集中式配电

2024-09-01

集中式配电（精选4篇）

集中式配电篇1

0 引言

对于城市配电网, 由于负荷密度大, 短线路多, 分布式电源大量接入等因素, 使得传统电流保护、距离保护等保护方法不能满足含分布式电源配电系统的安全可靠运行的需要, 往往存在故障切除选择性不高、故障跳闸可靠性不高、配网故障水平变化、开关设备损耗大、故障处理时间长等缺点。分布式发电的接入使得配电系统从单电源辐射式网络变为双端或多端有源网络, 原有的配电系统保护和重合闸设计必须进行相应调整。分布式电源会使配电的故障无法及时、准确地切除, 保护误动作, 造成对配电系统稳定、设备健康状态的破坏[1,2,3]。

为了满足电压暂态稳定性的要求, 文献[4]中采用全线速切的继电保护装置进行双侧信息交换的配电线路全线速切保护系统。但是由于配电网测点少, 很难做到双侧信息的交换, 影响了这种方法在实际中的使用。

针对常规保护系统保护对象主要面向单个电力元件, 保护设备之间缺乏有效的信息共享的问题, 文献[5]采用电压、电流的同步采样信息以及开关量信息等空间多点信息做出判断, 取代动作时间上的配合来保证后备保护的选择性, 达到缩短后备时间。文献[6]提出了基于数字化变电站的集中式保护的方法, 以差动保护为主的单元保护模块作为间隔级保护, 以基于拓扑理论的网络保护模块作为全站系统级后备保护。这些方法还需要和常规主保护相配合, 无法解决常规主配电网保护选择性差的问题, 因此研究和发展智能配电网保护控制成为电力系统发展的必然选择和趋势。

随着光纤通信技术的发展和设备成本的下降, 以光纤通信为主的电力通信网络一直在加速建设, 光纤通信成为信息传送的主要手段[7]。随着光纤以太网和智能配电终端在智能配电网中的成功应用, 电流差动保护必将成为智能配电网的最理想保护方法[8]。

本文提出配电网集中式差动保护的方法。基于广义基尔霍夫定律, 根据广义节点的概念建立了数学模型。并考虑电网结构和测点可用性变化情况, 实时确定差动保护的最小差动区间, 可以解决分布式电源接入, 以及环网情况下配电网的保护问题。

1 智能配网差动保护模型

为节约成本, 配电网并不是在每条线路的两端都配置量测。在这种情况下, 为保证供电的可靠性, 可进行配电网区域差动保护。在形成广域差动保护区的时候, 只需找到一个由保护终端构成的、封闭的合围若干电气元件的最小集合, 就构成了保护的最小差动区间。

一个差动区间, 可看成是一个广义节点, 根据广义节点基尔霍夫电流定律 (KCL) 可知其注入电流代数和等于零。图1中电网A部分为封闭曲面包围的电路, 是一个广义节点, 用GN表示。广义节点可以看成一个普通节点, 其KCL方程与普通节点的KCL方程相同。有

式中:流入节点电流取“+”;流出节点电流取“-”。

配电网络差动保护就是寻找有测量的支路形成的广义节点, 进行基尔霍夫电流定律运算。如果该运算结果不为零, 说明其中有短路故障发生, 满足保护动作条件, 则立即断开上述量测支路。

对于如图2所示的含有DG的配电网, 分下述三种情况建立集中式差动保护的广义节点模型。

1) 线路AB首尾端均配置量测。若AB内部发生短路故障, 适用AB线路首尾端的量测量i1、i2进行判断, 即判断广义节点GN1差动保护动作电流, 若idz=i1+i2>Δi表明线路AB内部故障。其中Δi>0, 为计及支路电流测量误差的门限值。

2) 线路BC只在末端配置量测i3。由支路BC末端的量测与线路AB的量测i2形成一个广义节点GN2。若BC内部发生短路故障, 判断广义节点GN2差动保护动作电流, idz=i3-i2>Δi, 表明线路BC内部故障。

3) 线路CD两端均无量测。由BC线路末端和DE首端量测量i3、i4形成一个广义节点GN3。若CD内部故障, idz=-i3-i4>Δi表明线路CD内部故障。

2 分布电源等因素对动作电流门限值影响

因为配电网多为电缆线, 有大量的分布电容, 充电电流较大, 而又没有测量值, 另外负荷电流以及分布式电源的发电电流也会影响差动保护计算的结果。因此考虑线路充电电容以及发电和负荷电流影响时, 进行差动保护需要对基于广义基尔霍夫定律的数学模型进行修正, 需要计及充电电容和发电或负荷注入电流的门限值, 即躲开正常运行时的发电或负荷注入电流和充电电流, 只有当动作电流大于门限值时, 保护动作。

2.1 考虑线路充电电容的影响

交流电缆支路可以用图3参数模型等值, 由于线路对地分布电容容量较大, 使用广义节点基尔霍夫电流定律时应考虑充电电容的影响, 即躲开正常运行时电容充电漏电流的影响。广义节点内部故障的动作电流为

式中:kc为可靠系数, kc>1;Δi为误差电流;ic是正常运行时计及充电电容引起的漏电流的门限值。

若线路两端有测量, 正常运行时充电漏电流ic可以通过线路两端的电流差即ic=i12N+i21N确定。若线路两端没测量, 充电漏电流ic也可由电缆参数根据式 (3) 计算。

式中:Ue为配网额定电压 (k V) ;L为区段电缆线路长度 (km) ;对于油浸纸电力电缆k一般为0.1, 对于交联聚乙烯电缆k一般为0.141 6。

2.2 考虑分布式电源或负荷注入电流影响

1) 当广义节点封闭面中包含有负荷LD时, 在应用广义节点基尔霍夫电流定律作为保护动作的判据时应考虑其影响, 即避开该负荷的最大正常工作电流。如图3所示系统, 节点2连接一个负荷, 广义节点GN1差动保护的动作电流应该大于负荷电流, 此时广义节点GN1差动保护当满足式 (7) 时保护动作。

式中:Δi为误差电流;i2是计及负荷电流后差动保护的门限值。若该负荷点有测量, 门限值取实际测量电流, 否则取最大正常工作负荷电流, kl是可靠系数, 为大于1的正数。若广义节点封闭面中包含有多个注入电流, 差动保护门限值为这些电流的代数和。

2) 当广义节点封闭面中包含有分布式电源DG的时候, 在计算保护动作电流的判据时亦应考虑其影响。如图4所示系统, 节点2连接一个分布式电源。由于电源的电流正向是流入广义节点GN1, 此广义节点GN1差动保护当满足下式时保护动作。

式中:Δi为误差电流;i2是计及电源电流后差动保护的门限值。若该电源点有测量, 门限值取实际测量电流, 否则取最小正常工作电流。因为i2取最小工作电流时, -i2的值最大, kp是可靠系数, 为小于1的正数, 因为对于一个负数 (-i2) , 乘以一个小于1的数才能使其更大, 满足可靠性要求。

3 智能配网差动保护的程序算法

由于配电系统可能存在运行方式的变化, 会改变广义节点的结构, 这里给出根据拓扑变化和测点数据可用性情况, 实时确定广义节点的算法。根据前述模型, 配电网中广义节点差动保护可以分成以下三种类型, 如图5所示。

1) 支路差动。图5支路L1两端均配置了量测, 形成一个不包含节点的广义节点GN1差动保护。由GN1的两个测点检测支路L1故障, 若动作电流大于设定值, 表明线路L1内部故障。这是一般意义上的差动保护。

2) 节点差动。图5中与节点2相连的所有支路都配置了量测, 形成广义节点GN2差动保护。由GN2的3个测点检测节点2和线路L2故障, 若动作电流大于设定值, 表明节点2或线路L2内部故障。

3) 广义节点差动。图5所示广义节点GN3中包含了一条两端都没有量测的支路L3和其两端节点, 由GN3的3个测点检测节点3、节点4和线路L3故障。动作电流大于设定值, 表明节点3、或节点4或线路L3内部故障。显然, 对应包含两侧都没有量测的支路的广义节点, 其包含的节点数至少有两个。

实际上, 1) 和2) 都可以看成是广义节点3) 的特例。把上述三种类型划分为包含节点和不包含节点两种情况, 以支路启动和节点启动两种方式来寻找广义节点及其测点动作集合。对于不包含节点的支路差动类型1) , 扫描支路确定广义节点;对于包含节点的类型2) 和3) , 扫描节点确定广义节点。

1) 一般支路差动保护对应于两端都有量测的支路短路故障跳闸范围。在输入数据的支路节点表中查询该支路L的量测标志, 如果支路闭合且两端都有量测, 把这两个测点保存至该支路对应的广义节点差动保护测点动作集合。

2) 对于广义节点差动保护, 搜索广义节点算法步骤如下:

(a) 首先根据支路-节点关联表的开断状态, 形成节点-支路关联数据表, 存储节点连接的运行 (闭合状态) 支路编号。

(b) 基于节点-支路关联数据表, 对每一节点进行处理。

(d) 读取与节点I相连的第一条关联支路编号, 根据支路编号, 在输入数据的支路-节点表中查询该支路的量测标志, 如果该条支路配置量测, 将支路测点作为节点I的广义节点测点, 存入该广义节点差动保护测点动作集合, 继续寻找其他支路。如果节点I所连支路均有量测, 表明节点I对应的广义节点所包含的支路测点已经确定, 并将其连接的所有支路测点输出到节点I对应的广义节点差动保护测点集合。否则, 若某一条支路没有测点, 则读取该条支路的另外一端的节点编号J, 返回步骤 (c) 继续执行。

另外, 若在广义节点中包含有支路, 还需查看该支路是否为电缆线, 如果是则要考虑其充电电容引起的漏电流, 把漏电流加到广义节点差动保护的门限集合里。

搜索包含节点I的广义节点算法步骤如图6所示。在这里使用深度优先搜索方法。由于配电网多为辐射状的, 环网结构比较少, 深度优先可以对每个辐射支路较快的搜索到测点配置而结束该辐射分支的搜索, 算法简单。按上述步骤查找每个节点的关联量测支路, 并将结果保存至每个节点对应的广义节点集合中。

4 智能配网差动保护的算例

算例1:以图7所示含分布式电源系统为例说明上述算法。节点1是根节点, 节点3和节点4是分布式发电的电源节点, 其余节点是负荷节点。支路4和支路6电缆线路充电电容较大。已知支路数据如表1所示, 测量标志:0-无量测, 1-有量测;开断标志:0-断开, 1-闭合。节点数据如表2所示, 注入电流标志:0-无注入电流, 1-有注入电流。

程序计算输出的广义节点构成如表3的第二列所示, 该结果在图7中以虚线标出。短路点位于广义节点GN2所在的区域中, 由于支路L2两端没有测点, 根据上述算法找到GN2的测量支路为支路L1的尾端测点和L3的首端测点, 这两个测点的电流正方向都是流出广义节点GN2的。计算出流入广义节点的电流总和, 即动作电流为24.5。根据式 (4) 和式 (5) , 电源节点3的电流、负荷节点2的测量电流、负荷节点7的正常工作电流以及电缆线支路L6的电容电流的总和为门限电流。由于门限电流的正方向规定流出广义节点为正, 流进为负, 可计算得到该广义节点的门限电流为6.0。由于动作电流大于门限电流, 如表3中加粗数字所示, 说明广义节点GN2的保护区域内发生短路。

算例2:以图8所示环网系统为例说明上述算法。节点1和节点2是发电机节点, 节点3、4、5是负荷节点。已知支路数据如表4所示, 节点数据如表5所示。

输出量广义节点表如表6所示, 从广义节点表可见, 广义节点GN3电流和为2.487, 这是从支路L4、L5和L6流进广义节点的电流之和。该电流大于门限电流和0.536, 这是负荷节点3的电流, 流出为正, 说明广义节点GN3的保护区域内发生短路。

注:*测量标志, 0-无量测, 1-有量测;**开断标志, 0-断开, 1-闭合。

注:*注入标志, 0-无注入电流, 1-有注入电流, 2-有负荷;**测量标志开断标志同表1。

注*括号中1为首端测点, 2为末端测点, +为电流流进, -为电流流出。

注:*测量标志, 0-无量测, 1-有量测;**开断标志:0-断开, 1-闭合。

注:*注入标志, 0-无注入电流, 1-有注入电流;**测量标志开断标志同表4。

注:*括号中1为首端测点, 2为末端测点, +为电流流进, -为电流流出。

从算例1和算例2可知, 已知测点的电流值、节点的注入电流值和系统结构, 可以根据广义节点差动保护算法找到故障区域需要切除的线路。在分布式电源的算例1和环网运行的算例2中, 能保证配电网保护的选择性, 电网其他部分仍可以运行。

配电网集中式差动保护的后备保护同样可以根据广义节点的概念确定。

5 结论

本文提出的基于广义节点的配电网集中式差动保护方法, 可以根据电网实时结构变化, 形成最小差动区间。仿真结果表明, 该方法利用测量元件提供的电流信息动态形成广义节点差动保护区间, 可实现配电网故障区域快速选择及切除, 为保证配网用电可靠性提供了技术支持。

无量测的负荷或DG支路接入广义节点时, 此广义节点的差动保护门限按躲无量测支路的最大正常工作电流整定, 以防止正常运行时差动保护误动作。但当此广义节点外发生短路故障时, 无量测的负荷或DG支路产生助增作用, 此广义节点差动保护可能会误动作, 下一步将针对此类问题进一步分析。

摘要：面对配电网供电需求的增大、连接复杂度的增高以及可再生能源接入等问题, 研究和发展智能配电网保护控制成为电力系统发展的必然选择和趋势。提出基于广义节点的配电网集中式差动保护方法, 根据电网实时结构和测量可用性变化情况, 应用广义节点的概念, 确定差动保护的最小差动区间, 即一个由保护终端构成的、封闭的合围若干电气元件的最小集合。基于广义基尔霍夫定律建立了数学模型, 给出了计算方法, 通过算例分析验证了该算法的可行性, 可以解决分布式电源接入以及出现部分环网情况下配电网的保护问题。

关键词：智能配电网,网络保护,差动保护,广义基尔霍夫定律

参考文献

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集中式配电篇2

应急照明按功能可划分为:备用照明、疏散照明、安全照明3类。本文针对备用照明进行设计,并以点及面的进行了分析与研究。正常照明因故障熄灭后,需确保正常工作或活动继续进行的场所,应设置备用照明[1]。

1 备用照明设计

根据《建筑照明设计标准》GB500 34-2013[1]及《建筑设计防火规范》GB50016-2014[2]规定,消防控制室、消防水泵房、自备发电机房、配电室、防排烟机房及发生火灾时仍需正常工作的消防设备房应设置备用照明,其作业面的最低照度不应低于正常照明的照度。其它场所的照度值除另有规定外,不应低于该场所一般照明照度标准值的10%。

应急照明电源有:独立于正常电源的专用馈电线路、柴油发电机组、蓄电池等。根据设计标准规定,备用照明转换时间不应大于5s,金融商业交易场所不应大于15s[3]及当前应急照明采用单电源供电的现状,电气设计时通常采用蓄电池作为备用电源。蓄电池备用电源可分为:自带电源型和集中电源型两类。

自带电源型应急照明灯具,蓄电池由于充放电而发生老化,进而大大缩减了蓄电池的有效使用时间,一般3~5年后在环境温度为25℃条件下,蓄电池容量将下降至初始容量的30%左右[4],且其价格贵、人工管理和维护成本高。EPS电源具有高可靠性、蓄电池寿命远远高于自带电源型照明灯具、管理方便及维护成本低等优点,本文设计配置独立备用照明配电柜,采用EPS集中电源为设备用照明场的所进行配电。

2 EPS集中电源型备用照明设计

EPS集中电源型备用照明配电柜,其系统配置如图1所示。此时备用照明的所有灯具均采用正常灯具,无需配置蓄电池。

本系统采用EPS集中电源为设备用照明的场所进行配电,取设置在备用照明配电柜内的接触器作为本系统中控制元件,并与消防控制系统进行联锁。正常运行时,通过双控开关实现照明灯具的点亮与熄灭。当正常照明出现故障或发生火灾时,若双控开关处于闭合状态,则照明灯具仍保持点亮状态;若双控开关处于断开状态,通过火灾报警控制器发出的消防应急联锁信号,致使柜内接触器工作吸合,从而强制点亮照明灯具。若此时1#、2#两路电源均出现故障断电,则由EPS集中电源中的蓄电池为照明灯具提供电源,并满足设计所规定的持续照明供电时间。

照明设计时,需根据备用照明灯具总功率及持续照明供电时间,选择能够满足上诉设计要求时对应容量的EPS电源,即EPS额定输出功率不小于所连接备用照明负荷总量的1.3倍。

3 工程造价分析

某小型工程项目中,配电室长×宽×高为:21m×8.4m×4m,照度标准值为:200lx,照明灯具为:2X 36W双管荧光灯。消防控制室长×宽×高为:10 m×7.2 m×4m,照度标准值为:300lx,照明灯具为:3X18W三管格栅灯。采用利用系数法进行计算得,配电室照明灯具:12套,照度设计值:208lx,照明功率密度:4.88W/m2。消防控制室照明灯具:9套,照度设计值:289lx,照明功率密度:6.75W/m2,以上均满足规范及设计要求。根据《建筑设计防火规范》GB50016-2014规定,此类场所均应设置备用照明,持续照明供电时间不小于90m in。

根据华荣灯具样本、报价及设计经验可知:常规3X18W三管格栅灯、2X36W双管荧光灯单价分别为550元/套、465元/套。自带蓄电池的3X18 W三管格栅灯、2X36W双管荧光灯单价分别为1 000元/套、915元/套。3k VA容量EPS集中电源单价为12 000元/套。所需费用经计算可知:

自带蓄电池型:20 235元

EPS集中电源型:22 785元

一中大型工程项目中,应急照明不仅仅有备用照明,而且还应包括安全照明、疏散照明,且所需的应急照明灯具数量远远大于例中所举。为了使结果更具实际意义,本文对上例中所设备用灯具规模放大10倍,并进行计算与分析。此时,备用照明用电负荷总量12.96k W,持续照明供电时间不小于90min。

18.5k VA容量EPS集中电源单价为50 000元/套。所需费用经计算可知:

自带蓄电池:200 235元。

EPS集中电源型:157 850元。

由以上结果可知,在较小工程项目中,采用EPS集中电源型备用照明配电系统,初期建设投资略高。但在更多的中大型工程项目中,EPS集中电源型备用照明配电系统的优势就逐渐显露出来。若考虑后期人工管理和维护成本,不论是小型工程项目或者是中大型工程项目,EPS集中电源型备用照明配电系统均能够在很大程度上节约建设成本,并兼上文所诉EPS集中电源的全部优势。

与此同时,在化工工程项目中,特别是涉及到有防爆要求的场所,该类场所照明灯具的防爆等级应能满足使用区域的防爆要求[5]。根据华荣灯具样本、报价及设计经验,常规防爆照明灯具与自带蓄电池防爆照明灯具之间的价格差远远高于例中所列照明灯具,而EPS集中电源型备用照明配电系统设置在配电室内,无需考虑防爆要求,与例中所举一致。因此,不论是初期建设投资,还是后期人工管理和维护成本,EPS集中电源型备用照明配电系统有着较大技术优势与广阔的发展前景。

4 结论

故障停电或火灾时,应急照明对人员的安全撤离、消防救援及重要生产的继续运行或必要处理起着至关重要的作用,是电气设计人员最常涉及的设计内容之一。本文中EPS集中电源型备用照明配电系统,不仅能够安全、可靠、稳定的保证应急持续照明,而且能够在很大程度上节约初期建设投资与后期人工管理及维护成本,有着较大技术优势与广阔的发展前景,为应急照明系统设计提供了新思路。

摘要：故障停电或火灾时,应急照明对人员的安全撤离、消防救援及重要生产的继续运行或必要处理起着重要的作用。文中针对备用照明进行设计,从备用电源配电系统及工程造价着手,在分析了EPS集中电源型备用照明配电系统后,通过工程举例计算,进一步验证了该设计方法的可行性,为应急照明系统设计提供了新思路。

关键词：应急照明,备用照明,工程造价,EPS集中电源型,备用照明配电系统

参考文献

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[2]公安部天津消防研究所.GB50016-2014建筑设计防火规范[S].北京:中国计划出版社,2014.

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[4]邹越华.火灾应急照明设计探讨[J].建筑电气,2013,32(7):458-464.

集中式配电篇3

配电自动化(DA)是提升城市配电网调控和运维管理水平、提高供电可靠性、扩大供电能力、实现高效经济运行的重要技术手段之一。2009年,智能电网重启了DA建设,并将在今后较长一段时期以集中模式DA为主流的建设技术路线[1,2,3]加速发展,方向明确。

截至2014年5月,国内已经批准建设或投运配电自动化(系统)的城市有国家电网公司的86座城市和南方电网公司的39座城市,发展势头强劲。在运行和管理上,重点突出配电自动化系统(DAS)数据采集和监视控制(SCADA)、馈线自动化(FA)、网络分析等基本功能的推进,其中配电SCADA功能已进入实用化应用阶段,较为突出的有国家电网公司所辖成都、杭州、厦门、北京以及南方电网部分中心或重点城市[4,5,6,7,8,9]。但与此相比,国内DAS中FA功能部署/应用效果却尚未达到设计预期,可投运FA的城市仍不普遍,且其中成功案例更是鲜见报道。DAS中最具特色的FA功能尚未发挥出应有的作用,技术和运用难题较多。现阶段条件下部署FA是否适宜和可行、如何深入研究和提升国内FA应用水平等问题成为今天配电自动化领域研究与应用的热点之一。

为此,针对成都配电网故障特点和应用需求,分析FA成功实例,详述成都FA建设经验、深度应用路线及其效益特征。目前成都配电DAS/SCADA/FA已经通过三年常态运维和实际运用,同步发展且深度实用化,综合效益显著。其成果对于推动国内FA研究和实用化进程,具有积极示范意义。

1 成都 DA 及其 FA 概况

1.1 DA工程

2010年,成都被批准为国家电网公司智能电网第二批DA试点城市,技术路线采用集中模式。建设和应用策略采用系统工程思想统筹规划和实施,建用结合,持续发展。几年来,在DA主站、终端、通信、多源支撑系统、辅助设施、一次网架等方面构建起完整的技术体系、多源系统协同互动机制、常态运用机制和管控体系,取得了深度实用化效益、多方面科技、管理效能提升等显著多赢成果[1,2,8]。2011年10月投运时,规模计有320条10k V馈线、1190个DTU、FTU、TTU配电终端站点,覆盖整个主城区193km2区域。截至2014年底,区域内DA持续发展,计有公网线路逾440条、配电终端站点逾2000个。DAS/SCADA/FA深度实用化,“三遥”终端比例达95.5%。

1.2 FA 技术架构

成都DAS采用配电终端与主站两层架构部署,其中设计的典型集中型FA功能(手拉手环网)原理[10]如图1所示。

中压配用电通信主要采用光纤通信、EPON技术支撑,通信网络按终端设备层、汇聚层和局端3层部署[11],并进一步延伸至县区级区域,统筹形成分层通信组网结构,覆盖整个成都配电网。

1.3 FA 部署

根据城市配电网故障特点和应用急需,成都DA工程建设中,FA与SCADA、技术与管理、应用与运维、配电网调控与配电网检修抢修全过程互动发展。2010年至2011年10月,开展SCADA/FA施工工艺、调试策略,建设与初步试运行等应用技术研究,建用结合;2011年10月至2012年底,DAS进入试运行考核期,实际FA与SCADA应用已进入常态化。

截至2014年底,在实际接入的配电线路中,有348条线路启用了全自动闭环控制模式的FA,占全部FA投运线路总数的79.09%,其余非全自动闭环控制模式的馈线按半自动交互模式部署,当条件成熟,经检验合格后即可转入全自动闭环控制。至今成都DAS已形成大规模全自动闭环、大面积全覆盖控制的FA完整体系。

2 FA 深度应用背景

2.1 电力供需生态状况

成都电网是四川电网最大的负荷中心且主城区负荷集中,供电压力更大。2014年主城区负荷达到392.4万k W,年增长率约6%。

配电网供电可靠性要求很高,国家及社会重大活动要求更严,如著名的财富全球论坛、中国西部国际博览会等,城市电网承载各级党政军机关、科研院所、重要企事业单位及民航、医院、地铁等重要用户供电任务,供电支撑能力和应急管控水平要求高。

特定历史条件下,城市配电网建设长期处于较低水平,欠账较多。在“万亿级”特大型中心城市之下,成都高速发展多年,其间存在较大电力需求缺口,加上配电网支撑技术手段不足,电网安全运行压力大。

在电力配套不足的情况下,多年来城市大量且频繁的改造增添了主城区配电网网络的复杂性,外力破坏事件亦难以避免,配电网故障查找和检修难度很大。

2.2 城区供电规模及其网架特点

截至2014年12月,主城区公用配电网开关站、环网柜、分支箱、柱上开关、分界隔离装置等配电站点逾3000个,其中已经覆盖配电终端的站点2041个,包括开关站(含)环网柜1199个、柱上开关1094台及电缆分支箱108个。架空线路944km,电缆1954km,电缆化率67.4%。主城区配电一次网架由架空线路和电缆网组成,以电缆网为主。公用架空线路主要采用单辐射、多分段单联络和多分段多联络接线方式;公用电缆线路接线方式以单环网为主。其中纯电缆单环网73条,混合线路中手拉手189条、多分段多联络169条,单射线路9条,线路平均联络数2.13。

城区中压公用配电网线路架空全部绝缘化;主干线及较大支线线径240mm2,支线线径120 ~180 mm2;电缆出线线径400 mm2,主干线电缆线径300mm2。柱上开关(断路器)、环网柜开关(主要为负荷开关)合资设备占80%,其中电操机构和辅助接点配件主要采用国内生产配套。

主城区配电网公用线路和专用线路并存,且专用线路占比超过50%,重要用户多,联络关系较复杂。

2.3 运行方式与故障特点

电缆线路主要分布在城市中心繁华商业区和城市主要干道等区域。架空单辐射线路和电缆单射线路主要集中在区域内站点资源有限和负荷密度较低、供电可靠性要求较低的城郊区域。架空多分段单联络、多分段多联络线路和电缆单环网线路主要集中在府河以内城市核心区和主城区负荷密度较高、供电可靠性要求较高的区域。根据成都城市高压电网运行方式要求,正常情况下10k V配电网联络线路采用开环运行方式,开环点为柱上联络开关或联络环网柜开关。负荷转移时,在满足闭环运行条件下,允许短时间闭环运行。合理设置10k V配电网分段和联络开关开合状态,避免线路重载和过负荷运行。双电源开关站10k VⅠ、Ⅱ段母线母联开关断开,两段母线独立运行。

以电缆为主的一次配电网网架结构仍然存在较大的运行风险,尤其是快速发展中的城市主城区。可能引起配电网故障的原因主要集中在城市施工破坏、小动物损毁事件、配电网设备质量等方面。实际配电网故障具有点多、分散、隐蔽、突发性、季节性等特点。成都城区配电网故障特点见表1。以成都2014年1~8月主城区为例,配电网故障及其原因统计见表2.

2.4 配电网故障应急处置

2011年以前,配电网故障与应急处理效率更看重一线班组对网络和设备的熟练程度和处理配电网故障经验积累的多寡,属于全人工运行维护模式。据2010年上半年统计,调控值班员从发现故障到恢复送电全过程时间平均6~7h,其中运维人员巡线查找故障占据停电时间约42.9%;故障修复处理占据停电时间约42.9%;隔离、恢复供电操作占据停电时间约14.3%。而故障查找时间中,当城市交通不畅情况下,人工“查找故障时间“实际更长。

综上,成都城市配电网具有一定的脆弱性。城市发展生态多样、配电网改造和新建频繁、多方发展需求强烈,用户设备故障、城市建设等非稳定性因素对城区配电网安全运行影响大,运行方式多变等实情共同构成城市配电网主要特征,配电网调控和运维检修抢修任务十分艰巨。这也部分反映出目前国内城市发展与电力供应能力的一般特征。

因此,成都对建设和运用DAS/SCADA/FA具有多层次客观需求,在智能电网和现代城市发展背景下积聚内在动力,必要性强,而作为DA的主动实践者和推动者,也适时顺应了时代的发展。

3 深度应用 FA

3.1 DAS 实用化基础

三年来,在193km2主城区,持续、常态运用DAS各项功能,调控中心实际总遥控 / 成功次数超过8000次,DAS支撑处理配电网设备缺陷、运行方式倒换、故障处理与现场抢修等相关操作三万余次。遥控成功率和使用率、运行指标和实际成效高度相容。DAS/SCADA的深度实用化展示了基础功能的完备性和运用价值。它不仅奠定了具有多源特征的FA数据支撑基础,为其提供了稳定的运行平台,更为通往半自动交互模式FA、全自动闭环控制模式FA以及实用化FA三大应用目标提供了先决条件。

3.2 深度应用 FA

从2011年10月运用至今,FA投运馈线条数稳步增长,常态投运FA馈线总量一直保持在95% 以上,成为快速处理成都城区配电网故障的关键手段。在策略上,除了全自动和半自动交互两种FA模式之外,部署了自动转换模式的策略,即允许全自动模式FA在执行过程中因故自动暂停并转换为半自动交互模式继续执行,使全闭环自动控制模式的执行符合FA运用特点和实际操作特点。

截至2014年底,FA共启动612次,成功启动并执行600次,FA成功率达到98.04%,其中全自动闭环控制的FA正确动作并执行318次,成功率100%。进一步地,从FA执行过程的通畅水平来划分,全自动FA又由两部分组成:1从故障信息采集研判、正确定位、故障区域隔离、直至恢复无故障区域供电全流程一次性贯通的FA,完成125次;2在执行过程中因故转而由交互模式继续执行完成的FA,完成193次。全自动闭环控制的FA平均用时约50s,最快30s。FA极大缓解了电网供需压力,抢修效率和对外服务质量明显改善。几年来FA实用化总览见表3。

其中,2011年主要围绕FA运行安全性和可靠性展开,包括性能测试、误启动边界控制、多点故障处理等策略完善、提高多源支撑信息的可靠性,以及进一步积累运用经验等;FA启动后不能或不具备执行条件的情况主要包括策略不完善、DAS功能缺陷、过程策略错误等情况。

3.3 应用记录与分析

DAS在主站、通信和终端运维3条线上布施完善的技术体系、严格运维支持,奠定了坚实的FA运用基础。FA实用化应用核心思想和特色之一是倡导客观需求,主动运用。配电网调控班作为FA主要应用主体和主驱动力,配电工区检修和抢修班组作为应用主体之一配合驱动。日常运用中,除了做好电网调控、快速处理故障之外,FA应用记录和分析必不可少,包括以下两方面:

1)FA动作记录。体现执行情况和应用细节,包括FA模式、启动(启动 / 误启动)、故障前运行方式描述、执行不正确情况以及故障后运行方式等。

2)FA全自动闭环控制成功案例分析报告。调控值班员对全自动闭环控制案例进行分析,梳理执行情况,如“X年X月X日X线路905开关FA全自动动作情况报告”。其中包含线路基本情况、运行方式、FA策略以及实际情况分析4个部分。

应用记录与分析资料为提升DAS性能、验证和改进FA执行策略、提高FA成功率提供依据,方便查询和培训。常态运用和严谨自控,城区配电网故障处理效率得到了明显提高。

3.4常态维护与提升

首先,与配电自动化相关支撑系统或数据源端系统如生产管理系统(PMS)、地理信息系统(GIS)、能量管理系统(EMS)等均围绕DAS/SCADA/FA应用需要进行常态维护,保证数据精确性、实时性、完整性。配电终端与DAS和EMS两大主站FA体系应用匹配,如时钟对时、数据相容性处理策略等。

其次,随着FA接入规模的增量调整,DAS主站对FA功能的技术性维护和性能提升也持续、适时发展,FA上、下线运用记录清楚。调控、主站自动化和配网终端专业在FA运行管控上既独立又相互配合,交接严格,记录明晰。至今FA策略已覆盖成都城区配电网各运行方式且仍跟踪新的可能的方式变化,使新策略与之衔接,升级有序。

4 FA 效益及其特征

4.1 实用价值与综合效益

成都FA深度应用,效益突出,展现了DA试点工程未来可持续发展的应用前景,也体现了FA本身的实用价值和存在意义,主要体现在以下6个方面:

1)解决了之前主要依靠人工处置配电网故障效率低的问题。对配电网故障处置操作过程的事前、事中和事后3个阶段都能提供较为详实的数据分析档案,为事故分析和抢修提供了依据。

2)大规模全闭环自动控制FA及其实用化,成就FA复杂策略和工程应用创新实践。为FA应用积累了运行经验,对DAS的认知也得到进一步深化,突破了FA未能真实大规模实践和应用的瓶颈,进一步推动DAS整体实用化和技术进步。如终端故障信息采集处理策略与主站信息处理机制匹配,DAS主站与EMS数据交换,电网资源新投异动与其图模数据同步变更应用技术等。

3)推动企业科技进步。以DA体系、抢修指挥体系及其技术支撑平台建设和实用化为中心,构建和推动包括PMS、GIS、DAS、抢修指挥平台、用电信息采集、营销管理系统(CIS)等在内的多源系统的发展,实践智能电网互操作及其多源系统运行协同、业务支撑互动、信息资源共享的理念,为前期DA试点工程建设和DAS/SCADA/FA常态深度实用化奠定坚实基础,也为后续其他相关系统工程或新目标提供服务,包括配电网抢修指挥新机制、营配信息融合、低电压治理、专项中低压配电网建模整治等。

4)加快了配电网调控和运维管理创新意识、合作意识和规范意识的建立。从启动DA建设开始即同步开展运用机制建设和规范规则编制,部署相互促进的实施策略。而过程档案的建立和应用经验积累又为后续FA策略的逐步完善提供了宝贵资料。

5)管理效益得到充分释放。体现在配电网调控与运行方式、配电抢修效能的显著提升[4],在不同管理体系和专业之间架起了沟通互动的技术和业务交流桥梁,推动大运行和大检修两大应用主体在实用化方向合力推进。FA使传统配电网抢修由“10k V开关跳闸、通知现场、现场巡线、汇报调度、调控指挥现场处理”模式,优化为“10k V开关跳闸、FA自动分析并按策略处理、调控指挥现场处理”模式。简化流程图如图2所示,效益优势提升较大。

6)提高可靠性及经济效益。为便于计算FA真实效益和简化计算方法,在成功的FA案例中,随机对10个典型案例进行分析汇总,见表4。其中,传统模式采用现场处理方式,故障前负荷实际等于故障后损失的负荷,而通过FA快速对非故障区域恢复供电,相当于挽回了6~7h的供电负荷与电量损失;FA模式与传统模式用于故障区域抢修的时间可视为相同(3h),但与传统处理相比却节省(挽回)了用于现场故障查找定位、隔离和恢复供电操作的时间3~4h,以及相应的负荷与电量损失;二者相加可以得到FA作用下挽回的总的电量损失(k Wh)值。

4.2 类比效益

FA的整个流程虽然是通过遥控来执行的,与实施同等量非FA的单纯遥控相比,在遥控数量上可以视为相当,但FA却大大提高了故障处理速度,效率高。与传统手段相比,FA处置配电网故障的时间按数量级大大缩短,挽回的负荷与电量损失巨大。产生的效益直接贡献于供电可靠性与供电服务水平的提高,贡献于电网运行效率提高和电量计费效益的增加,以及间接的社会和经济效益提升,见4.1及表4。

以10次典型成功FA为例:总负荷损失平均减少( 挽回)47.88%,FA产生的电量效益共计38300.97k Wh;600次成功FA类比产生的总电量效益可以达到2298058k Wh,按当地售电均价0.70289元 /k Wh计算,其FA产生的直接电费效益达到了161.52万元。按照文献 [12] 对沿海某城市用户停电损失47.28元 /k Wh估算,取30~47元 /k Wh效益计,则FA已经从这里为社会贡献了6894~10800万元经济效益。若全国广泛共享FA技术并发挥作用,挽回的因电网故障带来的损失效益更是不可限量。连带的效益还在于节省了供电公司大量的直接和其他间接耗费,如车辆往返耗费、无谓的人工出勤成本费等。

在提高调控操作效率方面,通过遥控手段处理日常配电网调控事务,提高工作效率;利用FA能够达到快速处置故障的目的,效率提高更显著,同时还从技术上保障了值班员调控操作的安全性,几年来配电网调控安全操作一直保持100%。按平均每次FA需遥控3个开关计算,正确动作600次则减少了1800次人工到现场进行的实际操作工作量。以2014年FA全自动贯通175次为例,FA的介入,还减少了调控值班人员21.37% 的遥控操作量,这样,调控人员可以将精力更多地用于常规遥控和其他监控业务中。FA提升了配电网安全调度水平及配电网运行管理效率,极大地缩短了用户故障停电时间,为配电网调度控制、生产运维和客户抢修提供有力支持。

5 结语

集中式配电篇4

在整个电力供配电系统当中, 其基础数据的重要组成部分即为配电变压器的实时运行数据。实时对配电变压器中的数据进行监测, 并根据实时采集的数据进行统计与分析, 尽可能快的发现配电变压器运行时出现的故障并及时获得处理和解决, 由此可以实现电网的稳定、优化运行。

1 系统总体设计方案

本文采用GPRS作为本系统的数据通讯方式, 构建了一个实时的远程无线集中监测系统。该系统将低压配电变压器作为主要的监测对象, 并且对其电力的实时运行参数进行采集和处理, 通过预置的GPRS模块将数据传输到远端的供电管理部门, 为供电企业的优化提供数据参照, 从而获得远程配电变压器的实时运行状态。

(1) 配电变压器监测终端。配电变压器终端根据实际需要安装在配电变压器上, 是一套可以独立运行的配电变压器运行状态实时监测设备, 主要作用是采集配电变压器的各类运行参数、数据和信息, 从而综合判断配电变压器的运行状态, 从而记录存储信息的数据为上位机查询提供数据源, 当配电变压器出现异常时可自动向网络上传报警信息。

(2) GPRS数据通信网络。GPRS数据通信网络作为系统监测中心和配电变压器监测终端之间的数据传输桥梁。配电变压器监测终端首先对监测的数据进行采集和处理, 然后通过预置的GPRS模块将数据通过GPRS网络进行发送, 并将数据最终传给配电变压器监测中心。与此同时, 监测中心也是通过GPRS网络将查询与控制指令发送给监测终端的, 从而对他们实现常见的一些控制操作。

(3) 配变监测中心。配变电监测中心作为整个系统的核心, 其主要包括UPS电源、数据服务器、计算机和打印机等外围设备组成。配变监测中心在一方面与监测终端实现双向的通信, 接收被监测终端上传到数据库中的实时的参数变化情况和报警等信息, 与此同时可根据操作人员控制信号向监测终端发送控制信号;另一方面, 可为工作人员提供一个稳定、友好的可视化界面, 从而实时的显示各配电变压器的运行状态、报警信息和各项参数的统计结果。

2 配变监测终端设计

配电变压器监测终端在本系统中承担着配电网络参数的监测、数据处理、数据传输以及系统控制等功能, 其保证了整个配电变压器监测系统的功能实现。然而配电监测终端的核心部分采用ARM芯片S3C2430, 将其配外部配加合适的外围电路即可实现各种功能, 其硬件原理框图如图1 所示。

配电变压器监测终端采用数据和信号采集电路实时的采集系统运行时的各种电力参数和开关状态等信息。随之, 监测终端将所采集到的数据发送到ARM核心控制器进行数据的计算和处理。该ARM核心控制器则根据系统的实际需求, 一方面将数据采集、统计和处理等数据通过存储设备进行存储以备下次使用, 同时也可通过数据传输接口将处理后的数据传输给地面监测中心管理系统;而另一方面, 则根据实时采集数据和处理的结果实时对功率因数进行补偿, 或者控制输出信号的变化。

(1) ARM微处理器系统。ARM微处理器系统主要由ARM核心处理器S3C2430、电源模块、存储器、复位电路模块等功能。S3C2430 采用ARM920T系列内核, 封装形式为FBGA, 并且提供了较为丰富的内部组件;具有独立的16KB数据Cache和16KB指令Cache, 具有MMU虚拟存储器管理模块、LCD驱动器、支持NAND形式的内存引导, 具有4 个PWM定时器, 并且具有IO端口实时时钟形式, 提供触摸屏接口, 2 个SPI接口, USB接口和8 路10 位的ADC模块。

(2) 模拟信号采集电路。系统需要实时采集配电变压器的运行参数, 本文采用工业级的AD7656 为模数转换芯片, 其集成6 个带有独立采样保持通道的ADC模块, 并且具有BUFF作为参考电压。每一路ADC均为16 位, 该6 路同步转换的速度可以达到250KSPS, 可以满足本系统采样速率的要求。

(3) 数据通讯电路。考虑到本系统的稳定性要求, 采用西门子公司的MC35i作为该主要部件来构建主要的数据通信电路。MC35i作为新一代的双频GSM/GPRS模块, 其可同时支持GSM通信和GPRS业务。MC35i主要通过内部FLASH、GSM射频、GSM基带处理器、SDRAM和匹配电源等部分共同组成。GSM基带处理器作为本系统的核心部分, 具体作用相当于一个协议转换模块, 用于处理外部系统通过串口发送的指令。

3 结论

本文根据对配电变压器侧的监测与管理的需求, 采用先进的GPRS数据传输技术、ARM综合监测技术与电力监测技术, 设计并且实现一种基于GPRS的配电变压器远程集中监测系统。该系统具有投资成本低、运行维护方便、稳定性好、抗干扰性能强和覆盖面广等特点。系统能够让监测和管理人员实时动态的了解配电设备的运行情况, 为提高供电的质量和可靠性发挥着及其重要的作用, 在电力及其相关行业具有非常广阔的应用前景。

摘要：本文针对配电变压器具有分布广泛、数量众多和实时性强等特点, 设计并且实现一种基于GPRS的配电变压器远程集中监测系统。该配电变压器远程集中监测系统具有运行稳定、安全性好、维护方便和性价比高等特点。本文重点对该监测系统的总体设计方案和硬件电路的组成进行介绍。

关键词：配电变压器,GPRS,集中监测系统,ARM

参考文献

[1]李超.基于GPRS配电变压器远程监控信息管理系统的设计[D].西南交通大学, 2006.

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