城域網(wǎng)中配電自動化關(guān)鍵技術(shù)的研究

柳文述

(國網(wǎng)湖北省電力公司恩施供電公司,湖北 恩施 445000)

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城域網(wǎng)中配電自動化關(guān)鍵技術(shù)的研究

柳文述

(國網(wǎng)湖北省電力公司恩施供電公司,湖北 恩施 445000)

摘要：結(jié)合多年來國內(nèi)外電網(wǎng)配電自動化的發(fā)展歷程，分析了配網(wǎng)自動化在城市電網(wǎng)之應(yīng)用中的不足之處，指出了其具體的限制條件，并提出了相應(yīng)優(yōu)化建議.提出了一個基于城域網(wǎng)電量需求、區(qū)域分布以及負(fù)荷量等多方預(yù)測的多元化預(yù)測方案，以滿足城市電網(wǎng)配網(wǎng)自動化的需求.

關(guān)鍵詞：城域網(wǎng)；配電；自動化

電能在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民日常生活中一直扮演者不可或缺的角色，是社會穩(wěn)步和諧向前發(fā)展的基石.電力能源等一系列清潔能源在社會生活中的占比越來越大，因此對電能的質(zhì)量以及可靠性的要求也越來越高.

自2003年電力改革之后，隨著相關(guān)法案的出臺與貫徹實(shí)施，電力清潔能源已然成為了一種商品進(jìn)入了市場經(jīng)濟(jì)體制之中.用戶擁有了更大的自主權(quán)，電力經(jīng)營者對用電過程中的停電這一類事件需負(fù)有責(zé)任[1-2].

因電力系統(tǒng)自身的特殊性；即不能長期存儲、生產(chǎn)和消費(fèi)過程基本同時完成[3].空間分布上遼闊但在電氣分布上卻渾然一體，因此電力系統(tǒng)發(fā)生故障的時候很容易牽一動而發(fā)全身，基于這樣的特性，一旦故障被擴(kuò)大就會影響到整個區(qū)域的電力網(wǎng)絡(luò)供電系統(tǒng)，并造成大面積的停電，這樣的事故一旦發(fā)生將是災(zāi)難性的，對人民的生產(chǎn)生活以及國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展都會造成嚴(yán)重的損失[4-5].

提升系統(tǒng)的自動化以及配電的可靠性就顯得越來越重要，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，火電廠、水電廠、綜合變電站等等都已走向了自動化并且與各種自動化裝置進(jìn)行融合、協(xié)調(diào)與整合.更高層次上的綜合自動化要求也使得當(dāng)前配網(wǎng)自動化技術(shù)呈現(xiàn)出了新的發(fā)展特點(diǎn)、功能和更加復(fù)雜的自動化系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)備，與此同時對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測也就顯得尤為重要.現(xiàn)在網(wǎng)路技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、圖像處理技術(shù)等也因此得以在配網(wǎng)監(jiān)測上起到了重要作用.

1　配電網(wǎng)自動化發(fā)展階段

第一階段為人工處理當(dāng)某一段線路發(fā)生故障或送電失敗時，通過在負(fù)荷開關(guān)或者配電線路上安裝的故障顯示器沿途查找故障點(diǎn)，更有甚者將各配電線路的跌落式熔斷器取下后，再次合閘送電，然后逐項排查，找出并切除故障點(diǎn)，恢復(fù)供電.

第二階段是分布智能處理.分布智能處理是通過各區(qū)段的安全自動化裝置相互配合，通過重合閘操作將故障區(qū)段隔離在配電系統(tǒng)外以達(dá)到減小事故擴(kuò)大以及恢復(fù)供電的目的.但這種手段需要在故障沒有消除前對系統(tǒng)進(jìn)行重合閘操作，這對用戶的用電安全以及安全自動裝置都會造成極大的破壞.所以這種系統(tǒng)主要針對配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，以雙電源為支撐的系統(tǒng)，主要涉及的是地處偏遠(yuǎn)，通訊手段落后的地區(qū).

第三階段是集中智能處理.通過RTU對遙信，遙測遙信的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并發(fā)送到主站上，當(dāng)故障發(fā)生時，主站對接收到的故障數(shù)據(jù)按照一定的故障處理算法以及配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析處理，確定故障點(diǎn)并將動作指令下傳到相應(yīng)的RTU，由RTU的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)跳開故障區(qū)域的斷路器，從而恢復(fù)供電.目前，分布智能處理隨著我國電力系統(tǒng)的發(fā)展而得到了廣泛的應(yīng)用，這種系統(tǒng)運(yùn)行可靠，并大大節(jié)約了供電成本.

國內(nèi)的配電網(wǎng)自動化技術(shù)發(fā)展時間不長，但是已經(jīng)取得了較為顯著的成果，從早期的人工處理為主發(fā)展到近階段的集中智能處理，隨著人為介入因素的減少，人力資源投入的降低，配電系統(tǒng)的自動化監(jiān)控變得尤為重要.利用遠(yuǎn)程監(jiān)測的方式來對配網(wǎng)進(jìn)行調(diào)控，查找并排除故障、完成配網(wǎng)作業(yè)已然成了未來智能電網(wǎng)的趨勢，本文也就就這一問題展開相應(yīng)的分析與研究.

圖1　城域網(wǎng)中的應(yīng)用平臺Fig.1　MAN application platform

圖2　城域網(wǎng)監(jiān)測模型圖Fig.2　MAN monitor model diagram

2　存在的問題

目前配電自動化逐步應(yīng)用于城域網(wǎng)配電網(wǎng)絡(luò)，相關(guān)企業(yè)與部門在技術(shù)和資金方面都加大了投入，同時配電自動化在城域網(wǎng)配電網(wǎng)絡(luò)中也取得了更深更廣的進(jìn)步[6-7].但在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)營與操作中仍然存在很多問題制約著城網(wǎng)的發(fā)展.但目前而言在我國配電自動化在城域網(wǎng)配電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用還存在這些許的不足，大致可以總結(jié)為以下兩個方面：

2.1　平臺繁雜

配電自動化在城域網(wǎng)配電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用平臺包含：監(jiān)控組態(tài)系統(tǒng)(SCADA)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、變電所自動化系統(tǒng)(SA)、停電管理系統(tǒng)(OMS)、用戶信息系統(tǒng)(CIS)、饋線自動化系統(tǒng)(FA)等.各個系統(tǒng)平臺之間信息相互共享在于配網(wǎng)的生產(chǎn)以及其他服務(wù)進(jìn)行接口時需要對接，需要相關(guān)的協(xié)議存在.

2.2　負(fù)荷預(yù)測方式過于落后

20世紀(jì)末我國為了促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，不斷的推動著城市化的步伐，并初步開展城域網(wǎng)規(guī)劃工作.那個時候因為區(qū)域經(jīng)濟(jì)處于起步發(fā)展階段所以借助于簡單的數(shù)學(xué)回歸模型算法來預(yù)測負(fù)荷能基本適用于區(qū)域電力的使用，但后來經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展城域網(wǎng)建設(shè)速率也倍速提升，負(fù)荷的增長速率已然明顯超過了電力行業(yè)的供給.以長春市為例，12年，城域網(wǎng)配電負(fù)荷達(dá)1164kW，同比提升12.6%，供電范圍2.06萬km2[8-9].這就意味著以外傳統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測方案已經(jīng)無法跟上飛速發(fā)展的負(fù)荷增量，城域網(wǎng)電量供需矛盾一步步凸顯，因而在常規(guī)的負(fù)荷預(yù)測方案上也必須跟著城網(wǎng)的建設(shè)水平進(jìn)一步提升優(yōu)化.

3　城域網(wǎng)自動化提高措施

3.1　對監(jiān)控系統(tǒng)的簡化

配網(wǎng)自動化的監(jiān)測系統(tǒng)為整個自動化系統(tǒng)的核心，配網(wǎng)從各個終端采集的數(shù)據(jù)會通過網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時的傳至系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，通過相應(yīng)處理之后再將將數(shù)值信息用友好的、易于理解和便于人為分析的形式呈現(xiàn)給操作者.同時操作者利用監(jiān)控中心可以向系統(tǒng)子站或終端下發(fā)各種控制命令，以完成系統(tǒng)配置或?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行突發(fā)狀況給予及時處理.監(jiān)控中心的后臺機(jī)及上位機(jī)人機(jī)交互界面設(shè)計對系統(tǒng)操作實(shí)時性、便利性均有較大影響.因而設(shè)計一套優(yōu)秀的監(jiān)測系統(tǒng)是很有必要的.

配網(wǎng)自動化的監(jiān)控中心是監(jiān)控系統(tǒng)的控制中心，在建設(shè)的過程中需從以下方面進(jìn)行：①具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)通信能力.監(jiān)控中心后臺系統(tǒng)包括的前置通信部分，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)終端采集的監(jiān)控信息的接收，還必須將監(jiān)控中心對電網(wǎng)運(yùn)行控制信號下發(fā)至下層基站.因配網(wǎng)自動化的監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測對象較多、分布廣、系統(tǒng)復(fù)雜，監(jiān)控中心的信息吞吐量較大，因此設(shè)計時需考慮中心前置通信模塊的通信能力.②數(shù)據(jù)存儲及處理能力.監(jiān)控系統(tǒng)龐大且復(fù)雜，時常涉及跨區(qū)域傳輸，監(jiān)控對象采集數(shù)據(jù)量形式多樣，數(shù)據(jù)量龐大，并系統(tǒng)應(yīng)具備事件追蹤和記錄功能，因而需要監(jiān)控中心有大的數(shù)據(jù)存儲能力作為支持，同時能以最快的處理速度來解決自動化監(jiān)控對電網(wǎng)配置問題.③友好的人機(jī)交互界面.監(jiān)控系統(tǒng)暫時難以完全脫離人工監(jiān)控而獨(dú)立運(yùn)行，監(jiān)控中心機(jī)器與工作人員交流主要通過計算機(jī)顯示界面進(jìn)行，為便于人工監(jiān)測管理，系統(tǒng)界面進(jìn)行交互友好設(shè)計.交互界面需要運(yùn)行監(jiān)視功能，管理功能，如打印，制表，報警等.④一定的容錯功能.監(jiān)控中心功能強(qiáng)大，數(shù)據(jù)存儲及提取頻繁，連續(xù)工作時間長.這就要求其在工作過程中，軟、硬件兩方面都具有一定容錯能力，這可以通過加設(shè)后備硬件設(shè)施或軟件查詢自我修復(fù)等方式來實(shí)現(xiàn).

表1　五年計劃與經(jīng)濟(jì)增長表

圖3　GM與PLS結(jié)合負(fù)荷預(yù)測流程圖Fig.3　GM PLS combined load forecasting flowchart

在設(shè)計配網(wǎng)自動化監(jiān)控中心過程中，需要考慮的方面如下:①安全性.監(jiān)控中心安全重要性十分突出，可以在系統(tǒng)中設(shè)置身份驗證和操作權(quán)限驗證，身份驗證決定哪些人可以對監(jiān)控中心系統(tǒng)進(jìn)行操作，而權(quán)限驗證則進(jìn)一步細(xì)化通過身份驗證后的工作人員對系統(tǒng)的訪問深度，即訪問級別問題.②可靠性.配網(wǎng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)需要具備連續(xù)工作的能力，能在長時間運(yùn)行條件下保持良好的性能而不至于引起信息處理延誤等問題.因此在搭建系統(tǒng)時可以考慮采用雙機(jī)器同時運(yùn)行的方式，一臺后備機(jī)器同步備份進(jìn)行工作，如果前端運(yùn)行的機(jī)器出現(xiàn)問題，可以及時切換頂替前端機(jī)器作為主機(jī).③經(jīng)濟(jì)性.電子信息行業(yè)的不斷發(fā)展降低了PC機(jī)及專用服務(wù)器的價格，在選擇系統(tǒng)硬件時，要以性價比為準(zhǔn).④可擴(kuò)展性.配網(wǎng)自動化在不斷發(fā)展，更新的自動化通信技術(shù)也將運(yùn)用到其中，設(shè)計的監(jiān)控中心在軟硬件設(shè)備上符合國際或國家標(biāo)準(zhǔn)，由此才能保證在未來系統(tǒng)擴(kuò)展、兼容性方面不會有問題.

3.2多元化城域網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測方案

針對城域網(wǎng)未來電量需求、區(qū)域分布、負(fù)荷量等來進(jìn)行多方預(yù)測，這么做除了對電力網(wǎng)絡(luò)發(fā)展有指向標(biāo)的作用外，對于區(qū)域經(jīng)濟(jì)的建設(shè)與發(fā)展更有強(qiáng)大的推動力量.鑒于部分城市中，人口的數(shù)量與分布會影響負(fù)荷預(yù)測的精確度，且遠(yuǎn)距離輸送電更加讓負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確度難以保證，再城域網(wǎng)負(fù)荷增長速率極速增長，以至于利用傳統(tǒng)的簡單數(shù)學(xué)回歸模型來對用電負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測的方案已經(jīng)不適用于城域網(wǎng)的發(fā)展，因此在城網(wǎng)的自動化規(guī)劃過程中相關(guān)的預(yù)測規(guī)劃人員應(yīng)當(dāng)采用多元化的負(fù)荷預(yù)測方案，譬如彈性系數(shù)法、負(fù)荷密度法、卡爾曼濾波負(fù)荷預(yù)測法、小波分析法等等.

彈性系數(shù)法：εxy=(dy/dx)/(y/x)表示y對x的彈性系數(shù)假設(shè)電力彈性系數(shù)為β待測年CDP增長率為αk則可用wt=w0(1+β×αk)預(yù)測待測年負(fù)荷值.

負(fù)荷密度法：A=sd式中A表示預(yù)測量s表示人口數(shù)d表示用電密度.

4　結(jié)語

配網(wǎng)自動化系統(tǒng)在城域網(wǎng)建設(shè)中具有很高的實(shí)際應(yīng)用價值，在保證地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與用電安全性可靠性等方面也起著重要作用.雖目前我國城域網(wǎng)配電自動化系統(tǒng)中仍然存在這些許的不足，但是通過具有針對性的措施進(jìn)行改進(jìn)是可以適用于目前我國區(qū)域發(fā)展的，并且對我國的配電自動化也具有強(qiáng)有力的促進(jìn)作用.

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責(zé)任編輯：時凌

Research on Key Technology of Distribution Automation

in Metropolitan Area Network

LIU Wenshu

(Enshi Power Supply Company，Enshi 445000，China)

Abstract：Based on the development of domestic and international grid distribution automation in the past years,this paper analyzed the shortcomings of distribution automation applications in urban power grid,pointed out their specific constraints and put forward corresponding optimization suggestions.Multiple prediction plans based on electricity demand,regional distribution and load forecasting are proposed meet the urban power grid distribution automation needs.

Key words：metropolitan area network；power distribution；automation

作者簡介：賀申泰(1981- )，男，碩士，主要從事地類信息、土地利用方面的研究. 何孫鵬(1988- ),男，碩士，主要從事城市與區(qū)域發(fā)展的研究;*甄江紅(1970- )，女，教授，博士，主要從事城市與區(qū)域發(fā)展的研究.

DOI:10.13501/j.cnki.42-1569/n.2015.06.027 10.13501/j.cnki.42-1569/n.2015.06.026

文章編號：1008-8423(2015)02-0225-05 1008-8423(2015)02-0218-07

通信作者：

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(41261109)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項目(2012MS0617). 武漢大學(xué)自主科研項目資助項目(121013).

收稿日期：2015-03-24. 2015-04-27.

中圖分類號：TM732

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A