（电气工程专业论文）配电网馈线自动化及供电可靠性相关理论与实践研究.pdf

华中理工大学博士学位论文 摘要 随着国民经济的发展，人们对供电可靠性的要求越来越高。本文通过对我国配电网 现状进行分析后提出：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。本文针对配电网供电可靠性的提高，从馈线自动业方案的选择和 优化、智能配电设备的研制及其可靠性和电磁兼容设计、配电网络重构算法、通信系统 设计和工程实例等方面进行了研究和分析。 ( 在对几种馈线自动化模式进行分析的基础上，结合我国目前配电网的实际情况和故 障就地分布处理的思想，本文提出了“无信道有信道就地智能控制+ s c a d a ”控制模式。 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。为 了实现这种控制模式，研制开发了新型组合式真空自动重合器和分段器，它具有抗干扰 能力强、可靠性高、硬件通用性强、功能齐全、配合方式灵活新颖等优点，并且可以方 便地实现功能扩展和技术升级。 由于重合器分段器工作的自然环境和电磁环境比较恶劣，同时考虑到配电设备的可 靠性对整个配电系统的重要性，本文还对其可靠性和电磁兼容性进行研究，建立了重合 器，分段器控制器的可靠性结构模型和数学模型，提出了提高控制器可靠性的措施。采用 元件计数法和可靠性模型相结合的方法，对控制器进行了可靠性评估。计算结果表明， 可靠度和使用寿命可以达到设计要求。在电磁兼容方面，对影响控制器正常工作的电磁 干扰源的特点和传播途径进行了分析，并从软件和硬件两个方面提出了抑制电磁干扰的 技术措施，现场运行证明这些措施是行之有效的。 网络重构是提高配电网供电可靠性的重要措施，本文通过分析负荷转移对系统平均 停电频率( s a l f i ) 和平均停电时间( s a i d i ) 的影响，建立了提高供电可靠性的网络重 构数学模型，并导出了相应的计算公式和结论；通过实例计算和分析，验证了该算法的 有效性。 可靠的通信是实现配电自动化的关键之一，本文提出了基于i n t e m e t 的配电自动化通 信网络原型设计，并应用于黄岩城区配电网馈线自动化工程它与配电自动化功能相对独 立，具有通用性和开放性，适合作为配电自动化的通用通信平台。 本文最后对黄岩城区配电网馈线自动化工程进行了介绍，根据成本一收益法和网络 重构理论以及线路具体情况，确定了最优分段数、联络开关的位置和整个馈线的拓扑结 构，并采用故障模式后果分析法对该配电网自动化改造前后的供电可靠性指标进行了计 算和分析。 一了一 j 关键词：配电阿馈线自动化重合器份段器可靠性，电磁干扰通信 华中理工大学博士学位论文 a b s t r a c t a st h e d e v e l o p m e n to fe c o n o m i c s ，m o r er e i i a b l e p o w e rs u p p l yi s u 唱e n t i yr e q u i r c d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s j so fp o w e rd i s t f b u t i o ns y s t e m ，t h er e 髂o n a b l en e t w o r kc o n n 叠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 ek e ym e u r e st oi m p r o v e t h er e l i a b i i t y o fp o w e r s u p p l y t 1 1 i sd i s s c r c a t i o ni sd c v o t c dt oi n v e s t j g a t i o n sa n d 舯a l y s j so nt h ei m p r o v e m e n t o fd i s 打b u t i o ns y s t e mr e l i a b i l i t ys u c h 鹊d j s t r j b u t i o n 鲫t o m a t i o ns c h e m e ，i n t e l l i g e n te q u i p m e n t d e s i g l l a n di t s r e l i 曲i l i t y a 1 1 d e l e c t m m a g n e t i cc o m p a t i b i i n y ( e m c ) ，d i s 啊b u t i o nn e t 、v o r k r e c o n n g u r a t i o n ，a n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m b 邪e do nt h ea n a l y s i so f s o m ed i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ( d a ) m o d e l sa n dt h es i t u a i i o no f o u r c o u m r y ，an e wc o n t r d lm o d ei sp u tf o r w a r d ，w h i c hc a nr e a l i z ef a u l ts e c t i o nl o c a t i o n ，i s o l a t i o n a n ds u p p l yr e s t o r a t i o n i n d e p e n d e n to rd e p e n d e n to fc o m m u n i c a t j o nl i n k ，a n dt h e ns c a d a f u n c t i o n s 1 nt 1 1 i sd as c h e m e ，t h ef a u l li sh a n d l e do n t h e s p o tw i t hh i g hs p e e da n dt h ep m c e s s d o e sn o ta 疗色c tt h ep o w e rs u p p l yt on o n - f a u i ts e c t i o n so ff e e d e w h i c hc a n s i m p 】i 母t h e r e q u i r e m e n t o fc o m m u n i c a t i o n i na d d i t i o n ，t h ea u t h o rd e v e l o p e dt h en e wc o m b i n a t o r i a lv a c u u m a u t o m a t i cr e c l o s e ra n ds e c t i o ns w i t c hw i t hh i g hr e l i a b i l h y 柚de m c t h eg e n e r a ld e s i g no f h a r d w a r ee n s u r e st h ea c c o m p l i s h m e n to fm u m - f u n c t i o n s ，锄dt h es o f m a r eu s e dc a nr e a i i z et h e n o v e ia n d 日e x i b l ec o n t r o im o d ea n dm a k e s tv e r yc o n v e n i e mt o c a r i y o u te x t e n s i o na n d u p g r a d e i no r d e rt oi n v e s t i g a t et l l er e l i a b i l i t ya n de m co f r e c l o s e r 如ds e c t i o ns w i t c h ，、v es e tu pt h e r e l i a b i l i 钳m o d e i ，p r o p o s et h em e 如u r c st oi m p r o v er e l i a b m c yo fe q u i p m c n t ，醐de v “u a t e 也e w h o l er e l i a b i l i t yw i t l lc o m b i n 出i o no fe l e m e n tc o u n t j n gm e t h o da 1 1 d r e l i a b i i i t y m o d e l t h e c a l c u l a t i o ns h o w st h a tt h er e l i a b i l i t ya n dm e a nl i f ec a nm e e tt h ed e s i g nd e m 鲫d s ，a tt h es a m e 1 l m e ，t h ef e a t u r e a n da c c e s so fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f c r c n c e ( e m i ) a r ea n a l y z e d ，a n dt h e m e a s u r e so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ep r o p o s e dt os u p p r e s st h ei n t e r f c r e n c e t h eo n - s p o t o p e r a t i o ns h o w s e f f b c t i v e n e s s n e t w o r kr c c o n n g u r a l o ni so n ev e r yi m p o r c a mw a y t oi m p r o v cr e l i a b i l i t yo fp o w c r s u p p l 弘 b ym e 锄so f a n 8 1 y z i n g t h ee 毹c to f l o a dt r a l l s f e ro ns y s t e ma v c r a g ei n t e m l p t i o n 疗e q u e n c yi n d e x ( s a i f i ) a 1 1 ds y s t e ma v e r a g ei n l e r r u p t i o nd u f a t i o ni n d e x ( s a i d i ) ，t i l ea u t h o r s e tu pt l l en e t w o r k r e c o n f i g u r a t j o nm o d e l a 1 1 dp r c s e n t st h ec o r r c s p o n d i n gm a t i l e m a t i c a if o r m u l a t i o n sa i l dc o n c l u s j o n t h e n ，t h ea n a l y s ；so f e x a m p l ep r 0 v e st h ev a i i d i t yo f t h ea l g o r i t h m r e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n i se s s e n t i a lf o rt h er e a l i z a t j o no fd a i nt h i sd i s s e r t a t l o n ，a c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb 船e do ni n t e m e ti s a l s op r o p o s e d t h ec o m m u n i c a t i o nm o d e ，w h i c h i i 华中理工大学博士学位论文 h a sb e e n 印p l i e di nh u a l l 纠a 1 1f e e d e ra u t o m a t i o n p r o j e c t ，i sag e n e r a la f l d0 p e ns y s t e mw h i c hi s i n d e p e n d e n to f d af u n c t i o n s ，s oi tc a i lb eu s e d 勰t h ec o m m u n l c a t o np i a t f o r mo f d a a t 【a s t ，t 1 1 ef e e d e ra u t o m a t i o no fh 啪g y a l ld i s 仃i b u t i o nn e t 、v o r ki s i n 打o d u c e d a c c o r d i n 仨 t 0c o s t 。p r o f i tm e m o da i l dt 1 1 e o r yo fn e t 、v o r kr e c o n n g u r a t i o n ，t h eo p t i m i z en u m b e r o fs e c t i o n s t h es i n j a t i o no ft 1 1 e u s u a l l y 叩e ns w i t c h ，蚰dm ew h o l et 叩o 】o g j c a js t n l c t u r eo ft l ed i s 舶u d o n n e t 、v o r ka r e g i v e n i na d d i t i o n ，t h em e m o do ff a u l tm o d ee 脏c ta i l a l y s i s ( f a ) i su s e dt o c a l c u l a t em e r e l i a b i i i 母i n d e xo f t h ed i s 们b u t i o nn e t w o r k k e y w o r d s ：d i s 订i b u t i o nn e t w o r kf e e d e ra u t o m a 廿o n ，r e c l o s e ls e c t i o ns w i t c h ，r e l i a b i l i t y ，e m i ， c d m m u n j c a 虹o n i i i 华中理工大学博士学位论文 第一章绪论 摘要：随着国民经济的发展，人们对供电可靠性的要求越来越高。本章对我国配电网 供电可靠性现状进行了分析，介绍了配电自动化的构成、国内外发展现状以及技术难 点，指出合理的网络结构、可靠的配电设备和配电自动化的实施是提高供电可靠率的 主要措施，最后给出了论文的整体结构和章节安排。 1 1 概述 随着国民经济的快速发展，我国城市的用电量和单位面积负荷密度都在 急剧增加；同时，人们对电能质量和供电可靠性也提出了更高的要求。在这 种情况下，传统的配电网结构及保护、运行和管理方式已经不适应经济增长 的要求，迫切需要采用新的配电模式来解决这一矛盾。 电力系统是一个复杂的系统，如不计用电，它由发电、输，变电和配电三 个部分组成。通常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，称为配电网( d i s 订i b 眦i o nn e t w d r k ) 。它由架空线或电缆配电线 路、配电所或柱上降压变压器直接接入用户构成。习惯上将配电电压l k v 以 上的部分称为高压配电网，其额定电压一般为3 5 k v 、6 1 0k v 和3k v 等； 将配电电压不足1k v 的部分称为低压配电网，其额定电压一般为单相2 2 0v 和三相3 8 0 v 。 从体系结构上，配电网可分为辐射状网、树状网和环状网，如图1 1 所 不。 击一= ( a ) 辐射状网 同输电网相比， 1 地理分布特性 ( b ) 树状网( c ) 环状网 图1 1 配电网的体系结构 配电网的特点主要表现在以下几个方面： 华中理工大学博士学位论文 配电网中线路走向以及配电设施和用户的分布具有明显的地理特性，生 产管理中的实际操作，如线路改造、巡线、停电检修和用电业扩等也都依赖 于长度、距离、范围、街道分布和相对位置等地理因素。 2 地域棚刈+ 比较集- i ， 城区配电网一般集中于城区和市郊，与输电网相比，城区配电网地域范 围比较狭窄，配电设备种类繁多且较集中，与其他地物交叉跨越情况众多。 3 电压等级比较低 与输电网相比，城区配电网电压等级比较低，一般为1 0 k v 及以下电压等 级。 4 网络结构复杂 输电网的网络结构一般为环形结构，结构比较单一，而配电网结构相对 比较复杂”1 。我国早期的配电网多为辐射式结构，随着现代城市的发展，负荷 密度越来越大，变电站的电压等级在提高，变电站容量在扩大，变电站数量 在增加，站间距离变小，故障时的短路电流增大，要求保护和自动化装置更 加迅速和可靠：另外由于大负荷密度高度集中，相应的地价昂贵，因此人们 对供电可靠性的要求也越来越高。为了提高供电可靠性，除了建设可靠的电 源点外，主要途径之一是改变配电网的网络结构，将原先独立的辐射式配电 网改变为运行灵活的环形( 手拉手式) 配电网瑚。 配电网的以上特点决定了配电网的复杂性，同时也使得供电可靠性变得 难以提高。随着经济技术的发展，配电系统可靠性已越来越为人们所重视， 配l u 系统n i 悟个i 【lj j 系统的地位l f ；l 越来越讯霹这是因为7 已电系统处于电力 系统末端，直接与用户相连，是整个电力系统与用户联系、向用户供应电能 和分配电能的重要环节，具有特殊的运行方式。由于电力生产具有发、供、 用同时性的特点，一旦配电系统或设备发生故障或进行检修、试验，往往会 同时造成系统对用户供电的中断。整个电力系统对用户的供电能力和质量都 必须通过配电系统来体现，配电系统的可靠性指标实际上是整个电力系统结 构及运行特性的集中反映。此外，传统的配电系统多采用放射式的网状结构， 对故障比较敏感。据不完全统计，用户停电故障中约8 0 以上是由配电系统 的故障引起的【4 】，对用户供电可靠性的影响很大。随着经济发展和人民生活水 平的提高，用户对配电系统可靠性的要求也越来越高；同时计算机技术、电 华中理工大学博士学位论文 子技术、通信技术的发展，也给提高配电系统的可靠性提供了技术保证1 5 | 。 1 2 我国配电网供电可靠性现状分析 近年来，我国电力建设发展速度很快，到9 0 年代中后期，全国许多地区 电网发电能力已经比较充足，但由于长期以来忽视配电建设，造成配电设备 陈旧、落后和不配套，使供电可靠性的提高大大受到限制嘲。 表i i 是1 9 9 i 1 9 9 9 年( 不含1 9 9 8 年) 全国主要城市1 0 k v 用户供电 可靠性的统计数据i 。 表】9 9 1 1 9 9 9 年( 不含1 9 9 8 年) 用户供电可靠性统计 年份 1 9 9 l】9 9 2】9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 7 1 9 9 9 统计单 5 05 71 0 56 i2 0 32 3 82 5 52 7 5 位数，爪 供电可 9 8 8 9 89 9 1 7 79 9 0 0 69 9 2 9 99 9 0 7 59 9 2 6 49 9 7 1 79 9 8 6 3 靠率 总容量 4 8 4 9 l5 9 1 9 87 7 0 7 79 7 2 4 11 2 5 3 0 21 4 8 0 8 41 6 6 7 3 31 9 7 3 4 6 ，m 配变总 i 8 0 7 0 32 2 0 7 4 62 9 2 6 5 53 4 0 2 1 3 4 6 6 5 0 6 5 3 6 8 2 5 5 9 6 5 3 36 8 5 3 5 9 台数，台 注1 9 】：供电可靠率r s l 是指在统计期间内，对用户有效供电时间总小时数与统计期间 小时数比值，r s l = ( 1 用户平均停电时间统计期间小时数) 1 0 0 ；若不计系统 电源不足限电时，则记作r s 3 。 从表1 1 看出，r s l 的数值1 9 9 9 年比1 9 9 1 年增长了0 9 6 5 个百分点， 相当于平均每户少停电8 5 5 3 小时；1 9 9 9 年比1 9 9 7 年增长了0 1 4 6 个百分点， 相当于平均每户少停电1 2 7 9 小时。因此，从总体上说，供电可靠率在9 年 中是呈跳跃性增长趋势变化的。 造成1 0 k v 配电系统停电的原因主要有两种i l0 1 ：一是预安排停电，二是 故障停电。表1 2 是1 9 9 5 1 9 9 9 年( 不舍1 9 9 8 年) 预安排停电和故障停电 情况。从中可以看出：预安排停电占总停电比例在逐渐减小，且下降程度比 较显著；相应地，故障停电占总停电比例在逐渐增加，且增幅较大。 在预安排停电中主要又分为两种情况，一是因系统电源不足限电，二是 华中理工大学博士学位论文 非限电的预安排停电。从图1 2 可以看出，在1 9 9 6 年以前，r s l 与r s 3 的差 距较大，说明限电对供电可靠率的影响是很大的，大约6 0 以上的停电是因 为发电能力不足而造成的限电：而从1 9 9 7 年以后，因系统电源不足限电造成 的用户停电时间大大下降，到1 9 9 9 年，限电对供电可靠率的影响已下降到不 足4 【8 | 。 表i 21 9 9 5 1 9 9 9 年( 不含1 9 9 8 年) 预安排停电与故障停电次数、时户数比较 年份 1 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 9 预安排2 3 2 8 0 32 2 0 8 0 01 1 5 6 4 41 0 8 5 5 4 停电次数，次 故障 2 5 7 6 03 3 0 5 23 1 3 8 94 9 6 7 7 占系统总停电预安排 9 0 0 48 6 9 87 8 6 56 8 6 0 次数百分比 故障 9 9 61 3 0 22 1 3 53 1 4 0 预安排 3 0 5 2 6 2 5 02 6 2 6 9 5 6 71 0 2 5 0 4 5 54 7 6 5 6 9 7 停电时户数时户 故障 3 2 0 7 7 2 32 6 1 5 7 5 02 1 3 8 0 2 81 4 7 9 7 4 9 。i l 系统总停电预安排 9 04 99 0 9 48 2 7 47 6 3 1 时户数卣分比 故障 9 5 19 0 61 7 2 62 3 6 9 可 靠 性 指 标 1 9 9 51 9 9 6 1 9 9 71 9 9 81 9 9 9 时间，年 图1 21 9 9 5 1 9 9 9 年配电系统供电可靠性指标比较 根据以上分析可以看出，目前在我国大中城市的配电网中，电源建设基 木满足了jt j 户对供电帚的需求。但是供电质量方面还存在着很大的不足，根 据国外资料统计，近年同本、法国、英国和美国的平均每户年停电时间分别 4 如加如加m盼盼鲫盼的 华中理工大学博士学位论文 为9 o 、9 4 、7 7 、5 8 分钟1 7 1 1 1 。从1 9 9 7 年我国2 5 5 个主要城市供电( 电业) 局的供电可靠率统计结果看，平均每户停电时间为2 4 7 9 小时，与发达国家 相比还存在很大韵差距。 在电源充足的情况下，配电网的落后成为制约我国供电可靠率进一步提高 的障碍，如东北地区在基本不缺电的情况下，供电可靠率r s 3 总是徘徊在 9 9 8 9 9 8 5 左右，而无法进一步提高，造成这种情况的主要原因是：配 电网结构比较脆弱，线路互供能力差，过负荷情况严重：设备陈旧，可靠性 差，检修频繁，且常因为故障而造成停电；配电网自动化水平低，使事故点 的查找和隔离以及恢复供电时间长，并且事故引起的停电区域较大等。 1 3 提高配电网供电可靠率的措施 要提高配电网的供电可靠性，一般可以从管理和技术两个方面采取措施。 提高供电可靠性的管理措施主要包括合理安排停电计划，避免重复停电：积 极开展带电作业；加强可靠性指标统计、分析工作：加强配电网维护管理等m 】。 提高供电可靠性的技术措施比较多，一般包括科学的规划，减小供电半 径；合理分配负荷；采用电缆或绝缘架空线，减少线路故障概率；采用免维 护配电变压器，减少检修维护停电时间；适当增加建设1 0 k v 开闭所等。 在系统电源相对较为充足的情况下，要进一步提高供电可靠性水平，还 应着重从两个方面着手：一是减少预安排停电( 非限电类) ，二是减少故障停 电时间和停电范围。 资料表明，发达国家的供电可靠率可达到9 9 9 9 9 ，而其预安排停电( 通 常没有限电) 一般只占总停电的2 5 以下1 8 1 ，其余为故障停电。而我国1 9 9 9 年全国主要城市统计结果表明，预安排停电( 非限电类) 仍然占总停电的 7 2 4 0 。造成这一现状的主要原因是因为我国的配电网结构、设备的可靠性 水平与发达国家相比还存在着严重不足。因此，为了提高供电可靠性，必须 要优化网络结构和提高设备的可靠性水平。 配电自动化( 特别是馈线自动化) 在配电网发生故障时，能迅速判断故障 区段，并进行隔离，然后恢复对非故障区段的供电，可以大大减少故障时的 停电时间和停电范围，l ”。国家电力公司在1 9 9 8 年启动的城网改造工作中提 出，城市供电可靠率应达到9 9 9 ，大中城市中心区的供电可靠率应达到 华中理工大学博士学位论文 9 9 9 9 。通过网络结构设计及配电设备的更新改造，供电可靠率9 9 9 的目 标是可以达到的，但是如果不采用配电自动化技术，要达到供电可靠率9 9 9 9 的目标是非常困难的“”。 综上所述，合理的网络结构、可靠的配电设备和配电自动化馈线自动化 的实施是提高我国目前配电网供电可靠性的重要措施。 1 4 配电自动化系统 1 4 1 配电自动化的构成 通常4 巴从变i 乜、配i u 到用电过狸的j i ：i 视、控制和管理的综合门动化系统， 称为配电管理系统( d i s t r i b u t i o nm a l l a g e m e n ts y s t e m ，简称d m s ) 。其主要 内容包括m j ：配电网数据采集和监控( 包括配网进线监视、变电站自动化、 馈线自动化和配变巡检和低压无功补偿) 、地理信息系统、网络分析和优化、 工作管理系统、需方管理系统和调度员培训模拟系统几个部分。一般认为， d m s 是和输电网自动化的能量管理系统( e m s ) 处于同一层次的。= 者不同 之处是e m s 管理输i 乜，而d m s 管理负荷。目前两者之间的分界尚没有公认 的标准。图1 3 示出e m s 和d m s 在电力系统中的关系。 综合管 理层次 s c a d a 层次 图1 - 3e m s 和d m s 在电力系统中的关系 配电自动化( d 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 ，简称d a s ) 是一种可以使 电力企业在远方以实时方式监视、协调、控制和操作配电设备的自动化系统， 它是配电管理系统最主要的组成部分。配电自动化主要包括配电网数据采集 和监控( s c a d a ) 、配电地理信息系统( g i s ) 和需方管理( d s m ) 几个部 分9 】。d a s 是和输电网自动化的调度自动化系统( s c a d a ) 处于同一层次的， 6 华中理工大学博士学位论文 如图1 3 所示。 配电自动化系统和配电管理系统的涵盖关系如表1 3 所示。 表1 - 3 配电自动化系统和配电管理系统的涵盖关系 r 一进线监视 广配呶心系统 摇娶嚣、姚蛐讹 ，配电自动化 一地理信息系统 l 变压器巡检与无功补偿 1i 。m s 里箨茗篓絮篓化l 需方管理 釜箬雾囊鸢葬掣自动化 l 调度员培训模拟系统 馈线自动化是配电自动化的重要组成部分，是实现整体配电管理系统自 动化的基础，也是减少故障时的停电时间、停电范围和提高供电可靠率的最 有效的措施。在目前提高我国配电自动化水平成为当务之急的情况下，不能 一味地追求全面实现d m s ，应该首先实现馈线自动化功能，在此基础上不断 提高系统的自动化水平，丰富系统功能，逐步达到配电管理系统的完善和优 化。 1 4 2 配电自动化的发展及现状 在一些工业发达国家中，配电网的发展比较早，配电自动化系统受到了 广泛地重视i ：o 】。国外配电自动化的发展经历了从各种单项自动化林立，号称 为“多岛自动化”的配电系统，向开放式、一体化和集成化的综合自动化方 向发展的过程。目前已经具有相当的规模，并且从提高配电网运行的可靠性 和效率、提高供电质量、降低劳动强度、充分利用现有设备的能力、缩短停 电时间和减少停电面积等方面，均带来了可观的经济效益和社会效益。 日本从6 0 年代开始在配电线路上采用自动隔离故障区段、并向健全区段 ( 无故障区) 恢复送电的按时限顺序送电装置；7 0 年代研究开发了各种就地 控制方式和配电开关的远方监控装置；8 0 年代开始利用计算机构成自动控制 系统；其后由于电子技术、计算机技术及信息传送技术的发展，配电自动化 汁算机系统及配电线远方监控系统在实际应用中得到很大的发展l 。 在英美等国家，由于地域关系配电线路以放射型为主，电压等级一般为 华中理工大学博士学位论文 1 4 4 k v ，采用中性点接地系统。尤其是美国，通过简化变电站保护、线路上 采用智能化重合器、分段器配合，来提高用户供电可靠性。美国架空配电线 路的重合器采用高压合闸线圈，各级重合器之间利用重合次数及动作电流定 值的差异来实现配合，由于分段器没有安秒特性，能够与上下级保护有比较 好的配合，所以在分支线上采用分段器。采用高压合闸线圈，使重合器结构 更为复杂，且要求有较高的制造水平和更高的可靠性。英美等国家的配电网 接线方案根据供电可靠性要求不同可分为以下几种方式：对于放射型长配电 线路，以设置多级重合器实现保护：对于区域供电或重要用户供电时，采用 i 巾门j 户双i u 源供l u ；刈丁城网郊区或市i 孓供电，采用双电源环网供电方式。 我国在电力行业的发展过程中，长期以来一直存在着“重发电，轻供电” 的问题，使配电网技术的发展受到了严重的影响，造成了配电网配电设备落 后、供电可靠性差的现状。近几年来。随着国民经济的发展和用户对供电可 靠性要求的提高，供电部门对配电网的设备进行了大量的技术改造和更新， 选用新型的配电设备，如真空或s f 6 丌关设备、调度自动化设备、自动控制 测量装置等，实现了变电站自动化和无人值守。但是这些设备大多是在变电 站内部采用，对户外的配电线路却没有引起足够的重视。大量的统计资料表 明，在农网中，配电网的事故占电网总事故的9 5 以上，而配电事故中的9 0 又是瞬时性故障，永久性故障仅占总事故的1 0 左右【2 ”。所以，提高配电网 供电可靠性的关键是在线路上就地实现故障的分段隔离和恢复正常区段的供 电。目前我国配电网的自动化主要以调度自动化为主，强调对站内设备进行 操纵及遥控、遥信、遥测。而对于开关跳闸的原因，如何排除故障和隔离故 障区段，恢复正常线路的供电，则很少有切实可行的措施，配电网的供电可 靠性还是没有得到大幅度的提高。因此要提高供电的可靠性和配电网的自 动化程度，除了在调度自动化方面开展相应的工作外，还应加强配电网线路 的故障判断功能和排除故障的能力。 我国目前已经进入了配电网自动化发展的前期阶段。首先在主设备选型 上作了较大的调整，取消油( 灭弧) 断路器，采用真空或s f 6 断路器。其次， 引进美、日等国家的配电自动化设备进行试点，开辟我国自动化实施的途径。 但是，从国外引进的配电网自动化设备也存在诸多问题心3 “1 ： 华中理工大学博士学位论文 1 从电网结构上看，英美等国配电网中性点大多直接接地，而我国为不 接地系统( 单相接地按传统要求可运行2 小时) 。单相接地故障情况下，相对 地电压上升为线电压，绝缘水平要求比进口设备高。另外，我国电网结构中 单相接地电流很小，从不足1 安( 如架空线) 到几十安( 如电缆配线) ，而中 性点直接接地系统的单相接地电流与相间故障电流接近同一数量级，因而引 进的重合器接地故障检测无法满足我国配电系统的要求。 2 国外重合器大多采用系统高压电源励磁的高压合闸线圈作为机构驱动 能源，对出厂调试及用户验收的人身安全造成威胁，并且要求调试、验收现 场具有相当大容量的高压电源，否则，安装后才发现问题，后果将不堪设想。 3 目前引进的产品参数较低，如重合器的容量大都为6 3 k a 或8 7 k a ， 绝缘水平均按国际i e c 标准为3 0 k v 的工频耐压( 针对中性点接地系统) ，而 我们国内要求的容量在1 2 5 k a 或1 6 k a ，相应的绝缘水平为4 2 k v 。 4 早期引进的英美国家的重合器和分段器多采用分立元件，造成设备的 应用灵活性不强，设备之间的配合以及参数修改和整定困难，不易进行功能 扩展和技术升级，并且基本上无计算机通信的接口，难以实现更高水平的配 电自动化。 5 从国外引进的产品价格较高，数倍于国内产品，国内用户难以承受；另 外国外进口产品无备件，造成设备维修困难。 目前国内研制生产的重合器、分段器等配电自动化设备，大多为仿制或 购进国外散件组装，处于引进消化阶段，还没有达到创新的水平。其所用控 制器多采用分立电子元件或单片机构成的电路进行控制，种类比较单一，功 能不够齐全，很难满足较复杂控制功能的要求，且不便于功能扩展。同时由 于电子元件的质量及可靠性设计问题，使其总体可靠性不高，抗干扰能力低， 容易误动作，造成系统稳定性差。如某国产重合器1 9 9 5 年开始在广东省挂网 试运行失败后，被迫退出运行。此外，我国的电力系统属中性点不接地系统， 与国外的中性点接地系统在继电保护上存在着一定的差异。因此，单纯依赖 于模仿、引进国外设备，不仅在实际应用中难以满足要求，而且也是很不经 济的。 华中理工大学博士学位论文 1 4 3 配电网自动化的技术难点分析 近十年来，输电网的自动化程度已有了很大的提高，与其相比，配电网 自动化发展比较缓慢。配电网自动化系统发展的技术难点主要体现在以下几 个方面1 ： 1 配电网结构复杂，设备种类繁多、数量巨大，造成配电自动化系统需 要监控的对象远远多于输电系统，从而使建设费用昂贵，系统组织困难。配 电自动化的控制模式众多，应根据不同地区和供电用户的实际情况，从技术 和经济两个方面综合考虑心6 2 ”，选择合适的配电网自动化方案，达到经济效 益和社会效益最优。 2 配电网自动化系统中大量的设备( 如重合器、分段器、r t u 和f t u 等) 安装在户外，其工作的自然环境和电磁环境恶劣，通常要能够在2 5 6 5 、湿度高达9 5 的环境下工作，同时还要受到雷电和来自电力系统的各 种电磁干扰的影响。另外，因为经常需要调整配电网的运行方式，对配电网 自动化系统中的终端设备进行远方控制的频繁程度比输电网自动化系统要高 得多，所有这些因素都对配电网自动化系统中终端设备的可靠性提出了很高 的要求。 3 故障位置判断、隔离故障区段和恢复正常区段供电，是配电网自动化 最重要的功能。要实现这一功能，对于“基于f t u 实现s c a d a 集中控制” 模式来说，必须确保在故障期间能够实时获取停电区段的信息。但是由于该 区段停i u ，安装在馈线i 二的f t u 、通信系统和分、合闸所需要的电源都难以 解决。若采用蓄电池来维持停电时的供电，还需要加充电器和逆变器，增加 了设备的复杂程度，并且蓄电池在户外恶劣的环境下工作寿命难以保证。因 此，控制电源和操作电源的获取是配电自动化系统实施中的一个技术难点。 4 合理的配网结构是实现配电网自动化的基础，而我国目前配电网的现 状仍很落后，网络拓扑结构单一，可靠性差，无法满足配电自动化的要求。 因此为了实现配电网自动化，往往必须先对传统的网络结构进行改造，从而 进一步增加了实施的难度。 5 配电网自动化系统的终端设备数量非常多，大大增加了通信系统建设 的复杂性。从目前成熟的通信手段看，没有一种方式能够单独满足所有配电 自动化功能的要求，因此往往需要综合采用多种通信方式1 2 s 】；此外，在配电 华中理工大学博士学位论文 网自动化系统中，不同自动化层次对通信速率、容量和实时性的要求差别很 大，难以采用统一的通信规约，所有这些都增加了通信系统的难度。 1 5 本文的主要内容和章节安排 本论文以提高配电网供电可靠性为目的，围绕着实现配电自动化系统的 技术难点，从馈线自动化方案选择和优化、智能配电设备研制及可靠性和电 磁兼容设计、配电网络重构算法、通信系统的选择等几个方面展开论述。在 此基础上，介绍了黄岩市城区配电网自动化的工程实旖隋况。 本文各章节的具体安排如下： 第一章对我国配电网供电可靠性现状进行了分析，介绍了配电自动化的 构成、国内外发展现状以及技术难点，指出合理的网络结构、可靠的配电设 备和配电自动化的实施是提高供电可靠率的主要措施，明确了本文的研究方 向。 第二章在分析和比较了几种常用的配电网馈线自动化控制模式的基础 上，提出了基于新型智能开关的“无信道有信道就地智能控制+ s c a d a ”控 制模式。分析了该模式实现故障检测、隔离和供电恢复的工作过程，对其优 点和特点进行了总结。 第三章介绍了组合式真空自动重合器和分段器的硬件设计，并分别给出 了在“无信道有信道就地智能控制+ s c a d a ”控制模式下智能控制器的软件 设计。 第四章建立了重合器分段器的智能控制器的可靠性模型，对控制器的可 靠性指标进行了估计，提出了提高其可靠性的具体措施。对影响重合器分段 器控制器正常工作的电磁干扰的种类、特点和传播途径进行了分析，在此基 础上，给出了相应的干扰抑制措施。 第五章分析了负荷转移对系统平均停电频率和平均停电时间的影响，提 出了以提高配电网供电可靠性指标为目的的网络重构方法，并进行了实例计 算和分析验证。 第六章对不同通信方式和通信规约进行了比较和分析，在此基础上提出 了基于i n t e r n e t 的配电自动化通信网络构想；并在黄岩城区配电网馈线自动化 工程中，对这种通信网络方式进行了尝试。 华中理工大学博士学位论文 第七章根据黄岩城区配电网的实际情况，采用成本一收益法和网络重构 理论，对其进行了网络拓扑结构设计，分阶段完成配电网馈线自动化改造。 对改造前后的配电网可靠性指标进行了计算和分析。 第八章对全文工作进行了总结。 华中理工大学博士学位论文 第二章配电网馈线自动化方案的选择与优化 摘要：馈线自动化是提高配电网供电可靠性的重要手段。本章在分析和比较丁儿种常 用的馈线自动化控制模式的基础上，根据故障分散就地处理的思路，提出了基r 新型 智能开关的“无信道就地智能控制+ s c a d a ”和“有信道就地智能控制+ s c a d a ”控 制模式，并对这两种控制模式的系统运行过程和特点进行了分析。 2 1 概述 配电自动化是提高配电网供电质量和可靠性的重要途径，也是当前城市 电网建设的重要任务。变电站自动化和馈线自动化是配电自动化的重要组成 部分。我国的变电站自动化研究起步较早，现已在很多地区推广应用，因此 就城市区域内的供电部门来说，变电站的综合自动化一般容易做到。相对来 说，馈线自动化还刚刚开始，尚处于摸索阶段，但由于馈线而引起的故障在 整个配电网故障中占很大比重，所以实现中压配网的馈线自动化将是城网建 设的一项重要内容口。馈线自动化系统可以自动实现故障的定位、隔离和恢 复正常区段的供电，因此是提高供电可靠性、减少停电时间所要考虑的最主 要的配电自动化手段o “。从某种意义上说，没有馈线自动化功能的城市配网， 就很难说已经实现了配电自动化。 传统的城市配电网采用辐射供电模式，而配电网馈线自动化是主要建立 在环网供电开环运行的网络结构基础上，所以下面将讨论的是环网开环运行 配电网络的馈线自动化。配电网的馈线自动化有多种方案，主要是控制模式 的不同。不同的控制模式所需投入的成本不同，所能达到的自动化水平也不 同，以下将做详细的分析比较。 2 2 配电网馈线自动化方案及其比较 2 2 1 以重合器分段器构成的控制模式 重合器和分段器是配电网馈线自动化中常用的两种自动化设备。为了便 于下面的讨论，对其工作原理进行简单的介绍”3 ”】。 重合器( r e c i o s e r ) 是一种自具控制及保护功能的开关设备，它能按预定 的丌断和重合顺序自动进行开断和重合操作，并在其后自动复位或闭锁”“。 华中理工大学博士学位论文 重合器的基本工作原理是m 1 ：重合器自动检测通过主回路的电流，当确认是 故障电流时，重合器按定时限或反时限保护特性自动开断故障电流，并根据 故障的类型和设定的程序多次自动重合闸，使线路恢复送电。如果故障是瞬 时性的，重合器重合成功后自动终止后续动作，并经一定延时后恢复到预先 的整定状态，为下一次切除故障做好准备；如果是永久性故障，重合器完成 预先整定的重合闸次数后，确认线路发生永久性故障，则自动闭锁于分闸状 态，直至人为排除故障后，重新将重合器的重合闸闭锁解除，恢复正常状态 ”“圳。重合器在开断方面的功能与普通断路器类似，但有多次快速重合闸功 能。在保护控制方而，它不依赖继电保护系统，能自动完成故障检测，判断 电流性质，根据设定的定肘限或反时限特性执行分合功能，并能恢复初始状 态、记忆动作次数、完成合闸闭锁等。 线路自动分段器简称分段器( a u t o m a t i cs e c t i o ns 晰t c h ) ，是一种与电 源侧前级开关设备相配合，在无电压或无电流情况下自动分