配電自動化系統方案設計與應用

姜德宏 于吉壘

摘要 從配電管理和配電自動化系統及結構和功能設計入手,簡單介紹了配電管理和配電自動化系統的組成和特點,實施的情況。對該系統設計應用中遇到的問題和技術,電氣設備選擇、網絡通信、數據庫和專家系統等,進行了分析和各實現方案的比較。

關鍵詞 配電管理系統;配電自動化;方案;應用

中圖分類號 TM76 文獻標識碼 A 文章編號1674-6708(2009)07-0066-03

0 引言

從1998年開始,隨著城鄉電網改造配電自動化建設逐步開展,部分地區嘗試性建立了配電自動化系統,但大部分地區還未實施或正準備實施。配電自動化系統方案還沒有統一模式,徐州供電公司于1998年在全國率先嘗試性建立了配電自動化系統。近幾年,配電自動化規模不斷擴大,系統功能不斷加強,經過幾年的建設實踐,積累了許多可貴經驗。本文結合徐州城區配電網自動化建設,提出了配電自動化系統的方案設計,并對此進行了相關探討。

1 配電自動化監控與管理系統(DMS)簡介

配電自動化監控與管理系統,是利用現代電子技術、通信技術、計算機及網絡技術與電力設備相結合,將配電網在正常及事故情況下的監測、保護、控制、計量和供電部門的工作管理有機地融合在一起的綜合性系統,其包含地理信息系統(GIS)、網絡設備文件(NDF)、冗余部件管理、檢修計劃管理、運行規劃及優化、運行及控制以及其它管理任務(故障電話管理、人員管理、計費管理等)。其中,運行及控制部分功能的自動化由配電自動化系統(DAS)實現,又可具體細分為SCADA系統、電壓/無功控制、保護的協調管理及控制、饋線控制、故障處理(故障檢測、定位,隔離后故障區供電)、自動抄表和負荷管理等。從這一概念出發,DMS其實涵蓋了電力MIS、電力調度、變電站綜合自動化、出線管理、負荷管理、供用電管理等供、配、用電多個環節,是一個包含多學科技術的綜合性的大系統。

2 系統結構設計(DMS/DAS)

2.1 設計原則

配網自動化監控與管理系統是一綜合信息管理系統,涉及到計算機技術、網絡通信、圖形技術、數據管理、自動控制等多種技術,同時,投資較大、實施復雜,牽涉到多個部門的多個工種,和城市居民生活息息相關,建設配電網自動化系統目的是提高配電網運行管理水平、提高供電質量、減少停電次數、縮短停電時間,以達到減員增效。要用系統工程的思想,采用信息優化的系統集成方法,對系統綜合考慮與設計。其設計原則為:首先,應遵循實用性、安全性、經濟性、開放性、發展性和靈活性的設計要求;其次,實時監控系統設計一定要保持長期連續穩定可靠運行。

2.2 系統結構

考慮到配網信息分布廣、信息量大的特點,在配網當地設備(FTU、集抄系統、配變負荷管理器等)和控制中心間可設一至二級中繼站(一般設在變電站,可利用原有光纖通道),形成多級層次結構。系統結構按分層分布分級分類構成,各層系統通過完善的通信系統接入集中控制中心系統,各類子系統通過計算機網絡和集中控制中心系統實現信息交流,整個系統分為:配電網集中控制中心系統—中心層,配電網子站系統—中間層,配電網監控終端系統及通信網絡系統—基礎層。利用TCP/IP網絡協議實現配調中心、中間層系統、FTU、DTU等智能終端之間的數據傳輸。配網自動化系統層次圖,見圖1。

配網控制中心與配網子站系統—中間層的通信充分利用現有城市電力數據網進行數據傳輸和交換,中間層與用戶變(開閉所、箱變等)RTU、FTU、DTU之間的通信是配網自動化的主要通信系統,其可靠性、經濟性至關重要,因此,選擇多模光纖,通信網路結構采用主/從式自愈環形通信網。正常情況下,只有一個環路在使用。當發生故障時(裝置故障或光纜故障),光端機能自動測量故障點,信息在到達故障點之前又返回,使用第二個環路完成通信。用這種方法,對其余的正常裝置或正常光纜仍能保持通信暢通和鏈路完好,其結構及主要工作形態如系統結構配置,如圖2所示。

2.3 系統結構設計應注意的問題

2.3.1 功能組成部分劃分

將配網自動化功能劃分為4組:電網運行、運行計劃及其優化、維修管理、用戶聯系和控制。在上述主功能組的基礎上,再分成若干功能,奠定配網自動化系統的主功能框架。需要強調的是:1)這4個功能組并不是各行其事,而是有著十分緊密的聯系,經常交換信息,這樣既可做到數據共享,更可保證控制和管理的一致性;2)數據管理的重要性。數據管理本身并不是配網自動化的功能,但是,所有的功能都包含在數據管理內,要實現龐大復雜的眾多功能必須依靠數據管理來完成,這些功能所交換和共享的數據引起了功能間的聯系。數據管理可確定所掌握的數據是需要相關管理的、連續不斷更新的還是由若干系統共享的數據。數據管理建立了能滿足配電自動化要求的新的機制和管理方法,是配電自動化不可缺少的組成部分。

2.3.2 用發展的眼光綜合考慮

早期配網自動化的實施采用發展獨立的、單項自動化系統來解決問題,如直接的負荷控制、大用戶的遠程抄表等,由于配網自動化的功能之間存在著不同程度的關聯,其中大部分要求很難滿足,且還無法克服在擴大應用規模時確認所需投資的合理性所遇到的困難。這種按“功能定向”的方法,已造成綜合化水平非常低并帶來若干反面影響,如功能重疊、數據的重復、靈活性很差和維修費用高等。

另外,配網自動化系統作為一個龐大復雜的、綜合性很高的系統性工程,包含眾多的設備和子系統,各功能、子系統之間存在著不同程度的關聯,其本身及其所用技術又處于不斷發展之中,對任一家制造商而言,根本不可能包攬一切。就徐州供電公司于2000年10月完成的配網自動化I期試點工程為例:第I期配網自動化試點工程實現4條線路,2個環自動化,主站采用NARI電網所OPEN2000系統,子站及FTU采用東方電子與徐州遠通公司設備。TTU采用南京光一集中器和深圳浩寧達表計,負荷開關采用哈爾濱華通光明電力自動化公司的產品。這就要求配網自動化系統結構方案采用全面解決的方案,走系統集成之路,使得各種應用之間可共享投資和運行費用,最大限度保護用戶原有的投資。

在饋線自動化方面,現有饋線終端設備不僅具有常規的遙測、遙信和遙控功能,且還集成了自動重合閘、饋線故障檢測和電能質量的一些參數的檢測功能,甚至集成了斷路器的監視功能,且有進一步與斷路器、開關相結合,機電一體化,發展成為智能化開關的趨勢。顯著地降低了建設、運行和維護的綜合成本,為提高供電可靠性,創造了有利的條件。

故障定位和自動恢復送電可以明顯地縮短停電時間。有效地解決這一問題,必須以數字式繼電保護、饋線自動化和DMS系統為基礎。對于故障定位,國外有人提出使用3種技術綜合處理:故障距離計算法、線路故障指示器法以及不同線路區間故障概率統計法,這些信息結合在一起進行模糊邏輯處理。

2.4 中心層系統結構設計

根據我國配電運行管理機制,建立中心層系統,配網自動化系統設在調度中心,由自動化專業人員維護,配電運行工區負責配電網的監視、控制、運行管理,設配電運行工區監控中心工作站及其相應設備。中心層系統結構(DAS),如圖3所示。

建立配電實時監控系統和配電管理系統功能相對獨立,同時聯系緊密的有機整體。

2.5 中間層結構設計

配電子站主要為配網監控層,完成配網自動化和故障管理等功能,中間層系統工作流程,見圖4。它具有承上啟下的作用,對下負責基礎層設備管理,對上負責與中心層上傳數據,同時接受中心層系統命令。

2.6 基礎層結構設計

2.6.1 結構設計

結構設計包括建設范圍內的電氣設備,開閉所及環網柜開關改造,相關自動化設備及通信部分的設計。硬件設備包括電氣一次設備(主要是電動負荷開關)、監控終端(FTU、DTU)、工作電源、通信設備以及計算機設備等。基礎層結構示意圖,見圖5。

2.6.2 基礎層結構設計需注意的問題

由于基礎層牽涉面廣,設備種類多,工程量大,一定要有可靠的質量保證,完善的售后服務。

1)配電線路選擇

配網自動化監控和管理系統擴建工程選擇應首先在城市中心區域供電線路實施。

2)電氣主要設備的選擇方案及問題分析

配網架空線路運行著大量一次設備:柱上斷路器和柱上負荷開關,同時重合器也是由斷路器加控制器構成,分段器由負荷開關加控制器構成。因此有必要對柱上一次設備加以分析。我國架空線柱上開關以斷路器居多,而且負荷開關也多以斷路器代替。

柱上斷路器應采用真空開關管滅弧以提高分斷能力,SF6氣體解決相間絕緣,縮小體積。因為零表壓,密封問題相對容易解決。由于真空負荷開關管和斷路器開關管價格差不多,其他結構也相差無幾,所以真空負荷開關可以用真空斷路器代替。操動機構應當密封,以解決機構銹蝕出現誤動、拒動現象。

永磁機構就其原理而言由于元件數少,可靠性很高。但要注意到其本質上還是電磁操動機構,瞬時功率大及機械特性控制是其難點,啟動電容以及電子控制線路的壽命、溫度特性及可靠性是操動機構總體可靠性的瓶頸,應加以高度重視,這些問題若能解決永磁機構應為首選機構。

彈簧機構若能解決密封問題,近期將成為一個適宜于柱上的操動機構。柱上斷路器采用三相共箱式為好。分體柱式工藝要求高,材料問題也不好解決。

對于有重合器配置,首先要使接地電流檢測靈敏度提高,并將接地故障改為慢速跳閘方式,站內應加裝接地故障微機選線裝置。

3) 配電自動設備選擇

國產FTU、DTU、TTU技術功能一般都能滿足要求。需要解決的關鍵問題是:

(1)溫度特性(-40～+80℃);

(2)電池壽命(10年);

(3)抗強電磁干擾的能力(包括光電通模塊)。

如上述指標達不到,要實現配網自動化就比較困難。

4)基礎層通信方案

配網自動化對通信的要求同調度SCADA系統一樣,配電自動化系統也需要一個有效的通信網,同時他有自己的特點:終端數量極多。配網系統擁有眾多的開閉所、配電變壓器、柱上斷路器,要對這些設備進行監控就需要許多FTU和TTU,同時這些FTU隨配電設備安裝,地域分布廣,通訊節點分散。

配網自動化系通信系統應滿足下述要求:

(1)可靠性;

(2)經濟性;

(3)尋址量大;

(4)雙向通信;

(5)容易操作和免維護。

根據以上的要求,伴隨著光纖價格的下降,目前,選擇光纖通信是比較適宜的。

光纖可分為單模光纖(SMF)、多模光纖(MMF),多模光纖就是傳輸多個光波模式,而單模光纖只傳輸一個光波模式。單模光纖比多模光纖傳輸距離長,目前一般的光信號在多模光纖內可傳6km左右,在單模光纖內可傳30km。因此,單模光設備的價格要高于多模光設備。實用的光纖通常都是由多根光纖、加強芯、保護材料、固定材料等組合成光纜構成的傳輸線。

光纖MODEM可完成光信號與數字信號之間的相互轉換。光纖MODEM一般有一個以上的數據口用以傳遞同步或異步信號。通信速率可達到2Mbps或更高,配網常用的通信速率一般為同步N×64K或異步19 200bps以下,故足以滿足配網通信的需要。另外,還有一種光纖MODEM具有雙環自愈功能(如圖2中所示),通過自愈光MODEM實現的雙環網,這一功能使通信的可靠性大大增強。

配網自動化系統通信主干線采用自愈光纖通信環網結構,支線采用雙絞線通信,系統通信網絡方案設計盡可能利用現有城市電力數據通信網絡資源,配網自動化子站系統直接接入現有電力數據通信網實現與主站系統通信,本著以盡量少的通信線路滿足配網自動化系統通信的要求進行設計。通過精心策劃,實地勘察測量,確定架設光纖線路路由,配電網主干線采用架空光纖,利用配電網電桿及通道,在跨路部分和小區采用地下管道,配電臺片內采用雙絞線。

5)通信規約

采用基于TCP/IP協議下的國際標準的數據傳輸規約(如IEC-870-5-104),串行接口采用DNP3.0、IEC-870-5-101等。

3 結論

城市規模的不斷擴大和經濟的發展對配網自動化提出了更高的要求,配電網自動化也是電力系統現代化發展的必然趨勢,技術在不斷發展,用戶的需求也不斷提高。參照發達國家和地區的經驗,結合我們自己的實際情況,按照“全面規劃、控制規模、局部試點、分步實施”的有關精神,綜合考慮近期與遠期、全局與局部、主要與次要的關系,設計開發出先進、通用、標準的配電網自動化系統方案,對電力市場的發展和完善具有重要的意義。

參考文獻

[1]李冶,武建文.電網自動化開關設備幾個關鍵技術[J].電力系統自動化時代.

[2]王明俊,于爾鏗,劉廣一.配電系統自動化及其發展[M].中國電力出版社,1998,1.