10 kV 配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字化建設(shè)探討

陳 懿

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518048）

0 引 言

我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模位列世界第一，并在新技術(shù)、新科技的應(yīng)用上不斷取得突破，使得配電自動(dòng)化進(jìn)程不斷加快。隨著大數(shù)據(jù)、通信技術(shù)、人工智能等多學(xué)科的發(fā)展與加持，數(shù)字化已經(jīng)成為未來(lái)配電網(wǎng)系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化升級(jí)具有現(xiàn)實(shí)意義。本文以10 kV 配電網(wǎng)為例展開(kāi)相應(yīng)研究。

1 配電網(wǎng)故障分析

短路是指配電網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行中發(fā)生相線與其他相線或大地連通，使三相電壓失去平衡導(dǎo)致供電事故。短路故障是配電網(wǎng)故障中發(fā)生率較高的一種故障類(lèi)型線路出現(xiàn)短路故障時(shí)常常造成嚴(yán)重的連鎖事故[1-3]。

1.1 故障類(lèi)型

配電網(wǎng)的短路類(lèi)型基本可以分為3 種，分別為三相短路、兩相短路、單相接地短路。三相短路指線路的A、B、C 三相之間出現(xiàn)線路連通導(dǎo)致短路，短路電流較大。兩相短路指在A、B、C 三相線中其中2 條線路互連發(fā)生短路，兩相短路電流略小，約為三相短路的86%。即使如此，在主網(wǎng)中二相短路的暫態(tài)電流的數(shù)值也會(huì)達(dá)上萬(wàn)安培級(jí)別，造成較大的危害。單相接地是指A、B、C 三相中的一相線路出現(xiàn)與大地接通的情況。發(fā)生這類(lèi)故障后，短路電流的大小與變電站中性點(diǎn)接地方式有關(guān)。若中性點(diǎn)采用的是直接接地，那么短路電流會(huì)更大；若中性點(diǎn)采用的是消弧線圈接地，那么短路電流會(huì)更小，在這種故障狀態(tài)下系統(tǒng)依然可以運(yùn)行一段時(shí)間，這給技術(shù)人員進(jìn)行故障診斷與維修提供了較大的操作空間。

1.2 故障原因

設(shè)備線路的絕緣出現(xiàn)損壞是配網(wǎng)線路發(fā)生短路故障的主要原因。絕緣損壞的原因包括雷電擊毀、絕緣設(shè)備老化、設(shè)計(jì)不合理、過(guò)電壓擊穿、外力損傷以及產(chǎn)品質(zhì)量不合格等。不同的絕緣損壞形式表現(xiàn)出的故障特征不同，下面進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹[4]。

（1）絕緣老化。雖然絕緣設(shè)備在投入生產(chǎn)前都經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的質(zhì)量測(cè)試，但是不同的使用環(huán)境會(huì)縮短其理論壽命。例如，在高溫潮濕條件下，絕緣設(shè)備的老化速度會(huì)大大加快，超過(guò)理論使用年限后，若檢修人員不及時(shí)更換就會(huì)導(dǎo)致發(fā)生短路事故。（2）產(chǎn)品質(zhì)量。部分出廠絕緣設(shè)備的質(zhì)量存在問(wèn)題，導(dǎo)致設(shè)備的絕緣性能實(shí)際無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。例如，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)工藝出錯(cuò)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)部件受損、安裝環(huán)節(jié)出現(xiàn)物理?yè)p傷等，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備一開(kāi)始就“帶病”運(yùn)行。（3）雷擊導(dǎo)致絕緣層擊穿。電路在受到雷擊后會(huì)出現(xiàn)劇烈的瞬態(tài)電壓增高現(xiàn)象，當(dāng)達(dá)到一定程度后就會(huì)擊穿絕緣層使線路發(fā)生短路。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，因雷擊導(dǎo)致的配電網(wǎng)跳閘事故占比超過(guò)了30%。

1.3 短路故障危害

短路對(duì)配電網(wǎng)以及電力設(shè)備的運(yùn)行有很大危害。發(fā)生短路時(shí)，由于電流急劇增加，會(huì)對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)系統(tǒng)造成巨大沖擊。在10 kV 配電系統(tǒng)中，饋線電路要求電流不可超過(guò)400 A，但短路電流會(huì)達(dá)到上萬(wàn)安培，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)火災(zāi)和爆炸。具體而言，短路電流對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[5]。

（1）短路會(huì)直接導(dǎo)致線路斷電，如果短路發(fā)生的故障位置距離變電站母線越近，那么引發(fā)的停電面積也會(huì)越大。對(duì)于一些工業(yè)園區(qū)，大面積的停電無(wú)疑會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的安全問(wèn)題與極大的經(jīng)濟(jì)損失。（2）距離短路故障點(diǎn)越近的位置，線路電壓下降越多，使大量用電設(shè)備無(wú)法正常使用。（3）由于短路電流很大，會(huì)引發(fā)熱效應(yīng)，大量電氣設(shè)備會(huì)由于高溫而導(dǎo)致內(nèi)部元器件損壞甚至爆燃。（4）短路會(huì)給配電網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)沖擊，使電網(wǎng)穩(wěn)定性下降。（5）不對(duì)稱(chēng)短路會(huì)導(dǎo)致零序電流并形成磁場(chǎng)，如果磁場(chǎng)很強(qiáng)，就會(huì)給一些精密電子造成損害。

2 需求分析

面對(duì)10 kV 配電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)和發(fā)生各類(lèi)故障的原因，在配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字化建設(shè)與故障管理中，需要對(duì)其進(jìn)行需求分析[6]。

2.1 對(duì)故障位置快速定位與高效隔離的需求

數(shù)字化配電網(wǎng)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)故障點(diǎn)位進(jìn)行自動(dòng)隔離，防止事故擴(kuò)大化，同時(shí)相關(guān)的故障信息將自動(dòng)向上位機(jī)傳送。系統(tǒng)對(duì)故障的隔離狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督，并向維修人員告警，督促其快速處理故障。配電網(wǎng)發(fā)生跳閘故障后，系統(tǒng)具備將所有信息準(zhǔn)確上傳并快速定位故障位置的能力。

2.2 對(duì)非故障區(qū)域快速自動(dòng)恢復(fù)的需求

智能系統(tǒng)對(duì)故障位置進(jìn)行成功隔離后，配電網(wǎng)自動(dòng)化開(kāi)關(guān)系統(tǒng)將對(duì)非故障區(qū)域進(jìn)行恢復(fù)供電，快速降低影響范圍。

3 配電網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化系統(tǒng)總體建設(shè)

針對(duì)存在的問(wèn)題，提出配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)的一體化原則。智能配電網(wǎng)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)代通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)以及智能診斷技術(shù)等實(shí)現(xiàn)“一張網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，對(duì)配電網(wǎng)負(fù)荷、故障診斷、隔離保護(hù)、遠(yuǎn)程遙控進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與動(dòng)態(tài)管理。

3.1 配電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)總則

一方面，基于智能管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)因各種因素導(dǎo)致短路故障的準(zhǔn)確、快速、自動(dòng)隔離，恢復(fù)對(duì)未發(fā)生故障的區(qū)域供電，降低故障影響范圍，準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)并規(guī)劃出路徑圖。另一方面，建立一套全面且細(xì)致的配電網(wǎng)數(shù)字化管理系統(tǒng)，可以快速對(duì)故障問(wèn)題進(jìn)行處理，降低現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化人力配置，挖掘配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的功能價(jià)值，全方位提高用戶滿意度。

3.2 配電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)

配電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)的主要組成部分包括主站/子站系統(tǒng)、配電終端、外部系統(tǒng)等，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)

3.2.1 配電網(wǎng)智能系統(tǒng)運(yùn)行原理

配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的方法有2 種。

（1）就地型。就地型指配電終端設(shè)備監(jiān)測(cè)到故障數(shù)據(jù)后，線路斷路器與負(fù)荷開(kāi)關(guān)自動(dòng)根據(jù)指令完成要求動(dòng)作，相應(yīng)的故障數(shù)據(jù)與合閘信息通過(guò)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)傳送給子站系統(tǒng)，再由子站系統(tǒng)處理后發(fā)送至上位機(jī)。主站系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)和相關(guān)信息進(jìn)行核實(shí)后向運(yùn)維人員發(fā)送，提示故障位置、檢修策略以及到達(dá)路徑。

（2）集中型。集中型指故障點(diǎn)位的識(shí)別、開(kāi)關(guān)分合閘等操作都由主站智能系統(tǒng)完成，而子站的開(kāi)關(guān)、饋線終端單元（Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU）等終端設(shè)備僅僅發(fā)揮線路電壓、電流等數(shù)據(jù)的采集和接收等功能。通過(guò)FTU、配電終端單元（Distribution Terminal Unit，DTU）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，然后向主站智能系統(tǒng)發(fā)送電流、電壓、開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)信息。主站智能診斷系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)向終端設(shè)備發(fā)送分合閘等操作指令，將可能造成的不良影響提前消除，同時(shí)向維護(hù)人員提示告警信息，為他們現(xiàn)場(chǎng)檢查提供依據(jù)，提升工作效率。

3.2.2 系統(tǒng)硬件選型及設(shè)計(jì)

主站系統(tǒng)可以選用東方電子集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的E8820 系統(tǒng)，用于對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)度。該系統(tǒng)配置了多核并行的嵌入式處理器，采用大容量固態(tài)硬盤(pán)。在實(shí)際應(yīng)用中可以結(jié)合技術(shù)需求配備更合適的容量，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)各子站、設(shè)備、線路以及電網(wǎng)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)監(jiān)控、故障自動(dòng)分析、歷史數(shù)據(jù)分析、智能診斷、告警發(fā)布等功能，同時(shí)會(huì)將電網(wǎng)潮流變化、新能源并網(wǎng)沖擊等信息發(fā)送至上位機(jī)，為后臺(tái)技術(shù)人員的電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控提供便利。

3.3 數(shù)字化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

3.3.1 數(shù)字化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從功能分塊的角度，數(shù)字化電網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)可以理解為以數(shù)字化電網(wǎng)信息平臺(tái)和智能決策支持系統(tǒng)為核心，電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、調(diào)度、運(yùn)行、維護(hù)、電力市場(chǎng)以及保護(hù)監(jiān)控等功能單元與“核心”在信息縱向、橫向高度共享的基礎(chǔ)上協(xié)同完成電網(wǎng)的分析決策及綜合管理，保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。數(shù)字化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 數(shù)字化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3.2 數(shù)字化系統(tǒng)功能

第一，采取就地型自動(dòng)化模式，故障點(diǎn)位的隔離與恢復(fù)不需要主站來(lái)控制，由斷路器自動(dòng)完成；第二，不需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的通信系統(tǒng)，既可以利用移動(dòng)無(wú)線信號(hào)，也可以利用工業(yè)通信網(wǎng)；第三，無(wú)論是遙信還是遙測(cè)等環(huán)節(jié)，都配置了信息加密功能，提高了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)等級(jí)；第四，終端設(shè)備是獨(dú)立的，并且可以接入以太網(wǎng)口進(jìn)行單獨(dú)升級(jí)；第五，系統(tǒng)可以對(duì)各個(gè)開(kāi)關(guān)的位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 結(jié) 論

本文系統(tǒng)分析了10 kV 配電網(wǎng)發(fā)生故障的類(lèi)型、原因，給出了對(duì)其數(shù)字化改進(jìn)的需求方向。提出的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)字化建設(shè)思路具有一定的前瞻性，但是在具體實(shí)施層面還需要進(jìn)一步深入研究。