配電自動(dòng)化系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

姜德宏 于吉壘

摘要 從配電管理和配電自動(dòng)化系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)入手,簡(jiǎn)單介紹了配電管理和配電自動(dòng)化系統(tǒng)的組成和特點(diǎn),實(shí)施的情況。對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用中遇到的問(wèn)題和技術(shù),電氣設(shè)備選擇、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫(kù)和專家系統(tǒng)等,進(jìn)行了分析和各實(shí)現(xiàn)方案的比較。

關(guān)鍵詞 配電管理系統(tǒng);配電自動(dòng)化;方案;應(yīng)用

中圖分類號(hào) TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào)1674-6708(2009)07-0066-03

0 引言

從1998年開始,隨著城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造配電自動(dòng)化建設(shè)逐步開展,部分地區(qū)嘗試性建立了配電自動(dòng)化系統(tǒng),但大部分地區(qū)還未實(shí)施或正準(zhǔn)備實(shí)施。配電自動(dòng)化系統(tǒng)方案還沒有統(tǒng)一模式,徐州供電公司于1998年在全國(guó)率先嘗試性建立了配電自動(dòng)化系統(tǒng)。近幾年,配電自動(dòng)化規(guī)模不斷擴(kuò)大,系統(tǒng)功能不斷加強(qiáng),經(jīng)過(guò)幾年的建設(shè)實(shí)踐,積累了許多可貴經(jīng)驗(yàn)。本文結(jié)合徐州城區(qū)配電網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè),提出了配電自動(dòng)化系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì),并對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)探討。

1 配電自動(dòng)化監(jiān)控與管理系統(tǒng)(DMS)簡(jiǎn)介

配電自動(dòng)化監(jiān)控與管理系統(tǒng),是利用現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與電力設(shè)備相結(jié)合,將配電網(wǎng)在正常及事故情況下的監(jiān)測(cè)、保護(hù)、控制、計(jì)量和供電部門的工作管理有機(jī)地融合在一起的綜合性系統(tǒng),其包含地理信息系統(tǒng)(GIS)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備文件(NDF)、冗余部件管理、檢修計(jì)劃管理、運(yùn)行規(guī)劃及優(yōu)化、運(yùn)行及控制以及其它管理任務(wù)(故障電話管理、人員管理、計(jì)費(fèi)管理等)。其中,運(yùn)行及控制部分功能的自動(dòng)化由配電自動(dòng)化系統(tǒng)(DAS)實(shí)現(xiàn),又可具體細(xì)分為SCADA系統(tǒng)、電壓/無(wú)功控制、保護(hù)的協(xié)調(diào)管理及控制、饋線控制、故障處理(故障檢測(cè)、定位,隔離后故障區(qū)供電)、自動(dòng)抄表和負(fù)荷管理等。從這一概念出發(fā),DMS其實(shí)涵蓋了電力MIS、電力調(diào)度、變電站綜合自動(dòng)化、出線管理、負(fù)荷管理、供用電管理等供、配、用電多個(gè)環(huán)節(jié),是一個(gè)包含多學(xué)科技術(shù)的綜合性的大系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(DMS/DAS)

2.1 設(shè)計(jì)原則

配網(wǎng)自動(dòng)化監(jiān)控與管理系統(tǒng)是一綜合信息管理系統(tǒng),涉及到計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、圖形技術(shù)、數(shù)據(jù)管理、自動(dòng)控制等多種技術(shù),同時(shí),投資較大、實(shí)施復(fù)雜,牽涉到多個(gè)部門的多個(gè)工種,和城市居民生活息息相關(guān),建設(shè)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)目的是提高配電網(wǎng)運(yùn)行管理水平、提高供電質(zhì)量、減少停電次數(shù)、縮短停電時(shí)間,以達(dá)到減員增效。要用系統(tǒng)工程的思想,采用信息優(yōu)化的系統(tǒng)集成方法,對(duì)系統(tǒng)綜合考慮與設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)原則為:首先,應(yīng)遵循實(shí)用性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、開放性、發(fā)展性和靈活性的設(shè)計(jì)要求;其次,實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)一定要保持長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

考慮到配網(wǎng)信息分布廣、信息量大的特點(diǎn),在配網(wǎng)當(dāng)?shù)卦O(shè)備(FTU、集抄系統(tǒng)、配變負(fù)荷管理器等)和控制中心間可設(shè)一至二級(jí)中繼站(一般設(shè)在變電站,可利用原有光纖通道),形成多級(jí)層次結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按分層分布分級(jí)分類構(gòu)成,各層系統(tǒng)通過(guò)完善的通信系統(tǒng)接入集中控制中心系統(tǒng),各類子系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和集中控制中心系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交流,整個(gè)系統(tǒng)分為:配電網(wǎng)集中控制中心系統(tǒng)—中心層,配電網(wǎng)子站系統(tǒng)—中間層,配電網(wǎng)監(jiān)控終端系統(tǒng)及通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)—基礎(chǔ)層。利用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)配調(diào)中心、中間層系統(tǒng)、FTU、DTU等智能終端之間的數(shù)據(jù)傳輸。配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)層次圖,見圖1。

配網(wǎng)控制中心與配網(wǎng)子站系統(tǒng)—中間層的通信充分利用現(xiàn)有城市電力數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換,中間層與用戶變(開閉所、箱變等)RTU、FTU、DTU之間的通信是配網(wǎng)自動(dòng)化的主要通信系統(tǒng),其可靠性、經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要,因此,選擇多模光纖,通信網(wǎng)路結(jié)構(gòu)采用主/從式自愈環(huán)形通信網(wǎng)。正常情況下,只有一個(gè)環(huán)路在使用。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)(裝置故障或光纜故障),光端機(jī)能自動(dòng)測(cè)量故障點(diǎn),信息在到達(dá)故障點(diǎn)之前又返回,使用第二個(gè)環(huán)路完成通信。用這種方法,對(duì)其余的正常裝置或正常光纜仍能保持通信暢通和鏈路完好,其結(jié)構(gòu)及主要工作形態(tài)如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置,如圖2所示。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題

2.3.1 功能組成部分劃分

將配網(wǎng)自動(dòng)化功能劃分為4組:電網(wǎng)運(yùn)行、運(yùn)行計(jì)劃及其優(yōu)化、維修管理、用戶聯(lián)系和控制。在上述主功能組的基礎(chǔ)上,再分成若干功能,奠定配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的主功能框架。需要強(qiáng)調(diào)的是:1)這4個(gè)功能組并不是各行其事,而是有著十分緊密的聯(lián)系,經(jīng)常交換信息,這樣既可做到數(shù)據(jù)共享,更可保證控制和管理的一致性;2)數(shù)據(jù)管理的重要性。數(shù)據(jù)管理本身并不是配網(wǎng)自動(dòng)化的功能,但是,所有的功能都包含在數(shù)據(jù)管理內(nèi),要實(shí)現(xiàn)龐大復(fù)雜的眾多功能必須依靠數(shù)據(jù)管理來(lái)完成,這些功能所交換和共享的數(shù)據(jù)引起了功能間的聯(lián)系。數(shù)據(jù)管理可確定所掌握的數(shù)據(jù)是需要相關(guān)管理的、連續(xù)不斷更新的還是由若干系統(tǒng)共享的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理建立了能滿足配電自動(dòng)化要求的新的機(jī)制和管理方法,是配電自動(dòng)化不可缺少的組成部分。

2.3.2 用發(fā)展的眼光綜合考慮

早期配網(wǎng)自動(dòng)化的實(shí)施采用發(fā)展獨(dú)立的、單項(xiàng)自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)解決問(wèn)題,如直接的負(fù)荷控制、大用戶的遠(yuǎn)程抄表等,由于配網(wǎng)自動(dòng)化的功能之間存在著不同程度的關(guān)聯(lián),其中大部分要求很難滿足,且還無(wú)法克服在擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模時(shí)確認(rèn)所需投資的合理性所遇到的困難。這種按“功能定向”的方法,已造成綜合化水平非常低并帶來(lái)若干反面影響,如功能重疊、數(shù)據(jù)的重復(fù)、靈活性很差和維修費(fèi)用高等。

另外,配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)作為一個(gè)龐大復(fù)雜的、綜合性很高的系統(tǒng)性工程,包含眾多的設(shè)備和子系統(tǒng),各功能、子系統(tǒng)之間存在著不同程度的關(guān)聯(lián),其本身及其所用技術(shù)又處于不斷發(fā)展之中,對(duì)任一家制造商而言,根本不可能包攬一切。就徐州供電公司于2000年10月完成的配網(wǎng)自動(dòng)化I期試點(diǎn)工程為例:第I期配網(wǎng)自動(dòng)化試點(diǎn)工程實(shí)現(xiàn)4條線路,2個(gè)環(huán)自動(dòng)化,主站采用NARI電網(wǎng)所OPEN2000系統(tǒng),子站及FTU采用東方電子與徐州遠(yuǎn)通公司設(shè)備。TTU采用南京光一集中器和深圳浩寧達(dá)表計(jì),負(fù)荷開關(guān)采用哈爾濱華通光明電力自動(dòng)化公司的產(chǎn)品。這就要求配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案采用全面解決的方案,走系統(tǒng)集成之路,使得各種應(yīng)用之間可共享投資和運(yùn)行費(fèi)用,最大限度保護(hù)用戶原有的投資。

在饋線自動(dòng)化方面,現(xiàn)有饋線終端設(shè)備不僅具有常規(guī)的遙測(cè)、遙信和遙控功能,且還集成了自動(dòng)重合閘、饋線故障檢測(cè)和電能質(zhì)量的一些參數(shù)的檢測(cè)功能,甚至集成了斷路器的監(jiān)視功能,且有進(jìn)一步與斷路器、開關(guān)相結(jié)合,機(jī)電一體化,發(fā)展成為智能化開關(guān)的趨勢(shì)。顯著地降低了建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)的綜合成本,為提高供電可靠性,創(chuàng)造了有利的條件。

故障定位和自動(dòng)恢復(fù)送電可以明顯地縮短停電時(shí)間。有效地解決這一問(wèn)題,必須以數(shù)字式繼電保護(hù)、饋線自動(dòng)化和DMS系統(tǒng)為基礎(chǔ)。對(duì)于故障定位,國(guó)外有人提出使用3種技術(shù)綜合處理:故障距離計(jì)算法、線路故障指示器法以及不同線路區(qū)間故障概率統(tǒng)計(jì)法,這些信息結(jié)合在一起進(jìn)行模糊邏輯處理。

2.4 中心層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)我國(guó)配電運(yùn)行管理機(jī)制,建立中心層系統(tǒng),配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)在調(diào)度中心,由自動(dòng)化專業(yè)人員維護(hù),配電運(yùn)行工區(qū)負(fù)責(zé)配電網(wǎng)的監(jiān)視、控制、運(yùn)行管理,設(shè)配電運(yùn)行工區(qū)監(jiān)控中心工作站及其相應(yīng)設(shè)備。中心層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(DAS),如圖3所示。

建立配電實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和配電管理系統(tǒng)功能相對(duì)獨(dú)立,同時(shí)聯(lián)系緊密的有機(jī)整體。

2.5 中間層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

配電子站主要為配網(wǎng)監(jiān)控層,完成配網(wǎng)自動(dòng)化和故障管理等功能,中間層系統(tǒng)工作流程,見圖4。它具有承上啟下的作用,對(duì)下負(fù)責(zé)基礎(chǔ)層設(shè)備管理,對(duì)上負(fù)責(zé)與中心層上傳數(shù)據(jù),同時(shí)接受中心層系統(tǒng)命令。

2.6 基礎(chǔ)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.6.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括建設(shè)范圍內(nèi)的電氣設(shè)備,開閉所及環(huán)網(wǎng)柜開關(guān)改造,相關(guān)自動(dòng)化設(shè)備及通信部分的設(shè)計(jì)。硬件設(shè)備包括電氣一次設(shè)備(主要是電動(dòng)負(fù)荷開關(guān))、監(jiān)控終端(FTU、DTU)、工作電源、通信設(shè)備以及計(jì)算機(jī)設(shè)備等?；A(chǔ)層結(jié)構(gòu)示意圖,見圖5。

2.6.2 基礎(chǔ)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需注意的問(wèn)題

由于基礎(chǔ)層牽涉面廣,設(shè)備種類多,工程量大,一定要有可靠的質(zhì)量保證,完善的售后服務(wù)。

1)配電線路選擇

配網(wǎng)自動(dòng)化監(jiān)控和管理系統(tǒng)擴(kuò)建工程選擇應(yīng)首先在城市中心區(qū)域供電線路實(shí)施。

2)電氣主要設(shè)備的選擇方案及問(wèn)題分析

配網(wǎng)架空線路運(yùn)行著大量一次設(shè)備:柱上斷路器和柱上負(fù)荷開關(guān),同時(shí)重合器也是由斷路器加控制器構(gòu)成,分段器由負(fù)荷開關(guān)加控制器構(gòu)成。因此有必要對(duì)柱上一次設(shè)備加以分析。我國(guó)架空線柱上開關(guān)以斷路器居多,而且負(fù)荷開關(guān)也多以斷路器代替。

柱上斷路器應(yīng)采用真空開關(guān)管滅弧以提高分?jǐn)嗄芰?SF6氣體解決相間絕緣,縮小體積。因?yàn)榱惚韷?密封問(wèn)題相對(duì)容易解決。由于真空負(fù)荷開關(guān)管和斷路器開關(guān)管價(jià)格差不多,其他結(jié)構(gòu)也相差無(wú)幾,所以真空負(fù)荷開關(guān)可以用真空斷路器代替。操動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)密封,以解決機(jī)構(gòu)銹蝕出現(xiàn)誤動(dòng)、拒動(dòng)現(xiàn)象。

永磁機(jī)構(gòu)就其原理而言由于元件數(shù)少,可靠性很高。但要注意到其本質(zhì)上還是電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu),瞬時(shí)功率大及機(jī)械特性控制是其難點(diǎn),啟動(dòng)電容以及電子控制線路的壽命、溫度特性及可靠性是操動(dòng)機(jī)構(gòu)總體可靠性的瓶頸,應(yīng)加以高度重視,這些問(wèn)題若能解決永磁機(jī)構(gòu)應(yīng)為首選機(jī)構(gòu)。

彈簧機(jī)構(gòu)若能解決密封問(wèn)題,近期將成為一個(gè)適宜于柱上的操動(dòng)機(jī)構(gòu)。柱上斷路器采用三相共箱式為好。分體柱式工藝要求高,材料問(wèn)題也不好解決。

對(duì)于有重合器配置,首先要使接地電流檢測(cè)靈敏度提高,并將接地故障改為慢速跳閘方式,站內(nèi)應(yīng)加裝接地故障微機(jī)選線裝置。

3) 配電自動(dòng)設(shè)備選擇

國(guó)產(chǎn)FTU、DTU、TTU技術(shù)功能一般都能滿足要求。需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是:

(1)溫度特性(-40～+80℃);

(2)電池壽命(10年);

(3)抗強(qiáng)電磁干擾的能力(包括光電通模塊)。

如上述指標(biāo)達(dá)不到,要實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自動(dòng)化就比較困難。

4)基礎(chǔ)層通信方案

配網(wǎng)自動(dòng)化對(duì)通信的要求同調(diào)度SCADA系統(tǒng)一樣,配電自動(dòng)化系統(tǒng)也需要一個(gè)有效的通信網(wǎng),同時(shí)他有自己的特點(diǎn):終端數(shù)量極多。配網(wǎng)系統(tǒng)擁有眾多的開閉所、配電變壓器、柱上斷路器,要對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控就需要許多FTU和TTU,同時(shí)這些FTU隨配電設(shè)備安裝,地域分布廣,通訊節(jié)點(diǎn)分散。

配網(wǎng)自動(dòng)化系通信系統(tǒng)應(yīng)滿足下述要求:

(1)可靠性;

(2)經(jīng)濟(jì)性;

(3)尋址量大;

(4)雙向通信;

(5)容易操作和免維護(hù)。

根據(jù)以上的要求,伴隨著光纖價(jià)格的下降,目前,選擇光纖通信是比較適宜的。

光纖可分為單模光纖(SMF)、多模光纖(MMF),多模光纖就是傳輸多個(gè)光波模式,而單模光纖只傳輸一個(gè)光波模式。單模光纖比多模光纖傳輸距離長(zhǎng),目前一般的光信號(hào)在多模光纖內(nèi)可傳6km左右,在單模光纖內(nèi)可傳30km。因此,單模光設(shè)備的價(jià)格要高于多模光設(shè)備。實(shí)用的光纖通常都是由多根光纖、加強(qiáng)芯、保護(hù)材料、固定材料等組合成光纜構(gòu)成的傳輸線。

光纖MODEM可完成光信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換。光纖MODEM一般有一個(gè)以上的數(shù)據(jù)口用以傳遞同步或異步信號(hào)。通信速率可達(dá)到2Mbps或更高,配網(wǎng)常用的通信速率一般為同步N×64K或異步19 200bps以下,故足以滿足配網(wǎng)通信的需要。另外,還有一種光纖MODEM具有雙環(huán)自愈功能(如圖2中所示),通過(guò)自愈光MODEM實(shí)現(xiàn)的雙環(huán)網(wǎng),這一功能使通信的可靠性大大增強(qiáng)。

配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)通信主干線采用自愈光纖通信環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),支線采用雙絞線通信,系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)盡可能利用現(xiàn)有城市電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)資源,配網(wǎng)自動(dòng)化子站系統(tǒng)直接接入現(xiàn)有電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與主站系統(tǒng)通信,本著以盡量少的通信線路滿足配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)通信的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)精心策劃,實(shí)地勘察測(cè)量,確定架設(shè)光纖線路路由,配電網(wǎng)主干線采用架空光纖,利用配電網(wǎng)電桿及通道,在跨路部分和小區(qū)采用地下管道,配電臺(tái)片內(nèi)采用雙絞線。

5)通信規(guī)約

采用基于TCP/IP協(xié)議下的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約(如IEC-870-5-104),串行接口采用DNP3.0、IEC-870-5-101等。

3 結(jié)論

城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)配網(wǎng)自動(dòng)化提出了更高的要求,配電網(wǎng)自動(dòng)化也是電力系統(tǒng)現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢(shì),技術(shù)在不斷發(fā)展,用戶的需求也不斷提高。參照發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的經(jīng)驗(yàn),結(jié)合我們自己的實(shí)際情況,按照“全面規(guī)劃、控制規(guī)模、局部試點(diǎn)、分步實(shí)施”的有關(guān)精神,綜合考慮近期與遠(yuǎn)期、全局與局部、主要與次要的關(guān)系,設(shè)計(jì)開發(fā)出先進(jìn)、通用、標(biāo)準(zhǔn)的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)方案,對(duì)電力市場(chǎng)的發(fā)展和完善具有重要的意義。

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