城市配网自动化介绍

城市配网自动化

随着电力事业的迅速发展，用户对供电质量和供电可靠性的要求越来越高。城市电网改造对提高城市配网自动化技术与可靠性提出了亟待解决而且必须解决好的课题。目前，全国电网主要以500kV 和220kV 电网为主网架，有的已形成环网和双环网运行，110kV 电网作为地区供电的高压配电网，已全部开环运行。从目前情况来看，现有网架结构对于大部分地区的供电能力不能满足N-1的要求。城市电网改造将给配网自动化技术与可靠性水平带来前所未有的发展机遇，城市电网应在未来的几年内加速网架结构建设和城区配网自动化系统建设，提高供电质量和供电可靠性，以满足现代化建设的供电需求。

一、城市配网自动化的意义以及现状分析

1、网络状况基本处于良好状态，城市配电线路以架空、地埋电缆混合线路结构居多，农村配电线路以架空线路为城市配电线路逐渐向地埋电缆过渡，在大主。

中城市的配电网络平均电缆化率不断提高，配电线路平均环网率也在不断提高，为进一步开展配电自动化提供了较好的基础。但由层次不清、联络混乱，多电于网络结构复杂、源线路分段情况不理想，网络或负荷增长快，线路不能满足负荷增长需求等原因，配网的实现不理想。

因此，在近几年各供负荷转供能力普遍较差。电单位逐步对网架结构进行调整改造，一供一备线路的比重在逐步加大。配电自动化终端与一次设备开关是分不开的，配电终端实时数据采集和控制要求与一次设备开关的接口相匹配。不少单位在前期已经在每年的大修技改项目中将原来残旧的设备换成预留自动化接口的设备，改造难度降低，因此一次设备可采用以改造为主，整体更换为辅的方案。

长期以来,中国电力的主要矛盾是电力的生产跟不上需求,电力缺口一直较大。因此,前些年中国电力投资的重点是发电厂及输电网的建设,经过十多年的大投入,电力的需求己在近期能够满足需求。当前的主要矛盾出现在配电环节,由于过去对配电系统投入较少,导致配电网结构不合理。绝大多数城市基本上都是辐射型单端供电,一旦线路故障只能切除整回线路,导致大片区域停电;配电线路送电能力小,很多地方还使用的八十年代初的线路,线路经常过负荷运行,不但线损高达20%以上,还经常在用电高峰期断电技术性能落后,现在未改造的配电网几乎没有任何自动化可言,一出现事故只能依靠跳闸保护或配变的熔断器断电或是人工拉闸,然后再靠人工查明故障点,往往是一点小故障导致一片区域长时间停电。这些严重影响了人民生活和经济建设的发展。

2、实施配网自动化的意义

国家出台城网改造的政策、资金,并提出要积极稳步推进配网自动化。配网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;实现配网管理自动化,对多项管理过程提供信息支持,改善服务,提高管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,配网自动化的实施的具体意义在于:(1)提高供电可靠性,减少故障停电次数和停电时间,故障自动检测,故障自动隔离,缩小停电范围,快速实现非故障区的恢复供电。同时减少因故障造成的电费损失。(2)改善电能质量,监测和改善瞬态及稳态电压质量,以优质的电能提供给

用户。(3)提高配网系统的运行经济性,提高设备的利用率,降低运行维护费用,降低线损,最大限度地提高企业经济效益。(4)减少和缩短设备检修停电时间和范围。(5)优化网络结构和无功分配,降低电能损耗。(6)提高整个配网地管理水平和计算机应用水平,提高工作效率,实现“减员增效”。(7)用技术手段来改善用户服务水平,提高服务质量,提高为用户服务的响应速度和服务质量,改善故障时对用户的应答能力,建立良好的供需人机界面,用户能直接咨询、报装、给用户提供便利。(8)通过配网系统自动化的实施,真正提高企业的现代化管理水平,提高供电企业的各项经济技术指标。

二、城市配网自动化

1、城市配网自动化系统结构

由于现有配网自动化系统平台不统一，功能单一，各系统间很难实现互联和信息共享，造成重复建设、信息资源浪费，这些现状都极大的限制了电力系统的发展。为此，需要推出一种全新的一体化的配网自动化系统体系结构——就是把数据采集与监控系统（SCADA）、配电管理系统（DMS）、地理信息系统（GIS）、管理信息系统（MIS）、高级应用软件包（PAS）以及变电站综合自动化、馈线自动化、通信系统集成为一个体系结构良好、平台统一、信息共享、高效灵活的信息系统。

2、城市配网自动化系统设计原则

（1）城市配网自动化系统遵循以下各项开放式国际标准(包括硬件平台标准，软件平台标准，通信协议标准，数据库标准以及应用程序接口标准等):

①操作系统接口符合IEEE、POSIX及OSI 国际标准；

②数据库接口符合SQL 结构化查询语言标准；

③人机界面符合Motif，Windows标准；

④计算机通信协议：TCP/IP，X.25。

（2）系统的可扩展性。主站系统的规模、容量、处理速度、CPU负荷应有充足的裕度。

（3）系统实时性。满足电力系统实时性的要求。

（4）可维护性。可维护性良好，提高了系统可利用率。

3、配电管理主站系统（DMS）

一体化的配网自动化系统是一套包括数据SCADA、GIS、PAS 在内的完整配电系统解决方案，是一个实时监控和离线管理相结合的系统，将电网设备数据和用户数据、实时数据和历史数据、电网接线图形和地理图形、图形与数据结合在一起，具有很高的安全性和集成度。系统具备软硬件隔离的功能，而且系统软件的运行跟网络硬件设备类型无关，能适应包括光纤、配电线载波、无线通信等多种通信方式或组成广域网的方式。在开放式支撑平台的基础上，系统具有开放性、可靠性和易用性。

城市配网自动化系统在设计阶段应充分贯彻SCADA/GIS一体化设计的思想，主要体现在2个方面：一是数据建设、处理的一体化，二是应用的一体化。特别是实时GIS 应用与SCADA/DMS的紧密结合，真正做到实时应用。配电自动化系统底层数据建设的一体化，使得SCADA 系统和GIS 系统共享同一套数据，采用同一个底层数据库，无需再做额外的数据转换工作，保持SCADA 系统和GIS 系统数据的一致性，用户在任一平台上所作的编辑修改工作都可以自动表现在另一平台中，减少用户维护难度。

城市配网自动化系统应是UNIX/NT跨平台的完整系统，根据用户需求，可以在全Unix 环境、全Windows NT 环境、UNIX＋WindowsNT 混合环境中完成基本相同的功能。

Unix 系统具有较高的安全性和稳定性，但造价昂贵，不适宜大范围配置，同时对人员的要求较高，培训难，推广不易，特别是在配电系统、用电系统等涉及部门、工作较多时较难实用化。而NT 系统安全性也符合美国国家安全规定，尽管稳定性等方面稍弱，但造价合理，适宜于大范围使用，电力系统应用既要保证高度安全和可靠，又要能在各部门和科室中推广实用。在对造价和人员培训等方面作了充分考虑后，我们优推荐使用UNIX＋NT跨平台的方案，服务器端在UNIX 系统上实现实时数据库和网络管理功能，NT系统作为客户端的平台，既有好的性价比，人机交互更是友好，这样能较好地解决安全、稳定、实用等方面的问题。

一体化配网自动化系统中的电力高级应用软件（PAS）是调度人员和规划人员对电力系统进行仿真分析和监视控制的强大工具，在监视电网运行状态、优化全网经济运行方式、分析电网安全性和降低或消除电网中不安全因素等方面都起着不可替代的作用。

与高压输电网相比，配电网一般是辐射型树状结构，环网少或没有，支路参数Ｒ、Ｘ的比值较大，三相负荷不对称问题比较突出。许多在输电网络上使用的经典算法都不再适用。

配电网故障检测、隔离与恢复系统是配电管理系统中新增的重要功能模块，能够直接反映配网系统的自动化水平。故障检测、隔离与恢复模块应具有以下特点：

（1）适用于各种网络，对各种供电方式都能够进行准确的分析计算，迅速恢复供电；

（2）先进智能软件完成系统全局性的分析判断，考虑系统的实际负荷和网络约束，对恢复方案进行相应的潮流校核，真实反映系统实际运行情况，确保系统安全；

（3）软件的智能判断，对故障区段一次性定位、隔离，减少了断路器的分合次数，避免了短路电流对设备和电网的多次冲击，可延长设备的使用寿命；

（4）人工智能与数值计算相结合，多种恢复方案搜索，在各种情况下都能够给出相应的应对策略；

（5）多目标模糊评价方法，恢复方案依评价结果进行排序，可供调度员进行参考，确保得到优选的恢复方案；

（6）能直接在单线图上模拟故障隔离与恢复方案的全过程，能直接执行相应遥控命令。

地理信息系统是处理空间数据的输入、输出、管理、查询、分析和辅助决策的计算机信息系统，是近年发展起来的一门边缘科学。GIS系统的引入为电力系统应用提供了全新的表达方式，更具现实性，更直观易用，并对现有应用进一步扩展，使其具备空间管理、运算能力，实现更高一级的管理。

一体化配网自动化系统在总体设计及实现过程中一直注意充分考虑GIS 的最新技术及其发展方向，结合IT 技术的主流趋势，注重电力系统GIS 应用的特性，强调电力GIS 建设不同于地理意义的GIS 系统，应突出电力系统应用的特色，与电力系统的其他应用如SCADA、DMS等应能紧密结合，充分考虑数据共享、系统集成等关系，避免不必要的数据重复建设、接口不标准等潜在问题和安全隐患，这样才能突出电力系统特别是配电系统建设GIS 的优点和特色。

系统采用3层体系结构，C/S+B/S模式，提供Unix/NT跨平台支持，推荐服务器为Unix，工作站应用以NT 为主。

采用Client/Server＋Browser/Server体系结构。C/S模式提供常规的客户/服务器应用，实现丰富而功能强大的客户软件，而B/S模式提供瘦客户端应用，实现统一浏览器风格的应用，可满足大量的查询分析、统计打印等功能，二者相结合则相得益彰，相互补充，具有较多的优点。GIS系统配置图见图2。

4、配电自动化远方终端

城市配网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，既要实现FTU 的三遥功能，又要实现对故障的识别和控制功能，从而配合配网自动化主站实现城区配网运行中的工况监测、网络重构、优化运行以及配网故障时的故障隔离和非故障区域的恢复供电。配网自动化包括变电站自动化、馈线自动化（环网故障定位、故障隔离和自动恢复供电、自动抄表、负荷侧控制、最优运行、无功／电压控制）、配电图资系统、配电管理信息系统等。国际上的配网自动化正经历2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，对从电能表计到配电管理软件都提出了新的要求。为了适应国际配网自动化由多岛自动化向开放式、综合集成的方向发展的趋势，满足目前国内配网自动化工程的具体实际情况，北京四方华能电网控制系统公司推出了一体化设计的配网自动化远方终端CSF106，他是按同时面向变电站（开闭所）间隔与配网自动化馈线而设计的一体化现场终端，具有保护、测量、控制以及对馈电线路FTU 的通信管理功能，适用于对变电站(开闭所)10kV 馈出断路器在配网自动化系统中的管理。

三、城市配网自动化建设的实现模式

配网自动化建设的实现模式，包括配网自动化系统的总体结构模式、馈线自动化控制模式、配网自动化主站模式、配网自动化子站模式、配网管理终端、通信方式及一次设备选型等。通过比较分析几种典型的方案，提出一种适用于县级城市配网自动化系统的基本模式。

我国县级以下城市用电量约占全国用电量的40%，而配电网络的供电可靠率远低于98%，电压合格率仅有90%。县级以下城市配电网络结构以辐射供电为主，环网供电开环运行的环路较少，10kV 馈线较长，通常超过10km;馈线以架空线为主，分支线较多;用电负荷较为分散、负荷密度比较小，负荷受季节影响较大;配电变压器多，但配变容量较小，配电变压器覆盖面很广，选用哪一种性价比更优、更有实用价值的技术方案值得探讨。采用配网自动化系统是提高配电网络供电可靠性的重要技术手段之一。

1、系统模式

对于一个县级城市配网自动化系统来说，模式选择关系到整个县级城市配网自动化系统技术方案的可行性、合理性及经济性，必须从整个系统角度考虑。县级城市配网自动化模式选择包含以下几方面：系统总体结构模式、馈线故障处理模式、配网自动化主站模式、配网自动化子站模式、配网管理终端、配网自动化通信模式、一次设备开关及和电流互感器的选择。

(一)系统总体结构模式

在设计和制定县级城市配网自动化系统方案时，首先要确定系统的总体结构模式。系统的总体结构是指整个系统分几个层次进行控制和管理。采用这种分层

控制模式可以加速配网故障的自动处理过程，提高系统实时性。各层间既相互独立又互为备用，以提高系统的可靠性。分层结构模式降低了系统信息流量，节省了配网通信系统的投资。通常情况下，县级配网自动化系统总体结构按配网自动化主站层、配网自动化子站层、FTU层三层结构模式进行设计。

(二)配网自动化主站模式

调度自动化系统和配网自动化系统是电网控制领域功能不完全相同的两个系统，但是，这两个系统可通过变电站出线开关紧密联系在一起。

对于县级城市，调度与配网规模都不大，选用调、配一体化主站系统是适宜的。由于一体化主站系统具有共享的支撑软件平台，系统的软、硬件资源充分共享，运行维护费用大大减少。系统通过操作权限管理，可以确保调度、配网运行的安全性和可靠性。从运行管理体系来看，调度与配网是独立分开运行的两个系统，一体化平台不影响这两个系统正常操作使用。整个系统投资省、性价比高。调、配一体化主站系统是县级配网自动化系统首选的模。

(三)配网自动化子站模式

配网自动化子站是介于配网自动化主站与FTU 之间的信息交换和处理的中间站。按县级配网自动化系统总体结构设计，如果采用三层结构，县级配网自动化系统有三种子站模式可供选择，分别是通信控制器模式、数据转发器模式和微机型配网自动化子站模式。

(四)FTU层

FTU 是完成数据采集与控制的基本测控单元，它涵盖各种控制器、分段器、重合器、柱上FTU、环网柜FTU、开闭所DTU、配变TTU 等，应根据系统要求选配相应的FTU。

(五)通信模式选择

GPRS 或CDMA 模式

采用通用分组无线业务(GPRS)通信，具有设备价格低、一次投资省、安装简单、通信网络免维护、运行费用低、设备维护容易、通信速率高等特点，因此得到人们广泛关注。采用GPRS 或CDMA 应注意以下几个问题：①系统的每个测控点必须在公共数据网覆盖范围之内，不能有通信死区。②通信实时性受到移动通信网的制约，因此配网故障隔离时间、网络重构时间会有所延时，这是系统设计必须考虑的问题。③对控制命令软件必须采用加密及其它技术措施，以确保系统的安全、可靠性要求。

2、光纤通信模式

目前通信模式首选光纤通信。光纤通信分为光纤自愈环通信和光纤以太网通信。光纤自愈环通信是串口通信，通信速率从几十kbit/s到上百bit/s，通信可靠、技术成熟、价格适中。光纤以太网是网络通信，通信速率高，但可靠性不如自愈环，且价格较高。这两种通信方式的选择，应依据配网自动化系统FA 技术方案的需求和整个系统的性价比综合考虑。

四、结语

县级城市配网自动化系统模式的选择，应根据我国县级城市配电网络的特点，统一规划、分期实施、因地制宜、合理选配。配网自动化主站系统推荐选用调、配一体化的跨平台设计的主站系统，配网自动化子站优先考虑价格较低、免维护的通信控制器型的子站。建议采用电流/电压混合型、远方与就地控制相结

合的FA 控制模式，这种模式便于分期投资，以提高整个系统的性价比。

为了配合电网的发展，配电自动化系统建设的尽快启动是势在必行的形式，同时也将依据本地配网的发展规划分期分步实施，但建议主站系统按一次到位的原则配置，而终端则按发展的需要，先试点，后推广子站、扩大，配合网架的改造，完善配电自动化体系，最终实现全网馈线自动化。

在配网规划和建设中主要问题包括城市配网的网络结构、配电各种信息系统的数据共享、设计规划、终端设备的选择和配置及其供电电源模式、通信方式及系统管理维护等配电自动化建设周期较长，投资方面。另外，较大，其资金来源也需要认真规划考虑。

应开展城市配电网的全面细致调研，对一次设备及配电终端设备、通信网网架结构、络现状等方面进行详细调研，结合各地城市配电网的技术现状和发展目标，制定配电网建设的规划技术原则，以指导进行配电网建设的前期规划工作和项目实施，促进建设流程的规范化和标准化。配网自动化设备终端应选择性能好、少维护、低功耗的设备，提高系统免维护运行时间，适当提高终端设备的准人门槛。需要尽快明确终端设备的设备选型、技术条件和性能要求，制定相应的技术标准，组织必要的强化测试工作和入网测试工作。

考虑在经济实力和技术条件相对较好且有积极性的地区作为的配电自动化试点，以获得相关的建设经验，并据此讨论制定适合本地区的配网自动化建设的相应管理制度、技术规范和调试验收导则。

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