配電網(wǎng)自動化及其實(shí)現(xiàn)

  80年代以來，中國電力工業(yè)得到了快速發(fā)展，90年代中后期，重點(diǎn)突出加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)。目前正在進(jìn)行大規(guī)模的城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造建設(shè)?，F(xiàn)在220kV及以上系統(tǒng)中運(yùn)行的微機(jī)保護(hù)超過一萬臺，有1000多個基于分布式網(wǎng)絡(luò)的綜合自動化的變電站投入運(yùn)行。絕大多數(shù)省、地、縣調(diào)度所裝備了SCADA系統(tǒng)。這些信息技術(shù)以其良好的可靠性、靈活性和可擴(kuò)展性為電力系統(tǒng)廣大用戶所接受。這為采用更*技術(shù)，從高起點(diǎn)提高自動化水平帶來了契機(jī)。

當(dāng)前各國都在致力于提高配電網(wǎng)自動化水平，擴(kuò)展各種功能。中國應(yīng)當(dāng)結(jié)合各具體電網(wǎng)實(shí)際情況，通過試點(diǎn)做好規(guī)劃，經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)功能。可以予見，基于信息技術(shù)的配電網(wǎng)自動化將會得到廣泛推廣并發(fā)揮巨大作用。

二、基于信息技術(shù)的配電網(wǎng)自動化的基本功能

配電網(wǎng)自動化是實(shí)現(xiàn)配電運(yùn)行、管理自動化以及信息集成、綜合應(yīng)用、用戶服務(wù)自動化的基礎(chǔ)。中國配電網(wǎng)自90年代開始逐步實(shí)現(xiàn)了一批功能獨(dú)立的孤島自動化，今后的發(fā)展趨勢必然走向基于*通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)自動化。配電網(wǎng)自動化主要包括饋線自動化、自動制圖/設(shè)備管理/地理信息系統(tǒng)及配電網(wǎng)分析軟件等。與傳統(tǒng)的孤島自動化相比，基于信息技術(shù)的配電網(wǎng)自動化的關(guān)鍵在于以下三點(diǎn)：大量的智能終端、通信技術(shù)和豐富的后臺軟件。針對我國具體情況，配電網(wǎng)自動化應(yīng)當(dāng)針對本電網(wǎng)特點(diǎn)逐步發(fā)展、完善，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)基本功能，并實(shí)現(xiàn)對配電系統(tǒng)資源的綜合利用。

1、饋線自動化

圖1所示為典型的配電網(wǎng)手拉手的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這是實(shí)施饋線自動化的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。聯(lián)絡(luò)開關(guān)S3處于常開狀態(tài)，負(fù)荷由變電站A和變電站B分別供電。當(dāng)在開關(guān)S1和開關(guān)S2之間發(fā)生故障（非單相接地），線路出口保護(hù)使斷路器B1動作，將故障線路切除，傳統(tǒng)的故障隔離和恢復(fù)供電的方法是通過重合器和分段器的配合，經(jīng)重合器多次重合實(shí)現(xiàn)的，該方法不依賴于通信[1]。但是，由于重合器的多次重合對配電系統(tǒng)造成的擾動在某些情況下是不能接受的，為了實(shí)現(xiàn)具有更好性能的饋線自動化人們在開關(guān)上裝設(shè)了智能終端，即配電終端單元（FTU），并通過通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中式饋線自動化。

這種饋線自動化的基本原理如下：當(dāng)在開關(guān)S1和開關(guān)S2之間發(fā)生故障（非單相接地），線路出口保護(hù)使斷路器B1動作，將故障線路切除，裝設(shè)在S1處的FTU檢測到故障電流而裝設(shè)在開關(guān)S2處的FTU*電流流過，此時自動化系統(tǒng)將確認(rèn)該故障發(fā)生在S1與S2之間，快速跳開S1和S2實(shí)現(xiàn)故障隔離并合上線路出口的斷路器，最后合上聯(lián)絡(luò)開關(guān)S3完成向非故障區(qū)域的恢復(fù)供電。這種依賴通信系統(tǒng)和FTU實(shí)現(xiàn)的饋線自動化是配電網(wǎng)自動化的基礎(chǔ)，對于配電系統(tǒng)的運(yùn)行與監(jiān)控是十分重要和必要的。

2、小電流接地系統(tǒng)的單相接地保護(hù)

我國絕大多數(shù)配電網(wǎng)采用小電流接地方式。小電流接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障后，規(guī)程允許帶故障運(yùn)行兩個小時，但由于非故障相的電壓升為線電壓，經(jīng)常性長時間運(yùn)行有可能導(dǎo)致絕緣破壞，因而也需要快速實(shí)現(xiàn)故障定位。
----傳統(tǒng)的接地選線的方法是利用零序電流的基波或5次諧波的大小及方向。實(shí)踐中該原理的效果并不十分理想。大多數(shù)供電部門仍在采用"拉線法"進(jìn)行故障選線，這對于提高供電可靠性是十分不利的。在圖1所示系統(tǒng)中，分布安裝在配網(wǎng)各點(diǎn)的FTU及集中通信將為這一傳統(tǒng)問題的解決注入活力，位于接地點(diǎn)兩側(cè)的相鄰的兩個FTU對某些小電流接地的故障特征的測量將有明顯區(qū)別，初步的研究表明，建立在FTU與通信基礎(chǔ)之上的饋線自動化技術(shù)有可能很好地解決小電流接地問題。

3、配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行

統(tǒng)計資料表明，配電網(wǎng)的網(wǎng)損是相當(dāng)高的，如表1所示[2]。有了分布式的FTU及通信系統(tǒng)后，該問題可以從以下兩方面得到更好的解決。

表1 不同電壓等級的網(wǎng)損比較

（1）優(yōu)化配網(wǎng)潮流

如圖1所示，配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)通過對智能終端和手拉手環(huán)網(wǎng)中的負(fù)荷開關(guān)的控制，可以方便地改變環(huán)網(wǎng)的開環(huán)點(diǎn)以達(dá)到調(diào)整潮流的目的。自動化的后臺軟件將給出優(yōu)化潮流的方案，最終實(shí)現(xiàn)減小網(wǎng)損。

（2）無功/電壓控制

在后臺系統(tǒng)的支持下，通過對電容器和有載調(diào)壓的配電變壓器等分布式無功電源的控制，可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的無功/電壓控制，這不但可以降低網(wǎng)損，而且可以實(shí)現(xiàn)對電能質(zhì)量的補(bǔ)償。

4、*的配電管理系統(tǒng)

配電管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動化基本功能的核心部分，主要包括配電圖資系統(tǒng)及配電網(wǎng)分析軟件。

（1）配電圖資系統(tǒng)（AM/FM/GIS）

配電圖資系統(tǒng)由自動繪圖AM(Automatic Mapping)、設(shè)備管理FM（Facilities Management）和地理信息系統(tǒng)GIS（Geographic Information System）組成。其中，圖資系統(tǒng)（AM/FM）是配電自動化的基礎(chǔ)，該系統(tǒng)建立在地理信息系統(tǒng)（GIS）的基礎(chǔ)上，與動態(tài)SCADA相結(jié)合，將大大提高配電網(wǎng)的運(yùn)行管理水平。

（2）配電網(wǎng)分析軟件（DPAS）

配電系統(tǒng)的高級應(yīng)用軟件為配電網(wǎng)的運(yùn)行提供了有力的分析工具，主要包括：潮流計算、負(fù)荷預(yù)測、狀態(tài)估計、拓?fù)浞治?、電?阻抗計算及無功電壓優(yōu)化等。

三、基于網(wǎng)絡(luò)化的配電載波

實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動化的關(guān)鍵在于通信，選擇通信方式應(yīng)當(dāng)適合我國配電網(wǎng)具體情況。目前主要的通信方式可包括光纖、載波、有線及無線方式，配電網(wǎng)自動化的最終通信方式將是多種通信方式的混合應(yīng)用，尤其以光纖、載波為主。其中主干道光纖通信得到廣泛認(rèn)可，而網(wǎng)絡(luò)化配電載波以其良好的魯棒性、安全性、易于實(shí)現(xiàn)、投資較低等突出優(yōu)點(diǎn)，在中低壓配網(wǎng)的多種通信方式中倍受矚目。

1、電力線載波技術(shù)的發(fā)展

最初的電力線載波是為了傳輸高頻保護(hù)信號和話音信號設(shè)計的。它是基于線路兩端阻波器的點(diǎn)對點(diǎn)的通信。配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)眾多，這種點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式不能滿足配電自動化的要求，因此配電載波將不再使用阻波器。第二代的載波技術(shù)基于擴(kuò)頻原理，能夠在很低的信噪比情況下工作，具有很強(qiáng)的通信能力。一代的載波技術(shù)基于數(shù)字信號處理芯片（DSP），由于DSP具有強(qiáng)大的實(shí)時解碼功能，這種載波技術(shù)具有非常理想的通信能力。如今，基于DSP解碼的載波技術(shù)已經(jīng)可以利用10kV配電線路作為計算機(jī)總線構(gòu)成總線式網(wǎng)絡(luò)，稱為網(wǎng)絡(luò)化配電載波（NDLC）。采用NDLC技術(shù)，在10kV配網(wǎng)中的任一位置注入信號，都可以在同一個10kV網(wǎng)絡(luò)中任意位置的節(jié)點(diǎn)正確接收。目前已有集成了這種載波技術(shù)的芯片問世。其發(fā)信功率不大于1w，典型的接收能力為-80dB。理論研究與試驗(yàn)表明該技術(shù)是一項(xiàng)*可行的、很有發(fā)展前途的新技術(shù) 。

2、各類衰耗的估算

在大量仿真研究和現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[3]給出了配電載波的通道建模和對各類衰耗的估算，如表2所示：

表2 電力線的衰耗

對于以電纜線路為主的配電網(wǎng)，采用光纖通信實(shí)現(xiàn)配電自動化更為有利，對于以架空線路為主的配電網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)化配電載波具有突出優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際上，架空線很有可能與很短的電纜線路混合連接，如圖3所示。配電系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)間的最主要的通道衰耗來自變電站母線，包括變壓器的雜散電容、母線的對地電容、變電站的其他饋線等的影響。這里需要強(qiáng)調(diào)的是故障發(fā)生后，斷路器A斷開，在切除故障的同時使故障線路與變電站斷開，此時的通信衰耗將不受變電站的影響。

網(wǎng)絡(luò)化配電載波的通信節(jié)點(diǎn)在變電站的出線處由雙絞線與通信主站相連，因此饋線的出口保護(hù)動作不影響故障線路的FTU與變電站通信主站的通信。

3、網(wǎng)絡(luò)化配電載波在線路故障時的情況

當(dāng)采用網(wǎng)絡(luò)化配電載波實(shí)現(xiàn)故障定位、故障隔離時必須考慮載波信號在故障線路上的傳輸情況。這是NDLC技術(shù)實(shí)用化的主要問題之一。對該問題的分析如下：

（1）在線路故障后，故障線路出口的保護(hù)動作，斷路器將線路與變電站斷開，載波信號不受變電站的影響。由于線路停電，線路上幾乎沒有了噪聲，這些都將有利于載波通信。

（2）由于10kV配電網(wǎng)的載波耦合設(shè)備與超高壓系統(tǒng)相比成本很低，價格便宜，*可以采用相相耦合方式，相相耦合方式比相地耦合方式具有更高的可靠性，在單相接地時可以退化為相地耦合方式繼續(xù)工作，僅是在三相故障時需做特殊考慮。

（3）即使是對于三相短路故障，如果故障使得載波通道中斷，在故障點(diǎn)后面的FTU不能與變電站主站通信，該節(jié)點(diǎn)將通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)處的橋節(jié)點(diǎn)與對側(cè)系統(tǒng)聯(lián)系，橋節(jié)點(diǎn)的存在使得載波通信也具有手拉手的雙路由。

（4）實(shí)際上，斷路器跳開后，絕大多數(shù)情況故障點(diǎn)的故障電弧熄滅，絕緣恢復(fù)，這對于不足1w的載波信號的衰耗很小。

4、網(wǎng)絡(luò)化配電載波的節(jié)點(diǎn)管理

配電網(wǎng)絡(luò)可以被視為天然的總線網(wǎng)，該總線上的每兩個節(jié)點(diǎn)都可以通信。但是，考慮到配電系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)眾多，節(jié)點(diǎn)的管理十分重要，下面討論通過節(jié)點(diǎn)管理提高網(wǎng)絡(luò)化配電載波的可靠性和可擴(kuò)展性。

（1）面向?qū)ο蟮膶ぶ?/b>

配電系統(tǒng)的每個節(jié)點(diǎn)都可以通過以下三個元素確定地址：域、子網(wǎng)和節(jié)點(diǎn)號。域?qū)?yīng)于變電站，域內(nèi)的子網(wǎng)對應(yīng)于該變電站內(nèi)的一條饋線，子網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)則對應(yīng)于該饋線上的各FTU。在圖1所示的手拉手環(huán)網(wǎng)中，當(dāng)S3處于常開狀態(tài)時，節(jié)點(diǎn)B1、S1和S2屬于與變電站A相對應(yīng)的域，而節(jié)點(diǎn)B2、S4和S5屬于與變電站B相對應(yīng)的域。作為數(shù)字通信橋的聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)如圖2所示，正常情況下，聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一側(cè)的節(jié)點(diǎn)"聽不到"另一側(cè)節(jié)點(diǎn)的聲音，屬于不同變電站的域之間互不影響。僅當(dāng)一個子網(wǎng)的某節(jié)點(diǎn)被其所在的變電站主站丟失或其他原因，諸如線路斷開、線路嚴(yán)重故障等，節(jié)點(diǎn)將通過橋節(jié)點(diǎn)向?qū)?cè)申請漫游。

定義每一條饋線的個節(jié)點(diǎn)為子站，該節(jié)點(diǎn)是這一子網(wǎng)的管理節(jié)點(diǎn)，它在作為該子網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)與變電站主站的路由的同時，還記憶了這些節(jié)點(diǎn)的基本信息，如節(jié)點(diǎn)地址、節(jié)點(diǎn)類型，這將大大有利于NDLC系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

（2）自動設(shè)置中繼

當(dāng)一個子網(wǎng)中的某節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離變電站時，變電站主站可能不能與該節(jié)點(diǎn)成功通信，這時主站可以通過下載定值，定義最近的節(jié)點(diǎn)為中繼節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)將完成對通信不暢的節(jié)點(diǎn)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，這將大大提高了通信系統(tǒng)的可靠性。

（3）節(jié)點(diǎn)漫游

網(wǎng)絡(luò)化配電載波系統(tǒng)在運(yùn)行中不斷進(jìn)行自檢，一旦子網(wǎng)的子站發(fā)現(xiàn)該子網(wǎng)的某節(jié)點(diǎn)丟失，將向主站匯報，主站通過自動設(shè)置中繼試圖找回丟失了的節(jié)點(diǎn)，如仍未成功，被丟失的節(jié)點(diǎn)將主動向橋節(jié)點(diǎn)申請漫游，這一措施對于提高通信系統(tǒng)的可靠性十分有力。

5、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字載波的現(xiàn)場試驗(yàn)

下面介紹在河北唐山某10kV電網(wǎng)進(jìn)行的一次現(xiàn)場試驗(yàn)。NDLC系統(tǒng)的通信功率為0.5w。配電網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。
變電站有5條出線，即5個子網(wǎng)，圖中僅詳細(xì)給出試驗(yàn)線路的接線。FTU分別裝在節(jié)點(diǎn)A、B、C、D和E處。A為子站，AB間距離為4km，中間包含兩段各為300m長的電纜，BC間距離為2km，中間包括一段200m長的電纜，CD、AE間的距離分別為3km和2.5km。利用表2中的結(jié)果估算的通道衰耗如表3所示 ：

試驗(yàn)中的通信報文的長度為20字節(jié)。分別在兩種情況下進(jìn)行測試，一是在斷路器A閉合的情況下，存在變電站的母線衰耗和10KV系統(tǒng)的噪聲的干擾，測試結(jié)果見表4；二是在斷路器A斷開時，測試結(jié)果見表5。表4中只有AD間的通信是不理想的，AD間的距離為9km，這已接近10KV配電網(wǎng)的最大長度，并且中間包含三段電纜。當(dāng)定義節(jié)點(diǎn)B為節(jié)點(diǎn)D中繼后，通信效果理想。而當(dāng)斷路器A斷開后。如表5所示，在沒有中繼的情況下AD的通信也是理想的。

四、結(jié)論

信息技術(shù)的快速發(fā)展，為我國的大規(guī)模配電網(wǎng)改造使用更*的自動化技術(shù)提供了強(qiáng)有力的支持。采用基于信息技術(shù)的配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)將在很大程度上改善配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，更好地實(shí)現(xiàn)了資源的綜合利用。配電網(wǎng)的自動化應(yīng)當(dāng)在做好規(guī)劃（包括網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和自動化功能規(guī)劃）的基礎(chǔ)上通過實(shí)際試點(diǎn)逐步實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前實(shí)施配電網(wǎng)自動化的關(guān)鍵是在實(shí)踐的基礎(chǔ)上開發(fā)出經(jīng)濟(jì)的、可靠的、實(shí)用的配電網(wǎng)通信系統(tǒng)。光纖和配電載波將成為主要的通信方式，理論分析和試驗(yàn)證明網(wǎng)絡(luò)化配電載波是可行的、可靠的、經(jīng)濟(jì)的。