簡單配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)終端和主站設(shè)計

彭元慶，程洪錦

(國網(wǎng)江西省電力有限公司德興供電分公司，江西德興334200)

隨著電網(wǎng)建設(shè)重心的轉(zhuǎn)移，以及社會發(fā)展對電力系統(tǒng)提出了越來越高的要求，配電網(wǎng)自動化的建設(shè)也受到了越來越多的關(guān)注[1-4]。大量的文獻對配電網(wǎng)自動化建設(shè)、優(yōu)化、運行、管理等方面進行了研究。文獻 [5-7]分析了配電網(wǎng)自動化建設(shè)的必要性及存在的問題，并且提出提高配網(wǎng)自動化建設(shè)和運行管理水平的方法。而文獻 [8-9]分別主要介紹配電網(wǎng)自動化通信方式和規(guī)劃方法等。

行業(yè)內(nèi)很少有研究涉及到簡單配電網(wǎng)，但是經(jīng)過配電自動化建設(shè)的探索，科研人員和電氣工作者逐漸意識到科學(xué)、經(jīng)濟、簡捷實用更符合配電網(wǎng)建設(shè)的原則。因此提出建設(shè)簡單、運行簡單和維護簡單的 “簡單配電網(wǎng)”[10]。在簡單配電網(wǎng)中，充分考慮現(xiàn)場工程安裝、后期運維等因素，因地制宜選擇設(shè)備及通信方式，保證用最短的時間、最少的工程量建設(shè)實用、好用、易維護的配電自動化系統(tǒng)。

1 設(shè)計理念

簡單配電網(wǎng)的基礎(chǔ)需要更加深入的研究，因為只有系統(tǒng)各個部分都組織得更完善，也更統(tǒng)一，才會讓用戶使用起來更簡單。因此，文中所述的構(gòu)成簡捷實用配電自動化系統(tǒng)的各部分，都圍繞四個基本設(shè)計理念展開。

1)合理投資，講求實效?？紤]投資性價比，聚焦能夠給配網(wǎng)運維工作帶來實際價值的配電自動化功能。盡可能減小系統(tǒng)規(guī)模，去掉用戶尚不明確會用到的預(yù)留功能，降低運維難度。

2)選擇合理通信方式，注重長效。選擇可靠的通信方式，是保證配電自動化效用發(fā)揮到極致的重要一環(huán)。當配電自動化覆蓋率達到一定程度時，將這些廣泛分布的監(jiān)控點信息用可靠的通信手段收集起來，加以利用，可以大幅提升配網(wǎng)運維質(zhì)量。

根據(jù)實踐經(jīng)驗，光纖通信技術(shù)和無線通信技術(shù)都已經(jīng)發(fā)展得成熟可靠。對于配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定、有通信運維力量的地方，光纖通信方式是首選；而對于經(jīng)濟發(fā)展較快、面臨增容改造的區(qū)域，以及廣袤的農(nóng)村地區(qū)，無線通信方式是首選。

3)方便施工，降低建設(shè)難度。配網(wǎng)線路所處的地理環(huán)境復(fù)雜，氣候條件多變，施工條件差。安裝在線路上的設(shè)備最好是小型化、重量輕、現(xiàn)場接線少、適于帶電安裝的，從而能夠簡單快速的完成現(xiàn)場施工。

4)簡單易用，降低運維難度。在產(chǎn)品及系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)該重點考慮可靠性設(shè)計、防錯設(shè)計、免維護設(shè)計，將復(fù)雜的工作留在出廠前，盡可能減少現(xiàn)場的調(diào)試工作；設(shè)備運行要減少對用戶運維力量的依賴，讓用戶的工作焦點僅關(guān)注在使用效果上。

2 自動化終端設(shè)計

自動化終端不僅僅指傳統(tǒng)意義上的二次設(shè)備，也包括與之緊密相連的一次設(shè)備。將一二次設(shè)備進行融合設(shè)計，可減少現(xiàn)場一二次設(shè)備匹配的工作量，降低安裝難度，也是未來發(fā)展趨勢。

2.1 電源TV與開關(guān)本體一體化設(shè)計

在配電網(wǎng)自動化建設(shè)中，自動化終端的低壓電源問題一直是線路升級改造的一處瓶頸。傳統(tǒng)方案是用電磁式TV取電，在工程實施中需要單獨吊裝、接線，不但增加了工程施工量、容易出現(xiàn)接線錯誤，而且在運行過程中會引發(fā)鐵磁諧振導(dǎo)致系統(tǒng)過電壓[11-12]。而電容式TV可以有效避免鐵磁諧振，且體積較小、運行穩(wěn)定可靠，為電源TV與開關(guān)本體一體化設(shè)計提供了堅實的基礎(chǔ)。

電容式TV是由串聯(lián)電容器分壓，再經(jīng)小容量電磁式互感器降壓和隔離后變換成低電壓，從而實現(xiàn)配電自動化設(shè)備取電、測量等功能。如圖1所示，電容式TV作為工作電源和常規(guī)的電磁式TV相比具有體積小、重量輕等優(yōu)點，可以從原理上避免因電壓互感器鐵心飽和引起的鐵磁諧振。

圖1 電容式TV作為工作電源

如圖2所示，將電源TV與開關(guān)本體一體化設(shè)計，可減少現(xiàn)場施工量、提高工作效率。原來需要在現(xiàn)場完成的匹配、接線、調(diào)試工作，都可以在工廠內(nèi)部制造時完成，在現(xiàn)場只需要進行一次吊裝即可使用。通過這種一體化設(shè)計，可以減少大量發(fā)貨、運輸和現(xiàn)場施工過程中不必要的、易出錯的工作。

圖2 電源TV與開關(guān)本體一體化設(shè)計

2.2 電子式互感器與開關(guān)一體化設(shè)計

常規(guī)開關(guān)只帶有AC兩相電磁式TA，用于簡單的過流脫扣保護。隨著電子式互感器的成熟，小型化、低功耗的電流、電壓互感器可以內(nèi)置或跟開關(guān)一體化設(shè)計，如圖3所示，從而可以支持FTU實現(xiàn)測量、監(jiān)控、保護、計量一體化的功能，進一步拓展配電自動化終端的應(yīng)用范圍。

圖3 電子式互感器與開關(guān)一體化設(shè)計

1)電子式互感器可采集零序電壓量，支持FTU實現(xiàn)零序方向保護判斷。如果將共母線的每個饋線出口裝設(shè)這種帶零序方向保護的智能開關(guān)，就可準確判斷接地故障電流的方向，即可簡單易行地定位接地故障點，無需再配備其他復(fù)雜的接地故障監(jiān)測設(shè)備。

2)低功率電流線圈 (LPCT)具有寬范圍、高精度的電流轉(zhuǎn)換特性，可以支持FTU獲取10 kV關(guān)口各項計量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而可以支撐一體化電量與線損管理系統(tǒng)相關(guān)業(yè)務(wù)功能應(yīng)用，提升線損精益化管理水平。無需再加裝專用計量互感器和智能電能表，簡化配置，減少運維工作量。

2.3 小型自動化裝置 (FTU)設(shè)計

由于配網(wǎng)自動化的建設(shè)，電線桿上安裝了許多設(shè)備，有些尺寸較大，阻礙了運維人員上桿搶修。因此，將FTU小型化設(shè)計具有實際意義。

FTU尺寸控制在380 mm×260 mm(25 kg)內(nèi)后，現(xiàn)場施工難度可以顯著降低。施工人員可以直接攜帶FTU上桿安裝，不需要吊裝工藝；同時FTU安裝不需要抱箍、支架等安裝金具，可以直接安裝在開關(guān)支架下面，不影響運維人員的搶修工作，如圖4所示。

圖4 FTU安裝在開關(guān)支架下

3 小規(guī)模主站 (功能子站)設(shè)計

主站系統(tǒng)是配電自動化建設(shè)的中心[13]，但是對于各縣級及中小城市供電企業(yè)，由于資金和技術(shù)的限制，主站建設(shè)實施起來比較困難。因此，功能子站應(yīng)運而生，因其具備簡單的主站功能，可在中小城市以及縣級供電企業(yè)作為 “主站”進行使用，實現(xiàn)故障定位、故障研判、負荷監(jiān)測、各類統(tǒng)計、報表生成等基本功能。功能子站相比大主站更“簡單”，更方便基層運維人員操作，比大主站發(fā)揮出更好的效果。

3.1 功能子站與大主站的層級關(guān)系

目前，考慮到管理需要，配電自動化主站建設(shè)多以地市為單位，少數(shù)以整個省級為單位。但是這類主站還是存在運維主體不清的問題，運維主站的人不負責(zé)配網(wǎng)線路，雖然看得到數(shù)據(jù)，并不關(guān)心數(shù)據(jù)；運維線路的人負責(zé)線路，雖然關(guān)心數(shù)據(jù)，卻又看不到數(shù)據(jù)。

因此，配置功能子站是更加實用的方式。規(guī)范功能子站接口，將功能子站做成基層數(shù)據(jù)處理單元，分層級處理數(shù)據(jù)，使得功能子站即可以獨立運行，使基層單位不至于非要等到大主站建成后才能使用配電自動化功能；也可以在大主站建成后，將省市層面關(guān)心的數(shù)據(jù)有選擇性的上傳至大主站的數(shù)據(jù)庫，可減少大主站的復(fù)雜配置。

3.2 縮短主站建設(shè)周期

目前建設(shè)配電自動化主站的建設(shè)內(nèi)容涵蓋配電SCADA系統(tǒng)、GIS地理信息系統(tǒng)、配電網(wǎng)高級應(yīng)用系統(tǒng)[14]、需方管理系統(tǒng)等多個系統(tǒng)，建設(shè)周期多為1～5年不等。其中包括多個系統(tǒng)廠家、終端廠家的溝通協(xié)調(diào)，組織、建設(shè)和后期維護都需要大量人力物力。

采用配電自動化功能子站的建設(shè)模式，可以讓中小城市以及縣級供電企業(yè)縮短主站建設(shè)周期，在一個月內(nèi)甚至一周內(nèi)就能夠?qū)⑾到y(tǒng)以及終端配置完畢，讓基層人員享受配電自動化帶來的成果，有效提高工作效率，降低現(xiàn)場運維人員工作量，向配電 “自動化”和電網(wǎng) “智能化”邁出堅實的一步。

4 防錯功能設(shè)計

防錯設(shè)計是保證設(shè)備簡單易用的關(guān)鍵技術(shù)。在配電自動化建設(shè)過程中，自動化終端的現(xiàn)場施工安裝以及與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)掛接環(huán)節(jié)尤為重要，一旦出錯，不僅會影響故障區(qū)位判斷，更會埋下嚴重的安全隱患。周密的防錯設(shè)計有利于配電自動化設(shè)備的大量推廣應(yīng)用，同時不增加基層運維人員的工作難度。

4.1 TA變比調(diào)節(jié)開關(guān)

TA變比的作用是將大電流變成小電流，主要用于計量、測量、繼電保護、監(jiān)控等二次回路中的電流測量元件使用。一般TA的二次額定電流是5A或者1A，一次額定電流根據(jù)用電負荷大小選擇。

如圖5所示，傳統(tǒng)的TA變比調(diào)節(jié)需要根據(jù)負荷在現(xiàn)場進行接線調(diào)節(jié)，經(jīng)常由于端子定義不清晰，運維人員接線出錯，螺絲上不緊等因素導(dǎo)致調(diào)節(jié)錯誤，由此引起測量失準，造成裝置誤判等嚴重后果。

圖5 傳統(tǒng)TA和簡化TA變比調(diào)節(jié)開關(guān)對比

而簡化TA變比調(diào)節(jié)開關(guān)內(nèi)部帶有防TA開路的設(shè)計。運維人員可以帶電操作，通過簡單的旋鈕操作就可以完成TA變比調(diào)節(jié)，通過目視就可以清楚觀察到TA變比設(shè)置情況，可以避免傳統(tǒng)調(diào)節(jié)辦法所帶來的一系列出錯問題，簡化TA變比調(diào)節(jié)，提高運維工作的效率。

4.2 設(shè)備異動管理

配電網(wǎng)本身具有線路復(fù)雜、分支線多、環(huán)境惡劣等特點。配電自動化終端設(shè)備數(shù)量很多，管理難度較大。配電自動化建設(shè)使得配電網(wǎng)的網(wǎng)架拓撲結(jié)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生改變，配電線路的升級改造時有發(fā)生。當終端設(shè)備位置發(fā)生改變，相應(yīng)的地理位置信息、裝置信息等如何進行管理，保證終端設(shè)備與系統(tǒng)再次無錯掛接，成為了配電自動化管理中的新生問題。

GPS全球定位系統(tǒng)利用定位衛(wèi)星，能夠在全球范圍內(nèi)實時進行定位、導(dǎo)航。GPS定位技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代科技的標志性技術(shù)，其為車輛定位、防盜、指揮等提供了有力的技術(shù)支持。實現(xiàn)GPS功能必須具備GPS終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控平臺。

如果將GPS定位技術(shù)運用于配電自動化終端設(shè)備，便可以為配電網(wǎng)設(shè)備異動管理提供有力的技術(shù)支持。通過GPS定位鎖定終端設(shè)備地理位置，并將地理位置信息上傳系統(tǒng)，當設(shè)備地理位置發(fā)生改變時，運維工作人員可以第一時間掌握設(shè)備信息，及時跟進相關(guān)動態(tài)，將設(shè)備與系統(tǒng)再次有效掛接。

4.3 主站與工程安裝的配合

在配電自動化建設(shè)過程中，各個環(huán)節(jié)的配合繁瑣而復(fù)雜。如果有一種方法可以減少現(xiàn)場工作量，有效提高工作效率，那么對配電自動化建設(shè)將功不可沒。

在以往的工程現(xiàn)場，自動化終端設(shè)備安裝時需要人工記錄裝置編號、TA變比、保護定值、線路名稱、桿塔號等信息，安裝完成后需要將記錄的信息與PMIS系統(tǒng)核對，沒有PMIS系統(tǒng)的，還得人工錄入系統(tǒng)，再和系統(tǒng)進行掛接。每一個環(huán)節(jié)都由人工完成，工作量大，其中任何一個細節(jié)出錯都有可能引起嚴重的后果。

二維碼已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，如果在終端設(shè)備出廠時賦予其一個包含設(shè)備所有信息的二維碼。在現(xiàn)場安裝時只需掃描二維碼，就可以將設(shè)備信息、地理位置信息發(fā)送到主站，省去了大量的人工工作量，同時避免了人為出錯的可能。通過自動化手段讓工程安裝工作簡單、快捷，這一創(chuàng)新成果在配電自動化建設(shè)中具有重大意義。

5 應(yīng)用實例

某縣供電公司南中線和江益線屬于故障高發(fā)線路，每到春夏季，暴風(fēng)雨及鳥害嚴重，因鳥害及惡劣天氣造成線路頻繁故障。由于線路上缺乏自動化手段，經(jīng)常出現(xiàn)線路末端或分支故障造成變電站出口跳閘，引發(fā)全線停電。

2014年3月，在 10 kV南中III線和10 kV江益線開展簡單配電網(wǎng)建設(shè)，安裝一體化終端設(shè)備10臺，每個一體化終端設(shè)備從安裝到系統(tǒng)數(shù)據(jù)掛接總用時不超過3 h?？紤]到這兩條線路所處地形復(fù)雜，橫跨山區(qū)和湖區(qū)，選用無線APN通信方式，并部署相應(yīng)的桌面客戶端及移動手機客戶端軟件。在5月份完成安裝調(diào)試工作，系統(tǒng)投入運行。其中主站系統(tǒng)采用簡單的功能子站方式，考慮到供電公司的實際需求，功能主要聚焦于及時準確地判斷、隔離線路故障，同時可對線路運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，對線路的負荷情況進行統(tǒng)計分析。

為方便線路運維人員及時獲得數(shù)據(jù)，每個線路運維人員通過主站訂閱故障短信通知，同時安裝與桌面客戶端內(nèi)容相同的移動手機客戶端。

自2014年5月系統(tǒng)投運以來，準確判斷處理故障多次，線路發(fā)生故障后，該系統(tǒng)在客戶端上發(fā)出告警，同時以手機短信的方式，告知相關(guān)線路運維人員故障的類型、位置等信息，運維人員直接前往線路發(fā)生故障的區(qū)段處理故障，減少了故障查找的的范圍，從而縮短了故障處理的總體時間。

系統(tǒng)投運前后線路跳閘情況比較如圖6所示。

圖6 2013—2014年同期跳閘數(shù)據(jù)比較

10 kV江益線2013年第4季度跳閘4次，2014年第4季度該系統(tǒng)投運后江益線跳閘次數(shù)為0次，同期數(shù)據(jù)比較4∶0。

針對高故障線路整治的簡單配電自動化系統(tǒng)建設(shè)設(shè)備總投資40萬元，建設(shè)周期40天。系統(tǒng)建成后，故障導(dǎo)致全線停電次數(shù)大幅降低，只有去年同期的20%左右；故障處理時間縮短到約30～145 min(以往故障查找處理到恢復(fù)供電的時間常需3 h以上)。系統(tǒng)運行效果較明顯，有效縮小了停電范圍，縮短故障查找和停電時間，提高了供電可靠性和供電服務(wù)水平。

6 結(jié)語

本文針對縣域及城郊配電網(wǎng)自動化建設(shè)，如何使自動化設(shè)備及系統(tǒng)具備易安裝、易使用、易維護的特點，從而帶給使用者簡單易用的體驗，提高配電網(wǎng)運維工作的效率和品質(zhì)。

1)將電源電壓互感器、電子式電流電壓互感器與開關(guān)本體一體化設(shè)計，減少現(xiàn)場協(xié)調(diào)、安裝的工作量，簡化接線。進而拓展自動化裝置 (FTU)的功能，支持簡易接地故障判斷，支持關(guān)口同期線損計量管理。

2)自動化裝置 (FTU)小型化、低功耗設(shè)計，便于與低功率互感器配合。在不減少自動化裝置功能的基礎(chǔ)上，進一步減小一二次整套設(shè)備的重量、體積和功耗，增加可靠性和戶外運行壽命。

3)防錯設(shè)計使設(shè)備安裝和系統(tǒng)建設(shè)更簡單，避免工程安裝、后期運維中的人為錯誤，提高自動化系統(tǒng)的功效和品質(zhì)。

4)主站功能夠用即可，通信方式因地制宜，注重長效和免維護，利用移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，重點保證基層運維人員方便獲得轄區(qū)線路的數(shù)據(jù)。