配电自动化开关设备的几个技术问题

前言我国电力系统长期以来形成了“重发、轻供、不管用”的局面，全国大部分地区表面上电量供大于求，而实质上是配电网落后有电送不出，用户需要却得不到，如居民用电、农村用电线损高、电费高、电压低、供电不可靠，这已成为电力系统供用电的瓶颈。因此，国家计划投资2600亿来改造城乡电网，尤其是改造配电网，并逐渐实现配网自动化以达到：电能合理分配以降低能耗、供电可靠性提高以减少电能损失、供电质量提高以使各种电气设备使用寿命得以延长、配电自动化的应用可精确估计各种设备的使用状态而使设备能得到充分利用、情报资料精确完整以及劳动力的大大减少等。同时投资改造城乡电网也是启动国内经济增长的得力措施。一、配电自动化在电力系统中的位置电力系统由发电、输电、变电、配电和用电五个环节组成，如图1所示。图1其中发电、输电、变电几个环节的监视、控制和管理属能量管理系统EMS（EnergyManagementSystem），包括监视控制和数据采集SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）、自动发电控制AGC（AutomaticGenerationControl）、管理信息系统MIS（ManagementInformationSystem）和其它名目繁多的EMS高级应用软件。配电和用电的监视、控制和管理属配电管理系统DMS（DistributionManagementSystem），包括SCADA、负荷管理LM（LoadManagement）/负荷控制、故障管理、自动绘图AM（AutomatedMapping）/设备管理FM（FacilitiesManagement）/地理信息系统GIS（GeographicInformationSystem）/投诉电话热线TC（TroubleCall），配电网高级应用软件等功能。EMS和DMS两者均以SCADA系统为起点，由于电力系统无“仓库”，发、供、用一次完成，两者有分工，但对于较小孤立系统两者可合而为一。配电自动化DA（DistributionAutomation）与配电管理系统DMS密切相关，从供电网络结构来看，主要包括变电站自动化和馈电线自动化[1]，有的也将负荷管理LM纳入配电自动化的范畴。馈电线自动化又包括柱上馈电线自动化和电缆馈电线自动化，如图2所示：图2配电自动化内容柱上馈电线监视控制和数据采集、柱上馈电线故障定位与柱上馈电线隔离和自动恢复供电是柱上开关、分段器、重合器完成的功能。其中监视控制和数据采集也可用“遥信、遥控、遥调、遥测”四遥来描述。这“四遥”功能，最后要与配电管理系统DMS平台相配合，其中要涉及到通讯方式及通讯规约问题。通讯方式目前有：有线、无线、光纤、电力载波。有线通讯：抗干扰能力强，需架设通讯线路或租用电话线；无线通讯：架设方便，存在频道资源限制及无线干扰问题；光纤：干扰小、可靠、可与电缆同时铺设，眼下成本高但有发展前途；电力载波：经济性好，但由于配电网络复杂、开关断点多，需信号耦合、解决电容器组信号短路和变压器信号衰减问题。二、柱上一次开关设备1.柱上馈线自动化一次设备柱上馈电线自动化设备分为重合器与分段器两种，其构成如图3所示，具有故障检测与识别功能、测量与控制功能、计量功能、通讯功能和维护功能。图3柱上自动化开关设备图4所示为控制器的几种型式。控制器无疑将选用微机式，由于高速单片微机，EPLD技术，DSP技术的出现，使得控制器可以完全满足配电自动化的要求。需要解决的问题是：温度特性（-40~ 80℃）；电池寿命（10年）；抗强电磁干扰的能力。图4智能控制器类型2.柱上断路器分类及其特点配电网架空线运行着大量一次设备：柱上断路器和柱上负荷开关，同时重合器也是由断路器加控制器构成，分段器由负荷开关加控制器构成。因此有必要对柱上一次设备加以分析。我国架空线柱上开关以断路器居多，而且负荷开关也多以断路器代替，下面着重分析不同类型断路器的结构及其优缺点。如图5所示。图5柱上断路器分类及其特点我们认为柱上断路器应采用真空开关管灭弧以提高分断能力，SF6气体解决相间绝缘，缩小体积。因为零表压，密封问题相对容易解决。由于真空负荷开关管和断路器开关管价格差不多，其他结构也相差无几，所以真空负荷开关可以用真空断路器代替。操动机构应当密封，以解决机构锈蚀出现误动、拒动现象。永磁机构就其原理而言由于元件数少，可靠性很高。但要注意到其本质上还是电磁操动机构，瞬时功率大及机械特性控制是其难点，启动电容以及电子控制线路的寿命、温度特性及可靠性是操动机构总体可靠性的瓶颈，应加以高度重视，这些问题若能解决永磁机构应为首选机构。弹簧机构若能解决密封问题，近期将成为一个适宜于柱上的操动机构。柱上开关A、B、C三相断口布置方式，如图6所示有三种型式。图6A，B，C三相断口布置方式柱上断路器采用三相共箱式为好。分体柱式工艺要求高，材料问题也不好解决。负荷开关采用隔离闸刀式用于农网小电流控制或加熔断器保护也是可行的。三、柱上馈电线自动化一次设备运行模式国外或国内合资厂柱上开关配电自动化运行模式有4种见图7。方案1至方案4相应的工作原理见文献[4]。方案5为远方集中控制模式[5]。图7柱上配电自动化模式1．日本东芝模式：该方案在架空线相间短路故障隔离及恢复供电方面有效，适用于配电馈线的初级阶段，对于馈线综合自动化的功能及我国国情来说是不完善的。表现在：（1）没有接地故障检测功能。当出现接地故障时，若象对待短路故障一样全线跳闸，再重合的办法来隔离故障，则对于占总故障数90的接地故障来说会出现频繁跳闸的现象，失去了中性点不接地的优点，不如采用中性点接地办法还会使线路绝缘水平降下来。（2）要求出线侧开关具有重合功能。而某些局由于负荷越来越重如广东局则不允许变电站内出线侧开关再重合，只能加装重合器，这样日本东芝的自动配电开关需依赖于重合器，就整个配电方案而言属从属位置了。（3）故障隔离时间长，级数越多隔离时间越长。（4）对于这一模式的第二、第三阶段（文献4未论及），对故障判别和隔离，自身解决，对于负荷控制，SCADA功能仍需依赖于通讯线路。且操作平台不适合中国国情。2．对于有重合器的方案一、方案二和方案四，首先要使接地电流检测灵敏度提高，并将接地故障改为慢速跳闸方式，站内应加装接地故障微机选线装置。国外重合器价格比较高。3．远方集中控制模式采用国产优质断路器加智能控制器FTU，在出口端具有重合器功能，其它各段相当于分段器功能。具有小电流接地检测功能，灵活的通讯方式，适用于配电自动化的通讯规约和适合国情的配电自动化平台体系，具有很强的生命力和发展前景。四、智能控制与智能电器近来，在电器领域出现了智能电器和智能开关柜的概念，究竟什么样的电器和开关柜能称作智能电器和智能开关柜，有将具有自诊断功能、在线检测功能作为智能电器特征，有将能在各种环境下可靠工作作为其特征。其说法很不统一，由于科学技术在不断发展，智能电器的定义也在不断变化，但对此问题进行探讨是有必要的。智能电器应当是传统电器与智能控制相结合的产物，传统电器定义为：凡是根据外界指定讯号和要求，自动或手动接通和断开电路，断续或连续地改变电路参数实现对电路或非电对象切换、控制、保护、检测、变换和调节用的电气设备都是电器的范畴[3]。如开关类：断路器、负荷开关，无功补偿装置，有载或无载调压装置等。这里有三层意思，一是操作电器的执行过程及结果：“断续或连续地改变电路参数实现对电路或非电对象切换、控制、保护、检测、变换和调节”，二是操作电器的指令“根据外界指定讯号和要求”，三是操作电器的手段“自动或手动”。智能电器与传统电器在执行过程及结果和操作电器的指令上区别不大。其区别主要是操作电器的手段上，也即自动或手动控制还是智能控制，智能控制是建立在自动控制的基础之上，而优于自动控制。智能控制具有十分明显的跨学科结构特点，其构成有几种不同的思想，其中有二元交集结构，三元交集结构和四元交集结构。表示如下：IC=AI∩ACIC=AI∩CT∩ORIC=AI∩CT∩IT∩ORAI---人工智能（ArtificialIntelligence）;AC---自动控制(AutomaticCybernetics)CT---控制论(ControlTheory,Cybernetics)OR---运筹学(OperationResearch)IT---信息论(InformationTheory,Informatics)IC---智能控制(IntelligentControl)∩表示交集符号。这几种思想的共同特点是均具有人工智能和自动控制或控制论。智能控制的核心在高层控制，即组织控制。其任务在于对实际环境或过程进行组织，即决策和规划，以实现广义问题求解。为此，需要采用符号信息处理、启发式程序设计、知识表示以及自动推理和决策等相关技术。这些问题求解过[1][2]下一页