简单配电网自动化系统终端和主站设计

2020-04-27彭元庆程洪锦

湖南电力 2020年2期

彭元庆，程洪锦

(国网江西省电力有限公司德兴供电分公司，江西德兴334200)

随着电网建设重心的转移，以及社会发展对电力系统提出了越来越高的要求，配电网自动化的建设也受到了越来越多的关注[1-4]。大量的文献对配电网自动化建设、优化、运行、管理等方面进行了研究。文献 [5-7]分析了配电网自动化建设的必要性及存在的问题，并且提出提高配网自动化建设和运行管理水平的方法。而文献 [8-9]分别主要介绍配电网自动化通信方式和规划方法等。

行业内很少有研究涉及到简单配电网，但是经过配电自动化建设的探索，科研人员和电气工作者逐渐意识到科学、经济、简捷实用更符合配电网建设的原则。因此提出建设简单、运行简单和维护简单的 “简单配电网”[10]。在简单配电网中，充分考虑现场工程安装、后期运维等因素，因地制宜选择设备及通信方式，保证用最短的时间、最少的工程量建设实用、好用、易维护的配电自动化系统。

1 设计理念

简单配电网的基础需要更加深入的研究，因为只有系统各个部分都组织得更完善，也更统一，才会让用户使用起来更简单。因此，文中所述的构成简捷实用配电自动化系统的各部分，都围绕四个基本设计理念展开。

1)合理投资，讲求实效。考虑投资性价比，聚焦能够给配网运维工作带来实际价值的配电自动化功能。尽可能减小系统规模，去掉用户尚不明确会用到的预留功能，降低运维难度。

2)选择合理通信方式，注重长效。选择可靠的通信方式，是保证配电自动化效用发挥到极致的重要一环。当配电自动化覆盖率达到一定程度时，将这些广泛分布的监控点信息用可靠的通信手段收集起来，加以利用，可以大幅提升配网运维质量。

根据实践经验，光纤通信技术和无线通信技术都已经发展得成熟可靠。对于配电网架结构相对稳定、有通信运维力量的地方，光纤通信方式是首选；而对于经济发展较快、面临增容改造的区域，以及广袤的农村地区，无线通信方式是首选。

3)方便施工，降低建设难度。配网线路所处的地理环境复杂，气候条件多变，施工条件差。安装在线路上的设备最好是小型化、重量轻、现场接线少、适于带电安装的，从而能够简单快速的完成现场施工。

4)简单易用，降低运维难度。在产品及系统设计过程中，应该重点考虑可靠性设计、防错设计、免维护设计，将复杂的工作留在出厂前，尽可能减少现场的调试工作；设备运行要减少对用户运维力量的依赖，让用户的工作焦点仅关注在使用效果上。

2 自动化终端设计

自动化终端不仅仅指传统意义上的二次设备，也包括与之紧密相连的一次设备。将一二次设备进行融合设计，可减少现场一二次设备匹配的工作量，降低安装难度，也是未来发展趋势。

2.1 电源TV与开关本体一体化设计

在配电网自动化建设中，自动化终端的低压电源问题一直是线路升级改造的一处瓶颈。传统方案是用电磁式TV取电，在工程实施中需要单独吊装、接线，不但增加了工程施工量、容易出现接线错误，而且在运行过程中会引发铁磁谐振导致系统过电压[11-12]。而电容式TV可以有效避免铁磁谐振，且体积较小、运行稳定可靠，为电源TV与开关本体一体化设计提供了坚实的基础。

电容式TV是由串联电容器分压，再经小容量电磁式互感器降压和隔离后变换成低电压，从而实现配电自动化设备取电、测量等功能。如图1所示，电容式TV作为工作电源和常规的电磁式TV相比具有体积小、重量轻等优点，可以从原理上避免因电压互感器铁心饱和引起的铁磁谐振。

图1 电容式TV作为工作电源

如图2所示，将电源TV与开关本体一体化设计，可减少现场施工量、提高工作效率。原来需要在现场完成的匹配、接线、调试工作，都可以在工厂内部制造时完成，在现场只需要进行一次吊装即可使用。通过这种一体化设计，可以减少大量发货、运输和现场施工过程中不必要的、易出错的工作。

图2 电源TV与开关本体一体化设计

2.2 电子式互感器与开关一体化设计

常规开关只带有AC两相电磁式TA，用于简单的过流脱扣保护。随着电子式互感器的成熟，小型化、低功耗的电流、电压互感器可以内置或跟开关一体化设计，如图3所示，从而可以支持FTU实现测量、监控、保护、计量一体化的功能，进一步拓展配电自动化终端的应用范围。

图3 电子式互感器与开关一体化设计

1)电子式互感器可采集零序电压量，支持FTU实现零序方向保护判断。如果将共母线的每个馈线出口装设这种带零序方向保护的智能开关，就可准确判断接地故障电流的方向，即可简单易行地定位接地故障点，无需再配备其他复杂的接地故障监测设备。

2)低功率电流线圈 (LPCT)具有宽范围、高精度的电流转换特性，可以支持FTU获取10 kV关口各项计量基础数据，从而可以支撑一体化电量与线损管理系统相关业务功能应用，提升线损精益化管理水平。无需再加装专用计量互感器和智能电能表，简化配置，减少运维工作量。

2.3 小型自动化装置 (FTU)设计

由于配网自动化的建设，电线杆上安装了许多设备，有些尺寸较大，阻碍了运维人员上杆抢修。因此，将FTU小型化设计具有实际意义。

FTU尺寸控制在380 mm×260 mm(25 kg)内后，现场施工难度可以显著降低。施工人员可以直接携带FTU上杆安装，不需要吊装工艺；同时FTU安装不需要抱箍、支架等安装金具，可以直接安装在开关支架下面，不影响运维人员的抢修工作，如图4所示。

图4 FTU安装在开关支架下

3 小规模主站 (功能子站)设计

主站系统是配电自动化建设的中心[13]，但是对于各县级及中小城市供电企业，由于资金和技术的限制，主站建设实施起来比较困难。因此，功能子站应运而生，因其具备简单的主站功能，可在中小城市以及县级供电企业作为 “主站”进行使用，实现故障定位、故障研判、负荷监测、各类统计、报表生成等基本功能。功能子站相比大主站更“简单”，更方便基层运维人员操作，比大主站发挥出更好的效果。

3.1 功能子站与大主站的层级关系

目前，考虑到管理需要，配电自动化主站建设多以地市为单位，少数以整个省级为单位。但是这类主站还是存在运维主体不清的问题，运维主站的人不负责配网线路，虽然看得到数据，并不关心数据；运维线路的人负责线路，虽然关心数据，却又看不到数据。

因此，配置功能子站是更加实用的方式。规范功能子站接口，将功能子站做成基层数据处理单元，分层级处理数据，使得功能子站即可以独立运行，使基层单位不至于非要等到大主站建成后才能使用配电自动化功能；也可以在大主站建成后，将省市层面关心的数据有选择性的上传至大主站的数据库，可减少大主站的复杂配置。

3.2 缩短主站建设周期

目前建设配电自动化主站的建设内容涵盖配电SCADA系统、GIS地理信息系统、配电网高级应用系统[14]、需方管理系统等多个系统，建设周期多为1～5年不等。其中包括多个系统厂家、终端厂家的沟通协调，组织、建设和后期维护都需要大量人力物力。

采用配电自动化功能子站的建设模式，可以让中小城市以及县级供电企业缩短主站建设周期，在一个月内甚至一周内就能够将系统以及终端配置完毕，让基层人员享受配电自动化带来的成果，有效提高工作效率，降低现场运维人员工作量，向配电 “自动化”和电网 “智能化”迈出坚实的一步。

4 防错功能设计

防错设计是保证设备简单易用的关键技术。在配电自动化建设过程中，自动化终端的现场施工安装以及与系统的数据挂接环节尤为重要，一旦出错，不仅会影响故障区位判断，更会埋下严重的安全隐患。周密的防错设计有利于配电自动化设备的大量推广应用，同时不增加基层运维人员的工作难度。

4.1 TA变比调节开关

TA变比的作用是将大电流变成小电流，主要用于计量、测量、继电保护、监控等二次回路中的电流测量元件使用。一般TA的二次额定电流是5A或者1A，一次额定电流根据用电负荷大小选择。

如图5所示，传统的TA变比调节需要根据负荷在现场进行接线调节，经常由于端子定义不清晰，运维人员接线出错，螺丝上不紧等因素导致调节错误，由此引起测量失准，造成装置误判等严重后果。

图5 传统TA和简化TA变比调节开关对比

而简化TA变比调节开关内部带有防TA开路的设计。运维人员可以带电操作，通过简单的旋钮操作就可以完成TA变比调节，通过目视就可以清楚观察到TA变比设置情况，可以避免传统调节办法所带来的一系列出错问题，简化TA变比调节，提高运维工作的效率。

4.2 设备异动管理

配电网本身具有线路复杂、分支线多、环境恶劣等特点。配电自动化终端设备数量很多，管理难度较大。配电自动化建设使得配电网的网架拓扑结构经常发生改变，配电线路的升级改造时有发生。当终端设备位置发生改变，相应的地理位置信息、装置信息等如何进行管理，保证终端设备与系统再次无错挂接，成为了配电自动化管理中的新生问题。

GPS全球定位系统利用定位卫星，能够在全球范围内实时进行定位、导航。GPS定位技术已经成为现代科技的标志性技术，其为车辆定位、防盗、指挥等提供了有力的技术支持。实现GPS功能必须具备GPS终端、传输网络和监控平台。

如果将GPS定位技术运用于配电自动化终端设备，便可以为配电网设备异动管理提供有力的技术支持。通过GPS定位锁定终端设备地理位置，并将地理位置信息上传系统，当设备地理位置发生改变时，运维工作人员可以第一时间掌握设备信息，及时跟进相关动态，将设备与系统再次有效挂接。

4.3 主站与工程安装的配合

在配电自动化建设过程中，各个环节的配合繁琐而复杂。如果有一种方法可以减少现场工作量，有效提高工作效率，那么对配电自动化建设将功不可没。

在以往的工程现场，自动化终端设备安装时需要人工记录装置编号、TA变比、保护定值、线路名称、杆塔号等信息，安装完成后需要将记录的信息与PMIS系统核对，没有PMIS系统的，还得人工录入系统，再和系统进行挂接。每一个环节都由人工完成，工作量大，其中任何一个细节出错都有可能引起严重的后果。

二维码已经得到广泛的应用，如果在终端设备出厂时赋予其一个包含设备所有信息的二维码。在现场安装时只需扫描二维码，就可以将设备信息、地理位置信息发送到主站，省去了大量的人工工作量，同时避免了人为出错的可能。通过自动化手段让工程安装工作简单、快捷，这一创新成果在配电自动化建设中具有重大意义。

5 应用实例

某县供电公司南中线和江益线属于故障高发线路，每到春夏季，暴风雨及鸟害严重，因鸟害及恶劣天气造成线路频繁故障。由于线路上缺乏自动化手段，经常出现线路末端或分支故障造成变电站出口跳闸，引发全线停电。

2014年3月，在 10 kV南中III线和10 kV江益线开展简单配电网建设，安装一体化终端设备10台，每个一体化终端设备从安装到系统数据挂接总用时不超过3 h。考虑到这两条线路所处地形复杂，横跨山区和湖区，选用无线APN通信方式，并部署相应的桌面客户端及移动手机客户端软件。在5月份完成安装调试工作，系统投入运行。其中主站系统采用简单的功能子站方式，考虑到供电公司的实际需求，功能主要聚焦于及时准确地判断、隔离线路故障，同时可对线路运行状态进行实时监控，对线路的负荷情况进行统计分析。

为方便线路运维人员及时获得数据，每个线路运维人员通过主站订阅故障短信通知，同时安装与桌面客户端内容相同的移动手机客户端。

自2014年5月系统投运以来，准确判断处理故障多次，线路发生故障后，该系统在客户端上发出告警，同时以手机短信的方式，告知相关线路运维人员故障的类型、位置等信息，运维人员直接前往线路发生故障的区段处理故障，减少了故障查找的的范围，从而缩短了故障处理的总体时间。

系统投运前后线路跳闸情况比较如图6所示。

图6 2013—2014年同期跳闸数据比较

10 kV江益线2013年第4季度跳闸4次，2014年第4季度该系统投运后江益线跳闸次数为0次，同期数据比较4∶0。

针对高故障线路整治的简单配电自动化系统建设设备总投资40万元，建设周期40天。系统建成后，故障导致全线停电次数大幅降低，只有去年同期的20%左右；故障处理时间缩短到约30～145 min(以往故障查找处理到恢复供电的时间常需3 h以上)。系统运行效果较明显，有效缩小了停电范围，缩短故障查找和停电时间，提高了供电可靠性和供电服务水平。