配电系统自动化及其新技术

1、2022-5-9配电系统自动化及其新技术太原电力高等专科学校 电力工程系 武晓冬2022-5-9主要内容 配电网、配电系统自动化基本概念 配电网通讯技术 馈线自动化 地理信息系统（GIS）在配电网中的应用 配电网无功补偿的相关问题2022-5-9第一章配电网、配电系统自动化的基本概念和基本理论2022-5-91.1配电网及其特点 定义：把电力系统中二次降压变电所低压侧直接或降压后向用户供电的网络，成为配电网（Distribution Network） 。 组成 ：由架空线或电缆配电线路、配电所或柱上降压变压器直接输入用户构成。2022-5-9配电网的分类 按电压等级分高压配电网（220kV、1

2、10kV、35kV）中压配电网（10kV、6kV、3kV）低压配电网（380V、220V）个别企业电压等级不同：如电气化铁路为55kV，煤矿井下为1140V，其它个别企业有660V（600V） 2022-5-9配电网的分类 按所在地域或服务对象分：城市配电网和农村配电网 按配电线路形式分：架空配电网和电缆配电网 按体系结构分：辐射状网、树状网、环状网2022-5-9图11 辐射状网图12 树状网图13 环状网2022-5-9配电网的特点 深入城市中心和居民密集点；传输功率和距离一般不大（中压供电半径，市中心不大于2公里，中心区外不超过34公里）；供电容量、用户性质、供电质量和可靠性要求千差万别

3、，各有不同；我国配电网为中性点不接地系统，在发生单相接地时，仍允许供电一段时间（国外有些直接拿来不能用，需结合配电网实际情况，逐步加以改进）。 2022-5-91.2配电网现状及当前存在的主要问题 与世界发达国家相比，我国的配电系统发展起步较晚，发展水平较低，建设相对落后。城市配电网，特别是老城网，已或多或少滞后于城市的经济发展，成为制约城市发展的瓶颈。配电网结构不合理，电力设备数量多但性能落后、免维护水平低且不适合自动化要求等，导致停电事故频繁发生，可靠性较低，严重影响了人民的生活水平和经济建设的发展 2022-5-9各国发电、输电、配电投资比例 发达国家：电网（包括输电与配电）投资大于电源

4、投资，配电网投资又明显大于输电网投资 我国：电网投资不到电源投资的一半，且配电网投资又小于输电网投资。 国别 发电投资：输电投资：配电投资 美国 1：0.43：0.70 英国 1：0.45：0.78 中国 1：0.23：0.12 2022-5-9当前配电网存在的问题 中压配电网的网架结构薄弱 城市中压配电网发展处于一种无序状态，网络结构极不合理，突出表现在网架结构薄弱，主次网架不清晰，多分段多互联的网络连结未形成。 近年来，配电网负荷增长迅速，给城乡配电网带来了很大的压力，相当多的一些设备因为过负荷而发生故障，用户电压不稳定，网络损耗过大，故障发生频繁等问题。 2022-5-9当前配电网存在的

5、问题 城市配电网技术落后，网络自动化水平低 我国配电网自动化技术水平普遍较低，虽然近年来也引进和开发了一些新的技术，同国外相比差距仍很大。配电网设备落后陈旧，安全性差，能耗大，故障频繁。同时，网络自动化水平低，在城市电网中，中压配电网的自动化是一块空白。 2022-5-9当前配电网存在的问题 线路损耗率较高，电压合格率普遍较低 目前，配电网普遍存在线损较高的问题。我国输配电线路的线路损耗率在10%以上，农村电网的线损率高达20%以上。同时，电压合格率也普遍较低。根据统计，我国10kV(6kV)的配电网功率因数在0.650.8，低压农网在0.60.7，这些主要与城市配电网结构、原建设标准低以及负

6、荷发展的特点有关。早期建设的配网线路已经不适合当前的城市发展需要和电力体制改革的要求。2022-5-9当前配电网存在的问题 电网供电可靠性低，电网规划不科学 据2000年对我国286座城市统计，中压配电网的平均供电可靠性为99.887。而1998年，英国的供电可靠性己达99.988，美国达99.984，法国达99.991，日本东京电力公司达99. 999。我国的配电网规划和设计，主要是由规划人员依据个人经验和局部计算来进行，在有限的条件下解决负荷增加、线路过载、电压偏低等不断出现的新问题。对于规模日益扩大的配电网，这种规划方法将越来越难以进行配电网的合理建设和经济运行。2022-5-9配电网优

7、化的意义 降低配电网线损，提高系统经济性 长期以来，电力部门不断的降低电力系统的能耗和线损，提高电力系统的运行经济可靠性。西方主要工业国家的线损率大致在58，我国为10，与发达国家相比尚有差距。35110kV配网线损是地区线损的重要组成部分，1995年全国城网110kV以下配网线损占总线损的60，可见降低配网线损是降损工作的关键问题之一，在正常运行时，通过网络优化改善电网运行方式从而达到降低配网网损的目的。 2022-5-9配电网优化的意义 均衡负荷，消除过载，提高供电电压质量 在配网中，每条馈线均有不同类型的负荷如：商业类、民用类和工业类。由于不同类型负荷的日负荷曲线是不同的，在变电站的变压

8、器及每条馈线上峰值负荷出现的时间是不同的，通过网络优化，可以将负荷从重负载或是过负载馈线（或变压器）转移到轻负载（或变压器）上，这种转移不仅调节了运行馈线的负荷水平，消除馈线过载，还能改善电压质量，同时也可以有效地减小整个系统的网损。 2022-5-9配电网优化的意义 提高供电可靠性 在配电系统发生故障时，可以打开配电系统中的某些分段开关隔离故障，同时合上某些联络开关把故障线路上的部分或全部负荷转移到其它线路上去，从而起到快速隔离故障和恢复供电的目的。 此外，从我国配电网的发展状态来看，配电网仍需要大量建设，随着我国1000kV电压等级线路的建设，220kV电网将由主干网变为配电网，这些都为配

9、电网的发展创造了良好的条件。2022-5-9配电网优化的意义 我国的配电网的运行中存在的突出问题表现为资金投入不足，网损较高和可靠性较低，而配电网优化能够解决我国配电网现存的问题。但是，这三者之间存在着一定的抵制关系，要想降低网络损耗和提高供电可靠性，就势必会增加资金投入，但过多的资金投入会给供电企业造成投资压力。所以需在资金投入，网络损耗和可靠性这三者之间寻求一条最优途径，以满足配电网改造的实际要求。 2022-5-91.2配电系统自动化的概念 “配电系统自动化”这一术语是20世纪90年代由美国提出，但迄今为止，对配电自动化及其相关的一系列技术，国际上尚无同一的定义和规范。 配电系统自动化：

10、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、用电和配电管理的现代化。不仅是定义，还给出了配电系统自动户的内容及功能。 2022-5-9 配电网管理系统（Distribution Management System，DMS）：把从变电、配电到用电过程的监视、控制和管理的综合自动化系统。 2022-5-9DMS和EMS的关系 发电厂输电线高压变电站配电网用户EMSDMSAGC调度自动化配电SCADA需方管理图14 EMS和DMS在电力系统中的

11、关系2022-5-9配电自动化的内容 网络分析和优化 DMS 工作管理系统 调度员培训模拟系统 10kV开闭所、变电站自动化 配电SCADA系统（进线监视） 馈线自动化 配电自动化 变压器巡检和无功补偿 地理信息系统 需方管理 负荷监控与管理 远方抄表与计费自动化2022-5-91.4配电系统自动化的意义和目的 意义： 在正常运行方式下，通过监视配电网运行工况，优化网络运行方式；当发生故障或异常时，迅速查出故障区段及异常情况，快速隔离非故障区域用户的供电、缩短对用户的停电时间，减少停电次数。根据配电电压合理控制无功负荷和电压水平，改善供电质量，达到经济运行目的。合理控制用电负荷，从而提高设备利

12、用率。自动抄表，保证抄表计费的及时和准确。（提高了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等） 2022-5-9配电系统自动化的目的 提高电网供电的可靠性最根本和最首要的目的提高配电网的供电质量和降低线损。提高用户满意程度最终目标提高供电部门的劳动生产率2022-5-91.5配电自动化的基本功能 配电网运行和管理功能 安全监护 、控制功能 、保护功能 、故障诊断分析与恢复供电 、运行情况统计及报告 运行计划模拟和优化功能 配电网运行模拟 、倒闸操作计划的编写 、入网关口电量的计划和优化优化潮流 运行分析和维护管理功能 对配电网故障和供电质量反馈的信息进行分析，以及根据设备状

13、况进行维修计划的编写。 用户负荷监控和故障报修功能 用户端负荷和电能质量的遥测 、用户端负荷和表计的控制DSM 、用户故障报修处理系统 2022-5-91.6配电自动化的发展及现状 第一阶段：主要特征：基于自动化开关设备相互配合主要功能：故障隔离和向健全区护恢复供电主要设备：重合器、分段器其自动化水平较低，其具体表现为： 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。 通过自动化开关设备相互配合实现故障隔离和恢复健全区域供电时，无法采用安全和最佳措施。 故障隔离时需要经过多次重合，对设备的冲击大等。2022-5-9配电自动化的发展第二阶

14、段 主要特征：基于FTU和通信网络主要功能：远方监控主要设备：FTU、通信网络、配电自动化计算机系统 其具体表现为： 在配电网正常运行时，也能起到监视运行状况和遥控改变运行方式的作用。 故障时，能及时察觉，并有调度员通过遥控隔离故障区域和恢复健全区域供电。2022-5-9配电自动化的发展第三阶段主要特征：在第二阶段的基础上，增加了闭环自动控制功能，由计算机自动完成故障处理等。主要功能：配电管理系统和人工智能 主要设备：FTU、通信网络、配电自动化计算机系统、高级应用软机2022-5-9实现配电自动化的难点分析 测控对象多（进线变电站、10kV开闭所、小区变电所、配电所、分段开关、串连电容器、用

15、户电表和重要负荷） 计算机要求高（软、硬件）；站端设备的可靠性、可维护性要高；每台设备的成本要低站端设备大多在户外（工作环境恶劣 2575，湿度95；需采用工业级芯片；防雨、散热、防雷等）通信系统建设复杂（没有统一通信手段、通信规约能单独满足）控制电源和工作电源提取困难目前配电网现状，为实现配电自动化，必须把对传统配网的改造纳入工程中，增加了实现困难。2022-5-9第二章 配电自动化的通信系统 配电自动化系统需要借助于有效的通信手段，将控制中心的控制命令准确的传送到为数众多的远方终端，并且将反映远方设备运行情况的数据信息收集到控制中心。2022-5-9配电自动化通信系统 数据通信系统的传输方

16、式 （按信息传输的方向和时间 ） 单工通信信息只能由A站向B站发送 半双工通信可以切换方向的单工方式 全双工通信可同时进行双方向的信息发送发送设备接受设备AB数据流（a）单工通信发送设备接受设备AB数据流（b）半双工通信发送设备接受设备发送设备发送设备AB数据流（c）全双工通信接受设备接受设备2022-5-9配电自动化通信系统的组成及作用 数据终端设备 ：采集电网中的一些信息，如各种电气量、开关量等，并把这些信息转变成数字信号以便于传输。RTU、TTU、FTU 数据传输设备 ：将数据终端设备送来的基带数字信号变成适用于远距离传送的数字载波信号，Modem）、复接分接器、光端机 数据传输通道 ：

17、完成信号的传输任务，是信号远距离传送的载体 DCE和DTE之间的接口：RS232、RS485 数据终端设备DTE数据传输设备DCE数据传输通道数据传输设备DCE数据终端设备DTERTURS232RS232SCADA2022-5-9配电系统自动户的通信方式及特点 2022-5-91、光纤通信一种玻璃丝，主要材料为二氧化硅 优点：优点： 传输频带很宽，通信容量大（最大可在140MB以上） 传输衰耗小，适合长距离传输（最长为1000km以上） 体积小，总量轻，可绕性强，敷设方便 输入与输出间电隔离，不怕电磁干扰 保密性好，无漏信号和串音干扰 抗腐蚀，抗酸碱，可直埋地下 缺点缺点： 强度低，不如金属线

18、 连接困难 分路和耦合不方便 弯曲半径不宜太小2022-5-9光纤通信的组成 中继器：将经过长距离传输后被衰减和畸变的光信号放大、整形和再生成一定强度后，继续送向远方。电端机光端机中继器光端机电端机发送接受2022-5-92、载波通信 利用某一载波频率经非通信线路传输信息的通信方式 结合滤波器配电线路载波机配电线路载波机结合滤波器结合滤波器结合滤波器结合滤波器阻波器配电线载波机配电线载波机馈线RTU（FTU）馈线RTU（FTU）配电自动化调度中心高速数据通道耦合电容馈线分段开关主变电站阻波器：防止区内信号泄漏，同时也避免区外信号及噪声进入本区段。对于配电网线路，由于线路多台配电变压器以及线路由

19、于柱上开关的断点，还有配电线路本身存在的高噪声，阻抗变化大，衰耗大等因素，使载波通信在配电线路中的使用得到了较大影响。2022-5-93、专线 采用一点对多点的通信方式 “挂灯笼”方式，专线一般采用双绞线或音频电缆，架设在现有电线杆上或敷设在电缆沟、地沟中。 监控中心开关设备开关设备2022-5-94、电信本地网 利用电信通信网（市内电话网）组成配电网通信系统，特点是不需要投资建设专用通信网，开通费低，但运行费用高。 2022-5-95、无线通信 调幅广播（AM）：用于地形复杂的区域甚高频无线电（VHF）：30300MHz超高频无线电（UHF）：3001000MHz 800MHz，易失真和阴影

20、微波通信 1GHz以上 建设一套微波通信系统技术复杂，造价高，不宜普遍应用。卫星通信：GPS对时 2022-5-9通讯规约 指在计算机上的软机通信，即计算机内部连接的通信规约问题 通信规约（Protocol）：是调度端和执行端通信时共同使用的人工语言的语法规则及应答关系2022-5-91.应答式规约 又称为polling规约，它以主站为主，依次向各RTU发出查询命令，各RTU依查询命令进行问答。 特点： 一是RTU有问必答，当RTU收到主机查询命令后，必须在规定的时间内应答，否则视为本次通信失败； 二是RTU不问不答，当RTU未收到主机查询命令时，绝对不允许主动上报信息。 2022-5-9循环

21、式规约CDT（Cyclic Data Transission） RTU自发的不断循环上报现场数据 特点： 数据传输以现场端为主，主站被动接受； 数据格式在发送端与接受端事先约定好，按时间顺序首先发送起始同步字，然后依次发送控制字和信号字，周而复始，连续循环发送。 重要数据发送周期短，实时性强，一般数据发送周期长，实时性差2022-5-9第三章 馈线自动化 FA：Feeder Automation2022-5-9馈线自动化的作用 正常运行时监测线路状态，如：I，U、开关状态及进行相关操作；当线路发生故障时，能准确确定故障所在线路，跳开故障线路开关，使故障线路被隔离，并恢复非故障线路的供电；通过网

22、络重构实现负荷控制和降低网络损耗。 2022-5-9馈线自动化的基本功能 数据采集： 站内馈线开关站内RTU完成；线路上各环网开关、负荷开关、柱上开关等等 状态监视与故障处理：正常状态的监控：U、I、P、Q、，谐波电压、电流。一般只配置在线路开关、电容器、调压器、配电变压器上。 故障状态监测主要用于快速查找故障点。 无功控制功能：对安装在线路上的无功补偿电容器组的自动投切，以改善配网的。 控制操作功能：正常运行过程中投、切馈线开关，并能带负荷遥控投、切馈线环网开关和负荷开关，以及遥控调整变压器的分接头装置；故障时，通过指控开关动作，自动隔离故障区域，恢复对非故障区域的供电。 事故告警功能 报表

23、功能 对时功能2022-5-9实现馈线自动化的优点 减少停电时间，提高供电可靠性。“手拉手”提高供电质量变压器输出电压和投切无功补偿电容器节省总体投资改变了原有的双电源或多电源供电方式减少电网运行与检测费用能及时确定线路故障点及原因，缩短故障恢复时间，节省修复费用2022-5-9馈线自动化的模式 简易模式装设故障指示器，寻找人员需到现场查看并判断故障区段基于重合器模式基于FTU模式2022-5-93.1基于重合器的馈线自动化 重合器（Reclose）：具有多次重合功能和自具功能的断路器，能够检测故障电流，并能在给定时间的遮断故障电流，并进行给定次数重合的控制装置。 特点 :重合功能 ：重合-多

24、次34次，若永久性故障，则闭锁；断路器-一次 自具功能：自带控制和操作电源（如锂电池） ；其操作不受外界继电器控制，而由微处理器控制 2022-5-9自动重合器的主要技术参数 额定电流 额定电压 最小脱扣电流被保护线路出现最小的故障电流 时间电流（tI）特性：通常由一条快速（瞬时）动作特性曲线和多条慢性（即延时）特性曲线组成，均具有反时限特性 。重合器的第一次操作一般情况下都按快速动作曲线整定，目的在于消除瞬时性故障；当按慢速动作曲线操作时，分闸时延时较长，以便与线路上其它保护设备（熔断器）相配合。“快”按快速动作时间电流特性跳闸“慢”按某一条慢速动作特性跳闸若发生线路永久故障时，当分合闸顺序

25、完成后，如果重合失败，则重合器将闭锁在分闸状态，需要手动复位才能解除；若发生瞬时故障时，循环动作中无论哪一次重合成功，则终止后续的分、合动作，经一定的延时后又恢复到预先整定的状态。 2022-5-9分段器 线路自动分段器（Automatic Line Sectionalizer）简称分段器，是一种与电源侧前级开关设备相配合，在无电压或电流的情况下自动分闸的开关设备。 其作用：隔离永久性故障。 位置：串联于重合器或断路器的负荷侧 当线路发生故障时，电源侧保护装置切除故障线路，分段器的计数装置进行计数，当达到预先整定的动作次数之后，在重合器跳开故障线路的瞬间，分段器自动断开，使故障线路与系统绝缘开

26、来。若未达到预先整定的次数，重合器再次重合，分段器不分段，如此可恢复线路的供电。 2022-5-9分段器种类按介质分：、真空、少油、空气按控制功能分：电子控制、液压控制按识别故障原理不同：过流脉冲计数型、“电压时间”型2022-5-9分段器与重合器的区别 分段器没有短路开断能力，也没有tI特性，只根据“记忆”的过电流脉动次数动作（或“感觉”到的“电压时间”状态动作） 分段器只需承受短路电流；重合器还需能关合短路电流2022-5-9过流脉冲计数型分段器 tttI主干线中电流状态重合闸工作装态分段器工作装态负荷故障分闸（1）（2）（1） （2）分段器分闸并闭锁重合器（断路器）QF分段器分段器故障点

27、主干分支分支发生永久性故障时tttI主干线中电流状态重合闸工作装态分段器工作装态负荷故障分闸（1）（1）记忆消失发生瞬时性故障时重合器为“一快二慢” 分段器为2次计数的分段器 在永久性故障情况下，分段器达到整定计数次数后，自动分闸将分支线隔离 2022-5-9电压时间型重合式分段器 工作原理：凭借加压、失压的时间长短来控制其动作，失压后分闸，加压后合闸或闭锁 参数： X时限（延时合闸时限）：（10s）指从分段器电源侧加电压至该分段器合闸的时间 Y时限（延时分闸时限）：（5s）故障检测时间，若分段器合闸后在未超过该时限的时间内又失压，则该分段器分闸并被闭锁在分闸状态，待下一次再得电时也不再自动重

28、合。 Z时限（闭锁合闸时限）：（0.5s）为分段器从失压到自动跳闸之间得短暂延时 为了使分段器可靠工作，设重合器得保护动作时间为t，则必须满足t+Zy0时，在系统母线上将得到来自发电机的无功，反之发电机将从系统吸收无功，进相运行。若E降低时，系统静态稳定极限降低，对电网不利，因此限值发电机进相运行或高功率因数运行。2022-5-92、电压偏差对电力系统稳定和经济运行的影响（2）对电压稳定性的影响我国2001年新发布的DL7552001电力系统安全稳定导则中将电压稳定定义为：电力系统受到小的或大的扰动后，系统电压能保持或恢复到容许的范围内，不发生电压崩溃的能力。IEEE电压稳定小组1990年的报告认为：如果电力系统能够维持电压以确保负荷增大时，负荷消耗的功率随着增大，就称系统是稳定的；反之是电压不稳定的。2022-5-9 所谓电压崩溃，是指由于电压不稳定所导致的系统内大面积、大幅度的电压下降的过程。（其衰落时可能几秒，也可能长达1020min） 电压安全性：不仅是指