城网改建与配电系统自动化

　　                      图1　城网建设改造的相关领域
　　图中，一次系统包括高压子输电系统和中低压配电系统；二次自动化包括地市级和县区级的有关自动化；电力市场主要指“配电市场”；电力电子技术主要指面向配电的“用户电力”。
　　当然，关系最密切的是实线部分的一二次系统，但需考虑到电力市场发展和电力电子应用可能带来的影响。此外，自动化方面由于配网“欠帐”较多，因此配网中压自动化和双向通信的“一户一表”建设自然成为当前的一个热点。
2　城网建设改造的目标和规划
　　国家电力公司对城网建设改造所提出的目标是：（1）提高供电能力10%；（2）供电可靠性99.90%～99.99%；（3）电压合格率98%；（4）网损降低10%；（5）符合环保要求。
　　与“九五”电网管理工作的目标相比，具有3个明显的特点：一是突出提出了商业化运营，增加10%供电能力的具体指标；二是供电可靠性、电能质量和经济运行的要求高了（“九五”的目标为：供电可靠性99.7%～99.9%、电压合格率95%、网损降低1.2%～2.0%）；三是增加了环保要求。显然，为了实现上述这些目标，必需同时启动城网一次系统和二次自动化的建设和改造。
　　由于各个城网情况不同，投资水平有限，所需解决的问题和先后顺序也不一样。因此，当前的城网建设改造，只能采取“统一规划、分步实施”的方针。
　　一次系统规划涉及的主要内容有：（1）负荷预测（要求年误差≤5%）；（2）电压等级（要求高/中/低电压等级≤4）；（3）接地方式（中压）；（4）网络接线（含馈线负载率/短路容量）；（5）变电站（含变压器容载比）；（6）无功补偿（含电压/无功优化）；（7）潮流及可靠分析（仅计及一次规划）；（8）网损分析（仅计及一次规划）。
　　二次自动化规划涉及的主要内容有：（1）配电管理系统（SCADA/DMS）；（2）负荷管理系统（LM）；（3）电量计费系统（AMR）；（4）地理信息系统（GIS）；（5）管理信息系统（输/变/配/用电管理）；（6）变电站/开关站自动化（含无人值班）；（7）馈线自动化（含环网控制）；（8）通信网络（纵向/横向系统集成）。
　　当前的任务，就是根据城网的现状和发展，通过上述一二次系统的统一规划和分步实施，最终实现城网建设改造的目标。
　　规划必然涉及投资。虽然这次城网建设改造投资力度很大，但由于“欠帐”太多，仍然存在投资有限的问题。这就需要一二次紧密结合、相互支持、综合优化，不放弃任何一个节约或推迟投资机会，并考虑到电力市场发展和电力电子技术的应用可能带来的影响，使投入的系统和设备具有较长的生命周期。
3　一二次系统的相互支持和综合优化
　　为了实现城网建设改造的预期目标，一二次系统之间有些方面相互攸关，需要或可以相互支持和综合优化。
　　3.1　负荷预测
　　负荷预测是城网建设改造规划的基础，它既是规划一次系统的建设改造（在规划年限内，新建或改造变电站、开关站、线路等的数量、位置和规模）的依据，也是开展二次自动化工作（新建或改造负荷管理系统、电量计费系统等的模式、步骤和规模）的依据。
　　和用于调度的短期负荷预报不同，城网规划用的负荷预测，短期为1 a，长期为5～10 a，并采用滚动修正的方式来保证其精确度（一般要求年误差≤5%）。主要预报馈线的负荷年增长率及基于地产使用（居民、商业、工业、机关学校等）和社会经济因数（城市分区大小和数量、饱和区数、密度、能量因数、负荷因数及多样性等）所决定的今后负荷水平。
　　这里，城网负荷预测分区、经常性的地产使用和社会经济因数的数据登录，二次自动化中离线设备管理和在线的地理接线，均与地理信息有关。因此，自动化中的地理信息系统提供城网负荷预测服务，将显著提高其使用水平。城网负荷预测软件与地理信息系统相结合，可在任一闭合的多边形内，统计检索修改有关数据，并据此进行负荷分析和预测，大大提高滚动修正、随时预测和查阅负荷的方便性。
　　3.2　节约或推迟投资
　　城网建设改造工作中，投资最大的是依据负荷预测所进行的一次系统的变电站、开关站和线路的建设改造。
　　3.2.1　变电站
　　城网的高压变电站，大部分属于子输电系统的终端变电站。
　　传统的变电站设计，占地面积大、基建任务重、自动化水平低、且多为有人值班设计。随着综合自动化和无人值班技术的推广，性能价格比明显提高。但现在投入的大多数综合自动化无人值班变电站，仍为大控制室的集中布置设计，没有充分发挥综合自动化无人值班技术中二次自动化随一次设备分散布置、以少量通信电缆取代大量的信号电缆、取消大控制室的楼房和电缆沟设计、大大节约用地和相关的基建工程量的特点。
　　应该注意的是，依靠少量通信电缆实现分散布置的综合自动化系统，系以软件组态取代现场大量繁琐的信号电缆的点对点调试。因此，还可以使自动化系统的工厂验收（FAT）和现场一次设备的安装施工同时进行，以加快整个变电站的工程进度。
　　此外，为了检修或故障时的备用切换，变电站经常配置2台容载比为2的变压器。如与自动化相配合，切换时部分负荷可转移到相邻变电站，以节约或推迟所需的增容投资。
　　3.2.2　开关站
　　城网的中压开关站，属配电系统范畴，比高压变电站的建设改造简单得多，现已进入综合自动化和无人值班技术的推广阶段。
　　我国以10 kV为主的配网开关站，其二次自动化已能作到将馈线的测量、控制、保护和通信接口集成在开关柜上，首先实现了配电系统中一二次设备一体化的“零的突破”。因此，最好选用那些一二次设备统一集成好、并具有串行通信接口供远方监控用的开关设备，用以简化投资和施工安装层次。或在选用开关时对柜门的防震能力和间隔尺寸提出要求，以便开孔施工安装集成化的测量、控制和保护自动化设备。
　　3.2.3　网络接线
　　城网的线路建设和改造，包括高压主网、中压环网和低压配网。其中，通过一二次系统综合优化与投资节约密切相关的，主要是中压环网线路的建设和改造。
　　当前，中压环网是配网建设改造的一个热点。这不仅是为提高供电可靠性所必需，而且还可简化接线和节约投资。因为，传统上为了保证辐射形馈线供电的可靠性，通常在变电站侧采用双母线和旁路代等复杂接线。改为环网后，完全可由具有双侧供电能力、负荷可转移到馈线出口侧的环网来保证。
　　此外，同一辐射形馈线改为环网并通过自动化实现环网的分段控制后，在同样满足99.99%可靠性要求的前提下，如线径允许还可成倍增加供电的用户数，以节约或推迟所需的增容投资。
　　因此，一次网络接线应与二次环网（或网格）控制综合考虑，并认真计算有关馈线的负荷率。
　　3.3　可靠供电
　　供电可靠性是城网建设改造的一个重要目标。涉及到高压主网、中压环网和低压配网。高压主网一般按“N?1”的可靠性原则来规划，一二次系统关系密不可分的是中压环网的安全控制。
　　配电系统的安全控制和输电系统不同。输电系统中，系统发生故障时的紧急控制和系统解列后的恢复控制，是分别由专设的继电保护、重合闸和SCADA/EMS的故障诊断恢复控制应用软件来实现。而配电系统中，故障时的故障识别和恢复供电，统一由环网集成化的“故障定位、隔离和自动恢复供电系统”来完成。这里，控制环网分段开关的控制器（FTU），不仅集成了测量、控制和保护等功能，而且还包括了开关投切时所需的操作电源。这是配网安全控制的一大特点，也是配电系统中一二次设备紧密结合、实现“一体化”的又一个例子。
　　中压配网的环网控制，牵涉到负荷、走向、分段、架空、电缆等问题。因此，一二次系统紧密结合的“故障定位、隔离和自动恢复供电系统”，必需统筹兼顾优化设计。对于架空裸线，还需要考虑70%瞬时故障的特点，增设必要的重合器，对自动化提出故障测距，便于寻找和排除故障，以期快速恢复故障段供电等要求。
　　涉及中压配网安全供电、与一二次系统密切相关的还有一个系统中性点的接地问题。在小电流接地系统中，接地选线一直是一个难点问题。近年来国内兴起的消弧线圈接地，可以自清70%架空裸线的瞬时接地故障；但对于永久性故障的选线问题，是交由自动补偿的消弧线圈控制器去统一解决，还是仍由自动化来处理，需结合配网实际，通过一二次系统的协调配合来妥善解决。
　　3.4　供电质量
　　配网供电质量主要反映在电压水平上，城网建设改造目标中，对电压合格率提出98%的明确要求。
　　城网中高中低三级电压的合格率，涉及负荷和电网发输配能力的匹配，由输电、子输电和配电系统分级负责。调控能力决定于一次系统，调控手段则由自动化来实现。
　　城网的调控能力主要反映在变电站级的变压器有载调压和电容补偿、馈线级的分布电容器和电压调整器、以及变电站变压器和馈线间的各种负荷转移能力。调控手段则分别由子输电系统的SCADA/EMS和配电系统的SCADA/LM/DMS来实现。
　　应该注意的是，某些重要用户对供电的质量具有较高的要求，并不满足于98%的电压合格率。这涉及到“电力电子”技术的应用，本文的第5节将对此加以讨论。
　　3.5　降低网损
　　降低网损是城网经济运行的一个主要目标，这主要依靠一次系统合理的规划和运行。但一二次系统的有效配合，通过自动化还可使网损进一步降低。
　　据国外文献报道，一般配网网损约占整个电网能量输出的5%，通过自动化可在此基础上再减少10%（即整个配网的0.5%）。因此，在我国配网网损较高的情况下，自动化更应有所作为。
　　用自动化系统降低网损需有一次系统支持。如通过自动化转移负荷、根据负荷平衡原则减　少网损时，有关变压器和馈线必需具有较高的容载比和负荷率。国外经验数据还表明，在环网上进行“一开一合”和在网络上进行“两开两合”的负荷转移，通过负荷平衡所减少的网损可望从百分之几提高到　10%。
　　馈线级分布电容的就地补偿和变电站级电压无功的综合优化，更是用自动化来降低网损，改善供电质量提高配电能力的有力措施，但同样也都离不开一次设备的支持。
　　3.6　提高供电能力
　　提高10%的供电能力，是城网建设改造、推动国民经济发展的一个最终目标。这除了按一次系统规划，对城网高中压系统进行建设改造外，还涉及到量大面广的低压系统建设改造和为千家万户增容所必需进行的改线换表问题。
　　电力具有发供用同步完成的特点，因此，提高供电能力与改善服务增加用电必然是一个问题的2个方面，这就为负荷管理、电量计费等自动化和供用电系统的结合，提供了广阔前景。
　　当然，整个城网建设改造的综合优化，还应包括一次系统和配电系统自动化本身的综合优化在内。如一次系统电压等级的选择、无功补偿与有功容量的匹配、节能变压器的使用，配电系统自动化从“多岛自动化”走向系统集成、支持SCADA功能的FTU和电量计费系统等。
4　电力市场的挑战
　　我国电力市场的启动，标志着我国的电力工业已发展到一个新的阶段：由长期缺电转向提高供电能力，由行政管理转向“公司化改组、商业化运营、法制化管理”。
　　虽然电力市场由当前的发电市场开放到面向大用户的配电市场尚需相当长的时间，但是，为了适应当前供需关系的转变和今后电力市场的发展，一些在长期缺电和垄断经营下所遗留下来的产物和运行机制，已面临必要的改造；当前城网建设改造所投入的系统和设备，也要顾及不致因今后系统发展或技术进步而重复建设甚至推倒重来。
　　这里，首先涉及的是负荷管理系统、电量计费系统和管理信息系统。
　　4.1　负荷管理系统
　　长期缺电期间，对用户限电拉闸实施计划用电的负荷控制，应及时转移到用户不感到停电的负荷管理（LM）上来。
　　当代的负荷管理，主要是按事先编制好的负荷管理方案，通过馈线降压减载、或按编组周期输流短时启停用户的可控负荷（空调、热水器等），来实现用户不感到停电的负荷管理。此外，还应积极开展基于分时电价的需方用电管理（DSM），用以调动需方的积极性来参与负荷管理。
　　供方负荷管理与需方用电管理相结合，必将有力地改善配电系统的负荷曲线，并为随后电力市场的开展打下基础。
　　4.2　电量计费系统
　　过去垄断经营时期的电量计费，主要是供方查表、用户缴费、逾期罚款的单向联系方式。
　　城网建设改造中，正在进行量大面广的“一户一表”建设。无论从当前的“商业化运营”或今后的“配电市场”来看，都应尽可能地考虑到计费信息的双向通信（大中用户远方读表和中小用户智能卡）以及和银行结算的关系问题。
　　“投诉热线处理”是供方和广大用户建立双向联系的又一渠道。因此，进行低压线路和“一户一表”的建设改造时，一二次系统应统一优化设计，以期建立一个面向用户（含物业管理）分级分片双向通信的联系机制，提高供电服务水平。
　　4.3　管理信息系统
　　为保证电力市场交易的公平、公正和公开，当前用于发输电和今后用于输配电的能量交易系统，必需和传统上保证电网安全运行的能量管理或配电管理系统分设。但电力生产和消费同步完成的特点，又决定了能量交易和安全生产的不可分性。因此基于Intranet/Internet以浏览器为特征，称之为电子商务或网络交易的能量交易系统，将通过网络交换器与实时运行保证电网安全的能量管理或配电管理系统相连，用以建立“公开访问的同时信息系统OASIS”。
　　显然，传统上以专用网、专用信道和图形用户界面为特征的管理信息系统（MIS），不适于提供电力交易使用。这就提出了一个问题：是使传统的管理信息系统和今后的交易信息系统并行发展，还是对现有的MIS进行改造，使之适应今后电力市场的发展。事实上，一些面临发电市场压力的网省级调度中心，已经按后者行事并已改造就绪了。
5　电力电子技术的应用
　　缺电局面的改观和电力市场的兴起，必然导致用户对供电质量要求的提高。在城网建设改造中，对电压合格率要求达到98%，已能满足绝大多数一般用户的要求。但是，配网在正常状态下仍然存在一些可能发生的瞬间扰动或波形畸变问题，如瞬时故障时重合闸动作产生的瞬时失电，邻线故障或冲击负荷产生的瞬时欠压，异相故障时产生的瞬时过压、雷电或电容投切操作时产生的瞬变过程，以及非线性负载所产生的谐波污染等。这对某些对供电质量要求较高的重要用户，如银行、医院、机场、数据处理中心等，都是不能容忍的。特别是随着信息技术的日益发展和普及（如现代化的生产“流水线”等），这些扰动的影响面和所带来的危害就愈大。这时，就要求助于电力电子技术中面向供用电的“用户电力”。
　　配网供电中的瞬间扰动和波形畸变问题，既可由用户侧，也可由供电侧来解决。当前，主要是根据需要针对性地在用户侧分别安装不停电电源（UPS）、电压调整器、避雷器、滤波器、静止补偿器等来解决问题。但分析和实践表明，随着这类用户的不断增加，总的投资和损耗将大幅度上升，质量的改善也有限，倒不如转由供方来统一解决为好。这也就是为什么1988年由美国电力科学院N.G.Hingorani博士所提出的“用户电力”（Custom Power），近年来越来越引起人们关注的原因所在。
　　所谓“用户电力”，是指供电部门通过技术手段向用户提供可靠性更高、质量更好的电力，用以增加电力的附加值（如电力市场中的论质电价）。当前，国外着手研究开发的有：基于储能逆变的配网静止同步补偿器（DSTATCOM）和动态电压恢复器（DVR）、固态断路器（SSCB）、故障电流限制器（FCL），以及集滤波调压和浪涌保护为一体的有源电力调整器（APLC）等。国内已有的供电部门正在和大学合作，开展这方面的研究开发工作。
　　由于配网设备既要求可靠性高，又要求费用低廉，这正是当前研究开发用户电力设备所面临的一大难题。但是，随着电子元件“性能价格比”的提高和“用户电力”设备需求的增长，应该说用户电力的应用和普及只是个时间问题。
6　结束语
　　过去限于投资，城网建设改造的问题从未认真地提上日程。即使规划，要求也较低，大都是着眼于应急措施。至于配电系统自动化，一般仅在一次系统规划中提上一笔，甚至排不上队，只是不时见缝插针地搞上一点，这也许就是长期以来形成配电“多岛自动化”的原因之一。
　　这次来势很猛的城网建设改造，要求水平高，使用周期长，虽然投资力度较大，但由于“欠帐”太多，总体来说投资仍然有限。因此，应作好一二次系统的统一规划、相互支持和综合优化，并顾及使用周期内各种可能的影响因素，以保证在投资有限的情况下实现预期的各项目标。
参考文献
　　1　陈章潮，唐德光.城市电网规划与改造.北京：中国电力出版社，1998
　　2　王明俊，于尔铿，刘广一.配电系统自动化及其发展.北京：中国电力出版社，1998
　　3　于尔铿，韩　放，谢　开，等.电力市场.北京：中国电力出版社，1998
　　4　N G Hingorani. Introducing Custom Power. IEEE Spectrum. 1995（6）