綜合配電自動(dòng)化終端的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

 摘 要

配網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，配網(wǎng)故障一般位于分支線路上，主線路發(fā)生故障的概率不高。針對(duì)目前配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，從配網(wǎng)改造和建設(shè)實(shí)際出發(fā)，提出一種綜合配電自動(dòng)化終端設(shè)計(jì)方案，在分支線路配置集繼電保護(hù)、無功補(bǔ)償、無源自供電、多種通信接口功能于一體的配電自動(dòng)化終端，快速隔離配網(wǎng)故障和動(dòng)態(tài)改善配網(wǎng)電能質(zhì)量，解決失電時(shí)配電終端設(shè)備工作和斷路器操作的電源問題，實(shí)現(xiàn)提高供電可靠性和供電質(zhì)量的目的。

引言

配網(wǎng)是整個(gè)電力系統(tǒng)的末端，直接面向終端用戶，供電可靠性和供電質(zhì)量要求越來越高。目前國(guó)內(nèi)配網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和結(jié)構(gòu)相對(duì)比較薄弱;供電質(zhì)量較差，電壓水平低，網(wǎng)損率高;配電自動(dòng)化程度還較低。配網(wǎng)的總體水平已不能滿足終端用戶日益增長(zhǎng)的用電需求，大規(guī)模的配網(wǎng)自動(dòng)化改造和建設(shè)正在積極展開。

配網(wǎng)自動(dòng)化是建立在信息化的基礎(chǔ)上，將配電系統(tǒng)在線數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)、配電網(wǎng)數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和地理圖形進(jìn)行信息集成，構(gòu)成完整的自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)及其設(shè)備正常運(yùn)行及事故狀態(tài)下的監(jiān)測(cè)、保護(hù)、控制以及用電和配電管理的自動(dòng)化，最終實(shí)現(xiàn)以大幅度提高供電可靠性、改善電能質(zhì)量為目標(biāo)的對(duì)配電系統(tǒng)在線的、準(zhǔn)實(shí)時(shí)的閉環(huán)控制[1]。配電自動(dòng)化終端作為配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)部分，要求其功能完善、工作可靠、擴(kuò)展簡(jiǎn)單以及維護(hù)方便。

本文在分析典型配電自動(dòng)化方案基礎(chǔ)上，結(jié)合配網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際，提出一種配電自動(dòng)化終端方案，以期能夠解決配網(wǎng)當(dāng)前存在的實(shí)際問題。

典型配電自動(dòng)化方案分析

考慮到各地方配電網(wǎng)的復(fù)雜性，不失一般性，配電網(wǎng)可以以如下拓?fù)涫疽猓?/p>

圖一中，變電站的10kV出線配置斷路器和相應(yīng)的保護(hù)，主線路上采用分段開關(guān)分段，各分支線路采用負(fù)荷開關(guān)的配置，所有開關(guān)均帶電動(dòng)分、合閘功能。由于分段開關(guān)和負(fù)荷開關(guān)均不能開斷短路電流，因此不配置保護(hù)。故障區(qū)段查找、隔離以及恢復(fù)供電目前大致有兩種方案：

其一，依靠自動(dòng)化開關(guān)設(shè)備反復(fù)配合動(dòng)作來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。在故障情況下，由變電站出線斷路器配置的保護(hù)切除故障，這時(shí)會(huì)造成全線失電，然后分段開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)由于失壓而跳閘，然后再由變電站的斷路器合閘后，依次合負(fù)荷開關(guān)和分段開關(guān)來檢測(cè)故障點(diǎn)，當(dāng)然還存在斷路器再次跳閘、再次合閘的可能，造成對(duì)負(fù)荷(尤其是變壓器)的多次沖擊，停電時(shí)間長(zhǎng)。

其二，依靠分布在分段開關(guān)上的FTU采集故障信息，通過通信網(wǎng)絡(luò)上傳調(diào)度集中控制，通過遙控將故障隔離并恢復(fù)非故障區(qū)段供電。該方案減少了開關(guān)的反復(fù)動(dòng)作，提高了設(shè)備運(yùn)行安全，自動(dòng)化程度高，對(duì)通信系統(tǒng)依賴很強(qiáng)。

已有的配網(wǎng)自動(dòng)化方案[2~7]都是集中在配網(wǎng)主網(wǎng)架的故障隔離和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)上，從理論上來說，這些方案都具有可行性，但在實(shí)際應(yīng)用中都遇到了許多問題，導(dǎo)致系統(tǒng)并不能發(fā)揮其應(yīng)有的效果，如：通信方式及通信系統(tǒng)穩(wěn)定性、故障判別元件的靈敏度配合、環(huán)境適用性、電源的可靠性等方面或多或少存在問題，應(yīng)用的效果并不好。

綜合配電自動(dòng)化終端設(shè)計(jì)

根據(jù)配網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的統(tǒng)計(jì)，故障一般位于分支回路上，主回路上發(fā)生故障的概率并不大，而改造配網(wǎng)的出發(fā)點(diǎn)應(yīng)該是能夠?qū)嶋H解決問題，如果能將分支線路的故障快速切除，將可以解決配網(wǎng)大部分的問題，即故障快速隔離、提高供電可靠性。

配網(wǎng)供電質(zhì)量較差，改善供電質(zhì)量的通常做法是在配網(wǎng)上安裝無功補(bǔ)償裝置。為了能夠減少電力用戶內(nèi)部各條配電線路的電能損耗，提高配網(wǎng)的功率因數(shù)，采用分散無功補(bǔ)償方式比較合適，即在分支線路公用配變低壓側(cè)、用戶的配電母線上安裝無功補(bǔ)償裝置。

考慮到上述情況，筆者提出分支線路配置集保護(hù)測(cè)控、無功補(bǔ)償、無源自供電、多種通信接口功能于一體的配電自動(dòng)化終端。

首先，將分支線路的負(fù)荷開關(guān)更換為真空斷路器，為分支線路配置專門的保護(hù)。

在分支回路故障情況下，由分支線路斷路器切除故障，可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)級(jí)的故障隔離。已有的配網(wǎng)自動(dòng)化無論采用何種方案，故障隔離均不可能達(dá)到保護(hù)級(jí)(也就是能在1s內(nèi)隔離故障)，一般的時(shí)間為幾十秒或數(shù)分鐘，而采用此方案，故障切除可以在1s內(nèi)可靠完成，大大縮短了停電時(shí)間，提高了供電可靠性。

分支線路配置保護(hù)大大簡(jiǎn)化了保護(hù)配合，所有分支回路的保護(hù)獨(dú)自整定，不需要和其他回路配合，如果分支回路下還有分支(如開閉所)，則可以同下面的分支回路的保護(hù)進(jìn)行時(shí)間上的配合即可，變電站的線路出線保護(hù)只需要同所有分支回路保護(hù)的最長(zhǎng)延時(shí)配合，有一定級(jí)差即可，保護(hù)整定和配合都非常簡(jiǎn)單。

分支線路配置保護(hù)減少了對(duì)線路負(fù)荷的沖擊，分支斷路器切除分支回路故障后，變電站線路保護(hù)元件返回，如果分支回路帶重合閘，僅對(duì)該分支存在沖擊的可能(合閘到永久故障)，提高了設(shè)備運(yùn)行安全。

其次，分支線路配置集成靜止無功發(fā)生器SVG，實(shí)現(xiàn)分支線路動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。

SVG并聯(lián)于電網(wǎng)中，相當(dāng)于一個(gè)可變的無功電流源，通過調(diào)節(jié)逆變器交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流的幅值和相位，迅速吸收或者發(fā)出所需要的無功功率，實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無功的目的。當(dāng)采用直接電流控制時(shí)，直接對(duì)交流側(cè)電流進(jìn)行控制，不僅可以跟蹤補(bǔ)償沖擊型負(fù)載的沖擊電流，而且可以對(duì)諧波電流也進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償。

再次，提供完善而可靠的自供電功能，裝置自帶免維護(hù)的電池及完善的電源管理程序，在進(jìn)線故障情況下可保證裝置的正常工作及跳閘，解決失電時(shí)配電終端設(shè)備工作和斷路器操作的電源問題。

最后，支持多種標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化接口，支持多種通用遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約，自動(dòng)化接口模塊插拔式獨(dú)立設(shè)計(jì)，方便更換和配置。

綜合配電自動(dòng)化終端實(shí)現(xiàn)

綜合配電自動(dòng)化終端，采用高性能DSP處理器硬件平臺(tái)和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，集成保護(hù)測(cè)控、SVG、無源自供電、通訊功能于一體，是智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的低壓配電終端。

本終端配備以下保護(hù)功能，如圖二，三所示：

1)瞬時(shí)速斷、定時(shí)限過流保護(hù)和接地保護(hù)，接地保護(hù)的零序電流可由三相電流計(jì)算或外接零序CT輸入。

2)反時(shí)限過流保護(hù)，符合IEC255-4標(biāo)準(zhǔn)的反時(shí)限特性。

3)具備二次諧波閉鎖功能，避免投入變壓器時(shí)過電流保護(hù)誤動(dòng)作。

本終端配備SVG，橋式變流電路結(jié)構(gòu)采用當(dāng)前主流的電壓型結(jié)構(gòu)，SVG實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流的正序、負(fù)序、零序、有功、無功和諧波分量，由可關(guān)斷電力電子器件(IGBT)控制，輸出一個(gè)與所需補(bǔ)償電流大小相同，方向相反的電流與之抵消，IGBT開關(guān)頻率達(dá)到6000HZ，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、快速的大范圍無功感性與容性雙向調(diào)節(jié)，使終端所配置的SVG不但具有良好的無功補(bǔ)償能力，補(bǔ)償基波無功電流，也可同時(shí)對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到改善電能質(zhì)量的目的。

本終端配備自供電源，包括CT取能或PT取能，系統(tǒng)工作采用以電網(wǎng)電流或電壓供電為主，太陽能作為后備，鋰電池，鉛電池，操作電容輔供電。大容量的電池組系統(tǒng)采用電源泵技術(shù)，先進(jìn)的線路電流控制充電技術(shù)和數(shù)控定期自動(dòng)完全放電活化處理技術(shù)，大大延長(zhǎng)電池使用壽命。當(dāng)線路電流低于額定值的5%時(shí)，由電池組供電。終端在非跳閘時(shí)功耗小于4MA，使電池容量至少維持裝置正常工作一周時(shí)間。在外部失電時(shí)，低能量脈沖跳閘方式所需能量由電容儲(chǔ)能提供，可保證至少兩次合-跳輸出，滿足配電網(wǎng)故障恢復(fù)過程中智能控制策略的需要。

本終端支持無線擴(kuò)頻、GPRS、SMS短消息服務(wù)等多種自動(dòng)化接口，為配網(wǎng)自動(dòng)化提供多種通訊解決方案。自動(dòng)化接口模塊插拔式獨(dú)立設(shè)計(jì)，方便更換和配置。所配置的GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議棧、支持自動(dòng)心跳、鏈路支持永久在線、透明傳輸、遠(yuǎn)程參數(shù)配置，永久保存。

結(jié)束語

我國(guó)目前的配電網(wǎng)很薄弱，絕大多數(shù)為樹狀結(jié)構(gòu)，且多為架空線，供電距離長(zhǎng)，導(dǎo)致供電可靠性差，供電損耗大，電壓質(zhì)量差。配電設(shè)備比較陳舊，大多是不可遙控的。配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備少。這些導(dǎo)致事故處理自動(dòng)化程度低、處理時(shí)間長(zhǎng)，事故后恢復(fù)供電慢。

根據(jù)配網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出了一種在分支線路配置集繼電保護(hù)、無功補(bǔ)償、無源自供電、多種通信接口功能于一體的配電自動(dòng)化終端設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)故障快速隔離，提高供電可靠性，及配網(wǎng)無功功率就地補(bǔ)償，改善供電質(zhì)量，可以較好的滿足配網(wǎng)改造的需求。