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配電網(wǎng)自動化及其實現(xiàn)
配電網(wǎng)自動化及其實現(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,，重點突出加強電網(wǎng)建設(shè),。目前正在進行大規(guī)模的城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造建設(shè)。現(xiàn)在220kV及以上系統(tǒng)中運行的微機保護超過一萬臺,，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),，從高起點提高自動化水平帶來了契機,。
當(dāng)前各國都在致力于提高配電網(wǎng)自動化水平，擴展各種功能,。中國應(yīng)當(dāng)結(jié)合各具體電網(wǎng)實際情況,，通過試點做好規(guī)劃，經(jīng)濟有效地實現(xiàn)重點功能,?？梢杂枰姡谛畔⒓夹g(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)自動化是實現(xiàn)配電運行、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年代開始逐步實現(xiàn)了一批功能獨立的孤島自動化,，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：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)特點逐步發(fā)展、完善,，實現(xiàn)各項基本功能,，并實現(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)將確認該故障發(fā)生在S1與S2之間,，快速跳開S1和S2實現(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
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)常性長時間運行有可能導(dǎo)致絕緣破壞,，因而也需要快速實現(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,。
電網(wǎng) | 網(wǎng)損相對比列 |
| 220KV及以上電網(wǎng) | 1.5 |
| 35KV~110KV電網(wǎng) | 1.1 |
| 10KV配電網(wǎng) | 2.5 |
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)中的負荷開關(guān)的控制，可以方便地改變環(huán)網(wǎng)的開環(huán)點以達到調(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,，而且可以實現(xiàn)對電能質(zhì)量的補償,。
4、*的配電管理系統(tǒng)
配電管理系統(tǒng)是實現(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)的運行提供了有力的分析工具,，主要包括：潮流計算,、負荷預(yù)測、狀態(tài)估計,、拓撲分析,、電流/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、易于實現(xiàn)、投資較低等突出優(yōu)點,，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信號和話音信號設(shè)計的,。它是基于線路兩端阻波器的點對點的通信,。配電網(wǎng)節(jié)點眾多，這種點對點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)基于擴頻原理，能夠在很低的信噪比情況下工作,，具有很強的通信能力,。一代的載波技術(shù)基于數(shù)字信號處理芯片（DSP），由于DSP具有強大的實時解碼功能,，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。理論研究與試驗表明該技術(shù)是一項*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)場試驗的基礎(chǔ)上,，文獻[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：
| 衰耗（dB） | 備注 | |
| 發(fā)送、接收端 | 1.5 | |
| 10KV/0.4KV配電變壓器的泄漏 | 2 | |
| 架空線 | 0.1~0.2/km | 模1 |
| 0.4~0.8/km | 模2 | |
| 電纜的折射 | 7.7 | |
| 變壓器母線 | 10~20 |
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,。實際上,，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,，在故障點后面的FTU不能與變電站主站通信，該節(jié)點將通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)處的橋節(jié)點與對側(cè)系統(tǒng)聯(lián)系,，橋節(jié)點的存在使得載波通信也具有手拉手的雙路由,。
（4）實際上，斷路器跳開后,，絕大多數(shù)情況故障點的故障電弧熄滅,，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)點都可以通信,。但是,，考慮到配電系統(tǒng)的節(jié)點眾多，節(jié)點的管理十分重要，下面討論通過節(jié)點管理提高網(wǎng)絡(luò)化配電載波的可靠性和可擴展性,。
（1）面向?qū)ο蟮膶ぶ?/b>
配電系統(tǒng)的每個節(jié)點都可以通過以下三個元素確定地址：域,、子網(wǎng)和節(jié)點號。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B1、S1和S2屬于與變電站A相對應(yīng)的域,，而節(jié)點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)點如圖2所示,，正常情況下,，聯(lián)絡(luò)節(jié)點一側(cè)的節(jié)點"聽不到"另一側(cè)節(jié)點的聲音，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、線路嚴重故障等,，節(jié)點將通過橋節(jié)點向?qū)?cè)申請漫游,。
定義每一條饋線的個節(jié)點為子站，該節(jié)點是這一子網(wǎng)的管理節(jié)點,，它在作為該子網(wǎng)所有節(jié)點與變電站主站的路由的同時,，還記憶了這些節(jié)點的基本信息，如節(jié)點地址,、節(jié)點類型,，這將大大有利于NDLC系統(tǒng)的可擴展性。
（2）自動設(shè)置中繼
當(dāng)一個子網(wǎng)中的某節(jié)點遠離變電站時,，變電站主站可能不能與該節(jié)點成功通信,，這時主站可以通過下載定值,，定義最近的節(jié)點為中繼節(jié)點,，該節(jié)點將完成對通信不暢的節(jié)點的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，這將大大提高了通信系統(tǒng)的可靠性,。
（3）節(jié)點漫游
網(wǎng)絡(luò)化配電載波系統(tǒng)在運行中不斷進行自檢,，一旦子網(wǎng)的子站發(fā)現(xiàn)該子網(wǎng)的某節(jié)點丟失，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,，如仍未成功，被丟失的節(jié)點將主動向橋節(jié)點申請漫游，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
下面介紹在河北唐山某10kV電網(wǎng)進行的一次現(xiàn)場試驗。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),，圖中僅詳細給出試驗線路的接線,。FTU分別裝在節(jié)點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 ：
試驗中的通信報文的長度為20字節(jié),。分別在兩種情況下進行測試，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B為節(jié)點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)的運行狀態(tài),，更好地實現(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)上通過實際試點逐步實現(xiàn),。當(dāng)前實施配電網(wǎng)自動化的關(guān)鍵是在實踐的基礎(chǔ)上開發(fā)出經(jīng)濟的,、可靠的、實用的配電網(wǎng)通信系統(tǒng),。光纖和配電載波將成為主要的通信方式,，理論分析和試驗證明網(wǎng)絡(luò)化配電載波是可行的、可靠的,、經(jīng)濟的,。