多年来,由于我国电力供需矛盾突出,电力投资的重点一直倾向于输变电系统。当电力供需矛盾稍有缓解时,一直被忽视的配电系统的薄弱性就显现出来了,成为供电系统与不断增长的用户需求之间的“瓶颈”。随着电力部门对供电可靠性、供电经济性要求的不断提高,加之国家为促进经济发展、加大基础建设投资产业政策的出台,配电自动化已被提到议事日程[1]。配电自动化的实现,将使供电更可靠、为用户服务更全面、人员投入更节省、整个系统操作更有效。
馈线自动化是电力系统配电自动化的一个重要环节。长期以来,由于我国10 kV线路以架空线路为主,因此在城网改造的工作中,实现10 kV架空线路的馈线自动化是首要任务。面对量大面广的10 kV配电线路,如何既经济又高效地实现自动化的基本功能,是当前的主要任务。计算机、电力电子技术的日臻完善,使馈电自动化这一集计算机、自动控制、电子技术、通信技术和新型配电设备等技术为一体的自动化技术更容易实现,应用效益更为突出。
本文介绍一种电压型馈线自动化系统方案。该方案是通过以下三个阶段来实现的:杆上配电自动化阶段、遥测遥控自动化阶段和计算机控制配电自动化阶段。这三个阶段也就是从户外一次设备的应用(第一阶段)、信号的采集和传送(第二阶段)到实现计算机管理(第三阶段)。这套方案的实施在日本历经了近30年。我国10 kV电网中性点不接地运行方式与日本的电网相似,因此将此方案应用于我国的架空配电网系统较为适宜。
2 电压型馈线自动化系统
电压型馈线自动化系统方案如图1所示。
2.1 杆上配电自动化阶段
杆上配电自动化设施由同杆架设的杆上真空自动配电开关(PVS)、具有故障诊断功能的远方终端单元(RTU)和电源变压器(SPS)组成。
杆上真空自动配电开关(PVS)采用真空灭弧室灭弧,SF6气体外绝缘,开关内有与真空灭弧室相串联的隔离断口,使开关具有优越的灭弧和耐电压性能[2]。由于灭弧和绝缘介质均为无油介质,避免了火灾或爆炸的隐患。开关的高压部分、低压控制回路和操作机构均密封在开关箱体内,开关主回路引出端子采用绝缘电缆出线保护,带电部分不外露,具有15年免维护的特性。开关结构设计紧凑,带有悬挂式安装金具和电缆引线使杆上安装极为方便。具有手动/自动操作方式,使开关操作更灵活。
控制器可分为两种。一种是故障搜查控制器(FDR),一种是远方终端单元(RTU)。采用故障搜查控制器与杆上开关配合可以实现故障区段的隔离、非故障区段的供电恢复,但与站内的计算机通信需要另配单体RTU。远方终端单元除了具有上述功能外,还具有与站内的计算机通信功能,通过配合适合于当地的地理地貌的通信系统,可以实现配电自动化的遥测、遥控、遥信和遥调。
图1 电压型馈线自动化系统的构成
Fig.1 Configuration of feeder automation system
CB: 断路器; PVS:真空开关; SPS:电源变压器; RTU:远方终端单元;FSI:故障指示器;TCR:遥控接收单元;TCM:遥控主站单元; CPU:中央处理单元;CD:控制台; CRT:显示器; G-CRT:图形显示器; LP/PRN/HC:打印设备
电源变压器从线路两侧采集配电线路上的电压,以作为开关电源和用于故障检测判断的检测信号。
整套设备以电压延时方式,通过对断路器从合闸到分闸延时的计算来找出故障区段。在此基础上,实现采用一次设备,独立完成自动隔离故障段、自动搜寻故障区间的功能。
下面列举这套设备在环网线路运用时,实现故障区段的隔离和非故障区段的供电恢复过程。图2为环网运用示意图。图中CB1、CB2分别为两个变电站内的断路器,LS1、LS2、LS3、LS5、LS6分别为线路上的分段开关,LS4为两条线路的环点开关(常开),分段点开关的延时时间为7 s,环网点开关的延时时间为45 s。
假设当故障发生在c段,站内的断路器CB1跳闸,LS1、LS2、LS3因失压而断开。随后CB1一次重合闸,LS1、LS2按预定的延时顺序关合,当合至故障段c时,若当时发生的故障为瞬时故障,因为此时线路已恢复正常,所以所有线路恢复供电。若故障是永久性故障时,LS2顺序关合至短路时再次引起站内CB1跳闸,这时,LS2因感受短路故障、LS3因检测到前端异常低电压而记忆故障锁扣。此后CB1送电,使区段a、b恢复正常。同时由于d段掉电,环网点上的开关LS4在感受到其一端掉电后开始延时,经过一段时间后,LS4合闸,将CB2电源供给d段。按照上述时间设定,因故障引起的正常线路停电时间最长的区段为d段,时间为45 s,系统实现了故障区间的隔离和非故障区间的供电恢复和调配。
图2 环网运用的示意图
Fig.2 Demonstration of ring network application
2.2 遥测、遥控自动化阶段
遥测、遥控自动化阶段的设施由下述装置构成:发出通/断命令的控制台、显示信息的CRT,进行收发信号联系的遥控主控台TCM和与主控台之间进行收发信联系的远方终端单元RTU等。第二阶段作为第一阶段的延伸,能具体实现线路信息的传递和对一次设备的控制、监视。
作为一次设备和配电自动化系统承上启下的中间环节,这一阶段可实现以下功能:
(1) 当发生故障或停电作业时,遥控杆上开关的通或断;进行过负荷时的系统转换。
(2) 监视变电站内变压器和馈线的电压、电流以及站内继电器操作;监视杆上开关、RTU的工作状态。
(3) 通过计算机,在屏幕上显示断路器、开关等设备的状态和系统信息。
(4) 进行操作记录、打印状态变化记录、复印CRT画面内容、记录维护工作数据等。
这一阶段的关键问题是选用合适的通信方式。目前通信方式可分为两种:一种为外围通信,主要是数据及语言的通道;一种是计算机软件通信。外围通信分为有线和无线两大类。有线分光纤通信、音频电缆通信、电力线载波通信;无线通信分微波通信、扩频通信和无线电通信。计算机软件通信主要实现数据库、各种远动装置和各种计算机软件按一定规约进行的数据交换。各种通信方式具有各自的优缺点,不同的通信方式应用于馈线自动化时所带来的效果、经济性和实用程度有较大的差别。在选择合适的通信方式后,第二阶段可以方便地由第一阶段扩展。
2.3 计算机控制配电自动化阶段[3]
计算机控制的配电自动化是第二阶段的延伸,将各子站的信息通过主站的电讯主控单元(TCM),送入主站的计算机系统,进行全面的计算机管理。这一阶段是以计算机为主体的自动化阶段。
在实现计算机控制配电自动化后,可以实现以下功能:
(1) 配电网监视功能 系统采集配电网的信息,进行配电网状态的监测。
(2) 配电网控制功能 系统通过TCM按照操作者指令遥控开关和RTU。
(3) 配电网单线图显示功能 配电网每一条馈线以单线图方式显示。
(4)记录功能 由监视、控制和数据维护处理的配电网状态、操作记录、系统故障等,可以通过记录功能打印出来。
(5)数据维护功能 操作者可以用数据维护功能,更新计算机内的数据库。
(6)模拟功能 可以模拟事故时的设备动作和网络状态,提供培训功能。
(7)配电网的图形显示功能 显示与街区图相应的配电网网络图。
(8)变电站监测功能 对变电站内设备的状态和测量数据进行远方监测。
(9)配电网调配功能 计算调配配电网的操作过程,即通过使用数据如故障区的位置和配电网的电气状态,提供无故障区的电源来恢复掉电区域的供电。
这一阶段与第二阶段的区别在于,第二阶段仅实现变电站内的管理,而第三阶段则实现了计算机全面控制馈线自动化的管理,使管理系统更上一个层次。此外,还可以通过完成主站与主站之间的相互后备的连接,来实现更大范围的配电系统管理调配自动化。
3 电压型系统的特点
目前,国内在配网自动化系统的应用上大致分为两大类型:一类是电压型系统,一类是电流型系统。两个系统各有优缺点。这里着重分析电压型系统应用于配电网的基本出发点。
(1)从10 kV配电网运行方式上来看,因为我国10 kV系统目前多为中性点不接地系统,与日本的网架结构较为相似,较适合采用电压式设备;加之这种模式在日本已有近30年的运行经验。因此,将其应用于10 kV架空线的配电自动化系统较为合适;
(2) 从电力系统运行可靠性方面来看,电压型系统的优点较为突出。因为在自动化发展到第二、三阶段,故障的隔离、定位仍是由一次设备独立完成,而通信系统则主要用来完成潮流计算后的负荷调配以及日常的调配、维护、操作功能,这就提高了整个系统处理事故的可靠性。从杆上设备的故障判断方式来看,电压型设备仅需根据配电线路的电源有无来进行判断,而电流型设备用RTU则要求开关CT配合来判断故障电流的位置和方向,RTU自身的故障判据需要根据分段区间的负荷变化来整定,这对负荷经常变化的配电网来说,是相当麻烦的;
(3) 从杆上设备的维护性来看,电压型设备工作电源取自线路,不需要额外提供;而电流型设备RTU虽然也可用电源变压器作为正常时的供电电源,但在线路故障时,必须依靠蓄电池供电,才能保证通信的正常进行。蓄电池需要定期维护检查,这使得系统一次设备的免维护性大大降低;
(4) 从线路的恢复供电方式来看,电压型系统虽然由于采用逐级投入的方式,使开关动作次数增多,在缩短停电时间上不如电流型设备,但在实际应用时,因断路器重合,分段开关逐级的投入,可以有效地避免线路因涌流而引起断路器的误动作。
4 系统通信方式的选择
对馈线自动化系统而言,通信信道的选择是一个关键问题。应用于电力网时,虽然配电线载波、双绞线通信方式、无线电方式和光缆方式均可实现通信,但采用不同方式所带来的效果、经济性和实用性是不同的。
(1)采用配电线载波方式通信,优点是无需架线并且系统变化时方便易行,但由于电气设备的投切都会对配电线上传输的信号产生干扰,导致网络的传输和衰减特性发生显著的波动,信号干扰严重;此外,配电网分支多,在分段点易发生信号衰减或信号盲点,传输可靠性低;传输速度慢,各种耦合设备造价不菲,因此电力线载波用于馈线自动化系统不是一种理想的通信方式。尽管目前已有文献提出PLC技术有重大突破(DPL技术)[4],但尚未进入实质性(上接第33页 continued from page 33)
的使用阶段;
(2)采用双绞线通信方式。这种通信方式需要另外铺设通信线,但它的传输可靠性较高,传输速度适中,在需要扩展时不受其他因素的限制,在综合考虑经济性、可靠性和实用性后,可以作为一种可行的馈线自动化通信方式;
(3)采用无线通信方式,无需架线,应用较方便。但这种方式存在以下问题:首先要遵守电波法的规定,需要申请频率;其次,城市电讯发展使电波干扰和电磁噪声很大,这样造成的误码率较高,可靠性下降;RTU用电台的发射功率大,造价较高。相比之下,这种方式较适用于区域小、空中干扰小的中小城市地区;
(4)光纤通信方式不失为一种好的通信方式,但光缆敷设的工程量、光端机等设备的费用昂贵,如果仅用于配电网信息传输的场合,那么整个系统造价太高,性能价格比太低,不经济。
各地的电力部门可以根据当地配网自动化规划的要求,因地制宜,选择适合于当地地理地貌的通信方式,在综合考虑经济性、可靠性和实用性后再选择通信方式。
5 结论
(1) 电压型馈线自动化系统可分杆上配电自动化、遥测遥控自动化和计算机辅助配电自动化三个阶段逐步实现。
(2) 这套方案较适合于国内10 kV配电网中性点不接地系统,一次设备具有免维护性,操作整定简便,并且采用一次设备隔离故障、二次设备主要用于完成监控调配和计算机管理工作,保证了较高的系统可靠性。
(3) 通信方式的选择是该方案实现的关键。根据国内不同地区的实际情况,可以选择不同的通信方式用于馈线自动化。双绞线通信方式从可靠性、经济性、实用性等方面看均不失为一种较好的通信方式。
参考文献
1 高严.抓住机遇,落实任务,加快城网建设和改造步伐.供用电,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 宋永华,肖颖 et al.电力线载波技术重大突破.电网技术,1999,23(2)