（控制理论与控制工程专业论文）配电网馈线自动化装置的研究.pdf

摘要 随着我国配电网自动化的不断发展，对配电网故障的智能处理 提出了较高的要求，而对实时性要求更高。合理的网络结构、可靠 的配电设备和配电自动化的实施是提高供电可靠性的主要措施。馈 线自动化( f a ) 是配电自动化系统的一个重要环节，而f t u 又是馈线 自动化的关键设备，f t u 的好坏直接影响到整个配电网自动化的实 现。 论文首先阐述了配电网自动化的现状及馈线自动化的实现方 式，比较分析了传统的两种馈线自动化实现方案的优点及不足，提 出了基于f t u 的就地控制与远方集中控制相结合的一种综合智能控 制方案。然后具体研究了基于f t u 的配电网故障区域定位的算法， 提出了两种可行的算法：故障判断矩阵和遗传算法。该模式故障处 理速度快，对系统和用户冲击小，不会造成非故障区段的停电。此 外，该模式还减少了通信环节和对通信的依赖性，降低了系统对通 信可靠性和实时性的要求。 论文结合电力系统中真空断路器永磁操动机构智能控制技术， 对馈线自动化远方智能终端f t u 给出了具体的设计方案。阐述了基 于数字信号处理技术和数字信号芯片d s p 的f t u 的主要功能。选择 t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为主控制器，设计了这款芯片的 外围硬件接口电路，包括电源模块、模拟信号的采集，开关信号的 输入输出回路、人机接口、通信模块以及永磁机构的驱动控制电路。 软件方面对程序设计和电量参数的采样技术进行了研究。论文对控 制器的可靠性和抗干扰性也进行了分析，提出了相应的解决措施和 方法。 最后，论文讨沦了配电网通信系统的通信方式和通信规约的选 择，提出了一种基丁i n t e r n e t 的通信方式。它与配电自动化功能相 对独立，具有通用件和开放性，适合作为配电自动化的通用通信平 台。 全文完成j ，f t u 的主要硬件电路的设计、测试和相关软件程序 和算法程序的编写、调试和仿真，实现了f t u 的主要功能并在实验 室调试仿真成功。实际运行结果表明能够实现本文提出的主要设计 功能，技术上满足馈线自动化系统对控制器的技术要求，证实j ，基 于d s p 的f t u 的设计的可行性和实用性。 关键词：f t u ，馈线自动化，d s p ，永磁机构，遗传算法 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ， m o r er e q u e s t sh a v ea r i s e ni n d e a l i n g w i t h t h ef a u l to fd i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o ns y s t e ma n dr e a l - t i m ec o n t r 0 1 t h er e a s o n a b l en e t w o r k c o n f i g u r a t i o n ，r e l i a b l ep o w e r - f a c i l i t i e sa n dd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o na r e k e y m e a s u r e st oi m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l y f e e d e r a u t o m a t i o ni sa ni m p o r t a n tp a r to fd a sa n df e e d e rt e r m i n a lu n i ti st h e b a s e d k e ye q u i p m e n t t h ep e r f o r m a n c e o ff t ud e t e r m i n e dt h e r e a l i z a t i o no f d a s a tf i r s t ，t h i s p a p e re x p o u n d st h ea c t u a l i t y o fd a sa n dt h e r e a l i z a t i o no f f a ，c o m p a r e sa n da n a l y s e st h ea d v a n t a g ea n ds h o r t a g eo f t h et r a d i t i o n a lf ar e a l i z a t i o n ，t h e ng i v e sag e n e r a li n t e l l i g e n tr e a l i z a t i o n m o d eo ff ab a s e do nf t u i tc o n c r e t e l ys t u d i e st h ea l g o r i t h mo ft h e f a u l ta r e aj u d g m e n to nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，a n dg i v e st w of e a s i b l e a l g o r i t h m s ：n o v e lf a u l tj u d g m e n tm a t r i xa n dg e n e t i ca l g o r i t h m i nt h i s d as c h e m e ，t h ef a u l ti sh a n d l e do nt h es p o tw i t hh i g hs p e e da n dt h e p r o c e s sd o e sn o ta f f e c tt h ep o w e rs u p p l yt on o n f a u l ts e c t i o n so ff e e d e g w h i c hc a l ls i m p l i f yt h er e q u i r e m e n to f c o m m u n i c a t i o n t h et h e s i s g i v e s t h ec o n c r e t ed e s i g no ff t u b a s e do nd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n ga n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o lt h ec p uo f f t ui su s i n g d i g i t a ls i g n a lp r o e e s s o r - t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a o ft i c o r p o r a t i o n t h e h a r d w a r ei n t e r f a c ec i r c u i t i n c l u d e s ：p o w e rm o d u l e 、a n a l o gs i g n a l s s a m p l i n gm o d u l e 、s w i t c hs i g n a l si n p u ta n do u t p u tm o d u l e 、h u m a n a n d m a c h i n ei n t e r f a c e 、c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dt h ec o n t r o lo fp m a p r o g r a md e s i g na n de l e c t r i cp a r a m e t e rs a m p l i n ga r es t u d i e di ns o f t w a r e a s p e c t i ta l s o h a s g i v e n t h e s t e p so fr e s o l u t i o n o nr e l i a b i l i t ya n d a n t i - j a m m i n go f f t u l a s t l y , t h ec o m m u n i c a t i o nm o d ea n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l o ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nd a sa r ed i s c u s s e d ac o m m u n i c a t i o n m o d eb a s e do ni n t e m e ti sg i v e n i ti sag e n e r a la n do p e ns y s t e mw h i c hi s i n d e p e n d e n to fd af u n c t i o n s ，s oi tc a nb eu s e da st h ec o m m u n i c a t i o n p l a t f o r mo f d a i nt h i sp a p e r , i tp r o v i d e st h em a i nh a r d w a r ed e s i g no ff t ua n dt h e i i i h a r d w a r ec i r c u i t sh a v eb e e ne s t a b l i s h i e d ，a l s ot h ec o r r e l a t i v ep r o p ；r a m m e a n da r i t h m e t i ch a v eb e e nd e b u g g i n ga n de m u l a t e d a l lo ff t uf u n c t i o n s h a v eb e e nr e a l i z e di nt h el a b t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a i nf u n c t i o n s p r o p o s e di nt h ep a p e rc a r lb e e nr e a l i z e d ，a n dt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s f o rt h ec o n t r o l l e rh a v eb e e nm e t i ta l s oi d e n t i f i e st h ef e a s i b i l i t ya n d p r a e t i c a b i l i t yo f t h ef t ud e s i g n ，w h i c hi sb a s e do nd s r k e yw o r d s ：f t uf e e d e r a u t o m a t i o n ，d s p , p e r m a n e n t m a g n e t i ca c t u a t o r , g e n e t i ca l g o r i t h m 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致驸 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其它单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 一 作者签名：芝耋塑! 型日期：丝堑年 月土目 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文：学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 中南大学碗i 学位论文第一章绪论 第一章绪论 配电自动化( d a ) 是近几年发展起来的新兴技术和领域，针对我国电力系统 的实际情况，国家投入了大量资金进行城乡电网改造。目前，国内已有一些单位、 部门致力于配电自动化技术的研究和产品的开发。我国配电管理一般是用户到供 电局到变电站和调度的纵向管理，按照系统的层次，配电自动化可分为配电管理 自动化( 调度局管理层) 、变电站自动化( 变电站管理层) 、馈线自动化( 供电局管 理层) 、用户需求侧管理自动化( 用户层) 等内容。在这4 个层次中，馈线自动化对 于提高供电的可靠性、降损节能、改善供电质量来讲至关重要。目前，我国供电 企业已经基本实现自动化的部分包括：调度自动化、3 5 k v 以上变电站自动化、用 户侧负荷管理自动化和办公自动化。而l o k y 及以下电网尚未实现自动化，因此， 就目前而言，配电自动化重点是进, y l o k v 及以下电网自动化，即馈线自动化。 馈线自动化是对配电线路上的没备进行远方实时监视、协调及控制的一个集 成系统。馈线终端设备( f i 、u ) 是整个系统的基础控制单元，起到联接开关与数 据采集、控制系统( s c a d a ) 的桥梁作用，用于实现配电网监控，对配电负荷开关 ( 架空线) 或环网柜( 地下电缆) 进行监控的自动化设备。因此，研究配电网终端f t u 对于保证供电的可靠性、稳定性，改善供电质量，切实提高企业的经济效益和工 作效率具有重要意义。 1 1 配电网及配电自动化 电力行业一般包括发电、输电和配电三个环节。输电网主要是将远离负荷中 心的发电厂所发出的电能，经过变压器升高电压并通过高压输电线路输送到邻近 负荷中心的枢纽变电站。我国输电网的电压为2 2 0 k y 、3 3 0 k v 和5 0 0 k v 。配电网直 接面向电力用户，它是将高压变电站的电能直接分配到用户的电力网。配电网一 般分为高压、中压和低压三级。高压配电网是l l o k v 、6 3 k v 和3 5 k v 的电力网。它 由2 2 0 k v 以上变电站的1 l o k v 部分、1 l o k v 和3 5 k v 变电站构成。中压配电网是6 1 0 k v 的电网( 苏州工业园区是2 0 k v ) 。它由1 l o k v 3 5 k v 变电站的中压部分、中压 ( 6 2 0 k v ) 馈线、开闭所、配电变电站、配电变压器和柱上丌关等构成。低压 配电网也就是常见的3 8 0 2 2 0 v 电网。 配电自动化系统( d a s ) 是一种可以使配电企业在远方以实时方式监视、协 调和操作配电设备的自动化系统“1 。配电自动化系统的组成结构如图卜1 所示。 中南大学顾：l 学位论文 第一译绪论 r 愀籼晟靴 k 理k ：篡二， 图1 一l 配电自动化系统纽成 进线监控一般完成对配网进线变电站的开关位置、母线电压、线路电流、有 功和无功功率以及电度量的监视。为了更好地进行配电网运行管理，往往还需要 遥控配网进线变电站的l o k v 出线开关进行合闸和分闸操作。 馈线自动化指在正常情况下，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、电压状况，并实现线路开关的远方合闸和分闸操作以优化配网的运 行方式，从而达到充分发挥现有设备容量和降低线损的目的：在故障时扶取故障 信息，并自动判别和隔离馈线故障区段以及恢复对非故障区域的供电，从而达到 减小停电面积和缩短停电时间的目的；在单相接地等异常情况下，对单相接地区 段的查找提供辅助手段。 开闭所和配电变电站自动化完成对配电网中l o k v 丌闭所、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 率以及电度的远方监视，以及开关远方控制、变压器远方有载调压和电容器组投 切等，从而有助于进一步提高供电可靠性和改善供电质量。 变压器巡检指对配网中箱式变、变台的参数远方监视和补偿电容器的自动投 切和远方投切等，从而达到提高供电质量和降低线损的f 的。 配电地理信息系统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，将地理信息系统与一些属性 数据库结台，可以更加直观地进行运行管理。1 。 需方管理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和远方抄 表及计费自动化两方面。1 。 本文主要的研究方向是配电网馈线终端装置以及配电网故障区域判断算法 中南大学碳士学 电论文 旃一章绪论 的研究，以下将对配电网发展现状进行简介。 1 2 配电网自动化的发展现状 配电网直接将高压电源( 6 1 l o k v ) 变为工农业生产、城市居民及商业用屯。 它覆盖面j ，直接关系到人民的生活及行为。长期以来，由于电力部门存在着“重 发、轻供不管用”，致使我国配电网基础比较薄弱、设备简陋、供电可靠性差的 现象严重。随着经济的发展，人民生活水平与现代化建设的需要，配电网将是电 网最重要和最直接的一部分，是关系囡计民生的大事。 我国配电网的发展，自然形成了农村电网币f 城市电网的两个概念。城唰随着 经济的增长，发展较快，设备与性能有较大的改善，投资可以放在次要位置：而 农网由于资金不足，设备落后，人员水平差，制约其发展。两者有相当的共性， 又有本质区别，因此农网配电自动化与城网配电自动化的要求有所不同。如何实 现配电网自动化，应该立足于国情和条件，有远景规划和近期分步分期实施计划， 以实用为原则，以可靠性、自动化为标准。总之，配电网自动化是一个较深层次 的问题。凼此，9 8 年为扩大内需、拉动经济，计划在三五年内投入数干亿元进行 配电网的改造，而且，“令只能选用国产设备，为配电网市场创造了绝好的大气候。 9 9 年以后计划每年有2 0 0 座城市进行配电删改造。 1 2 1 国外配电网发展概况 国外配电网起步较早，在5 0 q = 4 初就利用高压开关设备的功能在配电网( 线 路) 巾实现故障控制。主要设备是重合器、分段器、环网 关柜等。随着电子及 通讯技术的发展，将配电网的检测计量、故障探测定位，自动控制、规划、数据 统计管理集为一体的综合系统，出现了配电网自动化方案“1 。由于各国配电网发 展及地域件差异，供电可靠性要求不同，配电网自动化方案也稍有差别，但总的 可以归结为：一次设备的技术性能提高，不检修周期长，可靠性高，无污染爆炸 及火灾危险；能利用先进的电子技术，对配电设备进行自动控制，以实现机电一 体化；一次设备与二次控制设备相结合，以提高配电网供电可靠性；快速定位故 障点，以最快、最简单的方式进行故障处理，恢复止常供电；采用智能化发各， 对故障线路自行判断和隔离，并由重合器重合恢复送屯：加强配电设备数据库管 理和负荷管理，在调度中心对负荷潮流进行控制和调配5 。 日本配电网自动化是分期逐步形成完整的，人致可分为三阶段：第一阶段由 自动重合断路器和自动配电开关配合，来消除瞬时性故障，隔离永久性故障；第 二阶段在第一阶段的基础上增设远控装置，在变电站或调度中心发出操作指令， 中南人学砸r l ：学位论文第章绪论 实现远方控制功能；第三阶段在第二阶段的基础上，利用现代通讯及计算机技术， 实现集中遥讯、遥控，并对酉己电删系统实现信息的自动化处理及监控，提高运行 管理水平。 日本配电网自动化系统的主接线方式：单路单供方式、单回路环形供电方式、 双回路环行方式。对于多电源多回路环网运行接线主要用于城网，且供电可靠性 要求较高的场合，各开关之间的时间配合应该非常准确，否则会造成失误。其叶i 联络开关为正常时断丌，只有在特殊情况下才能合闸( 由开关两侧的电源条件决 定) 。 日本与欧美国家不同，供电半径小，可靠性要求高，环网供电方式比较多， 变电站采用重合断路器( 指具有2 、3 次重合闸的断路器) ，并存变电站改有短路 故障指示器，根据短路电流的大小，推算出故障距离的长度。| = 1 本配电网电压为 6 k v ，出线采用重合断路器与自动配电升关相配合。自动配电开关具有关合短路 电流、切断负荷电流的功能。 英美国家配电网发展较早，由丁地域关系配电线路咀放射为主，电压等级为 1 4 4 k v ，中性点为接地系统。尤其是美国，简化变电站保护，线路上采用智能化 重合器、分段器相配合，并大量采用单相重合器，提高用户供电可靠性。城市配 电网中主要采用环网柜，多路供电方式。 美国配电网的特点：长配电线路，以多级重合器配合。美国架空配电线路的 重台器采用高压合闸线圈( 使结构复杂、要求较高的制造水平和可靠性) ，并具 有多次重合功能，各级重合器之问利用再合次数及动作电流定值的差异来实现配 合在分支线路上采用分段器，由于分段器无安秒特性，能够与上下级保护较好 配合。在变电站，增设了可靠的通讯及检测装置，能清楚、可靠地反应变电站内 的运行状况，大多数为无人值守。 1 2 2 我国配电网自动化发展现状 长期以来，我国的电力部门重发电、轻用电的现象比较严重，将主要精力放 在大电网、大机组上，对配电网用电质量及可靠性重视不够，忽视了配电网的重 要性和特殊性，使配电网的技术发展受到严重的影响，造成了配电网供电的可靠 性差、设备落后、不安全因素较多的状况”。 近几年来供电部门对配电网的设备进行了火量的技术改造和更新，选用了新 型的配电设备，如真空断路器、六氟化硫型开关设备、调度自动化设备、自动控 制测量装置等。但这些设备多数在变电站中采用，而对户外的配电线路是事故的 发源点，并没有引起足够的重视，也有许多供电部门己将户外柱上六氟化硫断路 器或真空断路器安装在配电线路上，作为一般的分段开关使用，并没有充分发挥 中南大学顾- i j 学位论文 第一章绪论 柱上断路器的作用。由于农网线路大多数在户外的空旷地带，外部环境和意外情 况对配电网的可靠性有很大的影响，大量的统计资料表明，配电网的事故占电网 总事故的9 5 以上，而配电事故中瞬时故障又占9 0 ，永久性故障仅占事故的1 0 左右。因此，提高配电网可靠性仅从调度自动化这一方面考虑是远远不够的，应 立足于消除事故的发源点，增设配屯线路的配置和自动化发各的应用是重要的。 1 2 3 配电系统自动化的意义 配电自动化是电力系统现代化的必然趋势，其意义在于：当配电网发生故障 时，迅速查处故障区段，快速隔离故障区段，及时恢复非故障区域用，o 的供电， 因此缩短了对用户的停电时间，减少了停电面积，提高供电的可靠性。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，使配电网的潜力得以 最大限度地利用并有效的降低线损；根据配电网电压合理控制无功负荷和电烁水 平，改善供电质量，降低线路损耗，达到经济运行的目的；合理控制用电负荷， 从而提高设备利用率。 1 3 配电网自动化对开关设备的可靠性要求 配电自动化的发展要求一次配电设各选择应具有高度可靠性和优越的技术 性能。目前在- = t l 压领域主要以真空开关$ i p s f 6 开关为主。二次保护和控制设备应 具有高可靠性、很强的抗干扰能力和电磁兼容性，适合户外高温和低温等较为严 酷的运行环境。在配电和供电系统中，由于开关设备的使用量大面广、操作频繁， 对可靠性和免维护的要求芾常严格。断路器是电力系统中十分重要的电气设备。 它起着开断和关合正常与故障线路的作用，其操作性能对电网的安全、稳定及经 济运行至关重要。研究断路器的控制技术对于保证供电的可靠性、稳定性，改善 供电质量，切实提高氽业的经济效益和t 作效率具有重要意义。 131 中压断路器操动机构 断路器的全部使命，归根到底是体现在触头的分、合动作r ，而分、合动作 又是通过操动机构束实现的，因此操动机构的工作性能和质量的优劣，对高压断 路器的工作性能和可靠性起着极为重要的作用。而开关设备的操动机构需要较多 的机械零件配合组成，这小仅成本高，而且可靠性不足，因为故障率上升的可能 性是和零件的数量成诈比的。 靠电磁力合闸的操动机构称为电磁操动机构。电磁操动机构在真空断路器发 中南大学砸j 学位论文 第一章绪论 展初期得到了广泛应用，这是由于电磁操动机构较好地迎合了真空灭弧室的要 求：一是开距小( 8 2 5 m m ) ，二是在合闸位置需要大的操作力( 2 0 0 0 4 0 0 0 n 相) 。 而且其结构简单，零什数量约为1 2 0 个，工作可靠，制造成本低，然而电磁操动 机构也有不窑忽视的缺点：其磁路电感l 在合闸过程中变化较大，产生反电动势 i d l d t ，从而抑制r 合闸线圈动态电流的增长，而且这种抑制作用随着合闸速度 的增加而增强。这样，当线圈的稳态电流已经较大时，若想用进一步提高线圈稳 态电流的方法来抵消这种抑制作用，常受合闸电源容量的限制。因此，采用电磁 操动机构来提高真空断路器的合闸速度是有限的。另外，直流电磁操动机构台闸 时间较长，电源电压波动对合闸速度影响较大。因此传统电磁操动机构一般用于 对速度要求较低的1 2 k v 等级以及分合闸速度要求不太高的4 0 5 k v 等级的真空断 路器中。传统的电磁机构的最大缺点是操作电流大，因而要求用户配备价格昂贵 的蓄电池组，使用不方便。另外电磁机构的结构笨重，动作时间较长。 弹簧操动机构是利用已储能的弹簧为动力使断路器动作的操动机构。弹簧储 能通常是由电动机通过减速装罱来完成。整个操动机构大致可分为弹簧储能、维 持储能、合闸与合闸维持和分闸四个部分。相比之下，弹簧操动机构采用手动或 小功率交流电动机储能，其合闸功不受电源电压影响，相当恒定，既能够获得较 高的合闸速度，又能实现快速自动重合闸操作，在一定程度上克服了电磁操动机 构的缺点，然而弹簧操动机构也存在阻下缺点：完全依靠机械传动，零部件总数 多，一般弹簧操动机构有约2 0 0 个零件，且传动机构较为复杂，故障率较高，运 动部件多，制造工艺要求较高。另外，弹簧操动机构的结构复杂，滑动磨擦面多， 而且多在关键部位。在长期运行过程中，这些零部件的磨损、锈蚀、以及润滑剂 的流失、固化等都会导致操作失误。因此必须优化设计结构，合理设计零部什， 选用适当的材料和表面处理工艺，选用长效润滑剂。 近年来，一种用于巾压真空断路器的永磁保持、电子控制的电磁操动机构( 简 称永磁机构) 备受关注。和传统的断路器操动机构相比，永磁机构采用了一种全 新的t 作原理和结构，工作时主要运动部件只有一个，无需机械脱、锁扣装置， 故障源少，具有很高的可靠性。a b b 公司研制生产的v m i 型配永磁机构的真空断路 器机械寿命达到1 0 万次，其永磁机构的机械寿命为1 0 万次。而采用传统的操动机 构很难达到这一指标。 研制开发永磁机构可实现机械上的高口j 靠和免维护。从国际、国内断路器的 故障统计数字来看，机械故障占大多数，高达故障的7 0 “3 。因此机械上的高可 靠是“免维护”的基础。由于永磁机构是通过将电磁机构与永久磁铁特殊结合， 来实现传统断路器机构的全部功能，其结构上与传统机构的最大区别在于无须 脱、锁扣装置即可实现机构终端位置的保持功能，零部件数目大大减少，冈此必 中南大学坝i 学位论文第章绪论 将大大提高断路器的机械可靠性”1 。 1 3 2 基千永磁操动机构的配电开关 永磁机构由于动作部件少，中间转换和连接机构也很少，大大减小了动作时 间的分散性和不可控性，且所有动作可电控，为断路器实现智能化操作提供了物 质基础。通过采用电子或微机系统来对分合闸线圈进行控制，可以实现开关的智 能操作和同步开断与关台。仅从提高机械可靠性的目的出发，永磁机构二次控制 也可采用目前常规的电磁式继电保护方式。但为适应电力系统自动化发展的要 求，特别是永磁机构简单可电电控的特点，应用各种传感技术，采用电子式控制， 开发具有自诊断功能的智能化开关是其最根本的发展方向。 本课题进行基于永磁操动机构的配电网f t u 的研究，期望通过把先进的永磁 机构技术与智能f t u 控制器相结合，实现配电终端的智能化，从而全面改善配电 网自动化系统，为电力公司获取巨大经济效益与社会效益。对永磁机构在配电自 动化的应用起示范意义和推动作用，对其它工业控制起重要借鉴作用。 1 4 本课题研究意义 研究本课题的意义在于： ( 1 ) 通过对配电网网架结构及网络重构方式的认识，研究配电网网络故障定 位的算法，以进一步实现配电网故障的隔离和恢复，减小故障网络的停电范围和 缩短停电时间： ( 2 ) 通过对永磁机构的工作原理及动态特性进行研究，为进一步实现断路器 的同步操作打下理论基础，通过对永磁操动机构的硬件设计，提高了配电网开关 本体的性能； ( 3 ) 研究交流采样算法和针对电力产品的特殊硬件设计方法，阻实现对配电 网电参量的准确测量和对线路的快速保护； ( 4 ) 研究配电网的通信方式和通信规约，以提高配电网自动化程度，降低配 电自动化的成本，使配网自动化功能实现通用性和开放性，最终形成配电网自动 化的通用通信平台。 1 5 论文结构安排 本文在结构上分为七章： 第一章通过对课题背景的分析，讨论了课题所研究的内容，对比分析了国内 中南太学域士学 芷论文第一章绪论 外在酉已电网馈线自动化和真空断路器永磁操动机构的研究现状，继而说明了本课 题的研究意义： 第二章通过对馈线自动化系统的两种常见模式的论述，对比分析了备自的优 缺点和应用场合，提出了一种全新的综合智能控制方案： 第三章通对基t - f t u 的配电网故障区域的定位进行r 一些研究，提 _ ：j 了两种 判断算法：基于有向描述模型和遗传算法的故障定位算法，在传统的配电网故障 区域判断算法的基础上作了些改进，以适应配电网馈线网络结构。 第四章通过分析f t u 装置的系统设计方案，提出了系统的硬件设计思路，包 括c p u 模块、信号采集回路、人机接口电路、通信接口电路，继而给山了永磁机 构驱动电路的实现方案，分为双稳态永磁机构驱动电路和单稳态永磁机构驱动电 路；最后讨论了控制器的硬件抗干扰措施： 第五章首先介绍了系统软件的嵌入式开发工具c c s 2 0 0 0 ，然后对f t u 的软件程 序设计进行了分析，并对电力系统的交流采样技术进行了研究，最后对控制器的 软件抗干扰技术作了研究； 第六章通过对配电网馈线自动化通信系统的介绍以及对常用通信方式的分 析，总结了各自的优缺点，提出了一种适合我国国情的通信方案，最j 焉提出了一 种基于i n t e r n e t 的通信体系的构想； 第七章( 结论) 对本课题的研制进行了总结，并指出了进一步的研究方向。 中南火学硕士学位论文 第二牵馈线自动化系绩总体设计方粜 第二章馈线自动化系统总体设计方案 馈线自动化( f a ) 的作用是在正常情况下监视馈线负荷并优化运行方式当 故障发生后，及时准确地确定故障区段，迅速隔离故障区段并恢复健全区段供电。 目前有两类馈线自动化系统，一种是采用重合器或断路器与分段器、熔断器的配 合使用的馈线自动化系统，另一种为基于f t u 的馈线自动化系统。在实际使用 当中，究竟选用哪种方式比较合适，始终是困扰设计和规划人员的问题。 2 1 馈线自动化的基本要求 馈线自动化处理主要包括故障自动检测与故障识别、故障自动定位与自动隔 离、网络重构和快速恢复供电。整个f a 处理过程的基本要求如下： ( 1 ) 故障检测要准确 故障自动定位的判据，来源于配电终端( ( f t i j ) 检测的故障信息，因此f t u 故障检测信号是否准确是馈线自动化故障处理的基础。这就要求f t u 故障检测功 能必须与馈线出线开关的保护相匹配，当馈线发生故障时，f t u 必须在出线开关 保护动作之前，捕捉故障信号，否则故障信号会丢失，导致f a 处理失败。为保证 f t u 检测故障的准确性，f t u 识别是否有故障，不仅判别故障电流幅值，同时还要 检测该故障持续的时日j ，以防止来自外界各种瞬问信号的干扰，引起误判。要求 故障电流整定值和故障持续时间可以人为整定，以满足不同配电网的需求。 ( 2 ) 故障隔离要快速 配电子站或主站系统，接收来自环路上各个f t u 故障信息，经过f a 软件、网 络建模、综合分析、逻辑判断，很快定位出故障所在区段，并下达相应的遥控命 令，实现故障自动隔离功能。为保证故障隔离的快速性，采取能在底层处理尽量 在底层处理，底层处理不了则逐级上报，出上一级处理的原则，以提高f a 处理的 时效。 ( 3 ) 网络重构要慎重 网络重构应慎重，以保证馈线健全区段的安全、可靠供电。考虑i 网络重构基 本要素：确认故障隔离已准确完成；网络重构以备用电源不超载为前题； 网络优化以系统线损最小为原则；备用电源供电正常。以上条件同时具备的情 况下，才能将所选择的开环点开关合上，完成网络重构过程。否则都将可能引起 事故扩大，影响非故障区段的供电。 中南人学硕士学位论文 第一章馈线自动化系统总体设计方案 2 2 传统馈线自动化技术解决方案 2 2 1 重合器和分段器配合的就地控制方案 重合器是一种自具控制和保护功能的智能化开关设备。所谓自具控制是指开 关本身具备故障电流检测和操作顺序控制与执行功能，无需附加继电保护装置 和提供操作电源。它可以在短时间内多次自动重台恢复供电，如果系统发生永久 性故障，则覃合器按预定操作顺序动作后闭锁于分闸位置，将故障区段与健全 的主系统隔离。 重台器的开断具有反时限特性和双时性( 快、慢操作程序) ，【；! i 重合器可以 快速( 速断) 动作形成快分，具有多条反时限的时间一电流特性曲线，形成延时 分闸，这种特性很容易与熔断器的特性配合。重合器可设计成枪测、控制与操作 一体化的装置，具有较高的智能化程度。 分段器是具有智能化的负荷开关，它与电源侧的前级开关设备相配合时， 具有在无电j 矗羹无电流的情况下自动分闸的功能，因此它与重合器配合可以较 好地实现快速检测，隔离故障区段，缩小停电范围，减少停电时间，提高供电 可靠性。当系统发生永久性故障时，它可记忆电源侧重合器( 断路器) 分闸操作 次数，在完成了预先设定的次数或分合操作后分段器将分闸闭锁，隔离故障线 路区段，此时由重合器( 断路器) 恢复对非故障区段供电，使故障停电范围限制 到最小。如果是瞬时性故障并已被消除，而未达到分段器预期记忆次数时，分段 器将保持在合闸位置，继续维持系统的i f 常供电。 重合器和分段器配合的馈线自动化系统是在变电站出线处安装自动重台器， 存馈线分段开关和联络开关处安装自动分段器，在发生故障时通过重合器和分段 器的动作配合，达到隔离故障区段和恢复健全区段供电的目的。 根据采用的分段器的不同，又可以分为重合器与电压一时间型分段器配合型 和重合器与过流脉冲计数型分段器配合型两种方式。 在重合器与电压一列间型分段器配合方式下，当发生故障时重合器跳闸，随 后沿线分段器因失压而跳闸，经一段延时后重合器第一次重合，沿线分段器依次 顺序自动合闸，当合到故障点时，引起重合器和分段器第二轮跳闸，并将与故障区 段相连的分段器闭锁在分闸位置，绎一段延时后重合器第二次重合就可以恢复健 全区段供电的目的。 在重合器与过流脉冲计数型分段器配合方式下，当发生故障时重合器跳闸， 分段器维持在合闸位置，但是经历了故障电流的分段器的过流脉冲计数器加一， 若计数值达到定值，则该分段器在无电流间隙分断，当重合器再次重合时即达到 中南大学顾：l ：学位论文 第二章馈线自动化系统总体醚汁方案 隔离故障区段和恢复健全区段供电的目的。过流脉冲计数型分段器自动分闸必需 具备三个条件： ( 1 ) 故障电流超过整定的额定启动电流值： ( 2 ) 计数次数达到整定值( 1 、2 、3 次) ； ( 3 ) 线路失压、线路电流低于设定电流值，三者缺一不可，才能自动分闸。 图2 一l 为重合器与过流脉冲记数型分段器接线图。 ( l 1 ，l 2 ，l 3 ，l 4 ，l 5 b ，i7 为输电线路：f 1 f 2 f 3 ，f 4 ，f 5 ，f 6 为分段器) 图2 - l 重合器与过流脉冲记敬型分段器接线圈 线路发生故障时分析如下： ( 1 ) 若故障e 1 发生在1 5 段，重合器、分段器f 1 、f 3 、f 4 通过故障电流，重含 器自动分闸，线路失胜，f 4 达到整定1 次计数次数自动分闸跌落，隔离故障l 5 段， 重合器自动重合后恢复线路l 1 、l 2 、l 3 、1 , 4 、l 6 、l 7 段供电。 ( 2 ) 若故障e 2 发生在l 6 段，重合器、分段器f 1 、f 5 通过故障电流，重合器自 动分闸，如果为瞬时故障，重合器自动重合成功恢复供电。f 1 、陌没有达到整定 计数次数应处于合闸状态。如果为永久性故障，重合器自动重合不成功，再次分 闸，线路失压，f 5 达到整定2 次计数次数自动分闸跌落，隔离故障l 6 段，f 1 没有 达整定的计数次数处于合闸状态。重合器重合后恢复线路l 1 、l 2 、l 3 、l 4 、l 5 段供电。 ( 3 ) 若故障e 3 发生在l 2 段，重合器、分段器f l 通过故障电流，重合器自动分 闸。如果为瞬时故障重合器自动重合成功恢复供电。r 1 没有达到整定计数次数 应处于合闸状态。如果为永久性故障，重合器重合不成功，分闸，重合器再次重 合不成功，再次分闸，线路失压，f 1 达到整定3 次计数次数自动分闸跌落，隔离 故障l 2 段，重合器重合后恢复线路l l 段供电。 2 2 2 基于f i u 的远方集中控制方案 基于f t u 的远方集中控制的馈线自动化系统是通过在变电所出口断路器及户 中南大学硕一b 学位论文 第二章绩线自动化系统总件设计方案 外馈线分段开关处安装柱上f t u ，以及在配电变压器处安装t t u ，并建设可靠的 通信网络将它们和配电网控制中心的s c a d a 系统连接，再配合相关的处理软件所 构成的高性能系统。 该系统在正常情况下，远方实时监视馈线分段丌关与联络开灭的状态和馈 线电流、电压情况，并实现线路开关的远方合闸和分闸操作以优化配网的运行方 式，从而达到充分发挥现有设备容量和降低线损的目的；在故障时获取故障信息， 并自动判别和隔离馈线故障区段以及恢复对非故障区域的供电，从而达到减小 停电面积和缩短停电时问的目的。 其主要功能包括：配网馈线运行状态监测：馈线故障检测；故障定位 故障隔离；馈线负荷重新优化配爱( 网络重构) ；无故障区段供电恢复： 馈线过负荷时，系统切换操作；正常计划调度操作；馈线开关远方控制操作； 统计及记录：开关动作次数累计、供电可靠性统计、事故记录报告、负荷已录 等。 典型的基于f t u 的远方集中控制的馈线自动化系统的组成如图22 所示。 在图2 2 所示的系统中，各f 7 f u 分别采集相应柱上开关的运行情况，如负荷、 电压、功率和开关当前位置、贮能完成情况等，并将上述信息经出通讯网络发向 远方的配电自动化控制系统，各f t u 还可以接受配网i h 动化控制中心下述的命令 进行相应的远方倒闸操作以优化配网的运行方式。在故障发生时，各f t u i b 录下 故障前及故障时的重要信息，如最火故障电流和故障前的负荷电流、最大故障功 率等，并将上述信息传至配电自动化控制系统，经计算机系统分析后确定故障区 段和最佳供电恢复方案，最终以遥控方式隔离故障区段、恢复健全区段供电。 o f t u 丹段开关。联络开关断路器 图2 - 2 基于f t u 的远方集中控制的馈线自动化的典型纽戍 中南_ 人学硕士学位论文 第二章馈线自动化系统总体设计方案 2 2 3 两种解决方案的比较分析 基于重台器和分段器配合的馈线自动化系统，采用的结构简单，建设费用低 廉，不需要建设通信网络，所有设备均是自具的，因此不存在电源问题。但是这 种方式存在以下不足： ( 1 ) 虽然这种方式在发生敞障时，能够判断故障区段，并能自动隔离故障区 段，恢复健全区域供电，但是在正常情况下，却不能实日、j 监视线路的负荷，因此 无法掌握用j o 网电规律，也难于优化和改变运行方式，在事故后配电网络重构时， 也无法确定最优恢复方案。 ( 2 ) 在发生了单相接地的异常情况下，不能为单相接地的查找提供辅助信 息。 ( 3 ) 重合器和分段器配合的馈线自动化系统在多于两个电源的网格状网开 环运行方式下，如图2 3 所示，当故障发生后，虽然可以自动隔离故障区段，但 是在恢复健全区段供电时，无法优化确定最佳恢复方式；在环网闭环运行方式下， 自动隔离故障区段的作j ! = | 也难以实现。 i ai 了了了f了i g g - h h ii 【 i i u j 图2 - 3 重合器和分段器配合的馈线自动化系统 ( 在b 区段故障时，难以确定合上e 开关还是g 开关) ( 4 ) 在非正常运行方式下，即通常的联络开关合闸，而将馈线上其他分段开 关分断作为临时联络丌关使用时，因与分段器的常规整定情况不符，重合器和分 段器配合的馈线自动化系统将会发生紊乱，为此需派人去现场重新设置定值，非 常4 i 方便。 ( 5 ) 当双电源环网点附近发牛永久故障时，重合器与分段器配合不能有效隔 离故障。如图2 4 ，当b ，e 之间区段发生永久故障时，分段开关b 处启动两次重合 闸，结束后，故障存在，进行闭锁，环网联络开关e 检测到侧失压，延时重合， 故障未消除。 中南大学顽：p 学位论史第二章馈线自动化系统总体赴计方案 号变电站2 号变电站 n 卞憎b 州d d l 2 jud lleo u 图2 4 环网点附近发生的故障 ( 6 ) 重合器与分段器配合的馈线自动化系统，当线路故障时，分段开关不立 即分断，而要依靠重合器或位于主变电所的出线断路器的保护跳闸，这样做是不 理想的，主要表现在以下几个方而： 切断故障的时间较长，且对设备冲击较大： 依靠重合器或主变电所出线断路器的保护装置保护整条馈线，降低了系 统的可靠性； 由于必须分断重合器或主变电所的出线断路器，因此实际扩大了事故范 围；若重台器拒分或主变电所出现断路器的保护失灵或断路器拒分，会进一步扩 大事故范围。 暴于f t u 的远方集中监控的馈线自动化系统具有如下特点： 基于f t u 的远方集中监控的馈线自动化系统在正常和异常情况下，都能实时 监视线路的负荷，能够通过远方操作优化运行方式，无论配网的结构是辐射状、 树状、环状还是酬格状，也无论是开环还是闭环运行，