自動化技術(shù)在輸配電及用電工程中的實際應(yīng)用

劉中岳

【摘要】電子信息技術(shù)的普及應(yīng)用促使輸配電及用電工程向著自動化的方向發(fā)展，自動化技術(shù)不僅大大提高了輸配電的傳輸效率，而且降低了電力傳輸?shù)某杀?，大大提高了電力工程及輸配電管理的可靠性。從某種程度上講，輸配電及用電工程的自動化技術(shù)包含了通信技術(shù)、電子技術(shù)、電氣技術(shù)、計算機技術(shù)等，其強大的集成功能可以實現(xiàn)用戶信息、電網(wǎng)參數(shù)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、地理信息的集成應(yīng)用，從而實現(xiàn)智能電網(wǎng)檢測、保護及控制等多種自動化功能，提高輸配電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。文章主要針對自動化技術(shù)在輸配電及用電工程中的實際應(yīng)用進行探討，著重分析配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的組成及實現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】輸配電系統(tǒng)；用電工程；配網(wǎng)自動化

一、輸配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的內(nèi)涵

所謂輸配電網(wǎng)自動化技術(shù)是以配電網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)融入遠程監(jiān)控、協(xié)調(diào)的集成化軟件系統(tǒng)（DAS），其廣義范圍包括系統(tǒng)變電站、中壓配電網(wǎng)、供電用戶（側(cè)）等方面，而狹義上講輸配電網(wǎng)自動系統(tǒng)僅包含中壓配電網(wǎng)及供電用戶（側(cè)）兩個部分，由此可見，輸配電自動化包括下層基礎(chǔ)建設(shè)及上層領(lǐng)導(dǎo)管理兩層，下層基礎(chǔ)建設(shè)的主要作用是收集各類數(shù)據(jù)信息、實時監(jiān)控線路系統(tǒng)運行情況以及線路故障的處理，其中實時監(jiān)控線路包括智能化操作的變電所及饋線兩部分。自動化領(lǐng)導(dǎo)管理層的主要作用是對系統(tǒng)中的高級應(yīng)用及配電、停電、工程、電能計算等進行控制與管理，主要通過軟件控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，在電力服務(wù)系統(tǒng)中變配電是保證高質(zhì)量電能輸送的必要環(huán)節(jié)。輸配網(wǎng)自動化的主要目的是實現(xiàn)電網(wǎng)智能化運行，提高供電的安全性、穩(wěn)定性，大幅度降低故障發(fā)生時間，縮小停電區(qū)域，提高電力供應(yīng)服務(wù)質(zhì)量。因此相比傳統(tǒng)的輸配電管理模式，應(yīng)用自動化技術(shù)主要體現(xiàn)出以下幾個方面的優(yōu)勢：

首先，安全智能。輸配電與用電工程自動化技術(shù)以計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用自動智能技術(shù)完成輸配電網(wǎng)絡(luò)的管理，最大程度上避免人為操作失誤因素影響供電質(zhì)量，提高了整個供電網(wǎng)絡(luò)的智能化程度及安全性。其次，服務(wù)性與安全性的特點。輸配電及用電工程具有專業(yè)性、高風(fēng)險性的特點，一旦發(fā)生安全事故會導(dǎo)致設(shè)備管理人員及用戶出現(xiàn)人身安全問題。而自動化技術(shù)采用更加完善的澳洲規(guī)程，最大程度上保證系統(tǒng)處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)。最后，綜合性簡約性。輸配電網(wǎng)絡(luò)及用電工程技術(shù)密集，系統(tǒng)復(fù)雜，融入自動化技術(shù)后可使系統(tǒng)與電力技術(shù)操作的相關(guān)規(guī)程更加相符，降低配電網(wǎng)的安全檢修率，故障處理也相對容易，大大提高了系統(tǒng)運行的整體效率及可靠性。為提高討論的針對性，本文筆者著重分析配網(wǎng)自動化系統(tǒng)的組成及實現(xiàn)。

二、輸配電自動化系統(tǒng)的組成

具體而言，輸配電自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括配網(wǎng)主站與子站、配網(wǎng)遠方終端及信息通信網(wǎng)絡(luò)三大部分，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

（一）輸配網(wǎng)絡(luò)主站

在整個輸配電自動系統(tǒng)中配網(wǎng)主站是整個系統(tǒng)的核心部分，也是其控制管理中心，其主要作用是收集系統(tǒng)中各模塊的信息數(shù)據(jù)，并實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀況，不僅可以分析系統(tǒng)中的電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，而且可以實現(xiàn)與非本系統(tǒng)的信息交流，管理人員可以通過配網(wǎng)主站上的多種操作平臺實現(xiàn)各種操作管理。配網(wǎng)主站的主要組成部分包括計算機的相關(guān)硬件模塊、各類操作系統(tǒng)、軟件支持平臺、各類應(yīng)用軟件等等，其中系統(tǒng)軟件是實現(xiàn)輸配電網(wǎng)自動系統(tǒng)的基本功能及相關(guān)擴展功能，諸如分析應(yīng)用、智能化應(yīng)用等，并且通過信息服務(wù)總線還可實現(xiàn)與其它系統(tǒng)的信息交流。配網(wǎng)主站的功能軟件通過一組計算機及多個設(shè)備組成，該信息系統(tǒng)包括前置通信系統(tǒng)、后臺服務(wù)器、人機交互界面及接口子系統(tǒng)，其中前置信息系統(tǒng)可進行自動數(shù)據(jù)傳輸，具備互通信息接口功能；后臺服務(wù)器主要實現(xiàn)各類信息的整合、監(jiān)控及服務(wù)，人機交互界面主要實時監(jiān)控輸配電網(wǎng)的運行，展示靜態(tài)實時歷史數(shù)據(jù)，并通過人機交互界面完成各種操作平臺的功能；接口子系統(tǒng)主要包括EMS、GIS、MIS等各系統(tǒng)接口。

主站中的軟件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用雙以太網(wǎng)，其網(wǎng)速形式包括100兆bits及1000兆bits兩個，其中絕大多數(shù)服務(wù)器均直接與1000兆bits網(wǎng)絡(luò)連接，包括SCADA、歷史數(shù)據(jù)、高級應(yīng)用、通信接口等等，此外，還有一些輔助服務(wù)器連接千兆bits，包括配調(diào)、維護、報表功能等等，上述各服務(wù)器構(gòu)成輸配網(wǎng)自動系統(tǒng)的子系統(tǒng)。主干網(wǎng)主要通過正向及反向兩種隔離連接方式連接公共網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采集器，WEB子系統(tǒng)包括對應(yīng)的服務(wù)器、交換機、接口服務(wù)器、安全防火墻等部分。

（二）輸配網(wǎng)子站構(gòu)成

將輸配網(wǎng)子站通常分布于系統(tǒng)變電站或開閉所，其位于整個配網(wǎng)自動系統(tǒng)的中間層，主要功能是采集、處理區(qū)域范圍內(nèi)配電網(wǎng)絡(luò)的信息數(shù)據(jù)，包括設(shè)備的遠程調(diào)控、實時信息的顯示及處理、事件順序記錄、歷史數(shù)據(jù)存儲及處理、查詢及確定故障位置等。從某種程度上講，輸配網(wǎng)子站在整個系統(tǒng)中充當(dāng)信息資源中轉(zhuǎn)站的角色，其除收集終端數(shù)據(jù)信息外，還要將收集到的數(shù)據(jù)信息傳送至主站，并將主站發(fā)送的指令傳遞至各終端設(shè)備。

（三）輸配網(wǎng)系統(tǒng)終端

輸配網(wǎng)自動系統(tǒng)終端包括饋線終端設(shè)備（FTU）、配變終端設(shè)備（TTU）及開閉所終端設(shè)備（DTU）三大部分，其主要功能是收集開關(guān)設(shè)備、變壓器等設(shè)備中的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，并對相關(guān)設(shè)備進行控制、管理。（1）饋線終端：FTU多安裝在設(shè)置于戶外柱上的饋線開關(guān)周圍，主要對開關(guān)運行的狀態(tài)進行實時監(jiān)控。由于饋線開關(guān)裝設(shè)位置零散，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，通常情況下一臺FTU對應(yīng)一臺柱上開關(guān)設(shè)備對其運行進行實時監(jiān)控，否如同一支桿安裝多個開關(guān)，則會出現(xiàn)一臺FTU監(jiān)控多臺開關(guān)的現(xiàn)象。（2）配變終端：TTU顧名思義主要對配電所中變壓器的實際運行情況進行監(jiān)控，尤其是監(jiān)控采集低壓電壓與電流值，并通過60s-120s的計算頻率計算獲取對應(yīng)的有效值、功率、功率因數(shù)、有功量、無功量等等，計算出來的某些特殊數(shù)據(jù)會存在系統(tǒng)內(nèi)存中，其斷電不丟失，會被保留一段時間。TTU中的某些數(shù)據(jù)間隔一段時間會傳送至配網(wǎng)主站系統(tǒng)中進行分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷變壓器、線路中是否存在故障問題，并獲得電壓的合格率、供電效率、負荷中的一些基本性質(zhì)等。與饋線終端相比，配變終端的結(jié)構(gòu)相對簡單，其不具備FTU的實時監(jiān)控功能，僅能進行數(shù)據(jù)信息采集、記錄及傳遞等功能，因此TTU不像FTU設(shè)備采用蓄電池的方式供電，而是采用低壓側(cè)供電，以降低成本，簡化設(shè)計。值得一提，如果線路中存在無功補償電容器，則TTU必須具備自動投入或切除電容器的功能，以降低成本投入。（3）開閉所終端：DTU多設(shè)置于開閉所、環(huán)網(wǎng)柜體、變電站等常見位置，開閉所終端的主要作用也是采集對應(yīng)位置開關(guān)設(shè)備的運行信息及電能參數(shù)，控制開關(guān)運行，滿足饋線開關(guān)適時動作的要求。

（四）通信網(wǎng)絡(luò)

通信網(wǎng)絡(luò)即信道，其主要作用是為信息交流提供一個通道，通過通信網(wǎng)絡(luò)配電終端才能實現(xiàn)配配網(wǎng)主站的信息交流。在實際工程中，可根據(jù)配電終端、對應(yīng)設(shè)備的安裝地點、實際的信息傳播速度需求等選擇不同的通道材料。配網(wǎng)系統(tǒng)中，通過通信網(wǎng)絡(luò)將遠方終端設(shè)備通過各種采集模塊與配網(wǎng)子站、主站連接在一起，信息經(jīng)由光Modem進入主干網(wǎng)光纖內(nèi)，然后被匯總至子站，是后再傳遞至主站，整個通訊過程滿足RS485通訊協(xié)議。

三、輸配網(wǎng)自動系統(tǒng)的實現(xiàn)

（一）供電方式及一次設(shè)備

我國的輸配網(wǎng)系統(tǒng)包括城市電網(wǎng)、農(nóng)村電網(wǎng)兩大部分，前者主要通過電纜網(wǎng)進行連接，后者則采用架空線進行連接。從某種程度上，配網(wǎng)供電形式的差異主要體現(xiàn)在電源位置、開關(guān)型號及網(wǎng)架形式，電源位置不同、網(wǎng)架形式的差異使得供電方式有所不同，選擇不同的線路開關(guān)設(shè)備也會得出不同的供電方案。一般情況下，城市電網(wǎng)多采用環(huán)型電網(wǎng)柜，而農(nóng)村電網(wǎng)中多應(yīng)用斷路器、重合器及分段器等設(shè)備。供電方案的分類依據(jù)多種多樣，此處根據(jù)開關(guān)設(shè)備的選擇差異對其進行分析：

（1）針對安裝在架空線路的開關(guān)設(shè)備方案而言，最基本的原則就是保證對用戶可靠供電，而評價供電可靠性的指標(biāo)包括特定時間內(nèi)停電多少、每次停電時間、線路停電導(dǎo)致的故障范圍、故障切除線路恢復(fù)正常所需的時間等。（2）相比其它方案，開關(guān)設(shè)備采用重合器的方案優(yōu)勢十分突出，在線路實際運行中至少80%的故障發(fā)生于瞬間，開關(guān)設(shè)備采用重合器的方案可以在發(fā)生瞬間故障后迅速隔離故障，最大程度上保證整個系統(tǒng)運行的可靠性。重合器屬于高自動化設(shè)備，發(fā)生故障后可在瞬間隔離故障，減少了電網(wǎng)運行的依賴性，減少人力、物力的浪費。在實際工程應(yīng)用中，由于分支路線中的低壓范圍是線路故障高發(fā)區(qū)，因此可以在線路中協(xié)調(diào)使用分段器及重合器保護動作，保證線路的可靠性。（3）架空線配網(wǎng)線路。架空線配網(wǎng)線路主要應(yīng)用于縣級、農(nóng)村地區(qū)，其可供電范圍為五公里為半徑的圓形區(qū)域，因此可結(jié)合三開關(guān)重合器選擇環(huán)型網(wǎng)進行供電，環(huán)型網(wǎng)帶有兩個電源，可以更好的保證供電的可靠性。（4）與其它故障隔離設(shè)備配合使用的開關(guān)設(shè)備，一般情況下雙電源環(huán)網(wǎng)供電已經(jīng)可以基本上保證供電線路的安全性、可靠性，將開關(guān)設(shè)備與其它故障隔離設(shè)備配合應(yīng)用可以進一步簡化電網(wǎng)連接，降低建設(shè)成本及維護成本。

（二）遠動系統(tǒng)及二次設(shè)備

二次設(shè)備的主要功能并非直接輸送電能，而是起到對線路、電網(wǎng)進行調(diào)節(jié)、監(jiān)測、控制及保護的作用，其不參與電能的生產(chǎn)、使用。正是二次設(shè)備的應(yīng)用實現(xiàn)了輸配電自動系統(tǒng)的遠程管理，常見的二次設(shè)備包括繼電器、信號裝置、測量表計等等。盡管在輸配網(wǎng)系統(tǒng)中，二次設(shè)備并不能直接體現(xiàn)系統(tǒng)的先進性，但是卻是遠動系統(tǒng)完善性的直接體現(xiàn)。分析輸配電自動化功能的實際需求可知，系統(tǒng)主要通過發(fā)送對應(yīng)指令遠程控制終端開關(guān)，以獲得與人工操作相同的操作結(jié)果，而自動合閘、中斷等自動操作大大減少了人工成本，提高了系統(tǒng)的反應(yīng)速度及處理速度。當(dāng)然在實際的輸配電自動系統(tǒng)建設(shè)及過行中，除了系統(tǒng)自帶的環(huán)網(wǎng)保護、遠程控制等保護功能外，還要設(shè)置必要的人工手動操作。任何系統(tǒng)均存在失靈的可能，人工操作是系統(tǒng)最后一道防線。此外，輸配網(wǎng)自動化遠動系統(tǒng)中線路電源、傳輸協(xié)議也占據(jù)重要地位，實際用電工程應(yīng)用中要根據(jù)供電環(huán)境、設(shè)備特點合理設(shè)計電源規(guī)格、選擇適用的傳輸協(xié)議。

（三）通信方案及設(shè)備

通信是最終完成輸配網(wǎng)自動化的關(guān)鍵點，輸配網(wǎng)自動系統(tǒng)的信息傳輸包括主站與各子站之間、現(xiàn)場單元的信息傳輸以及各模塊之間的內(nèi)部傳輸兩大部分，其中主站與各子站之間、現(xiàn)場單元的信息傳輸實行的配網(wǎng)通信方案相對比較完整。在選擇實際通信方案時，由于通信區(qū)域、通信條件不同，因此盡量根據(jù)實際情況選擇混合通信方案，采用光纖作為系統(tǒng)信息傳輸?shù)闹饕€路，其它分支線路選擇適用的通信方法；針對某些弧點、距離較遠的線路則采用無線傳輸?shù)男问?，以降低建設(shè)成本。實際工程中需要注意，光纖通信通常僅能傳輸一條線路的數(shù)據(jù)，雖然幾萬兆的帶寬即可滿足通信要求，但仍然要使用專用的光端機，以保證通信質(zhì)量。

四、結(jié)語

由此可見，在我國電力行業(yè)發(fā)展的過程中，實現(xiàn)電力自動化有著十分重要的意義，它不僅可以有效的解決了電力系統(tǒng)在運行過程中存在的問題，還大幅度的提高了電力系統(tǒng)的工作效率和使用性能。不過，從當(dāng)前我國電力輸配系統(tǒng)的發(fā)展情況來看，其中還存在的許多的問題，為此我們還要的不斷的實踐研究的過程中，來對其電力自動化技術(shù)進行改進和推廣，從而促進我國社會經(jīng)濟的發(fā)展。

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