配電自動化系統在智能電網中的應用和發展

孟慶焜

（ABB(中國)有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510000）

1 智能電網的發展現狀及特點

所謂智能電網就是電網的智能化，它建立在集成的、高速雙向通信網絡的基礎上，通過先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法以及先進的決策支持系統技術的應用，實現電網運行的可靠、安全、經濟、高效和使用安全的目標。智能電網是將信息通信技術納入電力系統的漸進過程，這不僅有助于提高電力行業的生產率和競爭力，并且能夠創造大量就業崗位。其主要特征包括自愈、激勵、抵御攻擊能力、允許各種不同發電形式的接入、提供滿足21世紀用戶需求的電能質量。

我國在2009年5月正式提出了智能電網的建設概念，到目前為止智能電網及相關領域已經開展了大量的研究和實踐，發展主要將經歷三個階段：

第一階段（2009-2010）規劃試點階段。主要目標為制定智能電網發展規劃，技術標準，進行主要關鍵技術的研發和設備研制，逐步開始項目試點。

第二階段（2011-2015）全面建設階段。主要為加快特高壓電網和城鄉配電網建設，初步形成智能電網運行控制和互動服務體系，關鍵技術和裝備實現重大突破和廣泛應用。

第三階段（2016-2020）引領提升階段。全面建成統一的“堅強智能電網”，技術和裝備全面達到國際先進水平，為服務清潔能源開發和保障能源供應發揮重要作用。

智能電網帶來的種種好處顯而易見。它可以向電網運行單位提供有關供求以及電網組成狀態的更具體的信息。這樣有助于及時、有效地更換設備，降低局部斷電或大范圍斷電的風險。它還能夠在設備停機或發生斷電事故時自動改換輸電線路，從而減少因故障產生的供電中斷或保證供電中斷時較快地恢復送電，大大提高供電可靠性，目前廣泛推廣的配網自動化系統，就是在配網環節引入智能電網概念，對配電負荷進行智能化管理。

2 配電自動化系統在智能電網中的應用

配電自動化及管理系統是智能電網配電環節的重要組成部分，是一套基于統一配電GIS平臺之上，以配電監控系統為配電網實時監控中心，實現配電網的運行、監控及事故處理的自動化，以配電管理系統為配電網生產、運行、管理的核心，通過可監視、可定制、可控制的配電管理系統，實現配電工作管理信息化、數字化、自動化的電網自動化系統。系統以配電GIS為配電網圖形、數據錄入平臺，將復雜的配電網絡與地理信息緊密地結合在一起。

2.1 系統組成及功能

從結構上劃分，配電自動化系統一般由主站、子站、遠方測控終端、通信等部分組成。主站通常由前置機、工作站、服務器和高級應用軟件等組成，實現對整個配電自動化系統的監控管理。子站是由一臺或兩臺互為備用的PC機構成的簡單主站系統。一個子站一般可以監控100臺左右的遠方測控終端裝置，主要功能包括:對轄區內配電設備的遙測、遙信、遙控、遙調功能；完成轄區配電線路故障識別、故障定位、自動隔離及恢復供電等，同時實現向主站及其他子站的數據轉發功能。遠方測控終端通常由用于饋電線路開關的測控終端FTU(Feeder Terminal Unit)、開閉所的測控終端DTU(Distribution－Terminal Unit)、變壓器的測控終端TTU(Transformer TerminalUnit)組成，實現對那個設備的檢測和控制功能。通信部分通常由通信主機、適配器和通信介質等組成，完成各級設備之間的及時通訊功能。

2.2 IDS配網自動化系統應用

目前比較成熟的配電自動化技術為IDS（Intelligent Distribution System）系統，以中小城市配電自動化系統為例，基本可以分為主站、子站和FTU單元多級網絡控制結構。系統組成如圖1所示：

圖1

以上拓撲結構清晰的表達了IDS系統中的終端與子站和主站之間的關系：

針對配電環節設備的特點，每個結點采用配網智能終端單元進行現場數據的采集和控制，配網終端單元之間采用光纖或雙絞線連接通信，所有配網終端單元組成一單環網，與子站相連。

配網子站可以選用基于現場工業計算機或基于嵌入式系統的子站終端，具備友好的用戶界面對系統進行管理、查詢和操作。

配網子站設備的通訊接口通過光纖或其他通訊介質與主站計算機相連，實現對整個系統的智能化管理。

以北京ABB高壓開關設備有限公司推出的IDS系統為例，智能終端可以采用IDS-F86功能模塊，該終端模塊可以直接安裝在配電網饋線回路的開關柜內，也可以與綜合管理模塊以及電源模塊一起組成現場自動化系統，模塊具有遙信、遙控、遙測和故障電流檢測等功能。多路開關量輸入用以采集來自開關柜的各種狀態量信號，電壓/電流模擬量輸入端口可以直接連接三相CT、零序CT和三相PT，模塊的繼電器輸出端口可以執行分/合閘命令，具備多種通訊方式。

IDS-MMI智能子站終端軟件系統采用的是嵌入式操作系統，它本身采用C語言進行程序編制，在設計和制作過程中吸取了計算機人機工程等方面的最新發展，同時又緊密地結合了裝置本身特點和配網系統的實際情況，為用戶提供了一個具有良好人機界面、高效、靈活的工具軟件。在IDS-MMI的操作界面上，調度員既可以實時地從電力系統界面上獲取各廠站內開關、刀閘的實際運行狀態，以及電壓、電流、功率等各種信息量，全面了解系統運行狀態，又可以讓整個系統自己完成對各種數據的分析，并自動進行操作調整。

其網絡拓撲形式如圖2所示：

圖2

我們以單環網接線圖為例,簡單介紹一下配電自動化系統如何實現故障檢測、定位、隔離、非故障失電區域的供電恢復以及網絡動態拓撲著色等功能的過程。所謂配電單環網是指通過末端線路之間的直接連接，實現環網接線，單環網接線簡單、運行靈活，有利于配電網絡擴展和配網自動化建設。適用于供電可靠性要求高、負荷密度較低的配電網絡。具體結構如圖3所示：斷路器V2、V4將末端的5臺環網柜連接起來，組成了一個手拉手的配電環網。

圖3

2.2.1 故障定位功能

故障定位功能是配電自動化系統中的主要功能之一，當系統出現故障以后，能夠對故障點進行準確的定位，為故障恢復贏得寶貴的時間。系統正常運行時斷路器V2、V4處于合閘狀態，聯絡負荷開關3C1處于分閘狀態。當聯絡負荷開關4C1、3C2之間發生故障以后，出線斷路器V4的保護繼電器動作，V4跳閘，將聯絡負荷開關3C1以下的區域切除，同時5C1、5C2、4C1、4C2處的故障指示器動作，由綠色變為紅色（顏色可以進行設定）。失電區域由紅色變為綠色。如圖4所示。

圖4

子站IDS-MMI采集遠端FTU以及變電站出線斷路器繼電保護發出的動作信號、故障指示器變位信號、V4斷路器跳閘信號等。根據這些信息，判斷故障發生在4C1與3C2之間，迅速實現故障定位。在任何情況下，只有保護動作信號與V4跳閘信號同時存在時，系統才會進行故障判斷，避免因保護裝置誤動或對斷路器進行正常分、合閘控制時IDS-MMI系統發生誤判。

圖5

2.2.2 故障隔離功能

確定故障位置后，子站IDS-MMI系統會對裝設在4C1、3C2聯絡負荷開關柜上的FTU發出分閘命令，負荷開關4C1、3C2分閘，將故障線路從環網當中隔離出來，實現故障隔離。同時在子站監視系統上，被隔離區域由綠色變為藍色。如圖5所示。

2.2.3 網絡重構（非故障失電區域自恢復功能）

通過上兩個步驟，完成了故障的定位和故障點的隔離。為了提高整個配電系統的可靠性，我們需要進行網絡的重構即非故障失點區域恢復功能。子站IDS-MMI收到3C2、4C1負荷開關柜上的FTU單元發來的分閘信號，向負荷開關3C1上的FTU單元發送合閘指令，使3C1負荷開關合閘，恢復3F3出線負荷的供電。同時向斷路器V4上的繼電保護發出合閘信號，恢復5F3和4F3出線負荷的用電，從而實現整個非故障失電區域的供電。同時子站監視系統將恢復區域由綠色重新變為紅色。如圖6所示。

圖6

2.2.4 故障清除

待檢修人員現場解決故障以后，調度人員可以通過子站IDS系統對環網進行故障清楚，可以向FTU單元發送合閘命令，使3C2或者4C1合閘，環網結構恢復正常。

3 配電自動化系統的發展趨勢

配電網自動化的發展是電力發展到一定階段的必然產物,隨著電力市場及用電水平的提高,配電網面臨著一場新的改革和發展,配網自動化將進一步得到完善。但是配電網自動化在中國仍然是一種因發展而新出的事物,必須采取科學的態度,實事求是的原則,加強我國配電網自動化的研究,因地制宜地進行配電網的改造。

配電自動化系統正在向開放、兼容、高速、數字化和網絡化等方面發展，隨著技術的進步，構建基于IEC61850通訊規約的配網自動化系統將會成為配網自動化發展的新趨勢。IEC61850采用面向對象的思想，將物理設備以及二次邏輯功能進行抽象，建立了一次系統結構、二次設備功能及其相互關系的數據模型，全景式的將整個配電自動化系統描述出來，為配電自動化系統提供了完整的數據基礎。同時，IEC61850為不同廠家的設備定義了統一的配置語言，數據模型的統一擴展規則，一致性的測試手段，大大提高了配網自動化系統的兼容性，為配電自動化系統走向統一提供技術基礎，也給運行管理帶來新的思路。所以，充分利用IEC61850的技術特點，構建面向未來的配電自動化系統，將成為未來發展的新趨勢。

[1]楊奇遜.配電網自動化及其實現《供用電》第18卷第2期 2001年4月.

[2]ABB IDS系列配網自動化系統技術資料Rev.B 2008-04

[3]印永華智能電網建設中的技術和設備.《電氣制造》2010年第1期 .