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概述
配電系統(tǒng)自動化是城市電網規(guī)劃建設的重要內容,實施配電系統(tǒng)自動化,應當在規(guī)劃和建設好城市配電網網架的基礎上,緊緊圍繞提高供電可靠性和電能質量、改善對用戶的服務、提高供電企業(yè)的經濟效益三大目標。
經過“九五”大規(guī)模的城市電網改造,許多大中城市的電網已經基本具備實施配電系統(tǒng)自動化的條件,但我國配電系統(tǒng)自動化的實踐時間不長,許多技術問題有待運行實踐的考驗,功能有待于逐步完善。為此,我們必須制定好本地區(qū)配電系統(tǒng)自動化的發(fā)展規(guī)劃和實施計劃,期望配電系統(tǒng)自動化在我國有一個較大的發(fā)展。
[b]1配電自動化的主要功能
[/b] 配電系統(tǒng)自動化的主要功能應包括:
(1)調度自動化(SCADA)。
?。?)變電站自動化系統(tǒng)。
?。?)饋線自動化(FA)、配網自動化(DA)。
?。?)配電網自動制圖/設備管理/地理信息系統(tǒng)(AM/FM/GIS)。
?。?)用戶故障電話投訴(報修)系統(tǒng)(TCM)。
?。?)配電工作管理系統(tǒng)(DJM)。
?。?)配電網應用軟件。
(8)用電營業(yè)自動化系統(tǒng)。
?。?)負荷管理系統(tǒng)。
?。?0)遠方自動抄表系統(tǒng)。
?。?1)配電變壓器在線監(jiān)測裝置。
?。?2)中、低壓側無功補償的自動控制。
在以上功能中,(1)~(7)為當前要重點開發(fā)的功能,其他為已經和正在實施的相關子功能。其中調度SCADA,其常規(guī)功能與現有產品相同,但為實現配網自動化,還必須進行功能的擴展和開發(fā)。
[b]2 10 kV饋線自動化
[/b] 2.1 饋線自動化的分類
按照實施的原理分:電壓型或稱電壓-時間型(日本模式)饋線自動化,電流型(美國模式)饋線自動化,改進的電壓型饋線自動化,遠方控制型饋線自動化。
按照有無信道分:無信道的饋線自動化,有信道的饋線自動化。
按照遠方控制類型分:由變電站控制的饋線自動化(二級主站),由調度控制中心控制的饋線自動化(一級主站)。
2.2 電壓型饋線自動化(無信道)
圖1表示了一個電壓型饋線自動化,當在區(qū)段2發(fā)生故障時的動作過程示意圖。
變電站A側的10kV饋線分為4段,通過聯絡開關LD與對側變電站的饋線聯絡。線路斷路器CB1上配置繼電保護裝置,用來切除故障電流。線路分段開關FD1-FD3采用負荷開關,其動作特征為:(1)當分段開關兩側失壓時,分段開關瞬時自動分閘。(2)當分段開關一側帶電時,經x秒時間自動合閘。(3)合閘后有電檢出時間整定為y秒,當y>x時,判斷為正常狀態(tài)。當y<x時,判斷為合閘永久故障,在第二次失壓后將永久閉鎖重合閘。(4)聯絡開關LD可以手動或自動方式。在自動方式,當一側有電另一側失電時,經過大于線路一側斷路器切除永久故障兩次重合的全部周期的延時自動合閘。
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電壓型饋線自動化的特點為:(1)采用負荷開關作為分段開關,成本比采用斷路器低(約低20%)。(2)主要靠事先設定的邏輯配合完成規(guī)定的動作程序,避免了復雜的繼電保護整定配合。(3)對不具備信道條件的配電網,有其推廣價值。
其缺點主要有:(1)恢復供電的時間相對較長。(2)對切除永久故障,主供線路側重合兩次受短路電流沖擊兩次(與沒有實現饋線自動化情況相同),備供線路側也要重合一次并受到一次短路電流的沖擊,且波及線路對側的用戶不必要的短時間陪停電。(3)要對變電站饋線現有的保護及重合閘裝置進行改進,使之與動作邏輯相適應,或另加重合器。
2.3 電流型饋線自動化(無信道)
這種類型主要在美國城市配電網中應用。在圖1中的分段開關、聯絡開關均采用帶重合功能的斷路器,并且配置繼電保護裝置,當在FD1-FD2之間的區(qū)段發(fā)生故障時,由靠近故障點的分段開關FD1和FD2的繼電保護裝置動作將故障切除。
電流型饋線自動化的優(yōu)點是邏輯關系簡單,可以快速隔離故障,一個區(qū)段故障不影響其他區(qū)段的供電。其缺點是斷電保護配置和整定復雜。以下對采用定時限和反時限電流保護的兩種配置方式進行分析:
?。?)采用定時限電流保護
瞬時或限時電流速動保護——由于城網10 kV線路供電半徑短,僅3~5 km,再經過分段以后,每段線路始端和末端的短路電流水平變化不大,電流速動保護幾乎沒有保護范圍。
過電流保護——由于10kV饋線過電流保護已經是電網中最末一級的后備保護,其動作時限一般取1~1.5s。要保證與饋線上幾個分段開關保護裝置在時間上的逐級配合,考慮分段開關的固有分閘時間(約200 ms),時間級差至少要0.3~0.5s,用定時限過流保護也是無法配合的。
(2)采用反時限過流保護
利用保護裝置的反時限動作特性取得配合。在美國取得了成功的運行經驗,但反時限過流保護的整定配合十分復雜。
國內城市電網不宜采用電流型饋線自動化方案。在農村電網中是否可以采用電流型饋線自動化方案,也需要針對具體電網進行分析后確定。
2.4 改進的電壓型饋線自動化
國內針對電壓型饋線自動化的上述缺點正在開發(fā)電壓型饋線自動化的改進產品,下面介紹兩種方案:
?。?)分段開關具有檢測短脈沖(脈沖電壓≥30%額定電壓,持續(xù)時間≥150 ms)閉鎖反向來電合閘功能。
圖2表示在區(qū)段2發(fā)生永久故障時的動作過程(說明略)。當FD1合閘于故障時,FD2已檢測到一個極短的帶電脈沖,對反向來電其合閘回路被永久閉鎖,故障區(qū)段被隔離。[/align][img=566,282]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/zjdl/2001-1/3-1.jpg[/img]
該方案有新的思路,對不對稱故障均可實現反向來電閉鎖。缺點是當發(fā)生三相短路時,故障點以遠側的分段開關可能檢測不到短脈沖信號,因而無法實現反向來電閉鎖。
?。?)分段開關、聯絡開關帶后加速保護
在圖1的基礎上,做了以下改進:分段開關和聯絡開關全部采用斷路器,在分段開關和聯絡開關上配置帶重合閘后加速的保護裝置,該裝置僅在重合閘啟動后投入。后加速保護動作延時t2小于變電站饋線斷路器的限時速動保護的動作延時t1。由于后加速保護僅在重合閘動作后與變電站饋線保護配合,一般易于整定。
圖3表示在區(qū)段2發(fā)生故障時的動作過程(說明略)。當分段開關FD1、FD2重合到永久故障時,則加速跳閘并閉鎖重合閘,故障被隔離。
以上兩個改進方案的主要不同點在于:方案(1)的分段開關可采用負荷開關,而方案(2)的分段開關則必須采用斷路器。
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2.5 具有遠方遙控功能的饋線自動化
遠方遙控的方案有三種:
?。?)在確定故障區(qū)段的基礎上,對圖1遠離故障區(qū)段中的聯絡開關LD、分段開關FD3進行遙控操作。以加快恢復非故障區(qū)段的供電。
(2)在二級主站,進行故障的定位、隔離和恢復供電。
(3)在一級主站,進行故障的定位、隔離和恢復供電。
第一種適用于饋線自動化發(fā)展的初期,在建設信道的基礎上增加下行的遙控功能,由調度中心人工發(fā)出操作指令。第二種適用于網絡結構簡單、規(guī)模較小的配電網,它只是簡單的網絡結構的重組,實現負荷轉移。第三種適用于多分段多聯絡的復雜配網的饋線自動化,它具備更強也更合理的網絡優(yōu)化和網絡結構重組的功能。這實際上已超出了單條饋線自動化(FA)的范疇,而構成配網自動化(DA)。
由一級或二級主站實現的遠方遙控型饋線自動化是基于“面保護”的原理。即各個分段開關不配置單獨的繼電保護裝置,而是利用信道將各個分段開關的故障電流信息上報到主站,主站據此來綜合判斷故障區(qū)段。圖4表示區(qū)段3發(fā)生多相故障時的實例:當一個區(qū)段的兩側分段開關,都流過故障電流(如1、2區(qū)段),或都沒有故障電流流過(如4區(qū)段),則判斷為非故障區(qū)段。當一個區(qū)段的一側分段開關(靠近電源側)流過故障電流,而另一側分段開關(遠電源側開關)沒有故障電流流過時,則判斷為故障區(qū)段,如圖4中的3區(qū)段。顯然,由于故障區(qū)段的確定需要數s或更多時間,故障電流的切除必須仍由變電站饋線斷路器來完成。故障區(qū)段確定后,主站發(fā)出指令,將FD2、FD3分段開關跳閘,并按一定的程序將變電站饋線斷路器和聯絡開關LD合閘,恢復對非故障區(qū)段的供電。
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遠方遙控型配網自動化(DA)的優(yōu)點是:(1)加快故障區(qū)域的隔離,縮短了故障處理過程。(2)加快非故障區(qū)域的恢復供電。(3)減少對系統(tǒng)的沖擊次數。(4)網絡的重構和優(yōu)化可以在滿足多約束條件的情況下,改善電壓質量和降低網損。
[b]3 用戶故障電話投訴系統(tǒng)
[/b] 配電網內有大量的分支線和配電變壓器及相應的保護器具和操作閘刀,通過這些設備與廣大用戶緊密聯系在一起。對于分支線、配電變壓器及其低壓側故障造成對部分用戶停電時,不具備實時控制的手段。用戶故障電話投訴系統(tǒng)正是在這種背景下產生的。該系統(tǒng)建成后,根據停電用戶的投訴電話,確定停電用戶的電網位置,按照網絡拓撲結構來判別配電網的故障范圍。以圖5為例,當故障停電的用戶都屬于配電變壓器2的供電范圍,則可判定是在配電變壓器2供電的范圍內發(fā)生故障;當停電的用戶分散在分支線1供電的兩個或幾個配電變壓器的供電范圍,則可判定為分支線1發(fā)生故障;如果停電的用戶分散在幾條分支線的范圍,則可能為主干線發(fā)生故障,依次類推。反之,若僅僅只有一個停電用戶來投訴本用戶停電,則很可能是用戶內部的線路發(fā)生故障。[/align]
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顯然,帶有地理背景的配電網接線圖,以及從用電營業(yè)管理系統(tǒng)獲取有關用戶歷史信息,是處理故障投訴電話的基礎。該系統(tǒng)的采用,不僅可彌補配電網實時信息量的不足,還可建立電力部門和用戶間的良好關系,及時回答用戶最關心的停電原因、恢復送電時間等熱點問題,進一步改善對用戶的服務質量。
[b]4 調度SCADA系統(tǒng)
[/b] 調度SCADA系統(tǒng)除了采集變電站內屬于配網的實時信息外,還應通過饋線遠方終端(FTU)采集10kV柱上開關、環(huán)網開關柜等設備的實時信息,開發(fā)必要的應用軟件,建設通信通道。調度SCA-DA不僅應具有一般常規(guī)的功能,還應根據實現配電系統(tǒng)自動化的要求、配電網的特點,實現以下一些新的功能:
(1)人機界面友好,操作方便,采用全圖形顯示和多窗口技術。
(2)線路的動態(tài)著色和局部追蹤功能。
(3)設備故障診斷、隔離和恢復。
?。?)設備定位。
5 配電網分析應用軟件
配電網分析應用軟件主要包括:(1)網絡建模,(2)網絡拓撲,(3)狀態(tài)估計,(4)負荷建模和校準,(5)配電網潮流,(6)故障定位、隔離和恢復,(7)網絡結構重構和優(yōu)化。
對三相不平衡度大于5%的配電網,希望開發(fā)適應三相不平衡配電系統(tǒng)的配電網潮流軟件。
網絡結構重構和優(yōu)化的約束條件為:(1)對用戶停電范圍最??;(2)設備及線路不過載;(3)電壓質量合格;(4)開關操作次數較少;(5)網絡損耗較小;(6)各饋線之間負荷盡可能均勻分配。
國內對配電網應用軟件已經進行了許多的研究工作。但適用于配電網的網絡結構重構和優(yōu)化的軟件,還須要繼續(xù)積累運行經驗并不斷加以改進。
[b]6 配電網地理信息系統(tǒng)
[/b] 城市配電網地理信息系統(tǒng)是在城市地理圖的背景上,對城市配電網的結構用地理圖形加以描述。最終形成一個具有配電網網絡特征、用戶特征和地理特征的地理信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)是建設配電系統(tǒng)自動化的一項關鍵技術。要在這個系統(tǒng)平臺上,將配電網在線數據和離線數據、配電網數據和用戶數據、電網圖形和地理圖形有效地集成起來,主要應用于下列方面(見圖6)。
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?。?)為調度SCADA提供地理背景畫面,為調度員提供一個有效的、符合實際的、直觀的具有地理信息的網絡模型。
?。?)作為處理故障投訴電話的基礎。
?。?)向用電營業(yè)管理系統(tǒng)提供多種形式的信息,對用戶進行申請報裝接電、負荷管理等業(yè)務營運工作。查詢有關用戶地理位置,自動生成幾種供電方案,有效地減少現場查勘工作量,加快新用戶用電報裝的速度,直至實現電話報裝。
?。?)向配電工作管理系統(tǒng)提供地理背景,作為配電網設備運行、檢修、設計和施工管理的基礎。
?。?)為城市電網規(guī)劃提供地理背景,確定合理可行的線路(電纜)路徑和變電站、開閉所的所址。
[b]7 配電工作管理
[/b] 配電工作管理是在GIS提供的地理背景圖形界面上,對配電網絡的日常工作進行全面的運行管理。包括:配電網的運行工作管理,設備檢修管理,檔案和統(tǒng)計管理,統(tǒng)計報表,配電工程設計、竣工圖和竣工報告的管理。
根據國外成功的實踐,對配電系統(tǒng)自動化的數據進行有效率的維護,是十分關鍵的管理工作。即配電網改造工程的施工圖紙,必須在同一個地理信息系統(tǒng)上完成,保證施工圖符合當前實際。當施工完成后,必須及時將符合實際的竣工圖返回到地理信息系統(tǒng),使該系統(tǒng)始終保持和現場情況的一致。
8 開發(fā)應用的主要原則
配電系統(tǒng)自動化是配電網、變電所、用戶的自動化綜合體系,具有監(jiān)視、控制和保護、設計施工和維護、管理和服務等基本功能,涉及的管理面廣,專業(yè)部門多,數據量大,資金投入高,周期長,在開發(fā)和應用中,應遵循以下幾個主要原則。
8.1 加強領導,統(tǒng)一規(guī)劃,分步實施
配電系統(tǒng)自動化的開發(fā)和應用,是從傳統(tǒng)的手工管理方式向現代化管理方式的轉變,能否完成這次轉變,取決于多方面的因素:
?。?)配電系統(tǒng)自動化是個投入較高的產業(yè),因此一個地區(qū)配電系統(tǒng)自動化技術的應用,首先取決于該地區(qū)的經濟發(fā)展水平,對供電可靠性要求的程度,必須注意投入產出的效益。
?。?)配電系統(tǒng)自動化涉及到多個專業(yè)部門的協(xié)調行動,各級領導對該項技術應用的認識程度是關鍵。只有領導層的協(xié)調行動才能解決諸如資金、管理、體制、人才等許多必須解決的問題。
?。?)在規(guī)劃好建設好城市配電網的基礎上,進行配電系統(tǒng)自動化的規(guī)劃和建設。做好統(tǒng)一規(guī)劃,分步實施,包括功能的逐步完善和應用范圍的逐步擴展。
?。?)人才儲備是根本。
?。?)加強基礎數據的收集和整理,使之適應現代化管理的需要。例如電子地圖的建立就必須盡早籌劃和準備。
8.2 規(guī)劃和建設好城市配電網
城市配電網要按以下原則建設,這也是實施配電自動化的基本條件:
?。?)保證在110 kV電網發(fā)生事故情況下,110kV的變電容量、10 kV主干線有足夠的轉移負荷的能力。
1)有兩個及以上可靠的獨立電源(220 kV變電站-110 kV變電站)向中壓配電網供電。中壓配電網形成環(huán)網接線、開環(huán)運行的供電方式。
2)相互聯絡的饋電線路應有足夠的備用容量,來承擔故障線路所轉移的負荷電流。因此,主干線應采用大截面導線,正常運行方式下的負荷電流,應為按發(fā)熱允許輸送電流的2/3到1/2。
國外發(fā)達國家的中壓配電網已發(fā)展成所有饋線都具有轉移負荷的能力,國內許多大城市的配電網也正在向這個方面努力。
?。?)將10 kV饋線適當合理的分段。饋線分段并不是越多越好,過多的分段將使供電成本急劇增加,而供電可靠性并不成比例地提高。一般應按負荷密度的高低,經過技術經濟比較,來決定段數。
浙江省城市電網規(guī)定:每條10 kV線路正常負荷電流控制在200 A,最大負荷電流為300 A。一般以3~4段為宜。每條10 kV線路裝接變壓器總容量宜≤1萬kVA,每分段裝接變壓器總容量宜控制在2500~3000 kVA以內。
?。?)實施饋線自動化的效益。若將變電站所有饋線按照環(huán)網方式實現“環(huán)網接線、開環(huán)運行”供電,其供電可靠率可以達到99.96%~99.98%。而實施饋線自動化可以再提高供電可靠率約0.02個百分點。對供電可靠率處于較低水平的配電網,實施饋線自動化雖然也能使可靠率提高,但無疑是舍本逐末的方法。
8.3 經濟效益的原則
影響配電系統(tǒng)自動化經濟效益的因素很多,如線路分段的段數、分段開關的選型(負荷開關或斷路器)、調度主站的選型、通信通道方式的選擇、實時信息量的采集、對業(yè)主方的投資保護等等,都應在做好技術經濟比較的基礎上,因地制宜地做出決策。
關于實時信息量的采集規(guī)模,是一項重要指標,直接影響主站的規(guī)模和對軟件功能的設計,對投資影響的敏感度最高。國外每個國家的做法不同,這與每個國家的國情國力有關:
?。?)美國紐約配電網,至1997年約對1/3配電變壓器和1/2~2/3的開關實行遙控。日本東京電力公司則是在電壓型饋線自動化的基礎上,開始向遠方遙控和集中控制的方向發(fā)展。西班牙IBER-DROLA電力公司曾就配電網實時量的采集與控制專門請咨詢公司咨詢,結論是實時數據的采集量和控制量約占全部對象總量的8%較合適,在實際工程實施中可能還不到8%,有的國家認為可以到10%。采用多大的比例適合我們的國情應進行專題論證。
?。?)配電變壓器實時信息量的采集。首先,要規(guī)劃和建設好低壓配電網的供電方案,確定合理的供電半徑和配電變壓器容量,保證小區(qū)變壓器在經濟狀態(tài)下運行和用戶的電壓質量,形成比較規(guī)范的供電模式。為此,有必要對不同類型的用戶進行典型的配電變壓器的實時狀態(tài)的監(jiān)測,為低壓網的規(guī)劃提供足夠的基礎資料。但從長遠看,當低壓網的規(guī)劃和建設到位后,并不需要也沒有可能對所有配電變壓器進行實時監(jiān)測。
(3)其他可替代的方案。
通過建立各種類型的配電變壓器的負荷模型,把變電所饋線實測的負荷電流分配到相連接的配電變壓器上或對各分段負荷電流按比例分配。使網絡負荷點的負荷或分段負荷與所在變電所饋線端口記錄的實測負荷相匹配。
關于對業(yè)主方投資的保護,具有下列含意:(1)與業(yè)主方已經開發(fā)的計算機應用子系統(tǒng)做好接口,避免資源的浪費。(2)提供不同子系統(tǒng)、不同制造商產品之間數據格式轉換的技術手段,避免大量原始數據的重復輸入。(3)注意不同制造商產品之間的連接。
8.4 關于系統(tǒng)選型
在分析功能需求的基礎上,做好系統(tǒng)總體設計,提出詳細的技術指標。本文重點對集成性、開放性加以闡明。
目前國內外制造商還是基于兩個主要平臺:調度SCADA平臺和地理信息系統(tǒng)(GIS)平臺。平臺的集成要求有一個統(tǒng)一的數據環(huán)境,對配電網和用戶的數據的維護、修改和更新是唯一的,以適應配電網及用戶的數據變化的頻度很高的特點,并能保證:(1)調度操作的安全,(2)現場檢修施工作業(yè)的安全,(3)用戶業(yè)擴報裝的準確和及時,(4)配電管理工作效率的提高。
就當前技術發(fā)展水平和產品情況看,系統(tǒng)有以下幾種類型:
(1)由于歷史發(fā)展的原因,先有調度SCADA,后有GIS,這兩個系統(tǒng)平臺完全獨立,各不相關。
?。?)在GIS平臺上實施SCADA功能。制造商必須明確該系統(tǒng)可適用的電網規(guī)模和范圍。
(3)在兩個平臺上實現數據集成,有三個階段:
1)單方向性地將SCADA的實時數據傳送到GIS平臺,但在SCADA上無法看到GIS的數據和圖形,調度臺上要有SCADA和GIS兩個工作站。
2)圖形交換,在同一個工作站既可以看SCA-DA的內容也可以看到GIS的內容。
3)同一數據環(huán)境,此時不僅在同一個工作站既可以看SCADA的內容也可以看到GIS的內容,而且統(tǒng)一的數據環(huán)境下對配電網設備數據進行維護,保證了數據的一致性和唯一性。
?。?)將SCADA數據和GIS數據“揉合”在同一個數據庫中。這僅是設想,還沒有看到運行的實踐。
關于系統(tǒng)開放性,有很多具體的要求,但歸結起來就是要優(yōu)化系統(tǒng)資源配置,系統(tǒng)硬件盡可能地使用標準化通用產品,應用軟件應能在主要的計算機機型上運行,使用商業(yè)化的通用數據庫作為歷史數據庫,采用標準的TCP/IP網絡協(xié)議,支持多種RTU(FTU)規(guī)約,采用API應用程序接口,具備用戶應用軟件的開發(fā)環(huán)境等。
8.5 做好相應的通信通道規(guī)劃和建設
實施配電系統(tǒng)自動化必須有一個完善的通訊規(guī)劃,應將通信通道規(guī)劃和建設作為配電系統(tǒng)自動化建設的一個重要組成部分。
配電系統(tǒng)自動化的信息通道的設計,應考慮其自身的特點:(1)配電通訊網中的節(jié)點很多,且分散、交叉。(2)各節(jié)點的距離較近。(3)各監(jiān)控點的信息量較少,且應具有信息量主動上報的功能。(4)通訊路由要適應配電網結構的經常變化,具有路由選擇的多樣化。
可選的通訊方式有:音頻有線通訊,無線通訊,光纖通訊,配電網中壓載波。在選擇通訊方式時,應根據傳送信息量的多少、可靠性、傳輸速率、抗干擾能力、衰耗等因素,因地制宜,經技術經濟比較,綜合確定。一般宜采用混合方式,提倡通訊通道的綜合利用,避免重復投資。
8.6 配電系統(tǒng)自動化一次/二次設備的選型
配電系統(tǒng)自動化的實施將使配電網的一二次設備數量成倍地增加。此外增加了大量高科技的桿上產品(智能化的桿上開關、FTU等),由于室外運行條件的惡劣,將有可能擴大高空作業(yè)的范圍,這將會大大增加運行維護的成本。為此必須采用高可靠性、免維護的產品,否則供電企業(yè)將不堪重負。與開關配套的CT、PT等附屬設備宜采用內置式。
對室外設備必須滿足防銹蝕、防結露、防泄漏、耐受的溫度變化范圍廣、操作機構低功耗、長壽命電池等一系列技術要求。