北京四方华能电网控制系统有限公司姜兴杰

[摘要]　针对配电自动化具体实施中的若干目的性和环节性问题提出建议。

[要害词]　配电自动化FTU分层分布式监控系统电力市场

一、引言

配电自动化是西方发达国家70年代提出的概念,目前在日本、欧美已得到了充分发展。我国近年来也已开展了不少试点工作。对于配电自动化,《配电系统自动化设计导则》中针对其特点给出了很确切的定义:“利用现代电子、计算机、通信及网络技术,将配电网在线数据和离线数据、配电网数据和用户数据、电网结构和地理图形进行信息集成,构成完整的自动化系统,实现配电网及其设备正常运行及事故状态下的监测、保护、控制、用电荷配电治理的现代化”。配电自动化系统(DAS)在纵向结构分属于配电治理系统(DMS),横向与110kV变电站综合自动化、调度自动化、电力MIS等紧密关联。从目前实施的需求和现状看,配电网自动化实行的模式应是SCADA与GIS合一,“营配合一",且与地调、电力MIS等紧密集成的系统。

二、配电自动化实施目的

配电自动化在我国的兴起主要是缘于城网改造口长期以来配电网建设不受重视,结构薄弱,导致发电容量冗余的同时供配电能力低下。由此国家出台城网改造的政策、资金,并提出要积极稳步推进配电自动化。配电自动化实现的目标可以归结为:提高电网供电可靠性,切实提高电能质量,确保向用户不间断优质供电;提高城乡电力网整体供电能力;实现配电治理自动化,对多项治理过程提供信息支持,改善服务,提高治理水平和劳动生产率;减少运行维护费用和各种损耗,实现配电网经济运行;提高劳动生产率及服务质量,并为电力系统电力市场的改革打下良好的技术基础。

从以上这些目标可以看出,对于电力企业,配电自动化的实施的具体意义在于：近期可以大幅度提高供电可靠性,同时具有减人增效,降低经营成本的作用;远期的意义即针对在良好一次网络的基础上的自动化系统可优化运行,保持能量平衡,减少尖峰负荷,进而具有推迟新建项目的潜在经济效益。

按照国际现代企业的发展规律,配电自动化的系统实施是整个配电网络技术水平、治理水平的全方位、全过程的提高,是未来能够实现多方面、巨大的经济效益的基础。对于国家整体,在我国目前经济和供电条件下它更能作为一种基础设施的优化促进国民经济发展,并起到实现经济和社会双重效益的作用。

三、配电自动化的实施应面向用户并适应经济发展水平

配电自动化是属于整个电力系统中的一个分支,配电网领域又是整个电力系统与分散的用户直接相连的部分,是对社会生活变化最为敏感的部分,电力作为商品的属性也集中体现在配电网这一层上。配电自动化是作为市场经济的产物诞生于市场经济发达、大多数国家电力民营化的西方;当市场需要更高的供电质量,电力公司必须在激烈的市场竞争中利用新技术降低运行费用,配电自动化应运而生。配电自动化的实施也是一个自然的过程，因为它直接向用户接入的特点,它的变化发展始终引导适应着经济的发展。

西方发达国家于80年代末,开始应用配电自动化技术。90年代以来,欧美一些国家先后开放电力市场,由于各电力企业忙于进行体制转换,配电自动化实施工作一度放缓。目前,为了降低运营成本,提高供电可靠性和供电质量,争取更多的用户,各供电企业正在积极地开展配电自动化工作。日本在70年代就开始进行高电压大容量的配电方式,以解决大城市的配电问题,并着手开发依靠配电设备及继电保护进行配电网络自动化运行的方法,从80年代到现在已完成了计算机系统与配电设备配合的配电自动化系统,在主要城市的配电网络上投入运行,其中大规模的配电自动化系统可控制约4000个以上的中压开关,中小规模的配电自动化系统也可控制约1500个中压开关。由于配电自动化工作的深入,电网供电可靠性得到显著的提高,日本96年至97年度平均每户停电0.1次,每次平均8分钟,可靠性居全球之首。香港电灯公司的3000多个中压开关全部可以遥控。韩国、台湾于90年代也完成了局部配电系统的馈线自动化,并建立了自己配电自动化实验网络。与其它方面的现代化一样,配电技术的现代化是建立在一定工业基础之上的,而上述国家的90年代均是已实现经济腾飞、经济得到了充分发展的阶段,是社会技术经济发展到一定程度的产物。

98年我们国家决定投巨资进行城乡电网改造,反映了我们国家综合国力的增强:国家电力公司配合国家计委作出了实施方案,分批投入城市电网建设和改造项目,三年国家将投入资金数千亿元。另外根据国家发展委员会计投资(1998)1509号的批复,国家将投入1368亿元,用于我国农网的建设与改造,拉开了建国以来最大规模的农村电网建设的序幕。全国城乡电网建设与改造的资金投入将近3000亿元。这样大规模的城乡电网建设与改造加上1"6年在济南召开的全国电力工业技改会议提出的‘把技术进步作为九五期间发展我国电力工业的主要方向,的方针,必将极大促进配电自动化工作的开展,配电自动化已成为电力自动化的热门技术,是电网发展的大势所趋。

但对于在我国的实施与国外又有很大不同:一、我国对电力是国家垄断经营,尚未真正实现电力市场化;二、我国究竟还属发展中国家且各地发展很不平衡。实施的目的既是为适应终端用户的需求,这种需求既会因不同用户、因地、因行业而异,又是随时变化的。假如不尊重经济和市场发展的需求变化,必然要遭遇挫折,比如曾一度兴起的负荷治理控制系统,很多电业局自安装上之后就一直没发挥过作用,既不能给用户拉闸限电又不好集成进抄表营业系统,投资于是变成浪费。关于差异,比如东部沿海地区一个县的供电量可能大于内陆不发达省份一个地区的供电量;作为实施基础的一次网络和变电站综合自动化的水平各地区间差距更大。假如全面的实施配电自动化,首先应考虑的是:

1.对于提高供电可靠性,首先是要将它看作一个长期的市场行为。

2.供电可靠性的提高是一个受多种因素制约、用多种手段有效协作后的结果,尤其依靠于系统治理水平的提高。可以从国外的例子看配网建设的历程,以日本关西电力公司为例,在60-70年代主要在改进一次设备,80年代为满足城市环境规划要求而大量采用地下电缆后,大大提高了供电可靠性,达到每户年停电次数0.05次/年,此后改造的重点转为采用各种综合手段提高供电质量,如采用不停电施工减少计划停电;开发利用配电自动化实现设备的远方监视、控制、协调,消除操作中人为因素可能导致的错误。从而使停电时间减少到每户每年3分钟的水平。众所周知60-80年代正是日本经济高速发展的黄金时期,从以上可见在当时计算机通讯技术条件下实施配电自动化:一、肯定有强大的利益驱动外因(用户对电能质量的高要求),二、单纯的通过改造一次设施即能达到每户年停电次数0.05次/年,关西电力公司在实施自可见一斑。

所以我们建议一个供电企业在安装配电自动化是首先研究的应是客户长期的、变化的、潜在的需求,按现代的营销模式作市场调查、顾客群细分等,将配电自动化的实施同时作为整个电力营销策略中的一环来处理;其次量力而行,综合企业内已有的线路网络水平、调度自动化和变电站(开闭所)自动化水平、人员素质、治理改革配套来制定实施的进度和规模。

四、配电自动化产品应具备先进性、开放性和服务的可持续性

城市配电自动化的内容是对城域所辖的全部柱上开关、开闭所、配电变压器进行监控和协调。既要实现FTU的三遥功能,又要对故障的识别和控制功能。从而配合配电自动化主站实现城区配网运行中的工况监测、网络重构、优化运行。为系统自动化的一部分,因为它直接面向用户且信息量大,故要求它必须具备很先进的适应性和强大的多系统接口能力。与其它自动化系统比,它在使用上的特点是协调和集成,在充分数据共事的基础上发挥集成后系统整体的性能以支持和带动电力企业业务和治理水平的提高。

配电自动化的内容和特点决定了配电自动化的系统结构应当是一个分层、分级、分布式的监控治理系统,应遵循开放系统的原则,按全分布式概念设计,按照一个城区全部实施设计,系统必须将变电站级作为一个完整的通信/控制分层;系统整体设计可分为配调中心层、变电站层、中压网层、低压网层,以下分析这四层的具体设计实施。

(1)配调中心层

配调中心局域网是整个自动化系统的最高层,采用高速以太网双机配置、互为备用。该网络构成配网自动化的调度中心(中心主站),由共享同一数据库的实现配网自动化不同功能的工作站及服务器组成。系统硬件设备及接口符合国际工业标准。操作系统可选用中文WindowNT网络操作系统。在此基础之上提供配网自动化软件支持平台,包括数据库软件、人机交互软件、通信软件、分布式的配电监控、治理应用软件。采用开放式和分布式的体系及面向对象技术,具有开放性和可扩展性。应用软件以配网实时数据库为基础,应用客户机/服务器模式,各自独立实现不同的自动化功能。系统的接口能力及开放性全依靠于这一层的设计,,所以目前配电调度中心的建设务必须先考虑:

·底层数据的同一共享(数据库唯一,标准接口);
·民ADA与地理信息系统(GB)紧密集成;
·实时数据和治理数据的结合(“营配合一”,与电力MIS集成);
·先进、灵活的发布和支持查询能力;

良好的集成后可实现数据共享,能极大的提高工作效率。北京四方华能公司配调后台除采用上述一系列先进性设计外)网络采用TCP/IP协议,实时数据库采用标准数据接口,具有极广泛的集成能力。

(2)变电站层

系统结构的第二层网络是配调中心主站与各变电站子站通信的城域网。该网络利用各变电站原有的一路通道,光纤、电缆、载波、微波均可,可实现区域内SCADA功能及部分故障处理功能。变电站层的设计主要有两个原因:一是进行信息分层,减少中心层负担和底层对中心层的依靠:二是因故障处理是需遥控变电站(开闭所)出口断路器,它的实现必须通过安装在变电站的终端单元。变电站层的实现有两种方式:一是利用现有的现场智能设备实现,仅增加一套现场的远动通信单元(或一发双收);二是再建一套带通信的现场装置完成通信和控制功能。

(3)中压网

系统结构的第三层网络是以中压10kV电力网络为依托的中压监测、控制网络。该网络由变电站子站、馈线出口保护FTU、分段开关FTU、开闭所FTU、配电变压器FTU组成。这层网络完成配网自动化的主要的数据交换及控制,是配网自动化的核心网络。所以这层网络的实施是配电自动化是否成败的要害,其中的难点是通信方式和系统控制方式的选择,小电流接地选线定位。

·FTU:系统通过FTU的测量实现配网的SCADA功能,并能通过对各FTU的控制实现配网的故障识别、故障隔离、网络重构及配网的无功/电压控制和优化运行等功能。FTU系列因需与开关、变压器配套,往往安装在户外且现场很恶劣的电气环境中,所以相对于变电站综合自动他系统中的现场单元,它的抗干扰、抗震动以及温度范围要求更高。国家电力公司在发布的技术条件要求中规定适应温度需达到-40一85度,电磁兼容性需通过IEC四级瞬变干扰试验(IEC61000-4-4:1995)。此外,FTU内部需配置蓄电池以使停电后照样工作。四方华能公司的CSF111系列FTU采用四方公司第三代微机保护硬件的设计原则,由多种新技术和可靠的隔离滤波措施来保证硬件的可靠性,此外在智能充电器上增加了可以进行深充深放的功能以利于蓄电池的维护。FTU已于1999年11月份通过国家电力公司权威部门监测,并且已在现场成功应用。

·通信:可采用载波、光纤、双绞线、无线方式:集中方式的优劣本文不作讨论,但发展方向应是载波和光纤的混合使用。配电网载波确实有很多难点,但它对网络具有天然的适应性,随着技术发展它无疑将是配电层通信的主流。目前国外研制的配电载波可以在现场应用至2M的速率(可传输图像)。北京四方华能公司在国内率先推出具有世界先进水平的网络化配电数字载波通信技术(NDLC)。该技术以90年代中期出现的DSP技术、现场总线技术、新一代数字载波原理为基础,是载波通信技术跨时代的突破,达到ABB公司同类产品的相同性能,并在2000年1月成功通过国家电力公司监测。

·控制方式:配电自动化的控制模式主要分为两类:分布式就地控制、远方集中控制。前者主要应用于六、七十年代,仅仅实现故障隔离功能,不具有扩展性和通用性；远方集中控制依靠于强大的通信系统!适合于建立一个完整的、统一的自动化体系平台,现已成为主流。四方华能公司的CSDA2000系统采用综合智能式的远方集中控制方式,在FTU上置入一套通信故障时启动的智能现场判定处理程序,紧急时刻转为分布式就地控制,这是一种集理方集中控制与保护的局部控制优势相结合的控制方式。

·小电流接地:配电网的一个主要故障是小电流接地,在我国目前中性点不接地系统现状下定位仍是一个难题。现有的小电流接地保护主要是利用各出现的零序电流实现故障选线。由于实际中的种种技术原因导致现有的小电流接地选线的正确率很低(20~30)。实际的配电网运行还是采用“拉线法”进行选线,因而对新原理的小电流接地保护的呼声越来越高。北京四方华能公司在国内首次提出基于全网通信的小电流接地智能保护系统。该保护系统以小波技术、模糊技术为识别工具,在通信系统的支持下实现了小电流接地的故障选线、定段。从而从根本上解决困扰配电网运行的小电流接地问题。这一功能在兰州铁路配网工程中已达到预期的效果。

（4）低压网

系统结构的第四曾网络是面向10kV/0.4kV配电变压器低压侧的符合的低压数据网。该网络由各配电变压器的低压侧出发，到各负荷节点结束。实现对各负荷节点的测量与控制，如自动抄表、负荷控制，并通过中压网、城域网与配网自动化中心主站通信。低压网在“营配合一”的系统中是用电营业系统的主要网络，该网络的通信量很小，波特率仅为几百bps，通信方式可采用载波、无线。因绝大部分用户是低压用户，且国家对99.99供电可靠性的统计即将要求到0.4kV低压，“一户一表”也正在全面推行，故最终的低压网的配电自动化必将是抄表、负荷管理、SCADA、需方治理（DSM）集成为一体的系统。对于低压网制约的主要问题仍是通信问题，而目前流行的有双绞线，低压载波；双绞线敷设困难，现有的低压载波应用有一定的困难。北京四方华能公司研制的载波系统可同样成功地应用于低压，目前在贵阳市做的试点工作已初见成效。

国际上的配网自动化正经历两个深刻的转变，一是由多岛自动化向开放式、综合集成的方向发展；二是电力市场的兴起与实施，对从电能表到配电治理软硬件都提出了新的要求。技术的不断进步必然要求厂家有很强的后续研发能力和服务能力。对于电力自动化领域这一最末端的系统，它的实施必然还伴随着一场治理的革命，这也需要厂家具有向电力企业的治理需求提供完全技术支持的能力。所以在系统实施过程中选择好有实力、有持续服务能力的配套厂家，更为要害。