配电自动化系统方案设计与应用

姜德宏 于吉垒

摘要 从配电管理和配电自动化系统及结构和功能设计入手,简单介绍了配电管理和配电自动化系统的组成和特点,实施的情况。对该系统设计应用中遇到的问题和技术,电气设备选择、网络通信、数据库和专家系统等,进行了分析和各实现方案的比较。

关键词 配电管理系统;配电自动化;方案;应用

中图分类号 TM76 文献标识码 A 文章编号1674-6708(2009)07-0066-03

0 引言

从1998年开始,随着城乡电网改造配电自动化建设逐步开展,部分地区尝试性建立了配电自动化系统,但大部分地区还未实施或正准备实施。配电自动化系统方案还没有统一模式,徐州供电公司于1998年在全国率先尝试性建立了配电自动化系统。近几年,配电自动化规模不断扩大,系统功能不断加强,经过几年的建设实践,积累了许多可贵经验。本文结合徐州城区配电网自动化建设,提出了配电自动化系统的方案设计,并对此进行了相关探讨。

1 配电自动化监控与管理系统(DMS)简介

配电自动化监控与管理系统,是利用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术与电力设备相结合,将配电网在正常及事故情况下的监测、保护、控制、计量和供电部门的工作管理有机地融合在一起的综合性系统,其包含地理信息系统(GIS)、网络设备文件(NDF)、冗余部件管理、检修计划管理、运行规划及优化、运行及控制以及其它管理任务(故障电话管理、人员管理、计费管理等)。其中,运行及控制部分功能的自动化由配电自动化系统(DAS)实现,又可具体细分为SCADA系统、电压/无功控制、保护的协调管理及控制、馈线控制、故障处理(故障检测、定位,隔离后故障区供电)、自动抄表和负荷管理等。从这一概念出发,DMS其实涵盖了电力MIS、电力调度、变电站综合自动化、出线管理、负荷管理、供用电管理等供、配、用电多个环节,是一个包含多学科技术的综合性的大系统。

2 系统结构设计(DMS/DAS)

2.1 设计原则

配网自动化监控与管理系统是一综合信息管理系统,涉及到计算机技术、网络通信、图形技术、数据管理、自动控制等多种技术,同时,投资较大、实施复杂,牵涉到多个部门的多个工种,和城市居民生活息息相关,建设配电网自动化系统目的是提高配电网运行管理水平、提高供电质量、减少停电次数、缩短停电时间,以达到减员增效。要用系统工程的思想,采用信息优化的系统集成方法,对系统综合考虑与设计。其设计原则为:首先,应遵循实用性、安全性、经济性、开放性、发展性和灵活性的设计要求;其次,实时监控系统设计一定要保持长期连续稳定可靠运行。

2.2 系统结构

考虑到配网信息分布广、信息量大的特点,在配网当地设备(FTU、集抄系统、配变负荷管理器等)和控制中心间可设一至二级中继站(一般设在变电站,可利用原有光纤通道),形成多级层次结构。系统结构按分层分布分级分类构成,各层系统通过完善的通信系统接入集中控制中心系统,各类子系统通过计算机网络和集中控制中心系统实现信息交流,整个系统分为:配电网集中控制中心系统—中心层,配电网子站系统—中间层,配电网监控终端系统及通信网络系统—基础层。利用TCP/IP网络协议实现配调中心、中间层系统、FTU、DTU等智能终端之间的数据传输。配网自动化系统层次图,见图1。

配网控制中心与配网子站系统—中间层的通信充分利用现有城市电力数据网进行数据传输和交换,中间层与用户变(开闭所、箱变等)RTU、FTU、DTU之间的通信是配网自动化的主要通信系统,其可靠性、经济性至关重要,因此,选择多模光纤,通信网路结构采用主/从式自愈环形通信网。正常情况下,只有一个环路在使用。当发生故障时(装置故障或光缆故障),光端机能自动测量故障点,信息在到达故障点之前又返回,使用第二个环路完成通信。用这种方法,对其余的正常装置或正常光缆仍能保持通信畅通和链路完好,其结构及主要工作形态如系统结构配置,如图2所示。

2.3 系统结构设计应注意的问题

2.3.1 功能组成部分划分

将配网自动化功能划分为4组:电网运行、运行计划及其优化、维修管理、用户联系和控制。在上述主功能组的基础上,再分成若干功能,奠定配网自动化系统的主功能框架。需要强调的是:1)这4个功能组并不是各行其事,而是有着十分紧密的联系,经常交换信息,这样既可做到数据共享,更可保证控制和管理的一致性;2)数据管理的重要性。数据管理本身并不是配网自动化的功能,但是,所有的功能都包含在数据管理内,要实现庞大复杂的众多功能必须依靠数据管理来完成,这些功能所交换和共享的数据引起了功能间的联系。数据管理可确定所掌握的数据是需要相关管理的、连续不断更新的还是由若干系统共享的数据。数据管理建立了能满足配电自动化要求的新的机制和管理方法,是配电自动化不可缺少的组成部分。

2.3.2 用发展的眼光综合考虑

早期配网自动化的实施采用发展独立的、单项自动化系统来解决问题,如直接的负荷控制、大用户的远程抄表等,由于配网自动化的功能之间存在着不同程度的关联,其中大部分要求很难满足,且还无法克服在扩大应用规模时确认所需投资的合理性所遇到的困难。这种按“功能定向”的方法,已造成综合化水平非常低并带来若干反面影响,如功能重叠、数据的重复、灵活性很差和维修费用高等。

另外,配网自动化系统作为一个庞大复杂的、综合性很高的系统性工程,包含众多的设备和子系统,各功能、子系统之间存在着不同程度的关联,其本身及其所用技术又处于不断发展之中,对任一家制造商而言,根本不可能包揽一切。就徐州供电公司于2000年10月完成的配网自动化I期试点工程为例:第I期配网自动化试点工程实现4条线路,2个环自动化,主站采用NARI电网所OPEN2000系统,子站及FTU采用东方电子与徐州远通公司设备。TTU采用南京光一集中器和深圳浩宁达表计,负荷开关采用哈尔滨华通光明电力自动化公司的产品。这就要求配网自动化系统结构方案采用全面解决的方案,走系统集成之路,使得各种应用之间可共享投资和运行费用,最大限度保护用户原有的投资。

在馈线自动化方面,现有馈线终端设备不仅具有常规的遥测、遥信和遥控功能,且还集成了自动重合闸、馈线故障检测和电能质量的一些参数的检测功能,甚至集成了断路器的监视功能,且有进一步与断路器、开关相结合,机电一体化,发展成为智能化开关的趋势。显著地降低了建设、运行和维护的综合成本,为提高供电可靠性,创造了有利的条件。

故障定位和自动恢复送电可以明显地缩短停电时间。有效地解决这一问题,必须以数字式继电保护、馈线自动化和DMS系统为基础。对于故障定位,国外有人提出使用3种技术综合处理:故障距离计算法、线路故障指示器法以及不同线路区间故障概率统计法,这些信息结合在一起进行模糊逻辑处理。

2.4 中心层系统结构设计

根据我国配电运行管理机制,建立中心层系统,配网自动化系统设在调度中心,由自动化专业人员维护,配电运行工区负责配电网的监视、控制、运行管理,设配电运行工区监控中心工作站及其相应设备。中心层系统结构(DAS),如图3所示。

建立配电实时监控系统和配电管理系统功能相对独立,同时联系紧密的有机整体。

2.5 中间层结构设计

配电子站主要为配网监控层,完成配网自动化和故障管理等功能,中间层系统工作流程,见图4。它具有承上启下的作用,对下负责基础层设备管理,对上负责与中心层上传数据,同时接受中心层系统命令。

2.6 基础层结构设计

2.6.1 结构设计

结构设计包括建设范围内的电气设备,开闭所及环网柜开关改造,相关自动化设备及通信部分的设计。硬件设备包括电气一次设备(主要是电动负荷开关)、监控终端(FTU、DTU)、工作电源、通信设备以及计算机设备等。基础层结构示意图,见图5。

2.6.2 基础层结构设计需注意的问题

由于基础层牵涉面广,设备种类多,工程量大,一定要有可靠的质量保证,完善的售后服务。

1)配电线路选择

配网自动化监控和管理系统扩建工程选择应首先在城市中心区域供电线路实施。

2)电气主要设备的选择方案及问题分析

配网架空线路运行着大量一次设备:柱上断路器和柱上负荷开关,同时重合器也是由断路器加控制器构成,分段器由负荷开关加控制器构成。因此有必要对柱上一次设备加以分析。我国架空线柱上开关以断路器居多,而且负荷开关也多以断路器代替。

柱上断路器应采用真空开关管灭弧以提高分断能力,SF6气体解决相间绝缘,缩小体积。因为零表压,密封问题相对容易解决。由于真空负荷开关管和断路器开关管价格差不多,其他结构也相差无几,所以真空负荷开关可以用真空断路器代替。操动机构应当密封,以解决机构锈蚀出现误动、拒动现象。

永磁机构就其原理而言由于元件数少,可靠性很高。但要注意到其本质上还是电磁操动机构,瞬时功率大及机械特性控制是其难点,启动电容以及电子控制线路的寿命、温度特性及可靠性是操动机构总体可靠性的瓶颈,应加以高度重视,这些问题若能解决永磁机构应为首选机构。

弹簧机构若能解决密封问题,近期将成为一个适宜于柱上的操动机构。柱上断路器采用三相共箱式为好。分体柱式工艺要求高,材料问题也不好解决。

对于有重合器配置,首先要使接地电流检测灵敏度提高,并将接地故障改为慢速跳闸方式,站内应加装接地故障微机选线装置。

3) 配电自动设备选择

国产FTU、DTU、TTU技术功能一般都能满足要求。需要解决的关键问题是:

(1)温度特性(-40～+80℃);

(2)电池寿命(10年);

(3)抗强电磁干扰的能力(包括光电通模块)。

如上述指标达不到,要实现配网自动化就比较困难。

4)基础层通信方案

配网自动化对通信的要求同调度SCADA系统一样,配电自动化系统也需要一个有效的通信网,同时他有自己的特点:终端数量极多。配网系统拥有众多的开闭所、配电变压器、柱上断路器,要对这些设备进行监控就需要许多FTU和TTU,同时这些FTU随配电设备安装,地域分布广,通讯节点分散。

配网自动化系通信系统应满足下述要求:

(1)可靠性;

(2)经济性;

(3)寻址量大;

(4)双向通信;

(5)容易操作和免维护。

根据以上的要求,伴随着光纤价格的下降,目前,选择光纤通信是比较适宜的。

光纤可分为单模光纤(SMF)、多模光纤(MMF),多模光纤就是传输多个光波模式,而单模光纤只传输一个光波模式。单模光纤比多模光纤传输距离长,目前一般的光信号在多模光纤内可传6km左右,在单模光纤内可传30km。因此,单模光设备的价格要高于多模光设备。实用的光纤通常都是由多根光纤、加强芯、保护材料、固定材料等组合成光缆构成的传输线。

光纤MODEM可完成光信号与数字信号之间的相互转换。光纤MODEM一般有一个以上的数据口用以传递同步或异步信号。通信速率可达到2Mbps或更高,配网常用的通信速率一般为同步N×64K或异步19 200bps以下,故足以满足配网通信的需要。另外,还有一种光纤MODEM具有双环自愈功能(如图2中所示),通过自愈光MODEM实现的双环网,这一功能使通信的可靠性大大增强。

配网自动化系统通信主干线采用自愈光纤通信环网结构,支线采用双绞线通信,系统通信网络方案设计尽可能利用现有城市电力数据通信网络资源,配网自动化子站系统直接接入现有电力数据通信网实现与主站系统通信,本着以尽量少的通信线路满足配网自动化系统通信的要求进行设计。通过精心策划,实地勘察测量,确定架设光纤线路路由,配电网主干线采用架空光纤,利用配电网电杆及通道,在跨路部分和小区采用地下管道,配电台片内采用双绞线。

5)通信规约

采用基于TCP/IP协议下的国际标准的数据传输规约(如IEC-870-5-104),串行接口采用DNP3.0、IEC-870-5-101等。

3 结论

城市规模的不断扩大和经济的发展对配网自动化提出了更高的要求,配电网自动化也是电力系统现代化发展的必然趋势,技术在不断发展,用户的需求也不断提高。参照发达国家和地区的经验,结合我们自己的实际情况,按照“全面规划、控制规模、局部试点、分步实施”的有关精神,综合考虑近期与远期、全局与局部、主要与次要的关系,设计开发出先进、通用、标准的配电网自动化系统方案,对电力市场的发展和完善具有重要的意义。

参考文献

[1]李冶,武建文.电网自动化开关设备几个关键技术[J].电力系统自动化时代.

[2]王明俊,于尔铿,刘广一.配电系统自动化及其发展[M].中国电力出版社,1998,1.