对闭环运行方式的配电自动化系统的探讨

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摘要：本文通过一个闭环运行的配电自动化系统的实践，简要介绍了一个高科技开发区内配电网自动化的规划功能目标，以及为了实现规划目标对系统变电站、用户变电站、供电线路、通信信道、直流电源、配电网接地方式等方面进行改造的主要内容和保护定值的调整。在对SuperDMS-2100配电网自动化系统的软硬件结构和功能进行全面介绍和分析的基础上，着重对闭环运行需特殊考虑的问题以及具有故障状态差动保护功能的FTU进行了论述。最后针对闭环运行系统中的中性点接地方式及接地电阻的确定、具有状态差动保护功能的FTU的配置、以及闭环运行方式与开环运行方式的结合等几个方面的特殊问题进行了说明，并提出了解决方案。
关键词：闭环 配电自动化 故障状态差动保护

1、 概述
　　配电作为电能发变送配中的最后一个环节，在电力生产中具有非常重要的作用。但过去由于历史的原因，一直未得到应有的重视。随着经济建设的发展和人们生活水平的提高，对供电质量和供电可靠性提出了更高的要求。大规模的两网改造结束后，配电网的布局得到优化，但要进一步提高配电网的可靠性，还必须全面实现高水平的配电网自动化。

　　实际上，近年来我国许多地区已经在不同层次、不同规模上进行了配电网自动化的试点工作，也取得了相当的成绩。但由于几乎所有的配电网自动化试点都是开环运行模式[1]，故障恢复时间都在30秒以上甚至到分钟级，所以不能满足对供电可靠性要求更高的用户，只能采取双回甚至多回供电、自备发电、大容量UPS等高成本方式来弥补。在此背景下，笔者所在单位与有关电力企业合作，在某国家级开发区配备了闭环运行方式的配网自动化系统。经过近两年的试运行证明，系统功能达到了设计要求，大大提高了区内配电网运行的可靠性，具有重要的开创性意义。

2、 供电区域配电网概况及配网自动化规划功能目标
0 ?5 k: ?- S6 A4 Z2 M" A　　该开发区共10平方公里，区内供电为110千伏变电站一座。变电站目前投入31.5MVA变压器二台。110KV进线两回，为内桥接线，分别引自上一级500KV变电站。本区变电站出线为35KV10回，10KV14回，改造前为架空线路与电缆出线混合方式，中性点不接地；改造后采用小电阻接地方式，全部以电缆排管方式引出。变电站二次保护原采用常规继电器保护和远动系统，仅有遥测、遥信信息送往上级调度中心，通信通道为载波和扩频，并备有商用电话。

　　在此基础上，分两期全面实现配电网自动化。本期规划主要目标是：（1）以全闭环运行方式实现区内配电网自动化；（2）提高供电可靠性，使环网内用户达到“N-1”供电安全准则，供电可靠率达到99.99%；（3）建立配电监控系统，提高供电质量，使电压合格率达到98%；（4）在35KV/10KV供电线路发生永久性故障时，能自动进行故障识别、故障隔离和恢复供电；（5）实现对用户侧设备的远方监控，以及远方抄表等负荷管理功能；（6）同时容纳开环运行的方式。

　　本期配电自动化系统主要实现以下功能：（1）SCADA功能包括数据采集及处理、人机联系和制表打印；（2）馈线自动化功能主要是故障识别、隔离和自动恢复供电；（3）GIS地理信息系统功能；（4）包括远方自动抄表功能在内的负荷侧管理功能；（5）与变电站RTU和上级调度中心通信功能包括传送遥测、遥信和接收控调命令。对于电压无功控制，本系统只向变电站/上级调度中心传送电压运行值，不在本系统中进行调压操作，但提供接入用户侧调压装置的接口，也可传达并执行上级配电中心的调压指令，并保留功能上的扩充余地。要求配网自动化系统功能完善、接口标准、接口友好，联入开发区的MIS系统。

3、对原配电网进行改造的主要内容
9 s( P& h8 l( }6 f8 x7 `; `3．1 变电站综合自动化改造
3 G- N* ^' ~" C( G  L: o　　由于该110KV变电站原有保护、远动均采用常规装置，不具备联网、与用户变通信等功能，故首先对变电站进行了综合自动化改造，全部采用微机型的远动系统和保护系统。改造后的系统具备完善的“四遥”功能和微机保护功能，并能与调度中心、上级配调中心、本级配调中心、客户端RTU/FTU等进行通信。

　　该系统结构与功能同一般的微机化的变电站综合自动化系统。

3．2 部分用户变电室改造
　　由于该开发区配网自动化规划设计采用电缆环网方式，所涉及的企业用户变在配电自动化改造后均以二回35KV/10KV电缆出线，分别和上下二家企业的出线连成环网，出线均安装可以遥控的出线开关。

　　在每企业的降压变加装DEP-900型FTU，并以光纤为信道连成环。在本区110千伏变电站配置配电自动化系统，主站端信道环总端连入配电自动化系统SuperDMS-2100主站端。

　　区内整个配电网采用手拉手环网方案，可以在线路故障时就近的断路器自动跳闸，动作时间短，不依赖主站，对系统无冲击，避免了开环系统需开关多次跳合判断故障而带来的弊端。

　　改造后的环网一次网络典型结线方式如图1所示：

! H; e0 ^1 |5 D# U' H7 L/ `: o/ C图1 改造后的系统典型接线图

3．3 接地方式的改变及接地电阻值的选择
' e) |. {" j( o# i/ R9 M　　系统改造后全部改为电缆出线，电容电流要比架空线路高得多，需要将原来的小电流接地方式改为经小电阻接地的大电流接地方式。系统在变电站10/35kV母线侧加装接地变压器，即成为中心点大电流接地即中性点经过小电阻接地系统。从系统发生单相接地故障的情况入手，尝试了多个中性点接地电阻值，对系统的稳态和瞬时两方面进行计算，并比较随之改变的单相接地故障电流值、单相接地故障健全相电压值及弧光接地过电压值、铁磁谐振过电压值等，然后按照运行规程和继电保护等方面的约束条件进行比较分析，综合计算考虑系统总电容电流、单相接地故障时的故障电流、工频过电压、继电保护配合及通信干扰限制等，将接地电阻阻值确定为5欧姆[2]。

3．4 保护定值的调整
; S+ a  N0 `7 m& ]9 N+ J9 M- y　　系统接地方式改变及加装具备故障状态纵差保护功能的FTU后，对原110KV变电站内的35/10KV馈线、母线、主变压器、备自投各类保护定值均根据新的系统结构和运行方式进行了调整，上级500KV变相应出线的保护定值也根据新的运行条件作了微调。

3．5 其它
　　由于少数企业的供电原采用架空线路，这次统一改为排管电缆。此外，在小区内敷设了多模光纤的环网信道，既为配网自动化系统提供高速可靠的数字信道，又为远方抄表、MIS系统联网、多媒体数据传输等预留了通信手段。

　　由于FTU及开关操作都必须有可靠的不间断电源，以保证在配电网一旦出现线路故障，导致保护动作、出线开关跳闸、故障电路全部停电或进行设备检修时，仍能提供FTU工作电源、通信系统工作电源和开关操作电源，故在各用户变配置了专用的小型220VDC高频开关式直流操作电源。

4、 闭环式配网自动化方案系统结构与功能综述
4．1 配电网监控系统的SCADA功能与系统结构
) y4 v) e! B  d* @8 X& G　　闭环式配网自动化系统SuperDMS-2100的SCADA功能与电网调度SCADA功能类似，数据采集功能中，采集的测量量有35/10kV馈线开关或断路器的电流电压功率以及故障电流（带方向）等，配电变压器的电流功率和温度等，以及FTU的直流电源电压；采集的状态量有35/10kV馈线开关或断路器的位置信号、事件顺序记录、保护动作信息、FTU 运行状态、配电线路故障信号等；采集的脉冲量有脉冲电度表的输出。监视功能有状态监视、限值监视和趋势监视。事件记录与报警处理功能可对系统运行出现的各种事件分级别、类别进行报警，并按时间顺序保留当前三十条最新事件信息，在数据库中分类别保存，报警方式可为告警窗文字告警、推出相关画面、打印机自动打印、音响或语音报警、事件点或故障设备图形闪光报警，任意选择组合。控制调节功能可以实现配网变电站断路器的遥控、配网线路上开关和断路器的遥控、补偿装置的投切、保护定值的远方设定和修改、成组顺序控制操作以及必要时对变压器分接头的调节。系统管理功能包括数据库管理、数据处理及统计、系统网络管理、图形系统、报表系统、安全系统、系统监视与维护、双机通信与切换、与其它系统通信等。

　　其它配电网自动化应用功能有配电网运行监视、配电网运行控制、配电网故障判别及诊断、在保护拒动情况下实现配电网故障自动隔离负荷转移及恢复供电、AM/FM/GIS、远方抄表、无功优化与控制等。

　　配电控制中心的计算机系统配置符合当前先进的水平，采用了主流机型，双以太网双服务器双前置机多人机工作站结构，大屏幕显示器和高速打印机。系统硬件配置如图2所示。

图2 SuperDMS-2100配电网自动化系统硬件结构

　　该区配电网自动化系统软件的设计采用了面向对象的设计思想和软件工程的管理方法，各软件模块按功能对象划分，自成一体，接口简捷明了。系统具有标准数据库的接口，符合商用数据库的规范；具有网络的支持；遵循开放式系统标准；具有广泛的兼容性和自由的扩展性，便于二次开发以及用户功能扩展和规模扩展而保护原有投资；很容易过渡到三层数据处理结构。系统基于客户/服务器（Client/Server）体系结构，逻辑上由两大部分组成，即服务器系统（Server）和客户机系统（Client）。服务器的基本任务是资料维护和数据处理，并响应客户机的请求向客户机传送格式化的资料信息。客户机则负责提供用户接口，如图形、表格甚至声音、动画等。系统采用Windows NT操作系统作为系统的基本软件平台，内嵌完善的网络功能，支持目前流行的所有网络通信协议如TCP/IP、IPX/SPX等，还有对Internet的支持及对RAS更强的支持。由于有NT的强大的网络支持，系统可以和任何网络类型的其它系统互联，并支持局域网和广域网的各种网络传输媒介。系统软件结构见图3。

图3 SuperDMS-2100系统软件结构

　　从图3可以看出，服务器端是系统的核心，客户机端的所有应用程序均是系统的外挂部分，这种体系结构的特点是：（1）能确保信息的一致性。任一客户机所需的信息均取自同一信息源，不管它是一直运行还是刚刚开机，这是传统分布式系统难以保证的；（2）从理论上讲功能可无限增长。因为系统提供了标准的资料访问接口，不同层次的用户均可自行编制程序增加新的功能，实现功能扩展不会有任何接口上的困难。

4．2 AM/FM/GIS功能
　　配电网地理信息管理系统（AM/FM/GIS）是配电管理系统的重要功能之一。它是将地学空间数据处理、计算机技术与电力系统相结合，为获取、存储、检索、分析和显示电力设备的空间定位资料和属性资料而建立的计算机化的数据库管理系统。其中AM为自动绘图，FM为设备管理，GIS是地理信息系统。 AM/FM/GIS是配电管理系统DMS的基本平台，它以地理概念组织并涵盖了SCADA、LM、PAS等子系统。利用AM/FM/GIS集成DMS系统，建立统一的DMS数据库，为各子系统提供共享资料，从而减少资料的冗余度，保证资料的一致性，提供良好的全图形化的人机界面。它以电子化的地理图形为背景，生成显示输出电网结构图、发电厂变电站接线图、规划图等专业图形，支持导航、漫游、缩放、分块、分层等显示和查询方式；以地理信息的形式保存和管理电网资料；根据需求进行负荷预计、变电站选址、线路走向及优化、潮流计算、无功补偿、短路计算、可靠性计算等电网改造和规划方面的计算。

　　AM/FM/GIS的基本功能是对电网接线、配电线路和设备等的各种图纸资料进行综合管理，对变电站接线图进行管理，将线路和设备图纸资料等同馈线图结合起来进行综合管理，配电网运行维护管理，配电网停电复役管理和故障处理，配电网的规划和工程设计，以及多种统计功能网络互联功能。其在线应用主要在SCADA和停电管理方面，离线应用主要在设备管理、营业管理和规划设计方面。

　　SuperDMS-2100系统配置的AM/FM/GIS与专业地理信息系统相比较，更注重AM/FM和其它专业功能，尤其符合电力行业的实际应用。开放的系统结构能兼容多种操作系统和商用数据库平台，并且与通用GIS有着风格一致的界面。其突出的技术特点是具有高效的海量数据管理和实时多维图形显示能力，良好的网络协同作业环境，紧密的实时监控系统融合，高速的分级浏览查询。可以方便地定义基本图形窗口、菜单结构、数据格式以及相应的函数库，完成各地理信息应用所需的公共数据管理和操作，通过点、线、多边形、文本、路网等数据结构描述图形数据，并以块和类的方式管理和组织图形数据。设备管理主要有参数管理、图形管理、统计查询、模拟操作、挂牌操作等。

4．3 其它DMS应用功能
　　为本系统配备的其它DMS应用功能主要有故障线路报警、自动隔离、供电恢复、网络重构、负荷管理、自动抄表、故障呼叫，能满足各类配电网的应用需求，其详细内容笔者将另撰专文论述。

4． 4 馈线自动化
: u9 K* m( R8 x$ r　　馈线自动化是指变电站出线到用户用电设备之间的馈电线路自动化，其内容可以归纳为两大方面：一是正常情况下的用户检测、资料测量和运行优化；二是事故状态下的故障检测、故障隔离、转移和恢复供电控制。本系统基于DEP-900馈线终端设备（FTU）实现馈线自动化。

　　馈线自动化是配电网自动化的重要组成部分。要实现馈线自动化，需要合理的配电网结构，具备环网供电的条件；各环网开关、负荷开关和街道配电站内开关的操作机构必须具有远方操作功能；环网开关柜内必须具备可靠的开关操作电源和供FTU、通信设备用的工作电源；具备可靠的、不受外界环境影响的通信系统。

　　馈线自动化的实现原则是，故障后的网络重构应采用集中控制与分布控制相结合，优先采用分布式控制的原则，以提高反应速度；实现配电网的闭环运行，故障情况下，瞬时切断故障段并保持对非故障区的不间断供电；兼容开环运行模式。

　　根据上述运行模式、实现原则、保护方式和通信方式，馈线自动化装置的配置如图4所示：

图4 馈线自动化装置配置图

　　FTU基本按照变电室中线路为单元进行配置，对于采集参数较少的负荷侧出路，可以根据采集数量配置若干FTU。虚线线条表示通信联系，所实现的功能包括：采集该线路的电压、电流等所需电气参数和设备状态并通过RTU主动上送、执行远方控制命令进行开关开合和参数调整、根据整定条件实现故障状态纵差保护。

　　分布式控制和集中式控制相结合是10/35kV线路故障处理原则。分布式控制作为主要手段，采用故障状态差动保护方式，通过FTU之间相互通信甄别故障地点，断开故障点二侧开关，隔离故障，保证健康段线路供电。集中式控制作为后备手段，在保护拒动情况下，由主站系统进行故障判别、隔离。由于本环网为电缆网，故障一般为永久性故障，所以不考虑重合闸方式，但FTU本身具备重合闸功能。

　　系统运行方式以闭环运行为主，兼顾开环运行方式。闭环运行发生故障时，装置将在5个周波内作出判断，为了确保对侧和邻侧故障状态的准确也需要一个时限，因此当发生故障到命令发出的时间约为0.15－0.2秒。单相接地故障、相间短路故障、三相短路故障均可按照上述方案解决。开环运行发生故障时，从故障发生到故障隔离约为0.5秒，健康段的恢复供电约在5秒内。

　　闭环和开环运行由主站系统根据系统一次侧接线方式和开关状态自行判别。当某开关状态变化时，变位信息上送，主站系统判别该环此时的运行状态。如果运行方式变化，则通知环上所有FTU修改其保护动作判据。

　　上述方案均基于小电阻接地系统。不接地系统中，当发生单相接地故障时，先通过小电流接地选线装置判别故障线路，再由配电自动化软件通过成组顺序控制操作线路开关甄别故障段，断开相应断路器，并恢复非故障段负荷的供电。其它故障形式的判别与小电阻接地系统相似。 4．5 配电自动化终端装置（FTU）

　　配电网监控远方终端（FTU）负责对控制对象实时位置信号和测量值的接受以及对控制对象进行遥控。对不同的控制对象，如配电站、开闭所、杆变、杆刀和大容量的高压用户等，需选用适当的FTU。

　　为本系统配套的DEP-900型FTU，其容量为8路遥测（YC）量、16路遥信（YX）量、2路遥控（YK）量、4路RS-232/485接口。其主要功能有：数据采集，馈线监控，故障检测，开关分合控制，故障自动隔离和故障线路供电的自恢复，自动负荷转移、存储和报告负荷值，接受远方操作指令及转发采集资料、信息，具备相适应的通信接口、采样接口和输出接口，适应户内外环境要求。DEP-900还具备故障电流状态差动保护的功能。它基于故障电流状态差动原理，可作为每个断路器的馈线保护。馈线断路器不设备用和后备保护，当主保护拒动时，变电站出线开关跳开，然后由配电网管理软件进行判别，以遥控方式隔离故障。

　　该区配电网采用环网结构，电源取自110KV变电站10KV侧的不同母线，按闭环方式运行。小区用户大多为高科技企业，对用电要求很高，希望在系统发生故障时，能瞬时切除故障，保证无故障区不间断供电，因此对配电网的电气备和保护方式提出了较高要求，只能选择性能很强的DEP-900系列FTU。

4．6配电环网状态差动保护方式
) _% y/ S# H  X3 V　　本方案保护方式采用故障状态差动保护方式，该方式将闭环运行状态和开环运行状态分别考虑。如图5.1、5.2所示：

+ n; N  ?0 S+ @8 d图5.1 闭环运行故障状态

图5.2 开环运行故障状态

　　假设闭环环网中，电流（功率）正方向为电源一流向电源二，电流反方向为电源二流向电源一，在开环中则不考虑方向，只判断有无故障电流。在环网中每个断路器都设有一套过流保护装置，设In为本侧开关的故障电流状态，它的定义是

这里没有采用电流差动的原理，而是采用了故障电流状态的概念。由于故障电流状态是一个"0""1"的数字信号，容易传送，容易处理，可靠性高，便于在FTU中综合处理，价格也远较纵差为低。
8 t, c# Q' K, ~" M! ?保护方式采用故障电流状态差动判别，任何变电室10kV母线故障与10kV馈线故障均可等效判断，从理论上消除了保护死区。

4． 7 通信
　　该小区配电网的管理是一种分层的结构，即控制中心直接控制和管理用户变电所及110K变电站的低压部分，并受控于上级配网中心，与调度中心有信息交换。因此各层设备之间的通信就显得尤为重要。

　　配网控制中心与用户变（开闭所、箱变等）RTU/FTU之间的通信是配网自动化的主要通信系统，其可靠性、经济性至关重要，因此选择多模光纤，通信网路结构采用主/从式自愈环形通信网。正常情况下，只有一个环路在使用。当发生故障时（装置故障或光缆故障），光端机能自动测量故障点，信息在到达故障点之前又返回，使用第二个环路完成通信。用这种方法，对其余的正常装置或正常光缆仍能保持通信畅通和链路完好。其结构及主要工作形态如图6所示。

正常运行时数据信道　　　　　RTU/FTU故障时的数据信道　　　　光缆故障时的数据环路
图6 自愈式环形光缆通信网的结构及其主要形态

　　变电站综自系统与FTU之间、FTU与FTU之间的通信均采用同一条光缆中的不同信道。

　　配网控制中心的配电自动化系统以载波和扩频的方式与上级配电中心和调度中心通信，并备有商用电话。

　　整个配网自动化系统中闭环运行部分的通信网路结构如图7所示。

4． 8 远方抄表系统
　　远方抄表系统是负荷管理的一个重要组成部分，同时也是当前发展较快和相对成熟的配网技术之一，具有很好的社会经济效益。

　　利用电力线通过载波传输电能表数据，能充分利用电力线的资源，成本低，管理维护简便，有电的地方即可实现无专线远程抄表。电力线低压载波通信方式是九十年代的新技术，节省通信线路，工程费用较低，对小区来说比较适用。

　　在每个用户站中都有带脉冲的电能表，这些电能表的脉冲输出经双绞线接入采集终端，每个采集终端能连接8个电能表。采集终端安装于尽量靠近电能表处，其输出经 MODEM直接接入380V低压电力线。系统中至少有一个集中器，通过MODEM与低压电力线相连，各采集终端直接与集中器进行通信。集中器有RS-485接口与RTU通信，将各电能表的输出传送到RTU。一个集中器可与64个采集终端进行通信，即最多可连接512个电能表。
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2010-7-3 20:46 上传

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liuqingrui

内容不完整啊，图也都没有了。

doudouwcx

学习了

nomad0728

路过，学习了