兩種配網(wǎng)自動(dòng)化方案的分析與比較

湛鵬

（湖北中大恒潤能源工程有限公司，湖北 武漢430000）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，用戶對供電質(zhì)量及可靠性提出了越來越高的要求[1]。配網(wǎng)自動(dòng)化水平直接關(guān)系到配網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性和供電可靠性[2]。配網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)能迅速判斷故障區(qū)域、在較短時(shí)間內(nèi)完成相關(guān)開關(guān)分合閘操作，將故障隔離在最小范圍內(nèi)并最大限度恢復(fù)非故障區(qū)域供電，縮小停電面積、縮短停電時(shí)間[3]。

配網(wǎng)自動(dòng)化通過DTU/FTU實(shí)時(shí)監(jiān)視開閉所、配電站、環(huán)網(wǎng)柜的分段或聯(lián)絡(luò)開關(guān)分合狀態(tài)及各饋線電壓、電流，實(shí)現(xiàn)線路開關(guān)遠(yuǎn)方/就地分、合閘，保障供電[4]。本文對基于邊緣節(jié)點(diǎn)的配網(wǎng)自動(dòng)化解決方案和分布式DTU配網(wǎng)饋線自動(dòng)化解決方案進(jìn)行分析和比較，對方案的選擇提出合理化建議。

1 分析

1.1 基于邊緣節(jié)點(diǎn)的配網(wǎng)自動(dòng)化解決方案

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，圖中FA 表示間隔單元，NP 表示邊緣節(jié)點(diǎn)保護(hù)裝置，系統(tǒng)由站控層、站間層、站內(nèi)層構(gòu)成。

站控層主要完成站內(nèi)邊緣節(jié)點(diǎn)保護(hù)同配網(wǎng)主站之間的通信，實(shí)現(xiàn)主站對本站內(nèi)開關(guān)監(jiān)測與遙控功能。

站間層由每個(gè)站的邊緣節(jié)點(diǎn)保護(hù)通過光纖組成，對上通過站控層的通信模塊同配網(wǎng)主站通信，同時(shí)通過站間層的光纖將轉(zhuǎn)供信號(hào)通過GOOSE 送至轉(zhuǎn)供處的邊緣節(jié)點(diǎn)保護(hù)，保護(hù)判斷后決定是否進(jìn)行轉(zhuǎn)供。

站內(nèi)層間隔IO模塊將每個(gè)間隔數(shù)字電氣信號(hào)通過GOOSE 及GSV 上傳至站間層設(shè)備，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)、站間信息交換與共享，同時(shí)在通信異常及開關(guān)拒動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)后備保護(hù)。

整個(gè)系統(tǒng)通過HSR及PRP協(xié)議保證網(wǎng)絡(luò)通信零延時(shí)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

配置方案如圖2所示，每個(gè)開關(guān)箱內(nèi)安裝1套邊緣節(jié)點(diǎn)保護(hù)裝置NP，每個(gè)開關(guān)箱內(nèi)的每個(gè)開關(guān)柜安裝1個(gè)間隔單元FA。

圖2 配置方案

自動(dòng)轉(zhuǎn)供方案如圖3所示，當(dāng)開關(guān)站1發(fā)生故障時(shí)，相應(yīng)開關(guān)分閘，開關(guān)站1 故障被隔離，間隔單元FA 通過GOOSE+GSV 上傳開關(guān)位置、電壓、電流信號(hào)給保護(hù)NP，NP 將開關(guān)分合閘信息通過GOOSE 傳給4-2 保護(hù)，開關(guān)站4 保護(hù)收到其他站保護(hù)發(fā)來的“隔離成功，允許轉(zhuǎn)供”信號(hào)后，判斷4-2是否滿足轉(zhuǎn)供條件（判一側(cè)有壓一側(cè)無壓及開關(guān)分閘），若滿足條件則發(fā)合閘信號(hào)給4-2間隔單元執(zhí)行合閘，恢復(fù)非故障區(qū)供電，若不滿足條件，則給主站發(fā)“轉(zhuǎn)供失敗”信號(hào)。

圖3 自動(dòng)轉(zhuǎn)供方案

異常處理方案如圖4 所示，當(dāng)通信中斷或開關(guān)拒動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)上一級間隔單元的后備保護(hù)分閘來隔離故障。

圖4 異常處理方案

1.2 智能分布式配網(wǎng)饋線自動(dòng)化解決方案

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示，智能分布式DTU 安裝于開閉所、環(huán)網(wǎng)柜中，采集間隔電壓、電流和開關(guān)位置信息，可以對各間隔進(jìn)行獨(dú)立保護(hù)，也可以在環(huán)網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行分布式FA功能?？梢酝ㄟ^光纖上送監(jiān)控信息至主站，同時(shí)也可以接收主站的遙控指令。

DTU公共單元主要實(shí)現(xiàn)開閉所、環(huán)網(wǎng)柜各間隔信息匯集、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)、指令下發(fā)。裝置通過光纖，以認(rèn)證加密方式使用104 規(guī)約與主站交互遙測、遙信、遙控、電量數(shù)據(jù)。

DTU 間隔單元主要實(shí)現(xiàn)間隔線路電氣量采集、保護(hù)、控制、故障隔離，同時(shí)與環(huán)網(wǎng)內(nèi)其他間隔單元構(gòu)成分布式FA 網(wǎng)絡(luò)和交互FA 數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不依賴于主站的FA功能。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

間隔單元與公共單元通信如圖6 所示。DTU 間隔單元通過以太網(wǎng)104 規(guī)約傳送數(shù)據(jù)到公共單元交換機(jī)，通過IEC 61850規(guī)約GOOSE標(biāo)準(zhǔn)傳送數(shù)據(jù)到FA交換機(jī)。公共單元交換機(jī)通過以太網(wǎng)104規(guī)約傳送數(shù)據(jù)到DTU 公共單元，然后再通過光纖以太網(wǎng)104 規(guī)約和系統(tǒng)主站相連。FA 交換機(jī)通過光纖以太網(wǎng)IEC 61850 規(guī)約和相鄰開閉所或環(huán)網(wǎng)柜的FA 交換機(jī)相連。

圖6 間隔單元與公共單元通信

DTU 之間分布式FA 通信如圖7 所示，每臺(tái)FA交換機(jī)通過光纖與相鄰上一級和下一級FA交換機(jī)相連，同時(shí)通過光纖與本級DTU間隔單元相連，均通過IEC 61850規(guī)約GOOSE標(biāo)準(zhǔn)傳送數(shù)據(jù)。

圖7 DTU之間分布式FA通信

分布式DTU終端具備保護(hù)告警功能，并具有以間隔為對象的分布式FA饋線自動(dòng)化、小電流接地系統(tǒng)單相接地故障就地判別和隔離功能。短路故障處理如圖8所示，當(dāng)主干線發(fā)生故障時(shí)，分布式FA啟動(dòng)，#2、#3開關(guān)分閘，在不過負(fù)荷條件下合上#5開關(guān)，恢復(fù)非故障區(qū)供電，故障處理完畢，F(xiàn)A 結(jié)束，若主干線故障發(fā)生后#2 開關(guān)拒動(dòng)，則#1 開關(guān)分閘，在不過負(fù)荷條件下合上#5 開關(guān)，恢復(fù)非故障區(qū)供電。當(dāng)故障發(fā)生在饋出線或母線時(shí)處理過程類似，先分閘隔離故障，后合聯(lián)絡(luò)開關(guān)恢復(fù)非故障區(qū)供電。

圖8 短路故障處理

2 比較

2.1 基于邊緣節(jié)點(diǎn)的配網(wǎng)自動(dòng)化解決方案

本方案采用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)拓?fù)渲悄芩惴?，可適應(yīng)不同的接線方式。間隔IO 模塊可實(shí)現(xiàn)數(shù)字TA、TV、后備保護(hù)，結(jié)構(gòu)滿足即插即用。系統(tǒng)可通過GOOSE的方式實(shí)現(xiàn)站內(nèi)、站間信息交換與共享。站內(nèi)的間隔單元采用自定義的GSV協(xié)議與邊緣節(jié)點(diǎn)繼電保護(hù)裝置通信，站內(nèi)所有的保護(hù)控制功能均由邊緣節(jié)點(diǎn)保護(hù)裝置完成，間隔單元作為后備保護(hù)。實(shí)現(xiàn)站內(nèi)及站間快速故障隔離及恢復(fù)供電。當(dāng)線路拓?fù)涓淖儠r(shí)，可方便進(jìn)行擴(kuò)展及系統(tǒng)配置。系統(tǒng)運(yùn)用HSR/PRP協(xié)議、GOOSE通信、邊緣節(jié)點(diǎn)保護(hù)、備自投自動(dòng)轉(zhuǎn)供技術(shù)解決了保護(hù)孤島、傳統(tǒng)線路保護(hù)定值時(shí)間級差、光纖環(huán)網(wǎng)通道共享所有開關(guān)站轉(zhuǎn)供信號(hào)、啟動(dòng)后備保護(hù)延時(shí)動(dòng)作等問題。相比而言，本方案邊緣節(jié)點(diǎn)保護(hù)裝置NP 比分布式DTU 方案公共單元的功能強(qiáng)。

2.2 智能分布式配網(wǎng)饋線自動(dòng)化解決方案

本方案DTU 公共單元采用高性能多核處理器，安全可靠，性能強(qiáng)大，可承接云端人工智能算法，對開閉所、環(huán)網(wǎng)柜設(shè)備進(jìn)行更加智能化的監(jiān)控和保護(hù)。DTU間隔單元采用16位A/D轉(zhuǎn)換器和高精度交流頻譜分析算法，計(jì)算精度高。通過定義不同開關(guān)在FA邏輯中的角色和完善的FA邏輯，F(xiàn)A可以面對多種復(fù)雜配網(wǎng)拓?fù)溥M(jìn)行故障隔離，并具有更加完善的故障恢復(fù)策略，從而使得系統(tǒng)具有強(qiáng)大的分布式FA 功能。相比而言，本方案DTU 間隔單元比邊緣節(jié)點(diǎn)配網(wǎng)自動(dòng)化方案FA間隔單元的功能強(qiáng)。

3 結(jié)束語

本文對2種配網(wǎng)自動(dòng)化方案進(jìn)行了分析和比較，通過比較可以看出2種方案均可有效縮小停電面積、縮短停電時(shí)間，滿足大中型城市及農(nóng)村地區(qū)的供電可靠性要求。對保護(hù)控制通信功能要求高時(shí)，建議采用邊緣節(jié)點(diǎn)方案進(jìn)行配網(wǎng)自動(dòng)化改造和建設(shè)；對開關(guān)間隔FA 功能要求高時(shí)，建議采用分布式DTU方案進(jìn)行配網(wǎng)自動(dòng)化改造和建設(shè)。