對閉環執行方式配電自動化系統的探討
配電作為電能發變送配中的最後一個環節，在電力生產中具有非常重要的作用。由於歷史原因，過去未得到足夠的重視。隨著經濟的發展和生活水平的提高，對供電質量和可靠性提出了更高的要求。大規模的兩網改造結束後，配電網的佈局得到了最佳化，但要進一步提高配電網的可靠性，還必須全面實現高水平的配電網自動化。
實際上，近年來我國許多地區已經在不同層次、不同規模上進行了配電網自動化的試點工作，也取得了一定的成績。但由於幾乎所有的系統都是開環執行模式，故障恢復時間都在30s以上甚至數分鐘，不能滿足對供電可靠性要求更高的使用者，只能採取雙回供電、自備發電、大容量UPS等高成本方式來彌補。在此背景下，筆者單位與有關電力企業合作，在某國家級開發區配備了閉環執行方式的配網自動化系統。經過2年多的執行證明，系統功能和指標達到了設計要求，大大提高了配電網執行的可靠性，具有開創性意義。
1 供電區域配電網概況及配網自動化規劃功能和目標
該區共10km2，區內110kV變電站一座，目前投入31.5MVA變壓器2臺。110kV進線2回內橋接線，分別引自上級500kV變電站。出線為35kV10回、10kV14回，改造前為架空線路與電纜出線混合方式，中性點不接地；改造後全部以電纜排管方式引出，小電阻接地。二次裝置原採用常規繼電保護和遠動，僅有遙測、遙信送往上級排程中心，通訊通道為載波和擴頻，備有商用電話。
擬分二期全面實現配電網自動化。本期規劃主要目標是：
（1）以全閉環執行方式實現區內配電網自動化。
（2）提高供電可靠性，達到“N-1”供電安全準則，供電可靠率99.99%。
（3）建立配電監控系統，提高供電質量，電壓合格率98%。
（4）線路發生永久性故障時，能自動進行故障識別、故障隔離和恢復供電。
（5）實現對使用者側裝置的遠方監控、抄表等負荷管理功能。
（6）同時容納開環執行的方式。本期配電自動化系統主要實現以下功能：
1)SCADA功能包括資料採集及處理、人機聯絡和製表列印；
2) 饋線自動化功能主要是故障識別、隔離和自動恢復供電；
3) GIS地理資訊系統功能；
4) 包括遠方自動抄表功能在內的負荷側管理功能；
5) 與變電站RTU和上級排程中心通訊功能包括傳送遙測、遙信和接收控調命令。對於電壓無功控制，本系統只向變電站/上級排程中心傳送電壓執行值，不在本系統中進行調壓操作，但提供接入使用者側調壓裝置的介面，也可傳達並執行上級配電中心的調壓指令，並保留功能上的擴充餘地。
2 對原配電網改造的主要內容
2．1 變電站綜合自動化改造
由於該110kV變電站原有保護遠動均採用常規裝置，不具備聯網、與使用者變電室通訊等功能，故首先對變電站進行改造，全部採用微機型的遠動和保護系統。改造後的系統具備完善的“四遙”功能和微機保護功能，並能與排程中心、上級配調中心、本級配調中心、客戶端RTU/FTU等進行通訊。
2．2 部分使用者變電室改造
由於該開發區配網自動化規劃設計採用電纜環網方式，所涉及的使用者變電室在改造後均以2回電纜出線，與上下家企業連成環網，出線均安裝可以遙控的開關。
在每個企業的降壓變加裝DEP-900型FTU，並以光纖為通道連成環。區內整個配電網採用手拉手環網方案，可以線上路故障時就近的斷路器自動跳閘，動作時間短，不依賴主站，對系統無衝擊，避免了開環系統需開關多次跳合判斷故障而帶來的弊端。
2．3 接地方式的改變及接地電阻值的選擇
改造後全部改為電纜出線，電容電流要比架空線路高得多，需將原小電流接地方式改為經小電阻接地的大電流接地方式。從單相接地故障的情況入手，嘗試了多箇中性點接地電阻值，對系統的穩態和瞬時二方面進行計算，並比較隨之改變的單相接地故障電流值、單相接地故障健全相電壓值及弧光接地過電壓值、鐵磁諧振過電壓值等，然後按照執行規程和繼電保護等約束條件進行比較分析，綜合計算考慮系統總電容電流、單相接地故障時的故障電流、工頻過電壓、繼電保護配合及通訊干擾限制等，將接地電阻阻值確定為5Ω。
2．4 保護定值的調整
系統接地方式改變及加裝具備故障狀態縱差保護功能的FTU後，對原110kV變電站內的饋線、母線、主變壓器、備自投各類保護定值均根據新的系統結構和執行方式進行了調整，上級500kV變電站相應出線的保護定值也作了微調。
2．5 其他
少數企業原採用架空線路，這次統一改為排管電纜。此外，在小區內敷設了多模光纖的環網通道，既為配網自動化提供高速可靠的數字通道，又為抄表、MIS系統聯網、多媒體資料傳輸等預留了通訊手段。
由於FTU及開關操作都必須有可靠的不間斷電源，以保證在配電網出現線路故障，導致保護動作、出線開關跳閘、故障電路全部停電或進行裝置檢修時，仍能提供FTU工作電源、通訊電源和開關操作電源，故在各使用者變配置了專用的小型220VDC高頻開關式直流操作電源。
3 閉環式配網自動化方案系統結構與功能綜述
3．1 配電網監控系統的SCADA功能與系統結構
閉環式配網自動化系統SuperDMS-2100的SCADA功能與電網排程SCADA功能類似，具備完善的資料採集功能、監視功能、事件記錄與報警處理功能、控制調節功能、系統管理功能以及通訊功能等。
配電網自動化應用功能有配電網執行監視、配電網執行控制、配電網故障判別及診斷、在保護拒動情況下實現配電網故障自動隔離負荷轉移及恢復供電、AM/FM/GIS、遠方抄表、無功最佳化與控制等功能。
配電控制中心的計算機系統配置符合當前先進的水平，採用了主流機型，雙乙太網、雙伺服器、雙前置機多人機工作站結構，大螢幕顯示器和高速印表機。配電網自動化系統SuperDMS-2000軟體的設計採用了面向物件的設計思想和軟體工程的管理方法，各軟體模組按功能物件劃分，自成一體，介面簡捷明瞭。系統具有標準資料庫介面，符合商用資料庫規範；具有網路支援；遵循開放式系統標準；具有廣泛的相容性和自由的擴充套件性，便於二次開發以及使用者功能擴充套件和規模擴充套件而保護原有投資；很容易過渡到三層資料處理結構。系統基於客戶/伺服器體系結構，伺服器負責資料維護和處理，並響應客戶機的請求傳送格式化的資料。客戶機則負責提供使用者介面，如圖形、表格甚至聲音、動畫等。系統支援跨平臺執行環境，可以和其他系統互聯。
3．2 AM/FM/GIS功能
SuperDMS-2000的AM/FM/GIS是配電管理系統的重要功能之一。它是將地理學空間資料處理、計算機技術與電力系統相結合，為獲取、儲存、檢索、分析和顯示電力裝置的空間定位資料和屬性資料而建立的計算機化的資料庫管理系統。其中AM為自動繪圖，FM為裝置管理，GIS是地理資訊系統。AM/FM/GIS是配電管理系統DMS的基本平臺，它以地理概念組織並涵蓋了SCADA、LM、PAS等子系統。利用AM/FM/GIS整合DMS系統，建立統一的DMS資料庫，為各子系統提供共享資料，從而減少資料的冗餘度，保證資料的一致性，提供良好的全圖形化的人機介面。它以電子化的地理圖形為背景，生成顯示輸出電網結構圖、發電廠變電站接線圖、規劃圖等專業圖形，支援導航、漫遊、縮放、分塊、分層等顯示和查詢方式；以地理資訊的形式儲存和管理電網資料；根據需求進行負荷預計、變電站選址、線路走向及最佳化、潮流計算、無功補償、短路計算、可靠性計算等電網改造和規劃方面的計算。
SuperDMS-2000 AM/FM/GIS的基本功能是對電網接線、配電線路和裝置等的各種圖紙資料進行綜合管理，對變電站接線圖進行管理，將線路和裝置圖紙資料等同饋線圖結合起來進行綜合管理，配電網執行維護管理，配電網停電覆役管理和故障處理，配電網的規劃和工程設計，以及多種統計功能網路互聯功能。其線上應用主要在SCADA和停電管理方面，離線應用主要在裝置管理、營業管理和規劃設計方面。
SuperDMS-2100AM/FM/GIS與專業地理資訊系統相比較，更注重AM/FM和其他專業功能，尤其符合配電的實際應用。開放的系統結構能相容多種作業系統和商用資料庫平臺，並且與通用GIS有著風格一致的介面。其突出的技術特點是具有高效的海量資料管理和實時多維圖形顯示能力，良好的網路協同作業環境，緊密地與實時監控系統融合，高速的分級瀏覽查詢。可以方便地定義基本圖形視窗、選單結構、資料格式以及相應的函式庫，完成各地理資訊應用所需的公共資料管理和操作，透過點、線、多邊形、文字、路網等資料結構描述圖形資料，並以塊和類的方式管理和組織圖形資料。裝置管理主要有引數管理、圖形管理、統計查詢、模擬操作、掛牌操作等。
3．3 其他DMS應用功能
SuperDMS-2000的其他DMS應用功能主要有故障線路報警、自動隔離、供電恢復、網路重構、負荷管理、自動抄表、故障呼叫，能滿足各類配電網的應用需求，其詳細內容筆者將另撰專文論述。
3.4 饋線自動化
饋線自動化是指變電站出線到使用者用電裝置之間的饋電線路自動化，其內容可以歸納為二大方面：①正常情況下的使用者檢測、資料測量和執行最佳化；②事故狀態下的故障檢測、故障隔離、轉移和恢復供電控制。本系統基於DEP-900饋線終端裝置（FTU）實現饋線自動化。
饋線自動化是配電網自動化的重要組成部分。要實現饋線自動化，需要合理的配電網結構，具備環網供電的條件；各環網開關、負荷開關和街道配電站內開關的操作機構必須具有遠方操作功能；環網開關櫃內必須具備可靠的開關操作電源和供FTU、通訊裝置用的工作電源；具備可靠的通訊系統。
饋線自動化的實現原則是：故障後的網路重構採用集中控制與分佈控制相結合，優先採用分散式控制的原則，以提高反應速度；實現配電網的閉環執行，故障情況下，瞬時切斷故障段並保持對非故障區的不間斷供電；相容開環執行模式。FTU基本按照變電室中線路為單元進行配置。所實現的功能包括：採集電壓、電流等電氣引數和裝置狀態並透過RTU主動上送、執行遠方控制命令進行開關開合和引數調整、根據整定條件實現故障狀態縱差保護。
分散式控制和集中式控制相結合是10kV/35kV線路故障處理原則。分散式控制作為主要手段，採用故障狀態差動保護方式，透過FTU之間相互通訊甄別故障地點，斷開故障點兩側開關，隔離故障，保證健康段線路供電。集中式控制作為後備手段，在保
護拒動情況下，由主站系統進行故障判別、隔離。由於本環網為電纜網，故障一般為永久性故障，所以不考慮重合閘方式，但FTU本身具備重合閘功能。
系統執行方式以閉環執行為主，兼顧開環執行方式。閉環執行發生故障時，裝置將在5個周波內作出判斷，為了確保對側和鄰側故障狀態的準確也需要一個時限，因此當發生故障到命令發出的時間約為0.15~0.2s。單相接地故障、相間短路故障、三相短路故障均可按照上述方案解決。
閉環和開環執行由主站系統根據系統一次側接線方式和開關狀態自行判別。當某開關狀態變化時，變位資訊上送，主站系統判別該環此時的執行狀態。如果執行方式變化，則通知環上所有FTU修改其保護動作判據。上述方案均基於小電阻接地系統。不接地系統中，當發生單相接地故障時，先透過小電流接地選線裝置判別故障線路，再由配電自動化軟體透過成組順序控制操作線路開關甄別故障段，斷開相應斷路器，並恢復非故障段負荷的供電。其他故障形式的判別與小電阻接地系統相似。
3．5 配電自動化終端裝置（FTU）
配電網監控遠方終端（FTU）負責對控制物件實時位置訊號和測量值的接受以及對控制物件進行遙控。對不同的控制物件，如配電站、開閉所、杆變、桿刀和大容量的高壓使用者等，需選用適當的FTU。
為本系統配套的DEP-900型FTU，其容量為8路遙測量、16路遙信量、2路遙控量、4路RS-232/485介面。其主要功能有：資料採集，饋線監控，故障檢測，開關分合控制，故障自動隔離和故障線路供電的自恢復，自動負荷轉移、儲存和報告負荷值，接受遠方操作指令及轉發採集資料、資訊，具備相適應的通訊介面、取樣介面和輸出介面，適應戶內外環境要求。DEP-900還具備故障電流狀態差動保護的功能。它基於故障電流狀態差動原理，可作為每個斷路器的饋線保護。饋線斷路器不裝置用和後備保護，當主保護拒動時，變電站出線開關跳開，然後由配電網管理軟體進行判別，以遙控方式隔離故障。
該區配電網採用環網結構，電源取自饋線的不同母線，按閉環方式執行。小區使用者多為高科技企業，對用電要求很高，希望在系統發生故障時，能瞬時切除故障，保證不間斷供電，因此對配電網電氣裝置和保護方式提出了較高要求，只能選擇效能很強的DEP-900系列FTU。
3．6 配電環網狀態差動保護方式
本方案保護方式採用故障狀態差動保護方式，將閉環執行狀態和開環執行狀態分別考慮。由於故障電流狀態是一個“0”、“1”的數字訊號，容易傳送和在FTU中綜合處理，可靠性高，價格也遠較縱差低。
3.7 通訊
該小區配電網的管理是一種分層結構，控制中心直接控制和管理使用者變電站及110kV變電站的低壓部分，並受控於上級配網中心，與排程中心有資訊交換。因此各層裝置之間的通訊就顯得尤為重要。
配網控制中心與使用者變（開閉所、箱變等）RTU/FTU之間的通訊是主要通訊系統，其可靠性、經濟性至關重要，因此選擇多模光纖，採用主/從式自愈環形通訊網。正常情況下，只有一個環路在使用。當發生故障時，光端機能自動測量故障點，使用第二個環路完成通訊，正常裝置或正常光纜仍能保持通訊暢通和鏈路完好。變電站綜自系統與FTU之間、FTU與FTU之間的'通訊均採用同一條光纜中的不同通道。
配網控制中心的配電自動化系統以載波和擴頻的方式與上級配電中心和排程中心通訊，並備有商用電話。
3．8 遠方抄表系統
遠方抄表系統是負荷管理的一個重要組成部分，也是發展較快和相對成熟的配網技術之一。
利用電力線透過載波傳輸電能表資料，能充分利用電力線的資源，成本低，管理維護簡便，工程費用較低。
在每個使用者站中都裝有帶脈衝和智慧介面的電能表，這些電能表的脈衝輸出經雙絞線接入採集終端，每個採集終端能連線8個電能表。採集終端的輸出經MODEM直接接入380V低壓電力線，直接與集中器進行通訊。集中器有RS-485介面與RTU通訊，將各電能表的輸出傳送到RTU。一個集中器可與64個採集終端進行通訊，即最多可連線512個電能表。智慧電度表可直接與RTU通訊。自動抄表的後臺系統透過控制中心的計算機系統，將列出每個使用者的用電情況：分時電能、日報、月報、電費清單等。
4 問題與建議
4.1 關於中性點接地方式及接地電阻阻值的確定
當前我國的大部分地區配電網仍以架空線路為主，因此大部分採用小電流接地方式。但在部分重點供電區域，逐步改為電纜供電，接地故障電流一般在25~2000A，甚至更高。當配電網路發展到以電纜為主時，系統電容電流較大，用消弧線圈補償有一定困難，配網中性點宜改為小電阻接地的方式。至於接地電阻阻值的選擇，要根據實際情況因地制宜，所選阻值必須使接地故障電流大於電容電流。這在一些城市已有成功經驗，可以借鑑。
4．2 具有狀態差動保護功能的FTU的配置
採用閉環方式執行的配電網系統必須採用斷路器，具備光纖通訊通道，配置具有狀態差動保護功能的FTU，才能實現秒級恢復供電的要求，幾個要素缺一不可。
4．3 與開環執行方式的結合
由於各種因素的限制，不可能在一個供電區域內全部採用閉環執行方式，甚至有的區域主要採用開環執行。因此，配電網自動化主站系統（DMS）必須考慮相容閉環和開環執行方式。這對DMS系統提出了更高的要求，需在系統設計時在底層考慮，否則所打補丁很難與系統有機地結合在一起。SuperDMS-2000在設計開發階段即考慮了這些因素，故能完全滿足這方面需求。
5
結束語
經濟的發展對配電網自動化提出了更高的要求，配電網自動化也是電力系統現代化發展的必然趨勢。實現閉環執行的配電網自動化是一個創舉和突破，也是配電網發展的一個更高階段，秒級的故障恢復時間滿足了絕大多數使用者對供電可靠性的要求。
技術在發展，需求也在提高。參照發達國家和地區的經驗，結合我們的實際情況，綜合考慮近期與遠期、全域性與區域性、主要與次要的關係，設計開發出先進、通用、標準的配電網自動化系統，對電力市場的發展具有重要意義。