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電壓型饋線自動化系統(tǒng)

    

1　前言
　　多年來，由于我國電力供需矛盾突出，電力投資的重點一直傾向于輸變電系統(tǒng)。當(dāng)電力供需矛盾稍有緩解時，一直被忽視的配電系統(tǒng)的薄弱性就顯現(xiàn)出來了，成為供電系統(tǒng)與不斷增長的用戶需求之間的“瓶頸”。隨著電力部分對供電可靠性、供電經(jīng)濟(jì)性要求的不斷進(jìn)步，加之國家為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、加大基礎(chǔ)建設(shè)投資產(chǎn)業(yè)政策的出臺，配電自動化已被提到議事日程［1］。配電自動化的實現(xiàn)，將使供電更可靠、為用戶服務(wù)更全面、職員投進(jìn)更節(jié)省、整個系統(tǒng)操縱更有效。
　　饋線自動化是電力系統(tǒng)配電自動化的一個重要環(huán)節(jié)。長期以來，由于我國10　kV線路以排擠線路為主，因此在城網(wǎng)改造的工作中，實現(xiàn)10　kV排擠線路的饋線自動化是首要任務(wù)。面對量大面廣的10　kV配電線路，如何既經(jīng)濟(jì)又高效地實現(xiàn)自動化的基本功能，是當(dāng)前的主要任務(wù)。計算機(jī)、電力電子技術(shù)的日臻完善，使饋電自動化這一集計算機(jī)、自動控制、電子技術(shù)、通訊技術(shù)和新型配電設(shè)備等技術(shù)為一體的自動化技術(shù)更輕易實現(xiàn)，應(yīng)用效益更為突出。
　　本文先容一種電壓型饋線自動化系統(tǒng)方案。該方案是通過以下三個階段來實現(xiàn)的：桿上配電自動化階段、遠(yuǎn)測遠(yuǎn)控自動化階段和計算機(jī)控制配電自動化階段。這三個階段也就是從戶外一次設(shè)備的應(yīng)用（第一階段）、信號的采集和傳送（第二階段）到實現(xiàn)計算機(jī)治理（第三階段）。這套方案的實施在日本歷經(jīng)了近30年。我國10　kV電網(wǎng)中性點不接地運(yùn)行方式與日本的電網(wǎng)相似，因此將此方案應(yīng)用于我國的排擠配電網(wǎng)系統(tǒng)較為適宜。
2　電壓型饋線自動化系統(tǒng)
　　電壓型饋線自動化系統(tǒng)方案如圖1所示。
　　2.1　桿上配電自動化階段
　　桿上配電自動化設(shè)施由同桿架設(shè)的桿上真空自動配電開關(guān)（PVS）、具有故障診斷功能的遠(yuǎn)方終端單元（RTU）和電源變壓器（SPS）組成。
　　桿上真空自動配電開關(guān)（PVS）采用真空滅弧室滅弧，SF6氣體外盡緣，開關(guān)內(nèi)有與真空滅弧室相串聯(lián)的隔離斷口，使開關(guān)具有優(yōu)越的滅弧和耐電壓性能［2］。由于滅弧和盡緣介質(zhì)均為無油介質(zhì)，避免了火災(zāi)或爆炸的隱患。開關(guān)的高壓部分、低壓控制回路和操縱機(jī)構(gòu)均密封在開關(guān)箱體內(nèi)，開關(guān)主回路引出端子采用盡緣電纜出線保護(hù)，帶電部分不過露，具有15年免維護(hù)的特性。開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，帶有懸掛式安裝金具和電纜引線使桿上安裝極為方便。具有手動/自動操縱方式，使開關(guān)操縱更靈活。
　　控制器可分為兩種。一種是故障搜查控制器（FDR），一種是遠(yuǎn)方終端單元（RTU）。采用故障搜查控制器與桿上開關(guān)配合可以實現(xiàn)故障區(qū)段的隔離、非故障區(qū)段的供電恢復(fù)，但與站內(nèi)的計算機(jī)通訊需要另配單體RTU。遠(yuǎn)方終端單元除了具有上述功能外，還具有與站內(nèi)的計算機(jī)通訊功能，通過配合適合于當(dāng)?shù)氐牡乩淼孛驳耐ㄓ嵪到y(tǒng)，可以實現(xiàn)配電自動化的遠(yuǎn)測、遠(yuǎn)控、遠(yuǎn)信和遠(yuǎn)調(diào)。

　                 　圖2　環(huán)網(wǎng)運(yùn)用的示意圖
　　                    Fig.2　Demonstration of ring network application
　　2.2　遠(yuǎn)測、遠(yuǎn)控自動化階段
　　遠(yuǎn)測、遠(yuǎn)控自動化階段的設(shè)施由下述裝置構(gòu)成：發(fā)出通/斷命令的控制臺、顯示信息的CRT，進(jìn)行收發(fā)信號聯(lián)系的遠(yuǎn)控主控臺TCM和與主控臺之間進(jìn)行收發(fā)信聯(lián)系的遠(yuǎn)方終端單元RTU等。第二階段作為第一階段的延伸，能具體實現(xiàn)線路信息的傳遞和對一次設(shè)備的控制、監(jiān)視。
　　作為一次設(shè)備和配電自動化系統(tǒng)承上啟下的中間環(huán)節(jié)，這一階段可實現(xiàn)以下功能：
　�。�1） 當(dāng)發(fā)生故障或停電作業(yè)時，遠(yuǎn)控桿上開關(guān)的通或斷；進(jìn)行過負(fù)荷時的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。
　�。�2） 監(jiān)視變電站內(nèi)變壓器和饋線的電壓、電流以及站內(nèi)繼電器操縱；監(jiān)視桿上開關(guān)、RTU的工作狀態(tài)。
　�。�3） 通過計算機(jī)，在屏幕上顯示斷路器、開關(guān)等設(shè)備的狀態(tài)和系統(tǒng)信息。
　�。�4） 進(jìn)行操縱記錄、打印狀態(tài)變化記錄、復(fù)印CRT畫面內(nèi)容、記錄維護(hù)工作數(shù)據(jù)等。
　　這一階段的關(guān)鍵題目是選用合適的通訊方式。目前通訊方式可分為兩種：一種為外圍通訊，主要是數(shù)據(jù)及語言的通道；一種是計算機(jī)軟件通訊。外圍通訊分為有線和無線兩大類。有線分光纖通訊、音頻電纜通訊、電力線載波通訊；無線通訊分微波通訊、擴(kuò)頻通訊和無線電通訊。計算機(jī)軟件通訊主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫、各種遠(yuǎn)動裝置和各種計算機(jī)軟件按一定規(guī)約進(jìn)行的數(shù)據(jù)交換。各種通訊方式具有各自的優(yōu)缺點，不同的通訊方式應(yīng)用于饋線自動化時所帶來的效果、經(jīng)濟(jì)性和實用程度有較大的差別。在選擇合適的通訊方式后，第二階段可以方便地由第一階段擴(kuò)展。
　　2.3　計算機(jī)控制配電自動化階段［3］
　　計算機(jī)控制的配電自動化是第二階段的延伸，將各子站的信息通過主站的電訊主控單元（TCM），送進(jìn)主站的計算機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行全面的計算機(jī)治理。這一階段是以計算機(jī)為主體的自動化階段。
　　在實現(xiàn)計算機(jī)控制配電自動化后，可以實現(xiàn)以下功能：
　�。�1） 配電網(wǎng)監(jiān)視功能　系統(tǒng)采集配電網(wǎng)的信息，進(jìn)行配電網(wǎng)狀態(tài)的監(jiān)測。
　　（2） 配電網(wǎng)控制功能　系統(tǒng)通過TCM按照操縱者指令遠(yuǎn)控開關(guān)和RTU。
　　（3） 配電網(wǎng)單線圖顯示功能　配電網(wǎng)每一條饋線以單線圖方式顯示。
　　（4）記錄功能　由監(jiān)視、控制和數(shù)據(jù)維護(hù)處理的配電網(wǎng)狀態(tài)、操縱記錄、系統(tǒng)故障等，可以通過記錄功能打印出來。
　�。�5）數(shù)據(jù)維護(hù)功能　操縱者可以用數(shù)據(jù)維護(hù)功能，更新計算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)庫。
　�。�6）模擬功能　可以模擬事故時的設(shè)備動作和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，提供培訓(xùn)功能。
　�。�7）配電網(wǎng)的圖形顯示功能　顯示與街區(qū)圖相應(yīng)的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)圖。
　　（8）變電站監(jiān)測功能　對變電站內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)和丈量數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)測。
　�。�9）配電網(wǎng)調(diào)配功能　計算調(diào)配配電網(wǎng)的操縱過程，即通過使用數(shù)據(jù)如故障區(qū)的位置和配電網(wǎng)的電氣狀態(tài)，提供無故障區(qū)的電源來恢復(fù)掉電區(qū)域的供電。
　　這一階段與第二階段的區(qū)別在于，第二階段僅實現(xiàn)變電站內(nèi)的治理，而第三階段則實現(xiàn)了計算機(jī)全面控制饋線自動化的治理，使治理系統(tǒng)更上一個層次。此外，還可以通過完成主站與主站之間的相互后備的連接，來實現(xiàn)更大范圍的配電系統(tǒng)治理調(diào)配自動化。
3　電壓型系統(tǒng)的特點
　　目前，國內(nèi)在配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的應(yīng)用上大致分為兩大類型：一類是電壓型系統(tǒng)，一類是電流型系統(tǒng)。兩個系統(tǒng)各有優(yōu)缺點。這里著重分析電壓型系統(tǒng)應(yīng)用于配電網(wǎng)的基本出發(fā)點。
　�。�1）從10　kV配電網(wǎng)運(yùn)行方式上來看，由于我國10　kV系統(tǒng)目前多為中性點不接地系統(tǒng)，與日本的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為相似，較適合采用電壓式設(shè)備；加之這種模式在日本已有近30年的運(yùn)行經(jīng)驗。因此，將其應(yīng)用于10　kV排擠線的配電自動化系統(tǒng)較為合適；
　�。�2） 從電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性方面來看，電壓型系統(tǒng)的優(yōu)點較為突出。由于在自動化發(fā)展到第二、三階段，故障的隔離、定位還是由一次設(shè)備獨(dú)立完成，而通訊系統(tǒng)則主要用來完成潮流計算后的負(fù)荷調(diào)配以及日常的調(diào)配、維護(hù)、操縱功能，這就進(jìn)步了整個系統(tǒng)處理事故的可靠性。從桿上設(shè)備的故障判定方式來看，電壓型設(shè)備僅需根據(jù)配電線路的電源有無來進(jìn)行判定，而電流型設(shè)備用RTU則要求開關(guān)CT配合來判定故障電流的位置和方向，RTU自身的故障判據(jù)需要根據(jù)分段區(qū)間的負(fù)荷變化來整定，這對負(fù)荷經(jīng)常變化的配電網(wǎng)來說，是相當(dāng)麻煩的；
　�。�3） 從桿上設(shè)備的維護(hù)性來看，電壓型設(shè)備工作電源取自線路，不需要額外提供；而電流型設(shè)備RTU固然也可用電源變壓器作為正常時的供電電源，但在線路故障時，必須依靠蓄電池供電，才能保證通訊的正常進(jìn)行。蓄電池需要定期維護(hù)檢查，這使得系同一次設(shè)備的免維護(hù)性大大降低；
　�。�4） 從線路的恢復(fù)供電方式來看，電壓型系統(tǒng)固然由于采用逐級投進(jìn)的方式，使開關(guān)動作次數(shù)增多，在縮短停電時間上不如電流型設(shè)備，但在實際應(yīng)用時，因斷路器重合，，分段開關(guān)逐級的投進(jìn)，可以有效地避免線路因涌流而引起斷路器的誤動作。
4　系統(tǒng)通訊方式的選擇
　　對饋線自動化系統(tǒng)而言，通訊信道的選擇是一個關(guān)鍵題目。應(yīng)用于電力網(wǎng)時，固然配電線載波、雙絞線通訊方式、無線電方式和光纜方式均可實現(xiàn)通訊，但采用不同方式所帶來的效果、經(jīng)濟(jì)性和實用性是不同的。
　�。�1）采用配電線載波方式通訊，優(yōu)點是無需架線并且系統(tǒng)變化時方便易行，但由于電氣設(shè)備的投切都會對配電線上傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生干擾，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的傳輸和衰減特性發(fā)生明顯的波動，信號干擾嚴(yán)重；此外，配電網(wǎng)分支多，在分段點易發(fā)生信號衰減或信號盲點，傳輸可靠性低；傳輸速度慢，各種耦合設(shè)備造價不菲，因此電力線載波用于饋線自動化系統(tǒng)不是一種理想的通訊方式。盡管目前已有文獻(xiàn)提出PLC技術(shù)有重大突破（DPL技術(shù)）［4］，但尚未進(jìn)進(jìn)實質(zhì)性（上接第33頁 continued from page 33）
　　的使用階段；
　�。�2）采用雙絞線通訊方式。這種通訊方式需要另外展設(shè)通訊線，但它的傳輸可靠性較高，傳輸速度適中，在需要擴(kuò)展時不受其他因素的限制，在綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、可靠性和實用性后，可以作為一種可行的饋線自動化通訊方式；
　�。�3）采用無線通訊方式，無需架線，應(yīng)用較方便。但這種方式存在以下題目：首先要遵守電波法的規(guī)定，需要申請頻率；其次，城市電訊發(fā)展使電波干擾和電磁噪聲很大，這樣造成的誤碼率較高，可靠性下降；RTU用電臺的發(fā)射功率大，造價較高。相比之下，這種方式較適用于區(qū)域小、空中干擾小的中小城市地區(qū)；
　�。�4）光纖通訊方式不失為一種好的通訊方式，但光纜敷設(shè)的工程量、光端機(jī)等設(shè)備的用度昂貴，假如僅用于配電網(wǎng)信息傳輸?shù)膱龊�，那么整個系統(tǒng)造價太高，性能價格比太低，不經(jīng)濟(jì)。
　　各地的電力部分可以根據(jù)當(dāng)?shù)嘏渚W(wǎng)自動化規(guī)劃的要求，因地制宜，選擇適合于當(dāng)?shù)氐乩淼孛驳耐ㄓ嵎绞�，在綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、可靠性和實用性后再選擇通訊方式。
5　結(jié)論
　�。�1） 電壓型饋線自動化系統(tǒng)可分桿上配電自動化、遠(yuǎn)測遠(yuǎn)控自動化和計算機(jī)輔助配電自動化三個階段逐步實現(xiàn)。
　�。�2） 這套方案較適合于國內(nèi)10　kV配電網(wǎng)中性點不接地系統(tǒng)，一次設(shè)備具有免維護(hù)性，操縱整定簡便，并且采用一次設(shè)備隔離故障、二次設(shè)備主要用于完成監(jiān)控調(diào)配和計算機(jī)治理工作，保證了較高的系統(tǒng)可靠性。
　�。�3） 通訊方式的選擇是該方案實現(xiàn)的關(guān)鍵。根據(jù)國內(nèi)不同地區(qū)的實際情況，可以選擇不同的通訊方式用于饋線自動化。雙絞線通訊方式從可靠性、經(jīng)濟(jì)性、實用性等方面看均不失為一種較好的通訊方式。
　　參考文獻(xiàn)
　　1　高嚴(yán).捉住機(jī)遇，落實任務(wù)，加快城網(wǎng)建設(shè)和改造步伐.供用電,1998（8）
　　2　Ohshima I,Fujisawa A et al. Switching performance of vacuum switch and insulation coordination in overhead power distribution system. Int. Symposium on Adoption of New Techniques for Power Distribution Systems. Dec 1987
　　3　Kato S,Naito T et al.Computer-based distribution automation. IEEE 1985 Power Industry Computer Application Conference
　　4　宋永華，肖穎 et al.電力線載波技術(shù)重大突破.電網(wǎng)技術(shù)，1999，23（2）

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