什么是配电网自动化电力系统及其自动化的选修课

什么是配电网自动化电力系统及其自动化的选修课
什么是配电网自动化
电力系统及其自动化的选修课

什么是配电网自动化电力系统及其自动化的选修课
1 概述
我国配电网自动化的发展是电力市场和经济建设的必然结果,长期以来配电网的建设未得到应有的重视,建设资金短缺,设备技术性能落后,事故频繁发生,严重影响了人民生活和经济建设的发展,随着电力的发展和电力市场的建立,配电网的薄弱环节显得越来越突出,形成了与电网建设不协调的局面.
国家颁布实施的《电力法》的贯彻后,电力作为一种商品进入市场,接受用户的监督和选择,甚至于对电力供应中的停电影响追究电力经营者的责任.另一方面,高精密的技术和装备对电能质量要求,配电网供电可靠性已是电力经营者考虑的主要方面.
随着市场观念的转变和电力发展的需求,配电网的自动化已经作为供电企业十分紧迫的任务,大城市电网,从八十年代就意识到配电网的潜在危险,并竭力呼吁积极努力地致力于城市电网的改造工程,并组织全国性的大会对配电网改造提出了具体实施计划,各种渠道凑集资金,提出更改计划,利用高技术、性能好的设备从事电网的改造.例：1990年5月召开了全国城网工作会议,提出了城市配电网在电力系统的重要位置,要求采取性能优良的电力装备,以提高供电能力、保证供电质量.根据电网供电的要求,供电部门提出了配电系统对用户供电的可靠性要求,供电可靠性指标达到99.6%,对机场、银行及计算机网络和服务监控中心是电力质量要求高的场所,没有可靠的配电网是无法保障的.
配电网改造是实现配电网自动化的前期,没有好的电网是不可能实现配电网自动化,由于早期的县级电网已经基本形成,只能在原有配电网的基础上进行改造,难度大,要力争达到高自动化的目的,应做好统筹规划,从装备上符合现代城市的发展要求,因此,城市配电网电力装备的基本要求是：技术上先进、运行安全可靠、操作维护简单、经济合理、节约能源及符合环境保护要求.
配电网的应用是经济建设所决定的,因此,无论是大城市配电网还是小型城市、县级城市甚至农村配电网,在配电网改造及配电网自动化应立足于以下几方面：
(1) 立足于国情,城市电网的实际要求,以真正解决配电网的实际问题,以符合供电可靠性及用户供电的要求,不搞形式、不追潮流,将有限的资金投入到较为实际有效的电网改造中去.
(2) 以保证供电可靠性为前提,确保电力用户用电的时效性,满足电力用户的供电需求.较长一段时间以来,电力能源紧缺,限制供电现象较为普遍,但如何确保用户在不限电时避免其它事故所造成供电的影响,应从用户用电的实际要求为出发点,做好用户用电的服务工作,体现用户是上帝的精神,在电力经营部门也应得到体现.
① 从用户用电的实际要求出发,保证用电的需求,满足用电要求； ② 提高网络的输送能力,做好网络结构的调整； ③ 提高技术装备的可靠性及运行部门的免维护要求； ④ 完善设备的自动化程度及故障的判断能力.
(3) 满足和确保供电的质量,随着城市高新技术用装备和居民家用电器的要求,高峰低谷现象对电能质量是相对应的,除电压幅值,频率以及谐波对用户都将产生不良的影响外,甚至会影响电能的计量,因此要采用调峰、调压来保证电能质量.
(4) 降低电网的损耗、电能损耗往往作为电力经营和运行不可避免的事,但是损耗决定于电网结构和输送电负荷的条件来决定,城市电网改造之一是改进导线截面,降低线路的电阻率,采用新的输送电金具,减少线路电能损失.采取无功就地补偿,提高功率因素,合理调度和负荷分配,优化网络潮流,做到经济运行.
(5) 提高网络的供电能力,减少用户的停电机率,网络的互供能力主要反应网络接线、负荷的合理调整.
(6) 采用自动化装备,提高设备的故障判断能力和自动隔离故障,恢复非故障线路的供电条件,选择自动化程度较高的自动化设备.
(7) 解决配电网用设备的技术性能,提高设备的自身可靠性运行能力,尤其是配电网开关设备的操动机构及内部结构适应于户外(户内)运行条件,做到不检修周期长,设备运行可靠.大大地减轻运行人员的劳动强度和维护费用.
(8) 便于系统的监控,实行配电网的经济调度,实时的网络经济分析,历史数据的记录和查备,事件记录的查询规划.
2 当前我国配电网存在的问题
配电网的发展主要是随城市建设规模及用电负荷迅速增长和供电可靠性要求而提出的,由于城市规划与电力的条块分割,形成了不相适应配电网结构,使配电网规划及发展不适应城市发展的需求,突出反映在如下几点：
(1) 配电网络电源点落后于城市建设的发展,由于城市规模和商业的建立,电源点容量及电能输出受到限制,尤其是电力线的传输通道.
(2) 瓶颈效应比较突出,出现卡脖子现象严重,电能输不出去,往往因此而引起停电事故.改革开放以来,城市建设速度加快,负荷增长率高,但电力建设不及时,输出线半径小,线路长.
(3) 出线通道影响与城市规划不相适应,有的地方改用地下电缆,施工及投资不允许,采用架空导线环境条件受限,有的采用绝缘导线,网络复杂的情况较为普遍.
(4) 早期建设的线路导线细、年久失修,高能耗设备多,线损率高,由于导线半径小及无功缺额较大,综合线损损耗大,个别地区配电网损耗达到30%,一般地区在15%～20%,造成能源大量浪费和环境污染.
(5) 供电不可靠因素增大,由于配电网投资不足,设备老化和技术性能低劣,供电事故频繁,往往是一点故障引发全线甚至大面积停电事故.城市繁华地段,往往是局部故障引进重要场所、用户停电,影响社会治安及经济市场.早期设备技术性能差,设备动作频繁,引发事故多,对机构的可靠性要求高.
(6) 电网结构复杂,环网联络接点较多.
(7) 城市电网改造涉及面广,要求较高,停电难度大.
因此,对于城市配电网实现配电网自动化是一项综合性的工程,最基本的条件是应具有较为完整的多路电源的配电网点,具有较好的城市规划及电源路径的分布,利用各种较为先进的设备,当前城市建设的规模和经济的发展对配电网提出了较高的要求,各级部门都给予充分的重视,在资金上给以投入,形成了一种较好的外部环境.
3 配电网系统的接线方案
由于配电网的复杂性,不是单一方案就可以实现配网自动化要求,对于不同的供电模式,应具有不同的供电方案,以力求达到较完美的条件.
3.1 环网电缆方案
以电缆作为配电主干线的配电网自动化方案,主要在城市商业繁华、人口密集地方,以环网开关柜为主体,负荷开关柜据所在地域和用户的数量的要求设定出线保护多少,一般为二进(四出),当进出线回路较多,规模更大时可转变为开闭所,环网柜和开闭所中设计量柜、联络等.
环网柜一般以负荷开关与熔断器相配合,当一路电源发生故障后,会有另一路电源快速切换到母线,恢复正常的供电.对开闭所监控系统的通讯方式,在放设电缆时一并设置,主要以光纤和市话线为主,以减少干扰.环网柜的主要特点是运行环境较好、外界影响因素较少,也是城市主干道的较好的方案,见图1.
3.2 市区架空配网方式
市区架空配网方式一般在城市道路规模较好,两侧路幅较为宽敞的条件下,以裸线架空导线和架空绝缘导线为主,一般情况下是双回路架设,在配电线路上根据用户要求设配电变压器或设双电源,架空线路通常是双电源环网供电方式.见图2

这种配电方式结构简单,布置形式灵活,设备都集中在户外式安装,受环境条件的影响较深,正常条件下R0为开路运行,B1、B2分别供电.当异常情况下向另一端自动供电,采用柱上重合器或自动开关来实现.分支线采用分段器与主干线的配电开关相配合.用来隔离支线上的永久性故障.这种方案在一次和二次设备配合上,完成自动隔离故障功能.
3.3 辐射型配电网
辐射性配电网是在市郊和农村配电网络以单电源供电,控制设备由变电站主开关作保护,配电线路可根据需要设多级重合器和分段器保护,达到自动隔离和恢复供电的条件.在我国现有的经济能力条件和配电网的实际情况下,大量采用断路器(重合器)作为配电网线分支线自动开关,尚不具备充足的资金条件,以分段器更为合适.见图3

注：定值的整定值应IR2〈IR1〈IB1动作次数MR2〈MR2分段器的动作次数由需要定为一或二次
(4) 配电网自动化的系统结构的数据库能系统全面地反应配电网的信息,用户的档案资料、杆型的结构,配电变压器的型号记录,历史检修记录、设备技术参数、备品备件、保护定值记录、线路路径及杆号记录,并实时记录有关参量和对设备进行监控.是配网自动化的核心,高级应用软件、良好的人机界面,实时量的信息库是配网自动化的基本要求.
(5) 无功自动补偿功能,能准确反映配电系统无功需求状况,对高低压无功补偿装置能自动控制和合理调节,对经济运行调度提供依据.配电网的无功补偿,除在10kv母线进行自动补偿还要在线路上对无功进行动态补偿,实现遥控和自动投切.
(6) 负荷控制不是简单理解为对用户的用电量进行控制.对负荷控制并了解负荷的动态平衡状况,调整各负荷运行环境,合理地投入无功补偿,使之能经济运行.负荷控制是为了更好地指导用户的经济运行.
(7) 远方读表是电力部门对用电管理的主要手段,定时限地对电网负荷进行平衡,优化电网运行的方式,同时可大大地减轻抄表人员的劳动强度.
(8) 设备的基本条件
根据我国城市电网及配网工作特点,对设备的要求是要做到安全可靠性高、技术参数高、效率高、使用寿命长、结构简单、体积小、便于安装、维护工作量小、污染小、噪音小、价格合理,并针对城市繁华的特点,要朝着无油化、绝缘化、组合化、机电一体化方向发展.
4 配电网设备基本条件
配电网自动化是近几年来电力应用技术的新型技术,主要涉及中低级电网,作用对象是电力经营企业和用电企业的结合.目前世界各国对此都表示十分关注,由于该技术尚没有明确定论,但至少可以说明配电网自动化不仅仅简单是配电线路及其所相应的设备,还有通讯、计算机综合应用、电力(负荷)监控、节能、电网规划等,可归纳为如下几个方面：
(1) 可靠安全的供电网络,包括电源点应保证电力输送线路的经济运行,开关变压器等设施的可靠性.
(2) 对故障的自动判断和隔离,在人工或自动条件下恢复非故障线路的供电,对故障点进行自我隔离和诊断.
(3) 判断系统的运行状况进行实时监控,采用分布式的SCADA(远动),对配电网所需的信息进行技术处理,对配电网的各种信息的上发下传,及时反应配电网的运行状况和事故的处理级分析能力.
(4) 用电管理包括用户对电能的管理要求,用户对电能的意见及要求能够反映到配电管理中心,由配电管理中心对此作出反应和处理.对电能进行调整,对用电负荷的控制和经济调度.
对用电管理系统可对用户直接或间接地进行控制,这种控制方式一般由人为进行设定,可由远动操作也可由现场就地操作,与通常的事故处理有不同的管理方式.
5 配电网自动化通讯的主要技术问题
配电网自动化程度的重要标志是通讯是否符合自动化的要求,它担负着设备及用户与自动化的联络,起着纽带作用.担负着信息的处理、命令的发送和返回.所有数据的传递,没有可靠有效的通讯,配电网无法与自动化相联系.关于自动化通讯,通常概念有两种：一是外围通讯,主要是数据以及语言的通道.采用的方法为有线和无线二大类.有线分光纤通讯、音频电缆通讯、电力载波通讯；无线通讯分微波通讯、扩频通讯以及无线电通讯.对于城市配电网应结合城区的特殊情况,以及实际应用效果来决定采取那一种通讯方式.另一种通讯通常是在计算机上的软件通讯,由统一规约.各种计算机软件以及数据库、远动装置都是由计算机软件进行数据交换,在实际计算机运行过程中的某一种规定的方式进行,通讯规约一般是由设备自身来设定的,同一生产单位的产品规约是一致的,当有不同的生产厂家时,通讯规约则发生不一致,导致数据传递的失败.
光纤通讯是城市配电网通讯的主要方式,主要特点是可靠性高,干扰小,不受环境条件的影响,可作为语言、数据和图象的传输,是当前较好的通讯方式.但是由于光纤所相关的设施的费用较高,在使用中受到限制.尤其是在配电网中,因配电柱上开关及用户分布在沿线,对于每一开关及用户所需的通讯很难从一根多芯的通讯光缆中取出.
音频有线是城市电网较为经济和实用的方法,通讯的布设及各通讯端的连接无特殊要求,造价较低,容易实施,但容易受环境的影响,尤其是与高压配电线路同杆架设,高压的强电场和强磁场对通讯线的干扰影响较大.
电力载波是电力系统常用的通讯方法,在对于无断点的线路.例如变电站与变电站之间,已经有成熟的经验,使用效果好.但对于配电网线路,由于线路多台配电变压器以及线路,由于柱上开关的断点,使载波通讯在配电线路中使用受到了较大的影响,有些问题尚待进一步研究.
微波通讯对于配电网多点通讯点是很难采用的,考虑到微波通讯的接收装置,以及工程投资,对于城市配电网的应用不完全满足.而扩频通讯广泛地被应用到各行各业的通讯,对于电网变电站与调度中心,长距离的通讯能体现出扩频技术的诸多优点,抗干扰能力强,保真性高,误码率低,可实现码分多址复用,功谱密度低,发射功率小.但对于高楼林立的城市配电网,柱上开关及配电网变压器的位置很难确定最好的通讯环境时,其放射信号的接收会受到波传输的影响(绕射功能差).往往出现在城市应用效果不佳的现象.
无线通讯主要是音频,通常作为我国负荷控制的应用领域,在城市应用效果得到充分证实,主要问题是无线通讯装置的使用效果,早期的无线通讯装置是产品质量不佳,影响了通讯效果.
计算机通讯,主要是通讯规约问题,对于我国电力系统,采用了标准的通讯规约,由国家和行业远动、通讯标准来决定,通常的规约为DDT、POLLIG等.
近几年来,通讯接口以485型式出线,增强了通讯的传输能量.因此无论配电网采用何种通讯方式,对远动(RTU)与主站系统的通讯必须符合某一规定的要求.
6 配电网自动化软件应用及信息处理
配电网自动化系统应用软件应建立在较为通用的、符合计算机时代要求的软件平台上,具有相应的开放式支持环境,有通用的按标准程序编写的应用软件和数据库的接口,具有友好的人机界面和屏幕操作,具有应用化的多层次的地理信息系统,符合运行的实际状况.
对于配电网系统,计算机的应用平台必须在操作系统、数据库、用户界面和通信接口上遵循公认的.
7 发展配电网自动化应注意的问题
(1) 分析地区配电网的实际应用情况,找出本地区配电网存在的技术方案问题,本着实事求是立足国情和网情.当前我国配电网处于高速发展的时期,但又处于方案的探索时期,所以在吸收国外先进技术和设备的基础上,应广泛开展中国配电网改造和自动化的研究.
(2) 配电网自动化是一项综合性工程,涉及的专业多,规划性强的系统,应根据电网、城市电网的规划进行,避免盲目性.
(3) 配网自动化方案是自动化的核心,在引进国外技术的同时结合国内配电网的实际情况进行分析,国外配电网与国内在很大程度上不尽相同,应有所区别,吸取精华,适合国情、地情、网情.
(4)配电设备的使用面广、量大、运行环境较为严酷,设备选择应符合当前配电网形势要求,具有高度可靠性和优越的技术性能.并以真空断路器为主,免维护周期长,二次保护控制设备具有可靠性,抗干扰能力及适合户外高温和低温等较为严酷的运行环境；应具有远方通讯的接口.自动化程度高,一次开关设备与二次保护装置能良好地配合,能自动实现配电网自动隔离故障,恢复正常供电的能力,具有就地和遥控的功能.
(5)远方通讯是自动化的关键技术,RTU要适合配电网使用,分布(散)式,单点的特点；通讯方式应选择合理,通讯功能强,误码率小,速度快,符合远方实时监控的功能.
(6)计算机应用软件的开发,首先选择具有开放、兼容的操作平台,对各种标准的数据库应具有联接功能,地理信息应实时地反应配电系统的潮流及负荷情况,对事故记录及信息反馈,可实现负荷控制、远方抄表、设备数据库统计及规划、无功优化的理论计算等.计算机软件功能是配电系统自动化的核心技术,好的软件可充分体现出技术和自动化的水平,应充分进行比较.
(7) 配电网的工程设施应有计划地分期、分批实施.应确定配电网络的基本条件,导线截面、输送容量、线路走向及用户的基本条件.先采用具有自动化功能的一次开关设备和二次保护监控设备完成自动送电,故障自动分闸和隔离故障功能,能做到隔离和区分故障点.在条件具备时,再投入通讯和计算机网络,可以少走弯路,资金投入可以分批实施.
配电网是当前电网建设的热点,无论是大型、中小型城市都是把配电网改造建设及自动化的实施列入工作重点,投入大量的资金和人力,将对整个电网建设有重大影响,各地区在改造中应慎重对待,尤其是设备引进的技术问题较多.
相信配电网自动化的实施在各方面的共同努力下,不断完善并上升为标准化、规范化管理,一定会取得较好的成效,得到更大的社会效益和经济效益.