（电气工程专业论文）电压型馈线自动化的研究及其应用.pdf

中文摘要 本论文通过对国内外配电自动化的分析研究，论证了配电线路自动化改造的 可行性，并根据配电自动化发展的趋势与任务，提出了适合我国国情的配电自动 化。配电自动化是指整个配电网并包括电力用户在内的自动化，本论文着重论述 l o k v 级别配电自动化的重要组成部分一馈线自动化。 目前馈线自动化系统故障处理的应用模式有三种：重合器、分段器方式、电 流型故障处理模式、电压型故障处理模式。本论文通过对馈线自动化系统故障处 理的三种应用模式进行分析，并予以比较，总结出电压型馈线自动化的优势。 电压型馈线自动化系统克服了分段器、重合器模式、电流型控制模式存在的 问题，本论文着重对电压型馈线自动化原理全面地分析与研究，对电压型馈线自 动化系统构成设备做详细介绍，并举例电压型馈线自动化实际工程应用，总结在 工程应用中遇到的问题及提出的解决方法。电压型馈线自动化配合“用户分界负 荷”分支线路负荷开关，形成一套全方位、完整的、合理的l o k v 配网馈线自动 化保护系统。 关键字：配电自动化；馈线自动化；电压型； a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h r o u g hs u m m a r i z i n gm a n yr e s e a r c h e sa n da n a l y s i s o np o w e r d i 蚰曲m i o na u t o m a t i o n ， i tf i g u r e so u tt h ef e a s i b i l i t yo fi m p r o v i n gd i s t r i b u t i o nl i n e a u t o m a 五o na n dap o w e rd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o nw h i c hi ss u i t a b l ef o rc h i n a sn a t i o n a l c o n d i t i o n sa c c o r d i n gt oi t st e n d e n c ya n d m i s s i o n f u r t h e r m o r e ，t h ep o w e rd i s t r i b u t l o n a u t o m a t i o ni sd e f i n e da sa ne n t i r en e t w o r ka n dt h ek e yp o i n tf o rt h i sp a s s a g ei s 10 k v r a n k f e e d e ra u t o m a t i o n t h e r ea r et h r e ef a u l td i s p o s i n gm o d e l si nt h ef e e d e ra u t o m a t i o ns y s t e m ：r e c l o s e r a n ds e c t i o n a l i z e rs y s t e m 、c u r r e n tt y p ef e e d e ra u t o m a t i o ns y s t e m a n dv o l t a g et y p e f e e d e ra u t o m a t i o ns y s t e m t h ea d v a n t a g e s h a v eb e e no nc o n c l u s i o nt h r o u g h c o m p a r i s o nw i t ht h et h r e em o d e l s t h ep r o b l e m si nr e c l o s e ra n ds e c t i o n a l i z e r , c u r r e n tt y p ef e e d e ra u t o m a t i o n s v s t e mw i l ln ol o n g e re x i s ti nv o l t a g et y p ef e e d e ra u t o m a t i o ns y s t e m t h ep a p e r f o c u s e so nt h ep r i n c i p l eo fv o l t a g et y p ef e e d e ra u t o m a t i o ns y s t e ma n d ap a r t i c u l a r i i l t i i o d u c t i o nt oc o n s t i t u t i o ne q u i p m e n ta sw e l la sp r a c t i c a lp r o j e c ta p p l i c a t i o n sa n d p r o b l e m ss o l v i n go c c u r r e di nt h ep r o j e c t s v o l t a g et y p ef e e d e ra u t o m a t i o ns y s t e me q u i p p e dw i t h “p o l e m o u n t e da c c e p t s w i t c h ”h a sf o r m e di n t oa l la l l - r o u n d ，i n t e g r a t e da n dr e a s o n a b l ep r o t e c t i o ns y s t e mo f 10 k vm a t c h e st h en e tf e e d e ra u t o m a t i o n k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ；f e e d e ra u t o m a t i o n ；v o l t a g et y p e ； 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘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 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 强确品 签字日期： 墒年f 月位日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 张k 岛 导师签名： 同 签字日期：2 卯7 年l a 月j z 日 签字日期：山脚7 年，z 月 第一章绪论 1 1 配电自动化的概况 第一章绪论 配电自动化是指利用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术与电力设 备相结合，将配电网在正常及事故情况下的监测、保护、控制、计量和供电部门 的工作管理有机地融合在一起，改进供电质量，与用户建立更密切更负责的关系， 以合理价格满足用户要求的多样性，力求供电经济性最好，企业管理更为有效。 配电自动化是一个庞大复杂的、综合性很高的系统性工程，包含电力企业中与配 电系统有关的全部功能数据综合控制。从保证对用户的供电质量，提高服务水平， 减少运行费用的观点来看，配电自动化是一个统一的整体【l 】。 配电系统自动化的内容大致分为五个方面：一是馈线自动化，即配电线路自 动化；二是变电站自动化，正常是指输电和配电的结合部分，这里仅指其与配电 有关部分；三是用户自动化；四是指配电管理自动化；五是配电系统自动化的通 信系统【2 1 。 配电网自动化主要涉及中低压电网，作用对象是电力经营用电企业。目前世 界各国对此都十分关注，配电网自动化不仅仅简单是配电线路及其所相应的设 备，还有同通讯、计算机综合应用、电力( 负荷) 监控、节能、电网规约等，可归 纳为如下几个方面： 1 ) 可靠安全的供电网络，包括电源点应保证电力输送线路的经济运行，开 关变压器等设施的可靠性，在文献 3 中已对此做了详细阐述。 2 ) 对故障的自动判断和隔离，在人工或自动条件下恢复非故障线路的供电， 对故障点进行自我隔离和诊断。 3 ) 判断系统的运行状况进行实时监控，采用分布式的s c a d a ( 远动) ，对配 电网所需的信息进行处理，对各种信息的上发下传，及时反应运行状况和事故的 处理分析能力。 4 ) 用电管理包括用户对电能的管理要求，用户对电能的管理意见及要求能 够反应到配电中心，由配电管理中心对此作出反应和处理。对电能进行调整，对 用电负荷的控制和经济调度。对用电管理系统可对用户直接或间接地进行控制， 这种控制方式一般由人为进行设定，可由远动操作也由现场就地操作，与通常的 事故处理有不同的管理方式。 5 ) 配电网自动化通讯。 第一章绪论 1 2 国内外配电自动化的状况 配电自动化在发达国家进行的比较早，首先是由美国等几个工业发达国家逐 步发展起来的，大约在二十世纪7 0 年代，美国首先在城市配电网采用真空断路 器对配电线路进行分段处理，以提高供电可靠性。然后日本在纽约长岛公司采用 无线通信方式进行计算机集中控制，使故障停电的恢复供电时间缩短到一分钟之 内。西欧主要发达国家如英国、法国、德国、意大利、西班牙、比利时、加拿大 等均在配电自动化领域也开展了大量的工作。总结国外配电自动化发展过程大致 可以分为三个阶段f 4 】：第一阶段主要的目标是在重要的线段进行故障自动隔离， 结合配电网的改造，进行配电系统自动化的试点工作；第二阶段约在二十世纪8 0 年代初期，配电自动化系统开始大量投入，但是由于当时计算机技术的限制，当 时的自动化系统大部分为单项自动化系统；第三阶段开始于二十世纪8 0 年代后 期，由于计算机技术的飞速发展，配电自动化朝着综合自动化的方向发展。目前 国外的配电自动化系统己经形成了集变电所自动化、馈线分段开关测控、电容器 组调节控制、用户负荷控制和远方抄表等系统于一体的配电网管理系统( d m s ) ， 其功能已多达1 4 0 余种。 1 2 1 美国的配电自动化 a 、自动分段算法：图1 - 1 显示了电源侧断路器( 重合器) 两次重合闸成功时序 的过程，其中t l ：保护动作，断路器( 重合器) 跳闸时间；t 2 ：重合闸时间； t 3 重合闸失败；t 4 ：故障切除，断路器( 重合器) 再次重合闸恢复供电。 t lebh 图卜1 电源侧断路器( 重合器) 两次重合闸成功时序图 b 、自动恢复算法： 利用d 2 0 0 通信前置机实现自动恢复算法，d 2 0 0 通过媒介和f t u 通信( 采用 d n p 3 0 规约) ，另一方面d 2 0 0 和主站s c a d a 进行通信，把f t u 的数据传送至 主站；在d 2 0 0 中自动恢复算法用梯形逻辑控制变程( p l c ) ，大大减少了自动恢 复供电的时间：d 2 0 0 中有一个用户可以定义的实时数据库，可实现对f t u 数据 进行采集处理和控制，对主站不需要的数据量进行处理，这样减轻了主站的工作 第一章绪论 量，特别对f t u 较多的配电自动化系统，大大提高了系统的运行速度，达到的 应用效果为：在四年内避免了5 9 5 6 7 5 个用户的停电事故( 5 m i n ) 。 1 2 2 日本的配电自动化 日本是配电自动化发展得比较快的国家，如表1 1 所示，从5 0 年代开始在 配电线上采用自动隔离故障区，并向健全区( 无故障区) 恢复送电的按时限顺序送 电装置；6 0 一7 0 年代研究开发了各种就地控制方式和配电线开关的远方监视控制 装置；7 0 年代后半期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，配电自动化计算机系统及配电线远方监视控 制系统在实际应用上得到很大的发展【5 j 。 表1 - 1e t 本配电自动化发展历程 实施项目年度 说明 通过s v t m 装置读入变电1 9 5 0 将断路器分合闸状态、电压电流信息 站信息1 9 7 0 传至供电局的监控系统 由配电线载波进行柱上开关的远程控 波动控制( r c ) 方式的开发 1 9 7 0 制和电热器负荷控制 配电线自动控制方式的实 验 1 9 7 5 配电线故障时使用计算机控制 脉冲编码( p c ) 的遥控方式1 9 8 4 p c 方式的专用通用线系统 的扩大实施1 9 9 0 用计算机进行的自动调度 方式的开发 1 9 8 6 确定计算机控制方式 频谱扩散方式的开发1 9 8 8 高速配电线载波实现开关控制 功能分散型配电线自动调 度系统的开发 1 9 9 5 采用w s 功能分散型调度系统 自动抄表系统的开发1 9 9 6 向大功率用户的自动抄表系统 全w s 型配电线自动控制 用w s 用做控制用计算机的自动调度 系统的开发 1 9 9 8 系统的开发和引进 日本九州电力管理的电网是目前全世界供电可靠性最高的电网之一，文献【6 】 介绍了日本九州电力通过实施配网自动化提高供电可靠性的发展历程，日本九州 2 0 世纪7 0 年代就实现了全公司5 0 0 余座变电站的远程监控，1 2 万台馈线开关的 远程控制率已经接近1 0 0 ，全公司8 5 处营业所已有6 4 处采用了计算机网络化 的配电网自动化系统。 1 2 3 我国的配电自动化 我国的配电自动化建设和改造起步较晚，我国真正开展配电自动化的工作是 第一章绪论 在9 0 年代开始。其代表性的工作列举如下： 1 9 9 0 年沈阳电业局开始制订配电线路自动化方案； 1 9 9 3 年邢台电业局和电科院合作进行了配电网自动化系统规划； 1 9 9 4 年广州供电局、大连电业局开始配电自动化试验； 1 9 9 5 年石家庄电业局、邯郸电业局着手配电自动化系统试验项目； 1 9 9 6 年上海市东供电局开始进行配电网自动化工作； 从1 9 9 5 年开始我国陆续引进东芝、c o o p e r 等产品进入国内，1 9 9 6 年上海市 东供电局在浦东金桥金藤开发区实施了配电自动化工程，基本达到了遥控、遥信 和遥测的目的，但规模较小，且设备依赖进口，造价高，不便推广普及；自1 9 9 6 年以起，为数有限的部分城市开始了配电网自动化系统的试点工作，由于当时技 术、装备等方面的条件还不很成熟，国际、国内还没有相关的标准及规范，部分 城市根据本地区应用需求，参考国内外的相关经验，进行小规模试点。 1 9 9 8 年7 月，原国家电力公司在长春召开“推进城网建设和改造工作会议 后，配电自动化系统的建设步伐有所加快；1 9 9 9 年底，原国家电力公司发布了 “l o k v 配网自动化发展规划要点”和“配网自动化终端设备通用技术条件 ， 使配电自动化系统工作逐步步入正轨。故从1 9 9 8 年起，全国每年新建配电网自 动化系统的城市在1 0 个以上，在2 0 0 0 年后的增长幅度更大，到目前为止，国 内已有超过百个城市进行了配电自动化系统的试点。 在文献 7 中已对我国配电自动化技术发展历程做了介绍。经过近几年的发 展，国内不少科研单位和企业提出或研制出能够满足配电自动化要求的产品。文 献 8 ，9 提出了实用化配电自动化的理论基础及应用模式；我国配网自动化发展大 致分为：一、重合器为主要发展方向或在重合器基础上，重合器+ 分段器的方式， 在文献 1 0 中做了详细阐述；二、电流型配电自动化发展方向，在文献 1 1 1 对电 流型馈线自动化理论进行了剖析；三、电压型配电自动化发展方向，文献 1 2 以 近年来配网自动化认识及工程实践体会，总结了配电自动化系统实用化设计的一 些基本设计思路：在文献 1 3 对电压型配电网单相接地故障处理方法做了阐述； 文献 1 4 1 6 中对输电线路配电自动化智能检测系统和通信模式研究与设计提出 了理论基础。 目前我国配电网现正处于高速发展的时期，配电网的规模及覆盖面，市场之 大是任何一个经济发达或发展中国家无法比拟的，为了探索我国配电网自动化的 发展，先后对国外配电网的模式进行考察并在国内进行实际试点。由于我国是一 个大国，各区域的发展存在较大的不平衡，电网的技术水平也差距较大，与国外 配电网有多方面的区别。因此我国在配电网的发展上不可能完全照搬和应用国外 的例子，而应该在吸收国外先进技术和设备的基础上，发展有自己特色的电网建 第一章绪论 设。 1 3 本研究课题的来源及主要内容 长期以来我国电力企业把大量资金用于电源建设，对电网的投入不足，造成 了城乡电网的薄弱。尤其电网绝大多数为树状结构，且多为架空线路，送电距离 太长损耗严重，电压质量差；配电设备比较陈旧且大多是不可遥控的；配电网运 行状态监测设备少，信息量少，信息传输通道缺乏，导致了事故处理自动化程度 低和处理时间长，1 0 k v 地区配电网是一个较低电压等级的电网系统，它的发展 与建设往往没有引起足够的重视。但是随着地区经济的飞速发展，地区的用电要 求标准也日益提高，目前的配电网架构己经不能满足地区经济建设的需要。针对 我国配电网的薄弱环节，国家有关部门决定投入巨资用于城网和农网的建设和改 造，并强调配网改造要依靠科技进步，采用先进成熟的技术，特别是要提高信息 化、自动化的水平，以达到低投入高产出的效果。结合我国当今配电自动化系统 发展的重点和趋势，我国的电力设备企业着眼未来，抓住技术的主流，结合当地 的实际情况制定出最优的配电系统自动化方案，发展我国自主特色的配电自动化 系统。 本课题通过对线路自动化改造的应用研究，通过对国内外馈线自动化进行了 分析研究，论证了馈电线路自动化改造的可行性，以实用化为目标，把可靠性放 在首位，研制了性能价格比较佳的电压型馈线自动化系统。电压型馈线自动化系 统克服了分段器、重合器模式、电流型控制模式存在的问题，也克服了目前国内 同类产品存在的一些不足之处。本论文着重对电压型馈线自动化原理全面地分析 与研究，对电压型馈线自动化系统构成设备做详细介绍，介绍电压型馈线自动化 实际工程应用，总结在应用中遇到的问题及并提出解决方法。电压型馈线自动化 配合“用户分界负荷”分支线路负荷开关，形成一套全方位、完整的、合理的1 0 k v 配网馈线自动化保护系统。 第二章配电自动化主要内容及发展趋势 第二章配电自动化主要内容及发展趋势 2 1 配电自动化的主要内容 1 ) 馈线自动化 馈线自动化是指配电线路的自动化的重要组成部分【1 7 】，广义地说，馈线自动 化应包括配电网的中压和低压电压等级范围内线路的自动化，它是指从变电站的 变压器二次侧出线口到线路上的负荷之间的配电线路。对于高压配电线，其负荷 一般是二次降压变电站；对于中压配电线，其负荷可能是大电力用户或是配电变 压器，对于低压配电线，其负荷是广大的用户。各电压等级馈线自动化有其自身 的技术特点，特别是低压馈线，从结构到一次、二次设备和功能，与高、中压有 很大的区别。因此目前在论述馈线自动化时是指中、高压馈线自动化，而且特别 是指中压馈线自动化，在我国尤其是指1 0 k v 馈线。在本论文着重在1 0 k v 范围内 的馈线自动化。 2 ) 配电管理自动化 配电管理自动化是指用现代计算机、通信等技术和设备对配电网的运行进行 管理，从信息的角度看，它是一个信息收集和处理的系统。文献 18 】已对此做了 详细的分析与阐述。通信是实现配电网全局性数据采集与控制的基础。在此基础 上进而实现配电s c a d a 、配电高级应用( p a s ) 。同时，以地理信息系统( g i s ) 为平台实现配电网的设备管理、图资管理，而s c a d a 、g i s 和p a s 的一体化则促 使配电自动化成为提供配电网保护与监控、配电网管理的全方位自动化运行管理 系统【1 9 ，2 0 1 。 综上所述，配电自动化系统主要分为二个阶段实施：馈线自动化阶段和全面 计算机管理自动化阶段。本论文介绍的是1 0 k v 配电自动化的重要组成部分一即 1 0 k v 电网馈线自动化。 2 2 配电自动化的现状及存在问题 在我国，由于电力工业基础薄弱，加上长期的“重发、轻供观念，使我国 的配电系统自动化水平较低，以往发电和配电投资的比例为1 ：o 1 2 ，大大落后于 发达国家l ：( o 6 o 7 ) 的投资比例【2 l 】。- - - t - 世幺g9 0 年代以来，我国的电力系统 第二章配电自动化主要内容及发展趋势 逐步加大配电网改造的力度，在许多地区实现了配电自动化的试点工作。发展配 电自动化，以适应于我国电力系统改革的需要。 配电网是电力系统发电、输电和配电( 有时也称供电和用电) - - 大系统之一。 电力公司通过配电网实现产品销售一向广大电力用户提供电能。长期以来配电网 的建设未得到应有的重视，建设资金短缺，设备技术性能落后，事故频繁发生， 严重影响了人民生活和经济建设的发展，随着电力的发展和电力市场的建立，配 电网的薄弱环节显得越来越突出，形成电力需求与电网设施不协调的局面。国家 颁布设施的电力法的贯彻后，电力作为一种商品进入市场，接受用户的监督和选 择，甚至于对电力供应中的停电影响追究电力经营者的责任。另一方面，高精密 的技术和装备对电能的质量要求也日益提高，配电网供电可靠性已是电力经营者 必须考虑的主要问题。 当前我国配电网存在的问题，配电网的发展是随城市建设规模及用电负荷迅 速增长和供电可靠性要求而提出的，由于城市规划与电力的条块分割，形成了不 相适应配电网结构，使配电网规划及发展不适应城市的需求，配电网络电源点落 后于城市建设的发展，由于城市规模，电源点容量及电能输出受到限制，尤其是 配电线路的传输通道。改革开放以来城市建设速度迅速，负荷增长率高，但电力 配套建设不及时，输电线截面小，供电线路长，瓶颈效应比较突出，造成有电能 也输不出去，并往往会因此而引起停电事故。出线走廊的规划建设与城市规划不 相适应，有的地方改用地下电缆，施工及投资不允许；某些地方采用架空导线又 受到地理环境所限：还有的部分线路采用绝缘导线，出现较多的架空线和电缆混 合网，造成网络复杂化。早期建设的线路导线截面小，高能耗设备多，线损率高， 一般地区电能损耗在1 5 , - - 2 0 ，个别地区甚至高达3 0 ，造成能源大量浪费和 环境污染。由于早期配电网投资不足，设备老化和技术性能低劣，供电事故频繁， 一些小故障往往会引发全线甚至大面积停电事故，给社会治安及经济市场造成极 大的影响。配电网结构复杂，环网联络接点较多，城市电网改造涉及面广，停电 难度大。 2 3 配电自动化发展值得注意的问题 1 ) 规划和建设好配电网架，这是实现配电自动化及管理系统的基本条件。 常用的配网接线有树状、放射状、网状、环网状等形式，其中环网接线是配网最 常用的一种形式。将配电网环网化，并将1 0 k v 馈线进行适当合理的分段；保证 在事故情况下，11 0 k v 变电容量、1 0 k v 主干线和1 0 k v 馈线有足够的转移负荷的 能力。 第二章配电自动化主要内容及发展趋势 2 ) 统筹安排，分步实施。配电自动化及管理系统的开发和应用，是从传统 的管理方式向现代化管理方式的飞跃，其涵盖的内容十分广泛，必须统一规划， 因地制宜，以实现最佳的投入产出比。 3 ) 解决好实时系统与管理系统的一体化问题，由于配电自动化( d a ) 涉及的 一次设备成本较大，目前一般仅限于重要区域的配网使用，而a m 瘪m g i s 则可 在全部配网使用。若使用一体化可通过a m f m g i s 系统在一定程度上弥补d a 在这方面的不足，故配电自动化及管理系统的实时s c a d a 和a m f m g i s 的一 体化颇为重要。所谓一体化，就是指g i s 作为计算机数据处理系统平台的一个组 成部分，整个系统的实时性和数据( 包括图形数据) 的一致性得以保证，使得 s c a d a 和a m f m g i s 通过一个图形用户界面( g u i ) 集成在一起，从而提高系统 的效率和效益。 4 ) 配置合理的通信通道，通信系统信道的选用，应根据通信规划、现有通 信条件和配电自动化及管理系统的需求，按分层配置、资源共享的原则予以确定。 信道种类有光纤、微波、无线、载波、有线。主干线推荐使用高中速信道，试点 项目建议使用光纤。 5 ) 选择可靠的一次设备，对于一次开关设备除满足相应标准外，还应满足 配电自动化及管理系统的要求。 2 4 配电自动化的发展趋势 1 ) 注重投入产出，不盲目追求设备豪华和先进，注重可靠性，采取了统一 规划、分步实施原则，不同的地区采用不同的模式，优先实施网架基础好，经济 效益和社会效益明显的区域。 2 ) 在提高配电自动化在配电系统发生故障时的反应速度、隔离故障准确性 的基础上，充分挖掘现有配电自动化系统的功能。例如在配电网正常运行时，通 过网络优化和负荷转移降低线损、扩大供电能力、推迟设备投资和电网改造的周 期，使得配电自动化系统的经济效益有了根本的提高，预计几年后将能够收回投 资并产生可观的经济效益，还可以在提高供电质量、改善用户服务质量、降低电 能损耗等方面作出巨大的贡献。 3 ) 向开放式、一体化和集成化的综合自动化方向发展。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。 4 ) 通信方式多样化。配电网通信有无线、光纤、专用电缆、载波等多种通 第二章配电自动化主要内容及发展趋势 行方式，但在主通信线路上更倾向于使用光纤，1 0 k v 配电线载波通信以及基于 g p r s 和c d m a 的无线通信在配电网中的应用受到用户的广泛关注。 5 ) 目前国外正致力于的配电自动化专家系统和配电网仿真培训系统等研究。 并且在研究通过负荷分配的优化来减少网损，对变压器负荷进行管理，以最大限 度地利用变压器容量并降低系统有功损耗，以及按即时电价对用户负荷进行管理 等。 2 5 小结 本章论述了配电自动化的主要内容，即配电自动化系统主要分为二个阶段实 施：馈线自动化阶段和全面计算机管理自动化阶段。同时本章还着重论述了当今 配电自动化系统发展的重点和趋势，在发展我国自主特色的配电自动化道路上， 我们更应该着眼未来，抓住技术的主流，结合当地的实际情况制定出最优的配电 系统自动化方案。 第三章馈线自动化系统故障处理的三种应用模式及比较 第三章馈线自动化系统故障处理的三种应用模式及比较 3 1 系统故障处理的三种应用模式 3 1 1 重合器、分段器方式 所谓重合器、分段器模式，其工作原理为 2 2 1 ：利用重合器的多次重合与分 段器配合即一条馈线上不同分段器设置的记忆短路电流的次数不同，在分段器记 忆达到预定的次数后该分段器即自行断开，以达到断开故障点之目的。 重合器、分段器是将馈线故障自动限制在一个区段内的有效方式 2 3 】。见图 3 - 1 ，重合器r 位于线路首端，该馈线由a 、b 、c3 个分段器分为4 段。当b c 区段内发生故障f 1 时，重合器r 动作切除故障，此后，a 、b 、c 分段器因失 压而自动断开，重合器r 经延时后重合，分段器a 电压恢复后延时合闸。同样， 分段器b 电压恢复后延时合闸。当b 合闸于故障后，重合器r 再次跳开。当重 合器第2 次重合后，分段器a 将再次合闸，此后b 将自动闭锁在分闸位置，从 而实现故障切除、故障隔离及对非故障段的恢复供电。目前在我国城乡电网改造 中仍使用大量重合器，这种简单而有效的方式能够提高供电可靠性，相对于传统 的电流保护而言它有较大的优势。该方案的缺点是故障隔离的时间较长，多次重 合对相关的负荷有一定影响。 图3 1 重合器、分段器示意图 3 1 2 电流型故障处理模式 c 电流型故障处理模式，其工作原理为：将线路的f t u 采集的实时数据上传到 主站系统，在主站系统作出判断后，向相关r t u 发出执行命令隔离故障。它的实 现需要由通信系统及后台主站建立后完成。在配电自动化系统中，涉及到数据的 采样以及各种参量的计算，电力系统配电网的电力参数采集方式一般可以分为直 第三章馈线自动化系统故障处理的三种应用模式及比较 流采样方式和交流采样方式两种 2 4 - 2 6 】。 电流型开关是依靠自身检测故障电流来判断故障，从而确定开关是否进行跳 或合。采用电流型开关实现馈线自动化的原理【2 7 】如图3 2 所示。正常运行时，r 1 、 r 2 、r 3 、r 4 都处于合闸位置，l 段、2 段由s l 电源供电，3 段、4 段由s 2 电 源供电。r 1 、r 3 动作电流整定相同，其控制器一旦检测到电源失压，在预定的 延时后动作；r 2 、r 4 动作电流整定相同，其控制器一旦检测到电源失压，也按 整定参数动作，但动作延时比r 1 、r 3 长，且同时改变其最小脱扣电流值及到合 闸闭锁的动作次数。r 0 时刻监视着两边的电压，无论哪一边失压，它将在比r 2 、 r 4 的动作时延又稍长的时延后作关合动作。当2 段发生故障时，r 1 快速动作跳 开。若为瞬时故障，r l 重合，线路正常供电。若为永久性故障，r 1 重合不成功， 进入慢速重合，r 2 、r 0 检测到失压，r 2 动作到分闸闭锁。经过一定延时，r 0 合 闸于故障状态，在预定的延时和操作次数后也闭锁于分闸状态，r l 慢重合成功。 这样把故障隔离在2 段，l 段由s 1 供电，3 段、4 段由s 2 供电。 s 。t l 段 缎， 锻 3 段i 2 。 l 段 缎， 锻 3 段 i 2 l 图3 2 电流型馈线自动化示意图 电流型配电自动化后台系统是通过检测故障电流是否通过开关和出线侧开 关的状态来实现判断故障、隔离与恢复故障区段供电。电流型后台系统判断故障 的原理 2 8 如图3 3 所示。在正常运行状态，c b l 、c b 2 、k g l 、k g 2 、k g 3 、 k g 4 、k g 5 、k g 6 投入，k g 7 断开。当d 点发生故障时，变电站出口断路器c b l 跳闸后又快速重合闸一次，如果d 点发生瞬时性故障，重合成功，恢复供电。 如果d 点发生永久性故障，重合不成功，后台系统对采集到的r t u 的故障信息 和变电站综合自动化信息进行分析，其中f t u l 、f t u 2 流过故障电，f t u 3 、 f t u 4 、f t u 5 、f t u 6 没有流过故障电流，因此判断故障发生在开关k g 2 与k g 3 之间。后台发出控制命令通过通信系统切开关k g 2 、k g 3 ，从而隔离故障，同时 投入c b l 和开关k g 7 ，恢复c b l - - 一k g 2 ，k g 3 - 一- k g 7 之间的非故障段供电。电 流型系统需要通过故障电流来判断故障，因而必须能够采集保存故障时的信息， 因而为了保证采集到故障信息和故障时的操作，必须采用蓄电池。 第三章馈线自动化系统故障处理的三种应用模式及比较 变电站a d - 卜_ 一e 丽- 辐面卜愿琵o l - 一1 【i 吾一一r k - k g ? ! 一k g 6 f 愿荫卜_ r 丽零l 。一一 。 1 一 变电站b 卜_ 一 c b 2 l 一 。一 一_ 型卜_ 匣里迥雯书丽卜一厦回_ 网卜 图3 - 3 采用后台的电流型馈线自动化系统示意图 3 1 3 电压型故障处理模式 电压型故障处理模式，其工作原理为：以电压为判据对事故进行判断处理， 假设某区发生永久性故障，变电站内断路器先于杆上开关开断，随后各级杆上开 关无压释放，在断路器重合闸后，杆上开关按设定的延时时间逐一关合，当前一 级开关关合后，因事故未排除，断路器再次掉闸，即相当于重合闸失败，而与此 同时，某区的前后两级开关同时闭锁，切除故障区间。通过再次重合，对故障区 段的前端恢复供电，环网点的联络开关在感觉到一端失去电压后会经过一定的延 时时间后自动投入，以便使故障段后的区域恢复供电。通过记录断路器由重合到 重合失败的时间即可准确判断出故障区间。 3 2 三种故障处理模式系统应用的比较 重合器采用电流作为判据，利用电流时间曲线逐级配合切断故障，并利用自 动重合成功与否达到恢复供电和隔离故障的目的。但是，配电线路供电半径的缩 短和分段数量的增加，以及线路上负荷情况的变化为各级开关的电流时间的配合 带来了整定难题。其次，电流型的自动化开关均采用直流作为操作电源，户外恶 劣的运行环境使电池的寿命明显降低，杆上维护也很不方便。第三，由于自动化 开关要切断故障电流，高昂的造价同样不利于大规模的推广。和计算机后台的配 合必须高度依赖通信系统，而配电自动化的通信系统不论是通信方式还是目前的 技术水平，恰恰是整个系统最薄弱的环节。配电网由于受城市地形的限制，一般 一 合息一 一 充一 掀惴 一鼽撩一 一 电动一 一杓副一吾 第三章馈线自动化系统故障处理的三种应用模式及比较 采用以架空为主，电缆为辅的混合网，永久性故障大多数是外力所致，这就很可 能同时伴有通信设施的损坏，因此，高度依赖通信系统进行故障处理具有较大的 风险性。经过大量的调研和慎重的考虑，电压型是符合我国配电网实际情况。 对于重合器、分段器模式，这一模式的优点在于设备简单、不需要通信手段 即可切除故障，但它需要在每条馈线前加装重合器，而重合器与站内的出线断路 器的时间配合较难整定，很难保证每次故障时重合器动作而出线柜不跳闸。另外， 随着区段的增加，重合器的重合次数也会因故障点位置的不同，需要多次重合。 再者，这一模式较难用于环网。从现阶段来看，重合器与分段器配合较适合于农 村辐射网，尤其是利用重合器取代出线开关柜的小型化变电站。 电流型配电自动化系统，其系统的构筑是建立在以主站系统强大功能基础上 的自动化系统，即在配电自动化的进行过程中，在主站、通信、设备均到位的情 况下，通过计算机系统对采集的电流信号作出判断，通信系统完成信号传递，由 一次设备作出执行机构，来完成配电自动化的各种功能，这种模式是一种集中智 能方式。 电压型配电自动化系统，其系统的构筑可采用分阶段实施方案，即第一阶段 馈线自动化先行，第二阶段解决通信问题，实现配电s c a d a ，第三阶段实现全 面的配电自动化。其分阶段实施的方案是通过边投资边收益方式来实现的，即在 馈线自动化阶段，通过设备电压时间的配合，利用一次设备的智能化功能隔离 故障，首先实现故障区段的隔离，非故障区段的供电恢复，提高供电可靠性、实 现售电效益。此后，在馈线自动化的基础上构筑配电自动化系统，作为更高一级 的管理系统。在文献 2 9 】中对电流型与电压型进行了更详细的比较。 3 3 电压型配电自动化的特点与优势 1 ) 供电电源的优势 电流型的配电自动化系统，在一次重合失败后，通过后台系统判断并对故障 区段前、后一级的开关发出分闸命令。这时线路存在两个情况：要么根据常规柱 上开关工作原理，这时的开关是关合状态要么由于系统判断出故障位置后，需要 向相应的开关发出分闸命令，而此时线路无电，需要额外的电源提供开关分闸的 激励电源和通信电源。这时，对蓄电池的要求及停电时的供电电源等相应问题就 随之而来。而蓄电池作为工作电源，尤其是应用于户外设备，其免维护性和户外 环境的适应性都存在许多问题，杆上设备的可靠性就有所降低。电压型配电自动 化系统开关动作的基本原理来电关合、无压释放，避免使用蓄电池作为供电电源。 2 ) 不依赖通信系统 第三章馈线自动化系统故障处理的三种应用模式及比较 当故障发生时是通信设备最为薄弱的环节，对于电流型的配电自动化系统， 对通信设备依赖性极强。而电压型故障处理模式对故障处理主要依赖于设备自身 智能化的功能，不依赖于通信系统，电流型故障处理模式则完全依赖于通信系统， 通信系统的任何问题都会造成整个配电网的瘫痪。在实际应用中，配电网的通信 问题是整个配电自动化的难点，因为配电网不同于主网，它庞大而复杂，建立这 样庞大、复杂的通信系统，其可靠性远远赶不上一次线路自身的可靠性。 3 ) 对判据的整定易于调整 电流型以电流为判据，它对于大规模采用地缆线路且配网中性点接地系统的 欧美国家较适宜，而对于我国架空线与地缆并存且中性点不接地的1 0 k v 系统， 电流判据在上下级开关问整定值的配合是比较难以调整的。即便调整完毕以后， 随着线路负荷的改变，环网点的改变，各级整定值均要做出相应变化，这于对不 断发展中的配电网尤其显得不方便。而电压型模式，其故障判断以线路电压为判 据，不受线路负荷的影响，对判据的整定易于调整。 4 ) 与电网改造的现状和发展的配合问题 电压型故障处理模式能够顺应城网改选的步骤，实现边投资边收益的原则。 因为从全国来看，配电自动化在各地均必须结合当地电网改选的具体情况分步骤 实施，对于大部分地区，配网的网架结构还不尽合理，电源点的布置还不够完善， 甚至多数地区的首要任务仍是解决换杆换线以及绝缘化等多年的欠帐问题，因此 对于开始就需要通信系统及后台主站一步到位的电流型故障处理模式，很难与这 种变化中的配电网适应，因此电压型故障处理模式能够与电网改造的现状和发展 相配合。 5 ) 配合设备的可靠性发展过程 产品可靠性问题是配电自动化一个系统工程。它需要整个系统在多年运行经 验基础上的不断磨合，它需要一次设备与通信和后台的完美配合，日益完善，最 终才能达到相互配合。可靠的自动化系统，而现在配电自动化则最为欠缺对这一 点的认识p 。 应用于电压型故障处理方式的一次自动化开关，f t u 及其相应的后台系统 已充分考虑了可靠性发展的问题。电压型配电自动化设备及系统的工业化程度和 可靠性很高，首先看一下系统，以日本东芝公司在系统开发为例，在系统开发的 早期他们也走过许多弯路，其中也尝试四遥型断路器自动开断电流模式，重合器、 分段器模式，上述的电流型模式等不同的方案，经过不同地区的实际运行经验， 在付出了沉重的经济、社会代价后，才最终选择了电压型的配电自动化方案，当 然我国的具体情况与日本又不同，尤其是几十年来科技水平已突飞猛进，但他们 走过的道路及吸收的经验教训仍然非常值得我们借鉴，尤其是我国许多自行开发 第三章馈线自动化系统故障处理的三种应用模式及比较 的配电自动化系统还没有大面积大容量投运的情况下。 3 4 小结 本章重点介绍了目前馈线自动化系统故障处理的三种应用模式：重合器、分 段器方式、电流型故障处理模式、电压型故障处理模式。本章分别对馈线自动化 系统重合器、分段器方式、电流型故障处理模式、电压型故障处理模式的三种应 用模式进行了分析，并予以比较，同时对电压型馈线自动化所具有的优势进行了 论证。 第四章电压型馈线自动化应用原理及设备构成 第四章电压型馈线自动化应用原理及设备构成 所谓电压型馈电自动化设备，是指基于电压、时间配合工作原理的设备，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。电压型馈线自动化【3 l 】就是利用一次设备配套的智能 化功能，完成对线路故障区段的隔离、非故障区段的供电恢复，达到减少停电区 间、缩短停电时间的目的。 电压型馈线自动化系统户外配电自动化设备由真空开关、故障搜查控制器或 一体型终端和电源变电压组成。户外设备和站内出线断路器或重合器配合，可以 自动完成故障区段的检测、判断、隔离，并达到对非故障区段的迅速供电恢复， 从而减小停电区间、缩短停电时间、提高供电可靠性。 4 1 电压型馈线自动化原理 电压型馈线自动化系统原理中最基本特征是判据，电压型馈线自动化系统判 据为电压一时限式。电压型馈线自动化设备构成为：真空自动配电开关、故障搜 查器、一体化遥控终端和电源变压器。当然，还要与变电站内线路保护和重合闸 一起配套使用。 对于分段点位置的开关，在正常工作时开关为常闭。当线路因停电和故障失 压时，所有的开关打开。在第一次重合后，根据控制器设计的延时设置，线路分 段一级一级的投入，直至投到故障段后线路再次跳闸，故障区段两侧的开关因感 受到故障电压而锁扣。当站内断路器再次合闸后，正常区段恢复供电、故障区间 通过锁扣而隔离。 对于联络点位置的开关，在正常时感受到两侧有电压时为常开，当一侧电源 失电时，该联络开关开始延时进行故障确认，延时时间整定值为故障侧线路完成 对故障确定并锁扣的时间，在延时时间完成后，联络开关投入，后备电源向故障 线路的故障后端正常区间恢复供电。 分段点位置和联络点位置所使用的开关、控制器和变压器设备完全相同，其 功能的转换只需将控制器底盖内部的功能模式切换开关( m o d e ) 放在s ( 分段 点功能) 或l ( 环网点功能) 来实现，所以调整非常方便。 第四章电压型馈线自动化应用原理及设备构成 4 1 1 设备用于辐射电网结构的故障检测和恢复供电的原理 图4 1 是一条辐射电网的基本结构，c b 为线路出线断路器，线路上分别安 装了分段开关p v s “b “c “d “e ”，这些开关的控制器具有延时设置键，根 据线路的状况，分别将“b ”“c ”“d ”“e ”的控制器延时设为7 s 、1 4 s 、7 s 、1 4 s ， 表示当各级开关在感受到一端来电时，通过上述的延时时间完成关合。 下面给出了当线路c 区段发生短路故障时，整条线路的工作过程。 ( 1 ) 首先，电网在正常状态下，断路器c b 和p v s “b ”“c ”“d ”“e ”均 处于关合状态，线路供电正常。 ( 2 ) 当c 段发生故障，因故障引起变电站内c b 跳闸，这时所有的杆上开 关因失压而打开。 ( 3 ) 站内的断路器c b 在经过一定延时后( 举例为5 s ) 进行第一次重合闸， 这时电源送至p v s “b ”的一侧。 ( 4 ) 这时p v s “b 的控制器在感受到一侧电源后，开始计时，在完成了 7 s 计时后，p v s “b ”自动关合，“b 区段供电。这时，电源同时送至p v s “d “c 的一侧，其控制器同时启动计时。 ( 5 ) 当计时器计满7 s