姜德宏 于吉壘

摘要 從配電管理和配電自動化系統(tǒng)及結構和功能設計入手,簡單介紹了配電管理和配電自動化系統(tǒng)的組成和特點,實施的情況。對該系統(tǒng)設計應用中遇到的問題和技術,電氣設備選擇、網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)等,進行了分析和各實現(xiàn)方案的比較。

關鍵詞 配電管理系統(tǒng);配電自動化;方案;應用

中圖分類號 TM76 文獻標識碼 A 文章編號1674-6708(2009)07-0066-03

0 引言

從1998年開始,隨著城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造配電自動化建設逐步開展,部分地區(qū)嘗試性建立了配電自動化系統(tǒng),但大部分地區(qū)還未實施或正準備實施。配電自動化系統(tǒng)方案還沒有統(tǒng)一模式,徐州供電公司于1998年在全國率先嘗試性建立了配電自動化系統(tǒng)。近幾年,配電自動化規(guī)模不斷擴大,系統(tǒng)功能不斷加強,經(jīng)過幾年的建設實踐,積累了許多可貴經(jīng)驗。本文結合徐州城區(qū)配電網(wǎng)自動化建設,提出了配電自動化系統(tǒng)的方案設計,并對此進行了相關探討。

1 配電自動化監(jiān)控與管理系統(tǒng)(DMS)簡介

配電自動化監(jiān)控與管理系統(tǒng),是利用現(xiàn)代電子技術、通信技術、計算機及網(wǎng)絡技術與電力設備相結合,將配電網(wǎng)在正常及事故情況下的監(jiān)測、保護、控制、計量和供電部門的工作管理有機地融合在一起的綜合性系統(tǒng),其包含地理信息系統(tǒng)(GIS)、網(wǎng)絡設備文件(NDF)、冗余部件管理、檢修計劃管理、運行規(guī)劃及優(yōu)化、運行及控制以及其它管理任務(故障電話管理、人員管理、計費管理等)。其中,運行及控制部分功能的自動化由配電自動化系統(tǒng)(DAS)實現(xiàn),又可具體細分為SCADA系統(tǒng)、電壓/無功控制、保護的協(xié)調(diào)管理及控制、饋線控制、故障處理(故障檢測、定位,隔離后故障區(qū)供電)、自動抄表和負荷管理等。從這一概念出發(fā),DMS其實涵蓋了電力MIS、電力調(diào)度、變電站綜合自動化、出線管理、負荷管理、供用電管理等供、配、用電多個環(huán)節(jié),是一個包含多學科技術的綜合性的大系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結構設計(DMS/DAS)

2.1 設計原則

配網(wǎng)自動化監(jiān)控與管理系統(tǒng)是一綜合信息管理系統(tǒng),涉及到計算機技術、網(wǎng)絡通信、圖形技術、數(shù)據(jù)管理、自動控制等多種技術,同時,投資較大、實施復雜,牽涉到多個部門的多個工種,和城市居民生活息息相關,建設配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)目的是提高配電網(wǎng)運行管理水平、提高供電質量、減少停電次數(shù)、縮短停電時間,以達到減員增效。要用系統(tǒng)工程的思想,采用信息優(yōu)化的系統(tǒng)集成方法,對系統(tǒng)綜合考慮與設計。其設計原則為:首先,應遵循實用性、安全性、經(jīng)濟性、開放性、發(fā)展性和靈活性的設計要求;其次,實時監(jiān)控系統(tǒng)設計一定要保持長期連續(xù)穩(wěn)定可靠運行。

2.2 系統(tǒng)結構

考慮到配網(wǎng)信息分布廣、信息量大的特點,在配網(wǎng)當?shù)卦O備(FTU、集抄系統(tǒng)、配變負荷管理器等)和控制中心間可設一至二級中繼站(一般設在變電站,可利用原有光纖通道),形成多級層次結構。系統(tǒng)結構按分層分布分級分類構成,各層系統(tǒng)通過完善的通信系統(tǒng)接入集中控制中心系統(tǒng),各類子系統(tǒng)通過計算機網(wǎng)絡和集中控制中心系統(tǒng)實現(xiàn)信息交流,整個系統(tǒng)分為:配電網(wǎng)集中控制中心系統(tǒng)—中心層,配電網(wǎng)子站系統(tǒng)—中間層,配電網(wǎng)監(jiān)控終端系統(tǒng)及通信網(wǎng)絡系統(tǒng)—基礎層。利用TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議實現(xiàn)配調(diào)中心、中間層系統(tǒng)、FTU、DTU等智能終端之間的數(shù)據(jù)傳輸。配網(wǎng)自動化系統(tǒng)層次圖,見圖1。

配網(wǎng)控制中心與配網(wǎng)子站系統(tǒng)—中間層的通信充分利用現(xiàn)有城市電力數(shù)據(jù)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸和交換,中間層與用戶變(開閉所、箱變等)RTU、FTU、DTU之間的通信是配網(wǎng)自動化的主要通信系統(tǒng),其可靠性、經(jīng)濟性至關重要,因此,選擇多模光纖,通信網(wǎng)路結構采用主/從式自愈環(huán)形通信網(wǎng)。正常情況下,只有一個環(huán)路在使用。當發(fā)生故障時(裝置故障或光纜故障),光端機能自動測量故障點,信息在到達故障點之前又返回,使用第二個環(huán)路完成通信。用這種方法,對其余的正常裝置或正常光纜仍能保持通信暢通和鏈路完好,其結構及主要工作形態(tài)如系統(tǒng)結構配置,如圖2所示。

2.3 系統(tǒng)結構設計應注意的問題

2.3.1 功能組成部分劃分

將配網(wǎng)自動化功能劃分為4組:電網(wǎng)運行、運行計劃及其優(yōu)化、維修管理、用戶聯(lián)系和控制。在上述主功能組的基礎上,再分成若干功能,奠定配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的主功能框架。需要強調(diào)的是:1)這4個功能組并不是各行其事,而是有著十分緊密的聯(lián)系,經(jīng)常交換信息,這樣既可做到數(shù)據(jù)共享,更可保證控制和管理的一致性;2)數(shù)據(jù)管理的重要性。數(shù)據(jù)管理本身并不是配網(wǎng)自動化的功能,但是,所有的功能都包含在數(shù)據(jù)管理內(nèi),要實現(xiàn)龐大復雜的眾多功能必須依靠數(shù)據(jù)管理來完成,這些功能所交換和共享的數(shù)據(jù)引起了功能間的聯(lián)系。數(shù)據(jù)管理可確定所掌握的數(shù)據(jù)是需要相關管理的、連續(xù)不斷更新的還是由若干系統(tǒng)共享的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理建立了能滿足配電自動化要求的新的機制和管理方法,是配電自動化不可缺少的組成部分。

2.3.2 用發(fā)展的眼光綜合考慮

早期配網(wǎng)自動化的實施采用發(fā)展獨立的、單項自動化系統(tǒng)來解決問題,如直接的負荷控制、大用戶的遠程抄表等,由于配網(wǎng)自動化的功能之間存在著不同程度的關聯(lián),其中大部分要求很難滿足,且還無法克服在擴大應用規(guī)模時確認所需投資的合理性所遇到的困難。這種按“功能定向”的方法,已造成綜合化水平非常低并帶來若干反面影響,如功能重疊、數(shù)據(jù)的重復、靈活性很差和維修費用高等。

另外,配網(wǎng)自動化系統(tǒng)作為一個龐大復雜的、綜合性很高的系統(tǒng)性工程,包含眾多的設備和子系統(tǒng),各功能、子系統(tǒng)之間存在著不同程度的關聯(lián),其本身及其所用技術又處于不斷發(fā)展之中,對任一家制造商而言,根本不可能包攬一切。就徐州供電公司于2000年10月完成的配網(wǎng)自動化I期試點工程為例:第I期配網(wǎng)自動化試點工程實現(xiàn)4條線路,2個環(huán)自動化,主站采用NARI電網(wǎng)所OPEN2000系統(tǒng),子站及FTU采用東方電子與徐州遠通公司設備。TTU采用南京光一集中器和深圳浩寧達表計,負荷開關采用哈爾濱華通光明電力自動化公司的產(chǎn)品。這就要求配網(wǎng)自動化系統(tǒng)結構方案采用全面解決的方案,走系統(tǒng)集成之路,使得各種應用之間可共享投資和運行費用,最大限度保護用戶原有的投資。

在饋線自動化方面,現(xiàn)有饋線終端設備不僅具有常規(guī)的遙測、遙信和遙控功能,且還集成了自動重合閘、饋線故障檢測和電能質量的一些參數(shù)的檢測功能,甚至集成了斷路器的監(jiān)視功能,且有進一步與斷路器、開關相結合,機電一體化,發(fā)展成為智能化開關的趨勢。顯著地降低了建設、運行和維護的綜合成本,為提高供電可靠性,創(chuàng)造了有利的條件。

故障定位和自動恢復送電可以明顯地縮短停電時間。有效地解決這一問題,必須以數(shù)字式繼電保護、饋線自動化和DMS系統(tǒng)為基礎。對于故障定位,國外有人提出使用3種技術綜合處理:故障距離計算法、線路故障指示器法以及不同線路區(qū)間故障概率統(tǒng)計法,這些信息結合在一起進行模糊邏輯處理。

2.4 中心層系統(tǒng)結構設計

根據(jù)我國配電運行管理機制,建立中心層系統(tǒng),配網(wǎng)自動化系統(tǒng)設在調(diào)度中心,由自動化專業(yè)人員維護,配電運行工區(qū)負責配電網(wǎng)的監(jiān)視、控制、運行管理,設配電運行工區(qū)監(jiān)控中心工作站及其相應設備。中心層系統(tǒng)結構(DAS),如圖3所示。

建立配電實時監(jiān)控系統(tǒng)和配電管理系統(tǒng)功能相對獨立,同時聯(lián)系緊密的有機整體。

2.5 中間層結構設計

配電子站主要為配網(wǎng)監(jiān)控層,完成配網(wǎng)自動化和故障管理等功能,中間層系統(tǒng)工作流程,見圖4。它具有承上啟下的作用,對下負責基礎層設備管理,對上負責與中心層上傳數(shù)據(jù),同時接受中心層系統(tǒng)命令。

2.6 基礎層結構設計

2.6.1 結構設計

結構設計包括建設范圍內(nèi)的電氣設備,開閉所及環(huán)網(wǎng)柜開關改造,相關自動化設備及通信部分的設計。硬件設備包括電氣一次設備(主要是電動負荷開關)、監(jiān)控終端(FTU、DTU)、工作電源、通信設備以及計算機設備等?；A層結構示意圖,見圖5。

2.6.2 基礎層結構設計需注意的問題

由于基礎層牽涉面廣,設備種類多,工程量大,一定要有可靠的質量保證,完善的售后服務。

1)配電線路選擇

配網(wǎng)自動化監(jiān)控和管理系統(tǒng)擴建工程選擇應首先在城市中心區(qū)域供電線路實施。

2)電氣主要設備的選擇方案及問題分析

配網(wǎng)架空線路運行著大量一次設備:柱上斷路器和柱上負荷開關,同時重合器也是由斷路器加控制器構成,分段器由負荷開關加控制器構成。因此有必要對柱上一次設備加以分析。我國架空線柱上開關以斷路器居多,而且負荷開關也多以斷路器代替。

柱上斷路器應采用真空開關管滅弧以提高分斷能力,SF6氣體解決相間絕緣,縮小體積。因為零表壓,密封問題相對容易解決。由于真空負荷開關管和斷路器開關管價格差不多,其他結構也相差無幾,所以真空負荷開關可以用真空斷路器代替。操動機構應當密封,以解決機構銹蝕出現(xiàn)誤動、拒動現(xiàn)象。

永磁機構就其原理而言由于元件數(shù)少,可靠性很高。但要注意到其本質上還是電磁操動機構,瞬時功率大及機械特性控制是其難點,啟動電容以及電子控制線路的壽命、溫度特性及可靠性是操動機構總體可靠性的瓶頸,應加以高度重視,這些問題若能解決永磁機構應為首選機構。

彈簧機構若能解決密封問題,近期將成為一個適宜于柱上的操動機構。柱上斷路器采用三相共箱式為好。分體柱式工藝要求高,材料問題也不好解決。

對于有重合器配置,首先要使接地電流檢測靈敏度提高,并將接地故障改為慢速跳閘方式,站內(nèi)應加裝接地故障微機選線裝置。

3) 配電自動設備選擇

國產(chǎn)FTU、DTU、TTU技術功能一般都能滿足要求。需要解決的關鍵問題是:

(1)溫度特性(-40～+80℃);

(2)電池壽命(10年);

(3)抗強電磁干擾的能力(包括光電通模塊)。

如上述指標達不到,要實現(xiàn)配網(wǎng)自動化就比較困難。

4)基礎層通信方案

配網(wǎng)自動化對通信的要求同調(diào)度SCADA系統(tǒng)一樣,配電自動化系統(tǒng)也需要一個有效的通信網(wǎng),同時他有自己的特點:終端數(shù)量極多。配網(wǎng)系統(tǒng)擁有眾多的開閉所、配電變壓器、柱上斷路器,要對這些設備進行監(jiān)控就需要許多FTU和TTU,同時這些FTU隨配電設備安裝,地域分布廣,通訊節(jié)點分散。

配網(wǎng)自動化系通信系統(tǒng)應滿足下述要求:

(1)可靠性;

(2)經(jīng)濟性;

(3)尋址量大;

(4)雙向通信;

(5)容易操作和免維護。

根據(jù)以上的要求,伴隨著光纖價格的下降,目前,選擇光纖通信是比較適宜的。

光纖可分為單模光纖(SMF)、多模光纖(MMF),多模光纖就是傳輸多個光波模式,而單模光纖只傳輸一個光波模式。單模光纖比多模光纖傳輸距離長,目前一般的光信號在多模光纖內(nèi)可傳6km左右,在單模光纖內(nèi)可傳30km。因此,單模光設備的價格要高于多模光設備。實用的光纖通常都是由多根光纖、加強芯、保護材料、固定材料等組合成光纜構成的傳輸線。

光纖MODEM可完成光信號與數(shù)字信號之間的相互轉換。光纖MODEM一般有一個以上的數(shù)據(jù)口用以傳遞同步或異步信號。通信速率可達到2Mbps或更高,配網(wǎng)常用的通信速率一般為同步N×64K或異步19 200bps以下,故足以滿足配網(wǎng)通信的需要。另外,還有一種光纖MODEM具有雙環(huán)自愈功能(如圖2中所示),通過自愈光MODEM實現(xiàn)的雙環(huán)網(wǎng),這一功能使通信的可靠性大大增強。

配網(wǎng)自動化系統(tǒng)通信主干線采用自愈光纖通信環(huán)網(wǎng)結構,支線采用雙絞線通信,系統(tǒng)通信網(wǎng)絡方案設計盡可能利用現(xiàn)有城市電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡資源,配網(wǎng)自動化子站系統(tǒng)直接接入現(xiàn)有電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)實現(xiàn)與主站系統(tǒng)通信,本著以盡量少的通信線路滿足配網(wǎng)自動化系統(tǒng)通信的要求進行設計。通過精心策劃,實地勘察測量,確定架設光纖線路路由,配電網(wǎng)主干線采用架空光纖,利用配電網(wǎng)電桿及通道,在跨路部分和小區(qū)采用地下管道,配電臺片內(nèi)采用雙絞線。

5)通信規(guī)約

采用基于TCP/IP協(xié)議下的國際標準的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約(如IEC-870-5-104),串行接口采用DNP3.0、IEC-870-5-101等。

3 結論

城市規(guī)模的不斷擴大和經(jīng)濟的發(fā)展對配網(wǎng)自動化提出了更高的要求,配電網(wǎng)自動化也是電力系統(tǒng)現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢,技術在不斷發(fā)展,用戶的需求也不斷提高。參照發(fā)達國家和地區(qū)的經(jīng)驗,結合我們自己的實際情況,按照“全面規(guī)劃、控制規(guī)模、局部試點、分步實施”的有關精神,綜合考慮近期與遠期、全局與局部、主要與次要的關系,設計開發(fā)出先進、通用、標準的配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)方案,對電力市場的發(fā)展和完善具有重要的意義。

參考文獻

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