FTU技术在张掖市农网建设中的应用分析

黄锦

（河西学院 机电工程系，甘肃 张掖 734000）

目前，我国农电系统面临着重大的发展机遇和挑战，对农电系统的现实状况和发展目标及任务做出充分的分析与判断，才能为社会主义新农村建设提供优质、高效的服务。抓住机遇，自觉地适应我国农网发展的要求，针对张掖市农电系统的技术发展现状、存在问题，以及农电负荷变化等情况进行了深入调查，并在此基础基于柔性输电理论分析研究，提出解决张掖市农网电能质量及供电可靠性的切实可行的技术方案，即在张掖市农网中FTU技术解决农网电能质量及供电可靠性。该方案为今后张掖市农网的进一步改造提出决策依据。

1 馈线自动化终端FTU技术

1.1 馈线自动化终端FTU技术简介

馈线自动化终端（Feeder Terminal Unit，FTU）是自动化系统与一次设备联接的接口，主要用于配电系统变压器、断路器、重合器、分段器、柱上负荷开关、环网柜、调压器、无功补偿电容器的监视和控制，与馈线主站通信，提供配电系统运行控制及管理所需的数据，执行主站给出的对配电设备的控制调节指令，以实现馈线自动化的各项功能。FTU实质上是介于远方终端（RTU）与继电保护之间的一种自动化终端。

1.2 馈线自动化终端FTU技术的作用

在配电自动化系统中，馈线自动化是基础，因此应以馈线自动化为切入点，逐步实现配电自动化，一般，馈线自动化能起到以下作用：

1）减少停电时间，提高供电可靠性 农电网络经过改造后，可以实现“手拉手”或环网供电方式，利用馈线自动化系统，可对配电线路进行故障检测定位、自动隔离故障区段并恢复对非故障区段的供电。这样，就缩小了停电范围，大大提高了供电可靠性[1]。

2）提高供电质量 通过实时监视运行状态，适时进行负荷转带及电容器投切，保证供电质量。

3）改善用户服务质量 通过用户侧管理手段，提高服务水平和服务质量。

4）降低电能损耗 通过优化网络结构及无功配置，减少线损。

5）提高设备利用率，节省基本建设投资 减少后备容量优化运行方式，提高设备利用率。

6）减少配电检修维护费用 在正常运行时可对各类配电设备、线路进行在线监测；在发生故障时可对故障进行自动定位，确定故障类型，节省检修维护费用。

7）节省总投资 实施馈线自动化所需要的线路改造、设备投资是比较大，但总体上可节省投资。首先，线路经过改造后提高了设备利用率，节省了电力设施基本建设投资；其次，实施馈线自动化后，能提供信道、中心站设备等共享资源，可在其基础上扩充其它配电自动化子系统，如配变监控子系统、自动抄表子系统，避免进行重复投资。

2 张掖市农村电网存在的问题

1）电力网架结构薄弱 随着农村经济发展，乡镇企业异军突起，在农村形成了新的用电大户，给本来就很脆弱的10 kV网架结构增加了新的压力。薄弱的网架结构成为制约农村用电的“瓶颈”，在一定程度上制约着农村经济的发展，带来了新的供需矛盾[2]。

2）供电半径增大 最大供电半径850 m。用电高峰时，电压低，损耗大，导线发热，故障频繁，安全、可靠供电难以保证。

3）变压器容量小 负荷增长速度快，严重超过变压器的设计承载能力。电压质量差，客户反映强烈。

4）自动化水平低、技术落后 电网自动化技术，特别是县级配电调度自动化，微机继电保护技术、新型自动化装置，无功补偿技术等方面技术和装置都比较落后。

5）供电可靠性低、供电质量不高 随着张掖市农村经济的不断发展，面对农村电网中日益增加的工业用电负荷，尤其是在轧钢、硅铁等乡镇企业中的轧机、电焊机、电弧炉及农用灌溉水泵等冲击性负荷，这些负荷会导致各种电能质量问题，如功率因数降低，波形畸变，电压闪变和三相不平衡等，严重影响网络上其它负荷的正常运行，因此，迫切需要解决供电质量和供电可靠性的问题。

3 FTU技术在张掖农网建设中的实施方案

目前馈线自动化大致可分为两类：1）基于具有就地控制功能的线路自动重合器或分段器的馈线自动化系统；2）基于馈线FTU和通信网络的馈线自动化系统。由于第一种方案存在切断故障时间较长、系统可靠性低、可能扩大事故影响范围、仅在故障时才能发挥作用、不能远方遥控完成正常的倒闸操作、不能实时监视线路状况、无法掌握用户用电规律以及不能最优地管理运行电网等缺点，并且随着电子与通信技术的发展所导致的馈线FTU和通信网络建设成本的降低，在一些乡镇企业发达的对供电质量和可靠性要求相对较高农网中，采用基于FTU的馈线自动化技术将得到很好的社会经济效益。

3.1 基于FTU的馈线自动化技术简介

基于FTU的馈线自动化系统是通过在变电所出口断路器及户外馈线分段开关处安装柱上FTU，以及在配电变压器处安装TTU，并建设可靠的通信网络将它们和配电网控制中心的数据采集与监视控制系统[3]（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系统连接，再配合相关的处理软件所构成的高性能系统。

该系统在正常情况下，远方实时监视馈线分段开关与联络开关的状态和馈线电流、电压情况，并实现线路开关的远方合闸和分闸操作以优化配网的运行方式，从而达到充分发挥现有设备容量和降低线损的目的；在故障时获取故障信息，并自动判别和隔离馈线故障区段以及恢复对非故障区域的供电，从而达到减小停电面积和缩短停电时间的目的。其主要功能包括：1）配网馈线运行状态监测；2）馈线故障检测；3）故障定位；4）故障隔离；5）馈线负荷重新优化配置（网络重构）；6）无故障区段供电恢复；7）馈线过负荷时，系统切换操作；8）正常计划调度操作；9）馈线开关远方控制操作；10）统计及记录：开关动作次数累计、供电可靠性统计、事故记录报告、负荷记录等。

3.2 馈线自动化技术实施的条件

1）要推行配电网“手拉手”方式环网供电，优化配网结构。为实现FTU馈线自动化提供网架基础。目前比较常见的是环状网。

2）要采用可靠的、长寿命的可远方操作，并少或免维护的负荷开关。

3）要有功能完善，满足室外恶劣环境的与负荷开关配套监控FTU。

4）要有可靠的、高速率的通信网络。一个高性能的通信系统的建设是配电馈线自动化系统实施成败的关键之一。

5）主站软件功能完善，硬件上有足够的处理速度和裕度，确保电网正常与故障情况时运行的可靠性。

3.3 适合于张掖市农村电网的馈线自动化系统的构成

适合张掖市农村电网的基于FTU的馈线自动化系统可分为一次设备、控制箱（FTU）、分散多点通信子系统、FA控制主站（负责一条馈线的主FTU）及SCADA/DMS（配电管理系统）主站等5个层次[4]。

3.3.1 一次设备

1）开关 馈线自动化所选用的负荷开关、分段器要具备电动操作功能。在电缆线路中采用台式安装方式，而在架空线路上采用柱上安装方式。从实现故障区段的隔离及恢复供电的功能角度来说，线路开关是在变电所内断路器切除故障后，线路处于停电状态下操作的，可选用无电流开断能力的“死”线（deadline）分段开关，以减少开关的投资。

2）电压、电流互感（传感）器 传统的电压、电流互感器体积大、成本高，不适于在变电所外的线路上使用。馈电线路监控系统对电压、电流变换器的负载能力及精度要求相对较低，一般使用电压、电流传感器装置。这些传感器体积小、造价低，它们内嵌在绝缘子内，配套安装在柱上开关上或线路开关柜内。

3.3.2 FTU设备

FTU是基于FTU的馈线自动化系统的核心设备，其性能要求主要有：1）遥信功能；2）遥测功能；3）遥控功能；4）统计功能；5）对时功能；6）时间顺序记录（SOE）；7）事故记录；8）定值远方修改和召唤；9）自检和自恢复功能；10）远方控制闭锁与手动操作功能；11）远程通信功能；12）抗恶劣环境；13）电能量采集；14）微机保护；15）故障录波。以上功能可由各个供电部门根据自身农网特点要求选择配置。

3.3.3 多点分散通信子系统

1）通信方式 馈线自动化通信的特点是点多、分散，但距离较短，要交换的信息量少，速率要求相对较低。对它的要求除可靠、成本低外，还应考虑不受配电网故障的影响以及能在线路故障时正常通信。可供选择的通信方式有：①无线电通讯；②配电线载波；③专用线缆；④光纤；⑤电话线；⑥卫星通讯。

由于在农网中实现基于FTU的馈线自动化系统应尽量降低成本，所以应采用多种通信方式混合的手段。

2）通信规约 采用符合OSI系统模型的开放式规约（如IEC807-5-101规约），力争做到接口标准化规范化，便于选用不同公司的产品构筑系统，从而进一步降低农网馈线自动化成本。

3.3.4 FA控制主站（主FTU）

为达到迅速、准确处理配电事故，提高电网安全可靠性，减轻主站的负担，缩短信道的距离，减少误码率的目的，增设了FA控制主站。

在正常运行时，FA控制主站实际上是一个通道集中器和转发装置，它将众多分散的采集单元集中起来和上级配电管理系统主站联系；而在故障情况下，FA控制主站可以将自身范围内的故障进行快速隔离，对自身不能隔离的故障，将故障信息快速上报便于上级主站处理，减轻上级主站的负担。

3.3.5 配电管理系统（SCADA/DMS）主站

馈线自动化主站是馈线自动化系统的控制与管理中心，它一般采取客户/服务器（Client/Server）结构，辅以浏览器/服务器（Powser/Server）模式，以SCADA系统作为基本平台，配合各种应用软件完成FA的功能。其体系结构有以下系统模块构成：

1）数据采集功能模块 采集所有馈线开关的电流、电压等运行信息和开关位置等状态信息。

2）数据处理模块 实现正常运行时负荷优化分配，故障时合理地进行正常区段恢复供电；通过处理开关位置等信息，对各类开关动作的顺序和次数进行统计登记，以图标或表格的方式显示或打印有关信息，供运行人员及时了解故障情况。

3）控制操作功能模块 正常运行过程中根据运行方式的需要，带负荷遥控投切馈线开关或线路上的其他可操作开关设备，遥控投切空载线路、空载变压器或线路电容器；当馈线上故障时，能通过开关设备的操作自动隔离故障区段，恢复非故障线路的供电。

4）报表功能 自动生成各种表格，如日报、月报和年报表等，表格形式和大小由用户任意定制生成，各类报表可以定时打印，也可以随时打印。

5）事故告警功能模块 遥测量越限、设备运行异常、保护和开关运作时发出声、光报警信号，并打印，归档备查。

6）图形功能模块 用户可自行编辑、绘制各种图表，提供多窗口的画面显示，画面具有平移、滚动、缩放、漫游和自动整理等功能。

7）系统时间管理模块 由于运行信息以及开关动作信息的时间属性关系到程序处理的正确性，全网时间必须保持一致。时间显示格式可以由用户根据自己的习惯选择。

8）状态估计功能模块 由于终端设备故障或外界对终端设备和通信信道的干扰，系统的遥测量和遥信量有可能出现中断或差错值，从而造成系统处理的错误。为了保证系统正常工作，必须对初步量测值经过状态估计模块处理后再送入数据处理模块进行处理。

9）数据库管理功能 借助窗口，通过数据库管理软件，用户可以方便地对数据库进行创建、删除、修改、读写、检索和显示，但不能修改实时数据，特别是电量数据。通过该软件，可以保证配网馈线自动化系统内各工作站数据的一致性。

10）通信管理和信息解释模块 负责接受所辖范围内的变电所和各现场终端上传数据并对其进行解释，在硬盘中建立运行信息数据库（主要包含电压、电流等运行参数信息以及开关位置等状态信息）。

11）与上级调度系统关联模块 负责从上级系统中获取本系统需要的控制运行信息，将上级系统需要的信息提供给上级系统，保证两系统之间信息共享。

3.4 张掖市农网配电自动化总体结构和规模

张掖市各县级电网综合自动化系统由配调一体主站系统、11个35 kV变电站集中控制自动化、各大区配电自动化系统及调度通讯系统等4大部分组成[5]。系统要和地调接口，与县局MIS/用电营业系统接口。调度配256门数字程控电话交换机，和中国电信联网，也和市调联网。该电网综合自动化系统总体结构如图1所示。

根据电网规模，其系统规模：接入厂站子站数为64个；接入模拟量（遥测）为256×64；接入状态量（遥信）为256×64；接入遥控量为64×64。 数据记录间隔：2、5、10、15、30、60 min可调，不同的数据可设不同的记录间隔。

系统数据处理容量可实现256路串行、全双工、多规约通信，每路通道可设置不同的通信规约和通信速率，接受数据容量用户可自定义[6]。

3.5 张掖市农网采用FTU技术的经济效益分析

采用FTU技术可提高农村配网运行可靠率，经济效益明显。配网实现监控或监视后，能及时准确地查找故障点，缩小事故范围，及时恢复供电，减少用户停电时间，提高了配网运行的可靠率，同样可以增加供电量[7]。以张掖市甘州区为例，若全区农村配网采用FTU技术改造后，预计销售电量增加15 056万千瓦时，增长率达到15%，超过往年7%；维修费用全年下降25%，节省120万元；停电时间减少210 h。

4 结束语

张掖市农村电网在经历两次较大规模改造后，供电可靠性和电能质量有很大提高，但面对近几年乡镇企业的迅速发展，尤其是农村为增加农民收入，搞好农村经济，乡镇企业中像硅铁厂，小型轧钢厂等冲击性严重的负荷增加明显，给改造后的农网稳定经济运行带来新的挑战。本文着眼于张掖市目前农村负荷情况，通过深入调查与理论分析研究，提出了张掖市农网中适时采用面向负荷的馈线自动化技术FTU，并给出了馈线自动化FTU技术具体实施方案，对馈线自动化FTU技术下一步在张掖市农网改造中推广应用具有重要意义。

[1]Short T A.配电可靠性与电能质量[M].徐政，译.北京：机械工业出版社，2008.

[2]丁毓山，杨勇.农村电网规划与改造[M].北京：中国电力出版社，2001.

[3]Hingorani N G， Laszio G.Understanding FACTS：concept and technology of flexible ac transmission systems[M].New York：The Institute of Electrical and Electronics Engineers，1999.

[4]Sawa T， Shirai Y，Michigami T.et al.A field test of power swing damping by static varcompensator [J].IEEE Transactions on Power Systems，1989，4（3）：1115-1120.

[5]鞠平，马大强.电力系统负荷建模[M].北京：中国电力出版社，2008.

[6]肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京：中国电力出版社，2004.

[7]刘天琪.现代电力系统分析理论与方法[M].北京：中国电力出版社，2007.