配电自动化-概论.ppt

配电自动化技术概论 一 配电网的概念和特点二 配电网的评价和相关问题三 配电自动化的基本概念四 配电自动化的功能五 配电自动化的发展现状 一 配电网的基本概念及特点配电网的基本概念 在现代电力系统中 大型的发电厂往往远离负荷中心 发电厂发出的电能 一般要通过高压或超高压输电网络送到负荷中心 然后在负荷中心由电压等级较低的网络把电能分配到不同电压等级的用户 这种以各级电压的电力线路及其联系的变电站组成的统一体称为配电网络 DistributionNetwork 配电区域内的配电线及其配电设施的总称叫配电系统 按电压等级分 高压输电网 220kV 500kV 750kV 1000kV 高压配电网 66kV 110kV 中压配电网 10kV 35kV 低压配电网 220 380V 按地域分 城市配电网和农村配电网起分配电能作用的网络称为配电网 发 输 配 供 用 城市配电网和农村配电网的特点 1 城市配电网的主要特点 1 深入城市中心地区和居民密集点 负载相对集中 发展速度快 因此在规划时应留有发展余地 2 用户对供电质量要求高 3 配电网的设计标准较高 在安全与经济合理平衡下 要求供电有较高的可靠性 4 配电网的接线较复杂 要保证调度上的灵活性 运行上的供电连续性和经济性 5 随着配电网自动化水平的提高 对供电管理水平的要求越来越高 6 对配电设施要求较高 因为城市配电网的线路和变电站要考虑占地面积小 容量大 安全可靠 维护量小及城市景观等诸多因素 2 农村配电网的主要特点 1 供电线路长 分布面积广 负载小而分散 用电季节性强 设备利用率低 2 发展速度快 存在建设无规划 布局不合理 施工无设计 设备质量差等先天不足 3 农电队伍不稳定 专业水平不理想 4 农电用户多数是乡镇企业 农业排灌和农民生活用电 用户安全用电知识贫乏 严重影响安全供用电 国内 国外投资比例 电网结构的布局形式 基本接线方式放射型 Radial 只从一端供电的电路环型 loop 构成一个完整的单电源的环形电路网孔型 Meshed 多数是多电源供电单电源供电的网络运行方式多电源供电的网络运行方式中压配电线路的类型 架空线路 电缆线路 两种类型的中压配电线路接线模式不同 架空线路配电网主要的接线模式 架空线路是将导线架设在电杆上 一般采用放射式供电形式 成本低 投资少 施工周期短 容易维护及检修 容易查找故障 架空线路 A 单电源放射型接线模式 B 双电源环网形 手拉手 接线方式 两个电源点之间用两条放射形线路通过联络开关连接 可实现整条线路互带或部分线路互带 在正常运行方式时一般联络开关处于断开位置 开环运行 C 三电源环网形 手拉手 接线 三个电源点之间每两个变电站由两条线放射形线路通过联络开关相连接 构成环网 形成互相支援的格局 D 四电源环网接线其故障隔离与转带方法与三电源点环网接线相似 两个双电源环网之间通过两个联络开关分别相连 使4个站所带的每一条线路除本站所在电源外 均可通过联络开关与另几个电源点相连 电缆线路配电网主要的接线模式 电缆敷设方式 1 直接埋在地下的直埋式2 专用的电缆沟敷设3 排管敷设4 隧道敷设5 水下敷设 电缆线路主要指直接埋设地下的配电线路 与架空线路相比 其受外界的因素影响较小 但成本高 投资费用大 故障地点较难确定 有时造成用户较长时间停电 A 单放射式接线由一个电源点放射状串联连接多个用户 B 单环网接线方式 与架空线路的双电源环网接线方式类似 两个电源点形成环网供电 并环运行 C 双放射接线 自一个变电站或开闭所的10kV不同母线引出双回路线 相当与在单放射式接线的基础上又增加了一套设备 该方式的故障处理方法与单放射式相似 D 双环网接线方式 将两个不同变电站的双放射线路连接起来 开环运行 其供电可靠性得到了充分的保证 故障处理方法与单环网方式相似 架空 电缆混合接线方式 城市中受街道 树林 建筑限制 使架空线无法架设 故目前多采用此不规则接线方式 随着变电站容量的增加 出线增多如全部采用架空形式将无法出线 因而产生混合式接线方式 二 配电网供电几个基本概念 电压偏差网损率负载率负荷矩容载比用户平均停电时间AIHC1供电可靠率RS1 1 评价指标 电压偏差 电压偏差 我国 35 110KV变电所设计规范 GB50059 92第一章 总则 第一条规定 35 110KV电压允许变化范围为额定电压的 5 10KV电压允许变化范围为额定电压的 5 400V电压允许变化范围为额定电压的 3 7 2 评价指标 网损率 网损率 我国国家标准 评价企业合理用电技术导则 GB3485 83 中规定 降低企业受电端至用电设备间的线损 线损率应达到下列指标 一次变压 3 5 以下 二次变压 5 5 以下 三次变压 7 以下 3 评价指标 负载率 负载率 负载率越大 越接近线路的热稳定极限和动稳定极限 线路承受负载的能力越低 安全性能越差 负载率越小 经济性能越差 4 评价指标 负荷矩 负荷矩 电力工程电气设计手册 规定 35kV输电线路的供电半径为20 50km 110kV为50 150km 220kV为100 300km 并给出了电压损耗为10 时各电压等级线路在使用不同型号导线时 对应不同功率因数的负荷矩 下表功率因数为0 95 返回 5 评价指标 容载比 容载比 我国 城市电力网规划设计导则 规定 各地区城市电网规划设计中应根据现有统计资料和电网结构形式确定合理的容载比 并推荐220kV变电所可取1 8 2 35 35 110kV变电所可取1 6 1 9 6 评价指标 用户平均停电时间AIHC1 用户平均停电时间 供电用户在统计期间的平均停电小时数 7 评价指标 供电可靠率RS1 供电可靠率 供电可靠率反映了一个供电企业的电网状况 供电水平和管理水平的高低 目前 国内供电企业宣布的供电可靠性一般能达到99 9 即每年中对用户停电时间不超过9小时 1 供电可靠性中国RS 99 96 日本RS 99 998 日本每户年停电时间为 6min 法国每户年停电时间为 69min 英国每户年停电时间为 80min 美国每户年停电时间为 98min 2 电力负荷密度负荷 KW 平方公里 KM2 北京10000 12000KW KM2上海14000 15000KW KM2伦敦18000 20000KW KM2东京19000 21000KW KM2 8 供电电能质量 电压偏差频率偏差波形畸变电压波动和闪变电压三相不平衡 三 配电自动化的概念 配电自动化 是对配电网上的设备进行远方实时监视 协调及控制的一个集成系统 手段 利用通信技术和计算机技术对配电网进行智能化监控管理 目的 提高供电可靠性和供电电能质量 始终处于安全 经济的最优运行状态 配电网自动化系统的含义配电网自动化系统 DistributionAutomationSystem DAS 是一个涵盖面很广 用于管理与运行配电网的综合自动化系统 包含了配电网中的变电站 馈电网络及用户的管理 监控 优化等功能 其功能内容大致可以分为四个方面 即 变电站自动化馈电线自动化需求侧用电管理配电管理自动化 配电管理系统与配电网自动化系统将变电站自动化 馈线自动化 需求侧用电管理及配电管理自动化的有机集成称为配电管理系统 DistributionManagementSystem DMS 将第一和第二部分相关的自动化系统合称配电自动化 DistributionAutomation DA EMS和DMS在电力系统中的关系 发电厂 输电线 高压变电站 配电网 用户 AGC 调度自动化 SCADA 需方管理 能量管理系统 配电管理系统 电网调度自动化 配电自动化系统 搞好配电自动化的意义 安全性 有利于调度控制和负荷管理经济性 1 降损节能2 减员增效可靠性 缩小故障影响范围 缩短故障处理时间提高供电能力改善电能质量降低劳动强度 提高管理水平 实施配电网自动化的效益1 实施变电站综合自动化后 变电站可节约占地面积 同时 因可以实现无人值班 可节约人力及运行费用 2 实现潮流控制 调整负荷 改善负荷曲线 充分利用现有设备潜力 推迟或减少新增发配电设备的投入 3 合理及时调整运行方式 降低网损 4 系统安全性 灵活性提高 5 由于采取快速 准确的电压 无功调节 利用DFACTS技术减少停电次数 停电持续时间 更合理地进行无功补偿 减少谐波含量等技术 电能质量得到提高 6 用户可以得到按质论价的电力供应 7 制度化的计算机处理 提高了服务质量 8 达到节能效果 预防事故发生 提高供电可靠性的 个对策 缩小事故区间 迅速进行负荷转移 配电网自动化与供电可靠性 预防事故发生 缩小事故区间 迅速进行负荷转移 提高供电可靠性的3个对策 通过区间分割来提高供电可靠性 区间分割的优点 1 缩小故障停电范围 区间分割后 用户 SW SW 停电范围 停电范围 SW SW 通过区间分割来提高供电可靠性 区间分割的优点 2 搜索故障点的快速化 搜索范围的缩小 区间分割后 搜索范围 事故点 搜索范围 事故点 提高供电可靠性的3个对策总结 分割区間 系统构成复杂化 应用 经济性 设备利用率 迅速恢复事故 构筑多分割多连接网络 对停电时间和停电户数范围进行判断现状 50分 年 户期望值 25分 年 户增设开关总数 总区间数 50 制约条件 计划投资额 开关单价 资金方面允许增设的开关台数 实际增设台数 要分割的区间的选定 区间分割工程 1 区间选定 从全区间根据区间负荷 K1 区间总长 K2的大原则来选定N区间 综合考虑N区间和其他的条件来最后决定出要分割的区间数 2 增设开关的工程 小区間化的实施步骤 年度予算 配电设备投资与如何进一步提高可靠性 投资费用 可靠性 投资与效果的界限 100 用DAS进一步提高可靠性 在多分割多连接的前提下增设DAS 预防事故发生 缩小事故区间 迅速进行负荷转移 提高供电可靠性的3个对策 0 0 15 150 分 3 60 90 分 5 30 0 25 55 停电户数 事故区间停电户数 非事故区间停电户数 配电线事故 变电站事故 自动控制后 自动控制后 自动控制前 自动控制前 实施配电自动化前后的效果对比 四 配电自动化的功能 配电自动化有三个基本功能 安全监视 控制 保护 安全监视功能 通过采集配电网上的状态量 开关位置和保护动作情况等 和模拟量 电压电流和功率等 以及电度量 对配电网的运行装况进行监视 控制功能 远方控制开关的合闸与分闸 远方控制有载调压设备的升压和降压 已达到所期望的目的 保护功能 检测和判断故障区段 隔离故障区域 恢复正常区域供电 配电网自动化的基本功能 按配电网自动化系统的基础性功能划分1 自动控制功能 2 数据采集与处理功能 3 人工控制功能 4 保护功能5 负荷管理功能 6 远方计量功能 7 各种管理 估计 计算的功能等 按配电网自动化系统的子系统划分1 配电自动化 DistributionAutomation DA 配电变电站自动化 SubstationAutomation SA 馈线自动化 FeederAutomation FA 配电网的通信系统 DFACTS技术 远方抄表系统及其他配电自动化技术 配电网自动化系统的结构 五 配电自动化的发展 国外自动化的发展大致分为三个阶段第一阶段 大约在70年代主要目标 在重要的线段实现故障自动隔离 自动抄表 试点工作 是基于自动化开关设备相互配合的配电自动化阶段 其主要设备为重合器和分段器 不需要建设通信网络和计算机系统 自动化程度低 仅在故障时起作用 正常运行时不起监控作用 因此不能优化运行方式 第二阶段 80年代初期主要目标 配电自动化设备投入 促进负荷控制的发展 是基于通信网络 馈线终端单元 FTU 和后台计算机网络的配电自动化系统 在配电网正常运行时 也能起到监视配电网运行状况和遥控改变运行方式的作用 故障时能够及时察觉 并由调度员通过遥控隔离故障区和恢复健全区供电 第三阶段 80年代后期主要目标 微机和通讯技术的发展 分布式实时网络的出现 是在第二阶段的基础上 增加了闭环自动控制功能 由计算机自动完成故障处理等功能 第三阶段的配电自动化系统的是形成了集配电网SCADA系统 配电地理信息系统 需方管理 调度员远方调度 故障呼叫服务和工作票管理等一体化的综合自动化系统 日本九大电力公司 北海道 东北 东京 北陆 中部 关西 中国 四国 九州 日本电力公司概要 500 600 亿Kwh 89 97 96 95 94 98 93 年度 700 510 596 643 667 690 699 720 九州电力公司总销售电量变化 日本DAS开发的历史 77年日本最早的配电自动化系统 九州电力 85年采用GIS 真正意义的大規模配电自动化系统完成 获产业技术大奖 86年北陆电力 关西电力引入 87年四国电力 东北电力引入 89年中部电力引入 90年北海道电力引入 94年九州电力实现100 开关的远动化96年开发功能分散型的DAS系统 UNIX服务器 97年多服务器型开放型系统01年在九州电力已有80个 系统投运 分 年 户 年 九州停电时间 九州电力提高供电可靠性的历程 我国配电网自动化的发展工作起步于20世纪80年代末 其标志是石家庄和南通各引进了一套日本户上制作所赠送的配电网自动化环路设备 该设备相当于日本70年代装备水平 我国真正开展工作是在90年代1990年沈阳局开始制定配电线路自动化方案1993年邢台局和电科院制定自动化规划方案1994年广州和大连开始配电自动化试验1996年上海市东供电开始配电自动化工作 国内配电自动化发展概况 1998年推进城网建设和改造工作会议1999年10KV配网自动化发展规划要点2000年配电自动化终端设备通用技术条件特点 1 一期试点多为小规模2 控制方式绝大多数为集中式 部分采用就地式 电压型 3 架空线路为主4 通信方式的多样化 国内配电自动化发展特点 实施配电网自动化的难点及分析1 配电网结构复杂 加之网中配电变电站 开闭所总的电气设备数量大 信息量大 即使经过处理 仍会给DAS系统组织带来困难 2 配电网有大量的FTU及TTU工作于户外 工作环境恶劣 通常要求能在较大温度范围内 湿度高于95 的环境下正常工作 并要考虑防雨 防雷等问题 3 由于配电网的站端设备数量大 节点多 在一个配电网中往往根据需要 会有多种通信方式混合使用 以减少总的通道数量 4 在配电网自动化系统中 工作于户外的设备的工作电源和操作 控制电源的可靠取得是一项必须解决的问题 否则若干自动功能不能实现 5 目前 我国实现DAS 除个别新建小区 主要都是在已有配电网上进行改造 配电网自动化实施中应注意的问题 配电网自动化要求有与之相适应的电网接线方式 在设计电网发展规划时应考虑 对于已有若干单项配电自动化 如已有SCADA 管理信息系统等 的配电网 在施行DAS改造时 不必撤换原有系统 可遵循开放系统原则 最大限度地保留原有硬件资源 使原有设施项目转换接入开放系统 一直使用到该技术淘汰 分析DAS效益时 不仅计及投资 人员 经济性 可靠性的效益 还必须将提高供电质量作为评价DAS的一项重要指标 从DAS的技术发展趋势看 网络化 集成化 通用化 面向对象式设计 DFACTS技术及人工智能技术等 应予以重视和应用 国内外配电网自动化现状与发展趋势1 在技术发达国家 配电网自动化系统受到广泛重视 且起步较早 2 我国DAS系统的建立 总体起步较晚 3 由于配电系统变得愈来愈复杂 以致离开了自动化 就难以使系统在最经济和最可靠的状态下运行 因而配电网自动化系统的应用与发展已是必然趋势 常用英文缩写 1 EMS EnergyManagementSystem2 DMS DistributionManagementSystem3 SCADA SupervisoryControlAndDataAcquisition4 AGC AutomationGenerationControl5 LFC LoadFrequencyControl6 EDC EconomicLoadDispatchingControl7 RTU RemoteTerminalUnit8 MMI MenMachineInterface9 LC LoadControl10 DSM DemandSideManagement 第2讲 终端设备与开关设备2 1终端设备 1 配电变电站的微机远动终端装置 RTU 2 馈线远方终端 FTU 3 配电变压器远方终端 TTU 2 2开关设备 1 重合器 2 熔断器 3 分段器 配电自动化的远动终端装置配电变电站和10kV开闭所是配电网的重要组成部分 因此配电变电站和开闭所的自动化程度的高低 直接反映了配电自动化的水平 配电变电站和10kV开闭所内的自动化和输电网中变电站自动化采用的设备类似 即 要在站内安装微机远动装置 RTU 远动装置 RTU 的发展 触点式远动装置是第一代远动装置 它的精度低 速度慢 可靠性差 数字式远动装置的精度和速度较触点式远动装置有了很大的提高 但它的可靠性及灵活性差 而且功能有限 难以满足现代化高度集中的实时监控的需要 微处理机具有速度快 功能强 应用灵活等特点 自七十年代起基于微处理机的远动装置有了迅速发展 Z80 i8086 80286 8098 MCS 51等高性能微处理机广泛地应用于RTU中 仅有一个含CPU的智能模块微机远动装置 多CPU结构的分布式微机远动装置 微机远动装置的基本功能1 四遥功能 遥信 要求采用无源接点方式 即某一路遥信量的输入应是一对继电器的触点 或者是闭合 或者是断开 遥测 遥测往往又分为重要遥测 次要遥测 一般遥测和总加遥测等 遥控 采用无源接点方式 要求其正确动作率不少于99 99 遥调 采用无源接点方式 要求其正确率大于99 99 微机远动装置的基本功能2 事件顺序记录 SOE 事件顺序记录的一项重要指标是时间分辩率 分辩率可分为RTU内 即站内 与RTU之间 即站间 两种 1 SOE的站内分辩率 是指在同一RTU内 顺序发生一串事件后 两事件间能够辩认的最小时间 在调度自动化中 SOE的站内分辩率一般要求小于5ms 2 SOE的站间分辩率 是指各RTU之间顺序发生一串事件后 两事件间能够辩认的最小时间 SOE的站间分辩率一般要求小于10ms 3 系统对时 RTU站间SOE分辩率是一项系统指标 它要求各RTU的时钟与调度中心的时钟严格同步 目前 采用措施有 1 利用全球定位系统GPS提供的时间频率同步对时 有效地确保SOE站间分辨率指标 2 采用软件对时 SC1801 CDT DNP和Modbus等规约均提供了软件对时手段 4 电能采集 采集变电站各条进线和出线以及主变两侧的电度值 5 自恢复和自检测功能 由于RTU处于一个具有强大电磁干扰的工作环境中 使用中难免发生程序受干扰 跑飞 或通信瞬时中断等异常情况 甚至有时电源也会瞬时掉电 在上述情形下 若不加特殊处理 均有可能造成RTU死机 SCADA系统将因此无法收到变电站信息 要求RTU在遇到上述情形时 要能在较短的时间内自动恢复 重新从头开始执行程序 6 和SCADA系统通信RTU的六项基本性能 应至少支持的一种通信规约 具有通讯速率的选择功能 支持光端机 支持微波 支持载波 支持无线电台 除此之外 还希望RTU具有下列功能 1 当地显示与参数整定输入 即在RTU上安装一个当地键盘和LED或液晶显示器 使得RTU的采集量在当地就可以显示到显示器上 2 CRT显示 打印制表 变电站内的RTU分类 集中式RTU的主要特征为 单RTU 并行总线和集中组屏 分布式RTU的主要特征为 多CPU 串行总线 智能模板 既可以柜中组屏 又可以分散布置 根据结构上的不同 分布式微机远动装置又可分为功能分布式和结构分布式两大类 功能分布式微机远动装置功能分布式微机远动装置是按功能划分各模块 RTU可由智能遥信模块 IYX 智能遥测模块 IYC 智能电度模块 IPA 智能遥控模块 ISOC 智能遥调模块 ISOR 和CPU模块构成 如下图所示 2 结构分布式微机远动装置此体系结构的优点 a RTU单元模块分散地布置在开关柜等当中 而不必单独组屏 从而不仅节省了空间 也使二次连线大大减少 b 很容易将微机保护和监控功能合二为一 成为集成化的产品 甚至连防误闭锁功能也可以包含进去 这样非常有利于实现变电站综合自动化 结构分布式微机远动装置在一个35kV配电变电站中的典型应用如下图所示 3 采用智能电能表简化微机远动装置的结构智能化多功能电能表是一类功能性很强的智能电子设备 IED 它不但能采集分时段有功电能和无功电能 还可以获得电压 电流 有功功率 无功功率以及功率因数等参数 并通过RS 485接口和其它设备相连 采用此结构如下图所示 微机远动装置的选择 直流采样和交流采用直流采样 将采用变送器进行的采样称为直流采样 变送器的作用是将强信号转化为适合计算机和仪表适用的弱信号 将交流信号转换为直流信号 从瞬时信号获得有效值 确保输出直流量和输入测量量之间满足线性关系 实现输入与输出隔离 缺点 数据的准确性受变送器稳定性的影响数据的实时性受变送器响应速度的影响变送器的维护工作量较大需要大量的变送器 加大投资和占地面积 交流采样 不经过变送器 按一定规律直接采集交流量并加以处理 计算出电压 电流有效值以及有功 无功功率的方法就是交流采样 实际上就是用微机取代了传统的变送器 克服了变送器带来的不良影响 精度高 灵活可靠 使用方便 配电网自动化远方终端一般分为两类 馈线远方终端 FeederTerminalUnit FTU 配电线路上的自动测量与控制装置配电变压器远方终端 TransformerTerminalUnit TTU 配电网自动化远方终端用于现场的FTU有三种类型 1 只具有运行参数采集功能 监测 采集馈线的电流 电压 有功 无功 电量 停电时间等 通过通信网络传送到相关变电站 2 在采集单元的功能上加上控制 监控 3 将馈线的微机保护集成到监控单元中 综合的保护 监控 FTU的功能1 遥信 有多路开关量输入 测控开关的位置 2 遥测 按一条线路需要测量的电流 电压进行交流采样 经数字滤波及运算后 得到要求的各运行参数 数据保存在有备用电源的存储器内 掉电不会丢失 也可能有数条线路遥测 3 遥控 装置收到遥控命令后进入命令校验 当命令检验为正确时 通过出口继电器执行命令 跳闸或合闸 4 保护 采用交流采样并能判断故障电流 还具有故障录波功能 将故障前后若干周波波形数据与对应时刻存储到专用存储区 可根据运行方式设置多套保护定值 5 统计功能 对测控的开关的动作次数 动作时间及切断电流进行监视 6 事件顺序记录 记录状态量发生变化的时刻及顺序 7 事故记录 记录事故发生时的最大故障电流和事故前一段时间 一般为1min 的负荷 以便分析事故 并作为确定故障区段及恢复供电时重新分配负荷的依据 8 定值远方修改功能 9 自检及自恢复功能 10 远方控制闭锁与手动操作功能 11 对时功能 12 装置经串口可与多种通信设备接口 13 装置均有工作与备用电源 FTU的供电电源问题FTU采用工作电源及蓄电池作备用是一种常用方式 当线路掉电时 保证10小时内装置仍正常工作 配电网中的自动化开关器件配电网要实现自动控制 作为执行部件的各种自动开关是关键的设备之一 重合器 Recloser 熔断器 Fuse 分段器 Sectionlizer 重合器的功能与分类1 定义与功能 重合器是一种自身具有控制与保护功能的断路器 它具有故障电流检测和操作顺序控制以及执行功能 即它能按预定的开断和重合顺序自动进行开断与重合操作 永久性故障 在达到预先整定的重合次数后 则进行闭锁 不再重合 瞬时性故障 如果故障在重合器未达到规定重合次数前已消除 即重合器在规定重合次数内跳闸并重合后在规定时间内不再跳闸 经过一段时间 重合器自动复位 2 分类a 单相和三相重合器b 油重合器 六氟化流和真空重合器c 液压控制式 电子控制式 重合器开关的特性参数 1 重合器开关的特性参数 2 3熔断器的结构合原理1 概念当流过熔断件的电流超过一定数值时 它自身产生的热量就能自动将熔断件熔断从而达到开断电路的目的 2 原理熔断器开断电路的过程可大致分为三个阶段来描述1 弧前阶段 过电流开始到熔断件溶化2 燃弧初期阶段 熔断件溶化到产生电弧3 燃弧阶段 持续燃弧到电弧熄灭 3 技术术语a 时间 电流 t I 特性b 额定电流 最小熔化电流和熔断系数c 额定开断电流和开断电流下限值d 熔断器的 K 系数 高压熔断器的选择 1 按额定电压选择 对于一般的高压熔断器 其额定电压必须大于或等于电网的额定电压 而对于充填石英砂有限流作用的熔断器 则只能用在等于其额定电压的电网中 用在低于其额定电压的电网中 熔体熔断时将产生危险的过电压 以致损害电气设备 2 按额定电流选择 熔管额定电流 熔管额定电流INR应大于或等于熔体的额定电流INRt 熔体额定电流 保护变压器时按下式选择INRt KIgmax式中K 可靠系数 不计电动机自启动时K 1 1 1 3 考虑电动机自启动时K 1 5 2 0 Igmax 电力变压器回路的最大工作电流 保护电力电容器时按下式选择INRt KINC式中K 可靠系数 对限流式高压熔断器 当一台电力电容器时K 1 5 2 0 当一组电容器时K 1 3 1 8 3 熔断器开断电流校验 熔断器的开断电流应大于保护回路短路冲击电流的有效值 4 熔断器选择性的校验 分段器定义 功能及分类全程为自动线路分段器 用于配电线路上 用来隔离线路区段的自动开关装置 不能用于开断故障电流 只能开断负荷电流 在使用时 以整定记录故障电流开断次数来实现与电源侧的前级开关配合 分段器具有计数功能 记录当分段器负荷侧发生故障后 电源侧保护装置断开故障电流动作次数 记录次数可以为一次或多次 若记录次数未达到整定次数 电源侧开关设备重合成功 分段器经过一段时间后 将计数清零 并恢复到预先整定的初始位置 若在记录次数到底后 电源侧开关设备重合仍未成功而再次跳闸切除故障电流 永久故障 分段器随之瞬间跳闸并闭锁 使故障线路与系统电气分离 91 分段器定义 功能及分类按动作相数分为 单相式 三相式 按控制方式分为 液压式 电子式 92 分段器使用基本原则分段器总是与电源侧的断路器或重合器配合使用1 分段器必须串联使用于重合器 或断路器 的负荷侧 2 分段器断开前计数次数的整定应该比重合器保护装置在闭锁前的总操作次数少一次 当几个分段器串联时 分段器的计数次数沿电源侧依次递减 如图所示 n为重合器的总操作次数 93 分段器与重合器的配合 三 成套组合开关设备1 环网开关柜2 箱式变电站 箱式变电站内部功能构成 配电自动化的通信系统 第三讲 1配电自动化通信系统的层次结构2配电自动化的通信系统的组成及作用3配电自动化的通信方式及特点4通信系统应用实例分析 主站 子站 子站 子站 远方终端 远方终端 远方终端 远方终端 同级管理信息系统同级负荷管理系统同级用电管理系统同级其它系统 调度自动化系统 变电站自动化系统 大中型配电自动化及管理系统组成结构 三层结构 1配电自动化通信系统的层次结构 1 1配电自动化及管理系统组成结构 主站调动自动化主站 子站 远方终端 远方终端 远方终端 远方终端 同级管理信息系统同级负荷管理系统同级用电管理系统同级其它系统 变电站自动化系统 中小型配电自动化及管理系统组成结构 1 2配电自动化通信系统的层次 一个完整的配电自动化系统包括配电自动化主站 配电自动化子站 远方监控单元三个部分 主站和子站间的通信 子站和现场监控单元间的通信有一个共同的特点 其中一方必为计算机系统 另一方为计算机系统或其它监控单元 另一个特点是通信距离比较远 可能为几公里 甚至几十公里 1 主站级通信包括 主站 调度主站 子站主站 变电站 2 子站级通信 主站 子站子站 调度子站 变电站子站 远方终端 RTU DTU TTU 子站起到承上启下的作用 3 终端设备通信 主FTU 从1 RTU DTU TTU 从2 RTU DTU TTU 从3 RTU DTU TTU a 级连方式b 总线方式通常采用RS 232接口通常采用RS 485接口 主FTU 从FTU1 从FTU2 主FTU 从FTU1 从FTU2 3 终端设备通信 主FTU 从1 RTU DTU TTU 从2 RTU DTU TTU 从3 RTU DTU TTU 子站 主FTU 远方终端 RTU DTU TTU 主站 主FTU 远方终端 RTU DTU TTU 终端设备通信主要是主从模式 1 3配电自动化对通讯系统的要求 1 通信的可靠性配电自动化的通讯系统必须设计成为能够通过常规维护就可以在恶劣状况下工作的系统 能够跨过故障区和停电区域保持通讯 是对通讯系统可靠性的另一要求 2 通信系统的费用由于配电自动化的通讯系统的造价是很可观的 因此通过恰当地选取合适的通讯方式 可以节省大笔的建设费用 3 通信速率的要求从功能的角度 在配电自动化系统中 进线监视 10kV开闭所和配电变电站监控和馈线自动化 FA 对于通讯的速率要求最高 其次是公用配变的巡检和负荷监控系统 远方抄表和计费自动化对于通讯的速率的要求较低 从配电自动化系统结构的角度 集结了大量数据的主干线对通信速率的要求要远高于分支线对通信速率的要求 4 双向通信能力配电自动化的大多数功能要求双向通信 如对于故障区段隔离和恢复正常区域供电的功能 则必须要求有双向通讯能力的信道 5 通信不受停电的影响配电网的调度自动化功能和故障区段隔离 及恢复正常区域供电的功能要求 即使在停电的地区通信仍能正常进行 6 通信系统的使用与维护方便性配电自动化的通信系统构成规模往往较大 而且通常采用多种通信方式相结合 因此在设计上 应考虑尽可能地简化这一复杂的通信系统的使用与维护 2配电自动化的通信系统的组成及作用 2 1数字通信技术中的几个基本概念2 2数据通信传输方式2 3通信规约2 4调制解调器的作用及原理 2 1数字通信技术中的几个基本概念 1 码元 远动通讯系统传输的数据是用码元序列表示的 若数据用一串有具体定义的脉冲表示 则称每个信号脉冲为码元 即携带信息的信号单元叫码元 在短距离传送中 逻辑高电平用 1 表示 低电平用 0 表示 称为单极脉冲 在较长距离传输中可用正负电平表示 称为单双极脉冲 2 码元传输速率 传码率 单位为波特 band 它定义为单位时间 秒 内通过系统所传送的码元数 脉冲数 也称传码率 码元传输速率Nb可用下式表示为Nb 1 Ts假设有一个码元 1 或 0 信号波形的脉冲宽度为Ts 显然Ts越小 脉冲宽度越窄 单位时间内传送的码元数越多 传送的数据 符号数目也就越多 即效率越高 例如 在一个数据传输系统中 如果传送的信号波形的脉冲宽度为1 67ms 则信号传输速率约为600 band 即每秒可传送600个脉冲 3 信息传输速 传信率 单位是比特 秒 bit s 它定义为单位时间 秒 内通过系统所传输的信息量 又称作数据传输速率 可用下式表示为 Rb Nblog2N式中 N为一个脉冲所表示的有效状态 即调制电平数 为2的整数倍 Nb为每秒传送的脉冲数 如果数据传输系统传送的是二进制码元 则N 2 那么码元传输速率Nb和信息传输速率Rb是一样的 从式可以看出 在码元传输率Nb不变的情况下 传输码元的进制越高 即N值越大的话 则Rb越大 也就是所传输的信息量越大 但对应的系统进制数越大 其技术问题越复杂 实现越困难 另外 传输信道的频带也给传输速率带来一定的限制 4 消息传输速率 消息率 单位是比特 秒 bit s 它定义为单位时间 秒 内通过系统传输的从信息源发出的信息量 记做Rm 传码率 传信率和消息率三者定义 5 误码率 在莫一数据传输过程中 发生错误的码元数与总传输码元数之比称为误码率 电力系统远动通信中要求误码率小于10 5误码率与通信的质量以及各种干扰的大小等因素有关 6 带宽 BandWindth 它是指传输模拟信号的频带宽度 模拟信号带宽由较高频率减去较低频率得到 但为了表达方便 通常利用频率范围来描述带宽 例如 音频信号的带宽是300 3400Hz 7 基带和基带传输 在实际工作中人们所需要传输的原始信号 信息信号 无论是模拟信号 如语音信号 图象信号等 还是数字信号 如计算机和各种数字终端输出的信号 通常其频率都较低 它们所占据的这部分频带 通常成为基本频带 简称为基带 基带也就是指信号本身的基本频带 基带信号中的每个基带脉冲实际上就是一个可传输的码元 如果将基带信号直接在信道 以传输媒质为基础的信号通道 中传输 就称为基带传输 8 调制与频带传输 由于基带传输的信道通常是有线信道 如明线 对称电缆 同轴电缆等 所以不能远距离传输 为了远距离传输 一般要利用无线通道或载波通道 如利用载波通道 这时就须借助于正弦载波 通过频谱变换和搬移后 在进行传输 所谓调制就是在调制器中 将数字基带信号调制到载波上 变为数字载波信号 这种用载波运载基带信号的过程称为调制 反之 从已调制过的载波信号中 将作为调制信号的原基带信号分离出来的过程称为解调 9 报文及报文分组 报文是一组包含数据和呼叫控制信号 例如地址 的二进制数 是在数据传输中具有多种特定含义的信息内容 10 以太网 ETHERNET 它是一种局部通信网 通常在线路半径1 10km中等规模的范围内使用 为单一组织或单位的非公用网 网中的传输介质可以是双绞线 同轴电缆或光纤等 它的特点是 信道带宽较宽 传输速率可达10Mbit s 误码率很低 一般为10 8 10 11 2 2数据通信的传输方式 1 通信系统的传输方式按照信息传输的方向和时间可分为 单工通信 半双工通信和全双工通信三种方式 单工通信 按单一方向传送的工作方式 半双工通信 是指信息可以双方向传送 只能分时交替进行全双工通信 可以同时进行双方向的传送信息 2 典型数据通信系统的组成数据传输设备 DCE 的主要作用是将数据终端设备 DTE 送来的基带数字信号转变成使用与远距离传送的数字载波信号 常见数据传输设备有 调制解调器 modem 复接分接器 数传电台 载波机和光端机 数据传输信道 按载体传输形式 有线传输和无线传输按数据传输形式 模拟信道和数字信道 3 典型数据通信系统的接口数据传输设备的主要作用是讲数据终端设备送来的基带数字信号转变成适用于远距离传送的数字载波信号 常见数据传输设备 DCE 与数据终端设备 DTE 之间的接口 RS 232或RS 485接口 RS 232接口 美国电子工程学会1973年制订的串行接口几百米 逻辑电平 RS 485接口 改进的串行接口采用双线传输信号几千米差分方式的电位差 转换成逻辑电平 2 3通信规约 Protocol 所谓通信规约是指调度端和执行端通信时共同使用的人工语言的语法规则及应答关系 规约规定怎样开始 结束通信 谁管理通信 怎样传输信息 数据是怎样表示和保护的 工作机理 支持的数据类 支持的命令以及怎样检测 纠错等内容 调度端和执行端只有使用相同的通信规约 彼此才能明白对方所发信息的意义 通信才能正常进行 OSI标准制订通信规约是发展趋势国际化标准组织ISO定义了一个开放式系统互联模型标准OSI 该模型包含了七层协议 即物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层和应用层 每一层都强调特殊的网络功能 任何一层只向它的上一层提供服务 并接受下一层的服务申请 每一层只与它的对应层进行通信 1 物理层物理层提供两个通信实体之间的数据传输路径 它负责在连接两个相邻的节点之间的各种媒介上透明地传输任意位流 该层定义物理网络结构 所使用的媒介的机械和电气特性以及传输编码和计时时间等 2 数据链路层数据链路层是将物理层的 位 组成 帧 定义网络逻辑拓扑结构 媒介访问策略 物理地址 寻址方式 并提供连接服务 3 网络层网络层的作用是将数据转移到一个特定的网络位置 并且确保正确数据经过路由选择发送到由不同网络组成的网际网 即提供连接服务 4 传输层传输层提供端到端的数据报文传输 它将下层的信息组成段 并将这些段提交给回话层 或者更上层的协议处理 它使用网络层的路由服务 并提供数据连接服务 5 会话层会话层实现服务请求者和提供者之间的通信 通信会话被用来建立 维护 同步并且管理通信实体之间的对话机制所制约 通常 本层协议也帮助较高层协议识别和连接到网络上提供的各种服务 6 表示层表示层能把数据转换成一种能被各个计算机以及允许的应用程序相互理解的约定格式 传输语法 表示层的主要作用是翻译和加密 7 应用层应用层包含了针对每一项网络服务的所有问题和功能 换句话说 上面6层协议包含了通常支持网络服务的任务和技术 而应用层则提供了完成指定网络服务功能所需的协议 2 4调制解调器的作用和原理所谓调制解调器是讲数字基带信号调制在载波上 变为数字载波信号 这种过程叫调制 modulate 调制器 从已调制过的载波信号中 讲作为调制信号的原基带信号分离出来的过程称为解调过程 demodulator 解调器 调制解调器的作用a 讲基带信号的频谱移到载频附近 以适应信道频带的要求 便于发送和接收 b 实现信道的多路复用 c 压缩信号带宽 以便于利用话带传输设备进行数据传输 调制的基本原理有一个正弦电压信号u UMaxSin wt 我们可以让正弦波电压的幅值 角频率和初相角随源码信号变化 1 数字调幅ASK amplitudeshiftkeying 2 数字调频FSK frequencyshiftkeying 3 数字调相PSK phaseshiftkeying 调制的几个基本的脉冲波形图a 码元波形b 调幅波形c 调频波形d 二元绝对调相波形e 二元相对调相波形 3配电系统自动化的通信方式及特点 1 电力线载波通信的特点传统的高压线路载波技术是以实现长距离的两点通信为目标是一种点对点的传输方式 因此在线路两侧装有阻波器以防止区内信号泄露 同时也避免区外信号及噪声进入本区段 对于无断点的线路 例如变电站与变电站之间 采用载波通信 效果较好 对于配电网线路 由于线路多台配电变压器以及线路由于柱上开关的断点 还有配电线路本身存在的高噪声 阻抗变化大和衰耗大等因素 使载波通信在配电线路中使用受到了较大的影响 3 1电力线载波通信 2 载波通信的组成应用 图 相一地 制高频通道的构成1一输电线 2高频阻波器 3 耦合电容器 4结合滤波器5放电间隙 6 接地隔离开关 7高频电缆 8高频收发信机 3 在设计配电线载波通信系统方案时 应明确以下技术问题 随着线路结构的变动 分段开关 联络开关和分支开关的动作 载波信号的衰减情况也要发生变化 在设计时应考虑最坏的情况 随着线路的用电负荷变动 载波信号的衰减情况也要发生变化 一般负荷越重 衰减越严重 在设计时应考虑最坏的情况 不同的用电设备对载波信号的干扰也不同 直接整流环节和高频激励的气体放电灯对载波信号的干扰较大 地埋电缆的线 线 线 地之间的分布电容较大 因此对载波信号的衰减较大 并且频率越高 衰减越大 因此要求在有地埋电缆的线路上 使用较低的载波频率 配电线载波频率越低 线路衰减越小 受50Hz工频的谐波干扰越强 其频率越高 线路衰减越大 受50Hz工频的谐波干扰越弱 故综合考虑 配电线载波信号的频率范围应为5 40kHz 在衰减可以接受的情况下 使用20 40kHz最佳 因使用的频率较低 耦合滤波器必须在10000pF以上 阻波器和结合滤波器也与PLC不同 因线路分支较多 为降低成本 一般不在各分支上加阻波器 为此必须采取以下措施 载波机采用FSK方式提高抗干扰能力 增大输出功率以提高信噪比和适应范围 具备一定的输出功率裕量 以保证在最不利的情况下满足使用要求 对一些非常复杂且信号衰减大的线路 或对一些能产生强干扰的分支 应适当加设阻波器以降低信号衰减和减少干扰信号进入载波通道 对于一些在通信距离上满足不了的环网配电线路 可以在其当中适当位置加设阻波器 并将其两侧的线路上的设备信息分别上报给两侧相应的主变电所 如下图所示为较长馈线载波通信系统的组成 4 电力线载波通信的优缺点 综合上述 配电线载波通信有如下优点和缺点 优点 可以完全为电力公司所控制 因而便于管理 可以沟通电力公司所关心的任何测控点 不需要得到无线电管理委员会 FCC 的许可等 缺点 配电线载波通信系统的数据传输速率较低 容易受到干扰 非线性失真和信道间交叉调制的影响 配电线载波通信系统采用的电容器和电感器的体积较大 价格也较高 1 光纤的结构与尺寸 3 2光纤通信 光纤是一种适合光波传输 损耗小 可弯曲的玻璃丝SiO2材料 其结构包括纤芯 缓冲层和包层 它们都是玻璃的 外面还有由涂复材料和塑料制成的涂层和保护层 纤芯和包层决定了光特性 所以纤芯采用高纯度材料 以避免杂质引起损耗 包层采用纯度稍差的材料 其折射率稍高于缓冲层 但低于纤芯 包层的作用是加大外直径 使光纤结实 能抵抗弯曲 光纤的结构 光纤的尺寸 描述光纤尺寸的参数有两个 内芯直径和反射层直径 其度量单位都为微米 m 1 m 1 10 6m 最细的光纤其内芯直径通常只有5 10 m 粗一些的光纤其内芯直径为50 100 m 局域网中最常用的光纤是62 5 m 125 m的光纤 其中62 5 m是内芯直径 而125 m是反射层的直径 2 光纤的类型 多模光纤 MultimodeFiber MMF 光信号不止一种波长 典型的多模光纤尺寸为62 5 m 125 m单模光纤 SinglemodeFiber SMF 光信息只有一种波长 典型的单模光纤尺寸为8 m 125 m 4 光纤通信的优缺点优点 1 传输频带很宽 通信容量大 2 传输衰耗小 适合于长距离传输 3 体积小 重量轻 可绕性强 敷设方便 4 输入与输出间电隔离 不怕电磁干扰 5 保密性好 无漏信号和串音干扰 6 抗腐蚀 抗酸碱 且光缆可直埋地下 缺点 1 强度不如金属线 2 连接比较困难 3 分路和耦合不方便 4 弯曲半径不宜太小 5 光纤通信系统的组成通信容量大 中继距离长 在多模光纤中光信号可传输6km左右 在单模光纤中可传输30km左右 特点是可靠性高 传输速率高 不受雷电 开关操作的影响 抗电磁等干扰的能力强 可作为语言 数据和图象的传输 因此光纤通信已经成为城市配电网通信的主要方式 也是当前较好的通信手段 3 3高频电压脉动控制系统 信号传送范围可以从高压配电线经柱上变压器或箱式变压器至低压用户端 信号传送特性受谐波和负载端装设的并联电容器影响 频率选择要恰当 50Hz系统多用283 3Hz 60Hz系统多用260Hz 调制方式与传送速度的关系用移幅键控 ASK 方式时低于10bps 用移频键控 FSK 方式时为50 60bps 高频电压脉动控制技术特点 3 4工频控制技术 工频控制技术的特点 信号发生原理是在工频电源电压过零点附近用晶闸管控制电容放电或通过电感吸收电流产生脉冲波 传送速度是通过在过零点同时传送多个通道脉冲 可以实现很高的传送速度 传送可靠性受负荷阻抗变化的影响 并要注意利用控制相位原理的其他设备所发出的脉冲的干扰 是一种双向通