（电力系统及其自动化专业论文）湖南大学配电自动化系统的研究与设计.pdf

湖南大学配电自动化系统的研究与设计 a b s t r a c t d i s t r i b u t i o n s y s t e m i sa ni m p o r t a n tp a r tt h a tf a c e st h em a s s e so fc u s t o m e r s d i r e c t l yi np o w e rs y s t e m a st h eo r i g i n a ld i s t r i b u t i o ns y s t e mo fh u n a nu n i v e r s i t y w e a r so u ts e r i o u s l ya n di t sa u t o m a t i cd e g r e ei sl o w ，i tc a n tm e e tt h ed e m a n df o r e l e c t r i c i t yu t i l i z a t i o no ft h e f a s t d e v e l o p m e n to ft h es c h 0 0 1 t h er e c o n s t r u c t i o n o f d i s t r i b u t i o ns y s t e mo fh u n a nu n i v e r s i t yc a ni m p r o v ep o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t ya n d q u a l i t y f i r s t l y , t h e c o n t e n t so fd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o na n dc u r r e n ts i t u a t i o no ft h e d e v e l o p m e n to fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ld i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o na r ep r e s e n t e di n t h i st h e s i s t h ei s s u e st h a te x i s ti nt h ep r o c e s so fi m p l e m e n t i o no fd i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o na r ep o i n t e do u t s e v e r a la p p l i c a t i o nm o d e sa r ea l s od i s c u s s e d a i m i n gt o t h ec u r r e n ts i t u a t i o no fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ko fh u n a nu n i v e r s i t y ，t h ei d e at h a tp l a no f d i s t r i b u t i o ns y s t e mg o e sw i t hp r i m a r ys y s t e mi ns t e pi sp u tf o r w a r d ，t h a tc a nc r e a t ea g o o dp l a t f o r mf o rd e v e l o p m e n to fs y s t e mi nt h ef u t u r e b a s e do nl o a df o r e c a s t ，p l a n a n dd e s i g no fd i s t r i b u t i o ns y s t e mi sg i v e nt h a tm a i ng r i ds t r u c t u r eo fd i s t r i b u t i o n s y s t e mc o n s i s to ft h r e ed i s t r i b u t i o ns u b s t a t i o nw i t ht w o c i r c u i t s t h ea d o p t e ds c h e m e h a sa d v a n t a g ei n w e l l p l a c e d s o u r c eo fp o w e ra n dl o wl o s si nn e t w o r kt h a tc a n p r o v i d e an e t w o r kf o u n d a t i o nf o rt h ei m p l e m e n t a t i o no fd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n a c c o r d i n gt o t h ed e s i g n p r i n c i p l eo f “s t a n d a r d i z a t i o n ，o p e n i n g ，s e c u r i t y a n de a s y m a i n t e n a n c e ”a n dc o n s i d e r i n gp r a t i c a lc o n d i t i o n so fd i s t r i b u t i o ns y s t e mo fh u n a n u n i v e r s i t y , ag l o b a ld e s i g no 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 mi s g i v e n t h ee n t i r e s y s t e mc o n s i s t s o fs o m es u b s y s t e m ，i n c l u d i n gs c a d a s y s t e m ，f e e d e ra u t o m a t i o n s y s t e m ，d i s t r i b u t i o ns u b s t a t i o n s w i t c h i n g s t a t i o n m o n i t o r i n gs y s t e m ，g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o n s y s t e m ，d i s t r i b u t i o nw o r k i n gm a n a g es y s t e m a n d e l e c t r i c i t y m e t e r i n g s y s t e m 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 mc a na c h i e v et h ef u n c t i o nt h a ts u p e r v s i n ga n d c o n t r o l l i n gd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，f a u l td e t e c t i o na n ds e r v i c er e s t o r a t i o na u t o m a t i c a l l y , c a nu t i l i z ea i lk i n d so fi n f o r m a t i o nt oa c h i e v eo p t i m u m m a n a g e m e n t a t t h es a m et i m e t h ed e s i g no fm a s t e rs t a t i o n ，s l a v es t a t i o na n dt e r m i n a la r ea l s od e e p l ys t u d i e d t h e s c h e m eo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n df e e d e ra u t o m a t i o ni nh u n a nu n i v e r s i t yi s d e s i g n e d t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a nb ed i v i d e dt ot w ol a y e r s ，o p t i cf i b e r sh e a l e t h e r n e tl o o pn e t w o r ki sa d o p t e di nt h el a y e rb e t w e e nm a s t e rs t a t i o na n ds l a v es t a t i o n ， w h i l el o n w o r k sf i e l db u sn e t w o r ki s a d o p t e di nt h el a y e rb e t w e e ns l a v es t a t i o na n d t e r m i n a l b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n ta r c h i t e c t u r a lf e a t u r eo fd i s t r i b u t i o ns u b s t a t i o na n d s w i t c h i n gs t a t i o n ，t h e s c h e m eo ff e e d e ra u t o m a t i o ni sa c h i e v e d s e p a r a t e l y f i n a l l y ， s o m er e s e a r c h e sa r ec a r r i e do u ti nt h ed i s t r i b u t i o np o w e rf l o wc a l c u l a t i o nt h a ti s c o n s i d e r e da st h ef o u n d a t i o no fd i s t r i b u t i o n s y s t e ma d v a n c ea p p l i c a t i o n ap o w e r f l o wa l g o r i t h mt h a ta d o p t sas u i t a b l ed a t u ms t o r a g em o d ei sp r o p o s e d ，a n dt h er e s u l t o fc a l c u l a t i o np r o v e si t se f f e c t i v e n e s s k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o ns y s t e m ；d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ；c o m m u n i c a t i o nm o d e ； f e e d e ra u t o m a t i o n ；d i s t r i b u t i o np o w e rf l o wc a l c u l a t i o n h i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 惴签名：冰浆 嗍：勘牛年ea 6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件利电子版，允许沦文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权二持。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：沙q 年3 - - ap 日 日期：脚￥年j 7 月，7 日 六撩 硕士学位论文 第1 章绪论 现代电力系统大致可以分为发电、输电、配电等三大部分。在电力系统的各 环节中，配电网作为末端直接和用户相连，具有深入城市和居民密集点，传输功 率和距离一般不大，供电容量、用户性质、供电质量和可靠性各不相同的特点， 它能敏锐地反映用户在安全、优质、经济等方面的要求。据统计，全国发电量的 8 5 是通过3 5 1 l o k v 供配电网输送给用户【。配电网按电压等级来分类，可以分 为高压配电网( 3 5 1 l o k v ) 、中压配电网( 6 l o k v ) 、低压配电网( 2 2 0 3 8 0 v ) ： 按供电区的功能来分类，可以分为城市配电网、农村配电网和工厂配电网等【2 1 。 l 。1 我国配电网发展现状 由于我国电力工业过去长期以来存在重发电、轻供电、不管用电的情况，使 得我国配电网网架普遍比较薄弱，缺乏整体规划，绝大多数线路都是树状网，主 干线截面偏小，且多为架空线供电，供电半径大( 尤其是农网) ，导致损耗严重， 电能质量差；配电网普遍都是单电源，而且线路分段少，当出现故障时，导致停 电面积扩大；加之配电设备普遍陈旧，大多不可遥控，配电网运行监控设备少， 信息搜集量少。故障处理自动化水平低，恢复供电时间长【3 1 。为此，国家电力公 司从1 9 9 8 年起对全国城乡电网开始进行大规模的建设与改造，计划用3 年多的时 间，投入2 8 0 0 亿元的资金，主要建设、改造从低压3 8 0 v 到高压l l o k v ( 部分2 2 0 k v ) 的配电网1 4 j 。 经过3 年多的“两网”改造，各地大规模地新建、扩建、改造大批变电站， 增加和完善了电源布点，新增和改造配电线路，缩短供电半径，使得供电结构趋 于合理，淘汰高损耗变压器，更换免维护和自动化开关设备，这些都对于提高供 电可靠性、提高电压质量、降低线路损耗起到了重要的作用。据电力企业联合会 电力可靠性管理中心的统计1 5 】，到2 0 0 2 年全国3 1 2 个供电企业的城镇l o k v 用户 的平均供电可靠率达到9 9 9 0 7 ( 8 1 7 1 h ) ，供电可靠率最高的山东电力集团供电 可靠率达到9 9 9 9 ( 用户平均停电时间为0 8 7 5 h ) ，电压合格率提高，线损率下 降。 1 2 配电自动化的内容和意义 随着电力市场的迅速发展，用户对用电提出了更高的要求。而供电的可靠性 和电能质量是电力系统两大考核指标。在1 9 9 8 年我国国家电力公司提出的目标 湖南大学配电自动化系统的研究与设计 是：提高供电可靠性，城市供电可靠率达到9 9 9 ，大城市市中心区达到9 9 9 9 ； 提高供电质量，使电压合格率大于9 8 。要达到上述目标，必须采用现代化手段 提高供电自动化水平，即实施配电系统自动化【6 】。 配电系统自动化是利用现代电子技术、通信技术、计算机技术及网络技术， 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，实现配电系统正常运行及事故情况的监测、 保护、控制、用电和配电管理的现代化【”。实旖配电系统自动化的目的是提高供 电可靠性、提高供电质量、提高服务质量、提高企业的经济效益和提高管理水平， 使供电企业和用户双方受益。 配电自动化系统( d 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 m ，简称为d a s ) 从功能上主 要可以分为两大部分的内容，即包括基础配电自动化层和配电管理层【”。基础配 电自动化层主要实现数据采集、运行工况监视和控制、故障实时处理，主要包括 变电站( 配电所) 自动化系统、馈线自动化( f e e d e ra u t o m a t i o n ，简称为f a ) 、 配电s c a d a 系统。配电管理层主要实现配电管理、停电管理、工程管理、电能计 量管理及配电高级应用，其主要内容包括配电工作管理系统、用电管理自动化系 统、配电高级应用软件( d p a s ) 。配电地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m ，简称为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，其运行管理通常与地理位置有关，将g i s 与一些属性数据库结合，可 以更加直观地进行管理。通常把从变电、配电到用电过程的监视、控制和管理的 综合自动化系统，称为配电管理系统( d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ，简称为 d m s ) 9 - 1 5 1 。 图 配 电 s c a o a 基器矬自il 努( 信g i 舻sll 配屯管理层动化层il 统 ) ll 目l 电“吐压 变 电 所 自 动 化 馈 线 自 动 化 设ll 2 喜li 墓 理l l 毳 用 电 管 理 自 动 化 运 行 管 理 自 动 化 配 电 网 高 级 应 用 图1 1 配电自动化系统所包括的主要内容 配电自动化系统在正常运行情况下，通过监视配电网运行工况，优化配电网 运行方式；当配电网发生故障或异常运行时，迅速查出故障区段及异常情况，快 速隔离故障区段，使非故障区域用户恢复供电，缩短对用户的停电时间，减少停 电面积；根据配电网电压合理控制无功负荷和电压水平，改善供电质量，达到经 一2 硕士学位论文 济运行的目的；合理控制用电负荷，从而提高设备利用率：自动抄表计费，保证 抄表计费的及时和准确，提高企业的经济效益和工作效率，并可为用户提供自动 化的用电信息服务等。 1 3 国内外配电自动化发展现状 1 3 1 国外配电自动化现状 国外配电自动化开始于2 0 世纪7 0 年代，欧美等发达国家开展配电自动化的 早期目标是缩短馈线停电时间【1 6 。8 1 。如美国，在开展配电自动化工作的初期，采 用配电线路上装设多组重合器、分段器方式，使线路故障不影响变电站馈线供电。 在纽约曼哈顿地区，2 7 k v 任一线路故障时真空重合器和变电站内的断路器配合， 经过小于3 次的开合操作，自动隔离故障使非故障段恢复供电。1 9 9 7 年全纽约的 用户平均停电时间( 含检修、故障等各种因素停电时闯) 为1 0 4 m i n ，而曼哈顿地 区仅为9 r a i n 。1 9 9 4 年，美国长岛电力公司配电自动化系统采用8 5 0 台f l r u 和无 线数字电台组成了故障快速隔离和负荷转移的馈线自动化，在4 年内避免了5 9 万个用户的停电故障( 根据美国事故统计标准，对用户停电达到或超过5 r a i n 就 是停电事故) ，并因此获得i e e ed a d s m 大奖。整个系统的形成大致经历了三个 阶段：第一步使线路运行达到能自动分段；第二步建立通信通道实现s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o n ，监控和数据采集) 功能；第三步实施 非故障段的自动恢复供电【1 9 1 。 日本配电网自动化的发展途径和美、英等国不同，它首先是在配电线路上安 装具有判别故障及按时限顺序合闸的柱上开关，并与安装在线路上的重合器、分 段器及变电站馈线开关的保护相配合。当线路发生故障经过二次合闸，重合器、 分段器能自动判别故障，自动隔离线路故障段，使线路非故障段恢复供电。在上 述基础上又进一步增设通信功能，将柱上自动配电开关的信息送至中央控制室， 由配电自动化系统对配电网进行监控。其功能包括s c a d a 、a m f m g i s 、负荷 控制( l c ) 等。日本在5 0 年代送配电损耗约为2 5 ，到8 0 年代以降到5 。日 本九州电力每户平均停电时间从6 m i n 下降到l m i n ，是依靠配电自动化实现的【2 0 1 。 综上所述，可以看出国外的配电自动化的实现，大致是先实施馈线自动化， 然后建立通信通道和配电自动化主站系统，再完善各项功能。然而，在这过程中 留有大量的有待开发的自动化功能和一些已开发的功能之间的重叠。配电自动化 的发展经历了各种单项自动化林立，号称“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，目前已具有相当的规模，并从提 高配电网运行可靠性和效率，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 湖南大学配电自动化系统的研究与设计 效益。 1 。3 。2 国内配电自动化现状 国内配电自动化起步于2 0 世纪9 0 年代，较国外发达国家滞后2 0 年。由于资 金和计算机技术等条件的限制，同时这也是一个相对崭新的课题，需要一个认识 过程，因此一直发展比较缓慢【2 1 1 。近年来特别是全国大规模进行城乡电网改造以 来，配电自动化方面的工作取得了比较大的进展，众多科研开发企业和制造商开 发研制了配电系统自动化集成技术、应用软件和一二次设备，许多地方供电企业 进行了不同层次不同规模上的试点，这些都为供电企业的供电可靠率、供电质量、 设备安全、劳动生产率、现代管理水平的提高发挥了一定的作用，为我国配电系 统自动化的发展积累了经验、创造了条件。 我国配电自动化的发展大致可以分为三个阶段。第一阶段，引进国外的自动 化开关设备，通过智能开关设备之间的配合实现故障定位、隔离和自动恢复供电， 这被称之为就地控制的馈线自动化模式，这种方案仅在故障处理时才起作用，且 不能检测出中性点小电流接地电系统的单相接地故障，而在我国绝大多数城市中， 故障停电占用户的停电时间比例很小，而引入的自动重合器、分段器和负荷开关 价格昂贵，投入很大，收效甚微。第二阶段，实现配电层次的s c a d a 功能，通过 建立配电系统的实时监控系统( s c a d a 系统) ，即在配电网调度中心建立主站系统， 在各变电站、开闭所设置r t u 、f t u 等远方终端，通过通信通道联系，从而达到实 现对配电网监控的功能。这种模式的故障处理对间大大缩短，而且在配电网正常 运行时可以对配电网进行监控和运行管理，实现系统的优化运行，这也是近年国 内来所采用的主要配电自动化的模式【2 2 _ 2 引，但是这种模式需要借助于通信系统， 而且故障的处理依赖主站进行。第三阶段，通过多年的配电网的改造和各单项自 动化( 如负荷控制、远程抄表系统、配网系统管理系统等) 的发展，借助现代计 算机技术、网络技术和通信技术实现各子系统之间资源共享，达到配电管理层次。 1 3 3 国内配电自动化实施存在的主要问题 由于我国配电系统自动化还刚刚起步，试点工程即线路条数仅占试点单位线 路总数的3 左右【2 “，缺乏应有的规范和标准，国外一些典型的工程又很难与我 国配电网相一致。早期的试点方案又受到当时的认识水平、计算机网络、通信技 术及其价格的制约，因而，成功的工程不多。主要问题有： ( 1 ) 在系统功能上，功能单一，实用性差。试点工程多以馈线自动化为主， 引入的国外的重合器、分段器建设的就地控制模式的馈线自动化，仅能进行故障 处理，且不能监测出中性点不接地系统中的单相接地故障。而在我国绝大多数城 市中故障停电时间所占比例很小，且大多数为单相接地故障，故其提高供电可靠 性很t j x 2 7 。 - 4 一 硕士学位论文 ( 2 ) 在系统集成上，缺乏统一规划，单项“孤岛”林立。由于各地对配电自 动化的认识不同，投入的各种单项功能也未进行统一综合考虑，它们之间标准不 统一，软硬件不兼容，致使信息不能公用，资源不能共享。 ( 3 ) 在应用层次上，停留在初级应用阶段，缺乏高级应用。如网络重构、自 动无功电压调整尚处在理论分析阶段f 2 8 枷】。 1 4 湖南大学配电网现状及存在的问题 1 校区配电网现状 湖南大学南校区( 后简称湖南大学) 现有一个总配电间，其电源由长沙城西 供电局的1 1 0 k v 变电站二回1 0 k v 线路提供：北边一回由石岭塘1 1 0 k v 变电站经 渫湾镇方向引入，南边一回由桃花1 1 0 k v 变电站经左家垅方向引入。到2 0 0 1 年 底，校区内敷设有辐射式供电的1 0 k v 电缆线路1 0 条，4 6 k m ，3 8 0 v 线路2 5 条， 7 k m ，校区共安装有1 0 k v 配电变压器1 5 台，总容量为6 2 6 5 k v a ，另有自备电源 的升压变压器一台，容量为1 0 0 0 k 、，a 。 表1 1 给出了近年来湖南大学电量和电力的统计情况，由表可知，在1 9 9 8 年 之前负荷增长速度并不是很快，但从1 9 9 9 年开始，不论是用电量还是最高负荷均 大幅度增加，这与近年来学校规模的扩大和各项基础建设的增多是分不开的。 表1 1 湖南大学近年电量、电力统计表 2 0 0 02 0 0 1增长 项目 9 5 年9 6 年9 7 年9 8 年9 9 年 芷 年 率( ) 总用电量 6 8 0 7 8 47 5 2 4 4 07 5 6 3 0 67 7 9 3 2 88 9 6 2 01 1 6 41 2 5 31 0 7 ( 万k w h ) 最高负荷 3 1 6 02 4 0 02 5 2 02 4 0 03 0 0 03 5 0 04 0 8 01 1 2 ( k w ) t ( 小时) 3 1 5 23 1 3 53 0 0 13 2 4 72 9 8 73 3 1 63 0 7 1一o 4 2 配电网存在的主要问题 校区内现存的配电系统主要是成形于1 9 8 6 年的扩建改造。随着学校规模的 不断扩大和各类用电的设备的急剧增加，原有的供电设备、配电布点、继电保护 和控制系统已不再适应正常的供电的要求。 主要存在的问题的有以下几个方面： ( 1 ) 主干网架导线截面太小，目前是3 5 m m 2 的铜芯电缆，有的电缆己接近使 用寿命，多次击穿，难于满足负荷急剧增长的需要： ( 2 ) 电网结构过于简单，整个电网为单回辐射状，线路之间没有备用，供电 5 湖南大学配电自动化系统的研究与设计 可靠性难以保证； ( 3 ) 变压器低压线路供电半径太大，例如计算机楼变压器供电半径己超过 5 0 0 m ，天马村变压器供电半径超过9 0 0 m 。这样，一方面造成线损太大，另一方 面使电压质量难以保证，空调和计算机无法启动； ( 4 ) 线路电缆化程度低，故障率高，与校区的优美环境不协调，不符合小区 配电绝缘化的发展趋势； ( 5 ) 线路损耗大，特别是低压网线损更大，约占7 0 。 因此，校区配电网的改造迫在眉睫，如何通过配电网的一次系统改造和加强 对配电网的监控实现优化运行来提高供电可靠性和降低线损是一项重要的研究课 题。从表1 2 线损计算结果可知，低压配电网的线损是中压配电网的近3 倍，因 此，要降低损耗，应该将1 0 k v 中压线路尽量延伸，接近负荷中心，缩短低压线 路长度，这是降低线损和提高电压质量的有效方法。而通过实掩供电环网化，满 足“n 一1 ”准则，则是提高供电可靠性的重要手段。 表1 2 中低压配电网线损计算结果 有功网损有功网损率 电能损耗 电能损耗率 网络 ( k w )( ) ( 万k w h ) ( ) 1 0 k v 网络8 92 5 42 1 72 0 6 e 低压网络 2 4 1 5 08 14 2 34 3 合计3 3 01 0 6 46 46 3 6 3 实施配电自动化的必要性 校区配电系统在未实施配电自动化之前，采用的是旧的配电管理运行模式， 不仅需要人工到现场抄负荷电量和倒闸操作，故障后非故障区域还同时停电，难 以查清故障区段，排除故障和恢复送电时间都比较长，其供电可靠性和电压合格 率难以满足学校教学和科研的要求。 学校配电网规划改造是以二十年为建设周期，为了保持校区内配电网长期供 电可靠性和管理水平的先进性，就有必要利用先进的配电技术采用先进的配电 管理手段；另一方面配电网的一次改造完成后，网架结构变得复杂化，如何保持 系统的优化运行，提高故障处理速度，这些必须通过实旋配电自动化来实现。 1 5 本文的选题背景和意义 湖南大学从2 0 0 2 年开始对校区配电系统进行改造，并确定实施校区配电自动 化的目标。 配电自动化是一项综合性系统工程，涉及到城市建设、配电网规划、设备选 择等一系列的问题，内容丰富、技术性强、涉及面广。首先，配电自动化的实现 6 硕士学位论文 是以网架结构改造为前提。配电自动化的设计必须与一次规划相配合。如果没有 一个布局合理、结构灵活、转供互带能力很强的配电网，配电自动化的功能将受 到很大的限制。同时它还涉及信息采集点的设置，信息流的优化传输，通信网的 规划选择以及配电网的结构。因此，城市电网应该与配电自动化一并规划建设或 先于配电自动化建设改造。配电网的改造、设备的选择，都要考虑到今后配电自 动化的开展l j “。 当前实施的配电自动化工程不少，但是成功的并不多，其中一个重要的原因 在于，对于配电自动化的功能需求认识不清，与一次规划没有配合进行，没有进 行合理的功能规划。湖南大学校区配电系统自动化的实施从一开始就与配电一次 改造相配合，明确了功能要求和所达到的目标，采用统一规划、分步实施的思路， 为用户侧( 大用户) 配电自动化的建设提供重要的参考依据。 1 6 本文主要进行的工作 配电自动化，特别是国内用户配电自动化的先例很少，本文在校区配电系统 改造和规划设计的基础上设计出适合校医的配电自动化系统实施方案，并对其中 的通信方式、馈线自动化和配电网潮流计算等关键技术进行了深入的研究与设计。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 研究了配电自动化的内容和国内外配电自动化的发展现状，并指出当前 实施配电自动化过程中存在的问题。针对湖南大学配电网的现状和存在的问题， 提出实施学校配电自动化的必要性。 ( 2 ) 对配电自动化的体系结构和关键实现技术进行广泛的研究。总结配电自 动化的三层体系结构和与其它自动化系统之间的关系。对应用于配电自动化中的 各种通信方式进行研究，对各种方式的优缺点进行比较。研究比较远方控制和就 地控制两种馈线自动化的优缺点。提出实施配电自动化工程实施的思路。 ( 3 ) 对湖南大学配电网的一次系统进行规划设计。主网架结构供电可靠性高， 运行方式灵活。适合配电自动化技术的要求。开闭所和变压器的布点实现中压到 用户，降低线路损耗。 ( 4 ) 依据“结构分层、功能分级，布置就近、信息集中、控制可靠”的设计 原则，并依据湖南大学配电网具体情况下，对配电自动化系统的建设进行整体设 计，并对主站、子站和终端的设计进行较为深入的论述。 ( 5 ) 对湖南大学配电自动化系统中的通信系统和馈线自动化的实现进行深入 的研究与设计。主干通信网采用双光纤以太环网，支线网则采用l o n w o r k s 现场 总线网。鉴于配电网的特殊情况，对配电所和开闭所的馈线自动化实现方案分别 进行研究。 ( 6 ) 对配电自动化系统的高级应用基础软件一配电网潮流计算方法进行深入 - 7 - 湖南大学配电自动化系统的研究与设计 研究。比较研究各种配电网潮流算法，并提出一种采用适合网络结构改变的数据 存储方式的计算方法，经实例验证，效果良好。 一8 硕士学位论文 第2 章配电自动化系统体系与关键实现技术研究 配电系统作为电力系统中直接面向广大用户的部分，其具有深入用户和负荷 中心的特点。配电自动化是一种集成化自动化系统，它是近年来计算机技术、自 动控制技术、电子技术、通信技术及高性能的配电设备等在配电系统中的综合运 用，其实现与配电网络结构存在密切的关系，配电自动化的实现首先是从配电网 改造开始。配电自动化系统的测控点多、分布广、与地理位置密切相关的特点， 由配电控制中心直接对各终端设备进行数据采集、监控和管理是不可能的，因此， 配电自动化系统一般根据当地的配电网的规模和网络结构采用分区域分层控制处 理的模式【3 2 1 。 2 1 配电自动化系统结构 配电自动化系统针对配电网的规模可以采取不同的分层模式，一般来说大致 可以分为三层：主站层、子站层和终端层。根据需要还可以设置区域主站，负责 对区域配电进行管理。大型的配电自动化系统结构如图2 1 所示，根据各地的实 际情况可以进行具体配置，可以取消或者简化其中的某些层次。如在中型系统中 往往没有区域站，而是配电子站直接和主站通信。而小型系统在馈线较少的情况 下，可适当设置配电子站，为二层次、三层次混合结构。 1 配电主站 配电主站层在系统的最上层，负责对全局信息的监视和管理，它具备对整个 配电网进行数据采集和监控，完成全网范围内的故障处理，同时提供设备管理和 地理信息系统，并提高配电高级应用软件，以实现对整个配电系统的优化运行。 配电主站由多台计算机组成根据系统的规模大小。 2 配电子站 配电子站层连接着配电终端层和配电主站层，一方面它能对配电终端的信号 进行采集、汇总、上传至主站，同时把主站的指令转发至配电终端；另一方面能 对区域内的开关设备监控，独立进行区域内的故障处理。配电子站一般可以设在 负荷相对集中的监控区域内，也可以设在l o k v 变电所内。 3 配电终端 配电自动化终端层是由各种终端设备( 如f t u 、t t u 等) 组成，主要完成对 一次设备的数据采集、对开关设备的控制和故障的检测与识别功能等，它是整个 系统的执行部分，对配电网的可靠、安全运行起着关键作用。 9 湖南大学配电自动化系统的研究与设计 4 与其它系统的关系 除配电自动化系统之外，供电企业同时存在市级调度自动化系统、营业管理 系统和管理信息系统，它们与配电自动化系统关系十分密切。 在现阶段，由于我国的电力调度体制问题，市级调度自动化系统实现对高压 线路和变电站的监控和管理，其监控网的终端刚好是配电系统的电源端，因此， 它们之间具有相互交换信息的要求。今后，市级调度应该逐步与配电自动化系统 一体化，成为配调一体化系统。配电自动化系统为用电营业管理系统提供有关配 网资料，支持报装等用电业务查询，以促进管理水平和对用户的服务水平。配电 自动化系统也向管理信息提供本系统的有关信息，并保证信息源的一致性和唯一 性。 图2 1 配电自动化体系结构图 2 2 配电自动化实现的前提 配电自动化尤其是馈线自动化与配电系统的一次网络接线和一次设备存在密 切的关系。如果网络结构过于简单，如主馈线或大的分支线未进行分段，不对此 类网络进行优化改造，即使实施配电自动化后也不能提高供电可靠性；如果系统 结构过于复杂。出现多个电源点同时供电的复杂情况，由于可变条件增多而增加 了馈线自动化软件运算的时间和复杂性，对这类网络就需要进行网络简化。同时 开关设备和电力线路等都对配电网运行的可靠性有很大的影响。在实际的配电系 统中，网络结构往往存在多样性和无序性，必须进行配电网络的优化改造。 2 2 1 典型的配电网接线方式 实际电力网络结线大致可以归纳为两种基本的接线方式：放射式接线和环网 1 0 硕士学位论文 接线。大电网则是这两种接线方式的各种组合。 而传统的中压配电网往往采用放射式供电模式。放射式接线具有接线简单、 实用、投资低和建设周期短。缺点是供电可靠性差，当线路或开关故障时，将使 整条线路停电。为了提高供电可靠性可采用在主干线装设分段开关进行分段，以 减少事故和检修时的影响范围。同时为了保证对重要用户供电，采用双回路甚至 三回路供电方式，这样必然增加变电站l o k v 配电线路的回数，通常采用建立开 关站( 开闭所) 来扩展l o k v 馈线。传统的供电方式是从变电站一开关站一用户。 “手拉手”环网接线方式则是近年来在我国配电网中广泛采用的一种接线方 式。实际上是将以往的放射状接线改成双电源供电，中闻以联络开关将两段线路 连接起来。正常运行情况下联络开关打开，以减少短路电流和出现的环流，当线 路失去一端电源时，可以合上联络开关，从另一端对失去电源线路上的柱上变压 器和高压用户供电。线路主干线的分段取决于对供电可靠性要求的选择。理论上 讲分段越多，停电故障影响范围越小，但是实现配电自动化的方案也月越复杂。 环网柜环形接线方式在国外城网中早己应用，正常时开环运行，一侧电源或 线路故障时自动切换，一般用于比较重要的负荷密集区。环网柜的设置可以与电 力用户相结合，按照用户分布来配置。满足同样的供电可靠率，环形接线方式比 双回路供电在经济上有较大的优势。环网柜内的开关设备可以选用负荷开关，也 可以选断路器。 变 电 站 变电站1变电站2 变电站l 变电站2 b 1 手拉手接线 1正常运行是合闸口正常运行时断开 c ) 环网接线 图2 2 典型的配电喇接线方式 上述三种接线方式是配电网中最典型的三种接线方式，可以根据不同的需求 来选择不同的模式，其它过于简单或复杂的接线方式可以逐步改造成基本模式。 2 2 2 配电网络结构优化 配电自动化是建立在环网供电开环运行的网络结构基础上。因此，将放射状 供电方式逐步改造成环网供电方式是实现配电网馈线自动化的前提条件。配电网 络改造的要求大致可以归纳为以下几点： 湖南大学配电自动化系统的研究与设计 ( 1 ) 电源容量及分布点合理，并满足供电安全的“n 一1 ”准则。 ( 2 ) 网络接线应简洁、灵活，以提高供电可靠性和实现自动化为目的，接线 宜标准化、模式化。 ( 3 ) 主干线或主支线供电能力应该满足一定时期负荷增长和负荷转代的需 要，主干线或分支线具备相互联络的条件：实现开环运行、分片供电，限制短路 容量，能灵活适应各种可能和合理的运行方式。 配电网的线路分段和互连的改造是实施配电自动化的基本条件。而线路分段 和互连的多少对配网的安全、经济和投资有直接影响。配电网的分段与互连应该 进行总体规划。如表2 , 1 可以看出分段太多效益就不明显，般宜3 5 段为宜， 不超过5 段。线路联络点的增加还可以提高线路设备利用率，但也增加了系统的 复杂性，并减少了负荷的发展裕度。系统发展的初期，一次系统应主要采取两两 相连的方式，并以不同变电所主干线末端的互连方式为主。以后根据负荷增加的 需要，可以逐步增加联络点，提高设备利用率，降低配网建设的投资。 表2 1 供电可靠性和线路分段的关系 分段数 234567 减少停电户数( ) 5 06 6 77 58 08 3 3 8 5 7 增加值 1 6 78 353 32 4 2 2 3 一次设备的改造 配电系统的一次设备包括电力线路、柱上开关和配电变压器等，它们是电能 的传送、分配的工具和自动化系统的直接执行结构，它们对于配电网运行的可靠 性、经济性有者重要的影响。因此，除了技术经济上的原因，还应该满足配电自 动化的要求和特性。 配电一次设备的选择要坚持技术进步、安全可靠和节能的原则。选用高可靠 性、免维修的装备，推进变、配电设施的小型化，紧凑型进程。开关设备尽量选 用小型化、无油化、自动化、免维护或少维修，具体可遥控的功能。淘汰高耗能 配变设备，采用新型低功耗的配变。为提高供电可靠性，在城区选用电缆线路， 或者可以采用绝缘架空线。 2 1 3 通信方式 通信系统是建设配电自动化系统的关键技术之一，配电自动化系统需要借助 于有效的通信方式将控制中心的命令准确地传送之为数众多的配电终端，并将远 方设备运行情况的信息反映到控制中心。 1 2 硕士学位论文 2 3 1 配电自动化通信的特点 1 终端节点数量很大 配电网拥有众多的开闭所、配电变压器和各种环网柜、柱上开关等，要对这 些设备进行监测需要大量的f r u 或现场智能装置，因此配电系统的终端数量相当 大。尽管在实际实施中为了简化系统、降低造价，只对重要设备进行监控。但是 一个实用的配电自动化系统的终端数量往往要比同一级的输电网调度自动化系统 要大一个数量级。 2 通信数据量小 配电自动化终端的监控对象是大量的线路开关和配电变压器等，通信数据有 限，即使配电变电站、开闭所或配电子站数据量也不能与输电变电站相比。 3 通信节点分散，节点间距短 配电自动化终端随配电一次设备安装，使得配电终端的地域比较分散。但是 配电自动化覆盖的区域相对要小，节点之间距离较短，因此配电自动化通信网常 采用主干通道与现场通信网相结合的方案。一个区域内的f r u 、配变监测单元、 自动读表装置等终端由开闭所或小区变电所的子站系统汇集转化。 2 3 2 系统对通信系统的要求 配电自动化对通信系统的要求一般取决于配电网的规模、复杂程度和预期达 到的自动化水平。总体上说配电自动化对通信系统的要求体现在以下几个方面： ( 1 ) 通信的可靠性； ( 2 ) 通信系统的建设费用； ( 3 ) 满足目前和今后通信速率的要求； ( 4 ) 使用和维护的方便性； ( 5 ) 通信不受停电和故障的影响； ( 6 ) 通信系统的可扩展性。 2 3 3 常见的通信方式及其特点 目前可供使用和选择的通信方式有很多种。按照传统分类方式，可简单的分 为无线方式和有线方式。无线通信方式结构简单，架设方便，价格便宜。它仅需 很少或者不需要通信线路就可以工作在双工方式，特男i j 是任何无线通信方式都有 能力和停电的区域进行通信，是一种生命力很强的通信方式，但是无线通信容易 受地形所影响。无线通信主要包括高频通信、扩频通信、微波通信和卫星通信。 有线通信光纤通信、载波通信和专用市话通信。光纤通信需要架设专门的网络， 传输速率高、可靠性高，干扰小。配电载波以电力线路为传输通道，具有通道可 靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步等得天独厚的优势，但是在目前尚存 - 1 3 湖南大学配电自动化系统的研究与设计 在技术难点。市话通信可用于高速数据通信，易于双向通信，但是租金较贵，成 本高。表2 2 为在配电自动化系统中常用到的通信方式。 表2 2