國網(wǎng)江蘇省電力有限公司鎮(zhèn)江供電分公司 笪 濤 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司句容市供電分公司 劉小荷

1 引言

配電系統(tǒng)主要是由輸電線路、電力網(wǎng)、一部分發(fā)電站接收電力，通過相關(guān)配電設(shè)施與電力用戶形成互連，同時向用戶分配電力的電力網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)配電線路布置方式可分為配電網(wǎng)架空線路和配電網(wǎng)電纜線路，配電系統(tǒng)的構(gòu)成主要是變電站、高壓配電線路、變壓器、低壓配電線路及保護(hù)自動化裝置等。配電線路在布置結(jié)構(gòu)上分為架空線和地下線，通常在大城市、觀光區(qū)、人口多的居民區(qū)等用地下電纜配置。在一些偏僻的室外、山間、農(nóng)村等地通常采用架空線的配置。

配電自動化主要基于電源電子、通訊、計算機(jī)等相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)配電自動化系統(tǒng)的實時監(jiān)控、配電管理等。當(dāng)前，一些用電單位對電力的供給的要求越來越高，如果出現(xiàn)突發(fā)性的失電，將直接給用電單位帶來不同程度的影響[1]。因此，配電網(wǎng)的架空、電纜線路的故障自動化定位技術(shù)進(jìn)行改造，對提高配電網(wǎng)的自動化管理水平和為廣大用電單位提供優(yōu)質(zhì)可靠供的電能有著非常重要的意義。

2 配電自動化系統(tǒng)組成

目前，配電自動化技術(shù)廣泛用于城市和農(nóng)村地區(qū)的輸電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，配電網(wǎng)自動化主要以網(wǎng)絡(luò)通信為載體。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)通信還是以光纖通信為主，實現(xiàn)電源終端高速、高效率、高可靠性的自動化功能[2]。配電自動化系統(tǒng)是集實時監(jiān)視、協(xié)調(diào)控制和操作配電設(shè)備為一體的自動化系統(tǒng)，同時結(jié)合配電網(wǎng)數(shù)據(jù)收集和監(jiān)視系統(tǒng)、配電地理信息系統(tǒng)和需求側(cè)管理系統(tǒng)等構(gòu)建成完整的配電管理系統(tǒng)。配電自動化系統(tǒng)主要由主站、遠(yuǎn)程終端、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)等構(gòu)成，主站和終端以光纖環(huán)路網(wǎng)絡(luò)（SDH/MSTP）、無線3G/SPRS 公網(wǎng)等方式實現(xiàn)通信。

2.1 主站

如圖1所示，配電自動化主站系統(tǒng)基于三個子系統(tǒng)搭建而成。其中，主站具備配電網(wǎng)系統(tǒng)全面監(jiān)控和實時管理的功能，實現(xiàn)了配電網(wǎng)信息的收集、處理、存儲、綜合分析與計算、決策等功能，除此之外還與地理信息系統(tǒng)GIS、MIS、調(diào)度等系統(tǒng)進(jìn)行了信息相互共享。

圖1 配電自動化主站系統(tǒng)

2.2 終端裝置

2.2.1 配電網(wǎng)架空線路自動化終端裝置

該裝置的主要功能是實時對配電網(wǎng)10kV 架空線路相關(guān)元件的監(jiān)控，例如段開關(guān)、主開關(guān)等元件。根據(jù)綜合控制邏輯保護(hù)設(shè)計，可以將電源和電壓時間設(shè)置為兩種操作模式。

電源模式。在電源模式下主要架空線路三相電流和零序電流的實時采集，同時在該模式下，設(shè)置相關(guān)的保護(hù)功能用于配電網(wǎng)架空線路自動化終端裝置，如過流保護(hù)、零序保護(hù)、自動閉鎖等。

電壓時間模式。電壓時間模式下實現(xiàn)的功能如圖2所示。

圖2 電壓時間模式下的功能

2.2.2 站所終端

站所終端主要功能是對遠(yuǎn)方實現(xiàn)開關(guān)設(shè)備的遠(yuǎn)程測量、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收集、開關(guān)遠(yuǎn)方分、合閘，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電源開關(guān)的故障辨別和隔離。

2.3 故障電流指示裝置

如圖3所示，常見的故障電流指示裝置其原理是在電源為信號采集裝置、故障檢測電路以及輸出電路提供持續(xù)電源后，電流、電壓信號探頭在使用信號采集裝置對采集線路電流、電壓信號進(jìn)行綜合辨別，若故障檢測回路檢測到電路的電流、電壓信號達(dá)到其裝置整定值時則觸發(fā)其保護(hù)動作，最后將故障信號通過信號輸出回路發(fā)送至故障提示器上，若故障提示器自動化主站相連接，將會將其故障報告直接傳送至主站終端[3]。

圖3 故障電流指示裝置原理示意圖

故障電流指示裝置通信方式可分為以下4種：現(xiàn)場指示型（即沒有遠(yuǎn)程傳輸功能的故障電流指示裝置）、外置信號指示型、暫態(tài)特征型和暫態(tài)錄波型。

2.3.1 現(xiàn)場指示型故障電流指示裝置

現(xiàn)場指示型故障電流指示裝置在檢測到配電線路的故障異常電流后，通過紅色閃光燈警報指示故障位置。線路電流再次恢復(fù)正?；蛞欢〞r間恢復(fù)后，故障電流指示裝置就能恢復(fù)正常工作。

2.3.2 外置信號型故障電流指示裝置

如圖4所示，外置信號型故障電流指示裝置通常需要安裝外置信號源（也稱為不對稱電流源）并配置在變電站母線或線路上[4]。在變電站母線和線路發(fā)生短路或者接地故障時，其線路的零序電壓或者三相間相電壓就會出現(xiàn)異常，外置信號型故障自動投入，同時連續(xù)發(fā)出多組工頻電流信號并交織在接地或者短路故障線路上，以增大其故障電流值，這樣有助于外置信號型故障電流指示裝置作出判斷和定位。

圖4 外置信號型故障電流指示裝置系統(tǒng)示意圖

2.3.3 暫定特征型故障電流指示裝置

暫定特征型故障電流指示裝置由采集單元、集成單元、主站三大部分組成。采集單元采用微電流取電技術(shù)，即在線電流≥10A 時，可進(jìn)行自取電，在失去備用電源時，可以在5s 內(nèi)為設(shè)備正常供電。集成單元正常運(yùn)行中通過太陽能電池板取電，備用電源主要采用可浮充鋰電池，這樣可以確保裝置供電可靠。

暫定特征型故障電流指示裝置通常用于為6～35kV 電壓架空配電線路對短路、接地故障的實時檢測。在線路發(fā)生短路或者接故障時，暫定特征型故障電流指示裝置檢測到故障信號其故障指示燈會發(fā)出聲光故障告警，及時提醒運(yùn)行監(jiān)視人員。同時，巡檢人員可通過故障指示燈迅速發(fā)現(xiàn)故障點，以便快速出力縮短停電時間確保供電的可靠性。其故障電流指示裝置指示故障如圖5所示。

圖5 故障電流指示裝置指示故障

2.3.4 暫態(tài)錄波型故障電流指示裝置

暫態(tài)錄波型故障電流指示裝置如圖6所示，主要應(yīng)用于配電網(wǎng)架空線路故障定位范疇，是集成了無線電波通信、線普通信、微電流取電、高頻低耗采樣等多種技術(shù)的配電自動化裝置[5]。該裝置解決了配電網(wǎng)架空線路的短路故障檢測、單相接地定位等障礙，同時還具備線路負(fù)荷的實時監(jiān)視功能，通過捕捉故障發(fā)生時刻的暫定波形信號，進(jìn)行現(xiàn)場或主站單相接地故障。

圖6 暫態(tài)錄波型故障電流指示裝置

2.3.5 故障電流指示裝置的應(yīng)用比較分析

綜上所述，基于以上4種故障電流指示裝置的工作原理各不相同其對比分析見表1。

表1 4種故障電流指示裝置工作原理對比分析表

經(jīng)過在地區(qū)配電網(wǎng)故障電流指示裝置的應(yīng)用差異性，其中4種故障電流指示裝置應(yīng)用效果也存在差異，如表2所示。

表2 4種故障電流指示裝置應(yīng)用效果對比

2.4 配網(wǎng)通信方式

2.4.1 工業(yè)用以太網(wǎng)通信

對于AON 網(wǎng)絡(luò)采用該技術(shù)的優(yōu)點是技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、網(wǎng)絡(luò)迅速靈活、容量大、擴(kuò)展方便等，適用于一些惡劣的環(huán)境應(yīng)用，缺點是光纖材料的需求量和投入資金大。

2.4.2 無源光纖通信

對于PON 網(wǎng)絡(luò)采用該技術(shù)，該技術(shù)的優(yōu)點是投建費用低、帶寬網(wǎng)絡(luò)快、擴(kuò)展性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)敏捷性以及與現(xiàn)有以太網(wǎng)完全兼容等優(yōu)點。缺點是PON 網(wǎng)絡(luò)采用的模式是星形搭接，根據(jù)自身的限制影響以太環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。因此，在建設(shè)初期，一般提前規(guī)劃各節(jié)點的通信光功率。

2.4.3 公共無線網(wǎng)絡(luò)的通信

目前，公共無線網(wǎng)絡(luò)通信主要是SPRS、CDMA、3G 等。優(yōu)點是可以減少光纜的成本。由于網(wǎng)絡(luò)靈活，所以通常是無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的城市。缺點是由于僅限于簡單的數(shù)據(jù)收集應(yīng)用，所以還需要提高適用范圍。

3 配電自動化層級結(jié)構(gòu)及技術(shù)

根據(jù)配電系統(tǒng)的容量，可以將配電自動化系統(tǒng)分為大、中、小。選定時，可以參照對側(cè)需求、目標(biāo)、后期發(fā)展規(guī)模、經(jīng)濟(jì)性、擴(kuò)張性、安全穩(wěn)定性。

如圖7所示，典型的配電自動化系統(tǒng)的優(yōu)點在于系統(tǒng)的靈活性強(qiáng)，在建設(shè)初期可以構(gòu)建中型系統(tǒng)，并且易于安裝主站、子站和終端。如果配電系統(tǒng)需要擴(kuò)增，則可以適當(dāng)?shù)卦黾又髡鞠到y(tǒng)的數(shù)量。可以基于一個主站用作中心站，并且根據(jù)不同的層級結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可以擴(kuò)增諸如第二層級和第三層級的層級，并且在第二層級以下需要的情況下還可以適當(dāng)?shù)財U(kuò)展。

圖7 典型的配電自動化系統(tǒng)層級結(jié)構(gòu)

4 配電網(wǎng)故障自動定位技術(shù)改造方案

配電自動化障定位主要還是對自動化終端實現(xiàn)故障的精準(zhǔn)、快速定位。在依托主站的集中式、就地式或者單獨智能分布式等自動化終端，都必須采用通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)才能實現(xiàn)配電自動化技術(shù)。為此，如果沒有安全、可靠、高速的通信網(wǎng)絡(luò)系，配電自動化技術(shù)也就不能實時進(jìn)行迅速、精準(zhǔn)地故障定位[6]。

故障自動定位技術(shù)主要基于檢測到的線路電流和電壓的變化來判斷故障特征和類型。此外故障指示器正常運(yùn)行期間，故障提示狀態(tài)的持續(xù)時間長，達(dá)到數(shù)十小時。故障指示器還可以通過SPRS 無線通信向配電自動化主設(shè)備發(fā)送故障報告。

如圖8所示，在系統(tǒng)c 點發(fā)生短路接地故障的情況下，此時流過c 點的短路電流由故障指示器檢測，同時發(fā)送故障信息，基于電源與故障點c 之間的環(huán)路作為此系統(tǒng)故障點判別的依據(jù)。

圖8 工作原理圖

4.1 配電網(wǎng)架空線路實施方案

一是電纜采用聯(lián)絡(luò)電纜時，在聯(lián)絡(luò)電纜兩側(cè)的電纜頭上安裝故障電流指示裝置。

二是線路被分段開關(guān)分段時，在分段開關(guān)負(fù)載側(cè)設(shè)置故障電流指示裝置。在線路上不存在區(qū)段，距離＞2500m 的情況下，選擇適當(dāng)?shù)奈恢脕碓O(shè)置故障電流指示裝置，設(shè)置位置以區(qū)段為參考點，使得每間隔1～2.5km 可以安裝一組故障電流指示裝置。

三是對于一些相對重要的線路分支點：對于長度超過3.5km 的分支或負(fù)載較重的分支安裝故障電流指示裝置，可以實現(xiàn)分支線路的故障提示。

4.2 配電網(wǎng)電纜線路實施方案

一是關(guān)于整個電纜線路，將各區(qū)段作為一個單元設(shè)置故障電流指示裝置，其安裝位置配置在正常運(yùn)行電纜線路的電源側(cè)。

二是開關(guān)配電室內(nèi)高壓開關(guān)箱內(nèi)的改造方案：在電纜線路的三岔頭設(shè)置故障電流指示裝置，正常運(yùn)行期間通過開關(guān)箱的觀察窗顯示故障電流指示裝置的警報信息。

三是長度超過400m 的電纜線路改造方案：在主干線、各支路的入線、出線側(cè)安裝故障電流指示裝置，與電纜通信終端連接。

5 可靠性及效益

在對配電網(wǎng)的架空、電纜線路進(jìn)行改造后，其運(yùn)行狀況得到實時監(jiān)控，從而提高線路的安全和穩(wěn)定性，同時也能有效防止因信息傳輸障礙而導(dǎo)致的盲目調(diào)節(jié)狀態(tài)。此外，還可實現(xiàn)線路故障的自動診斷、隔離、自動恢復(fù)等。自配電網(wǎng)架空、線纜線路改造后，配電網(wǎng)緊急維修工作量大幅減少，相應(yīng)響應(yīng)速度大幅提高。經(jīng)過初步計算，實施配電網(wǎng)絡(luò)架空、線纜線路改造后，所在區(qū)域平均停電時間減少0.08h/戶，供電可靠性能達(dá)到98%以上，為全面實現(xiàn)強(qiáng)大的智能電網(wǎng)打下了堅實的基礎(chǔ)。

綜上所述，通過智能電網(wǎng)的配電網(wǎng)架空、電纜線路故障自動化定位技術(shù)的改造，配電網(wǎng)的電力質(zhì)量有所提高，故障停電時間大幅減少，為恢復(fù)節(jié)省時間，電腦軟件、硬件產(chǎn)品的更新?lián)Q代較快配電網(wǎng)的自動化管理和維護(hù)非常復(fù)雜，需要多個數(shù)字終端裝置和通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。因此，根據(jù)實際需求和運(yùn)行方式的變化，為了滿足需求，需要不斷地進(jìn)行改造。