中線路為單元進行配置。所實現(xiàn)的功能包括：采集電壓、電流等電氣參數(shù)和設備狀態(tài)并通過RTU主動上送、執(zhí)行遠方控制命令進行開關(guān)開合和參數(shù)調(diào)整、根據(jù)整定條件實現(xiàn)故障狀態(tài)縱差保護。?
　　分布式控制和集中式控制相結(jié)合是10?kV/35?kV線路故障處理原則。分布式控制作為主要手段，采用故障狀態(tài)差動保護方式，通過FTU之間相互通信甄別故障地點，斷開故障點兩側(cè)開關(guān)，隔離故障，保證健康段線路供電。集中式控制作為后備手段，在保護拒動情況下，由主站系統(tǒng)進行故障判別、隔離。由于本環(huán)網(wǎng)為電纜網(wǎng)，故障一般為永久性故障，所以不考慮重合閘方式，但FTU本身具備重合閘功能。?
　　系統(tǒng)運行方式以閉環(huán)運行為主，兼顧開環(huán)運行方式。閉環(huán)運行發(fā)生故障時，裝置將在5個周波內(nèi)作出判斷，為了確保對側(cè)和鄰側(cè)故障狀態(tài)的準確也需要一個時限，因此當發(fā)生故障到命令發(fā)出的時間約為0.15~0.2?s。單相接地故障、相間短路故障、三相短路故障均可按照上述方案解決。?
　　閉環(huán)和開環(huán)運行由主站系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)一次側(cè)接線方式和開關(guān)狀態(tài)自行判別。當某開關(guān)狀態(tài)變化時，變位信息上送，主站系統(tǒng)判別該環(huán)此時的運行狀態(tài)。如果運行方式變化，則通知環(huán)上所有FTU修改其保護動作判據(jù)。?上述方案均基于小電阻接地系統(tǒng)。不接地系統(tǒng)中，當發(fā)生單相接地故障時，先通過小電流接地選線裝置判別故障線路，再由配電自動化軟件通過成組順序控制操作線路開關(guān)甄別故障段，斷開相應斷路器，并恢復非故障段負荷的供電。其他故障形式的判別與小電阻接地系統(tǒng)相似。?
3．5　配電自動化終端裝置（FTU）?
　　配電網(wǎng)監(jiān)控遠方終端（FTU）負責對控制對象實時位置信號和測量值的接受以及對控制對象進行遙控。對不同的控制對象，如配電站、開閉所、桿變、桿刀和大容量的高壓用戶等，需選用適當?shù)腇TU。?
　　為本系統(tǒng)配套的DEP-900型FTU，其容量為8路遙測量、16路遙信量、2路遙控量、4路RS-232/485接口。其主要功能有：數(shù)據(jù)采集，饋線監(jiān)控，故障檢測，開關(guān)分合控制，故障自動隔離和故障線路供電的自恢復，自動負荷轉(zhuǎn)移、存儲和報告負荷值，接受遠方操作指令及轉(zhuǎn)發(fā)采集資料、信息，具備相適應的通信接口、采樣接口和輸出接口，適應戶內(nèi)外環(huán)境要求。DEP-900還具備故障電流狀態(tài)差動保護的功能。它基于故障電流狀態(tài)差動原理，可作為每個斷路器的饋線保護。饋線斷路器不設備用和后備保護，當主保護拒動時，變電站出線開關(guān)跳開，然后由配電網(wǎng)管理軟件進行判別，以遙控方式隔離故障。?
　　該區(qū)配電網(wǎng)采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，電源取自饋線的不同母線，按閉環(huán)方式運行。小區(qū)用戶多為高科技企業(yè)，對用電要求很高，希望在系統(tǒng)發(fā)生故障時，能瞬時切除故障，保證不間斷供電，因此對配電網(wǎng)電氣設備和保護方式提出了較高要求，只能選擇性能很強的DEP-900系列FTU。?
3．6　配電環(huán)網(wǎng)狀態(tài)差動保護方式?
　　本方案保護方式采用故障狀態(tài)差動保護方式，將閉環(huán)運行狀態(tài)和開環(huán)運行狀態(tài)分別考慮。由于故障電流狀態(tài)是一個“0”、“1”的數(shù)字信號，容易傳送和在FTU中綜合處理，可靠性高，價格也遠較縱差低。?
3.7　通信?
　　該小區(qū)配電網(wǎng)的管理是一種分層結(jié)構(gòu)，控制中心直接控制和管理用戶變電站及110?kV變電站的低壓部分，并受控于上級配網(wǎng)中心，與調(diào)度中心有信息交換。因此各層設備之間的通信就顯得尤為重要。?
　　配網(wǎng)控制中心與用戶變（開閉所、箱變等）RTU/FTU之間的通信是主要通信系統(tǒng)，其可靠性、經(jīng)濟性至關(guān)重要，因此選擇多模光纖，采用主/從式自愈環(huán)形通信網(wǎng)。正常情況下，只有一個環(huán)路在使用。當發(fā)生故障時，光端機能自動測量故障點，使用第二個環(huán)路完成通信，正常裝置或正常光纜仍能保持通信暢通和鏈路完好。變電站綜自系統(tǒng)與FTU之間、FTU與FTU之間的通信均采用同一條光纜中的不同信道。?
　　配網(wǎng)控制中心的配電自動化系統(tǒng)以載波和擴頻的方式與上級配電中心和調(diào)度中心通信，并備有商用電話。?
3．8　遠方抄表系統(tǒng)?
　　遠方抄表系統(tǒng)是負荷管理的一個重要組成部分，也是發(fā)展較快和相對成熟的配網(wǎng)技術(shù)之一。?
　　利用電力線通過載波傳輸電能表數(shù)據(jù)，能充分利用電力線的資源，成本低，管理維護簡便，工程費用較低。?
　　在每個用戶站中都裝有帶脈沖和智能接口的電能表，這些電能表的脈沖輸出經(jīng)雙絞線接入采集終端，每個采集終端能連接8個電能表。采集終端的輸出經(jīng)MODEM直接接入380?V低壓電力線，直接與集中器進行通信。集中器有RS-485接口與RTU通信，將各電能表的輸出傳送到RTU。一個集中器可與64個采集終端進行通信，即最多可連接512個電能表。智能電度表可直接與RTU通信。自動抄表的后臺系統(tǒng)通過控制中心的計算機系統(tǒng)，將列出每個用戶的用電情況：分時電能、日報、月報、電費清單等。?

4　問題與建議?

4.1　關(guān)于中性點接地方式及接地電阻阻值的確定?
　　當前我國的大部分地區(qū)配電網(wǎng)仍以架空線路為主，因此大部分采用小電流接地方式。但在部分重點供電區(qū)域，逐步改為電纜供電，接地故障電流一般在25~2?000?A，甚至更高。當配電網(wǎng)絡發(fā)展到以電纜為主時，系統(tǒng)電容電流較大，用消弧線圈補償有一定困難，配網(wǎng)中性點宜改為小電阻接地的方式。至于接地電阻阻值的選擇，要根據(jù)實際情況因地制宜，所選阻值必須使接地故障電流大于電容電流。這在一些城市已有成功經(jīng)驗，可以借鑒。?
4．2　具有狀態(tài)差動保護功能的FTU的配置?
　　采用閉環(huán)方式運行的配電網(wǎng)系統(tǒng)必須采用斷路器，具備光纖通信信道，配置具有狀態(tài)差動保護功能的FTU，才能實現(xiàn)秒級恢復供電的要求，幾個要素缺一不可。?
4．3　與開環(huán)運行方式的結(jié)合?
　　由于各種因素的限制，不可能在一個供電區(qū)域內(nèi)全部采用閉環(huán)運行方式，甚至有的區(qū)域主要采用開環(huán)運行。因此，配電網(wǎng)自動化主站系統(tǒng)（DMS）必須考慮兼容閉環(huán)和開環(huán)運行方式。這對DMS系統(tǒng)提出了更高的要求，需在系統(tǒng)設計時在底層考慮，否則所打補丁很難與系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起。SuperDMS-2000在設計開發(fā)階段即考慮了這些因素，故能完全滿足這方面需求。?

5　結(jié)束語?

　　經(jīng)濟的發(fā)展對配電網(wǎng)自動化提出了更高的要求，配電網(wǎng)自動化也是電力系統(tǒng)現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢。實現(xiàn)閉環(huán)運行的配電網(wǎng)自動化是一個創(chuàng)舉和突破，也是配電網(wǎng)發(fā)展的一個更高階段，秒級的故障恢復時間滿足了絕大多數(shù)用戶對供電可靠性的要求。?
　　技術(shù)在發(fā)展，需求也在提高。參照發(fā)達國家和地區(qū)的經(jīng)驗，結(jié)合我們的實際情況，綜合考慮近期與遠期、全局與局部、主要與次要的關(guān)系，設計開發(fā)出先進、通用、標準的配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)，對電力市場的發(fā)展具有重要意義。

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