配電網(wǎng)自動化及其實現(xiàn)

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　1 引言

　　80年代以來，我國的電力工業(yè)得到了快速發(fā)展，90年代中后期，電力工業(yè)的發(fā)展重點由增加裝機容量轉(zhuǎn)變?yōu)榧訌婋娋W(wǎng)建設(shè)。電力工業(yè)發(fā)展的這種特殊性，使得我國適合采用更先進的技術(shù)，從高起點進行電網(wǎng)改造。目前在我國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)的綜合自動化變電站投入運行。這些技術(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。在信息時代來臨的今天，我國正在進行大規(guī)模的配電網(wǎng)改造建設(shè)，一批城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造工程正在興建，可以預(yù)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。

　　2 基于信息技術(shù)的配電網(wǎng)自動化的基本功能

　　配電網(wǎng)長期以來只能采用手工操作進行控制，自90年代開始逐步發(fā)展實現(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先進通信技術(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，它是配電自動化的基礎(chǔ)部分。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。針對我國配電網(wǎng)的具體情況，配電網(wǎng)自動化應(yīng)當分期分批逐步發(fā)展完善，最終實現(xiàn)對配電系統(tǒng)資源的綜合利用。

　　2.1 饋線自動化

　　圖1所示為典型的配電網(wǎng)手拉手環(huán)網(wǎng)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沒有故障電流流過，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。

　　2.2 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，由于非故障相的電壓升為線電壓，長時間運行有可能導(dǎo)致絕緣破壞，因而需要快速實現(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。

　　2.3 配電網(wǎng)優(yōu)化運行

　　統(tǒng)計資料表明，與超高壓電網(wǎng)、高壓電網(wǎng)相比，配電網(wǎng)的網(wǎng)損是最高的，三者之間的比例關(guān)系如表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。

　　2.3.1 優(yōu)化配網(wǎng)負荷

　　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)點已達到調(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。

　　2.3.2 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。

　　2.4 先進的配電管理系統(tǒng)

　　配電管理系統(tǒng)是配電網(wǎng)自動化的核心部分，主要包括配電圖資系統(tǒng)及配電網(wǎng)分析軟件。

　　2.4.1 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。

　　2.4.2 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。

　　3 基于網(wǎng)絡(luò)化的配電載波

　　配電網(wǎng)自動化的關(guān)鍵在于通信，選擇通信方式應(yīng)當適合我國配電網(wǎng)的具體情況。目前主要的通信方式包括光纖、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，在多種通信方式中倍受矚目。

　　3.1 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。最新一代的載波技術(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)是一項完全可行的、很有發(fā)展前途的新技術(shù)。

　　3.2 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：

　　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。

　　3.3 網(wǎng)絡(luò)化配電載波在線路故障時的情況

　　當采用網(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：

　?。?）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，完全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。

　?。?）即使發(fā)生三相短路故障，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具有手拉手的雙路由。

　?。?）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。

　　3.4 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。

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