配電自動化系統(tǒng)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用和發(fā)展

孟慶焜

（ABB(中國)有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510000）

1 智能電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀及特點

所謂智能電網(wǎng)就是電網(wǎng)的智能化，它建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過先進(jìn)的傳感和測量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)電網(wǎng)運行的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效和使用安全的目標(biāo)。智能電網(wǎng)是將信息通信技術(shù)納入電力系統(tǒng)的漸進(jìn)過程，這不僅有助于提高電力行業(yè)的生產(chǎn)率和競爭力，并且能夠創(chuàng)造大量就業(yè)崗位。其主要特征包括自愈、激勵、抵御攻擊能力、允許各種不同發(fā)電形式的接入、提供滿足21世紀(jì)用戶需求的電能質(zhì)量。

我國在2009年5月正式提出了智能電網(wǎng)的建設(shè)概念，到目前為止智能電網(wǎng)及相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)開展了大量的研究和實踐，發(fā)展主要將經(jīng)歷三個階段：

第一階段（2009-2010）規(guī)劃試點階段。主要目標(biāo)為制定智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行主要關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和設(shè)備研制，逐步開始項目試點。

第二階段（2011-2015）全面建設(shè)階段。主要為加快特高壓電網(wǎng)和城鄉(xiāng)配電網(wǎng)建設(shè)，初步形成智能電網(wǎng)運行控制和互動服務(wù)體系，關(guān)鍵技術(shù)和裝備實現(xiàn)重大突破和廣泛應(yīng)用。

第三階段（2016-2020）引領(lǐng)提升階段。全面建成統(tǒng)一的“堅強(qiáng)智能電網(wǎng)”，技術(shù)和裝備全面達(dá)到國際先進(jìn)水平，為服務(wù)清潔能源開發(fā)和保障能源供應(yīng)發(fā)揮重要作用。

智能電網(wǎng)帶來的種種好處顯而易見。它可以向電網(wǎng)運行單位提供有關(guān)供求以及電網(wǎng)組成狀態(tài)的更具體的信息。這樣有助于及時、有效地更換設(shè)備，降低局部斷電或大范圍斷電的風(fēng)險。它還能夠在設(shè)備停機(jī)或發(fā)生斷電事故時自動改換輸電線路，從而減少因故障產(chǎn)生的供電中斷或保證供電中斷時較快地恢復(fù)送電，大大提高供電可靠性，目前廣泛推廣的配網(wǎng)自動化系統(tǒng)，就是在配網(wǎng)環(huán)節(jié)引入智能電網(wǎng)概念，對配電負(fù)荷進(jìn)行智能化管理。

2 配電自動化系統(tǒng)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

配電自動化及管理系統(tǒng)是智能電網(wǎng)配電環(huán)節(jié)的重要組成部分，是一套基于統(tǒng)一配電GIS平臺之上，以配電監(jiān)控系統(tǒng)為配電網(wǎng)實時監(jiān)控中心，實現(xiàn)配電網(wǎng)的運行、監(jiān)控及事故處理的自動化，以配電管理系統(tǒng)為配電網(wǎng)生產(chǎn)、運行、管理的核心，通過可監(jiān)視、可定制、可控制的配電管理系統(tǒng)，實現(xiàn)配電工作管理信息化、數(shù)字化、自動化的電網(wǎng)自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)以配電GIS為配電網(wǎng)圖形、數(shù)據(jù)錄入平臺，將復(fù)雜的配電網(wǎng)絡(luò)與地理信息緊密地結(jié)合在一起。

2.1 系統(tǒng)組成及功能

從結(jié)構(gòu)上劃分，配電自動化系統(tǒng)一般由主站、子站、遠(yuǎn)方測控終端、通信等部分組成。主站通常由前置機(jī)、工作站、服務(wù)器和高級應(yīng)用軟件等組成，實現(xiàn)對整個配電自動化系統(tǒng)的監(jiān)控管理。子站是由一臺或兩臺互為備用的PC機(jī)構(gòu)成的簡單主站系統(tǒng)。一個子站一般可以監(jiān)控100臺左右的遠(yuǎn)方測控終端裝置，主要功能包括:對轄區(qū)內(nèi)配電設(shè)備的遙測、遙信、遙控、遙調(diào)功能；完成轄區(qū)配電線路故障識別、故障定位、自動隔離及恢復(fù)供電等，同時實現(xiàn)向主站及其他子站的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。遠(yuǎn)方測控終端通常由用于饋電線路開關(guān)的測控終端FTU(Feeder Terminal Unit)、開閉所的測控終端DTU(Distribution－Terminal Unit)、變壓器的測控終端TTU(Transformer TerminalUnit)組成，實現(xiàn)對那個設(shè)備的檢測和控制功能。通信部分通常由通信主機(jī)、適配器和通信介質(zhì)等組成，完成各級設(shè)備之間的及時通訊功能。

2.2 IDS配網(wǎng)自動化系統(tǒng)應(yīng)用

目前比較成熟的配電自動化技術(shù)為IDS（Intelligent Distribution System）系統(tǒng)，以中小城市配電自動化系統(tǒng)為例，基本可以分為主站、子站和FTU單元多級網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)組成如圖1所示：

圖1

以上拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)清晰的表達(dá)了IDS系統(tǒng)中的終端與子站和主站之間的關(guān)系：

針對配電環(huán)節(jié)設(shè)備的特點，每個結(jié)點采用配網(wǎng)智能終端單元進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和控制，配網(wǎng)終端單元之間采用光纖或雙絞線連接通信，所有配網(wǎng)終端單元組成一單環(huán)網(wǎng)，與子站相連。

配網(wǎng)子站可以選用基于現(xiàn)場工業(yè)計算機(jī)或基于嵌入式系統(tǒng)的子站終端，具備友好的用戶界面對系統(tǒng)進(jìn)行管理、查詢和操作。

配網(wǎng)子站設(shè)備的通訊接口通過光纖或其他通訊介質(zhì)與主站計算機(jī)相連，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的智能化管理。

以北京ABB高壓開關(guān)設(shè)備有限公司推出的IDS系統(tǒng)為例，智能終端可以采用IDS-F86功能模塊，該終端模塊可以直接安裝在配電網(wǎng)饋線回路的開關(guān)柜內(nèi)，也可以與綜合管理模塊以及電源模塊一起組成現(xiàn)場自動化系統(tǒng)，模塊具有遙信、遙控、遙測和故障電流檢測等功能。多路開關(guān)量輸入用以采集來自開關(guān)柜的各種狀態(tài)量信號，電壓/電流模擬量輸入端口可以直接連接三相CT、零序CT和三相PT，模塊的繼電器輸出端口可以執(zhí)行分/合閘命令，具備多種通訊方式。

IDS-MMI智能子站終端軟件系統(tǒng)采用的是嵌入式操作系統(tǒng)，它本身采用C語言進(jìn)行程序編制，在設(shè)計和制作過程中吸取了計算機(jī)人機(jī)工程等方面的最新發(fā)展，同時又緊密地結(jié)合了裝置本身特點和配網(wǎng)系統(tǒng)的實際情況，為用戶提供了一個具有良好人機(jī)界面、高效、靈活的工具軟件。在IDS-MMI的操作界面上，調(diào)度員既可以實時地從電力系統(tǒng)界面上獲取各廠站內(nèi)開關(guān)、刀閘的實際運行狀態(tài)，以及電壓、電流、功率等各種信息量，全面了解系統(tǒng)運行狀態(tài)，又可以讓整個系統(tǒng)自己完成對各種數(shù)據(jù)的分析，并自動進(jìn)行操作調(diào)整。

其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问饺鐖D2所示：

圖2

我們以單環(huán)網(wǎng)接線圖為例,簡單介紹一下配電自動化系統(tǒng)如何實現(xiàn)故障檢測、定位、隔離、非故障失電區(qū)域的供電恢復(fù)以及網(wǎng)絡(luò)動態(tài)拓?fù)渲裙δ艿倪^程。所謂配電單環(huán)網(wǎng)是指通過末端線路之間的直接連接，實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)接線，單環(huán)網(wǎng)接線簡單、運行靈活，有利于配電網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和配網(wǎng)自動化建設(shè)。適用于供電可靠性要求高、負(fù)荷密度較低的配電網(wǎng)絡(luò)。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示：斷路器V2、V4將末端的5臺環(huán)網(wǎng)柜連接起來，組成了一個手拉手的配電環(huán)網(wǎng)。

圖3

2.2.1 故障定位功能

故障定位功能是配電自動化系統(tǒng)中的主要功能之一，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障以后，能夠?qū)收宵c進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，為故障恢復(fù)贏得寶貴的時間。系統(tǒng)正常運行時斷路器V2、V4處于合閘狀態(tài)，聯(lián)絡(luò)負(fù)荷開關(guān)3C1處于分閘狀態(tài)。當(dāng)聯(lián)絡(luò)負(fù)荷開關(guān)4C1、3C2之間發(fā)生故障以后，出線斷路器V4的保護(hù)繼電器動作，V4跳閘，將聯(lián)絡(luò)負(fù)荷開關(guān)3C1以下的區(qū)域切除，同時5C1、5C2、4C1、4C2處的故障指示器動作，由綠色變?yōu)榧t色（顏色可以進(jìn)行設(shè)定）。失電區(qū)域由紅色變?yōu)榫G色。如圖4所示。

圖4

子站IDS-MMI采集遠(yuǎn)端FTU以及變電站出線斷路器繼電保護(hù)發(fā)出的動作信號、故障指示器變位信號、V4斷路器跳閘信號等。根據(jù)這些信息，判斷故障發(fā)生在4C1與3C2之間，迅速實現(xiàn)故障定位。在任何情況下，只有保護(hù)動作信號與V4跳閘信號同時存在時，系統(tǒng)才會進(jìn)行故障判斷，避免因保護(hù)裝置誤動或?qū)嗦菲鬟M(jìn)行正常分、合閘控制時IDS-MMI系統(tǒng)發(fā)生誤判。

圖5

2.2.2 故障隔離功能

確定故障位置后，子站IDS-MMI系統(tǒng)會對裝設(shè)在4C1、3C2聯(lián)絡(luò)負(fù)荷開關(guān)柜上的FTU發(fā)出分閘命令，負(fù)荷開關(guān)4C1、3C2分閘，將故障線路從環(huán)網(wǎng)當(dāng)中隔離出來，實現(xiàn)故障隔離。同時在子站監(jiān)視系統(tǒng)上，被隔離區(qū)域由綠色變?yōu)樗{(lán)色。如圖5所示。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)（非故障失電區(qū)域自恢復(fù)功能）

通過上兩個步驟，完成了故障的定位和故障點的隔離。為了提高整個配電系統(tǒng)的可靠性，我們需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)即非故障失點區(qū)域恢復(fù)功能。子站IDS-MMI收到3C2、4C1負(fù)荷開關(guān)柜上的FTU單元發(fā)來的分閘信號，向負(fù)荷開關(guān)3C1上的FTU單元發(fā)送合閘指令，使3C1負(fù)荷開關(guān)合閘，恢復(fù)3F3出線負(fù)荷的供電。同時向斷路器V4上的繼電保護(hù)發(fā)出合閘信號，恢復(fù)5F3和4F3出線負(fù)荷的用電，從而實現(xiàn)整個非故障失電區(qū)域的供電。同時子站監(jiān)視系統(tǒng)將恢復(fù)區(qū)域由綠色重新變?yōu)榧t色。如圖6所示。

圖6

2.2.4 故障清除

待檢修人員現(xiàn)場解決故障以后，調(diào)度人員可以通過子站IDS系統(tǒng)對環(huán)網(wǎng)進(jìn)行故障清楚，可以向FTU單元發(fā)送合閘命令，使3C2或者4C1合閘，環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)恢復(fù)正常。

3 配電自動化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

配電網(wǎng)自動化的發(fā)展是電力發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物,隨著電力市場及用電水平的提高,配電網(wǎng)面臨著一場新的改革和發(fā)展,配網(wǎng)自動化將進(jìn)一步得到完善。但是配電網(wǎng)自動化在中國仍然是一種因發(fā)展而新出的事物,必須采取科學(xué)的態(tài)度,實事求是的原則,加強(qiáng)我國配電網(wǎng)自動化的研究,因地制宜地進(jìn)行配電網(wǎng)的改造。

配電自動化系統(tǒng)正在向開放、兼容、高速、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化等方面發(fā)展，隨著技術(shù)的進(jìn)步，構(gòu)建基于IEC61850通訊規(guī)約的配網(wǎng)自動化系統(tǒng)將會成為配網(wǎng)自動化發(fā)展的新趨勢。IEC61850采用面向?qū)ο蟮乃枷耄瑢⑽锢碓O(shè)備以及二次邏輯功能進(jìn)行抽象，建立了一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、二次設(shè)備功能及其相互關(guān)系的數(shù)據(jù)模型，全景式的將整個配電自動化系統(tǒng)描述出來，為配電自動化系統(tǒng)提供了完整的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時，IEC61850為不同廠家的設(shè)備定義了統(tǒng)一的配置語言，數(shù)據(jù)模型的統(tǒng)一擴(kuò)展規(guī)則，一致性的測試手段，大大提高了配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的兼容性，為配電自動化系統(tǒng)走向統(tǒng)一提供技術(shù)基礎(chǔ)，也給運行管理帶來新的思路。所以，充分利用IEC61850的技術(shù)特點，構(gòu)建面向未來的配電自動化系統(tǒng)，將成為未來發(fā)展的新趨勢。

[1]楊奇遜.配電網(wǎng)自動化及其實現(xiàn)《供用電》第18卷第2期 2001年4月.

[2]ABB IDS系列配網(wǎng)自動化系統(tǒng)技術(shù)資料Rev.B 2008-04

[3]印永華智能電網(wǎng)建設(shè)中的技術(shù)和設(shè)備.《電氣制造》2010年第1期 .