對閉環運行方式配電自動化系統的探討

對閉環運行方式配電自動化系統的探討

配電作為電能發變送配中的最後一個環節，在電力生產中具有非常重要的作用。由於歷史原因，過去未得到足夠的重視。隨着經濟的發展和生活水平的提高，對供電質量和可靠性提出了更高的要求。大規模的兩網改造結束後，配電網的佈局得到了優化，但要進一步提高配電網的可靠性，還必須全面實現高水平的配電網自動化。

實際上，近年來我國許多地區已經在不同層次、不同規模上進行了配電網自動化的試點工作，也取得了一定的成績。但由於幾乎所有的系統都是開環運行模式，故障恢復時間都在30s以上甚至數分鐘，不能滿足對供電可靠性要求更高的用户，只能採取雙回供電、自備發電、大容量UPS等高成本方式來彌補。在此背景下，筆者單位與有關電力企業合作，在某國家級開發區配備了閉環運行方式的配網自動化系統。經過2年多的運行證明，系統功能和指標達到了設計要求，大大提高了配電網運行的可靠性，具有開創性意義。

1 供電區域配電網概況及配網自動化規劃功能和目標

該區共10km2，區內110kV變電站一座，目前投入31.5MVA變壓器2台。110kV進線2回內橋接線，分別引自上級500kV變電站。出線為35kV10回、10kV14回，改造前為架空線路與電纜出線混合方式，中性點不接地；改造後全部以電纜排管方式引出，小電阻接地。二次設備原採用常規繼電保護和遠動，僅有遙測、遙信送往上級調度中心，通信通道為載波和擴頻，備有商用電話。

擬分二期全面實現配電網自動化。本期規劃主要目標是：

（1）以全閉環運行方式實現區內配電網自動化。

（2）提高供電可靠性，達到“N-1”供電安全準則，供電可靠率99.99%。

（3）建立配電監控系統，提高供電質量，電壓合格率98%。

（4）線路發生永久性故障時，能自動進行故障識別、故障隔離和恢復供電。

（5）實現對用户側設備的遠方監控、抄表等負荷管理功能。

（6）同時容納開環運行的方式。本期配電自動化系統主要實現以下功能：

1)SCADA功能包括數據採集及處理、人機聯繫和製表打印；

2) 饋線自動化功能主要是故障識別、隔離和自動恢復供電；

3) GIS地理信息系統功能；

4) 包括遠方自動抄表功能在內的負荷側管理功能；

5) 與變電站RTU和上級調度中心通信功能包括傳送遙測、遙信和接收控調命令。對於電壓無功控制，本系統只向變電站/上級調度中心傳送電壓運行值，不在本系統中進行調壓操作，但提供接入用户側調壓裝置的接口，也可傳達並執行上級配電中心的調壓指令，並保留功能上的擴充餘地。

2 對原配電網改造的主要內容

2．1 變電站綜合自動化改造

由於該110kV變電站原有保護遠動均採用常規裝置，不具備聯網、與用户變電室通信等功能，故首先對變電站進行改造，全部採用微機型的遠動和保護系統。改造後的系統具備完善的“四遙”功能和微機保護功能，並能與調度中心、上級配調中心、本級配調中心、客户端RTU/FTU等進行通信。

2．2 部分用户變電室改造

由於該開發區配網自動化規劃設計採用電纜環網方式，所涉及的用户變電室在改造後均以2回電纜出線，與上下家企業連成環網，出線均安裝可以遙控的開關。

在每個企業的降壓變加裝DEP-900型FTU，並以光纖為信道連成環。區內整個配電網採用手拉手環網方案，可以在線路故障時就近的斷路器自動跳閘，動作時間短，不依賴主站，對系統無衝擊，避免了開環系統需開關多次跳合判斷故障而帶來的弊端。

2．3 接地方式的改變及接地電阻值的選擇

改造後全部改為電纜出線，電容電流要比架空線路高得多，需將原小電流接地方式改為經小電阻接地的大電流接地方式。從單相接地故障的情況入手，嘗試了多箇中性點接地電阻值，對系統的穩態和瞬時二方面進行計算，並比較隨之改變的單相接地故障電流值、單相接地故障健全相電壓值及弧光接地過電壓值、鐵磁諧振過電壓值等，然後按照運行規程和繼電保護等約束條件進行比較分析，綜合計算考慮系統總電容電流、單相接地故障時的故障電流、工頻過電壓、繼電保護配合及通信干擾限制等，將接地電阻阻值確定為5Ω。

2．4 保護定值的調整

系統接地方式改變及加裝具備故障狀態縱差保護功能的FTU後，對原110kV變電站內的饋線、母線、主變壓器、備自投各類保護定值均根據新的系統結構和運行方式進行了調整，上級500kV變電站相應出線的保護定值也作了微調。

2．5 其他

少數企業原採用架空線路，這次統一改為排管電纜。此外，在小區內敷設了多模光纖的環網信道，既為配網自動化提供高速可靠的數字信道，又為抄表、MIS系統聯網、多媒體數據傳輸等預留了通信手段。

由於FTU及開關操作都必須有可靠的不間斷電源，以保證在配電網出現線路故障，導致保護動作、出線開關跳閘、故障電路全部停電或進行設備檢修時，仍能提供FTU工作電源、通信電源和開關操作電源，故在各用户變配置了專用的小型220VDC高頻開關式直流操作電源。

3 閉環式配網自動化方案系統結構與功能綜述

3．1 配電網監控系統的SCADA功能與系統結構

閉環式配網自動化系統SuperDMS-2100的SCADA功能與電網調度SCADA功能類似，具備完善的數據採集功能、監視功能、事件記錄與報警處理功能、控制調節功能、系統管理功能以及通信功能等。

配電網自動化應用功能有配電網運行監視、配電網運行控制、配電網故障判別及診斷、在保護拒動情況下實現配電網故障自動隔離負荷轉移及恢復供電、AM/FM/GIS、遠方抄表、無功優化與控制等功能。

配電控制中心的計算機系統配置符合當前先進的水平，採用了主流機型，雙以太網、雙服務器、雙前置機多人機工作站結構，大屏幕顯示器和高速打印機。配電網自動化系統SuperDMS-2000軟件的設計採用了面向對象的設計思想和軟件工程的管理方法，各軟件模塊按功能對象劃分，自成一體，接口簡捷明瞭。系統具有標準數據庫接口，符合商用數據庫規範；具有網絡支持；遵循開放式系統標準；具有廣泛的兼容性和自由的擴展性，便於二次開發以及用户功能擴展和規模擴展而保護原有投資；很容易過渡到三層數據處理結構。系統基於客户/服務器體系結構，服務器負責數據維護和處理，並響應客户機的請求傳送格式化的數據。客户機則負責提供用户接口，如圖形、表格甚至聲音、動畫等。系統支持跨平台運行環境，可以和其他系統互聯。

3．2 AM/FM/GIS功能

SuperDMS-2000的AM/FM/GIS是配電管理系統的重要功能之一。它是將地理學空間數據處理、計算機技術與電力系統相結合，為獲取、存儲、檢索、分析和顯示電力設備的空間定位資料和屬性資料而建立的計算機化的數據庫管理系統。其中AM為自動繪圖，FM為設備管理，GIS是地理信息系統。AM/FM/GIS是配電管理系統DMS的基本平台，它以地理概念組織並涵蓋了SCADA、LM、PAS等子系統。利用AM/FM/GIS集成DMS系統，建立統一的DMS數據庫，為各子系統提供共享資料，從而減少資料的宂餘度，保證資料的一致性，提供良好的全圖形化的人機界面。它以電子化的地理圖形為背景，生成顯示輸出電網結構圖、發電廠變電站接線圖、規劃圖等專業圖形，支持導航、漫遊、縮放、分塊、分層等顯示和查詢方式；以地理信息的形式保存和管理電網資料；根據需求進行負荷預計、變電站選址、線路走向及優化、潮流計算、無功補償、短路計算、可靠性計算等電網改造和規劃方面的計算。

SuperDMS-2000 AM/FM/GIS的基本功能是對電網接線、配電線路和設備等的各種圖紙資料進行綜合管理，對變電站接線圖進行管理，將線路和設備圖紙資料等同饋線圖結合起來進行綜合管理，配電網運行維護管理，配電網停電覆役管理和故障處理，配電網的規劃和工程設計，以及多種統計功能網絡互聯功能。其在線應用主要在SCADA和停電管理方面，離線應用主要在設備管理、營業管理和規劃設計方面。

SuperDMS-2100AM/FM/GIS與專業地理信息系統相比較，更注重AM/FM和其他專業功能，尤其符合配電的實際應用。開放的系統結構能兼容多種操作系統和商用數據庫平台，並且與通用GIS有着風格一致的界面。其突出的技術特點是具有高效的海量數據管理和實時多維圖形顯示能力，良好的網絡協同作業環境，緊密地與實時監控系統融合，高速的分級瀏覽查詢。可以方便地定義基本圖形窗口、菜單結構、數據格式以及相應的函數庫，完成各地理信息應用所需的公共數據管理和操作，通過點、線、多邊形、文本、路網等數據結構描述圖形數據，並以塊和類的方式管理和組織圖形數據。設備管理主要有參數管理、圖形管理、統計查詢、模擬操作、掛牌操作等。

3．3 其他DMS應用功能

SuperDMS-2000的其他DMS應用功能主要有故障線路報警、自動隔離、供電恢復、網絡重構、負荷管理、自動抄表、故障呼叫，能滿足各類配電網的應用需求，其詳細內容筆者將另撰專文論述。

3.4 饋線自動化

饋線自動化是指變電站出線到用户用電設備之間的饋電線路自動化，其內容可以歸納為二大方面：①正常情況下的用户檢測、資料測量和運行優化；②事故狀態下的故障檢測、故障隔離、轉移和恢復供電控制。本系統基於DEP-900饋線終端設備（FTU）實現饋線自動化。

饋線自動化是配電網自動化的重要組成部分。要實現饋線自動化，需要合理的配電網結構，具備環網供電的條件；各環網開關、負荷開關和街道配電站內開關的操作機構必須具有遠方操作功能；環網開關櫃內必須具備可靠的開關操作電源和供FTU、通信設備用的工作電源；具備可靠的通信系統。

饋線自動化的實現原則是：故障後的網絡重構採用集中控制與分佈控制相結合，優先採用分佈式控制的原則，以提高反應速度；實現配電網的閉環運行，故障情況下，瞬時切斷故障段並保持對非故障區的不間斷供電；兼容開環運行模式。FTU基本按照變電室中線路為單元進行配置。所實現的功能包括：採集電壓、電流等電氣參數和設備狀態並通過RTU主動上送、執行遠方控制命令進行開關開合和參數調整、根據整定條件實現故障狀態縱差保護。

分佈式控制和集中式控制相結合是10kV/35kV線路故障處理原則。分佈式控制作為主要手段，採用故障狀態差動保護方式，通過FTU之間相互通信甄別故障地點，斷開故障點兩側開關，隔離故障，保證健康段線路供電。集中式控制作為後備手段，在保

護拒動情況下，由主站系統進行故障判別、隔離。由於本環網為電纜網，故障一般為永久性故障，所以不考慮重合閘方式，但FTU本身具備重合閘功能。

系統運行方式以閉環運行為主，兼顧開環運行方式。閉環運行發生故障時，裝置將在5個周波內作出判斷，為了確保對側和鄰側故障狀態的準確也需要一個時限，因此當發生故障到命令發出的時間約為0.15~0.2s。單相接地故障、相間短路故障、三相短路故障均可按照上述方案解決。

閉環和開環運行由主站系統根據系統一次側接線方式和開關狀態自行判別。當某開關狀態變化時，變位信息上送，主站系統判別該環此時的運行狀態。如果運行方式變化，則通知環上所有FTU修改其保護動作判據。上述方案均基於小電阻接地系統。不接地系統中，當發生單相接地故障時，先通過小電流接地選線裝置判別故障線路，再由配電自動化軟件通過成組順序控制操作線路開關甄別故障段，斷開相應斷路器，並恢復非故障段負荷的供電。其他故障形式的判別與小電阻接地系統相似。

3．5 配電自動化終端裝置（FTU）

配電網監控遠方終端（FTU）負責對控制對象實時位置信號和測量值的接受以及對控制對象進行遙控。對不同的.控制對象，如配電站、開閉所、杆變、桿刀和大容量的高壓用户等，需選用適當的FTU。

為本系統配套的DEP-900型FTU，其容量為8路遙測量、16路遙信量、2路遙控量、4路RS-232/485接口。其主要功能有：數據採集，饋線監控，故障檢測，開關分合控制，故障自動隔離和故障線路供電的自恢復，自動負荷轉移、存儲和報告負荷值，接受遠方操作指令及轉發採集資料、信息，具備相適應的通信接口、採樣接口和輸出接口，適應户內外環境要求。DEP-900還具備故障電流狀態差動保護的功能。它基於故障電流狀態差動原理，可作為每個斷路器的饋線保護。饋線斷路器不設備用和後備保護，當主保護拒動時，變電站出線開關跳開，然後由配電網管理軟件進行判別，以遙控方式隔離故障。

該區配電網採用環網結構，電源取自饋線的不同母線，按閉環方式運行。小區用户多為高科技企業，對用電要求很高，希望在系統發生故障時，能瞬時切除故障，保證不間斷供電，因此對配電網電氣設備和保護方式提出了較高要求，只能選擇性能很強的DEP-900系列FTU。

3．6 配電環網狀態差動保護方式

本方案保護方式採用故障狀態差動保護方式，將閉環運行狀態和開環運行狀態分別考慮。由於故障電流狀態是一個“0”、“1”的數字信號，容易傳送和在FTU中綜合處理，可靠性高，價格也遠較縱差低。

3.7 通信

該小區配電網的管理是一種分層結構，控制中心直接控制和管理用户變電站及110kV變電站的低壓部分，並受控於上級配網中心，與調度中心有信息交換。因此各層設備之間的通信就顯得尤為重要。

配網控制中心與用户變（開閉所、箱變等）RTU/FTU之間的通信是主要通信系統，其可靠性、經濟性至關重要，因此選擇多模光纖，採用主/從式自愈環形通信網。正常情況下，只有一個環路在使用。當發生故障時，光端機能自動測量故障點，使用第二個環路完成通信，正常裝置或正常光纜仍能保持通信暢通和鏈路完好。變電站綜自系統與FTU之間、FTU與FTU之間的通信均採用同一條光纜中的不同信道。

配網控制中心的配電自動化系統以載波和擴頻的方式與上級配電中心和調度中心通信，並備有商用電話。

3．8 遠方抄表系統

遠方抄表系統是負荷管理的一個重要組成部分，也是發展較快和相對成熟的配網技術之一。

利用電力線通過載波傳輸電能表數據，能充分利用電力線的資源，成本低，管理維護簡便，工程費用較低。

在每個用户站中都裝有帶脈衝和智能接口的電能表，這些電能表的脈衝輸出經雙絞線接入採集終端，每個採集終端能連接8個電能表。採集終端的輸出經MODEM直接接入380V低壓電力線，直接與集中器進行通信。集中器有RS-485接口與RTU通信，將各電能表的輸出傳送到RTU。一個集中器可與64個採集終端進行通信，即最多可連接512個電能表。智能電度表可直接與RTU通信。自動抄表的後台系統通過控制中心的計算機系統，將列出每個用户的用電情況：分時電能、日報、月報、電費清單等。

4 問題與建議

4.1 關於中性點接地方式及接地電阻阻值的確定

當前我國的大部分地區配電網仍以架空線路為主，因此大部分採用小電流接地方式。但在部分重點供電區域，逐步改為電纜供電，接地故障電流一般在25~2000A，甚至更高。當配電網絡發展到以電纜為主時，系統電容電流較大，用消弧線圈補償有一定困難，配網中性點宜改為小電阻接地的方式。至於接地電阻阻值的選擇，要根據實際情況因地制宜，所選阻值必須使接地故障電流大於電容電流。這在一些城市已有成功經驗，可以借鑑。

4．2 具有狀態差動保護功能的FTU的配置

採用閉環方式運行的配電網系統必須採用斷路器，具備光纖通信信道，配置具有狀態差動保護功能的FTU，才能實現秒級恢復供電的要求，幾個要素缺一不可。

4．3 與開環運行方式的結合

由於各種因素的限制，不可能在一個供電區域內全部採用閉環運行方式，甚至有的區域主要採用開環運行。因此，配電網自動化主站系統（DMS）必須考慮兼容閉環和開環運行方式。這對DMS系統提出了更高的要求，需在系統設計時在底層考慮，否則所打補丁很難與系統有機地結合在一起。SuperDMS-2000在設計開發階段即考慮了這些因素，故能完全滿足這方面需求。

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結束語

經濟的發展對配電網自動化提出了更高的要求，配電網自動化也是電力系統現代化發展的必然趨勢。實現閉環運行的配電網自動化是一個創舉和突破，也是配電網發展的一個更高階段，秒級的故障恢復時間滿足了絕大多數用户對供電可靠性的要求。

技術在發展，需求也在提高。參照發達國家和地區的經驗，結合我們的實際情況，綜合考慮近期與遠期、全局與局部、主要與次要的關係，設計開發出先進、通用、標準的配電網自動化系統，對電力市場的發展具有重要意義。