农网改造及低压配电装置智能化

蓝 洁

（1.国家智能电网输配电设备质量监督检验中心，广东东莞 523325；2.广安电气检测中心（广东）有限公司，广东东莞 523325）

0 引言

农业是国民经济的基础，国家对发展农业历来十分重视，完成新一轮农村电网升级改造，是实现新农村建设的关键。国家能源局在印发《新一轮农村电网改造升级技术原则》的通知中指出：“贯彻供电可靠性和资产全寿命周期理念，推进智能化升级，推行标准化建设，满足农村经济中长期发展要求。农网改造升级应适应智能化发展趋势，推进配电自动化，智能配电台区，农村用电信息采集建设，满足新能源分散接入需求，服务新型城镇化和美丽乡村建设[1]。”本文针对低压农网中配网的现状及其存在的问题及解决办法进行论述。

1 农网的现状

1.1 电源型式多样

水电、光伏、风电、生物质发电等，通过互联网（或物联网）[2]加以综合应用。

（1）水电是常见农村电源，多数是由小型水电站产生，属于可再生能源。但电能质量受丰、枯水量限制及目前由于设备和管理不佳的原因，出现过电压和欠电压故障的频率较高。

（2）光伏是节能环保的再生能源，是国家大力支持和发展的项目。光伏电压波形需经整流再逆变为交流电压才能经变压器输进电网，但有时因逆变所导致电压波形畸变，产生非正弦波的情况时有发生，产生谐波，干扰负载的正常运行。

（3）风电也是节能环保的再生能源，同时也是国家大力支持和发展的项目，但受风速的变化和风力大小的不同导致发电量不稳定。而且风电发电产生的电压波形也需经整流再逆变为交流电压后才能并入电网；电能质量也会因电源逆变所导致电压波形畸变产生非正弦波，造成谐波和损耗，也会干扰负载的正常运行。

（4）生物质发电利用树枝、落叶及垃圾与其他腐植质混合发酵产生沼气燃烧生热发电，或通过树枝、落叶及垃圾焚烧发电，虽不属可再生能源，但也算是节能环保的有效措施。

1.2 存在问题

（1）负载分布不均匀县城较集中，区、乡较分散。存在过载运行情况较多、输电线路不规范、用户端电压偏低等各种现象，导致线损增加。

（2）三相负载不平衡现象严重，功率因数偏低，造成损耗过大。

（3）继电保护及配电自动化水平较低。

2 农网改造智能化的要求

新建或改造农网的智能化的要求应符合《新一轮农村电网改造升级技术原则》：

（1）具备电网运行监控基本功能及遥控安全约束，运行设备在线状态监测等功能；

（2）统筹多种自动化系统的需求，统一规划数据采集平台；

（3）配电自动化建设与改造应根据区域供电可靠性需求、一次网架、配电设备等情况选择相应的建设模式，乡村线路更宜选取远传型故障指示器，以便实现故障的快速判断和定位；

（4）农网改造升级应同步建设通信网络，确保信息带宽容量裕度，注意冗余通道备份；

（5）农网通信系统应满足电网自动化系统、管理信息系统及其他业务所需数据、语音、图相等综合信息传输的需要。中低压电网分散通信点可采用光纤、无线、载波等通信方式。

3 农网低压配电监控系统的智能化

3.1 智能低压配电监控系统主要结构层次及功能

以目前应用较多的TCP/IP 协议的结构层次为例，包括如下层次。

3.1.1 上位机—应用层

上位机（主站）—应用层（监控主机、数据库、云平台等）中，应用层是监控管理的最高层，它负责通过通信和数据采集来获取中位机传送来自下位机各种监控信息。

（1）遥测功能。显示实时在线运行参数：如电压、电流、cosφ、有功功率、无功功率、电能等，运行参数定时自动更新，原有参数存于数据库中并进行大数据计算，自动生成预测运行参数的未来发展曲线、报表等，并具有储存功能。

（2）遥信功能。显示并储存下位机现场配电装置（例如断路器）的保护参数（如过载、短路、过压、欠压、断零、缺相、三相电流（压）不平衡、剩余电流等）的设定值；显示并储存下位机运行中发生的各种故障（故障类别、故障参数、发生时间）；显示下位机现场配电装置（例如断路器）的工作状态（如接通或断开）。

（3）遥调功能。按管理权限有权按运行需要修改现场配电装置保护参数的设定值、并能保存修改信息（修改名字及修改时间）。

（4）遥控功能。通过上位机可以改变下位机的工作状态（如控制断路器的接通或分断），并能保存修改信息（如修改名字及修改时间）。

3.1.2 中位机

中位机（收集器、路由器等，包含互联网层、传输层），互联网层通过通信模块—4G（有条件可用5G）模块，负责传送各种现场运行信息给上位机，或下达上位机给下位机的指令，起上传下达的作用，还兼管流量控制；传输层用一个寻址机制来标识一个特定的运用程序（端口号），典型设备如网关、协议和转换器；中、上位机的通信网络可以采用光纤或屏蔽双绞线的有线通信（当通信距离低于1 500 m）或通过无线通讯经北斗或4 G（有条件可用5 G）移动模块上传至主站。

3.1.3 下位机—网络接口层

由网络层、数据链及编辑CPU 模块组成，负责接收、编辑现场装置（如断路器）发送的各种运行信息。

网络接口层（网络层、数据链路层）基于网络层地址（IP 地址）进行不同网络系统间的路径选择（路由器），由网络输入端口元件（例如智能化断路器、仪表及各种二次元件（如按钮及指示灯）及其他功能元件（如电容器）。

（1）构成

现场智能化低压配电装置通常由一系列电气成套配电柜组成，通常包括电源进线柜、功率因数补偿电容柜、馈电柜（多个）及备用电源联络柜等；电柜内装有智能化电气元件（例如智能化断路器、通信模块、仪表及各种二次元件，如按钮及指示灯等）及其他功能元件（如电容器、功率因数补偿控制器等）。

（2）下位机与中位机间的网络通信

GB/T22710-2008 之 4.4.6 条[2]及 GB/T27745-2011[3]推荐了Modbus、DevisNet、Profibus、TCP/IP 协议总线和规范在有限距离内进行通信。但考虑到智能电网、微电网、光伏、风电等多种可再生能源的互联，监控范围已大大扩展，不得不采用无线通讯，于是形成双模通信架构集成GSM 和RS 串口功能，构建了支持TCP/IP 和RS 串口的嵌入式网关硬件体系结构，实现了北斗、与RS 串口的硬件接口，成为接入Internet网对断路器进行远程控制和数据采集的支撑平台。根据断路器系统的需要，分析TCP/IP 协议体系以及RS 串口数据特点，对两种协议进行裁剪，去掉实际应用中不需要的部分，并将精简后协议在资源有限的微处理器上实现，构成了可以将TCP/IP 和RS 串口协议相互转换的新型协议栈。整合RS 串口与北斗之间的透明连接[4]。

3.2 物理层

现场智能化低压断路器的特点及要求。智能化低压断路器是低压电器中最重要的元件，是低压智能配网中最重要的节点。它采用嵌入式MCU 控制技术，实现一、二次设备融合，具有以下功能。

（1）对应于智能型低压断路器在线运行参数：三相电压、电流、N 相电流、功率因数、三相有、无功功率、有、无功电能等。

（2）多种继电保护功能，保护参数以适当步长可按需（现场或上位机远程）连续调整。继电保护功能主要有：需用电流保护（由用户向供电部门提出，经供电部门审批同意后纳入供电合同内）、过载电流保护、短路电流短延时保护、短路电流瞬时保护、剩余电流保护、接地电流保护、过电压保护 （1.15～1.3） Ue、欠电压保护 （0.35～0.7）Ue、缺相（失压_）保护（0～0.35）Ue、断零保护、不平衡电流保护、不平衡电压保护、峰（谷）时段电流调节自动转换、自动重合闸（短路、断零故障不执行）、相序保护、逆功率保护。

（3）故障自诊断、报警（及远程）、故障记忆及查询。

（4）接受上位机远程查询或现场调整开关工作状态。

（5）与监控主机（或中心）互动双线（现场总线、无线）通信对话实现遥控、遥信、遥测和遥调是智能电网的特点和需要，对现场智能化低压配电装置在利用数字化技术的基础上随时掌握断路器的开关状态、在线运行参数的情况、并对系统运行的实时信息数据进行采集，具有存储、大数据运算、分析预测发展趋势、自动生成曲线和图表、自动记录故障跳闸的处理等功能，还有具有修改断路器的保护设定值、远程控制断路器的分、合闸以及对设备维护等多种管理功能，真正实现无人值守。

若智能化低压配电装置要实现“四遥”功能，一是要有开放的通信架构，形成一个“即插即用”的环境；二是形成一个统一的技术标准，它能解决目前各企业间自成体系互不兼容的困境，实现信息在所有断路器与监控系统之间能够完全兼容，实现断路器与断路器之间、系统与系统之间的互通功能，这就要求电力部门与电器制造商以及标准制定单位进行通力合作，才能保证通信系统的互联互通，在智能电网主框架方面，实现大容量、高速率、分组化、智能化、宽带化的通信要求。

4 智能化农网改造中的技术问题

4.1 分布式电源联网

分布式电源包括小水电、光伏、风电等电源。众所周知2个或2个以上电源并联运行，需满足电压相等、频率相同及相位相符3个条件，但过去光伏、风电由于整流器及逆变器技术不佳引起电压波形畸变，导致与上述并网条件不符，很难实现与正常电源并网。而新型电力电子器件IGBT（Insulated Gete Bipolar Transistor）绝缘双极型晶体管，具有驱动功率小而饱和压降低的特点，非常适用于直流电压为600 V及以上的变流系统应用。目前由于光伏、风电的整流器及逆变器的核心元件采用IGBT 模块使得光伏、风电发电逆变后的电源能较好地满足上述条件，使得光伏、风电与正常电源并网成为可能。

4.2 进线柜和联络柜的智能化配置

一般情况下需要对两种电源系统实时在线运行参数进行测量，并对开关的分、合状态进行监控，目前需要配置智能网络电力仪表，这种仪表能够对实时运行参数进行数据采集与计算；如今断路器已实现一、二次设备融合，将部份替代智能电表。可以实现对元件中各项数据参数的精确测量和显示，并通过数字化技术进行网络通信以便遥控。

4.3 无功补偿柜的智能化配置

现时农网中存在无功补偿不足和谐波待治的状况，需要配置动态无功补偿，以达到提高功率因数、智能化的无功补偿的目的。DSP 控制器能对用户的负载情况进行监控，计算分析得到负载的无功电流数据，作为控制器的参考值，并实时驱动IGBT 产生满足要求的无功补偿电流，实现动态补偿，将无功功率控制在供电允许范围，同时对三相电压、电流以及无功功率在线监测和显示，并利用通信技术实现上位机对其进行监控和管理。

4.4 对农网电能质量的综合治理配置

由于农网中存在分布式电源，负载分布不均、输电线路及用电设备不规范，导致电能质量不高，需要采取对应措施进行治理。

（1）谐波治理

光伏、风电发电逆变过程中会产生大量谐波，导致输电线路损耗增加，影响用电设备的正常运行，严重时导致谐波于扰影响电子控制系统安全稳定运行；一般情况下，配置无源滤波器滤除谐波，但谐波本身也是一种能源，如果将其从输电线路提取出来，经过整流和逆变即可获得应用，谐波提取装置是一种基于无源LC滤波技术的衍生方案。

（2）三相不平衡补偿治理

配置三相不平衡治理装置，该装置带DSP控剬器和IGBT模块核心元件，以并联的方法接入电网系统中，通过实时检测系统负载电流，DSP 控剬器运算得到各相需输出的不平衡电流，实时驱动IGBT模块，使其发出与负序分量和零序分量反向的电流，平衡已存在的三相不平衡电流的负序分量和零序分量电流，最后从电网侧电流达到三相平衡状态。

（3）电压波动和闪变的治理

由于农网中的小水电、光伏、风电等受自然因素（水流量、光通亮、风压和雷击等）和重型动力设备的操作的影响，电压波动和闪变会超标。研究证明，人眼对频率约为10 Hz的电压波动允许值电压波动最为敏感，为此一般采用等效10 Hz 波动值作为衡量闪变的指标。此外，“闪变”是照明亮度变化对人的刺激，这种刺激的不适感宜用一段时间的平均值来衡量，因此，电压调幅波中频率为f 的正弦波分量1 min均方根平均值，以额定电压的百分数表示为闪变视觉度系数。国家标准GB/T12326-2008规定，电力系统公共供电点在冲击功率负荷产生的10 kV 及以下电压波动允许值为2.5%，电压闪变电压推荐值为0.6%，它会造成人的视觉疲劳，用电设备工作不正常[5]。

通常采取治理的技术措施有：

①安装带DSP控制器和IGBT快速响应的静止无功补偿器（SVC）对负荷波动进行实时动态补偿，根据以补偿点电压U的上下限数据，IGBT 模块判断补偿点越过电压上限Umax或低于电压下限Umin时，输出感性（戓容性）电流，补偿点电压降低（或升高），最终使各相电压稳定在正常范围内；

②改进运行操作和工艺，如电动机降压起动等技术措施；

③对大容量冲击性负荷用户，宜架设专线接至供电能力较强的供电系统。

4.5 实行需量电流保护

实行需量电流保护，降低线损，确保台区变压器安全运行[6]。国家要求节约用电，是节能减排、保护环境、保证可持续发展的长远的战略任务。但现实中超载用电却屡见不鲜。它主要表现在以下两方面：

（1）企业生产发展了，未与时俱进增大变压器容量，导致用电量超标；

（2）多数用户报装容量报小，也导致用电量超标。

事实证明，造成电气火灾的主要原因是过载短路和漏电，而超载用电是过载、短路和漏电的重要诱因，因此，用电必须限制超载。

2011 年，国家发改委、电监会、电网公司等六部委联合印发《电力需求侧管理办法》[7]和《有序用电管理办法》[8]明确指出“国家节能减排战略将从电力需求侧全面推开，加强规划管理、负荷管理和节电管理，有序引导居民或各行业节约用电，从而达到电力负荷管理、开展负荷监测和控制之目的。对用户方面可减少超载用电引发的电气线路火灾，对电网企业方面可减少超载用电和时令集中用电，导致公用台变等供电线路和电气设备长期过载或大面积跳闸停电；避免虚假报装容量用电，扰乱电网规划投资建设，方便增、扩容计划和正常的用电秩序，确保供配电设备、线路安全运行和电能节约”。各地供电部门根据本地实际，纷纷出台限电使用的文件，在保证用户正常用电的情况下，从技术装置上采取相应防范超载用电的措施。

需用电流即用户报装电流经供电部门审批同意纳入供电合同内[3]。

需用电流Irx保护特性如下：

（1）需用电流Irx＝(0.4～1)In，适当步长，连续可调；

（2）当负载实际电流I ＞(1.05～1.5)Irx，塑壳断路器应在设定的限载时间Trx后断开，Trx（优选值）：60 s、90 s、120 s、150 s、180 s、210 s、240 s、270 s、300 s（允差±10%），定时限可选；

（3）需用电流予警电流（优选值）Irj＝0.9Irx；

（4） 在需用电流保护断开后，断路器可进行3 次手（自）动重合闸，直至断路器进入热记忆状态，此时禁止手动合闸，待经过一定时间后，热记忆消失，断路器才能手（自）动合闸。

5 结束语

农网辽阔，幅员广大，低压配电台区是配网的最小单元和数据源头，是智能配电网的关键，应主动适应国家和电网公司“互联网+”战略及体制变更要求，充分利用“大数据、云平台、物联网、移动通讯、智能化”等新技术，推动设备智能感知、数据贯通、信息共享和业务的移动化，全面深化设备资产全寿命周期管理，构建智能运检管理体系，“以硬件平台化，软件APP 化”为原则研发新型配变终端。软件APP化：台变监测APP、低压用户接入APP、无功补偿APP、三相不平衡治理APP、阻抗测量计算APP、分布式电源并网状态APP，设备工具管理APP、充电桩实时状态监测管理APP，实现电力设备、系统管控一体化，达到业务流程全穿透，配电网业务和信息处理在线化、透明化、移动化（5G 网络）、智能化，提高配网故障综合研判能力，提升故障抢修效率，确保电网安全运行。