電力系統中配網自動化的應用研究

汪云

國網江西省電力有限公司南昌供電公司，江西 南昌 330012

0 引言

在城市化建設進程不斷加快的背景下，對供電可靠性的要求隨之不斷提升。為保障社會生產生活對電能供應的基本需求，電力系統要全面實施配網自動化建設，將配網自動化系統與地理信息系統、配網網絡結構相融合，實時監控配電網電流、電壓、負荷分布的各項數據，實現對配電網數據的有效處理，提高電網故障監測、診斷、隔離和控制效率，從而提升供電服務質量，擴大終端監控范圍，節省配網運維成本。

1 配電網自動化概述

1.1 配網自動化概念

配網是電力系統中傳送電能的最后環節，主要由配電設備、監測設備、繼電保護設備、通信設備、控制裝置、補償電容器、斷路器、饋線等部分構成[1]。隨著科學技術的快速發展，配網自動化系統應運而生。配電網自動化是以計算機技術、電子技術、網絡通信技術等先進技術為依托構建起的自動化控制系統，其控制模式包括集中控制與分布控制，前者適用于通信水平較低、電網架構較為完善的電網，后者適用于需要實現故障自動識別與隔離的電網。根據發達國家的電力系統建設經驗表明，網架改造能夠將供電可靠性從99.9%提升到99.99%，而配網自動化建設能夠將供電可靠性從99.99%提升到99.999%。

1.2 配網自動化系統構成

配電網自動化系統由主站系統層、配網子站層、通信系統層和配網終端系統層構成，其中主站系統層是核心構成部分，由主站層向其他各層發出指令，集中控制信息傳輸與處理[2]。各層結構的具體功能如下。

（1）主站系統層。主站系統層負責管理配網中所有線路、設備和用戶，該層由GIS系統、EMS系統、SCADA系統、DMS系統和配電故障診斷恢復系統構成。

（2）配網子站層。該層負責監控系統內部各個設備，包括配電室設備、開關站設備、配電終端設備等，利用子站層實現主站層與所有終端設備的連接，滿足電力數據傳輸和通信需求。

（3）通信系統層。該層采用無線網絡通信技術、光纖通信技術建立起虛擬專用網絡，實現配網內部數據傳輸，以及外部公用數據網的數據傳輸。通信系統層設置安全接入區，引入加密認證技術，保證數據傳輸的安全性[3]。

（4）配網終端系統層。該層配置各種控制單元和監測設備用于控制開關設備，實現對FTU、TTU、DTU的遙控、遙測和遙信。該層不僅負責自動化監測系統運行工況、自動化識別故障類型、自動化隔離與恢復故障，而且還負責現場控制、負荷轉移與信息轉發。

1.3 配電網自動化功能

（1）數據采集功能。配電網自動化系統利用終端設備采集配電網電流、電壓、負責等數據，根據數據分析識別故障，及時發出故障報警。

（2）遠程調控功能。在架空線路運行管理中，配電網自動化系統能夠在線路發生短路故障時快速識別和隔離故障區，縮小故障影響范圍。之后，配電網自動化系統轉移負荷，將故障區域與其他正常供電網絡連接，達到遠程調控故障線路的目的。

（3）電壓調控功能。在實現投切電容器智能管理的基礎上，配電自動化系統能夠完全采集系統運行數據，滿足配網無功功率調控需求。

（4）規劃建議功能。配網自動化系統自動收集配網在運行一段時間內的信息，借助軟件分析運行數據，找出配網管理不足之處，為下一階段優化和改造配網提出規劃建議。

2 電力系統中配網自動化的應用

某城市轄區內配電網設施建設落后，存在著供電可靠性偏低、線路故障運維效率不高等問題，降低了配電網供電服務能力。為改善這一現狀，電網公司決定開展配網自動化改造，全面升級配網設施設備，共建成1臺配電自動化主站、3臺配電子站，安裝291臺配電自動化終端設備，擴大配電監控范圍。下面對某城市轄區內的配網自動化應用進行分析。

2.1 配網自動化整體方案

配網自動化系統建成一體化主站，集成調度自動化、配網自動化、線損管理、無人值班集控中心以及變電站自動化系統。配網自動化系統的功能定位包括：實現集中調配；自動定位、隔離和恢復故障；重構自動化網絡；整合配網管理系統與地理信息系統；提高供電服務質量。

2.2 主站系統層

主站系統層采用集成化建設方式，配置IDP通信接口，實時采集和分享10千伏配網系統的供電信息。主站系統提供協同管控、圖模管理、權限管理、多臺應用、數據管理、流程服務、狀態管理、報表管理等信息交換服務[4]。本次配網自動化改造，將主站系統劃分為兩大管理區，分別為生產控制區和管理信息區，各區的應用功能如下。

（1）生產控制區。生產控制區主要用于監控配網運行，其功能如下：①基本功能，包括數據采集、數據處理、操作控制、饋線自動化管理、負荷轉移、拓撲分析、事故反演、告警分析；②拓展功能，包括分布式電源接入與控制、配網經濟運行分析、專題圖生成。

（2）管理信息區。管理信息區主要用于管控配電網運行狀態，其功能如下：①智能感知，包括采集配電網數據、接入物聯網終端；②基本SCADA，包括中壓配電網數據處理、低壓配電網數據處理、數據質量校驗；③設備狀態管控，包括設備操作權限管理、設備狀態分析、智能告警、設備環境狀態監測[5]；④故障定位分析，包括饋線自動化分析、接地故障分析、單相接地故障處理；⑤自動化運維，包括配電終端管理、配網自動化運維數據統計、配網自動化系統缺陷分析；⑥人機交互，包括界面定制、移動應用、短信應用、桌面應用。

2.3 通信網絡

通信網絡是實現配網自動化系統數據傳輸的基礎設施，直接關系到配網自動化系統的響應能力和安全防護水平。本次配網自動化改造結合城市轄區配網結構特點，充分考慮故障自動化處理需求，重新規劃通信網絡建設，具體實施要點如下。

（1）網絡通信整體架構。①劃分配網自動化區域，A類區域采用光纖通信，B、C類區域采用無線通信，D、E類區域采用載波通信。②“三遙”終端覆蓋率高的區域采用無源光網絡，設備級聯數較多的區域采用以太網，尚未建設光纖網絡的區域采用載波通信。③無線公網通信采用VPN或APN訪問控制，光網絡單元支持雙MAC地址和雙PON口，以太網采用獨立纖芯。④采用DL/T634.5104標準化通信規約，對通信規約的適用性進行測試[6]。

（2）網絡通信方式。本次配網自動化改造采用以光纖通信為主，以載波通信、無線通信為輔的網絡通信方式，具體應用如下：①采用光纖網絡連接主站層與子站層，在主站層接入環網柜DTU，采用無線網絡接入柱上終端FTU；②配網自動化系統網絡通信采用分層建設方案，分別建設骨干與接入層通信網絡；③骨干光纖通信網絡建設配電數據通信專網，提供數據實時傳輸、數據安全防范功能；④采用無線網絡實現配電終端與主站系統、子站系統的通信，接入終端設備時設置加密系統。

（3）數據監測終端通信。在通信網絡支持下，要求各監測點采集到故障信息后實時傳送到故障監測終端和配網監控中心。本次配網自動化改造設計數據監測終端通信網絡，確保通信網絡覆蓋所有配電終端設備，實現對所有終端設備的狀態監測。具體包括以下兩個建設方案：①配電終端側與配電主站通過電信網絡實現通信，其中配電終端側配置無線通信模塊，配電主站配置公網前置采集服務器[7]；②配電終側與配電主站通過專線網絡實現通信，其中配電終端側配置光網通信單元，配電主站配備前置數據采集服務器。

（4）下行通信網絡。根據配電主站的網絡通信建設方案，在集中器下行通信網絡建設采用DL/T645通信協議，利用電力線載波方式抄讀智能電表計量數據，下行通信網絡運行流程如下：主站發出抄讀命令→獲得郵箱信息→發送DL/T645協議抄讀命令→讀取數據→解析處理數據→存儲數據→任務掛起。

（5）配電自動化控制柜通信網絡。當監控系統接收到子站傳輸的配電信息后，需通過遠程操作遙控終端設備，在此情況下生成大量數據，要通過光纖網絡將環網柜控制器發送的報文信息傳遞到主站，再由主站下達控制指令。環網柜控制器要具備自動分析線路運行參數的功能，對負荷開關、電纜接頭進行控制，并通過CAN總線網絡傳輸故障信息，提高監控中心獲取信息的時效性。

2.4 饋線自動化

在配網自動化系統中，饋線自動化是實現系統運行的基礎條件，要求饋線自動化具備自動檢測、故障隔離和網絡重構功能。本次配網自動化改造采用集中式饋線自動化建設方案，由主站全面監控配網線路和終端設備運行，當主站收到故障信號后采用蟻群算法快速定位故障所在區域，操作開關閉合，對區域故障進行隔離。具體的建設方案為：控制主站控制出線斷路器、分段開關、線路聯絡開關，當配電網未發生故障時斷開線路聯絡開關，當發生故障時閉合線路聯絡開關。當分段開關區段發生永久性故障時，斷路器會經過故障電流，立即斷開開關，如果繼續通過故障電流，則執行閉鎖操作。主站獲取故障信息后定位故障，根據故障所在區段斷開該區段的開關，實現故障隔離。之后，主站向線路聯絡開關發出合閘命令，恢復非故障區域供電。

2.5 配網自動化終端

本次配網自動化改造采用遮蔽立式終端站，利用架空線路、故障指示器遠程查找故障區間，快速定位故障。在供電區域主干線每間隔3～4km安裝一套配網自動化終端系統。

（1）硬件技術要求。配網自動化終端的進線、出線主開關分別選用斷路器、負荷開關熔斷器，在開關處配置保護裝置，將主開關接入到主控制器中，實時監測線路運行。終端設備技術要求如下。①故障錄波。配電自動化終端要求具備單獨設置過流故障、零序電流、線路施壓等功能，可以自動采集和傳輸線路開關位置、故障前4個周波數據、故障后8個周波數據。②主供電源。采用電壓互感器作為主供電源，具備充放電管理功能，電壓為220伏，容差為±20%，頻率為50Hz，諧波不超過10%[8]。③備用電源。采用蓄電池作為備用電源，使用壽命不超過3年。④終端結構形式。采用模塊化設計配電終端戶外結構形式，對終端設備配置防雨、防塵、密封設施。⑤二次接口。FTU接口、DTU接口均采用航空插頭連接方式。

（2）硬件設備選型。主城區環網柜主要選用遮蔽立式站所終端，該終端由通信室、端子室、終端室構成，在通信網絡支撐下，終端接入主站系統，實現對配電線路的狀態監控；城郊區采用箱式饋線終端FTU，該終端由電源模塊、測控單元、通信設備構成。因城郊區配電網以架空線路為主，易受到自然環境變化的影響，所以在終端上配置防塵防水設備。

（3）數據采集終端。數據采集終端配置中央處理模塊、數據采集模塊、線損模塊、電源模塊、集中器模塊等，集中器采集智能電表的計量數據后，通過系統總線網絡將數據傳輸到主站系統。終端與主站的通信響應時長不超過60s，無線通信模塊能夠監視終端數據變化，在光纖網絡和無線網絡支持下，數據傳輸時延控制在200ms以內。數據采集終端能夠檢查數據采集任務執行和故障告警信息，滿足實時監控功能需求。

（4）終端數據收發。終端設備要配備數據收發功能的硬件，由該設備采集各開關、環網柜的設備數據，并傳遞數據信息。數據收發模塊要實時獲取電流、電壓數據，向主站系統傳輸數據，自動監測故障，保證斷電后及時恢復供電。

3 電力系統中配網自動化的應用效益

某城市轄區實施配網自動化改造后，配電自動化設備覆蓋率提升到98%以上，大部分線路均安裝自動化終端，在應用過程中取得了顯著的綜合效益。

3.1 管理效益

在配網自動化應用后，明顯提升了供電公司的管理水平，具體表現如下。

（1）推進供電管理精細化。供電公司實時監控配電網數據，快速定位故障區域，實現了對故障識別、隔離、排除的精準化控制，保障了供電的安全性。

（2）推進供電管理集約化。配網自動化建立主站控制中心，能夠對配電子站進行集中管控，通過優化配置和利用運維檢修資源，提高了電力系統協調運行能力。

（3）推進供電管理高效化。應用配網自動化后，供電管理人員能夠實時獲得配網數據信息，為開展各項業務提供數據支撐，節省管理人員獲取數據的時間，從而提高各項業務決策從制定到落實的運行效率。

3.2 經濟效益

電力系統應用配網自動化后實現信息交互操作、終端一體化監控，有效降低了配網線路故障頻率和線路損耗，取得了良好的經濟效益。具體表現如下。

（1）降低現場操作成本。本次配網自動化改造后，每年減少負荷測量324次，節省費用62萬元。減少現場轉移負荷93次，節約費用48萬元。

（2）降低故障檢測成本。配電自動化系統應用后能夠明顯縮短故障檢測、隔離時間，壓縮故障處理耗費的成本。經統計，每年減少故障人工檢測78次，單次故障檢測成本從0.3萬元下降到0.2萬元，故障處理成本從每年的28萬元下降到6.4萬元。

（3）降低運維人力成本。配電自動化系統應用后，一次設備運維人力成本從82萬元下降到36萬元，財力支出從每年的738萬元下降到324萬元。在運維成本大幅度下降的情況下，為供電公司帶來了可觀的經濟效益。

3.3 社會效益

（1）提升供電服務形象。應用配電自動化系統后，年用戶平均停電時間從5.12h/次下降到3.92h/次，明顯縮短了停電占用的時間，能夠為用戶提供更加可靠的供電服務，減小停電對社會生產生活帶來的影響。

（2）保障區域經濟發展。應用配網自動化系統后，解決了區域供電長期存在的突然長時間停電問題，確保電力系統能夠穩定可靠向工業、商業、農業生產輸送電能，保障區域經濟正常運行。

4 結語

綜上所述，電力系統要全面實施配網自動化建設，提高配網故障檢測技術水平，為社會經濟發展提供高質量的供電服務。在配網自動化建設中，要明確配網自動化系統的功能地位，結合已有電力系統設施，制定配網自動化整體方案，合理建設主站系統、通信網絡、饋線自動化和配網自動化終端，保證配網自動化系統高效運行。