配电网综合自动化技术、发展及应用.doc

配电网综合自动化技术、发展及应用秦立军 *焦邵华 *矫坚 *李向 *杜宏 *李红岩华北电力大学 (北京 )* 北京四方华能电网控制系统有限公司( 北京)摘要：- 本文介绍了基于配电系统信息化的配电综合自动化系统。文章分析了当今信息产业对配电系统运行、管理的影响，从功能优化的角度论述了配电自动化设备的基本功能和应用该自动化系统的意义，分析了构成配电自动化系统的关键-配电网通信的功能及要求，讨论了网络化配电载波通信（NDLC）的可靠性及可行性.最后介绍了华北电力大学四方研究所和北京四方华能电网控制系统有限公司在这方面的工作。关键词：配电自动化 功能优化 配电载波通信 FTU 智能开关1、引言-信息技术(IT)的发展为电力系统自动化注入了活力，在网络、通信等信息技术的推动下，电力系统的自动化正在从自发的岛自动化向统一的、系统化的综合自动化发展。综合自动化的发展是自下而上的，它首先源于电力系统的保护、测控单元的信息化，在此基础上实现了变电站综合自动化。以信息和网络技术为核心的变电站综合自动化已经得到广泛认同和大面积推广，目前，以变电站综合自动化为先导的配电自动化正在成为电力系统新兴热点。-配电自动化是建立在信息化的基础上，将配电系统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、控制以及用电和配电管理的自动化，最终实现以大幅度提高供电可靠性、改善电能质量为目标的对配电系统在线的、准实时的闭环控制。以下结合北京四方华能电网控制系统有限公司的CSDA2000配电自动化系统，介绍该系统的基本功能和基于配电网信息化的综合功能优化。2、CSDA2000配电自动化系统的设计思想及关键技术-配电自动化系统是微机继电保护、变电站综合自动化的延伸与综合。它是借助现代通信技术将运行于更恶劣环境的终端单元FTU（Feeder Terminal Unit）组织起来，成为一个自动化的集成系统，完成对配电网的保护、控制与管理功能。公司采用了国际先进的测控技术，吸取了多年的电力系统自动化开发的经验，根据配电网系统的特点，综合运用目前最先进的软件工程设计思想、方法和手段，开发出适合我国国情的、开放的、面向对象的CSDA 2000配电自动化系统。它包括配调中心主站系统（SCADA/DMS/GIS）、变电站级配电监控系统（区域工作站）、数据通信系统、馈线远方终端FTU（CSF100系列）等，其结构是分层、分级、分布式的监控管理系统，采用四级计算机网络，充分发挥网络技术的优异性能。CSDA2000系统的整体结构如图2.1所示。CSDA 2000配电自动化系统的特点及关键技术： 研制成功了具有世界先进水平的网络化配电数字载波通信技术（NDLC）。该技术以90年代中期出现的DSP技术、现场总线技术、新一代数字载波原理为基础，是载波通信技术的重大突破。该通信系统不仅为城网改造的配电自动化提供了最适合国情的强大支持，而且为电力系统自动化提供了一种具有广阔应用前景的通信选择。 提出了配电自动化终端（FTU）的智能化面保护设计思想和局部智能算法，从系统构成的观念上提高了配电自动化系统的可靠性。 推出具有强抗干扰能力、高精度和高可靠的FTU。CSDA 2000的CSF100系列FTU经国家权威机构测试，在精度、抗干扰、高低温特性等关键性能均达到国家规定的最好指标。尤其在装置软硬件的鲁棒性上充分体现了四方华能的特点。基于全网通信的小电流接地智能保护方案。该保护方案以小波技术、模糊技术为识别工具，在通信系统的支持下实现了小电流接地的故障选线、定段。从而在技术上很好地解决困扰配电网运行的小电流接地问题。一体化智能开关设计（高可靠永磁操作机构、新型传感器技术、网络通讯和CSF100系列FTU），免维护，进一步提高装备的可靠性、经济性和实用性。 具有强大的符合国际相关标准体系结构的配电主站（SCADA/DMS/GIS）支持系统。3、CSF100系列配电自动化终端（FTU）-CSF100系列配电自动化终端是在充分总结现阶段国内FTU的开发实践的经验、结合配电自动化发展的新趋势，而研制的具有全新概念的新一代FTU智能装置。新一代FTU将不再单纯实现RTU功能与对分段开关的控制，而将从配电系统功能优化的角度综合实现馈线监测、馈线保护、馈线电能质量分析、小电流接地保护、馈线无功/电压控制、电能量计量管理及用电营销等功能。新一代FTU不仅功能全面，而且大量吸收电力系统保护与控制的新原理、新技术，希望通过配电自动化的丰富测量、采集功能及大量的信息共享，大大提高配电网的保护与控制，使得配电网的自动化层次从SCADA的显示与记录发展到实时的闭环控制阶段，从而真正充分发挥配电自动化的作用。CSF 100系列FTU的设计思想和原则继承了四方微机保护的设计原则并针对FTU的特殊工况采用多项关键技术来提高装置的可靠性：总线不出芯片出口多重闭锁丰富的自检功能具有优秀温度特性的备用电源独特的工艺及结构智能化的局部控制算法我国的配电网无论网络结构、一次设备以及自动化要求，不同地区的情况区别很大。这就要求一个性能优良的配电自动化系统必须是与实际情况密切吻合的具有广泛适应性的实用的系统，FTU的灵活性、实用性是整个配电自动化实用性的基础。因而，从FTU的设计与实现上，我们充分考虑了各种实际情况，使之从保护功能到软硬件配置，从装置的自身结构到与一次设备的接口都十分灵活、方便，从而使之具有很强的生命力。3.1 带有馈线保护和馈线自动化管理功能的FTU-电力系统自动化是个综合的整体范畴，早期自动化的发展是孤立的，互不联系、互不影响的，这一阶段又被形象的成为岛自动化。随着信息技术的迅猛发展，各自动化孤岛的互联成为电力系统自动化的热点和流行趋势。软件工程的新思想新成果也为统一的、综合的大型自动化系统的实现奠定了基础。当前我国电网自动化的热点领域有两个：变电站综合自动化，配电自动化。前者已经在国内广泛应用并取得令人鼓舞的经济、社会效益。华北电力大学和四方公司在变电站综合自动化领域进行了卓有成效的研究，其核心技术路线已成为同类产品的行业技术趋势。后者已经成为国家的重点基础投入之一。然而，目前国内的配电自动化系统并没有充分考虑到这两个自动化系统的兼容与互连，例如对于变电站出线的开关的控制，它既是变电站综合自动化的部分又是配电自动化的线路上的第一个节点，现有的系统在对这一节点的控制上是重复的。同样的问题出现在配电网的开闭所中的开关上。配电自动化也不应当是孤立的岛自动化，在结构上、功能上应当充分考虑与变电站综合自动化的互联与协同工作；在自动化系统级上要考虑配电自动化系统的开放性、互联性、可扩展性及功能的互补性；在配电自动化的装置级上要充分考虑FTU与馈线保护的融合与统一。馈线的开闭所既是变电站综合自动化的底级单元又是配电自动化的核心单元，它既要求有馈线保护又要求有FTU。针对这种现状，我公司在FTU原型CSF100上开发研制CSF106装置，其技术性能及特点如下：完整意义上的FTU；典型的馈线线路保护；具有局部的主站功能；具有通信节点管理功能。-CSF106在国内首次提出FTU的测控功能与线路保护功能相结合，进而为配电自动化系统与变电站综合自动化系统的互联准备了条件，目前CSF106智能装置已开始批量生产并投入工程使用。3.2全线速断式故障隔离、恢复供电-馈线自动化是配电自动化最重要、最基本的功能。当前故障隔离功能的实现分两种：一种利用馈线分段器多次重合实现故障隔离，另一种是在线路保护动作后利用通信进行故障隔离的。在实际工程中，由于断路器与负荷开关的价格相差不多，绝大多数配电网中都大量使用断路器作为分段开关，而四方华能的新一代的FTU又正是传统FTU与线路保护的结合。四方华能目前推出了一套全新概念的全线速断式故障隔离、恢复供电新方案。该方案以对断路器的智能控制为基础，利用网络化高速光纤通信网作为通信方式，采用面保护原理和智能保护算法，实现全线速断切除故障，并快速恢复非故障区域的供电。该原理充分发挥了配电自动化的整体自动化的优势，利用有效的全局控制实现故障隔离、恢复供电，而不是对过去的局部控制的翻版，显然这种全新的控制方法对于进一步提高供电可靠性，减少故障处理对电力设备的冲击以及进一步提高配电自动化的控制功能具有重要作用。 3.3 分布式小电流接地保护-我国的配电网绝大多数是小电流接地系统。当发生单相接地故障时，规程允许继续运行2小时，实际中可能由于过电压导致电缆爆炸、PT烧毁等事故。因此，迅速确定接地位置对馈线系统的安全运行意义重大。现有的小电流接地选线装置的选线正确率仅为20%至30%。很多供电部门仍在使用拉线法确定故障出线，这与电力系统提高供电可靠性的要求与呼声背道而驰。这一问题正成为改善电能质量、提高供电可靠性的主要困难之一。在配电自动化的基础上回顾小电流接地保护问题时，条件已有极大的改善。由于FTU测量功能的需要，线路上的各个开关处的三相电流、三相电压可以方便得到，这使得电气特征量的选取不再依赖于零序电流；FTU具有很高的测量精度，这将有利于特征提取；配电自动化的通信系统使得新一代小电流接地保护能够获取任意FTU处的特征量进行综合比较。最后通过变电站配电主站综合分析各FTU处的故障特征，确定出故障线路及故障区段。已经取得的研究结果表明，这种基于配电自动化的小电流接地保护方案具有良好的性能和喜人的前景。3.4 分布式无功电压控制-目前我国城网和农网的电能质量都较差，电压水平低、谐波含量丰富、网损率高，尤其农村电网因线路长、线径小、配变分散，致使有的配网网损率高达28%。据统计220kV及以上电压等级网损、110kV及35kV网损、10kV网损这三者的比例为1.5:1.1:2.5，所以10kV配网的降损潜力大。在配电系统信息化的基础上通过对配电网电压/无功控制的功能优化来改善稳态电压质量和降低网损意义重大，具有很好的经济效益。目前，在配电网中按就地补偿、分散补偿和集中补偿等不同的无功补偿方式配置有大量的无功补偿设备，如何对它们实行最优控制，实现网损最小和电压无功不等式约束是配电自动化的一项重要功能。只有在实现配电自动化的基础上才能真正实现立足于全局的电压/无功的最优控制。-配电网中，为了改善电压质量和降低网损，在配电变压器的低压侧就地分散布置电容器组补偿负荷无功，提供功率因素，同时在某些分段节点或开闭所集中布置电容器组补偿负荷无功以及网络的无功损耗，提高配电网的电压质量。通过规划优化计算后在配电网的低压侧和高压侧合理地布置并联补偿电容器，实践证明这种电压/无功控制方式在配电网中是最经济有效的方法。但由于负荷的变化，为了能达到既最大限度地降低网损，又能保证实时的电压质量满足用户要求，就必须对电容器组进行实时优化投切。 -为了适应市场和用户的要求，本公司开发了CSF107系列馈线自动化终端。它既可以通过配电自动化SCADA系统上的并联补偿电容器优化投切控制高级应用程序对电容器组进行实时优化投切；同时，装置本身还能在通信不正常或不具备通信条件下对电容器组进行就地的实时投切控制，以保证在不同负荷条件下的电压质量和减少网损的目的。CSF107系列馈线自动化终端的电压/无功控制策略采用就地和集中两种控制方式，并同时发挥了各自优势，还结合最优化技术实现并联补偿电容器的实时最优经济效益。3.5 分布式电能质量监控-现代工业对电能质量的要求越来越高，低的电能质量将使产品质量下降，而越来越多的电子设备的使用对电压的要求也越来越苛刻。配电自动化在对配电系统的电能质量进行监测的同时可以通过电能质量补偿装置实现对配电网电能质量的补偿控制。电压/无功控制的实现提高了配电网的稳态电压的质量，除此之外，电能质量还包括电压波动和闪变、谐波、电压不对称等电压指标。因此进一步提高电能质量是配电网运行与控制的重要内容之一。FTU的丰富的测量功能为全网的电能质量监测的实现奠定了基础，配电系统的信息化为最终提供高质量的电能供应提供了保障。现有的电能质量补偿装置由三类：并联型补偿装置能够减小负荷电流的畸变和降低电压闪变对网络的干扰；串联型补偿装置能够提高用户端的电压质量；并联、串联混合型补偿装置既能调节负荷电压又能抑制负荷变化对配电网的干扰。通过对这些补偿装置的分散布置和集中监控可以实现对配电电能质量的控制。 3.6 具有瞬时性故障识别功能的FTU瞬时性故障与永久性故障的识别是继电保护中的难题。如今，国内外学者提出了许多有价值的新原理、新思想来解决这个问题。然而，这些原理的应用都依赖于丰富的测量功能，至今并不能完全确保识别的正确性。在高压系统中，由于重合闸的广泛应用以及对输电可靠性的要求，在线识别瞬时性故障的可行性很小，但在配电系统中，对于有些不使用自动重合闸的系统，识别出瞬时性故障对于快速恢复供电具有重要意义。识别瞬时性故障的原理有两方面：其一是利用线路故障前后的精确采样数据，采用微分方程及最小二乘法计算故障电弧上的电压，以此区分瞬时性故障；其二是利用测量开关断开时开关前后的两侧电压的变化情况区分瞬时性故障。FTU可以利用自身的丰富的测量功能，在线分析出发生瞬时性故障的可能性，为调度后台提供参考。4、配电自动化的关键-配电网通信-通信是配电自动化的关键。如何寻找一种灵活的、可靠的、强大的、适应国情的通信方式是配电自动化的首要工作。四方华能的CSDA 2000系统提供光纤、网络化配电载波（NDLC）、双绞线、无线等全方位的通信支持。其中光纤、NDLC是最有前途的通信方式，光纤适用于以电缆线路为主的城市电网，NDLC适用于以架空线为主的城市电网。尤其是NDLC系统特别适用于我国的配网自动化项目。它不需单独铺设通道，信息流与能量流合二为一。由于采用网络化，节点配置灵活、扩展性好，与馈线的手拉手结构相配合，可以实现基于节点漫游的全网通信自愈管理，已被认为是最有前途的通信方式之一。配电载波（DLC）技术主要经历了以下几个发展阶段：基于锁相环的窄带DLC基于电力线扩频的DLC基于DSP的窄带网络化DLC（NDLC）-四方华能公司于1998年底，推出了具有国际先进水平的网络化数字载波系统NDLC。NDLC系统是以数字信号处理（DSP）技术为核心的窄带多频配电载波技术，从原理上突破了现有的电力线扩频配电载波的局限性，具有-80dB能力，采用了专用的耦合方式，并充分考虑了配电载波的可靠性，该系统以实现以电力线为传输介质的网络化、自由拓扑的完整的通信系统为目标，为配电自动化提供了强有力的、非常理想的通信支持。该系统以总线网的形式支持自由拓扑的数目众多的节点，并且具有强大的网络管理功能，提高通信的可靠性。目前该类技术正成为国际通信技术发展的热点之一，四方华能的NDLC在性能上已达到国际同类产品的先进水平，从而凭借明显的技术支持优势和价格优势，打破了国外同类产品的垄断地位，因而倍受国内外同行的瞩目。主要性能和技术特点如下：-? 在国内率先采用载波通信的最新技术-基于DSP解码的窄带传输。这种载波技术从原理上大大超越了数字扩频载波，成为新一代载波技术；具有至今所能检索到的最高的接收能力- -80dB接收；具有国内最小的发射功率- 0.6W；采用专用耦合方式，结合滤波具有体积小、重量轻、免维护的特点；10kV线路无中继最大传输超过10公里；具有支持自由拓扑的网络功能，各载波节点进入通信系统时如同挂灯笼一样方便；具有强大的网络管理、自检功能；构成通信系统的节点类型由网络自动管理、自动设置；通信网络按分层、分域管理，不受节点数量的限制；全网无阻波器，是全新的网络载波的概念；采用多个频带互为备用，提高了系统的可靠性。具有丰富的保证通信可靠性的措施5、智能一体化开关及应用随着计算机、传感器技术和网络通信技术的发展以及电力系统中配网运行要求的提高，功能单一的一次设备在配电网络的应用中日益显出其不便之处,因而从配电网系统的全局着眼,开发基于节点的（终端）的智能化开关已势在必行。基于这种思想, 四方华能公司和南自总厂共同开发研制了ZW12/CSF100型智能一体化户外交流高压断路，它集微处理机技术、电力电子技术、传感器技术、网络技术、通讯技术和新的开关制造技术于一体。广泛适用于城网作为分断或联络开关，或用于农网配电系统户外变电站作为出线等开关，也可有效完成传统的重合器的工作，分、合负荷电流和短路电流。开关内部配置测量保护控制和通讯功能，满足配电自动化系统要求。其主要特点如下： 集微处理机技术、电力电子技术、传感器技术、网络技术、通讯技术和新的开关制造技术于一体。 专为满足配网自动化的需求而设计，可实现各种测量、保护及控制功能，相对于传统电器装置它的特点如下：（1）高性能高可靠；（2）硬件软件化；（3）具备在线监测和自诊断功能；（4）适应恶劣环境，能在-45到+85温度条件下安全可靠运行。 强大的通讯处理功能：RS-232口实现当地参数设定和编程；RS-485、Lonworks、NDLC配电载波、光纤以太网、光MODEM实现系统组网及数据远传功能。 双稳永磁操作机构,机械寿命十万次,可靠性高. 无SF6、无油化真空断路器设计，免维护。 带隔离刀闸,具有明显断开点,维护方便、安全。目前ZW12/CSF100型智能一体化户外交流高压断路已小批量开始应用于城乡配电网建设工程，技术细节请参阅四方华能公司技术说明书。6、CSDA2000配电中心主站系统（SCADA/DMS/GIS）CSDA2000配电中心由多台计算机构成全分布式体系结构，配电网自动化主站典型配置如图2.1所示。其软件设计具有如下技术特点： 面向电力系统大对象设计，使配电网模型的建立，网络拓扑关系的生成，数据库建立，接线图生成都非常清晰。有利于功能扩充，以及与EMS，MIS的连接； 实时数据库为核心设计； 网络分布式体系结构，实时数据库为各SCADA应用进程统一接口； 消息驱动机制； 控件技术与多媒体应用； 独有的前置通信设计； 跨平台、完全开放式软件设计，符合IEC相关国际标准； 采用流行的三层体系结构（数据库、中间件、浏览器），信息在Internet/Intranet上发布； 以GIS（Arc Info 系列产品）作支撑平台与配电SCADA无缝连接； 拥有先进实用的配电高级应用软件包（PAS）支持等。以上详细内