簡(jiǎn)單配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)終端和主站設(shè)計(jì)

彭元慶，程洪錦

(國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司德興供電分公司，江西德興334200)

隨著電網(wǎng)建設(shè)重心的轉(zhuǎn)移，以及社會(huì)發(fā)展對(duì)電力系統(tǒng)提出了越來(lái)越高的要求，配電網(wǎng)自動(dòng)化的建設(shè)也受到了越來(lái)越多的關(guān)注[1-4]。大量的文獻(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)、優(yōu)化、運(yùn)行、管理等方面進(jìn)行了研究。文獻(xiàn) [5-7]分析了配電網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)的必要性及存在的問(wèn)題，并且提出提高配網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)和運(yùn)行管理水平的方法。而文獻(xiàn) [8-9]分別主要介紹配電網(wǎng)自動(dòng)化通信方式和規(guī)劃方法等。

行業(yè)內(nèi)很少有研究涉及到簡(jiǎn)單配電網(wǎng)，但是經(jīng)過(guò)配電自動(dòng)化建設(shè)的探索，科研人員和電氣工作者逐漸意識(shí)到科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)捷實(shí)用更符合配電網(wǎng)建設(shè)的原則。因此提出建設(shè)簡(jiǎn)單、運(yùn)行簡(jiǎn)單和維護(hù)簡(jiǎn)單的 “簡(jiǎn)單配電網(wǎng)”[10]。在簡(jiǎn)單配電網(wǎng)中，充分考慮現(xiàn)場(chǎng)工程安裝、后期運(yùn)維等因素，因地制宜選擇設(shè)備及通信方式，保證用最短的時(shí)間、最少的工程量建設(shè)實(shí)用、好用、易維護(hù)的配電自動(dòng)化系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)理念

簡(jiǎn)單配電網(wǎng)的基礎(chǔ)需要更加深入的研究，因?yàn)橹挥邢到y(tǒng)各個(gè)部分都組織得更完善，也更統(tǒng)一，才會(huì)讓用戶使用起來(lái)更簡(jiǎn)單。因此，文中所述的構(gòu)成簡(jiǎn)捷實(shí)用配電自動(dòng)化系統(tǒng)的各部分，都圍繞四個(gè)基本設(shè)計(jì)理念展開(kāi)。

1)合理投資，講求實(shí)效。考慮投資性價(jià)比，聚焦能夠給配網(wǎng)運(yùn)維工作帶來(lái)實(shí)際價(jià)值的配電自動(dòng)化功能。盡可能減小系統(tǒng)規(guī)模，去掉用戶尚不明確會(huì)用到的預(yù)留功能，降低運(yùn)維難度。

2)選擇合理通信方式，注重長(zhǎng)效。選擇可靠的通信方式，是保證配電自動(dòng)化效用發(fā)揮到極致的重要一環(huán)。當(dāng)配電自動(dòng)化覆蓋率達(dá)到一定程度時(shí)，將這些廣泛分布的監(jiān)控點(diǎn)信息用可靠的通信手段收集起來(lái)，加以利用，可以大幅提升配網(wǎng)運(yùn)維質(zhì)量。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，光纖通信技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)都已經(jīng)發(fā)展得成熟可靠。對(duì)于配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定、有通信運(yùn)維力量的地方，光纖通信方式是首選；而對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快、面臨增容改造的區(qū)域，以及廣袤的農(nóng)村地區(qū)，無(wú)線通信方式是首選。

3)方便施工，降低建設(shè)難度。配網(wǎng)線路所處的地理環(huán)境復(fù)雜，氣候條件多變，施工條件差。安裝在線路上的設(shè)備最好是小型化、重量輕、現(xiàn)場(chǎng)接線少、適于帶電安裝的，從而能夠簡(jiǎn)單快速的完成現(xiàn)場(chǎng)施工。

4)簡(jiǎn)單易用，降低運(yùn)維難度。在產(chǎn)品及系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該重點(diǎn)考慮可靠性設(shè)計(jì)、防錯(cuò)設(shè)計(jì)、免維護(hù)設(shè)計(jì)，將復(fù)雜的工作留在出廠前，盡可能減少現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試工作；設(shè)備運(yùn)行要減少對(duì)用戶運(yùn)維力量的依賴，讓用戶的工作焦點(diǎn)僅關(guān)注在使用效果上。

2 自動(dòng)化終端設(shè)計(jì)

自動(dòng)化終端不僅僅指?jìng)鹘y(tǒng)意義上的二次設(shè)備，也包括與之緊密相連的一次設(shè)備。將一二次設(shè)備進(jìn)行融合設(shè)計(jì)，可減少現(xiàn)場(chǎng)一二次設(shè)備匹配的工作量，降低安裝難度，也是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

2.1 電源TV與開(kāi)關(guān)本體一體化設(shè)計(jì)

在配電網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)中，自動(dòng)化終端的低壓電源問(wèn)題一直是線路升級(jí)改造的一處瓶頸。傳統(tǒng)方案是用電磁式TV取電，在工程實(shí)施中需要單獨(dú)吊裝、接線，不但增加了工程施工量、容易出現(xiàn)接線錯(cuò)誤，而且在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)引發(fā)鐵磁諧振導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)電壓[11-12]。而電容式TV可以有效避免鐵磁諧振，且體積較小、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為電源TV與開(kāi)關(guān)本體一體化設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

電容式TV是由串聯(lián)電容器分壓，再經(jīng)小容量電磁式互感器降壓和隔離后變換成低電壓，從而實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化設(shè)備取電、測(cè)量等功能。如圖1所示，電容式TV作為工作電源和常規(guī)的電磁式TV相比具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，可以從原理上避免因電壓互感器鐵心飽和引起的鐵磁諧振。

圖1 電容式TV作為工作電源

如圖2所示，將電源TV與開(kāi)關(guān)本體一體化設(shè)計(jì)，可減少現(xiàn)場(chǎng)施工量、提高工作效率。原來(lái)需要在現(xiàn)場(chǎng)完成的匹配、接線、調(diào)試工作，都可以在工廠內(nèi)部制造時(shí)完成，在現(xiàn)場(chǎng)只需要進(jìn)行一次吊裝即可使用。通過(guò)這種一體化設(shè)計(jì)，可以減少大量發(fā)貨、運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中不必要的、易出錯(cuò)的工作。

圖2 電源TV與開(kāi)關(guān)本體一體化設(shè)計(jì)

2.2 電子式互感器與開(kāi)關(guān)一體化設(shè)計(jì)

常規(guī)開(kāi)關(guān)只帶有AC兩相電磁式TA，用于簡(jiǎn)單的過(guò)流脫扣保護(hù)。隨著電子式互感器的成熟，小型化、低功耗的電流、電壓互感器可以內(nèi)置或跟開(kāi)關(guān)一體化設(shè)計(jì)，如圖3所示，從而可以支持FTU實(shí)現(xiàn)測(cè)量、監(jiān)控、保護(hù)、計(jì)量一體化的功能，進(jìn)一步拓展配電自動(dòng)化終端的應(yīng)用范圍。

圖3 電子式互感器與開(kāi)關(guān)一體化設(shè)計(jì)

1)電子式互感器可采集零序電壓量，支持FTU實(shí)現(xiàn)零序方向保護(hù)判斷。如果將共母線的每個(gè)饋線出口裝設(shè)這種帶零序方向保護(hù)的智能開(kāi)關(guān)，就可準(zhǔn)確判斷接地故障電流的方向，即可簡(jiǎn)單易行地定位接地故障點(diǎn)，無(wú)需再配備其他復(fù)雜的接地故障監(jiān)測(cè)設(shè)備。

2)低功率電流線圈 (LPCT)具有寬范圍、高精度的電流轉(zhuǎn)換特性，可以支持FTU獲取10 kV關(guān)口各項(xiàng)計(jì)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而可以支撐一體化電量與線損管理系統(tǒng)相關(guān)業(yè)務(wù)功能應(yīng)用，提升線損精益化管理水平。無(wú)需再加裝專用計(jì)量互感器和智能電能表，簡(jiǎn)化配置，減少運(yùn)維工作量。

2.3 小型自動(dòng)化裝置 (FTU)設(shè)計(jì)

由于配網(wǎng)自動(dòng)化的建設(shè)，電線桿上安裝了許多設(shè)備，有些尺寸較大，阻礙了運(yùn)維人員上桿搶修。因此，將FTU小型化設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義。

FTU尺寸控制在380 mm×260 mm(25 kg)內(nèi)后，現(xiàn)場(chǎng)施工難度可以顯著降低。施工人員可以直接攜帶FTU上桿安裝，不需要吊裝工藝；同時(shí)FTU安裝不需要抱箍、支架等安裝金具，可以直接安裝在開(kāi)關(guān)支架下面，不影響運(yùn)維人員的搶修工作，如圖4所示。

圖4 FTU安裝在開(kāi)關(guān)支架下

3 小規(guī)模主站 (功能子站)設(shè)計(jì)

主站系統(tǒng)是配電自動(dòng)化建設(shè)的中心[13]，但是對(duì)于各縣級(jí)及中小城市供電企業(yè)，由于資金和技術(shù)的限制，主站建設(shè)實(shí)施起來(lái)比較困難。因此，功能子站應(yīng)運(yùn)而生，因其具備簡(jiǎn)單的主站功能，可在中小城市以及縣級(jí)供電企業(yè)作為 “主站”進(jìn)行使用，實(shí)現(xiàn)故障定位、故障研判、負(fù)荷監(jiān)測(cè)、各類統(tǒng)計(jì)、報(bào)表生成等基本功能。功能子站相比大主站更“簡(jiǎn)單”，更方便基層運(yùn)維人員操作，比大主站發(fā)揮出更好的效果。

3.1 功能子站與大主站的層級(jí)關(guān)系

目前，考慮到管理需要，配電自動(dòng)化主站建設(shè)多以地市為單位，少數(shù)以整個(gè)省級(jí)為單位。但是這類主站還是存在運(yùn)維主體不清的問(wèn)題，運(yùn)維主站的人不負(fù)責(zé)配網(wǎng)線路，雖然看得到數(shù)據(jù)，并不關(guān)心數(shù)據(jù)；運(yùn)維線路的人負(fù)責(zé)線路，雖然關(guān)心數(shù)據(jù)，卻又看不到數(shù)據(jù)。

因此，配置功能子站是更加實(shí)用的方式。規(guī)范功能子站接口，將功能子站做成基層數(shù)據(jù)處理單元，分層級(jí)處理數(shù)據(jù)，使得功能子站即可以獨(dú)立運(yùn)行，使基層單位不至于非要等到大主站建成后才能使用配電自動(dòng)化功能；也可以在大主站建成后，將省市層面關(guān)心的數(shù)據(jù)有選擇性的上傳至大主站的數(shù)據(jù)庫(kù)，可減少大主站的復(fù)雜配置。

3.2 縮短主站建設(shè)周期

目前建設(shè)配電自動(dòng)化主站的建設(shè)內(nèi)容涵蓋配電SCADA系統(tǒng)、GIS地理信息系統(tǒng)、配電網(wǎng)高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)[14]、需方管理系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)，建設(shè)周期多為1～5年不等。其中包括多個(gè)系統(tǒng)廠家、終端廠家的溝通協(xié)調(diào)，組織、建設(shè)和后期維護(hù)都需要大量人力物力。

采用配電自動(dòng)化功能子站的建設(shè)模式，可以讓中小城市以及縣級(jí)供電企業(yè)縮短主站建設(shè)周期，在一個(gè)月內(nèi)甚至一周內(nèi)就能夠?qū)⑾到y(tǒng)以及終端配置完畢，讓基層人員享受配電自動(dòng)化帶來(lái)的成果，有效提高工作效率，降低現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員工作量，向配電 “自動(dòng)化”和電網(wǎng) “智能化”邁出堅(jiān)實(shí)的一步。

4 防錯(cuò)功能設(shè)計(jì)

防錯(cuò)設(shè)計(jì)是保證設(shè)備簡(jiǎn)單易用的關(guān)鍵技術(shù)。在配電自動(dòng)化建設(shè)過(guò)程中，自動(dòng)化終端的現(xiàn)場(chǎng)施工安裝以及與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)掛接環(huán)節(jié)尤為重要，一旦出錯(cuò)，不僅會(huì)影響故障區(qū)位判斷，更會(huì)埋下嚴(yán)重的安全隱患。周密的防錯(cuò)設(shè)計(jì)有利于配電自動(dòng)化設(shè)備的大量推廣應(yīng)用，同時(shí)不增加基層運(yùn)維人員的工作難度。

4.1 TA變比調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)

TA變比的作用是將大電流變成小電流，主要用于計(jì)量、測(cè)量、繼電保護(hù)、監(jiān)控等二次回路中的電流測(cè)量元件使用。一般TA的二次額定電流是5A或者1A，一次額定電流根據(jù)用電負(fù)荷大小選擇。

如圖5所示，傳統(tǒng)的TA變比調(diào)節(jié)需要根據(jù)負(fù)荷在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行接線調(diào)節(jié)，經(jīng)常由于端子定義不清晰，運(yùn)維人員接線出錯(cuò)，螺絲上不緊等因素導(dǎo)致調(diào)節(jié)錯(cuò)誤，由此引起測(cè)量失準(zhǔn)，造成裝置誤判等嚴(yán)重后果。

圖5 傳統(tǒng)TA和簡(jiǎn)化TA變比調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)對(duì)比

而簡(jiǎn)化TA變比調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)內(nèi)部帶有防TA開(kāi)路的設(shè)計(jì)。運(yùn)維人員可以帶電操作，通過(guò)簡(jiǎn)單的旋鈕操作就可以完成TA變比調(diào)節(jié)，通過(guò)目視就可以清楚觀察到TA變比設(shè)置情況，可以避免傳統(tǒng)調(diào)節(jié)辦法所帶來(lái)的一系列出錯(cuò)問(wèn)題，簡(jiǎn)化TA變比調(diào)節(jié)，提高運(yùn)維工作的效率。

4.2 設(shè)備異動(dòng)管理

配電網(wǎng)本身具有線路復(fù)雜、分支線多、環(huán)境惡劣等特點(diǎn)。配電自動(dòng)化終端設(shè)備數(shù)量很多，管理難度較大。配電自動(dòng)化建設(shè)使得配電網(wǎng)的網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生改變，配電線路的升級(jí)改造時(shí)有發(fā)生。當(dāng)終端設(shè)備位置發(fā)生改變，相應(yīng)的地理位置信息、裝置信息等如何進(jìn)行管理，保證終端設(shè)備與系統(tǒng)再次無(wú)錯(cuò)掛接，成為了配電自動(dòng)化管理中的新生問(wèn)題。

GPS全球定位系統(tǒng)利用定位衛(wèi)星，能夠在全球范圍內(nèi)實(shí)時(shí)進(jìn)行定位、導(dǎo)航。GPS定位技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代科技的標(biāo)志性技術(shù)，其為車輛定位、防盜、指揮等提供了有力的技術(shù)支持。實(shí)現(xiàn)GPS功能必須具備GPS終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控平臺(tái)。

如果將GPS定位技術(shù)運(yùn)用于配電自動(dòng)化終端設(shè)備，便可以為配電網(wǎng)設(shè)備異動(dòng)管理提供有力的技術(shù)支持。通過(guò)GPS定位鎖定終端設(shè)備地理位置，并將地理位置信息上傳系統(tǒng)，當(dāng)設(shè)備地理位置發(fā)生改變時(shí)，運(yùn)維工作人員可以第一時(shí)間掌握設(shè)備信息，及時(shí)跟進(jìn)相關(guān)動(dòng)態(tài)，將設(shè)備與系統(tǒng)再次有效掛接。

4.3 主站與工程安裝的配合

在配電自動(dòng)化建設(shè)過(guò)程中，各個(gè)環(huán)節(jié)的配合繁瑣而復(fù)雜。如果有一種方法可以減少現(xiàn)場(chǎng)工作量，有效提高工作效率，那么對(duì)配電自動(dòng)化建設(shè)將功不可沒(méi)。

在以往的工程現(xiàn)場(chǎng)，自動(dòng)化終端設(shè)備安裝時(shí)需要人工記錄裝置編號(hào)、TA變比、保護(hù)定值、線路名稱、桿塔號(hào)等信息，安裝完成后需要將記錄的信息與PMIS系統(tǒng)核對(duì)，沒(méi)有PMIS系統(tǒng)的，還得人工錄入系統(tǒng)，再和系統(tǒng)進(jìn)行掛接。每一個(gè)環(huán)節(jié)都由人工完成，工作量大，其中任何一個(gè)細(xì)節(jié)出錯(cuò)都有可能引起嚴(yán)重的后果。

二維碼已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，如果在終端設(shè)備出廠時(shí)賦予其一個(gè)包含設(shè)備所有信息的二維碼。在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)只需掃描二維碼，就可以將設(shè)備信息、地理位置信息發(fā)送到主站，省去了大量的人工工作量，同時(shí)避免了人為出錯(cuò)的可能。通過(guò)自動(dòng)化手段讓工程安裝工作簡(jiǎn)單、快捷，這一創(chuàng)新成果在配電自動(dòng)化建設(shè)中具有重大意義。

5 應(yīng)用實(shí)例

某縣供電公司南中線和江益線屬于故障高發(fā)線路，每到春夏季，暴風(fēng)雨及鳥(niǎo)害嚴(yán)重，因鳥(niǎo)害及惡劣天氣造成線路頻繁故障。由于線路上缺乏自動(dòng)化手段，經(jīng)常出現(xiàn)線路末端或分支故障造成變電站出口跳閘，引發(fā)全線停電。

2014年3月，在 10 kV南中III線和10 kV江益線開(kāi)展簡(jiǎn)單配電網(wǎng)建設(shè)，安裝一體化終端設(shè)備10臺(tái)，每個(gè)一體化終端設(shè)備從安裝到系統(tǒng)數(shù)據(jù)掛接總用時(shí)不超過(guò)3 h。考慮到這兩條線路所處地形復(fù)雜，橫跨山區(qū)和湖區(qū)，選用無(wú)線APN通信方式，并部署相應(yīng)的桌面客戶端及移動(dòng)手機(jī)客戶端軟件。在5月份完成安裝調(diào)試工作，系統(tǒng)投入運(yùn)行。其中主站系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單的功能子站方式，考慮到供電公司的實(shí)際需求，功能主要聚焦于及時(shí)準(zhǔn)確地判斷、隔離線路故障，同時(shí)可對(duì)線路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)線路的負(fù)荷情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

為方便線路運(yùn)維人員及時(shí)獲得數(shù)據(jù)，每個(gè)線路運(yùn)維人員通過(guò)主站訂閱故障短信通知，同時(shí)安裝與桌面客戶端內(nèi)容相同的移動(dòng)手機(jī)客戶端。

自2014年5月系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái)，準(zhǔn)確判斷處理故障多次，線路發(fā)生故障后，該系統(tǒng)在客戶端上發(fā)出告警，同時(shí)以手機(jī)短信的方式，告知相關(guān)線路運(yùn)維人員故障的類型、位置等信息，運(yùn)維人員直接前往線路發(fā)生故障的區(qū)段處理故障，減少了故障查找的的范圍，從而縮短了故障處理的總體時(shí)間。

系統(tǒng)投運(yùn)前后線路跳閘情況比較如圖6所示。

圖6 2013—2014年同期跳閘數(shù)據(jù)比較

10 kV江益線2013年第4季度跳閘4次，2014年第4季度該系統(tǒng)投運(yùn)后江益線跳閘次數(shù)為0次，同期數(shù)據(jù)比較4∶0。

針對(duì)高故障線路整治的簡(jiǎn)單配電自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)設(shè)備總投資40萬(wàn)元，建設(shè)周期40天。系統(tǒng)建成后，故障導(dǎo)致全線停電次數(shù)大幅降低，只有去年同期的20%左右；故障處理時(shí)間縮短到約30～145 min(以往故障查找處理到恢復(fù)供電的時(shí)間常需3 h以上)。系統(tǒng)運(yùn)行效果較明顯，有效縮小了停電范圍，縮短故障查找和停電時(shí)間，提高了供電可靠性和供電服務(wù)水平。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)縣域及城郊配電網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)，如何使自動(dòng)化設(shè)備及系統(tǒng)具備易安裝、易使用、易維護(hù)的特點(diǎn)，從而帶給使用者簡(jiǎn)單易用的體驗(yàn)，提高配電網(wǎng)運(yùn)維工作的效率和品質(zhì)。

1)將電源電壓互感器、電子式電流電壓互感器與開(kāi)關(guān)本體一體化設(shè)計(jì)，減少現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)、安裝的工作量，簡(jiǎn)化接線。進(jìn)而拓展自動(dòng)化裝置 (FTU)的功能，支持簡(jiǎn)易接地故障判斷，支持關(guān)口同期線損計(jì)量管理。

2)自動(dòng)化裝置 (FTU)小型化、低功耗設(shè)計(jì)，便于與低功率互感器配合。在不減少自動(dòng)化裝置功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步減小一二次整套設(shè)備的重量、體積和功耗，增加可靠性和戶外運(yùn)行壽命。

3)防錯(cuò)設(shè)計(jì)使設(shè)備安裝和系統(tǒng)建設(shè)更簡(jiǎn)單，避免工程安裝、后期運(yùn)維中的人為錯(cuò)誤，提高自動(dòng)化系統(tǒng)的功效和品質(zhì)。

4)主站功能夠用即可，通信方式因地制宜，注重長(zhǎng)效和免維護(hù)，利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，重點(diǎn)保證基層運(yùn)維人員方便獲得轄區(qū)線路的數(shù)據(jù)。