（电气工程专业论文）县级区域配电网自动化系统及其应用研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 本文概要介绍了国内外配电网自动化的发展应用情况，在分析各种配电自动化 系统技术特性的基础上，根据隆尧城区配电网结构、运行特点，确定了隆尧城区配 电自动化系统的模式，研究、设计了馈线自动化方案、f t u 功能、通信方案以及配 电s c a d a 系统。提出了一种故障隔离新方案，解决了线路各级开关逐级动作时限 配合与配电自动化故障隔离的矛盾，降低了配电自动化系统建设对一次设备的性能 要求。该系统在试运行中已经过多次故障考验，故障点判断准确，隔离及时，并提 供有效恢复方案，提高了隆尧配电网自动化运行水平。 关键词：自动化，配网，馈线自动化 a b s t r a c t t k sp 印e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p h l gb a c k g r o i l r l d 觚da p p l i c a d o ni 1 1d o m e s t i c 觚d a b r o a d a c c o r d i n gt 0m ed i s t r i b u t i o n 翩r ks 仰c t i o na n d0 p e r a t i o 玛b 嬲e d0 ni l l v e s t i g a t i o n o fs e v e r a ld i 矧b u t i o na u t o m a t i o nc h 删e r m em o d eo fd i s 仃i b u t i o na u t o m a t i o ni i ll o n g y a o c o u n t r yi sd e c i d e d ，f e e d e rl i n ea u t o m a t i o 玛t h ef h n c t i o no ff t u ，c o m m u n i c a t i o ns y s t e m p r o j e c ta n dm es c a d as y s t e ma r er e s c a h e d an e w f a u l t - i s o l a t i o nm e m o di sp r e s e n t e d t h e c o n t r 刁l d i c t i o i l sb e t w e e no p e 均j t i n gt i m eo fe a c hs w i t c l e s 缸df a u l t i s 0 1 a t i o ni nd i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o ni sa v 研d e d t h es y s t e mc a l li s o l a t ef i a u l ta c c u r a c y 甜l dt i i i l e l yi i l 觚机a lo p e r a t i o n n a l s oc 锄s u p p l ye 疏c t i v er e s t o r a t i o ns c h e m ea n di n l p r o v el o n g y a 0c ou i l _ 仃yd i 矧b u t i o n n e t 、 ，o r k y a n gx i a o l i ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x u l q i n k e yw o r d s ：a u t o m a t i o n ，d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，f e e d e rl i n ea u t o m a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文县级区域配电网自动化系统及其 应用研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章引言 隆尧配电网原网架结构薄弱，城网设备陈旧，很容易造成大面积停电，县城供 电可靠率低于9 9 。经过9 0 年代后期开始的国家农村电网改造，目前已逐步将单一 的放射形供电网络逐步改造为环网供电，改造后的电网健康水平大大提高，对电网 运行可靠性提出了更高的要求，对该区域实施配电网自动化系统的应用，具有重大 的工程实用价值，且具备一定的条件。 配电系统自动化就是利用现代电子、计算机、通信及网络技术，将配电网在线 数据和离线数据、配电网数据和用户数据、电网结构和地理图形进行信息集成，构 成完整的自动化系统，实现配电网及其设备正常运行及事故状态下的监测、保护、 控制、用电负荷配电管理的现代化n 1 。 实现配电网自动化的意义在于：( 1 ) 有利于在配电网正常运行时，通过监视配 网运行工况，优化配网运行方式；( 2 ) 有利于在保证供电可靠性的前提下，确保电 力用户用电的时效性，满足电力用户的供电需求；( 3 ) 有利于满足和确保供电的质 量，符合高新技术装备和居民家用电器的要求，避免高峰低谷，电压幅值和频率以 及谐波对用户所产生的不良影响；有利于降低电网的损耗，提高网络的供电能力， 减少用户的停电机率；( 4 ) 当配电网发生故障或异常运行时，能快速隔离故障区段， 及时恢复非故障区域用户的供电，缩短对用户的停电时间，减小停电的范围，提高 设备的故障判断能力；( 5 ) 有利于提高配电网设备的自身可靠性运行能力，大大地 减轻运行人员的劳动强度和维护费用；( 6 ) 可以合理控制用电负荷，从而提高设备 的利用率；( 7 ) 采用自动抄表计费，以保证抄表记费的及时和准确，提高企业的经 济效益和工作效率，并可为用户提供自动化的用电信息服务船1 。 1 2 配电网自动化在国内外的发展应用 1 2 1 国外配电网自动化的发展应用 发达国家电力工业起步比较早，电力市场具备了一定规模，供电方和用电方对 于电价和电能质量以及供电的可靠性和违约责任都有明确的合同约定。为了满足用 户要求，减少各种运营损失以及昂贵的人力巡查、检修费用，发达国家于2 0 世纪 7 0 年代提出了配电自动化的概念。国际上流行的配电管理系统和配电自动化主要是 针对中低压系统而言的，因此，国外配电自动化也称为馈线自动化。日本在2 0 世 华北电力大学工程硕士学位论文 纪7 0 年代就开始进行高电压大容量的配电方式，以解决大城市的配电问题，并着 手开发依靠配电设备及继电保护进行配电网络自动化运行的方法；2 0 世纪8 0 年代 已完成了计算机系统与配电设备配合的配电自动化系统，在主要城市配电网络上投 入运行；其中大规模的配电自动化系统可以控制约4 0 0 0 个以上的中压开关，中小 规模的配电自动化系统也可控制1 5 0 0 个中压开关。由于配电自动化工作的深入， 电网供电可靠性得到显著提高，日本1 9 9 6 一1 9 9 7 年度平均每户停电o 1 次，每次平 均8 m i n ，可靠性居全球之首。香港电灯公司的3 0 0 0 多个中压开关全部可以遥控。 韩国、台湾地区于2 0 世纪9 0 年代末建立了自己的配网自动化实验网络，完成了局 部配电系统的馈线自动化口1 。 作为提高配电系统可靠性和改善用户服务的重要手段，西方发达国家配电自动 化的发展应用较为广泛。其发展大致经历了三个阶段：第一阶段实现故障自动隔离， 进行自动抄表；第二阶段从2 0 世纪8 0 年代中期开始，进行了大量的配电自动化的 试点工作及馈线自动化、营业自动化、负荷控制的试点工作，但大部分为各自独立 的新时期自动控制系统：第三阶段从2 0 世纪9 0 年代中后期开始，由于计算机及网 络通信技术的发展、以及电力工业的市场化改革，以配电管理系统、配电自动化、 用户自动化为主要内容的综合自动化成为配电网自动化的发展应用方向h 1 。 1 2 - 2 国内配电网自动化的发展应用 我国的配电网自动化工作起步于2 0 世纪8 0 年代末，其标志是当时石家庄和南 通各引进了一套日本户上制作所赠送的配电网自动化环路设备，该设备每一开关单 元由s f 6 开关、d m 控制器和电源变压器构成，可完成就地故障隔离功能，相当于日 本7 0 年代装备水平。我国真正开展配电网自动化工作是在9 0 年代，当时进行了一 些有代表性的试验项目。根据国家电网公司2 0 0 1 年底对1 6 省( 市、自治区) 6 2 个 城市配网自动化工作的调查显示，我国真正开始系统性试点是在1 9 9 6 年以后。自 1 9 9 6 年起，为数有限的部分城市开始了配电网自动化系统试点工作。1 9 9 9 年底原 国家电力公司发布了“1 0 k v 配网自动化发展规划要点 和“配网自动化终端设备通 用技术条件”，使该项工作逐步走向正轨。故从1 9 9 8 年起，全国每年新建配电网自 动化系统的城市在1 0 个以上。尤其是近几年增长幅度明显加大，最明显的增长地 是在实施全省统一管理的山东、江苏两省。到目前为止，国内已有超过百个城市进 行了配电网自动化系统的试点，有的试点已具有相当的规模哺1 。 在我国，一般认为配网自动化的发展大致分为三个阶段： 第一阶段是基于自动化开关设备相互配合的配电自动化阶段，其主要设备为重 合器和分段器等，不需要建设通信网和计算机系统，其主要功能是在故障时通过自 动化开关设备相互配合实现故障隔离和健全区域恢复供电。这一阶段的配电自动化 2 华北电力大学工程硕士学位论文 系统的自动化程度较低，具体表现在：仅在故障时起作用，正常运行时不能起监控 作用，因而不能优化运行方式；调整运行方式后，需要到现场修改定值；恢复健全 区域供电时，无法采取安全和最佳措施；隔离故障时需要经过多次重合，对设备的 冲击大。 第二阶段的配电自动化系统是基于通信网络、馈线终端单元( f t u ) 和后台计 算机网络的配电自动化系统，它在配电网正常运行时，也能起到监视配电网运行状 况和遥控改变运行方式的作用，故障时能够及时察觉，并由调度员通过遥控隔离故 障区域和恢复健全区域供电。 随着计算机技术的发展，产生了第三阶段的配电自动化系统，它是在第二阶段 的配电自动化系统的基础上，增加了自动控制功能，由计算机自动完成故障处理等 功能。第三阶段的配电自动化系统的另一个特征是形成了集配电网s c a d a 系统、配 电地理信息系统、需方管理( d s m ) 、调度员仿真调度、故障呼叫服务系统和工作票 管理等二体化的综合自动化系统抽1 。 1 2 3 国内其它地区配网自动化试行情况 l 、辽宁省葫芦岛市配电自动化系统模式：此次配电自动化系统定位在馈线自 动化系统。架空线路的馈线自动化系统主要有电压型和电流型两种就地控制模式。 此次改造把电压型与电流型模式结合起来形成分布智能模式的馈线自动化系统。同 时针对“手拉手 环网部分配备了计算机系统和通信系统，实现环网线路的集中智 能控制。其主要理由是这种分布智能相结合的模式，能够有效提高线路供电可靠性， 缩短故障查找时间，并且馈线远方终端( f t u ) 预留有通信接口，为以后功能的扩 展做好了准备。若单纯采用电流型系统或电压型系统，其对主变电所出线重合器的 依赖性大，故障处理时间长，可靠性差u 1 。 2 、河南省巩义市的配电自动化方案：对整个配电系统自动化进行了统一的规 划，将配电g i s 、a m f m 、配电s c a d a 从根本上一体化设计，形成一个具有空间概念 和基础信息的分层管理基础数据库，既能实时监测电网的运行，又能为运行管理提 供具有地理信息的网络模型。采用集中与分布相结合，保证数据和信息资源的高度 共享，并和已有的自动化系统开放地、方便的实现信息交换，如变电所内的信息， 不再另外采集，节省了投资。根据巩义市电业局的现有状况，本规划拟实施城区3 个变电所( 巩义变、和平变、北山变) 、7 条1 0 k v 线路的配电自动化方案，共安装 一个配电主站，1 4 台自动化断路器及1 4 台配电自动化远控终端( f t u ) 和1 0 台配 变综合监测仪( t t u ) ，并用原有1 0 k v 线路杆塔建设了主站与f t u 的1 6 k m 通信线路 和4 k m 的f t u 与t t u 的双绞线通信线路哺1 。 华北电力大学工程硕士学位论文 3 、山东省蓬莱市电网调配一体化系统概述：为了保证配电网运行的可靠性， 提高城区供电可靠率，1 9 9 8 年蓬莱电业公司启动了配网自动化工程。结合蓬莱电网 的实际情况，采用调度配电一体化的设计方案，与烟台东方电子合作共同开发国内 第一套基于w i n d o s 平台的调度配电一体化系统。该系统采用分层分布式系统结构， 在基于统一平台的技术基础上，完成了调度配电一体化的功能；即实现了对原有 的调度自动化系统的升级改造，又达到了对配电线路及开关进行监控的目的。运行 实践表明调度配电一体化设计，具有良好的性能价格比，方便调度、配电、用电 等各个部分的相互协调一1 。 4 、山西太原南郊供电支公司配网自动化系统建设：按照山西省电力公司的要 求，在对太原南郊供电支公司配网现状进行深入研究的基础上，本着“整体规划、 分步实施 的原则，制定了城区配网自动化工程建设规划。首期工程是对城区现有 变电所进行综合自动化改造，将1 1 0 k v 及3 5 k v 网架联网，并建立起城区光纤通讯 网；二期工程是实现5 条城区1 0 k v 线路的手拉手环网供电，做到多电源互为备用， 实现城区公变遥调和配电信息的实时监测n 们。 1 3 配电自动化系统技术概述 1 3 1 配电网供电方式 由于配电网有个发展过程，受到电源位置、负荷分布的限制和约束，还受经济 和地理条件等因素的影响，配电网的供电方式各式各样，配电网的结构也五花八门， 大体上可分为三大类：放射式；环网式；网格式。 1 、放射式：配电网是从简单发展到复杂，用户对供电要求也是从低到高，需要 有一个过程。 ( 1 ) 单回路供电。早期从电源点拉一条线路为沿线各用户供电，即为单回路供电 方式。这种供电方式很不可靠，任一元件故障便引起供电中断。 ( 2 ) 双回路供电。在单回路供电的基础上增加了第二回线路作为备用，主线路停 电时切换到备用线路，即为双回路供电。这种方式比前者可靠，可靠性达到n l 。 若有备用投入装置，故障停电时间很短，大约几秒钟；而靠人工发现故障后再去倒 换，要几分钟到几十分钟才能恢复供电。 ( 3 ) 树枝状供电。上述单回路供电，具有多个分支线，则成为树枝状供电，可靠 性较差，如果末端发生故障，影响面少，靠原端发生故障，则影响面大。改进办法 是利用扩容改造机会增加另一电源，接到末端，联络开关可常开运行，形成互供， 支线之间再设法增加互供是城网专委会推荐的接线。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 2 、环网式供电：有单环网供电、双环网供电、变形环网等。 ( 1 ) 单环网供电。将若干个用户供电点手拉手地相互连起来，最后接到两个电源 点或同一个变电所的不同的母线上，称为环网供电方式，也称为手拉手供电方式。 平常用户由一个电源供电，故障时可倒换到另一测电源供电，其可靠性达到n 一1 。 若有d a s 自动化系统，可以在l m i n 内恢复无故障线路的供电，可靠性较高。 ( 2 ) 双环网供电。在单环网供电基础上增加另一环网，构成双环网供电方式，其 可靠性加倍，即n 一2 。 ( 3 ) 复杂环网供电。为了改善环网的性能，将简单的环网作些变形，出现了变形 环网供电方式，如三联供环网、三角形接线、交叉四边形接线等。 3 、网格式供电：由多条横向与纵向手拉手供电线路组成网格，每台配变同时 接到横纵两条线路上。对于一台配变而言，仅横向线路故障不会引起供电中断，保 证了n l 可靠性；仅纵向故障也不会停电，也有n l ；相加起来为n 一2 。如果在低 压侧再相互联网，可靠性更高。网格式供电又分为单路常供和多路并供两种。 ( 1 ) 单路常供网格式供电。每台变压器可由两路以上电源供电，但同一时间只由 一个电源( 横向或纵向) 供电。 ( 2 ) 多路并供网格式供电。低压用户由多条馈线、多台变压器并列供电，该接线 方式能提供极高的可靠性，而且供电电能质量高。由系统馈线所引起的瞬时和长期 停电几乎不会发生。但控制保护复杂，线路造价高。网格式供电只适用于负荷高密 的城区n 。 1 3 2 实现配电网自动化的基本要求 1 、配电自动化的主接线应符合供电可靠的要求，均应为双电源接线，开环运 行。两条线间应设可远方控制或自动投切的联络开关。 2 、供电方式应以双电源通过联络开关实现环网供电。正常情况下联络开关作 为备用状态，当一端线路失电后，联络开关具有自动投切功能。 3 、负荷管理作为配电自动化的一部分，在工程实施中应统一设计，明确调度 权限和管理范围。 4 、城市供电的配电网的联络和分段，应根据负荷的特点、分布和重要程度进 行分段，各段距离一般不超过1 0 0 0 m 。对城郊区可以采用放射性的供电接线，但要 在放射型的主干线及支线上装设分段开关，主干线分段为1 3 段，支线分段一般为 1 2 段n 劓。 华北电力大学工程硕士学位论文 1 3 3 配电网自动化系统的典型模式 配电自动化的典型模式包括：配电网故障指示系统、配电网信息系统、无主站 馈线自动化系统、基于主站的配电自动化系统和一体化县调配电综合自动化系统。 目前县级城市配电网广泛应用的是后三种。 1 、无主站馈线自动化系统不需要主站，通过自动化开关设备相互配合或采用 “面保护 等措施，在配电线路发生故障时，实现故障区域自动判断和隔离，并自 动恢复受故障影响的健全区域供电的系统。有4 种典型的基于配电自动化开关设备 相互配合馈线自动化模式：即重合器和重合器配合模式、重合器和电压一时间型分 段器配合模式、重合器和过流脉冲计数型分段器配合模式和“合闸速断 模式。“面 保护 模式是一种发生在故障时通过相邻开关的智能控制器间的相互通信实现开关 配合，跳开故障区域周围的开关，实现故障隔离并确保健全区域正常供电的技术。 基于自动化开关设备相互配合馈线自动化模式和“面保护 模式都可以进一步扩展， 建设主站和通信网络，实现主站与终端设备间的通信，并具有遥信、遥测和遥控等 功能。 2 、基于主站的配电自动化系统是通过安装数据采集终端设备和主站计算机系 统，并借助通信手段，在配电网正常运行时，实时监视配电网的运行情况并进行远 方控制，在配电网发生故障时，自动判断故障区域并通过遥控隔离故障区域和恢复 受故障影响的健全区域供电的系统。 3 、一体化县调配电综合自动化系统是主站采用同一平台和同一数据库，安装 数据采集终端设备并借助通信手段，实时监视变电站和配电馈线开关的运行情况， 并进行远方控制；在发生故障时，自动判断故障区域并通过遥控隔离故障区域和恢 复受故障影响的健全区域供电的系统n 羽。 1 3 4 配电网自动化系统的基本组成 1 、配网s c a d a 系统 在配电自动化系统中，我们把对为配网提供电源的主网变电站的监视、配电馈 线自动化、配电开闭所变电站自动化以及配电巡检和无功电压综合控制部分称为 配电网s c a d a 系统。 ( 1 ) 进线监控。一般完成对配电网进线变电所的开关位置、母线电压、线路电 流、有功和无功功率以及电度量的监视。 ( 2 ) 馈线自动化。是指在正常情况下，远方实时监视馈线分段开关与联络开关 的状态和馈线电流、电压情况，并实现线路开关的远方合闸和分闸操作：在故障时 6 华北电力大学工程硕士学位论文 获取故障记录，并自动判别和隔离馈线故障区段以及恢复对非故障区域供电。 ( 3 ) 开闭所和配电变电站自动化。完成对配网中1 0 k v 开闭所或小区变的开关位 置、保护动作信号、小电流接地选线情况、母线电压、线路电流、有功和无功功率 以及电度量的远方监视，开关远方控制，变压器远方有载调压等。 ( 4 ) 变压器巡检。是指对配电网中各变压器的参数远方监视和补偿电容器的自 动投切和远方投切等。配电地理信息系统( g i s ) 的引入是配电自动化的主要特点之 一，因为配电网节点多，设备分散，其运行管理工作常与地理位置有关，将g i s 与 一些属性数据库结合，可以更加直观地进行运行管理。 2 、配电自动化的g i s 系统 配电自动化的g i s 系统主要包括： ( 1 ) 设备管理。是指将变电站、馈线、变压器、开关、电杆等设备的技术数据 反映在地理背景图上。 ( 2 ) 用户信息系统是指对大量用户信息，如用户名称、地址、帐号、电话、用 电量和负荷、供电优先级、停电一记录等进行处理，便于迅速判断故障的影响范围， 而用电量和负荷的统计信息还可以作为负荷预测的依据。 ( 3 ) 人机界面功能。是指将s c a d a 和d s m 上报的实时数据与g i s 相结合，以便 于操作和管理人员更方便地操作配电网以及动态分析配电网的运行情况。 ( 4 ) 停电管理系统是指接到停电投诉后，g i s 通过调用c i s 和s c a d a 功能，迅速 查明故障地点和影响范围，选择合理的操作顺序和路径，显示处理过程的进展，并 自动将有关信息转给用户投诉电话应答系统。 3 、需方管理 需方管理( d s m ) 是为鼓励用户注意到其电力需求的时间和大小，修改其电力消 耗模式( 包含电量和需量两个方面) ，由电力公司计划、执行和监督用电负荷的一种 管理模式。 需方管理实际上是电力的供需双方共同对用电市场进行管理，以达到提高供电 可靠性，减少能源消耗及供需双方的费用支出的目的。其内容包括负荷监控、管理 和远方抄表、计费自动化两方面。 ( 1 ) 配电网负荷监控和管理，是根据用户的用电量、分时电价、天气预报以及 建筑物内的供暖特性等进行综合分析，确定最优运行和负荷控制计划，对集中负荷 及部分工厂用电负荷进行监视、管理和控制，并通过合理的电价结构引导用户转移 负荷，平坦负荷曲线。 7 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 远方抄表与计费自动化是指通过各种通信手段读取远方用户电表数据，并 将其传至控制中心，自动生成电费报表和曲线等。它是实现负荷监控和管理所必须 的基础。 1 4 本文的主要工作 隆尧配电网目前已将单一的放射形供电网络逐步改造为多条横向与纵向手拉 手线路组成供电网络，每台配变同时接到横纵两条线路上。改造后的电网健康水平 大大提高，其电网结构已经基本具备实现配电网自动化系统的基本要求，面临着配 电自动化系统的选择问题，结合隆尧城区配电网的建设情况，本文研究县级配电自 动化系统及其应用。 ( 1 ) 根据配电网自动化系统对电网结构的要求，以及农村电网配电自动化系统的 典型模式，结合隆尧电网的实际情况，确定所采用的配电自动化系统的模式。由于 在我国电力系统继电保护整定计算中采用时间逐级配合原则，为了保障电网中主要元件 的安全，同时还要兼顾到继电保护切除故障时应该具备的选择性，通常配网1 0 k v 出线 过流跳闸时间只有o 5 秒，所以配电网要想在故障情况下依靠开关动作时间逐级配合以 实现将故障点隔离的难度非常大，也是由于这一点，使得大多配电网自动化系统建成后 并未能就提高配网的自动化运行水平真正发挥作用，如何避免系统故障时依靠开关动作 时间逐级配合来实现故障点隔离，是配电自动化方案制定中需要解决的重点问题。 ( 2 ) 根据所选取的配电自动化系统模式，确定f 1 i u 所需的各项功能及通信系统， 进行通信方案和馈线自动化方案的设计。 ( 3 ) 确定配电自动化系统对配电s c a d a 系统的要求，选择配电s c a d a 系统的各项 功能。 ( 4 ) 完成配电自动化系统方案设计，并在隆尧城区配电网实施现场安装、运行、 调试，达到现场运行水平。 8 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章县级区域配电自动化系统方案 2 1 实现配电网自动化的主要方式 我国县级配电网主要以架空线为主，其配电自动化方案主要有两种，一种是“日 本 方式的重合器分段方案，另一种是欧美方式的断路器( 或断路器负荷开关交叉) 手拉手环网方案，目前采用后者居多。由于手拉手环网供电线路在开环运行时开关两 侧的负荷由两端的电源各自分担，而发生故障后所有负荷都要由一侧电源承担，因此导 线在考虑作为备用电源对负荷供电时，导线截面积需要按照全部负荷预测来选择，通常 会比正常情况增加一倍。 一般来说，配电自动化系统包括三部分：s c a d a 功能( 测控和数据采集功能) 、 g i s 功能( 地理信息) 和d a 功能( 故障诊断、隔离和非故障区的恢复供电功能) 。 其中d a 功能是提高供电可靠性及电压质量的的关键，也是实现配电网自动化的难 点。实现故障的自动隔离、非故障区段的恢复可以采取多种方法，取决于自动化装 置的技术特点和整体方案。一般有就地控制和主站控制两种方式，就地控制以馈线 终端单元之间的配合为主，不需要通信通道，通过对线路过流或失压的监测，以及 对开关分合闸的逻辑控制实现故障区段的隔离和非故障区段的供电恢复；主站控制 方式需要有可靠的通信通道，通过主站软件对f t u 上传信息的分析判断，制定合理 的隔离策略和网络重构策略，远方控制配电开关实现故障区段的隔离和非故障区段 的供电恢复n 4 1 。 2 2 隆尧配电网结构 截止2 0 0 6 年底，隆尧电网拥有2 2 0 k v 变电站1 座，主变2 台2 4 0 m v a ；1 l o k v 变电站4 座，主变8 台3 2 6 m v a ；3 5 k v 变电站2 3 座，主变4 6 台2 7 0 3 l m v a ( 其中用 户站7 座主变1 3 台5 0 5 6 m v a ) 。3 5 k v 电网容载比为1 8 8 ，1 1 0 k v 电网容载比为1 9 2 。 1 1 0 k v 线路8 条，全长1 0 8 7 0 8 k m ；3 5 k v 线路3 5 条1 8 7 9 9 3k m ，1 0 ( 6 ) k v 线路( 不含用户站和奎山站奎山集团的五条电缆出线) 1 1 6 条1 6 2 5 9 7 6 k m 。全县 2 2 0 k v 、1 1 0 k v 变电站均实现双电源供电，3 5 k v 电网形成以l 座2 2 0 k v 变电站和4 座1 1 0 k v 变电站为结点的环网供电网络，各3 5 k v 变电站均实现双电源供电。 隆尧地理接线图如图2 一l 所示： 隆尧县2 0 0 6 年地理接线现状图 9 华北电力大学工程硕士学位论文 气芦 j l = ：剖黪葛 、蛰、 圈21 隆尧县2 0 0 6 年地理接线现状图 隆尧县电网经过连续几年大规模投入和超前建设，电网供电能力大大增强，基本满 足工农业生产和居民生活用电持续增长需求。由于农业开发和地下水位逐年下降，农灌 电力负荷持续增长，随着城乡居民生活水平的不断提高，一次能源价格持续攀升和人们 观念意识的改变，越来越多的人们开始享用清洁、环保、方便、实用的电力，降温采暖 厨卫等家电逐步普及，使居民生活用电持续增长。 在过去几年，为了提高配电网供电可靠性，对隆尧县城区配电网进行了改造，由过 去的网架结构薄弱，城网设备陈旧，仅有柳行站三回l o k v 线路放射性供电，逐步改造 为由l l o k v 柳行站和3 5 k v 显化变电站各出三回1 0 k v 出线供电，互为备用的每一对线路 中间设一个联络开关，形成横向与纵向手拉手供电线路组成网络，每台配变同时接到 横纵两条线路上，两电源互为备用。对于一台配变而言，仅横向线路故障不会引起供 电中断，仅纵向故障也不会停电，满足n l 准则要求。 在配电网改造中，_ j 毛安装线路丌关2 8 台，f t u l 9 台，架设光缆1 0 8 公里，详见附 图2 2 所示。 华北电力大学工程硕士学位论文 隆尧县城网配电自动化系统图 图2 2 隆尧县城网配电系统图 2 3 配电自动化系统方案的设计 为了选择一个切实可行的配电自动化系统方案，根据隆尧局的实际情况，经过 对各种配电自动化系统及模式的比对分析，以及对其它地区配电自动化实施情况的 参考，决定采用由配电主站、配电子站和户外配电终端三层结构的调配一体化的配 电自动化系统模式，如图2 3 所示。 2 3 1 系统实现的主要功能 1 2 3 4 5 系统作为调度主站s c a d a e m s 系统的子系统，实现调配一体化。 实现配网线路的故障诊断，故障隔离及非故障区域的恢复供电。 实现配网的实时网络重构，提高供电可靠性和电能质量，并降低网损。 实现配网以地理信息为支掌的配网设备管理、运行管理、提高配网管理水 平。 配电主站采用开放式支撑平台技术，具有分布式运行管理环境，采用大型 商业数据库作为历史数据库，实时数据库具有客户服务器技术和s q l 访问 技术，图形界面采用o p e n g l 技术，界面友好。 配电主站平台、g i s 基础平台与调度主站平台采用一体化设计技术，在s c a d a 和g i s 平台之间构造了一层实时g i s 平台，使得g i s 系统与s c a d a 系统中 的信息具有相同的实时性。 对于柱上f t u ，通过现有配网通信信道进行远程维护，有效地解决了柱上 f t u 维护量大，维护不方便的问题。 l l 华北电力大学工程硕士学位论文 8 系统通信应支持专线、无线、光纤、电力扩频载波及光纤以太网等多种通 信方式。 9 f t u 采用d s p 技术高速交流采样。技术指标达到户外d 2 级标准( 一4 0 + 8 5 ) 满足户外恶劣环境运行要求。 图2 3 调配一体化的配电自动化系统模式 配电自动化主站系统与配电终端配合完成配电网的监测控制功能( s c a d a ) ，故障检 测、定位、隔离和供电恢复功能( d a ) ，利用地理信息系统( g i s ) 技术完成配电设备及 设施管理功能( a m p m ) ，另还包括配电基本应用软件功能。 配电主站系统采用国际标准的t c p i p 网络协议，支持多种操作系统和不同的硬件 平台，采用s y b a s e 、0 r a c l e 等商用数据库和a r l n i f o 、m a p l n f o 等基础g i s 平台。s c a d a d a s 和a m f m g i s 的各种功能都建立在统一的历史数据库、实时数据库和网络支撑平台上， 各应用功能都利用同样的网络和数据库接口函数，s c a d a 所负责采集和处理的实时遥测、 遥信、事项记录等可为整个系统的所有功能共享，保证了系统从底层的一体化，用户界 面上系统把基于电子地图的空间查询、统计、分析和实时数据监示、曲线浏览、各种图 形显示等集成在一起，可直接在地理图上进行调度操作、故障显示、网络拓扑动态着色 等，从而在整体上真正做到了s c a d a d a s 与a m f m g i s 的一体化设计。 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 2 3 2 配电主站g l s 子系统 配电主站g i s 应用系统建立在实时g i s 平台基础之上，与实时平台g i s s c a d a 一体 化设计。综合配电系统设备信息和地理位置信息，结合电力系统网络拓扑，形成了静态 动态设备管理系统，完成基于空间分析的设备查询、统计、管理、配网运行监视事项 显示、停电管理等功能，通过社会公众网连接机关、企业和家庭，形成故障电话投诉( t c m ) 系统，完成电话自动受理、数字录音、故障辅助定位等功能，通过全球定位系统和无线 通信系统，将移动设备与g i s 系统结合，形成g p s 维修监控系统并与t c m 系统组合成联 动系统。 2 3 3 配网高级应用软件子系统 配电高级应用软件利用配电自动化系统的各种信息，在实时或研究状态下，对配电 自动化系统的运行状态进行分析，帮助运行人员了解和掌握配电自动化系统实时和各种 假想运行方式的状态，提供一种配电网分析和决策的工具，为故障的恢复控制、网络的 重构，提供依据，对于配电网运行的安全性、可靠性和经济性提供参考。 1 用于主站的故障定位，自动隔离、恢复供电( d a ) 功能。 2 提供可靠的分析计算，经济运行，负荷管理，辅助控制等系列方案。 3 采用标准的商用数据库，保证数据的安全性、透明性和一致性。 4 采用分布结构，提高软件系统的可扩充性。 5 建立在实时g i s 平台基础上，与地理信息一体化分析。 6 提供开放性环境，采用标准的a p i 接口。 2 4 隆尧配电自动化系统方案的特点 在配电自动化系统的s c a d a 功能、g i s 功能和d a 功能中d a 功能是提高供电可靠性 及电压质量的关键，也是实现配网自动化的难点。通常d a 功能的实现，都是通过线路 安装的重合器通过电流、时间整定值和多次重合来实现。这就要求线路开关能够多 次接通和断开故障短路电流，因此开关的短路容量要求大；还要求电源端继电保护 有足够动作时限来保障配电网中线路开关动作时限的逐级配合。 在电网的发展中，常常由于设备制造水平以及投资限制，使得不同时期建设电网设 备水平存在较大差异，隆尧局配电网如此，配电网中部分线路开关的短路容量不能满足 多次重合要求，按传统模式配电网自动化建设需要投入大量资金进行设备更换。 为了保障电网中主要元件的安全，同时兼顾到继电保护切除故障应该具备的选择 华北电力大学工程硕士学位论文 性，要求继电保护整定计算时间逐级严格配合，通常配电网l o k v 电源线路保护动作时 间非常短，柳行、显化站1 0 k v 出线过流跳闸时间只有o 5 秒。所以要想在隆尧配电网 中在故障情况下依靠开关动作时间逐级配合以实现将故障点隔离的难度非常大，也是由 于这一点，使得大多配网自动化系统建成后未能就提高配电网的自动化运行水平真正发 挥作用。 在隆尧局配网自动化系统方案中，经过对隆尧电网结构特点、配电负荷对可靠性要 求进行细致分析，决定采取如下方式实现d a 功能：当线路故障时，配网自动化系统安 装的站口开关( 投入速断保护和三相一次重合闸功能，此功能用于站口开关。站内开关 只投过流保护) 掉闸，o 5 秒后自动重合，如果故障为瞬时性故障，自动重合成功，线 路恢复正常供电，线路开关只监测故障电流并通过通信装置向主站端发信号而不动作： 如果故障为永久性故障，站口开关自动重合不成功闭锁，这时由配电自动化系统根据各 个开关传送来的故障信息自动完成故障诊断、并自动进行故障点的隔离，提供非故障区 的恢复供电方案，自动实施或由调度员操作实施。该方案在故障情况下首先由站口开关 跳闸切除故障，然后在不带电状态下配网自动化主站根据故障电流分布情况判明故障 点，并自动切除距离故障点距离最近的两侧开关，所以不要求线路开关具备开断故障电 流能力，对开关短路容量没有特别要求，使用电动负荷开关即可；而且本方案成功的避 免线路中各级开关逐级动作时限配合的要求。 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章配电自动化系统通信方案的确定 3 1 配电自动化系统的通信方式 配电自动化系统是个非常复杂的系统，配电网设备数量庞大、种类繁多、与e m s 、 s c a d a 系统及m i s 系统有着紧密的联系。在配网自动化的建设中，通信方式是非常重要 的一个环节。要实现数据和命令的及时、快速的传递，通信又是实施配网自动化的基础， 因此实施配网自动化必须解决好通信通道的问题，做好总体规划的设计工作，只有这样 才能在配电终端设备与配电自动化系统主站之间进行准确的数据通信和数据交换。 随着通信技术的发展，可供选择的通信手段很多，由于配网自动化远方终端数据非 常庞大，因此在满足可靠性的基础上如何降低造价，形成最合理的配置，便于推广，也 是非常重要的问题。 3 1 1 配电自动化系统对通信的要求 配网自动化对通信的要求取决于配网自动化的规模、复杂程度和预期达到的自动化 水平。在不同的供电企业中，经济条件、配网进展的程度以及配网技术发展速度的不同， 对配网自动化的要求也不同。而且每个地区供电局不可能在短期内立即建成完善的配网 自动化系统，一般需要5 1 0 年的进程。因此配网自动化的通信也有一个循序渐进的过 程，需要总体规划，以免重复建设。 配网自动化初期采用重合器就地隔离故障的方式及智能馈线终端就地控制方式，这 两种方式对通信的要求不高。但随着自动化技术水平的发展，配网自动化已要求发展成 为高度自动控制，高级应用软件的时期，形成了集中远方监控实现馈线自动化功能的配 网自动化模式，为避免信息传递以及执行命令下达时间的延误，对通信的有效性、可靠 性和经济性都提出了更高的要求。 按现阶段对配网自动化的要求，通信必须具备以下特点： ( 1 ) 通信的可靠性。要长期经受恶劣环境的考验，如雨雪、大风等；且会受到较强 的电磁干扰或噪音干扰。 ( 2 ) 建设费用。在满足可靠性的前提下，考虑设备造价，估算长期使用和维护的费 用。 ( 3 ) 双向通信。不仅实现信息量的上传，还要实现控制量的下达。 ( 4 ) 数据传输速率。在配网自动化系统中，配电变电站监控、馈线自动化对于通信 速率要求最高，3 0 0 b i t s 以上才能满足要求：公变检测和负荷监控对通信速率的要求其 1 5 华北电力大学工程硕士学位论文 次，约1 0 b i t s 就能满足：远方抄表和计费系统对通信系统要求最低。 ( 5 ) 通信不受停电影响。在线路发生故障的情况下，要保证通信能正常进行。 ( 6 ) 易操作和可维护性。 与输电网自动化不同，配电自动化系统要和在数量上多得多的远方终端通信，因此 如何降低通信系统的造价并满足配电自动化系统要求成为设计人员面临的重要问题。 3 1 2 配电网自动化通信方式的分析与比较 配电网自动化的通信方式分为有线方式和无线方式。有线方式包括架空明线或电 缆、配电载波、邮电本地网、租用电话线、光纤、有线电视网、无线扩频、卫星通信、 无线寻呼、数控电台等，还有最近出现的通用分组无线业务( g p r s ) 。下面对几种主要 通信模式进行简单分析： ( 1 ) 架空明线或电缆。其优点是建设简单，但线路衰耗大、频带窄、噪声大、易受 干扰、占地多、投资大。 ( 2 ) 配电载波。目前典型的配电载波机传输速率基本能满足配电网自动化系统对通 信的要求。配电载波有脉动控制技术和工频控制技术2 种变形，它们都是利用电力线路 作为信号的传输途径，并都有应用实例。此外，扩频载波机也开始应用，用加大带宽来 换取传输的可靠性，将话音带宽扩展到整个输电线路频谱，提高了传输速率。配电载波 通信有如下优点：技术简单，建设容易。配电载波可以连接电力公司管理的任何测控 点，沿着电力线路传输到配电网的各个环节，不必考虑另架专用线路。安全性好，所 有资源都有受电力部门控制。便于管理，不必经过无线电管理委员会许可。但停电区 数据如何用配电载波上传仍然是一个有待解决的技术难题，另外由于反射速率较低、容 易受到干扰以及非线性失真和信道间交叉调制的影响、采用的电容器和电感器体积较 大、价格较高等缺点。 ( 3 ) 光纤通信。光纤通信是以光导纤维作为传输介质，以光波作为信息载体先进通 信手段。光纤通信具有频带宽、通信容量大、传输损耗小、光电隔离不受电磁干扰、抗 腐蚀、可靠性高、保密性好、运行维护成本低、组网方便灵活、敷设简便等优点。采用 无源光分路器，可以组建复杂的环形、星形、树形、链形等光纤网络，可以根据网络节 点灵活联网或改变网络拓朴结构。在配电网自动化中，可以利用已建成的变电站到主控 中心的光纤电话网络进行数据传输，此时，光纤通过m o d e m 将数字脉冲转换成话音频带 占用一路或几路话音通道进行传输，也可以架设专门的光纤网络进行数据传输，发可以 用光纤以太网或光纤自愈网来进行数据通信。 目前光纤通信技术已经成熟，随着光缆技术的提高和生产成本的不断下降，光缆的 性价比将继续提高，因此在配电网自动化系统中，光纤将被作为通信主干线被广泛应用。 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 微波通信。微波在电力通信中发挥着重要的作用，对调度自动化和变电站综合 自动化的数据传输有重要意义。微波频率为l g 以上，属视距传输，它传输容量大，稳 定性能好，同时由于微波通信在电力系统应用多年，已积累了经验。但微波为点对点传 输，而配电系统点多面广，显然不适合在配电网中应用。而一点多址小微波系统应用多 址技术和统计复用技术，信道利用率高，稳定性较好，可以多点传输，缺点是路由选择 较困难。 ( 5 ) 无线电通信。传统的无线通信方式如a m 、f m 、p m 、无线寻呼等也可以应用于配 电网自动化的数据传输，但速率低且太多只能进行单向发送，对于需要进行双向数据通 信的场合则要使用具有双向通信功能的新型无线通信技术。8 0 0 删z 为无线数据通信频 段，可以应用于配电系统通信。 ( 6 ) 基于移动通信技术的c d 姒g p r s 通信。 3 2 配电自动化通信系统的特点 由于配电网自身的监测点多、覆盖面广，因此配电自动化通信系统具备以下特点： ( 1 ) 要求有较高的可靠性和灵活性。 ( 2 ) 传送的信息量大，实时性强。 ( 3 ) 通信范围点多面广，组织困难。 配电网系统要对各种电气设备进行实时监控，需安装大量的r t u 、f t u 、d t u 、t t u 等终端设备，规模大的配电网还要配置子站，其总体规模要比调度自动化系统大得多。 因此，配电网自动化系统的通信网络必须满足下述要求：高可靠性：配电网通信设备 大多安装在室外，自然环境恶劣，经常受到自然侵袭以及射频、工频等强电磁干扰。因 此要求配电网通信系统要能够长期稳定可靠地工作，并在线路停电时仍能正常工作。 良好的经济性：限于配电网一次设备的状况，通信系统的投资不能过大，并要能充分利 用所有的各种通信资源。技术性能优