芻議配電網(wǎng)自動化設(shè)計方案及其應(yīng)用

【摘要】文章通過工作實踐并結(jié)合相關(guān)資料，文對某城市配電自動化實施方案進(jìn)行研究探討。

【關(guān)鍵詞】配電自動化；配電網(wǎng)規(guī)劃；配電主站；配電終端；配電通信

一、引言

文章對某城市大型配電自動化實施方案進(jìn)行研究，針對配電網(wǎng)特點以及配電設(shè)備、電力通信和企業(yè)相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的實際情況，設(shè)計配電自動化系統(tǒng)可行方案。結(jié)合實例展示其特點，包括先進(jìn)的設(shè)計理念、全面涵蓋的專業(yè)內(nèi)容、恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)路線，體現(xiàn)工程實際需求和配電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行檢修及調(diào)度監(jiān)控需求等方面。這對配電自動化規(guī)劃、建設(shè)及后續(xù)運(yùn)行具有很好的借鑒意義。

二、配電自動化規(guī)劃建設(shè)的主要要求

1.配電網(wǎng)基本條件

配電自動化規(guī)劃區(qū)域應(yīng)滿足一些基本條件，才能更經(jīng)濟(jì)和易于取得成功。包括：①配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)布局相對合理、成熟穩(wěn)定，供電可靠性指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到99.9%或更高；②規(guī)劃饋線自動化的區(qū)域，配電網(wǎng)線路滿足供電安全N-1準(zhǔn)則要求；③相關(guān)配電設(shè)備運(yùn)行工況良好；④擴(kuò)建配電網(wǎng)滿足配電自動化技術(shù)體系要求；⑤配電網(wǎng)站房節(jié)點能夠為規(guī)劃建設(shè)配電自動化和通信終端等設(shè)備提供足夠安裝和檢修空間。

2.配電主站規(guī)劃建設(shè)主要原則

主站系統(tǒng)設(shè)計原則一般應(yīng)包括：①建設(shè)規(guī)模具有一定前瞻性、與配電自動化規(guī)劃應(yīng)用以及配電網(wǎng)規(guī)劃階段性發(fā)展目標(biāo)相匹配；②主站支撐平臺宜一次性設(shè)計建設(shè)，首先實現(xiàn)基本數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（SCADA）和饋線自動化（FA）功能；③操作系統(tǒng)最好采用安全性較高的UNIX/Linux。主站規(guī)模和功能匹配可參考表1。

3.配電自動化終端規(guī)劃建設(shè)主要原則

配電終端設(shè)計主要原則包括：①模塊化、可擴(kuò)展、低功耗、高可靠性；②箱體結(jié)構(gòu)適應(yīng)現(xiàn)場安裝條件，滿足環(huán)境防潮防盜、抗高濕高溫電磁干擾要求；③機(jī)箱內(nèi)部布局結(jié)構(gòu)合理；④支持DL/T 634.5-101，DL/T 634.5-104等標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議；⑤支持多種供電模式，電壓等級滿足操作電源、通信電源和自身供電需求，后備電源容量滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)定；⑥具有就地人機(jī)聯(lián)系功能和必要的檢修操作防誤措施；⑦終端自診斷信息采集與上報。

4.配電通信規(guī)劃建設(shè)主要原則

配電網(wǎng)通信設(shè)計主要原則包括：①統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)籌兼顧配用電需求；②骨干通信優(yōu)先采用光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)、具備支持虛擬局域網(wǎng)（VPN）能力，滿足配電網(wǎng)規(guī)劃和配電自動化規(guī)劃布局和需求；③適時共享上聯(lián)電網(wǎng)骨干通信資源；④應(yīng)對控制指令使用基于非對稱密鑰的單向認(rèn)證加密技術(shù)進(jìn)行安全防護(hù)；⑤統(tǒng)一配電通信網(wǎng)管平臺。

5.配套輔助設(shè)施輔助配套設(shè)施包括：電流互感器、電壓互感器、接地、通信設(shè)備外部配套、機(jī)房建設(shè)等。

三、配電自動化案例設(shè)計

1.案例特征

案例城市主要特征：100萬人口城市、面積06萬km2（其中主城區(qū)近85km2，包含其中的城市核心區(qū)7km2）。城區(qū)電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控、生產(chǎn)運(yùn)行維護(hù)主要靠人工和經(jīng)驗，沒有相應(yīng)的配電自動化手段，迫切需要建設(shè)。

2.設(shè)計水平年和規(guī)模規(guī)劃

1）設(shè)計水平年：5a；遠(yuǎn)景年：10a。

2）設(shè)計規(guī)模和目標(biāo)：①新建配電自動化主站系統(tǒng)、信息交互總線；②改造配電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)柜箱體、柱上開關(guān)加裝電操機(jī)構(gòu)、配套電流和電壓互感器等輔助設(shè)備，勾通分支箱外接電源；③新建配電自動化終端、配電通信系統(tǒng)，在主城區(qū)實現(xiàn)配電自動化遙測、遙信和遙控功能；④在此基礎(chǔ)上，核心區(qū)實現(xiàn)饋線自動化。工程統(tǒng)一規(guī)劃分步實施，原則上實施和運(yùn)行同步。實現(xiàn)建設(shè)配電調(diào)度指揮及配電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行檢修管理統(tǒng)一技術(shù)支持體系的目標(biāo)。

3）工程覆蓋城市主城區(qū)域所有配電網(wǎng)支撐電源（變電站）及以下配電網(wǎng)。區(qū)域內(nèi)開關(guān)站、環(huán)網(wǎng)柜、柱上開關(guān)、用戶分界隔離裝置全部實現(xiàn)遙測、遙信和遙控（以下簡稱三遙）；電纜分支箱實現(xiàn)遙測和遙信（以下簡稱二遙）。信息交互滿足配電網(wǎng)信息集成化綜合管理、生產(chǎn)運(yùn)行檢修管理、配電調(diào)控一體化管理機(jī)制等運(yùn)行需要，包括交互營銷數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)關(guān)于配電變壓器相關(guān)電氣信息的應(yīng)用。

3.主站系統(tǒng)

（1）信息量規(guī)劃

第1階段，“十二五”初期配電自動化主站系統(tǒng)實時接入和處理信息量60萬點；第2階段，根據(jù)城市配電網(wǎng)“十二五”規(guī)劃，中期主站實時接入和處理信息量80萬點；第3階段“十二五”末期達(dá)到100萬點。

（2）規(guī)?？刂?/p>

按第3階段需求一次性建成，系統(tǒng)選型和配置滿足3萬個配電自動化終端信息量的接入要求；主站系統(tǒng)支撐調(diào)控一體化模式和生產(chǎn)運(yùn)行檢修指揮系統(tǒng)運(yùn)行；具有多種通信方式的接入能力，包括光纖通信、無線專網(wǎng)、公網(wǎng)通信；具有對所轄區(qū)域無人值班變電站的后備監(jiān)控能力?？紤]運(yùn)行需求，主站（包括信息交互）系統(tǒng)機(jī)房異地部署。配電網(wǎng)調(diào)控和生產(chǎn)運(yùn)行檢修值班工作站采用遠(yuǎn)方工作站子網(wǎng)形式部署。

（3）技術(shù)要求

系統(tǒng)軟硬件按照標(biāo)準(zhǔn)化、實用化要求設(shè)計，體現(xiàn)可靠、可擴(kuò)展、安全、先進(jìn)原則，充分發(fā)揮平臺的作用。具體技術(shù)要求如下。

1）按照IEC 61970/IEC 61968 標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)系統(tǒng)互聯(lián)互通、信息共享。

2）網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點采用UNIX/Linux操作系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件支撐平臺采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，充分利用成熟的網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫中間件、面向服務(wù)的體系架構(gòu)（SOA），遵循公共信息模型（CIM）和組件接口規(guī)范（CIS），在基本SCADA應(yīng)用的基礎(chǔ)上，滿足配電自動化總體建設(shè)目標(biāo)。

3）充分考慮未來業(yè)務(wù)發(fā)展過程中可能出現(xiàn)的新增需求，計算機(jī)軟硬件平臺、數(shù)據(jù)庫滿足集中采集、分層應(yīng)用管理模式以及可擴(kuò)展性和互操作性的要求。

4）系統(tǒng)部署在信息安全Ⅰ區(qū)獨(dú)立運(yùn)行，與其他業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)通過信息交互總線（IEB）進(jìn)行互聯(lián)，實現(xiàn)Ⅲ區(qū)Web功能，IEB和Web部署符合電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)總體方案要求。完善權(quán)限管理機(jī)制，保證數(shù)據(jù)、信息安全；杜絕可能來自公網(wǎng)通信路徑竄入的非法信息，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系。

（4）體系結(jié)構(gòu)

按照基礎(chǔ)平臺、支撐平臺、應(yīng)用功能分層構(gòu)筑主站軟件體系。模塊化設(shè)計如圖1所示。

（5）功能

按照七大模塊設(shè)計，包括系統(tǒng)支撐平臺、SCADA應(yīng)用、FA應(yīng)用、安全部署與Web發(fā)布、配電網(wǎng)監(jiān)控與運(yùn)行維護(hù)應(yīng)用、配電網(wǎng)擴(kuò)展應(yīng)用、配電網(wǎng)仿真與多態(tài)應(yīng)用。

4.信息交互

（1）信息交互架構(gòu)

IEB作為企業(yè)信息集成的公共交互平臺，為配電自動化、企業(yè)其他業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)之間信息共享提供服務(wù)。IEB實現(xiàn)Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)各系統(tǒng)之間對動態(tài)數(shù)據(jù)、圖模數(shù)據(jù)及臺賬等信息的交互應(yīng)用，實現(xiàn)企業(yè)各類資源信息共享的目標(biāo)?？傮w架構(gòu)及系統(tǒng)邊界關(guān)系分別如圖2和圖3所示。

（2）信息交互和信息集成

IEB具備易用、可維護(hù)、可擴(kuò)展、安全等基本特征。而信息集成要求數(shù)據(jù)“源端維護(hù)、全局共享”。

IEB對各應(yīng)用系統(tǒng)采用松耦合集成應(yīng)用方式，在總線上注冊的應(yīng)用和服務(wù)做到數(shù)據(jù)共享、消息互通。主要技術(shù)規(guī)范包括：采用IEC61970/IEC61968公共信息模型，將電網(wǎng)資源數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化設(shè)計和統(tǒng)一建模；實時/準(zhǔn)實時數(shù)據(jù)的信息交互，采用發(fā)布/訂閱的方式；跨越Ⅰ/Ⅲ安全隔離區(qū)的信息交互，采用發(fā)布/訂閱的異步應(yīng)答方式；消息體使用UTF-8編碼進(jìn)行交互；消息體封裝使用資源描述框架（RDF）格式等。

5.配電自動化終端

一期基本規(guī)模：主城區(qū)公網(wǎng)開關(guān)站25座、環(huán)網(wǎng)柜250座、柱上開關(guān)200臺、柱上分界開關(guān)20臺、電纜分支箱100臺、主城區(qū)線路150條。其中，核心區(qū)域配電線路35條。配電變壓器信息采集根據(jù)營銷部署的數(shù)據(jù)終端通過IEB實現(xiàn)覆蓋。

實際設(shè)計考慮輔助配套設(shè)施以及對配電網(wǎng)N-1運(yùn)行方式研究等。部署雙電壓互感器、組合式電流互感器-電壓互感器、保護(hù)和測量電流互感器獨(dú)立部署等。

6.配電通信系統(tǒng)

（1）規(guī)劃設(shè)計目標(biāo)

以智能配用電需求為導(dǎo)向，建設(shè)高速、雙向、規(guī)范、具有良好擴(kuò)展能力的配用電通信系統(tǒng)。

（2）通信技術(shù)選擇和設(shè)計

配電通信網(wǎng)選擇以光纖通信以太無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）技術(shù)為主，變電站上聯(lián)以太網(wǎng)交換機(jī)或利用同步數(shù)字體系/多業(yè)務(wù)傳送平臺（SDH/MSTP）資源，根據(jù)需要適度利用和共享部分電力骨干通信網(wǎng)光纜資源。滿足主城區(qū)配電自動化“三遙”功能對通信提出的高要求。極個別光纜敷設(shè)困難的配電終端采用中壓電力線通信。配變采集終端通信保留營銷體系部署的通用分組無線電業(yè)務(wù)（GPRS）方式。

（3）EPON組網(wǎng)設(shè)計

組網(wǎng)設(shè)計采用接入層、匯聚層、核心層3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。接入層主要是EPON通信接入設(shè)備光節(jié)點（ONU）、光配線網(wǎng)絡(luò)（ODN）和光線路終端（OLT）之間通信；匯聚層主要設(shè)備為EPON的OLT及4個區(qū)域供電單位匯聚以太網(wǎng)交換機(jī)或站端SDH/MSTP之間通信；核心層主要設(shè)備為匯聚以太網(wǎng)交換機(jī)與核心路由器組網(wǎng)或局端SDH/MSTP之間通信。

（4）配電通信組網(wǎng)拓?fù)?/p>

EPON的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用ONU雙向手拉手保護(hù)拓?fù)?、雙向環(huán)形保護(hù)拓?fù)洹㈦p光芯同光纜環(huán)網(wǎng)保護(hù)拓?fù)?、單向無保護(hù)放射形拓?fù)涞榷喾N方案。變電站OLT采用星形拓?fù)?、環(huán)形拓?fù)浜汀靶切?環(huán)形”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

（5）光纜設(shè)計

配電通信充分利用主網(wǎng)光纖通信網(wǎng)絡(luò)資源，在相關(guān)變電站之間完善光纜形成雙路徑環(huán)網(wǎng)。架空和部分下地或全架空段采用24芯全介質(zhì)自承式光纜；全程下地部分采用24

芯普通非金屬阻燃光纜。光芯路徑設(shè)計考慮施工工藝的限制和今后擴(kuò)展預(yù)留，單條線路光纜總?cè)劢哟螖?shù)不超過10次/芯。

四、初步成果

按照上述規(guī)劃設(shè)計，該大型案例已經(jīng)付諸試點建設(shè)。取得的主要成果包括：①統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計符合實際需求的配電自動化且一次性建成投運(yùn)含600余個配電自動化終端規(guī)模；②建成IEB并為能量管理系統(tǒng)（EMS）等多業(yè)務(wù)系統(tǒng)建立了必要的信息集成條件；③運(yùn)行1000km配電通信光纜，100km2部署FA并投運(yùn)，自動模式下FA動作全過程時間最快僅為30s。系統(tǒng)應(yīng)用為調(diào)度和生產(chǎn)運(yùn)行維護(hù)中心提供了良好的技術(shù)支撐，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)，現(xiàn)已通過相關(guān)機(jī)構(gòu)和專家驗收，應(yīng)用良好。3個月基本運(yùn)行統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

五、結(jié)語

總之，城市實施配電自動化需考慮如下原則：①規(guī)劃設(shè)計階段需明確適應(yīng)自身條件的定位建設(shè)目標(biāo)，并與主配電網(wǎng)遠(yuǎn)期規(guī)劃相結(jié)合；②明確調(diào)度和生產(chǎn)運(yùn)行檢修應(yīng)用主體需求內(nèi)容并與規(guī)劃目標(biāo)條件相匹配，需求為先；③權(quán)衡主站和終端功能配置以及FA，從小到大建設(shè)，建議利用企業(yè)統(tǒng)一部署的用電信息采集終端采集配電變壓器（含公共變壓器）運(yùn)行信息；④以EPON技術(shù)并利用電力骨干通信網(wǎng)或獨(dú)立組建配電通信系統(tǒng)，公網(wǎng)通信可作為配電網(wǎng)特別是配電變壓器通信的輔助手段；⑤遵循IEC61970/IEC 61968標(biāo)準(zhǔn)、采用統(tǒng)一的設(shè)備編碼體系標(biāo)準(zhǔn)，按電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)要求部署主站和信息交互總線，消除信息孤島；⑥配套完善調(diào)度、配電網(wǎng)運(yùn)行檢修管理機(jī)制，與配電自動化各專業(yè)運(yùn)行維護(hù)機(jī)制及工程建設(shè)同步發(fā)展。

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