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探讨国内实现配电自动化的一些基本问题

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2007/12/18 1:55:18   

 关键词:  配电 自动化 配电自动化


范明天张祖平

【摘要】 配电自动化是当前我国城市电网的重要课题,配电自动化在我国还处于初级阶段,还有必要进行一些研究和探讨。文中简要集中探讨了有关配电自动化的主要基本功能,以及什么样的网络才能实现配电自动化,什么样的网络及负荷才有必要采用配电自动化等问题。

【要害词】 配电自动化 配电治理系统 基本模式 基本问题

随着社会经济与科学技术的高速发展和现代化,城市社会对高质量和高可靠性的电能供给提出了越来越高的要求。城市社会越发达,承受停电扰动的能力越脆弱,有时即使是很短时的停电扰动也往往会给城市社会造成不安定的影响,以及较大的经济损失。我国目前正投以巨资对城市电网进行改造,如何结合这次改造,有目的地在不远的将来逐步实现配电自动化,以提高整个配电系统的电能质量和供电可靠性,其社会效益及经济效益都会是非常显著的。

一、概况

目前我国使用的配电自动化定义非常广泛,随着负荷的发展,供电部门管辖的范围越来越大,高压网也开始解环进城,广义上从高压到低压几乎所有与自动化有关的内容都可算是配电自动化的组成部分。目前配电自动化主要考虑的功能有:(1)变电站综合自动化;(2)馈线自动化;(3)负荷治理与控制;(4)用户抄表自动化。

但就城市内的区域供电部门来说,变电站内的综合自动化一般轻易做到,而实现中压配网的馈线自动化将是城网建设的一项重要内容。中压馈线发生故障时,馈线自动化系统通过控制可遥控的开关设备,可达到自动隔离故障和转移故障负荷的功能,因此馈线自动化是提高供电可靠性,减少停电时间所要考虑的最主要的配电自动化手段。从某种意义上说,没有馈线自动化功能的城市配网,就很难说已经实现了配电自动化。

随着我国社会和经济的发展,用户对供电可靠性也开始提出了较高的要求,国家电力公司对此也有要求,今后供电企业应达到的供电可靠性指标,一般城市地区为99.96,使每户的年平均停电时间不大于3.500h;重要城市中心区应达到99.99,使每户的年平均停电时间不大于0.876h,即53min。而国外经济发达国家的每户年平均停电时间均已达到不超过1h,甚至只有几或几十分钟的水平,与国外仍有较大的差距。只有进一步加强城市电网改造,逐步实现配电自动化才有可能提高我国的供电可靠性水平。

配电系统及其设备的分布量大面广,配电自动化系统涉及的费用大部分为可遥控操作的开关设备的费用,以及控制系统、数据采集系统和通讯系统的费用。在一次设备方面,由于国产的中压配网开关设备,一般还不具备可遥控操作的功能,因而需要采用部分进口设备,但进口的可遥控操作开关设备的价格较贵。在控制及通信设备方面,中压配网的数据采集系统(SCADA系统)及通讯系统的投入远比控制系统本身高得多,这使配电自动化的实现很难在一个区域供电局所管辖的网络内同时全面铺开,只能先对个别局部线路进行配电自动化的试验性运行,然后再逐步全面推广。

对于低压0.4kV配网,实现实时配电治理系统和配电自动化则需要更大的投资。国外目前也只进行了一些实验性的研究项目。因此,即使在我国沿海经济发达地区,还难以从高压网到低压网全面实现配电自动化。非凡是由于缺乏实时数据的采集,因而只有高压配网的配电治理系统可在线运行,中低压配电治理系统还只能离线执行。

因此,就国情而言,目前还缺乏大规模实现中低压配电网络配电自动化的物质基础,但配电自动化肯定是今后的发展方向。由于计算机技术的更新周期是1~3a,开关设备为20~30a,配电自动化只能逐步实现,在网络设备还未满足配电自动化要求时,计算机控制系统一次到位将造成很大的浪费。必须首先按今后可实现配电自动化的要求,作好配电网络的发展规划,改造现有设备,对计算机控制系统的逐步升级作好规划。应该在满足当前一次设备水平及其规模的条件下,选择当前计算机控制系统的功能,不宜一味求全求新。

我国电网1995年的统计网损率为8.77,而世界经济发达国家的平均网损率仅为3~5。国家电力公司提出2000年的目标是达到网损率小于7.80。以某城区供电局为例,该局年最高负荷约150MW,年售电量约8亿kW.h,假如能加强城网改造,合理进行网络配置及优化无功补偿,降低线损率0.10,经初步测算每年就可节省300万元以上。上述例子说明,城网改造有着可观的经济效益,因此,有必要在实施配电自动化工程之前,作好一次网络的规划改造工作,使一次网络具备倒供能力。随着经济的逐步发展,配电自动化才有可能逐步实施。

二、配电自动化的基本模式

配电治理系统(DMS)在世界范围内已得到越来越多的重视,其主要原因是电力的分配越来越开放和竞争越来越激烈。因此,有必要在配电治理方面全面提高效率。配电治理的主要目的就是要提高配电系统运行的效率。在配电治理系统的设计上,强调开放,可将不同功能的子系统集成使用。

配电自动化(DA)是配电治理系统的重要组成部分。配电自动化需要建立在集成的基础上,不仅是配电自动化不同功能之间的集成,还必须与其它信息系统进行集成。配网和配网元件的分布面很广,集成系统的要害是通过有效的数据通讯系统把这些广泛分布的网络和元件联系起来。因此,正确选择配电自动化的通讯系统是非常重要的。一个能够高效运作的配电自动化系统才能最大限度地提高配电系统运行的效率。

2.1配电治理系统和配电自动化的基本概念

配电治理系统和配电自动化的概念在很多地方被人们采用,这2个领域都有许多新的发展,但它们的概念往往被人们混淆。混淆的原因是因为配电治理系统的复杂性,各种功能的集成度增加了配电治理系统的复杂性,一些人认为,用户信息系统、工作票治理系统等也是配电治理系统,这样,一个供电企业内部可能就会有许多配电治理系统;也有人认为,配电治理系统支持配电企业的所有活动,这样的看法超出了传统的技术、经济、运行和治理的范畴。配电自动化也有相同的混淆原因,一些人认为配电自动化是配电治理系统的一部分;另一些人则认为在概念上配电自动化包括配电治理系统、地理信息系统(GIS)、能量治理系统(EMS)及比配电治理系统更高层的东西。

由于这些混淆,国际大电网会议把配电自动化看作为单独的功能,当包括优化运行的部分功能时,则也可把配电自动化看作为实现某些功能的综合体。

以本文的定义,配电治理系统可看为运行一些功能的综合系统,它能保证配电网络的运行效率。由于它包括很广的范围,从治理的计算机化到变电站开关的自动化。由于没有一个单独的系统能提供所有的功能,因此,从逻辑上可看作为一个供电企业内有许多配电治理系统来提供不同的功能,而不管它们是否集成运行在一个平台上。

配电治理系统有5个主要功能:(1)网络运行;(2)运行规划和优化;(3)检修治理;(4)用户信息治理和控制;(5)数据治理。

在每个功能之下,都有一个主系统治理许多子功能。可采用以下的判据把功能划分成3个主要集合:(1)区分网络功能和用户功能;(2)区分在线功能和计划功能;(3)区分运行和检修功能。

为了在需求之间划清界限,定义以下2个概念:(1)功能定义为由不同系统所执行的任务的集合,包括目标、动态输入、动态输出和静态数据;(2)系统定义为软件源并能提供功能。

配电自动化侧重于控制功能的自动化,非凡是在网络控制和运行方面,如馈线控制、电容器控制等,它不包括地图计算机化和检修治理等。因此,基于本文的定义,配电治理系统中配电治理和配电自动化的大致功能如下:(1)配电治理:数字地图系统;网络设备文件;冗余部件治理;检修计划治理;运行规划;其它治理任务,如故障电话治理等。(2)配电自动化:SCADA系统;电压/无功控制;保护的协调和控制;馈线控制为馈线开关和馈线重组;故障检出、定位、隔离,和恢复供电;自动读表;负荷治理;设备:网络设备的自动化,故障指示器,RTU,通讯。

2.2国内外现有配电自动化已达到的规模

国外配电自动化的主要内容是围绕着馈线自动化展开的。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4000个以上的中压开关,中小规模的也可控制1500个中压开关。香港港灯公司的3000多个中压开关全部可以遥控。韩国、台湾地区于90年代也完成了局部配电系统的馈线自动化,并建立了自己的配网自动化实验网络。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的工业基础之上的,是社会技术经济发展到一定程度后的产物。

三、国内发展配电自动化的可能性

发展配电自动化的可能性,即什么样的网络才能实现配电自动化?随着社会和经济的发展,用户对电能质量和供电可靠性都提出了较高的要求,城市电网最终要达到供电可靠性99.99的目标,除了加强电网改造,采用先进设备外,还要逐步实现配电自动化才有可能达到。目前我国大部分中低压电网设备陈旧,部分线路和设备存在过载现象,缺乏大规模实现中低压配网配电自动化的条件和物质基础,因此必须充分了解国情,探讨配电自动化在不同电压等级电网上实现的可能性,以便确定讨论范围。

3.1实施配电自动化所在的电压等级

目前电网运行电压层次主要由500、220、110、10、0.4kV组成。西北地区还保留了部分330kV电压网,部分地区及一部分农网还保留了66、35、6.6kV电压等级。此外,部分经济发达地区已开始20kV配电电压的可行性及试点研究。

按电压等级划分,电网治理模式主要由以下几个层次组成:(1)500、220kV高压输电网由大区或省电力局进行调度和治理,并由国家电力调度中心对其进行宏观调控;(2)220~110kV的城市或地区电网主要由城市或地区电力局进行调度和治理;(3)110kV以下的配电网由城市或地区电力局下属的城区或县市供电局直接面向用户进行治理。

一般实现配电自动化是指10kV配电网实现馈线自动化。

配电系统实现自动化的主要目的是提高配电系统的运行水平和供电可靠性。随着城市地区负荷密度的增长,更高一级的电压已开始进城,城市供电局管辖的最高电压等级也由原来的110kV向220kV甚至500kV过渡。如北京地区,城区外围的500kV环网计划1998年即可形成,城区内也已有220kV线路,北京供电局把这种高压电网称为城市电网,除少数110kV及220kV高压直供的大用户外,一般把配电网特指为直接面向最终用户的10/0.4kV中低压电网。配电系统在国外的定义为36~0.4kV,一般把36~6kV的网络称为中压系统,1kV以下的网络称为低压系统。

网络的电压等级越高,对系统安全稳定的影响越大,但其涉及的系统元件数却越少,一般来说,每向下相差一个电压等级,实现自动化所涉及的系统元件数就增1~2个数量级。也就是说,在高压网实现自动化,投资小影响面大;而在中低压网实现自动化,则投资大影响面小。

虽然不同层次电压等级的电力系统对自动化的要求在技术上有很多共性的东西,但不同层次电压等级的电力系统对自动化的要求是不同的。高压电网的局部故障,一般不应引起用户停电,高压电网自动化的目的是快速切除故障,避免系统失去负荷,由继电保护来实现;而中低压电网的故障,往往会导致部分用户停电,对自动化的要求就是能把故障尽快隔离和对负荷尽快转供,以减少用户的停电时间。

3.2国内中低压电网配电自动化的现状

国际上现流行的配电治理系统和配电自动化主要是针对中低压系统而言的,因此,国外配电自动化也往往称为馈线自动化。实现馈线自动化在技术上是完全可行的,阻碍馈线自动化全面实行的要害是可遥控开关的价格较高,即使在经济发达的先进国家也是如此。如法国的一个大型配电自动化计划,第一期工程也只在0.1的配变站建立自动化控制功能。因此即使在欧洲及日本等经济发达国家,中压配网也仅在非凡需要或不得不进行配电自动化的网络中实现配电自动化控制。为了减少高昂的人力检修费用,日本部分电力公司也在考虑在负荷密度非凡低的低压配电网实施配电自动化控制,以节省人力费用。

目前,我国地区供电局的管辖范围一般为110~220kV网络,这一级的变电站基本有数据采集SCADA系统,对这样的高压城市电网进行治理和控制,可在原有能量治理系统(EMS)的基础上,增加部分投资即可,因我国110~220kV网络的综合自动化已达到一定的水平。

我国除台湾、香港、澳门外,国家电力公司管辖的电力企业遍布全国30个省、市、自治区,约有几百个地区供电局,这一级供电局治理的高压配电网已达到一定的自动化水平。但全国几千个县市区供电局治理的中低压电网还基本不具备全面实现配电自动化的条件,然而,配电治理系统和配电自动化正应运行在这一级电网。

四、实现配电自动化的步骤

4.1采用配电自动化的基本要求

电力分配是一项高度复杂的系统工程,为了完成满足电力需求及保证电力供给的双重任务,供电企业不得不对从高压到低压的整个配电网络进行控制。为了提高整体效益,实现配电自动化的基本要求,应从技术和经济2个方面考虑。

4.1.1在技术上可实现配电自动化的前提条件是:(1)一次网络规划合理,接线方式简单,具有足够的负荷转移能力;(2)变配电设备自身可靠,有一定的容量裕度,并具有遥控和智能功能。

4.1.2在经济上值得进行配电自动化的要求为:要将没有采用配电自动化时的隔离故障、转移负荷所需时间,与采用配电自动化时进行比较,并综合考虑该时间差内因故障所失去的负荷和所损失的电量价值及重要程度。实现配电自动化所获得的经济效益或社会影响,必须足以补偿为实现配电自动化所投入的资金。此外,因修复故障所需时间与配电自动化无关,故是否采用配电自动化的经济评估,不需要考虑修复故障所需的时间。

是否有必要实施配电自动化的先决条件,是用户的需求和用户的重要性。只有用户对供电可靠性的要求及用户的重要程度达到一定要求时,才有必要考虑通过实施配电自动化来进一步提高配电网络的供电可靠性和供电质量。而对于具体的配电自动化工程,还应根据技术经济论证的结果,考虑实施的必要性和可能性,否则可通过提供自备电源的方式来满足部分用户对供电可靠性和供电质量的要求。

4.2采用配电半自动化的设想

为了实现配电自动化应充分考虑本地区社会经济的发展水平,根据配网的实际情况及远景规划,在经济能力能够承受的范围内运作,有目的地进行城网改造,分阶段投资和分阶段实施配电自动化,并使各配电自动化子系统最终有可能构成一个健全的配电自动化大系统。由于有些供电部门管辖区域较小,维修人员较多,可考虑通过实现配电半自动化方式来提高供电可靠性水平。因为可自动操作的一次开关价格昂贵,而二次设备相对便宜,故实现配电半自动化的具体方法可考虑采用故障自动量测和定位、人工操作开关、隔离故障和转移负荷的方式。

为此制定适用的配电自动化设计原则是非常必要的,这样可达到保护以往投资及可持续发展配电自动化的目的,同时也保证了总体经济效益。配电自动化分阶段实施的初期应有一个总体考虑,为配电自动化制定一个可行的设计原则。

4.3预先开发离线配电治理软件系统的必要性

配电自动化的实现需要分阶段投资,逐步进行。配电自动化应建立在完善的配电治理系统之上。各基层县区供电局需要在全面实现配电自动化之前,需要引进配电治理系统软件。现在一般的配电治理系统软件应具备的主体结构共有4个主要子系统:Ⅰ规划分析计算;Ⅱ用户信息治理;Ⅲ实时配电治理;Ⅳ地理信息系统。这4个子系统都应与基本数据库系统相联系,其中子系统Ⅲ与配电自动化有着密切的关系;子系统Ⅰ、Ⅱ的开发工作需要预先进行,且开发需要相当的时日,仅靠投资是不能解决的;子系统Ⅳ主要为集成方式,子系统Ⅲ在解决配电自动化投资中即可进行。目前我国治理中低压用户的基层供电局迫切需要的是子系统Ⅰ、Ⅱ,这是提高基层供电部门现代化运行和治理水平的要害。

五、结束语

探讨了我国城市电网配电自动化的重要课题,集中探讨了有关配电自动化的一些基本模式,介绍了国内外现有配电自动化系统的规模,还讨论了实现配电自动化所需的基本技术条件,实现配电自动化所需的基本经济评估的思路,此外,还提出了实现配电半自动化的设想,并对我国基层供电企业在实现配电自动化之前应进行的前期基础性工作,提出了一些具体建议。

作者单位:国家电力公司电力科学研究院 (北京100085)

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