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配电自动化系统保护设计 摘要 该项目通过对配电自动化系统中保护的设计，采用了快速保护的方向比较 原理，实现了配电终端保护快速动作切除故障，可靠性高，同时与配电子站相 配合，作到了配电线路的全线保护相适应，在通道传输上采用光纤通道，保护 与控制分开，完整可靠，。该项目对配电自动化系统的保护方面作了一种新颖的 探索，完成的主要工作包括：设计了新型的f r u 装置，该装置利用快速方向保 护原理，能快速地、有选择地、灵敏地、可靠地切除故障，是独立完整的保护。 快速性和选择性。在通讯正常时要求有选择地速动切除( o s ) 。通讯的响应时间 在l m s 以下，易维护，抗干扰。可靠性。在通讯失去时，能够保证正常切除工 作。要求在t 秒内完成故障的切除工作。在切除失败后，有完备的后备保障系 统进行补救。灵敏性。要对分段整定值进行计算，系统在最小方式下的保护动 作灵敏度要达到2 0 以上。有独立的系统重构f r u 能快速地、可靠地、独立 地重构被破坏的系统。在通讯正常时，快速准确地完成系统重构。响应时间应 在o 5 s 以内。在失去通讯的情况下，能完整地重构系统，保证系统恢复安全送 电。设计了新型的配电子站，与变电站内的保护装置及f 1 u 相接口，构成完整 的配电线路保护系统。设计了可靠的通讯通道。为了实现动作的快速性和远方 监控功能，采用光纤通道，要求抗干扰，耐浪涌、雷击，防止感应电压击穿和 误码。 关键词：配电自动化快速方向保护兀u 配电子站光纤通道 d e s i g no fp r o t e c t i o nr e l a y i np o w e rd b t h b u f i o n a u t o m a t e d s y s t e m a b s t r a c t t h i sp r o j e c th a sd c s i g n e dp r o t e c t i o nr e l a yi np o w e rd i s t r i b u t i o na u t o m a t e d s y s t e m , i tb a s e do nt h ef a s tr e s p o n s ed i f 廿o nc o m p a r i s o np r o t e c t i o nr e l a y p r i n c i p i u m , t h i sp r o t e c t i o nr e l a yc i i io p o m t eq u i c k l yt oi s o l a t ef a u l t , i th a sh i g h r e l i a b i l i t y , i tc a l lc o o p e r a t ew i t ht h ep o w e rd i s t r i b u t i o ns u b s t a t i o n , a n df i t 、 ，i t l lt h e r e l a yf o rt h ew h o l ep o w e rd i s t r i b u t i o nl i n e w eu o p 啦c a lf i b e rt ot r a n s m i td a t a t h e p r o t e c t i o nr e l a yc h a n n e la n dt h ec o n t r o lc h a n n e la l es e p a r a t e d , t h e ya r ei n t e g r i t ya n d r e l i a b l e t h i sp r o j e c th a sl n a d co n ek i n do fn o v e le x p l o r a t i o nt ot h ep r o t e c t i o nr e l a y a s p e c ti np o w e rd i s t r i b u t i o na u t o m a t e ds y s t e m , a c h i e v e dt h ep l ：l m et a s ki sa sf o l l o w s ： w eh a v ed e s i g n e dt h eb e a n f r ud e v i c ea c c o r d i n gt ot h ef a s tl 镪p o n s ed i r e c t i o n c o m p a r i s o np r o t e c t i o nr e l a yp r i n e i p i u m , i tc 姐o p o m t et oi s o l a t ef a u l ts p e e d i l y , c h o i c e l y , s e n s i t i v e l ya n dr e l i a b l y i ti sa l li n d e p e n d e n ta n dc o m p l e t e dp r o t e c t i o nr e l a y r a p i d i t ya n ds e l e c t i v i t y ：w h e nc o m m u n i c a t i o ni sn o r m a l ，i tc a ni s o l a t ef a u l t s c h o i c e l ya n ds p e e d i l y , t h ec o m m u n i c a t i o nr e s p o n s et i m ei sb e l o wi m s ，i ti se a s yt o m a i n t a i n , a n di tc a na v o i de l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e r e l i a b i l i t y ：w h e nt h e c o m m u n i c a t i o ni sl o s s ，i tc a ni s o l a t et h ef a u l tn o r m a l l y , a n di th a st h ec o m p l e t e d b a c k u pp r o t e c t i o nr e l a y s e n s i t i v i t y ：c a r r i e so nt h ec o m p u t a t i o nt o t h ep a r t i t i o n p r o t e c t i o ns e t t i n gv a l u e ，t h es y s t e mm a ya c h i e v eu n d e rs m a l l e s to p e r a t i o nw a y , t h e p r o t e c t i o nr e l a yo p e r a t i n gs e n s i t i v i t y 锄r e a c ha b o v e i th a si n d e p e n d e n ts y s t e m r e s t r u c t u r i n g f r uc a nr e s t r u c t u r e t h ed a m a g i n gs y s t e ms p e e d i l y , r e l i a b l ya n d i n d e p e n d e n t l y w h e nt h ec o m m u n i c a t i o ni sn o r m a l , i tc a nc o m p l e t et h es y s t e m r e s t r u c t u r i n ga c c u r a t e l y a n dr a p i d l y , t h er e s p o n s et i m ei si no 5 s i ft h e c o m m u n i c a t i o ni sl o s s ，i tc a nr e s t r u c t u r et h es y s t e mc o m p l e t e l y , a n dl u 嚣 t o r et h e p o w e rt r a n s m i s s i o ns a f e l y w eh a v ed e s i g n e dn e wp o w e rd i s t r i b u t i o ns t a t i o n s ，t h e p r o t e c t i o nr e l a yd e v i c e sa n df r uo ft h et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o na r ec o n n e c t e d 、 r i t i l t h e m ，c o n s t i t u t e di n t e g r a t e dp r o t e c t i o nr e l a ys y s t e mf o rp o w e rd i s t r i b u t i o nl i n e w e h a v ed e s i g n e dt h er e l i a b l ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e l i no r d e rt oo p t a t ei tf a s t , c o n t r o l a n dm o n i t o ri nd i s t a n c e s ，w cu s et h eo p f i c a lf i b e rc h a n n e l ，i tc a na v o i d e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，i tc a nb e a rt h et h u n d e rs l r o k e ，l i 曲t n i n g5 r l g e ，p r e v e n t t h ei n d u c e dt e n s i o np u n c t u r ea n dt h e 锄rc o d e k e yw o r d s ：p o w e rd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ；f a s td i r e c t i o np r o t e c t i o nr e l a y , 刑： p o w e rd i s t r i b u t i o ns t a t i o n ；叩i c a lf i b e rc h a n n e l 插图清单 图1 - 1 ：特大型配电自动化及管理系统组成结构6 图1 2 ：大中型配电自动化及管理系统组成结构7 图1 3 ：中小型型配电自动化及管理系统组成结构7 图2 - l ：双电源系统的模型。 图2 - 2 ：环网故障电流流向图 图2 3 ：闭锁式保护工作逻辑框图 图2 4 ：闭锁式保护动作时序( 非故障段兀u 设备) 。1 3 图2 5 ：允许式保护工作逻辑框图 图2 6 ：允许式过电流保护动作时序( 故障段) 图2 7 ：重构器逻辑框图 图2 - 8 ：常规故障分析示例图 图2 9 ：越级故障及通讯故障分析示例图。2 0 图2 - 1 0 ：馈线通讯方案一，两对光纤网络2 l 图2 - 1 1 ：馈线通讯方案二，单对光纤网络2 l 图3 - l ：配电子站单元装置结构图2 3 图3 - 2 ：配电子站单元软件结构框图 图3 3 ：f 1 u 与微机保护配合动作图 图3 - 4 ：f 1 u 装置尺寸图 图3 - 5 ：f r u 电源取用图。 图3 6 ：兀u 电源结构图 图3 7 ：刑操作回路 图3 8 ：兀u 控制电路逻辑 图3 9 ：f t u 发出电平电路图 ：1 4 ：! ! ； ：1 6 2 7 2 7 ：1 8 2 9 3 3 图3 1 0 ：光m o d e m 接收电平电路图3 4 图3 1 l ：刑接收电平电路图 图3 - 1 2 ：光m o d e m 发出电平电路图。3 4 图3 - 1 3 ：f t u 通信组网构成示意图 图3 - 1 4 ：系统组网构成示意图 图4 1 ：f 1 u 结构示意图 ：i ! i ! i ! i 图4 3 ：马鞍山市馈线自动化网络示意图4 0 图4 4 ：马鞍山配电自动化系统结构 图4 5 ：马鞍山配电自动化终端子站通信图4 2 表格清单 表一：信号组合方式及其解释 表二：信号组合方式及其解释 表三：不同p t 电压状态的恢复操作逻辑 1 2 1 4 1 8 独创性声明 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 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 金胆王些太堂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 井表示谢意 靴蝴糍坼。移撕期：呼叫厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 井向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权金 胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 侪内p 签字日期叼钆肌日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 2 f ”b 签字日期：jc 一犀，一月，r 日 电话： 邮编： 第一章绪论 配电自动化是西方发达国家7 0 年代提出的概念，目前在日本、欧美已得到 了充分发展。我国近年来也已开展了不少试点工作。对于配电自动化，配电 系统自动化设计导则中针对其特点给出了很确切的定义：“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、用电荷配电管理的现代化” 配电自动化系统( d a s ) 在纵向结构分属于配电管理系统( d m s ) ，横向与l l o k v 变 电站综合自动化、调度自动化、电力m i s 等紧密关联。从目前实施的需求和现 状看，配电网自动化实行的模式应是s c a d a 与g i s 合一。“营配合一，且与地调、 电力m i s 等紧密集成的系统。 1 1 配电自动化实施目的 配电自动化在我国的兴起主要是缘于城网改造口长期以来配电网建设不受 重视，结构薄弱，导致发电容量冗余的同时供配电能力低下由此国家出台城网 改造的政策、资金，并提出要积极稳步推进配电自动化。配电自动化实现的目标 可以归结为：提高电网供电可靠性，切实提高电能质量，确保向用户不间断优质 供电：提高城乡电力网整体供电能力：实现配电管理自动化，对多项管理过程提 供信息支持，改善服务，提高管理水平和劳动生产率：减少运行维护费用和各种 损耗，实现配电网经济运行：提高劳动生产率及服务质量，并为电力系统电力市 场的改革打下良好的技术基础。 从以上这些目标可以看出，对于电力企业，配电自动化的实施的具体意义在 于：近期可以大幅度提高供电可靠性，同时具有减人增效，降低经营成本的作用： 远期的意义即针对在良好一次网络的基础上的自动化系统可优化运行，保持能 量平衡。减少尖峰负荷，进而具有推迟新建项目的潜在经济效益。 按照国际现代企业的发展规律，配电自动化的系统实施是整个配电网络技 术水平、管理水平的全方位、全过程的提高，是未来能够实现多方面、巨大的经 济效益的基础。对于国家整体，在我国目前经济和供电条件下它更能作为一种基 础设施的优化促进国民经济发展，并起到实现经济和社会双重效益的作用。 1 2 配电自动化的发展和现状 配电自动化是属于整个电力系统中的一个分支。配电网领域又是整个电力 系统与分散的用户直接相连的部分，是对社会生活变化最为敏感的部分，电力作 为商品的属性也集中体现在配电网这一层上配电自动化是作为市场经济的产 物诞生于市场经济发达的西方：当市场需要更高的供电质量，电力公司必须在激 烈的市场竞争中利用新技术降低运行费用，配电自动化应运而生。配电自动化的 实施也是一个自然的过程，因为它直接向用户接入的特点，它的变化发展始终引 导适应着经济的发展。 西方发达国家于8 0 年代末开始应用配电自动化技术。9 0 年代以来，欧美一 些国家先后开放电力市场，由于各电力企业忙于进行体制转换，配电自动化实 施工作一度放缓。目前，为了降低运营成本，提高供电可靠性和供电质量，争取更 多的用户，各供电企业正在积极地开展配电自动化工作。日本在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，从8 0 年代到现在己完成了计 算机系统与配电设备配合的配电自动化系统，在主要城市的配电网络上投入运 行，其中大规模的配电自动化系统可控制约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约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的提高，日本9 6 年至9 7 年度平均每户停电0 1 次，每次 平均8 分钟，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、台湾于9 0 年代也完成了局部配电系统的馈线自动化，并建立了自 己配电自动化实验网络。与其它方面的现代化一样，配电技术的现代化是建立在 一定工业基础之上的，而上述国家的9 0 年代均是已实现经济腾飞、经济得到了 充分发展的阶段，是社会技术经济发展到一定程度的产物 9 8 年我们国家决定投巨资进行城乡电网改造，反映了我们国家综合国力的 增强：国家电力公司配合国家计委作出了实施方案，分批投入城市电网建设和改 造项目，三年国家将投入资金数千亿元另外根据国家发展委员会计投资 ( 1 9 9 8 ) 1 5 0 9 号的批复，国家将投入1 3 6 8 亿元，用于我国农网的建设与改造，拉开 了建国以来最大规模的农村电网建设的序幕。全国城乡电网建设与改造的资金 投入将近3 0 0 0 亿元。这样大规模的城乡电网建设与改造必将极大促进配电自动 化工作的开展，配电自动化已成为电力自动化的热门技术，是电网发展的大势所 趋。 但对于在我国的实施与国外又有很大不同：一、我国对电力是国家垄断经 营。尚未真正实现电力市场化：二、我国毕竟还属发展中国家且各地发展很不平 衡。实施的目的既是为适应终端用户的需求，这种需求既会因不同用户、因地、 因行业而异，又是随时变化的。假如不尊重经济和市场发展的需求变化必然要 遭遇挫折，比如曾一度兴起的负荷管理控制系统，很多电业局自安装上之后就一 直没发挥过作用，既不能给用户拉闸限电又不好集成进抄表营业系统，投资于是 变成浪费。关于差异，比如东部沿海地区一个县的供电量可能大于内陆不发达省 份一个地区的供电量：作为实施基础的一次网络和变电站综合自动化的水平各 地区间差距更大如果全面的实施配电自动化，首先应考虑的是： 1 对于提高供电可靠性，首先是要将它看作一个长期的市场行为 2 2 供电可靠性的提高是一个受多种因素制约、用多种手段有效协作后的结 果。尤其依赖于系统管理水平的提高。可以从国外的例子看配网建设的历程，以 日本关西电力公司为例，在6 0 - 7 0 年代主要在改进一次设备，8 0 年代为满足城市 环境规划要求而大量采用地下电缆后，大大提高了供电可靠性，达到每户年停电 次数0 0 5 次年，此后改造的重点转为采用各种综合手段提高供电质量，如采用 不停电施工减少计划停电：开发利用配电自动化实现设备的远方监视、控制、协 调，消除操作中人为因素可能导致的错误。从而使停电时间减少到每户每年3 分 钟的水平。众所周知6 0 - 8 0 年代正是日本经济高速发展的黄金时期，从以上可 见在当时计算机通讯技术条件下实施配电自动化：一、肯定有强大的利益驱动 外因( 用户对电能质量的高要求) ，二、单纯的通过改造一次设施即能达到每户年 停电次数0 0 5 次年，关西电力公司在实施自可见一斑。 所以供电企业在安装配电自动化是首先研究的应是客户长期的、变化的、 潜在的需求，按现代的营销模式作市场调查、顾客群细分等，将配电自动化的实 施同时作为整个电力营销策略中的一环来处理：其次量力而行，综合企业内已有 的线路网络水平、调度自动化和变电站( 开闭所) 自动化水平、人员素质、管理 改革配套来制定实施的进度和规模。 1 3 配电自动化的实施 现阶段配电自动化实施范围主要界定在城网供电范围即城区用电范围内， 主要涉及l o k v 配电线路、设施及客户用电管理。专业管理主要包括配电、调度、 自动化、通信专业，主要任务是城区l o k v 配电线路正常监视、遥控操作、运行 方式变化和故障状态负荷转移等，主要目的是快速隔离故障，恢复对客户供电， 提高优质服务水平和减少停电电量损失 配电自动化的内容是对城域所辖的全部柱上开关、开闭所、配电变压器进 行监控和协调。既要实现刑的三遥功能，又要对故障的识别和控制功能。从而 配合配电自动化主站实现城区配网运行中的工况监测、网络重构、优化运行。 为系统自动化的一部分因为它直接面向用户且信息量大，故要求它必须具备很 先进的适应性和强大的多系统接口能力。与其它自动化系统比，它在使用上的特 点是协调和集成，在充分数据共事的基础上发挥集成后系统整体的性能以支持 和带动电力企业业务和管理水平的提高。 配电自动化的内容和特点决定了配电自动化的系统结构应当是一个分层、 分级、分布式的监控管理系统，应遵循开放系统的原则，按全分布式概念设计，按 照一个城区全部实施设计，系统必须将变电站级作为一个完整的通信控制分层 系统整体设计可分为配调中心层、变电站层、中压网层、低压网层，以下分析这 四层的具体设计实施。 i 、配调中心层 配调中心局域网是整个自动化系统的最高层，采用高速以太网双机配置、互 3 为备用。该网络构成配网自动化的调度中心( 中心主站) 。由共享同一数据库的实 现配网自动化不同功能的工作站及服务器组成。系统硬件设备及接口符合国际 工业标准操作系统可选用中文w i n d o w n t 网络操作系统。在此基础之上提供 配网自动化软件支持平台，包括数据库软件、人机交互软件、通信软件、分布式 的配电监控、管理应用软件。采用开放式和分布式的体系及面向对象技术，具有 开放性和可扩展性。应用软件以配网实时数据库为基础，应用客户机服务器模 式，各自独立实现不同的自动化功能系统的接口能力及开放性全依赖于这一 层的设计，所以目前配电调度中心的建设务必须先考虑： 底层数据的同一共享( 数据库唯一，标准接口) 民a d a 与地理信息系统( g b ) 紧密集成 实时数据和管理数据的结合( “营配合一”。与电力m i s 集成) 先进、灵活的发布和支持查询能力： 良好的集成后可实现数据共享，能极大的提高工作效率。北京四方华能公司 配调后台除采用上述一系列先进性设计外) 网络采用t c p i p 协议，实时数据库 采用标准数据接口，具有极广泛的集成能力。 2 、变电站层 系统结构的第二层网络是配调中心主站与各变电站子站通信的城域网。该 网络利用各变电站原有的一路通道。光纤、电缆、载波、微波均可，可实现区域 内s c a d a 功能及部分故障处理功能变电站层的设计主要有两个原因：一是进 行信息分层减少中心层负担和底层对中心层的依赖： 二是因故障处理是需遥 控变电站( 开闭所) 出口断路器，它的实现必须通过安装在变电站的终端单元。变 电站层的实现有两种方式：一是利用现有的现场智能设备实现，仅增加一套现场 的远动通信单元( 或一发双收) ：二是再建一套带通信的现场装置完成通信和控 制功能。 3 、中压网 系统结构的第三层网络是以中压l o k v 电力网络为依托的中压监测、控制网 络。该网络由变电站子站、馈线出口保护f t u 、分段开关f t u 、开闭所f t u 、配 电变压器f t u 组成。这层网络完成配网自动化的主要的数据交换及控制，是配网 自动化的核心网络。所以这层网络的实施是配电自动化是否成败的关键，其中的 难点是通信方式和系统控制方式的选择，小电流接地选线定位 f t u ：系统通过f t u 的铡量实现配网的s c a d a 功能，并能通过对各f t u 的控 制实现配网的故障识别、故障隔离、网络重构及配网的无功电压控制和优化运 行等功能。f t u 系列因需与开关、变压器配套，往往安装在户外且现场很恶劣的 电气环境中，所以相对于变电站综合自动他系统中的现场单元，它的抗干扰、抗 震动以及温度范围要求更高。国家电力公司在发布的技术条件要求中规定适应 温度需达到一4 0 8 5 度，电磁兼容性需通过i e c 四级瞬变干扰试验 ( i e c 6 1 0 0 0 4 - 4 ：1 9 9 5 ) 。此外，f t u 内部需配置蓄电池以使停电后照样工作。四 方华能公司的c s f l l l 系列f t u 采用四方公司第三代微机保护硬件的设计原则， 由多种新技术和可靠的隔离滤波措施来保证硬件的可靠性，此外在智能充电器 上增加了可以进行深充深放的功能以利于蓄电池的维护。f 1 1 j 己于1 9 9 9 年1 1 月份通过国家电力公司权威部门监测，并且已在现场成功应用。 通信：可采用载波、光纤、双绞线、无线方式：集中方式的优劣本文不作 讨论，但发展方向应是载波和光纤的混合使用。配电网载波确实有很多难点，但 它对网络具有天然的适应性，随着技术发展它无疑将是配电层通信的主流。目前 国外研制的配电载波可以在现场应用至2 m 的速率( - - 传输图像) 。北京四方华 能公司在国内率先推出具有世界先进水平的网络化配电数字载波通信技术 ( n d l c ) 。该技术以9 0 年代中期出现的d s p 技术、现场总线技术、新一代数字载 波原理为基础，是载波通信技术跨时代的突破，达到a b b 公司同类产品的相同性 能，并在2 0 0 0 年1 月成功通过国家电力公司监测。 控制方式：配电自动化的控制模式主要分为两类：分布式就地控制、远方 集中控制。前者主要应用于六、七十年代，仅仅实现故障隔离功能，不具有扩展 性和通用性：远方集中控制依赖于强大的通信系统! 适合于建立一个完整的、统 一的自动化体系平台，现已成为主流。四方华能公司的c s d a 2 0 0 0 系统采用综合 智能式的远方集中控制方式，在f t u 上置入一套通信故障时启动的智能现场判断 处理程序，紧急时刻转为分布式就地控制，这是一种集理方集中控制与保护的局 部控制优势相结合的控制方式。 4 、低压网 系统结构的第四层网络是面向l o k v o 4 k v 配电变压器低压侧负荷的低压 数据网该网络由各配电变压器的低压侧出发，到各负荷节点结束。实现对各 负荷节点的测量与控制，如自动抄表、负荷控制，并通过中压网、城域网与配 网自动化中心主站通信。低压网在“营配合一”的系统中是用电营业系统的主 要网络，该网络的通信量很小，波特率仅为几百b p s ，通信方式可采用载波、无 线。因绝大部分用户是低压用户，且国家对9 9 9 9 供电可靠性的统计即将要求 到0 4 k v 低压，。一户一表”也正在全面推行，故最终的低压网的配电自动化必 将是抄表、负荷管理、s c a d a 、需方管理( d s m ) 集成为一体的系统。对于低压 网制约的主要问题仍是通信问题，而目前流行的有双绞线，低压载波；双绞线 敷设困难，现有的低压载波应用有一定的困难。 国际上的配网自动化正经历两个深刻的转变，一是由多岛自动化向开放式、 综合集成的方向发展；二是电力市场的兴起与实施，对从电能表到配电管理软 硬件都提出了新的要求。技术的不断进步必然要求厂家有很强的后续研发能力 和服务能力。对于电力自动化领域这一最末端的系统，它的实旌必然还伴随着 一场管理的革命，这也需要厂家具有向电力企业的管理需求提供完全技术支持 的能力。所以在系统实施过程中选择有实力、有持续服务能力的配套厂家，更 为关键。 同级管理信息系统 一w i i 中心站k - l i 调度自动化系统 同级负荷管理系统 - l 同级用电管理系统 i 同级其它系统 主站 主站 同级管理信息系统 一i 主站 卜- i 调度自动化系统 同级负荷管理系统 ：l：i 同级用电管理系统 同级其它系统 子站子站子站k一变电站自动化系统 l 上 上上上 趣远砸旺 方方 方 方 终终终终 端端端端 图1 1 ：特大型配电自动化及管理系统组成结构 6 i 同级管理信息系统 一l 主站 k i 调度自动化系统 1 同级负荷管理系统 l? _ l? l 同级用电管理系统 i同级其它系统 子站子站子站k一变电站自动化系统 l 上 上上l 趣远远压 方方方 方 终 终终终 端端端端 图1 - 2 大中型配电自动化及管理系统组成结构 同级管理信息系统 i 主站 调度自动化主站 - i 变电站自动化系统 同级负荷管理系统 l 同级用电管理系统 同级其它系统 子站k i i r ii l上上lj _ll 砸迈远砸 方方方方 终 终 终 终 端端端端 图1 3 ：中小型型配电自动化及管理系统组成结构 1 4 本文的主要工作 本文深入研究了配电自动化的实施方法，旨在提高谐配电自动化系统的快速 性和可靠性，解决动作不准确、时间长和传输不可靠等问题，提出新颖的保护 7 和通信方式。所做的工作主要包括： l 、有独立完整的保护。保护装置能快速地、有选择地、灵敏地、可靠地切 除故障。 快速性和选择性。在通讯正常时要求有选择地速动切除( 0 s ) 。通讯的响应 时间在i m s 以下，易维护，抗干扰。 可靠性。在通讯失去时，能够保证正常切除工作要求在at 秒( 一个保 护级差) 内完成故障的切除工作。在切除失败后，有完备的后备保障系统进行 补救。 灵敏性。要对分段整定值进行计算，系统在最小方式下的保护动作灵敏度 要达到2 0 以上。 有独立的系统重构。f t u 能快速地、可靠地、独立地重构被破坏的系统。 在通讯正常时，快速准确地完成系统重构。响应时间应在0 5 s 以内。 在失去通讯的情况下，能完整地重构系统，保证系统恢复安全送电。 在不正确的切除故障条件下，恢复系统不能产生安全问题。 2 、完善的馈线监控。 有系统远方遥控。完成人工遥控，自动控制，自动负荷分析功能，防止线 路或变电所过载功能。 参数控制、采集、白检功能。能对保护定值进行远方修改。以及工作的馈 线系统参数、f t u 参数采集功能。为了减少人员的维护量，要求所有的设备可以 远方维护和检查，同时为了提高系统的可靠性。因此，要求有系统对f t u 等设 备进行诊断。 3 、可靠的通讯通道。为了实现动作的快速性和远方监控功能，必须有可靠 的通讯通道。通道要求抗干扰。耐浪涌、雷击，防止感应电压击穿和误码。 8 第二章配电自动化系统的保护设计 2 1 现状 馈线自动化是配电自动化的核心，没有馈线自动化的保护功能，配电自动 化只能称为配电数据采集处理系统，目前国内电力系统中配电自动化系统的保 护类型，主要有三类方案： 1 重合器型。此方案设计建设简单，但不具备通讯和管理功能，而且需要 断路器反复多次重合闸导致不必要的多次停电不能解决好配电自动化问题。 2 远动型。此方案由监控型f t u 组成，需要主站与子站之间的通讯才能解 决馈线自动化问题，由于依赖于主站通讯，确定故障和隔离故障的时间很长， 增加了更多不可靠因素。 3 保护型。此方案由保护型f t u 组成，通过f t u 之间的闭锁信号配合，就 地实现故障检测隔离和恢复供电，不需要和主站进行通讯，不需要多次重合闸， 可靠性和整体性能非常高。 在实现的原理上主要有3 种模式，即电流型、电压型、远动型。而常用的 有两种方式，即电流型和电压型，它们在不同的方面存在各种问题，没有完全 解决保护的“四性”和故障恢复的安全性、可靠性，下面简单介绍： 2 1 1 电流型 电流型的配电自动化系统，故障切除是按电流大小来配合跳闸的，其故障 隔离的工作原理是主站接收到来自于f 1 1 j 检测的故障电流后，通过判断其最后 一级流过故障电流的开关和第一级无故障电流的开关，确定故障发生在这两级 开关之间，然后向这两级开关发分闸命令来实现故障隔离的。 优点： 故障切除快，选择性好。 有变电站断路器做后备。 缺点： 1 、灵敏度低。存在各级的电流级差配合问题，在短距离断路器配置时，无 法整定。 2 、可靠性差。瞬时故障将被视为永久性故障而被隔离，因而会造成扩大事 故的闯题。 系统重构时，级差位置改变，引起误动。必须依赖遥控修改定值重构对 于不同的运行方式必须做多套整定方案，供重构时选用，管理复杂化- 依赖通讯。由于修改定值的需要。重构必须由通讯完成。 2 1 2 电压型 所谓电压型配电自动化设备，是指基于电压，时间配合工作原理的设备， 9 这是日本东芝公司的技术，其正常工作和对事故的判断处理均是以电压为基本 判据，通过第一区段投入的延时逐级送电，来判断故障区间。 优点：简单，稳定，投资少，见效快。 缺点： 1 、灵敏度低。当经过过度电阻短路或距离远时，拒动。 2 、无选择性。首断路器跳闸，全线脱扣跳闸。 3 、恢复时间长。全跳必须延长恢复时间，而且恢复时，每级设备延时，级 数越多越慢。 4 、无远方后备保护。 2 1 3 远动型 目前，国内各配电自动化厂家生产的多属于此型，变电站保护完成切除工 作，然后由d t u 收据故障数据进行恢复 优点： 完整的数据收集判断功能。 自动化程度高。恢复速度快，计算机智能分析后遥控执行。 缺点： 选择性差，切除故障无选择。类似电压型切除故障，由变电站完成切除工 作。 通讯依赖。由中心站对故障数据采集完成判断，完成系统的重构，对通信 要求高，所有的工作由通讯完成投资大。 可靠性差。无远方后备保护。 灵敏度低。故障由变电站保护来切除因此。保护定值只能按变电所的位 置对全线进行整定配置，不能对分段进行整定，定值较大，灵敏度低，对于小 故障无反映，必须待发展严重后才动作。 低可靠性、低安全性、无选择性以及维护量大一直是困扰着配电自动化实 用化推广的主要问题，在通信技术和计算机技术高度发达的今天，完全通过现 行的技术改变这种现状同时，又不依赖于通讯系统而独立工作，以确保系统 的安全可靠。本文配电自动化系统保护设计，决定结合本地区电网的实际情况 及发展需要，提出光纤快速馈线自动化保护与控制原理，就是为解决上述毛病 而设计的，达到了快速、可靠、灵敏、和选择性的要求。 l o 2 2 保护实现原理 2 2 i 配电馈线系统的基本模型 1 0 k v 母线1 0 k v 母线 图2 - l ：双电源系统的模型 上图为简单的配电馈线模型，有两个变电所向一条线路供电，在d b 4 处 分段运行其中s b 变电站断路器，d b 一配电线断路器。 2 2 2 快速保护的构成 在本文馈线自动化中采用的快速保护利用光纤通道，分为两种：一种是双 方向闭锁式方向过电流保护；另一种为双方向允许式过电流保护。它们的共同 特点是采用了独立通讯通道完成保护的信号交换。除了原理上的区别外，在使 用范围上也有区别，双方向闭锁式方向过电流保护可以用于双电源环网闭环运 行和开环运行方式，以及单电源辐射方式运行。双向允许式过电流保护用于双 电源环网开环运行方式以及单电源辐射方式运行 2 2 2 i 双向闭锁式方向过流保护工作原理 系统保护利用故障电流方向判别与故障电流幅值大小原理构成的双向闭锁 式快速方向过电流保护。该系统保护，利用主一备保护原理构成完整的馈线保护 1 、保护原理 在配电网络上，各电气相邻的f r u 保护之间采用光纤构成信号交换回路， 每套保护只与相邻的保护联系，采用正方向信号默认不发送，反方向发送禁止 动作信号原理构成( 信号逻辑关系见表一) 保护配置瞬时速断、过电流和重合 闸。 a 变电站# l 兀u 站( m 侧)杞兀u 站# 3 n 1 j 站( n 侧)b 变电站 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 1 1 一 故障电流方向 故障电流方向 圈2 - 2 ：环网故障电流流向图 在图2 - 2 的系统中，由于# 2 f t u 与# 3 f t u 发生短路故障，按照上述原理进行 故障分析如下： a 变电站开关收到# 1 f t u 的反向报告，拒动；# i f l i j 收到的是# 2 f t u 的反方 向报告：拒动；# 2 f 1 1 j 没有收到报告，跳闸； b 变电站断路器收到t 3 f t u 的反向报告，拒动；# 3 f t u 没有收到报告，跳闸。 在变电站侧，将主保护延时t ( o 3 s 或0 5 s ) 以配合自动化系统保护的 动作，作为馈线保护的后备。在馈线自动化保护动作失败的情况下，作为馈线 保护失败的补救措施。 表一：信号组合方式及其解释 组合方式方式一方式二方式三方式四 m 侧信号接无 有 无有 收状态 n 侧信号接无无有有 收状态 意义解释允许跳闸禁止跳闸禁止跳闸禁止跳闸 故障范围在故障点在m故障点在n1 0 m s 时间 m 与n 之间的外侧的外侧 用于通道信号全线 相互激活和防止保 护设备动作竞赛 2 、保护装置动作分析： 保护装置的逻辑框图如图2 - 3 ：动作顺序如下： 1 ) 在系统发生故障的同时，灵敏启动元件检测到系统发生故障，立即起动 1 0 s 保持延时回路，并启动发讯回路分别向m 和n 两侧发送故障启动通知。 2 ) 故障启动后立即关闭方向比较和保护出口回路1 0 m s ，防止保护动作竞 赛。 对侧的收讯回路收到信号后立即启动响应，激发本机的发讯回路。这时， 全线的通讯工作已完全激活。 3 ) 延时1 0 m s 后，允许方向比较关闭正方向的通道，反方向的通道继续发 信工作，禁止对侧保护跳闸。 4 ) 延时l o m s 后的同时，启动允许本侧保护跳闸回路，并让收讯回路继续 接管控制跳闸的出口。 5 ) 当收讯回路无信号时，开放保护出口，保护动作跳闸。当收到信号时， 收讯回路关闭保护出口，禁止保护动作跳闸。 6 ) 当断路器完成跳闸后，所有测量元件返回到正常状态。发信延时到1 0 s 关闭 7 ) 当断路器拒绝动作跳闸时，由变电站保护延时t 秒动作跳闸。作为f t u 保护或断路器的后备。 动作的时序见图2 - 4 1 2 图2 3 。闭锁式保护工作逻辑框图 故障电流波形 向m 侧发信号本侧正方向 向n 侧发信号 本侧反方向 保护出口波形 l 从m 侧收信号 珂侧厘力州 从n 侧收信号 对佃l 诈古向 o r e s 1 0 ；n st 缸 1 0 r s |； 一 o l 一一 图2 4 ：闭锁式保护动作时序( t i e 故障段刖设备) 2 2 2 2 双向允许式方向过流保护工作原理：( 用于单电源辐射和开环运行的供电 方式) 系统保护利用故障电流幅值大小原理构成的双向允许式快速过电流保护。 低定值的过电流启动发讯，高值过电流启动跳闸装置。该系统保护利用主一各保 护原理构成完整的馈线保护。 1 、保护原理 在配电网络上，各电气相邻的f 1 1 j 保护之间采用光纤构成信号交换回路， 每套保护只与相邻的保护联系，采用无故障电流信号默认不发送，有故障电流 发送允许动作信号原理构成( 信号逻辑关系见表一) 保护配置瞬时速断、过电 流和重合闸。 在变电站侧，将主保护延时t ( 0 3 s 或o 5 s ) 以配合自动化系统保护的 动作，作为馈线保护的后备。在馈线自动化保护动作失败的情况下。作为馈线 保护失败的补救措施。 表二：信号组合方式及其解释 。组合方式方式一方式二方式三方式四 m 侧信号接无有无有 收状态 n 侧信号接无无有有 收状态 意义解释通讯故障，故允许跳闸允许跳闸禁止跳闸 障范围不明故障范围在故障范围在故障范围在m 与n 。前l o m s 用本身与n 之与m 之间之外侧 于信号交换，间 防止保护动 作竞赛。 图2 5 ：允许式保护工作逻辑框图 故障电流波形 向m 侧发信号 l 本侧过电流 向n 侧发信号 l 本侧过电流 保护出口波形 i 从m 侧收信号 珂侧越电巩 l 从n 侧收信号 对佃i 千电流 r o r e s1 0m st m s1 0i 图2 - 6 ：允许式过电流保护动作时序( 故障段) 2 、保护装置动作分析： 保护装置的逻辑框图如图2 5 ：动作顺序如下： 1 ) 在系统发生故障的同时，灵敏启动元件检测到系统发生故障，立即起动 o l o s 延时回路，并启动发讯回路分别向m 和n 两侧发送故障启动通知。 故障启动后立即关闭方向比较和保护出口回路l o b s ，防止保护动作竞赛。 2 ) 对侧的收讯回路收到信号后立即启动响应，激发本机的发讯回路。这时， 全线的通讯工作已完全激活。 3 ) 延时l o m s 后，启动允许本侧保护跳闸回路，并让收讯回路继续接管控 制跳闸的出口。 4 ) 当收讯回路只有一侧有信号时