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东北农业大学学士学位论文配电自动化系统设计中国·哈尔滨2009年6月NortheastAgriculturalUniversityBachelorDegreeDissertationNumber:A07050271TheDesignofDistributionAutomationSystemName:Tutor:Department:Major:Harbin·ChinaJune·2009摘要随着电力系统的不断发展和电力市场的逐步建立,配电网络的薄弱环节越来越突出,形成了电力需求与电网设施不协调的局面,集中反映在配网故障后的恢复和处理、配网负荷转供等问题,这种局面越来越不适应社会需求配电网络的自动化和智能化是解决上述问题的重要途径本文深入讨论了配网自动化系统的设计方案和实现技术,主要工作包括:
(1)配网主站系统平台设计和SCADA系统设计
(2)站端系统设计
(3)馈线自动化设计系统的实现提高了配电网络智能化水平,特别是加快了配网故障区域的隔离和负荷的转供速度,为电力企业带来了巨大的经济效益和社会效益关键词:配网;自动化;负荷TheDesignofDistributionAutomationSystemThedisadvantageofpowerdistributionnetworkismoreobviouswithdevelopmentofelectricpowersystemsandfoundationofelectricpowermarket.Itismainlyreflectedbyrestoringanddealingofpowerdistributionnetwork,transferringofpowerdistributionnetworkcharges.Nowthissituationdoesnotmeetthesocialrequirement.Automationandcapcityofthepowerdistributionnetworkistheimportantmethodtodealwiththesituatino.Thethesisprovidesdesignandrealizationtechnologyofpowerdistributinoautomationsystem.Themainworksare:
(1)Thedesignofpowerdistributionstationsystem,thedesignofSCADAsystem
(2)Thedesignofsubstationsystem.
(3)ThedesignofcommunicationsprojectRealizationofthesystemimprovesthelevelofpowerdistributionnetworkcapacity.Especiallyitexpeditesthespeedofseparationfromthefaultregionandtransferofthecharge.Bringingtheenormoussocialandeconomicperformancefortheelectricpowerenteprise.Keywords:powerdistributionautomation,burden目录TOC\o1-3\h\z\uHYPERLINK\l_Toc232843720摘要IHYPERLINK\l_Toc232843721AbstractIIHYPERLINK\l_Toc2328437231引言1HYPERLINK\l_Toc
2328437241.1配电自动化的研究内容和意义1HYPERLINK\l_Toc
2328437251.2国内外配电自动化发展状况2HYPERLINK\l_Toc
2328437261.3研究的主要内容4HYPERLINK\l_Toc2328437272城区配电自动化设计概要6HYPERLINK\l_Toc
2328437282.1概述6HYPERLINK\l_Toc
2328437292.
1.1设计原则6HYPERLINK\l_Toc
2328437302.
1.2设计目标6HYPERLINK\l_Toc
2328437312.
1.3设计依据及要求7HYPERLINK\l_Toc
2328437322.
1.4配电自动化难点分析7HYPERLINK\l_Toc
2328437332.2某城区10KV配电网线路概况8HYPERLINK\l_Toc
2328437342.
2.1某城区配电网现状8HYPERLINK\l_Toc
2328437352.
2.2某城区配电网改造后状况9HYPERLINK\l_Toc
2328437362.3系统设计方案9HYPERLINK\l_Toc
2328437372.
3.1系统结构及功能要求9HYPERLINK\l_Toc
2328437382.
3.2配网自动化系统整体设计方案13HYPERLINK\l_Toc
2328437392.
3.3配电自动化系统工程范围13HYPERLINK\l_Toc2328437403馈线自动化14HYPERLINK\l_Toc
2328437413.1馈线自动化方案14HYPERLINK\l_Toc
2328437423.2配电主战故障处理系统14HYPERLINK\l_Toc2328437434 低压台区监测及集中抄表系统17HYPERLINK\l_Toc
2328437444.1低压台区监测系统17HYPERLINK\l_Toc
2328437454.
1.1系统实施方案17HYPERLINK\l_Toc
2328437464.
1.2系统的主要功能及技术要求18HYPERLINK\l_Toc
2328437474.2集中抄表系统18HYPERLINK\l_Toc
2328437484.
2.1集中抄表系统构成及要求19HYPERLINK\l_Toc
2328437494.
2.2集中抄表系统实施方案20HYPERLINK\l_Toc2328437505配电自动化通信系统设计22HYPERLINK\l_Toc
2328437515.2配电自动化通信系统设计思路23HYPERLINK\l_Toc
2328437525.
2.1系统通信设计原则23HYPERLINK\l_Toc
2328437535.
2.2系统整体通信结构23HYPERLINK\l_Toc
2328437545.3主站与子站之间通信方式25HYPERLINK\l_Toc
2328437555.4子站与终端之间的通信方式25HYPERLINK\l_Toc
2328437565.5通信规约25HYPERLINK\l_Toc2328437576配电自动化主站的设计26HYPERLINK\l_Toc
2328437586.1配电自动化主站结构设计26HYPERLINK\l_Toc
2328437596.
1.1主站系统网络设计26HYPERLINK\l_Toc
2328437606.
1.2硬件结构设计27HYPERLINK\l_Toc
2328437616.
1.3软件结构设计28HYPERLINK\l_Toc
2328437626.2配电自动化主站硬件配置28HYPERLINK\l_Toc
2328437636.3配电自动化系统软件配置29HYPERLINK\l_Toc2328437647配电自动化子站的设计31HYPERLINK\l_Toc
2328437657.1配电子站设计结构31HYPERLINK\l_Toc
2328437667.2配电子站实现的功能31HYPERLINK\l_Toc
2328437677.
2.1数据采集和传输31HYPERLINK\l_Toc
2328437687.
2.2故障处理32HYPERLINK\l_Toc
2328437697.
2.3控制和通讯监视功能32HYPERLINK\l_Toc
2328437707.
2.4其它功能32HYPERLINK\l_Toc
2328437717.3配电子站通信接口32HYPERLINK\l_Toc2328437728配电自动化系统主站功能33HYPERLINK\l_Toc
2328437738.1配电SCADA系统的功能33HYPERLINK\l_Toc
2328437748.
1.1本身运行状况的监控功能33HYPERLINK\l_Toc
2328437758.
1.2配电网运行状况的监控功能34HYPERLINK\l_Toc
2328437768.
1.3变电站内设备的监控功能34HYPERLINK\l_Toc
2328437778.
1.4户外设备的监控功能34HYPERLINK\l_Toc
2328437788.
1.5电网负载监视功能36HYPERLINK\l_Toc
2328437798.2配电网专用AM/FM/GIS功能36HYPERLINK\l_Toc
2328437808.3配电生产管理系统36HYPERLINK\l_Toc
2328437818.
3.1显示管理37HYPERLINK\l_Toc
2328437828.
3.2设备管理37HYPERLINK\l_Toc
2328437838.
3.3查询统计38HYPERLINK\l_Toc
2328437848.
3.4系统设置39HYPERLINK\l_Toc
2328437858.
3.5辅助作图39HYPERLINK\l_Toc
2328437868.
3.6配电生产管理39HYPERLINK\l_Toc
2328437878.
3.7配电运行管理42HYPERLINK\l_Toc
2328437888.
3.8配电网在线维护43HYPERLINK\l_Toc
2328437898.4高级应用功能44HYPERLINK\l_Toc
2328437908.
4.1网络拓扑44HYPERLINK\l_Toc
2328437918.
4.2在线仿真培训功能44HYPERLINK\l_Toc
2328437928.
4.3负荷预测45HYPERLINK\l_Toc
2328437938.
4.4配电网潮流计算45HYPERLINK\l_Toc
2328437948.
4.5配电网重构45HYPERLINK\l_Toc
2328437958.5配电WEB浏览功能46HYPERLINK\l_Toc
2328437968.6与其它系统接口功能46HYPERLINK\l_Toc2328437979结论47HYPERLINK\l_Toc232843798参考文献48HYPERLINK\l_Toc232843799致谢491引言
1.1配电自动化的研究内容和意义配电自动化系统(DAS)是包括110/10KV变电站(部分地区有66/10KV变电站、35/10KV变电站)的10KV部分,10KV馈线以及从10KV馈线到用户的全部配电系统元件的综合自动化系统其目的就是要提高供电可靠性,实现安全、经济、优质供电80年代以来,我国电力工业得到了快速发展,90年代中后期,重点突出加强电网建设,现在220KV及以上系统中运行的微机保护超过1万台,有1000多个基于分布式网络的综合自动化的变电站投入运行,绝大多数省、地、县调度所装备了配电网监控系统SCADA系统,这些信息技术以其良好的可靠性、灵活性和可扩展性为电力系统广大用户所接受,这为采用更先进技术,从高起点提高自动化带来了契机配电自动化是电力系统现代化的必然趋势,其主要目标可归结为在正常情况下,通过监视配电网运行工况,优化配电网运行方式;当配电网发生故障或异常运行时,迅速地查出故障区段及异常情况,快速隔离故障区段,及时恢复非故障区域用户的供电,缩短对用户的停电时间,减少停电面积;根据配电网电压合理控制无功负荷和电压水平,改善供电质量,达到经济运行目的,合理控制用电负荷,从而提高设备利用率,自动抄表计费,保证抄表计费的及时和准确,并可为用户提供自动化的用电信息服务等提高企业的经济效益和工作效率,并为电力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,配电自动化的实施的具体意义在于近期可以大幅度提高供电可靠性,同时具有减人增效,降低经营成本的作用远期的意义即针对在良好的一次网络的基础上自动化系统可优化运行,保持能量平衡,减少尖峰负荷,进而具有推迟新建项目的潜在经济效益按照国际现代企业发展规律,配电自动化的系统实施是整个配电网络技术水平、管理水平的全方位全过程的提高,是未来能够实现多方面、巨大的经济效益的基础在我国目前经济和供电条件下它更能作为一种基础设施的优化促进国民经济发展,并起到实现经济和社会双重效益的作用目前垦区电力系统正在进行大规模的电网改造建设,配电网络得到了合理化改造,布局更加合理,一次设备进行了更新改造,设备的安全性、可靠性得到了充分保证,近几年来垦区电力系统技术力量也有了较大的提高这些都为实现配电网自行动化奠定了良好的基础基于信息技术的配电网自动化将会在垦区得到广泛的应用并发挥巨大的作用本项目实施后,与现有的配电网相比,将大大降低配电网的故障率,缩小配电网故障的停电范围,供电可靠性得到了较好的改善,事故处理能力进一步增强,从而带来较好的社会效益和经济效益
1.2国内外配电自动化发展状况在一些工业发达国家中,配电自动化系统受到了广泛的重视,国外的配电自动化系统已经形成了集变电所自动化、馈线分段开关遥控、电容器组调节控制、用户负荷控制和远方抄表等系统于一体的配电网管理系统DMs其功能己多达140余种国外著名电力系统设备的制造厂家基本都涉足配电自动化领域,如德国西门子公司、法国施耐德公司、美国COOPER公司、摩托罗拉公司、英国ABB公司、日本东芝公司等,推出了各具特色的配电网自动化产品欧美等发达国家的配电自动化开始于20世纪70年代,早期目标是缩短馈线停电时间美国在开展配电自动化工作的初期,采用配电线路上装设多组重合器、分段器方式,使线路故障不影响变电站馈线供电在纽约曼哈顿地区,27kV任一线路故障时真空重合器和变电站内的断路器配合,经过小于3次的开合操作,自动隔离故障使非故障段恢复供电1997年全纽约的用户平均停电时间含检修、故障等各种因素停电时间为104min,而曼哈顿地区仅为9min1994年,美国长岛电力公司配电自动化系统采用850台FTU和无线数字电台组成了故障快速隔离和负荷转移的馈线自动化,在4年内避免了59万个用户的停电故障根据美国事故统计标准,对用户停电达到或超过5min就是停电事故,并因此获得IEEEDA/DSM大奖.整个系统的形成大致经历了三个阶段:第一步使线路运行达到能自动分段;第二步建立通信通道实现SCADASupervisoryControlAndDataAcquisition监控和数据采集功能;第三步实施非故障段的自动恢复供电日本是配电自动化发展得比较快的国家从50年代开始在配电线上开始采用自动隔离故障区,并向健全区无故障区恢复送电的按时限顺序送电装置:60-
70.年代研究开发了各种就地控制方式和配电线开关的远方监视控制装置;70年代后半期开始利用计算机构成自动控制系统;其后由于电力电子技术、计算机技术及信息传送技术的发展,配电自动化计算机系统及配电线远方监视控制系统在实际应用上得到很大的发展.到1986年,全国9个电力公司的41610条配电线路己有35983条
86.5%实现了故障后的按时限自动顺序送电,其中2788条
6.7%实现了配电线开关指柱上开关的远方监控包括一般的和计算机监控新加坡公用电力.局PUB在80年代中期投运并在90年代加以发展和完善的大型配电网的SCADA系统,其规模最初覆盖其22kV配电网的1330个配电站,目前己将网络管理功能扩展到
6.6kV配电网,进而覆盖约4000个配电站从国外配电自动化系统采用的通信方式看,尚没有一种通信技术可以很好地满足于配电系统自动化所有层次的需要在一个配电自动化系统内,往往由多种通信技术组合成综合的通信系统,各个层次按实际需要采用合适的通信方式在日本,由于无线电通信频段大都被电台占用而很难得到保证,日本在配电自动化系统中,基本不采用无线电通信光纤因处在发展阶段,目前只在一部分地方使用比较普遍的是利用通信电缆和配电线路来传送信号.而在欧美等国,却广泛采用无线寻呼通信网络和有线通信相结合的方式目前使用较多的配电线信号传送方式有:音频控制方式,音频电流传送方式和位相脉冲方式.利用专用电话线或CATV有线电视电缆,采用屏蔽双绞线RS一
485、光导纤维等方式,也是广泛采用的配电自动化通信方式UHF和VHF电台、调频广播FM和调幅广播AM多用来用作负荷监控的信道,无线扩频和一点多址微波通信大多用于配网自动化的通信主干线国外配电自动化的实现,大致是先实施馈线自动化,然后建立通信通道和配电自动化主站系统,再完善各项功能然而,在这过程中留有大量的有待开发的自动化功能和一些已开发的功能之间的重叠配电自动化的发展经历了各种单项自动化林立,号称“多岛自动化”的配电系统,向开放式、一体化和集成化的综合自动化方向发展的过程,目前己具有相当的规模,并从提高配电网运行可靠性和效率,提高供电质量,降低劳动强度,充分利用现有设备的能力,缩短停电时间和减少停电面积等方面,均带来了可观的经济效益和社会效益日前国外正致力于配电自动化专家系统和配电网仿真培训系统等研究并且在研究通过负荷分配的优化来减少网损,对变压器负荷进行管理,以最大限度地利用变压器容量并降低系统有功损耗,以及按即时电价对用户负荷进行管理等国内配电自动化起步于20世纪90年代,较国外发达国家滞后20年由于资金和计算机技术等条件的限制,同时这也是一个相对崭新的课题,需要一个认识过程,因此一直发展比较缓慢近年来特别是全国大规模进行城乡电网改造以来,配电自动化方面的工作取得了比较大的进展,众多科研开发企业和制造商开发研制了配电系统自动化集成技术、应用软件和一二次设备,许多地方供电企业进行了不同层次不同规模上的试点,这些都为供电企业的供电可靠率、供电质量、设备安全、劳动生产率、现代管理水平的提高发挥了一定的作用,为我国配电系统自动化的发展积累了经验、创造了条件上海市供电局在浦东金桥金藤开发区实施了配电自动化工程,第一期工程采用法国施耐德集团生产的PR环网开关会柜9台,基本达到了遥控、遥信和遥测的目的,但规模较小,且设备依赖进口,造价高,不便推广普及北京供电局以引进日本东芝技术生产的具有自动化功能的柱上真空开关设备八台,即将投运,达到国外配电自动化第一阶段水平沈阳电业局于1995年安装了10台丹阳生产的柱上真空开关,采用有线控制,但未大面积推广,而且也属于国外第一阶段水平此外,石家庄供电局、大连供电局、南京供电局、郑州供电局、武汉供电局和广州供电局也分别立项或进行了一定规模尝试银川城区配电自动化系统全部采用自行研制的国产设备,采用馈线RTU,配变RTU和建立在windows95,windowsNT平台上的先进的计算机网络系统,运用SQLServer大型数据库系统,并采用有线通信和无线通信相结合的综合数据通道,而且充分利用银川地调的已有资源,实现了配电网中30余条进线、几十条馈线和7个开闭所及小区变的全面监控,取得了大量经验,该系统己于1998年8月20日通过国家电力公司组织的技术鉴定,达到国内领先水平这是我国第一套通过技术鉴定的配电自动化系统,它标志着我国城网改造进入了一个新的阶段目前西安供电局和宝鸡供电局也在按银川模式建设配电自动化系统从设备制造水平的角度看,国内不少企业己成功地研制出能够满足配电自动化要求的产品.比如可靠的柱上真空开关、重合器、馈线开关远程式终端FTU、变压器测控单元TTU、开闭所、小区变远程终端〔RTU、配电网地理信息系统GIS、负荷监控系统、配网管理信息计算机网络、智能式电度表及远方抄表计算机系统,以及各种数据传输设备DCE等我国配电自动化的发展大致可以分为三个阶段第一阶段,引进国外的自动化开关设备,通过智能开关设备之间的配合实现故障定位、隔离和自动恢复供电,这被称之为就地控制的馈线自动化模式,这种方案仅在故障处理时才起作用,且不能检测出中性点小电流接地电系统的单相接地故障,而在我国绝大多数城市中,故障停电占用户的停电时间比例很小,而引入的自动重合器、分段器和负荷开关价格昂贵,投入很大,收效甚微第二阶段,实现配电层次的SCADA功能,通过建立配电系统的实时监控系统SCADA系统,即在配电网调度中心建立主站系统,在各变电站、开闭所设置RTU,FTU等远方终端,通过通信通道联系,从而达到实现对配电网监控的功能这种模式的故障处理时间大大缩短,而且在配电网正常运行时可以对配电网进行监控和运行管理,实现系统的优化运行,这也是近年国内来所采用的主要配电自动化的模式,但是这种模式需要借助于通信系统,而且故障的处理依赖主站进行第三阶段,通过多年的配电网的改造和各单项自动化如负荷控制、远程抄表系统、配网系统管理系统等的发展,借助现代计算机技术、网络技术和通信技术实现各子系统之间资源共享,达到配电管理层次
1.3研究的主要内容本课题所研究的配电网自动化系统是以农垦建某分局城区供电网络为研究对象,对某城区配电网络自动化进行整体设计该研究旨在通过对某城区配电自动化系统的调研分析制定最佳设计方案,最终为实现最为理想的某城区配电网自动化系统
(1)配电网自动化整体设计概要通过对某城区的供电负荷及配电网的现状,考虑到今后五至十年的发展规化,依据相关的设计原则以及要达到的目标研制出适合于该城区最佳的配网自动化整体设计方案,确定系统实现的功能并针对配电网自动化实施过程中遇到的技术难点,提出相应的对策
(2)馈线自动化设备及功能实现馈线自动化FA是实现全面自动化的基础配电网中由于馈线引起的停电时有发生,此时如何尽快恢复供电则是配电自动化的一项重要任务,因此,故障自动隔离和自动恢复供电是馈线自动化系统的一个主要功能合理选择实现馈线自动化的模式、合理选择一次配电设备,加装智能化终端设备,实时遥测、遥信和遥控功能,是馈线自动化功能实现关键之所在
(3)用户集中抄表系统随着城区的规模不断发展,抄表收费给电力系统的生产带来了越来越大的困难,手工抄表不仅浪费了大量人力资源,而且会产生各种差错,给电力企业带来经济损失因此,实现用户抄表计费自动化也是配网自动化重要内容之一通过电能数据的采集、传送、处理、保存,进行有关电量计算、线损考核,分类汇总查询及有关报表单据打印等工作,来完成自动抄表计费工作
(4)配电自动化主站、子站系统配电自动化主站系统是配电自动化系统的核心,主要完成配电网的SCADA系统功能、故障处理及负荷转移计算功能、配电GISAM/FM/GIS功能,还包括配电高级应用软件等配电子站主要采集变电站内RTU和户外各种RTU(FTUTTU等)的数据信息,并进行数据汇集和转发由于配电子站管理的RTU数目众多(是变电站监控系统的3到5倍),由此要求配电子站有高可靠性和灵活配置因此要合理选择主站、子站的设计方案,最终实现资源共享、信息共享
(5)通信系统设计配电网自动化中,最关键、最核心的问题就是通信在配电系统中,由于各种元件过于分散,节点数目众多,对通信提出特殊的要求,这也意味着通信系统分布庞大,应当从控制中心到达数以万计的从杆上到地下的远方设备在主站、子站、馈线与终端设备之间选择合理的通信网络从而达到性能价格比最高,确保配电自动化系统高效、安全可靠运转2城区配电自动化设计概要
2.1概述某城区是其供电区内负荷密集,供电量最大的区域,该城区是某农垦分局所在地,是某城区分局工业、商业、文化、政治、体育、通讯、居民生活中心也是某垦区的交通枢纽和商品集散中心某城区实施配电网自动化系统,可达到提高供电可靠性、提高供电大质量、降低损耗、提高配电网整体管理水平、稳员增效的目的,有着显著的经济效益和社会效益
2.
1.1设计原则为了使系统建设能取得好的效果,保证与现有资源共享,节约投资,系统整体方案的设计将遵循以下原则
(1)工程的设计思想,对某城区整个配电系统的自动化进行统一的规化和设计,采用集中与分布相结合,保证数据和信息资源和高度共享,避免重复投资和资源浪费,以期获得最大的投资效益
(2)系统软硬件采用层次化的体系结构,充分保证系统的可维护性、可扩展性和实用性
(3)遵循各种相关的国际标准、国家标准,保证系统的开放性
(4)本方案将以高性能的地理信息系统作为整个配电网管理系统DMS开发的支持平台,使包括配电SCADA在内的DMS的所有子系统都构筑在地理信息的基础上,保证信息的高度共享
(5)对已有的自动化系统(如调度自动化系统等),本系统可以开放地、方便地与之实现信息交换例如变电站站内开关的信息、站内母线电压、出线电流等可由现有变电站综合自动化系统终端中调取,不用另外采集,以节省投资
(6)系统采用了分层、分布式体系结构,保证能够分期、分阶段地逐步实现配电自动化的各项功能
2.
1.2设计目标本方案的实施主要要达到以下几个主要目标
(1)提高配电网系统运行可靠性,减少故障停电范围,缩短非故障区域恢复供电时间;
(2)提高供电质量;
(3)优化网络结构和无功配置,降低线损;
(4)提高配电网系统运行管理的自动化水平,提高供电设备利用率,降低运行维护费用,最大限度地提高企业经济效益;
(5)提高用户服务质量和投诉响应能力,改善线路故障时用户服务的反应能力;
(6)建立完善的配电自动化系统并具备良好的系统扩展能力,实现局内系统的资源共享,提供优化决策平台、提高管理水平
2.
1.3设计依据及要求本设计依据为国家有关部门制定的《配电自动化系统功能规范》、《10KV配网自动化发展规划要点》、《配网自动化系统远方终端》和《县级城市配电网自动化实施技术导则》等有关要求以及《某城区发展总体规化》、《某城区配电自动化系统技术方案》等有关文件根据国电公司《10KV配电网自动化发展规化要点》的要求,配电自动化规划设计的基本要求主要有
(1)使接入10KV公用线路上的用户具有两个以上的电源供电的可能性,其中应使2/3以上的用户享有“N-1”供电可靠性的能力;
(2)对配电网设备运行状况进行远方监视和检测;
(3)当线路发生故障时,能自动隔离故障区段,并恢复对非故障区段的供电;
(4)根据需要可远方对网络进行重构和负荷转带;
(5)与其它系统进行信息交换,资源共享;
(6)配网自动化的一次设备、通信和自动化设备应满足相关的标准要求
2.
1.4配电自动化难点分析配电自动化有其自身的许多特点,这些特点将使其在实施过程中遇到许多难点问题,因此在设计配电自动化系统方案过程中必须注意这些难点问题加以解决配电自动化实施难点问题及对策主要有
(1)设备众多,量大面广、系统组织要求高配电自动化与目前国内已实现较为成熟的调度自动化系统相比较有许多不同点,调度自动化系统管理的主要是户内设备,其通信量大,但比较集中,而配电自动化系统管理的是大量的户外设备,其通信量小、但非常分散,配电自动化系统的测控对象通常要成百上千甚至于上万点之多管理的设备数量比调度自动化系统要多得多,而且大部分的设备要工作在户外严酷的环境下,因此要将深入城市各个环节的配电线路和不同类型且满足各类供电方式的配电设备组织起来,有效地形成城区配电网实时故障处理和管理方式,是一个复杂的系统工程应借鉴国外先进技术及管理经验,了解发达国家配电自动化的发展历程,充分吸取其经验,避免走弯路,尤其要学习国外配电自动化生产厂家如何与电力系统合作、如何将计算机、通信等高新技术应用于配电网及户外设备的管理等方面的经验
(2)开关设备频繁操作,可靠性要求高配电自动化系统应用的一大目标是实现日常配网动态管理,以达到合理分配负荷、有效利用能源的目的,因此开关设备要求能够频繁操作,为此设备高可靠性是实现动态管理的基本要求从自动化角度设计高可靠性设备,在开关设备设计时就要考虑解决这些问题,如简化开关操作机构,保证其动作可靠稳定等
(3)户外终端工作环境恶劣,对电子产品要求高配电网各节点包含大量户外终端,这些电子产品工作环境有可能非常恶劣,通常要求在-25℃~75℃,湿度高达95%的环境下工作,这样设备的关键部分就必须采用工业级的芯片,还要考虑防雨、散热、防雷等因素,如何保证终端具有抗各种突发强干扰能力、并能适应户外气候、达到免维护是需要解决的重要问题1)采用独特的结构设计,生产出真正适合户外环境的工业产品;2)设计合理的自动化控制原理,使其能有效工作;3)通过简洁的工作方式,避免干扰;
(4)终端遍布配电网每一个节点,通信网络建设复杂针对大量终端需要通信,由于配电自动化系统的站端设备非常多,会大大增加通信系统建设的复杂性此外,在配电网自动化系统中,众多的终端设备中即有容量较大的RTU,又有容量小的馈线FTU以及故障记录信息、定值远传、远方抄表等信息,这样就更增加了通信系统的建设难度从目前成熟的通信手段来看,没有一种方式能够单一满足要求,因此,往往综合采用多种通信方式,通常采用多层集结的方式,以减少通道数量和充分发挥高速信道的能力
(5)户外设备控制、工作电源的提取问题设备监测、故障位置判断,隔离故障区段、恢复正常区域供电,是配电网自动化最重要的工作之一为了保证这些功能的实现,必须保证在故障期间,计算机系统、通信系统以及分闸、合闸操作系统对电源的需要,因此,不得不安装足够容量的蓄电池,还需要与之配套的充电器和逆变器选择技术比较成熟的能进行深充深放的蓄电池来实现户外设备控制的电源问题
2.2某城区10KV配电网线路概况
2.
2.1某城区配电网现状某城区10KV配电线路主干线全部是架空线路,10KV配电线路55KM,导线截面为16mm2─25mm2电杆为YB-19-10型,共917基,60%有横纵向裂纹,10%杆头破损、漏筋立瓶型号为P-
100.4kV配电线路
96.8KM,导线截面为16mm2─25mm2,电杆为YB-15-8型,供电半径最大为
1.5KM,远超过
0.3KM的城区规定供电半径,电度表12800块,其中60%属于国家明令淘汰产品,配电变压器121台,其中高耗能变压器88台,约占66%,配电变压器总容量为18330KVA由于配电网导线截面小,供电线路迂回,供电半径过长,负荷大,电瓷等级偏低等原因,造成
0.4KV线路未端电压最低为170V,低于国家最低标准14%,配电线损高达40%,在用电高峰时,用户的日光灯、家用电器都无法正常使用由于配电网布局的不合理,分支线路没有安装隔离开关,常常因为小故障,局部故障而造成一拉一条线,一停一大片的事故发生供电可靠性得不到保证,严重影响了用户的日常生产生活
2.
2.2某城区配电网改造后状况鉴于已有的10KV线路存在不足不能满足自动化需要的情况,以及考虑今后5至10年的负荷发展规划,该城区10KV配电网线路进行改造,10KV配电网线路采用4回路,环网供电方式,主干线导线截面120mm
2、分支干线导线截面70mm2,分支导线截面50mm2,同时按照自动化的要求对线路加装开关设备对线路进行合理分段和联络,满足在线路停电或故障时负荷的互倒互带要求改造后涉及本次配电自动化工程的馈线线路共有4条,开关共有32台,主干线联络、分段开关10台;其余22台为分支线路开关
2.3系统设计方案
2.
3.1系统结构及功能要求
2.
3.
1.1系统结构根据该城区配电网具体情况,其配电网自动化系统采用三层结构第一层主站负责整个城区配电自动化及管理系统的监控、管理;第二层子站主要用来实现变电站10KV出线的馈线自动化,并上传下达各种实时信息第三层配电终端,主要负责对线路、馈线开关、配变等设备进行数据采集和控制分为RUT、FUT、TTU配电自动化系统整体结构设计框图如图2-1所示
2.
3.
1.2系统功能要求配电自动化工作是一个牵涉面广、技术要求高的系统工程,要真正实现配电自动化系统建设,除了要建设好若干个配电自动化子系统外,还要做好与其他自动化系统联网,合理有效地实现电力系统各种信息交换、协调发展,只有这样才能实现从“多岛自动化”到系统集成的配网管理系统建立,并发挥系统各项功能的实际作用,为此,要说明系统功能,我们必须组成系统的各部分子系统主要功能做具体描述,下面将组成系统几个主要部分进行说明
(1)配电自动化系统主站系统功能主站系统是整个管理系统的最高层,负责对所有配电线路及设备的管理,对全局重要信息进行监视管理,其基本功能包括以下几个方面基于制图/设备管理/地理信息系统(AM/FM/GIS)一体化设计的配电SCADA功能馈线自动化子系统(FA)故障处理和负荷转移决策功能配电网在线维护功能调度员在线仿真培训功能配电网专用AM/FM/GIS功能图2-1系统整体结构设计框图配电WEB浏览功能
(2)配电自动化系统子站基本功能数据采集功能,包括采集状态量、模拟量、电能量等数据传输,实现与主站、终端的通信,支持多种通信规约,实现与其他智能设备的通信维护功能,包括故障的定位、隔离及故障区段恢复供电通信故障监视与上报其他功能,包括自诊断、自恢复、功能远程维护功能、后备电源
(3)电自动化系统终端基本功能根据现场监控或监测对象,配电自动化现场终端可分为如下几种终端馈线开关监控终端FTU,配变监测终端TTU各终端功能如下FTU功能采集开关位置、终端状态、操作电源等状态量采集中压电流、电压等模拟量控制开关分、合闸与上级通信参数设置故障检测与处理等TTU功能采集设备状态采集功率因数、低压电流、电压、有功功率、无功功率、零序电流及三相不平衡检测,采集电能与上级通信及时校时电能量转发参数设置程序自恢复、最大需量及出现时间、失电数据保护、断电时间等统计停电时间、记录停电起止时间报警功能
2.
3.
1.3馈线自动化模式选择馈线自动化实现模式,目前主要可分为以下几种就地控制模式按照预先设置的运行方式,实现就地故障判断、隔离、恢复送电等处理,馈线正常时传送运行参数远方监控模式就是要设立主站,馈线上各个监控终端采集运行参数,并通过子站将信息传回主站在发生故障时,由主站根据采集的故障信息进行分析、判断,切除故障段并实施恢复供电就地与远方监控混合模式馈线建有较可靠的信道,在馈线发生故障时由监控终端按照预先设置的运行方式(就地或远方)进行处理,正常运行时,监控终端向主站发送运行参数,并接收主站监控命令,处理负荷转移、平衡、改变运行方式等根据某城区线路情况,即线路全部为架空线路,线路的联络主要以环网为主,馈线自动化模式采用就地与远方监控混合模式,即故障的处理由终端配合开关设备就地处理,监控终端向主站发送运行参数,并接收主站监控命令,处理负荷转移、平衡、改变运行方式等
2.
3.
1.4系统通信信道的选择配电自动化系统建设除了要进行配网一次设备等改造外,建设一套能满足实现配电自动化功能要求、可靠的数据通道,是实现配电自动化各项功能的关键目前,可采用的通信技术有有线电视广电网、音频、光纤、双绞线、有线、无线、无线扩频和配电线路载波等,在配电自动化系统实现过程中,采用何种通信技术或方案,则应根据接线方式、实现功能、现场环境和可靠性要求等因素决定根据某城区线路情况,并结合各种通信方式的性价比情况,城区配网自动化系统的图2-2配电自动化整体结构图通信系统采用主站与子站之间通信方式采用光纤环网子站与终端之间设备采用光纤加双绞线方式即配电网主干架采用光纤,配变、分支线采用双绞线
2.
3.2配网自动化系统整体设计方案针对城区配电网的基本现状结合配电自动化系统的基本要求、目标和将来系统发展规模,以系统设计经济性、扩展性、可靠性和易维护性为目标,设计了配电自动化系统总方案,系统整体结构如图2-2所示配电自动化系统由图示三层结构构成,即配电主站层、配电子站层和配电终端层配电主站由主备服务器、数台工作站、通信子系统、语音报警系统以及打印机、网络设备等构成;配电子站分布于变电站,负责各变电站户外测控终端RTU(FTU、TTU等)的信息转发和监控,配电主站和配电子站之间用光纤环网通讯方式通信,配电子站和FTU之间可采用双绞线或光纤等方式通讯
2.
3.3配电自动化系统工程范围本次配电自动化工程范围以10kV干线、馈线自动化为主,覆盖了
0.4kV主要的低压配电台区自动化,延伸到用户集中抄表系统主要包括1个变电站,4条馈线线路,32台开关,121台配电变压器中的105台配电变压器以及用户集中抄表系统系统涵盖某城区全部供电区域本期配电自动化系统工程包含以下内容
(1)配电主站系统1个根据配电自动化系统的特点,建立一套适合于某城区配电系统管理和监控的配电自动化系统
(2)配电子站1个本期建立1个配电子站,完成向下控制户外设备和采集相关信息、站内采集相关的变电站信息,向上传递和接收来自与主站信息的功能
(3)配电设备及监控终端1)柱上开关及终端32台2)配电监测105台3)用户集中抄表系统
(4)通信网络的建设1)构筑变电站到配电主站的光纤通道;2)构筑完善主干线终端(FTU)到子站之间的光纤通信网;3)支线FTU以及TTU的通信双绞线通信网;4)建立配电主站系统的局域网,实现双网3馈线自动化常用的馈线自动化实施模式有就地控制、远方集中控制以及综合智能控制根据某供电公司对配网自动化系统项目的实际需求以及后期功能扩展的需要,系统建设为有信道方式此种方式下,使用保护型FTU,可依赖信道实现就地控制
3.1馈线自动化方案对于较复杂网架结构,在线路故障情况下,利用保护型FTU和系统通信完成故障区段的自动隔离,非故障区段自动转移供电功能引入了具有远控功能和保护功能的配电馈线自动化原理;在保护方面,引入了具有主保护与后备保护的双向闭锁式方向过电流保护,完整实现了保护的快速、灵敏、选择和可靠性;在系统恢复方面,引入了实用的故障隔离的主备重构恢复技术;在系统监控方面,提出了主备原理的热备用监控技术该系统采用信号传递机制,使相关的两个或多个FTU间传递故障信号并实现故障检测和隔离,无需主站干预相对于其他利用主站实现故障检测和隔离的方案,有以下特点:1故障隔离范围小2不需
二、三次重合3主站失败不影响保护操作4实现保护为毫秒级,领先同类产品
3.2配电主战故障处理系统在断路器馈线故障处理模式下,主站段故障处理系统起如下两个作用l馈线故障处理系统动作监视当现场保护动作时,主站端故障处理系统监视保护动作信息,记录故障处理过程并进行相关校验,验证现场故障处理的正确性2馈线故障处理系统后备当现场设备不能处理故障时,主站故障处理系统启动,完成故障信息的搜集以及故障定位、故障隔离与供电恢复功能
3.双向闭锁式电流保护工作原理图3-1电流方向保护原理图保护利用故障电流方向判别与故障电流幅值大小原理构成的双向闭锁式快速方向过电流保护作为自动化系统的主保护利用主备保护原理构成完整的馈线保护在配电网络上,各电气相邻的FTU保护之间采用信道构成信号交换回路,每套保护只与相邻的保护联系在故障发生时,判断故障电流的方向,采取故障电流正方向信号默认不发送,反方向发送禁止动作信号原理构成保护配置瞬时速断、过电流、重合闸以及后加速保护动作过程如下图3-2保护动作原理图此方案相比较而言,主要有三点优势
(1)动作不依赖于远方主站在线路发生故障的情况下,其故障的定位、隔离、恢复等都是依靠保护型FTU通过相互间的通信以及与子站系统的通信来完成的,主站相对来说更多居于远方监控及作为后备保护使用故障发生时首先把各种信息上送到主站,由主站来根据网络拓扑及复杂计算来确定故障的定位,然后再下发控制命令来完成对故障的隔离和恢复
(2)故障定位时间迅速这种方案使用的保护型FTU单元,依靠光纤通信,在故障发生时,350ms可完成故障的准确定位,从而可以及时地为故障处理缩短反应时间,减小故障电流等对负荷设备造成破坏的几率和可能性
(3)停电范围减小故障在两个分段开关时,在故障处理的过程中,使用保护型FTU可直接完成故障位置的上级分段开关和下级分段开关完成隔离和恢复,而不需要出口断路器进行动作,对全线进行停电而远方控方式在故障时,首先要遥控出口断路器动作,然后进行故障的隔离和恢复,这样无形中就扩大了线路故障时的停电范围4 低压台区监测及集中抄表系统
4.1低压台区监测系统低压配变监测装置通过对低压(10KV/380KV配变的检测,可以及时检测电网的运行情况,用以完成传统的电压表、电流表、功率因数表、以及负荷指示仪和电压监视仪等的功能,与配电FTU或后台设备通信,提供配电系统运行控制及管理所需的数据,实时监测线路、柱上配电变压器的运行工况,及时发现和处理事故的紧急情况,就地和远方进行无功补偿和可有载调压的配电变压器的自动调压功能以利于提高低压供电可靠性及提高配电变压器经济运行的目的,在实现配网自动化方面起到了重要作用
4.
1.1系统实施方案本期计划对某城区现有105台10KV配电变压器中安装配变监测终端(TTU),以实现对配电变压器的监测,完成对低压配电台区实现全工况的监测和管理,实现对无功补偿电容器组的自动或远方投切功能系统的特点本系统的主要特点是根据实际生产需要将配电变压器低压侧的在线监测数据并根据无功需量实现电容器自动投切,将配变监测与无功自动补偿功能合二为一配变监测终端是本系统的核心元件,安装于配电变压器低压侧,负责在线监测和电容器的投切控制当主站欲查询某台或数台甚至全部配电变压器的历史数据、实时数据时,主站软件将自动接通子站并通过子站与测控仪建立通讯如果配电变压器发生故障,测控仪将通知子站,子站将自动接通主站且在主站微机上显示报警信息测控仪根据自身所测得数据得来无功需量,就地控制电容器的投切,并以补偿点电压为参量限制电容器的投切,当无功需量等于10千乏时,且经过15分钟延时后无功需量仍大于10千乏时投入一组电容器,此后无功需量继续增加又大于10千乏时,经过15分钟延时后无功需量仍大于10千乏,投入第二组电容器,依次类推,最多可投入四组电容器反之,当功率过剩时,无功裕量为10千乏时,且经过15分钟延时后,无功裕量仍大于10千乏,退出一组电容器,此后,若无功裕量还大于10千乏时,经过15分钟延时无功裕量仍大于是千乏时,再退出一组电容器另外,当相电压大于235V时,不再投入电容器,而当相电压大于242V时,延时1分钟切除全部投入的电容器在配电网中负荷绝大多数是感性负荷因而电流滞后电压ф角,线路中COSф<1,有时可低于
0.6现在,在变压器二次侧就地补偿电容器是根据测控仪所测数据中看到补偿后都在95%以上为系统提供了必要的无功功率提高了功率因数,降低了线路损耗;增大了配电设备的供电能力,减少了中压线路输送的无功功率;降低了线路电压损耗改善了系统电压质量;为配电网稳定、高效运行,提供了重要保障主站软件可对采集的数据进行分析、整理、输出实用的各类图表,另外,数据库中的数据可提供给其它系统使用TTU的数据通信的特点是数据量大、实时性要求低,为降低系统成本,采用RS-485通信方式,由FTU或光纤通道转发到子站后,再上传到主站如图4-1所示RS485双绞线图4-1配变监测终端(TTU)系统图
4.
1.2系统的主要功能及技术要求系统采用先进和可行的技术对低压配电网实施有效的在线监测、无功补偿、远程通讯、故障报警及离线分析,并以数据库的形式向供电企业计算机网上的各专业部门提供可靠的有价值的数据
(1)主要功能整点记录三相电压、电流、功率、电量;每天记录各相电压、电流的最大值、最小值及出现的时间;自动记录停电时间,计算供电可靠率;自动累计每天电压越上、下限时间,计算电压合格率;记录时间可达一个月以上;可远程监测实时数据,自动上报故障情况;可自动控制电容器投切;
(2)性能指标工作范围电压195-265V*3相;电流0-5A*3相;频率48-52Hz精度电压±
0.5%;有功功率±
1.0%;电流
10.5%;有功电量±
1.5%耐压实验冲击电压6KV/
2.4us;工频电压2KV/2min电磁干扰实验水平/垂直
0.5mT交变电磁场适应环境温度-15—+5O℃;相对湿度≤85%;谐波含量≤10%总的来说,就是要实现在线记录、就地无功补偿控制、自动故障报警、数据远传、后台分析处理5大功能配电监测终端采用中国电科院生产的SA501型配变综合测试仪,一共105台,安装在变压器低压侧
4.2集中抄表系统随着电子技术的发展,电能计量手段和抄表技术发生了根本变化,电子式多功能电能表正取代了传统的电磁式电能表,并结合远方抄表技术,成为了配电自动化系统的重要组成部分远方抄表技术不但大大降低了劳动强度,而且还大大地提高了抄表的准确性和及时性,杜绝了抄表不到位、估抄、误抄、漏抄电表等问题
4.
2.1集中抄表系统构成及要求
(1)系统构成集中抄表系统即由主站通过传输媒体(公用电话线、专用线)集中抄读电能表的电能量记录值的系统本系统是由电能表数据采集终端、集中器、主站等主要设备构成系统的基本结构分为以下三部分介绍数据采集部分(居民用户端);传输媒体(通信信道);主站部分1)数据采集部分集中器是整个自动抄表系统的核心,装在变台低压侧,一个变台装一台集中器,它能定时发出指令,依次将各采集终端的用电数据抄收并储存,再经传输媒体,将各用户用电数据传至主站与分站,进行数据处理采集终端采集终端是远程自动抄表系统的前端设备,接用户电能表,采集用户用电量,上传至集中器,采集终端与集中器通讯采用低压电力载波技术,无需另外接线电能表将用户的用电量正比例地转换成脉冲,采集终端负责对脉冲进行采集,同时将电能量累加;每台集中器负责将同一台变压器下所有用户的用电量汇集在一起,对采集终端的数据进行管理及保存,集中器还带有485接口,可直接抄收变台总表数据,并通过通信信道将数据传送至主站2)传输媒体(通信信道)、集中器与主站的通讯方案有两个
①公用电话网通讯方式主站与集中器之间通过公用电话线和Modem连接,可自动或手动抄拨任何一个集中器内的所有用户的用电量
②专用线通讯方式主站与集中器之间采用专用线性口双绞线)进行远方抄表通讯此方案多用于配网自动化工程;也可用于主站(营业所)与集中器不远的情况
③主站主站是整个远方抄表系统的管理层设备,通常由单台计算机或计算机局域网再配合相应的抄表软件构成主站安装于客户服务中心,可手动或定时自动下发抄表命令,对抄表数据进行处理、储存、计费;对供电设备进行监测、控制
(2)系统主要实现的功能要求l)电能数据的采集、传送、处理、保存按照设定值,采集器将电能表的脉冲采集后,定时、自动经载波传送到集中器,同一台区的数据由集中器汇总并保存,然后通过电话线、专线或10KV载波等通道传送到供电所主站微机,进行有关电量计算、线损考核,分类汇总查询及有关报表单据打印等工作,可在指定时间实现电能表累计电能量的冻结2)故障检测系统中任一级通信中断24小时以上有提示报警,并记录其发生的时间;用户电能表连续停转,系统能提示并可记录其停转起始和终止的时间;当用户当日用电量发生突变时,系统可予提示报警3负荷曲线统计系统可纪录每一负荷在统计日内一天内的负荷曲线当用户用电量发生突变时,主站有报警,以利于用电管理可对某一线路或某一配电区的用电量进行电量平衡分析4)主站软件功能全部用户资料及电价设置,远程修改参数,电量统计报表,线损考核计算,保安器台帐管理,各种数据资料查询、打印、电费结算管理,异常用户提示,操作员权限口令设置
4.
2.2集中抄表系统实施方案远方抄表的自动化系统中,通常采用RS-
485、低压配电载波等方式,实现电能表到抄表集中器,以及抄表集中器到抄表交换机间的通信而抄表交换机至电能计费中心计算机系统之间,一般采用电话线或专用线方式传送在一个配电变压器范围内,连接每一个用户的配电线实际上也组成了一个网络,这个网络不但可以传输电能,同样也可以图4-2电话网络实现远方抄表传输信息,这就是低压电力载波数据传输方式用在转换过程中的设备称之为配电线调制解调器(PLM),它一般直接与集中抄表设备制成一体,采用移频键控(FSK)方式在每一个电表集装箱16路以下处,加挂一台采集终端,负责采集表箱内所有电表
(1)利用电话网络实现远方抄表为了实现数据的远程输送,需要采用Modem将数字信号转变成适合在电话线路上传输的音频模拟信号,也可以采用专用集成电路将数字信号转换成双音多频信号传输在一般情况下,采用拨号Modem和公用电话网就能满足要求,但对于一些对抄表数据实时性,要求较高的情形,则必须采用专线Modem和专用电话线路图4-2描述了采用电话网络实现远方抄表方式
(2)利用专用线实现远方抄表这种方式是利用配电自动化的通信系统采用专线方式,进行集中抄表抄表系统通过FTU与通信系统连接,将信息传输至电能计费中心计算机系统图4-3描述了利用配电自动化通信系统采用的专线实现远方抄表方式图4-3专用线实现远方抄表本设计方案由于有配变监测下TTU设备,而且架设了TTU到FTU处的通讯电缆,因此抄表系统可利用此通信电缆,故采用第二种方式来实现远方抄表自动抄表系统是一种自动化程度更高、更先进的计费方式,它便于将计算机网络和营业管理相结合,成为配电自动化系统的一部分,而且不久还可望发展成为自动抄表结合银行计算机联网收费方式,实行银行票据自动划拨,从而更有效地确保电力企业的合法权益5配电自动化通信系统设计配电网自动化中,通信系统设计方案是最关键、最核心的问题在配电系统中,由于各种元件过于分散,节点数目众多,对通信提出特殊的要求,这也意味着通信系统分布庞大,应当从控制中心到达数以万计的从杆上到地下的远方设备在主站、子站、馈线与终端设备之间选择合理的通信网络从而达到性能价格比最高,确保配电自动化系统高效、安全可靠运转配电通信有别于其它所有调度通信网络,它的主要特点通信网中节点很多、分散、交叉各节点距离较近各监控点的信息较少要具有信息主动上报功能通常为网格式通信网络,要求路由选择的多径化通信设备大多在室外安装运行,所以工作环境恶劣主要通信介质有光缆容量大、抗干扰能力强,但施工费用和设备价格稍高有线电缆容量大、抗干扰能力低于光缆,设备投资低于光缆电力线载波容量稍低,目前国际上最高达10Mbit,藉助电力传输信息,不需要架设通信介质,投资稍低无线通道传输速率较低,易受外界气候和地形地貌影响,频点选用要经无委会审批根据配网特点,来选择不同的通信介质,可以一种或几种通信介质做成混合通信网络在达到预期要求目的下,施工方便,投资节省所以在配网自动化系统中通信网的设计是一个十分重要部分,必不可少的工作
5.1配电自动化的通信实施某城区配电自动化工程包括设在某分局电业局内的主站系统,设在中心变电站内的配电子站,4条架空线路,用户抄表系统工程实施区域为某分局城区的核心区域根据某分局电业局配电自动化系统实际情况及对通信的要求,配电自动化通信系统采用分层结构进行配置,根据不同的情况,分别采用不同的通信介质和通信方式,以经济合理方式为配电自动化系统提供性价比高、稳定可靠的通信主站——子站光纤网络通信方式;子站——主干线上的FTU光纤自愈双环网通信方式;支线上的FTU以及TTU:采用RS-485双绞线通信方式,组成有线网络,通过光纤环网上的FTU转发,与子站、主站进行通信抄表采集器采用低压电力线载波方式与集中器通信,集中器利用RS-485双绞线或电话线MODEM拨号方式与子站、主站进行通信其他数据通道在设计和设备配置中预留了一定的通信通道,为以后其他数据通信或网络调整扩展提供方便
5.2配电自动化通信系统设计思路通信系统是整个配电自动化系统的重要组成部分,直接影响着整个配电自动化系统的整体性能通信系统应为配电自动化系统提供高稳定性、高可靠性、高速大容量、可扩展性强的通信网络,并具备在一定故障条件下的自恢复功能
5.
2.1系统通信设计原则本通信设计遵循了以下设计原则标准性和开放性配电自动化系统及系统中各设备均设有标准的通信接口与多种标准的通信规约,可以与各种标准设备方便的连接与通信通信系统能随配电自动化系统功能变更、电力线路调整而方便的扩充和升级,并能适应以后配电自动化系统大规模扩展及与其他网络的互连先进性与可行性采用目前国内外配电自动化工程实践中较先进、较成熟,适合中国国情、适合国内各地电力用户及结合本地具体情况的通信技术经济性与合理性采用具备尽可能高性价比的通信方式与通信设备可扩充性与兼容性可随着某城区电力系统的扩展、改造能方便的调整,能兼容不同的现有技术和各种通信介质,以及将来不断发展的新技术能与不同的国内外厂家的产品配套使用典型性与代表性所作的设计具有代表性,能说明问题,为将来大面实施配电自动化积累经验
5.
2.2系统整体通信结构某城区配电自动化系统的通信系统整体结构遵循分层、分布、分路由的思想设计分层整个配电自动化通信系统采用分层结构,从系统结构划分,整个通信系统可分为三层结构
(1)主站一子站之间采用光纤环网通信方式,将城区中心变的变电站信息接入配电自动化主站系统中
(2)子站一主干线FTU之间子站与主干线FTU之间也采用光纤自愈双环网,可以保证通信网络故障时不致于导致整个网络通信的崩溃
(3)主干线FTU与支线FTU、主干线FTU与TTU、抄表集中器之间支线FTU以及TTU通信都都采用RS-485双绞线通信方式,组成有线网络,通过主干线FTU转发,与子站、主站通信;抄表系统采集器采用低压电力线载波方式与集中器通信,集中器利用RS-485双绞线或电话线MODEM拨号方式与子站、主站进行通信分布按照实际电力线路走向和配电系统功能需要,将具备一定的电气连接关系的柱上开关,用光纤连接组成不同的环路,构成环状或星状网络结构分路由FTU:按照一定的电气连接关系,规划不同的通信网络路由TTU:按照实际放置位置,将各配变TTU,按照“就近、不分线路、走线最短”的原则进行路由接入图5-1某城区配电自动化通信方案网络结构图
5.3主站与子站之间通信方式主站设在电业局调度中心楼内,子站设在中心变电站内主站与子站之间采用光纤网络通信使用单模光纤,而且主站与子站的距离相对较远,中间又没有中继装置,单模光纤的传输距离在6KM以上,完全能够满足要求
5.4子站与终端之间的通信方式目前在城市配网自动化系统工程中较普遍使用的几种通信介质为双绞线、光纤、配电线载波和无线通信等,综合比较各项性能参数及结合性能价格比情况,并考虑到配电网监控点多、分布范围较大,结合某城区的具体情况,设计如下子站与FTU终端之间,使用多模光纤主干通信网络采用光纤作为通信介质,可靠性高,出现故障的可能性低光纤通信网络相对于有线及无线而言,投资要高一些,但光纤通信网络可靠性高,而且目前光缆的价格及光收发器的价格也可以接受使用自愈双环网,可以保证通信网络故障时不致于导致整个网络通信的崩溃因为子站与FTU之间形成的通信网络之间,各个通信节点的距离较短,很少超过3KM,多模光纤已经能够满足要求,不需要使用单模光纤因此,子站与FTU之间可使用可靠性较高、扩展性较好的多模光纤,构成自愈光纤环网通信方式抄表集中器与子站间共用子站与主站间的光纤通道,采用可靠性较高扩展性较好的自愈光纤环网通信方式;支线上的FTU终端以及TTU终端的通信采用RS-485双绞线通信方式,组成有线网络,通过光纤环网上的FTU转发方式与子站进行通信;某城区配电自动化通信方案网络结构如图
5.1所示
5.5通信规约在配电处动化系统中,主站与各FTU之间通信规约选择的合适与否会直接影响通信系统的可靠性,目前,国际电工委员会制定的IEC870-5-101及北美地区比较流行的Harrs公司发表的DNP
3.0规约是两个比较合适配电网自动化系统的通信规约,它们均支持FTU信息主动上送的传输方式,能及时报告故障信息目前国内一些地区大多采用DNP
3.0规约,因此,某城区配电自动化系统选用DNP
3.0通信规约6配电自动化主站的设计配电主站是配电自动化系统的核心,配电网的运行状况通过分布于整个配电网上的各个终端单元,结合对变电站站内设备状况的监视,最终汇集到配电主站因此,配电网主站的设计是整个自动化系统的关键,结合本局的具体情况,现提出以下设计方案
6.1配电自动化主站结构设计
6.
1.1主站系统网络设计针对配电网系统设备众多,量大面广,系统组织要求高的特点,系统对数据的处理也必须采取相应的措施对其进行处理;主站网络采用分流/冗余的双网机制,双100M网互为备用保证在主网络故障或异常时,系统能够在极短时间内自动切换到备用网络,实现对配电网络的实时的、不间断的监控;在配电网系统故障或系统大数据量传输的情况下,系统会结合主备服务器的工作情况,把数据分流到两个网络上,保证数据不发生阻塞,并使服务器不因CPU负荷率过高,而发生死机主站的网络结构见图6-1调度系统MIS系统调度工作站1调度工作站2报表、维护、仿真工作站图6-1主站硬件配置构成图
6.
1.2硬件结构设计配电主站硬件应遵循国际标准设计配电主站的设备包括服务器、工作站、前置服务器和外围设备等配调中心的硬件配置如图6-1所示在功能配置上,由服务器负责进行那些对性能有着很高要求的、或者涉及整个系统的、以及制作数据所必要的处理,凡可以由客户机进行处理的业务都安排在客户机方面处理 通过这种对功能的分散配置,使系统硬件得到了充分的利用,并实现了资源的最佳配置
(1)主备服务器服务器用于存贮、管理各种历史数据、登录信息、用户信息、设备信息、电网管理信息等服务器装有关系型数据库管理系统,定时从实时数据库中采集实时数据,供其它工作站调用;方便用户使用它利用商用数据库优秀的管理性能,实现对配电网数据信息进行统一管理采用双机热备份方式,防止数据丢失,提高了系统的可靠性
(2)前置服务器是联系子站与主站的纽带,保证数据的上传下达表6-1主站硬件设备配置清单序号名 称型号及主要技术参数数量备 注1主备服务器SUNFIREF280R2台SUN公司产品2磁盘陈列SUNStrorEdgeD10001台3调度工作站1SUNBlade1501台SUN公司产品4调度工作站2SUNBlade1501台5报表、维护、仿真工作站SUNBlade1501台6WEB服务器/网关工作站IBMx235-86712x1台7前置服务器2台8交换机3C169822台9HubD-LinkDE-816T1台10GPS天文钟烟台三鑫TD-20001台11FTU、CIS维护东芝4600/P31G/256/80G/16DVD1台12机柜德国威图机柜1台13终端服务器MAXS021台14激光打印机HP1台15网络附件1套16模拟屏1套
(3)工作站调度工作站、维护工作站、报表等工作站是人机交互的主要工具,放置在不同的部门,实现不同的功能,从城区配电自动化系统的角度使用三台工作站,每台工作站都为一机双屏配置
(4)模拟屏为便于调度员日常工作需要,可选择配置模拟屏用于系统画面的显示
(5)其它设备(详见主站系统硬件设备清单)
6.
1.3软件结构设计配电主站的软件为分层式构造,如图7-2软件结构图大致可以分为几个层面,这种分层分布式的软件体系结构使系统构架合理,应用灵活,满足配网特殊需求但是系统软件是要将深入城市各个环节的配电线路和不同类型且满足各类供电方式的配电设备组织起来,有效的形成城市配电网实时故障处理和管理方式,是一个复杂的系统工程这要求系统软件必须有丰富的、成熟的配电自动化的运行经验,软件结构见图6-2操作系统图6-2软件结构分层分布式体系结构,使系统软件和相关的硬件设备可根据实际需求按照不同的阶段计划灵活配置,逐步投入、扩展、升级,充分保证先期投资的可利用性和扩展性
6.2配电自动化主站硬件配置配电自动化系统需处理和存储的数据是海量的,包含了大量的实时信息和种类繁多的管理信息,因此采用数据处理能力强、安全和可靠性高的服务器系统;而各客户端采用界面友好的图形工作站工作站及服务器选用高性能、基于RISC技术的SUN系列计算机,系统硬件平台性能优越、稳定根据上述分析结合城区的实际情况以及长远的发展规规划,我们提供以下主站系统硬件设备配置方案,
6.3配电自动化系统软件配置根据某配网的现状,结合实际需要,本着实用、先进的原则,某城区配电自动化系表6-2系统平台软件配置序号软件名称单位数量备注1操作系统(服务器版)套22操行系统(工作站版)套63数据库软件套1表6-3应用软件配置软件名称具体配置单位数量备注常规SCADA部分支撑平台软件网络通信系统套1进程管理系统人机界面软件数据库管理绘图包软件SCADA应用软件数据采集软件套1数据处理软件监控软件打印软件报表软件DA应用软件故障诊断、隔离软件套1供电恢复软件配电GIS及应用配电GIS平台软件套1配电GIS应用软件套1维护软件配电网在线维护软件套1高级应用软件网络拓扑套1负荷预测WEB浏览软件WEB浏览套1接口软件与MIS系统、投影系统、营销管理系统套1统的软件配置方案见表6-2和表6-37配电自动化子站的设计配电子站主要采集变电站内RTU和户外各种RTU(FTUTTU等)的数据信息,并进行数据汇集和转发由于配电子站管理的RTU数目众多(是变电站监控系统的3到5倍),由此要求配电子站有高可靠性和灵活配置的设计根据某城区电网的现状,考虑在中心变设置配电子站
7.1配电子站设计结构
(1)采用工业用的标准结构机柜,可灵活配置电力系统常用尺寸机柜;
(2)采用插件式一体化组合技术,保证子站系统的可扩展性和配置的灵活性;
(3)采用工业用微处理器,保证子站的高可靠性,高抗干扰性;
(4)采用多CPU分工管理,保证系统的高效性、高实时性、高可靠性;
(5)子站软件采用分布式体系结构;运行µtron嵌入式实时多任务操作系统,保证系统的实时性;
(6)硬件免维护时间>10年
7.2配电子站实现的功能配电自动化系统的配电子站安装于变电站中,在整个配电自动化系统中完成通讯和数据预处理的功能配电子站对变电站RTU设备和杆上FTU设备及其它远方终端进行控制、监视,将收集到的数据进行转发,通过光纤方式与前置服务器进行通讯
7.
2.1数据采集和传输
(1)数据采集配电子站提供丰富的国际和国内标准的通讯规约如CDT、扩展CDT、u4F、POLLING、IEC
870.5-
101、8-FW、SC1801等与变电站内RTU通信,进行数据的采集数据信息包括状态信息、测量信息、脉冲量及其他信息配电子站提供目前流行的多种通讯规约如DNP
3.
0、IEC
870.5-101IEC870.5-
104、AF、POLLING、新部颁CDT等,与户外终端设备进行通信,进行数据的采集,数据信息包括状态信息、测量信息、控制反校信息及其他信息某城区配电自动化系统选用DNP
3.0通信规约
(2)数据传输配电子站与主站和配电终端进行通讯,接收来自配电终端的实时运行数据并向主站转发,接收来自主站的遥控命令并向相关的配电终端转发提供一个RS232C通讯接口与变电站的RTU通讯支持RTU、FTU主动上报数据传输方式,能及时报告故障信息,支持任意类型的数据模块传输信息数据的预处理支持远方对时,并将对时信息转发给配电终端
7.
2.2故障处理配电子站与配电终端配合具有区域内(或站内)的故障识别、故障隔离和恢复供电的功能
7.
2.3控制和通讯监视功能控制通过与变电站远动RTU的通信实现对10KV出线开关的控制通过线路上的各类终端实现对分段、联络、环网柜开关的控制通道监视监视各通道的工作状况,并上传给主站系统通讯状态的监视监视各终端的通讯状况,并上传给主站系统
7.
2.4其它功能当地维护功能配电子站提供一个现场监控和维护的通讯接口,可利用笔记本计算机与配电子站通讯,查看和设定各种数据信息自诊断、自恢复功能远程维护功能
7.3配电子站通信接口
(1)与配电主站的通讯接口采用光纤网络通讯方式实现配电子站与配电主站通讯,提供国际和国内标准的通讯规约
(2)与户外配电终端的通讯接口针对某电业局的具体情况,配电子站与FTU间的通讯借用配电子站与主站间环网光纤通道,可以减少投资,提高资源利用率;TTU采用RS-485串口通过有线双绞线接入FTU的光纤通道,实现与子站的通讯
(3)与变电站综合自动化的通讯接口采用RS232C与变电站综合自动化系统通讯,提供丰富的国际和国内标准的通讯规约,数据传输速率300--9600bps8配电自动化系统主站功能配电自动化主站系统是配电自动化系统的最高层,负责某城区配电网的监视控制SCADA功能、整个系统采用一体化设计思想,将SCADA/FA、GISAM/FM/GIS、配电网高级应用软件等各子系统有机地结合在一起,通过一体化设计,在主站系统中基于友好的人机界面,以简捷、清晰、快速的方式监视与控制配电部分系统的安全、可靠和经济运行,当线路某一处发生故障时,事故信号即能反映到SCADA部分,同时在GIS的画面上也能反映出事故发生的情况和它影响的区域,同时又启动高级应用软件部分的网络拓扑分析功能系统软件是基于开放式、一体化设计思想的SCADA/DMS软件支撑平台系统集成了配电自动化系统、负荷管理系统、GIS系统等多个子系统,它做为人机交互的窗口,可完成各种图形显示、系统保护、设备管理、报表打印、与其他对可控装置调节功能通信系统完成配电子站及馈线数据的收集、整理、上传给后台机和人机工作站,负责对通信规约的解释和翻译
8.1配电SCADA系统的功能配电SCADA管理的设备一般点多、面广分散在城市的各个地理位置,对配网设备运行的状态监视和管理离不开地理信息系统的支持配电自动化系统的SCADA功能的开发基于图形支撑平台AM/FM/GIS与地理信息系统高度集成在一起,真正达到了一体化的设计,实现在地理图形上的配网设备实时监控和远方遥控功能,并同时保证在GIS上的图形浏览速度不仅能够实现常规的SCADA功能,即对配电终端设备的数据的采集、传输、交换与处理,控制操作、事件记录与报警等四遥功能的监控、报警之外,还可对其自动化系统本身的状况,配电网的运行状态,变电站的运行状态以及各类终端的运行情况进行了详细监视
8.
1.1本身运行状况的监控功能具备系统监视和自诊断功能能够时刻监视系统的运行工况,当系统的运行状态和系统设备发生异常时,该功能能够通过画面、音响、打印等报警手段向操作人员发出通知,并在事件记录中详细记录具备对构成整个配电自动化系统(DAS)的设备、运行软件、外围设备进行监视和控制功能,主要包括DAS计算机系统DAS系统计算机网络DAS运行软件数据库前置服务器通信设备 子站通信设备根据对DAS系统运行的影响程度又分为轻故障、重故障和外围设备故障不同的级别进行不同的处理
8.
1.2配电网运行状况的监控功能系统能够对整个配电网网络的运行状态进行很好的监视,如系统对多条10KV线路间是否环网运行、配电网系统10KV线路是否过负荷、配电网系统10KV线路是否有故障等进行监视,配电网系统如出现上述情况,有画面报警和声音报警闪烁提示,并列表显示配电网系统的具体故障或异常的情况,及时通过对应画面、记录等提示给调度员电网状态有两种表示方式示意性表示和地理性表示示意性表示即简化表示的目的是对电网结线现状能清晰及容易的了解是用示意图形式表示电网状态的表示方法地理性表示即完全表示是根据电网的示意图而来的,主要的要求是以地理坐标为基础,把电网示意图与街道及地形的地图结合在一起地理性表示法能使调度人员及时性指导现场工作人员使要进行工作的设备或要清除的故障处于安全而有效的状态这个表示方法提高调度人员指导几个现场同时工作的效率,也可以减少现场工作人员到达指定设备或故障地点的时间对于配电网来说,由于调度员和现场工作人员的工作需要,这两种方式都是需要的配电网运行状况的监视包括配电网设备运行监视配电系统内的任何一个设备与标准运行状态不一致,系统都会提示给调度员;过负荷监视系统能够监视当前和两个小时后是否发生过负荷;事故监视配电系统线路发生故障、开关偷跳和由于变压器的电源点停电,系统都会通过事件记录、画面、配电系统图等告诉调度员哪条线路、哪个区间,发生了哪种事故,这样调度员可以提供足够的信息给检修人员,从而得到快速解除故障和恢复供电RTU异常监视监视各种终端设备是否发生异常,并且可以方便的推出异常点终端在GIS画面的位置,迅速查找故障点
8.
1.3变电站内设备的监控功能系统不仅可以实现对变电站内开关、变压器、母线等设备的监控,而且对变电站内设备的运行情况以及变电站整体运行情况进行了监视,如对变电站站内的开关、保护等信息进行监控,采集变电站遥测信息站内的任何信息发生变化,都可以通过变电站监视功能,在变电站主接线图、主菜单等地方进行反映系统以不同的颜色表示变电站的不同状况,例如红色表示变电站线路有故障,蓝色表示变电站通信异常,黄色表示变电站有检修等,本功能通过变电站模拟图来实现
8.
1.4户外设备的监控功能配电自动化系统能够对户外的各类一次设备(柱上开关、环网柜、配变、开闭所等)进行四遥监控,并对相应的各类终端状态进行监视在四遥的监控中系统采用面向对象的操作方法,在以地理信息为背景的配电系统图上控制开关分/合、整定RTU的参数且在选择开关时,系统自动在画面上详细地显示设备的最新状态和对进行操作带来的后果如可能引起停电、过负荷、环网等情况,进行检查,并提供给调度员进行参考
8.
1.
4.1柱上开关配电自动化系统能够对各种类型的柱上自动开关进行监视控制
(1)选择进行的控制,系统将进行各种检查,弹出警告对话框,告诉调度员操作带来的后果,调度员在确认后选择执行,进行控制
(2)系统发出选择、控制指令后,对返回的信息进行检查,同时把操作结果反映在配电系统图、事件记录等地方图8-1配电GIS功能
8.
1.
4.2配变对配电变压器的运行状况进行监控,采集和快速刷新配电变压器的各种遥测信息,并把采集到的遥测信息进行分析处理,制作成各种曲线、报表提供给调度人员作为参考
8.
1.5电网负载监视功能此功能对某城区低压电网的各部分的负荷提供最佳可能的估算也能计算整个电网的电压和设备负载并检测出过负荷或电压问题估算的负荷是根据用户典型负荷曲线、直线测量和两者的组合用户典型负荷曲线是由负荷调查而来的,就是由若干单独用户的负荷变动测量值收集进来并用统计方法处理而产生的曲线此功能可产生更好的负荷估计,可以减少额定功率与预计功率之间的余度,从而可以节约电网投资
8.2配电网专用AM/FM/GIS功能根据某城区配电网自动化运行特点,将配电GIS、AM/FM、配电SCADA从根本上一体化设计,形成一个具有空间概念(地理环境信息)和基础信息(电网资料及用户资料)的分层管理基础数据库,既能实时监控配电网的运行,又能为电力系统运行管理提供具有地理信息的网络模型,支撑系统应用软件的开发和其他功能的实现系统的配电GIS是把实时的GIS作为配电自动化系统不可分割的一部分,将复杂的配电网络与地理信息背景紧密地结合在一起,图8-1所示为配电GIS系统功能列表它包括地理信息系统和配电系统图两个部分,地理信息系统主要包括地图的编辑、制作、管理、输入、输出以及查询和显示等,配电系统图包括配电系统信息、变电站信息、管理区域信息、分层的街道地图信息、辖区边界信息、通讯系统信息等配电用画面,地理信息系统作为配电系统图的背景,配电系统图以地理信息为参照通过把SCADA系统高实时性和GIS的图表特性相结合,采用了所有数据库都由数据管理系统进行统一管理,即在数据管理系统上配置了在线数据库,将GIS图表数据建立于数据管理系统之上,图表数据中包含了与配电网设备相对应的图形数据和拓扑数据,从而保证了SCADA系统的实时性进行任何关于GIS的操作时,保证快速响应,如漫游、小范围移动、显示设备信息等,都不会存在视觉暂留可以各种设备进行分层管理根据某城区配电网运行的特点,提供专有图层给调度员,以便进行配电网设备的操作和管理如系统提供专门的图层自动开关层、开关层、备注层、街道图层、通信线路层等
8.3配电生产管理系统某城区配电生产管理系统是在GIS数据库平台上,借助AM/FM技术,将电网系统图,城区地形图,电网设备及设备及属性数据有机结合起来在生产系统进行日常管理的一种应用结合SCADA,可在地理信息图上实时反映配电设备的实时数据,为生产、设计、施工、停送电管理提供辅助决策图8-2所示为配电生产管理系统的功能结构图,其主要功能包括显示管理、设备管理、查询统计和辅助作图,以及系统设置等等
8.
3.1显示管理显示管理包括以下内容:
(1)地图放大可以把地图按照以一点为中心放大显示,或放大某一区域,或指定比例放大
(2)地图缩小可以把地图按照以一点为中心缩小显示,或缩小某一区域,或指定比例缩小
(3)地图打印打印当前地图部分,或指定打印区域,与本功能相关的是打印预览功能
(4)设备选择可以按照矩形、多边形、圆形、点的方式选择当前活动图层上的设备进行查询、编辑、删除等操作利用移动功能,可以移动选择区域,浏览地图数据
(5)图层控制在供电管理地理信息系统中地图被分为不同的层,如开关、杆塔、变压器、线路、道路等显示时各层叠加显示,并可以设备每一个层是否可见、是否为活动状态一般查询时,只能查询处于活动状态的层的数据如当前为线路层,则默认选择查询的是地图上的线路
8.
3.2设备管理设备管理用来编辑、查询设备信息,其中设备可以是线路、开关、杆塔、变压器或其他地图上的电力设备另外,设备管理还包括日常工作中设备的维护记录、巡查记录、缺陷情况等这些设备的属性是配电管理系统的基础,其他高级分析、模拟操作等都要用这些数据
(1)增加设备在地图上增加一个指定类型的设备,先选择要增加的设备的地理位置,再选择设备的类型,并录入设备的属性数据
(2)删除设备从地图上删除当前选中的设备,可以在地图上选取某设备后删除它,也可以利用数据库查询产生结果,要结果表中选择设备后,删除设备
(3)编辑设备属性修改当前选中的设备的属性数据,或者在地图上调整设备的地理位置
(4)查询设备信息可以利用地区选取要查询的设备,也可以分别按照名称、日期等信息选择设备,然后显示选中的设备属性,如静态属性数据、动态实时数据、缺陷登记数据、照片等用户可以选择显示设备的维护记录、缺陷记录等其他信息
(5)设备维护记录设备维护用来记录设备的大修、小修和其他维护信息设备缺陷记录也是设备维护记录的一部分
(6)设备巡查记录巡视计划及执行情况表,负荷测量记录、接地、测量记录等
(7)设备维护、巡查记录查询按照设备名称或日期等属性数据查询设备的维护情况与巡查记录
(8)设备过期分析根据设备的出厂日期和最后检修日期,以及设定的设备维修期限,分析该设备是否需要进行维修
(9)缺陷管理缺陷管理用来登记、查询电力系统的设备缺陷供检修、倒闸操作时参照记录缺陷的登记日期、发现人员、缺陷等级等设备的缺陷记录,对于设备查询、设备维护、模拟操作、停电分析等具有重要的辅助作用缺陷查询时,可以按照设备、名称、分类、等级、状态(是否以消除)、发生时间、处理人员等统计查询设备缺陷
8.
3.3查询统计配电生产管理系统的查询统计包括以下内容:
(1)按线路查询显示某一线路,或某一段线路的属性数据和统计数据,并在地图上加亮显示相应的线路线路统计数据有线路长度、线路上的变压器容量、线路上的开关个数、线路上的用户数目等
(2)按开关查询显示某一开关的属性数据和开关影响的线路统计数据,并在地图上加亮显示相应的线路
(3)按区域查询查询某一区域的统计数据,如线路长度、线路上的变压器容量、线路上的开关个数线路上的用户数目区域类型可以为矩形、圆形、多边形、点、线等多种形式
(4)数据库综合查询支持按照任意逻辑表达式组合的数据库查询,如按照日期、容量等,用户可以自定义查询条件,并且多个条件间可以按照逻辑关系任意组合
(5)数据分析图把统计分析结果,用曲线图、条形图、饼图等方式显示出来
(6)地理综合查询可以进行地理查询,如地理位置上相交、相临、一定范围内等十几种地理关系,查询与当前选中的设备有关的信息7实时数据查询可以进行实时数据查询,查询的方式有利用地理位置进行查询、利用日期范围进行查询、利用属性数据进行查询等,数据的显示方式有网格、报表、数据曲线等多种方式8模拟运行模拟运行主要指开关/倒闸模拟操作模拟进行开关倒闸操作,操作结果不写入到实际数据库,模拟操作的操作记录可以打印倒闸操作关系到电力系统的安全,稍有差错,就会造成设备损坏,部分停电,或者人员伤害,模拟操作可以起到一定的辅助作用在模拟操作时,系统首先显示相应设备的属性数据,以及该设备的缺陷记录、检修记录等,可以打印出来供操作人员使用9停电范围分析停电范围分析统计当倒闸操作或出现设备故障(线路故障、变压器故障等)后,配电网停电范围、停电用户等停电结束时,分析停电对可靠性的影响
8.
3.4系统设置配电生产管理系统作为计算机信息处理系统必须提供基本的系统设置功能
(1)用户权限分配当用户使用需要进行限制的功能时,提示输入用户名称和用户密码,通过检查密码是否正确决定是否提供用户相应的功能权限分配用来增加、删除、修改用户的权限,用户权限为图层编辑权限、设备维护权限、辅助作图权限、模拟运行权限、高级分析权限、工作票权限、操作票权限、系统配置权限、用户管理权限等,一个用户可以拥有一到多个权限
(2)系统状态设置系统状态设置用来切换系统的运行状态,系统状态有编辑运行状态、模拟运行状态、实时操作状态三种1)在编辑运行状态下,可以修改、编辑系统设备、线路等属性,增加、删除设备等,其他状态不允许编辑数据,编辑状态下不能现场操作2)在模拟运行状态下,可以进行模拟倒闸操作、停电范围分析等,不能进行编辑操作3)在实时运行状态下,可以进行倒闸操作、挂牌操作等,不能进行编辑操作
(3)打印机设置和打印预览打印机设置用来设置打印机的属性,如分辩率、纸张大小等打印预览可以预览打印结果,可以缩放、打印、换页等
(4)系统运行日志日志中自动记录了重要操作,也有操作员添加的说明等,同时,对于需要记录细节的地方,如编辑地图时,记录编辑的时间、编辑内容、操作员名称等该功能用来浏览、添加、备份历史日志记录
8.
3.5辅助作图配电生产管理系统的辅助作图功能,指的是系统能生成生产管理所需要的各种辅助图,如电力网络接线图、单线图,并对各种图形进行打印输出以及进行其他管理
(1)电力网络接线图生成电力网络接线图,在接线图上标出线路、变电所变压器等
(2)生成单线图生成某一线路的线路图,标记出有关的重要设备,如变压器、杆塔等
(3)生成自定义地图打印用户可以自定义打印布局,选择需要的图层
(4)生成地理拓扑关系根据地图上的地理信息,生成系统分析时使用的数据结构
(5)外部图形数据管理可以输入、浏览、查询外部图形数据,如AutoCAD绘图,扫描的工程图等
8.
3.6配电生产管理配电生产管管理主要包括工作票管理、操作票管理和停电管理三项功能图8-2某城区电业配电生产管理系统
8.
3.
6.1工作票管理依据低压电气安全工作规程,在两种情况下需要填写工作票:
(1)凡在高压设备上进行检修、实验、清扫、检查等工作时,需要全部停电或部分停电的,需要将高压设备停电或做安全措施的,需要填写第一种工票
(2)带电作业和在带电设备外壳上的工作控制屏和低压配电屏、低压配电箱、电源干线上的工作,电器二次回路的工作,无须将高压设备停电的,需要填写第二种工作票工作票管理功能帮助调度员生成、修改、保存工作票,并且进行必要的安全校验具体功能要求1开关计划提供工作票知识库的维护与修改工具,制定新的开关计划2)开关校核使用互锁功能,通过拓扑校验与逻辑校验对操作进行校核3)确认和执行通过SCADA系统执行(分步顺序执行或者自动执行),或者打印出来手工执行工作票的执行过程如下
①工作许可申请在开出工作票之前,需要填写工作申请表,说明工作的内容、时间等
②工作票生成工作票浏览、增加
③线路操作及挂接地牌设备挂牌操作,或设备取消挂牌操作
④工作票提交提交工作票,取消挂牌,并提醒是否进行缺陷处理、设备维护记录
⑤工作票查询按照日期、时间、类别、负责人、操作人、设备、完成情况等查询统计工作票信息
8.
3.
6.2操作票管理在电气设备上进行倒闸操作,必须填写操作票操作票是值班人员进行倒闸操作的书面命令,操作命令一般由电力调度或变电所所长等三权人员下达,由值班班长填写操作票,并由调度或变是所所长核对无误后,才能签发操作票操作时由值班班长持票并作监护人,先进行逐项模拟操作,以核对操作票填写的正确性并熟悉设备接线,然后再到现场进行实际操作操作结束时,要注销操作票操作票管理功能包括操作过程标准化,操作准备、校核、确认操作命令的发送和记录,在整个过程中的在线帮助具体功能如下
(1)操作票的准备与确认
(2)操作员选择了一个设备,根据网络和所先的变电站,相应的菜单将会弹出
(3)所有的设备操作都要有统一的操作命令格式,其中包括日期、时间、命令和选择的操作图形等等,操作命令通过记录过的命令操作产生
(4)一个新的操作由以前定义过的操作组合而成,操作票的检查通过模拟每一次操作命令的结果来检查
(5)操作票生成,可以利用计算机操作模拟,由模拟操作的步骤生成操作票,或手工输入操作票生成操作票后,可以打印输出
(6)操作票提交,提交操作票,并提醒是否进行缺陷处理、设备维护记录
(7)操作的执行,操作命令按下列方式执行1)按命令一步一步执行2按照调度员选择的操作步骤自动执行,执行过程中发现异常自动停止所有的操作命令结果都会显示在操作图上,所有的操作命令都有记录,系统通过拓扑检查和逻辑检查确认每一个操作的执行符合安规的要求,例如,在挂牌之前检查网络是否隔离以避免带电线路接地,检查倒闸和设备分闸过程中是否会引起对用户的供电中断
(8)操作票查询,按照日期时间、类别、负责人、操作人、设备、完成情况等查询统计操作票信息
(9)日志记录,记录操作时间、操作员的名字和操作过程中系统发生的事件和工作资料、工作情况等等
8.
3.
6.3停电管理目前普遍认识到,故障处理的快慢及停电期间对用户质询的答复,是供电部门服务的重要内容,因此停电管理也是配电管理系统的重要内容之一在电话通信已经普及的情况下,尤其如此,从自动停电监测系统或电话投诉获得信息后,停电管事程序就会启动GIS、SCADA等相应的功能模块和检索有关的数据库,迅速判断故障地点和范围,作出事故处理的决策,然后将决定送达工作管理模块,必要时还要检查备品备件状况工作管理程序启动后,就会派出人员,调动车辆,并根据操作票的内容携带必要的工具和备品备件去处理事故
8.
3.7配电运行管理某城区配电运行管理功能可分成电网运行、运行计划及优化、维修管理及用户管理和控制等四个主要功能组,分别描述如下
(1)电网运行电网运行功能是电网的数据采集、数据的刷新,对电网实现控制和监视,检测电网扰动,实现故障管理运行统计及报告功能使之得到在线数据并对系统效率及可靠性进行反馈分析
(2)运行计划及优化运行计划及优化功能是使设备在配电系统上进行维修工作时能确定、准备和优化所需的操作顺序1电网运行模拟能用来估计电网上操作命令的后果和对用户的供电,以便确定最佳操作顺序和优化电网拓扑结构2切换操作模拟,能处理操作命令,拟定运行指南,派出修理班组,通知受影响的用户等,帮助收集数据并以需要的方式输送出去3)电力收入的安排和优化,使平均购入电力接近合同规定值,目的是使购入电力的费用最小
(3)维修管理维修管理集中地处理所需要数据以调整维修政策,通过专用的工作任务单和监控该维修工作是否有效,对计划维修工作提供条件1)运行统计分析,能提供收集运行数据和进行反馈分析的措施2)维修工作计划及控制,可确定工作范围,分派所需力量,跟踪工作进度
(4)用户管理和控制用户管理和控制功能包括为了运行和商业目的所需的、同用户接口有关的各种情况的管理和控制,主要包括1)负荷及抄表控制,能提供必需的设施用于负荷控制、动态计费、电能需量的监视和控制2)工作任务单,能帮助收集所需数据以颁发与用户供电点维修工作有关的工作任务单,如表计装置,用户申请等,并帮助控制其工作进度3故障处理,在事故时,能及时处理故障报修电话,并提供恢复供电情况的信息系统对故障的处理包括四大部分即故障隔离及电源侧非故障区间的供电恢复、负荷侧非故障区间的负荷转移、故障区间解除及恢复送电、原供电网络的恢复故障隔离、电源侧区间的恢复供电和负荷转移的全部过程都可由系统自动来完成,并可依据局内规定的格式自动生成操作票故障区间解除后,恢复送电及原供电网络的恢复则是由系统自动生成恢复程序,由操作人员确认并执行,同时生成操作票图8-3事故处理系统对负荷侧非故障区间的负荷转移处理,主要依据系统中的负荷转移决策程序系统对电流型和电压型设备的事故都能进行处理,事故处理过程见图8-
38.
3.8配电网在线维护配电网的维护工作是配电自动化系统运行中必须且长期的工作,配电网的复杂性又决定了配电网维护工作的重要性和高的安全可靠性针对配电网会经常随着某城区建设发展的需要而改变的特点,因而要求配网调度人员能够对配电网情况了如指掌,且随时随地的快速反应配电网运行中的情况是不切实际的系统应具备在线维护功能,并充分考虑配电网的这一特点,通过强大的GIS设计、采用针对配电网特点设计的网络拓扑关系,提供了强大、严谨的配电网在线维护功能配电网在线维护主要完成功能配电网设备的增加、更换;配电网设备属性的修改;通信线路图层的修改;对系统所特有的设备数据和画面数据等进行修改;设备图形符号的添加和修改等
8.4高级应用功能配电网的级高级应用软件也称配电网应用分析软件,其主要功能是针对正常运行网络模型的优化,或者保证安全经济运行在配电网自动化系统中,调度员直接面对电力系统的最终用户,同时,配电网络更庞大、更复杂,网络设备操作更为频繁,因此配电网高级应用软件功能着重在实时网络模型下完成和用户供电相关的各类应用主要包括;网络拓扑、在线仿真、负荷预测、配电网潮流计算、配电网重构等
8.
4.1网络拓扑系统具有网络拓扑功能,不仅具有电源跟踪、动态着色等功能,还能根据开关的分/合改变网络结构时,系统也随时改变拓扑结构,并能在GIS及时反映出来系统的拓扑功能主要体现在电源跟踪动态着色单条配电线显示多条配电线强调显示环网跟踪
8.
4.2在线仿真培训功能由于配电网的调度操作难度较大,特别是故障处理操作过程较为复杂,如果不对操作人员进行严格的培训,操作人员将无法胜任调度操作,而在线的故障试验无法随时进行,因此调度员培训在线仿真功能就显得尤其重要在线仿真主要包括以下功能模拟现场设备的操作和系统的状态变化;模拟遥控开关状态变化;模拟非遥控设备现场操作;模拟电源侧设备的操作和负荷侧遥控开关的动作;模拟故障;事故反演;操作员培训通过在线仿真功能可以实现用实际配电网在线数据对系统的仿真,不仅可以用于调度员的培训,而且也可用于调度员操作分析和操作预演;在线运行和在线仿真采用一体化设计,实现了仿真时系统依旧对在线运行进行监视,当在仿真时配电网发生事故,系统会自动切换到在线运行并进行事故处理
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4.3负荷预测配电自动化系统的负荷预测主要为配电网的经济运行负荷转移提供服务,其短期的负荷预测(几个小时的负荷预测)用于负荷转移时考虑负荷转移后短期内是否会发生过负荷现象中长期的负荷预测用于配电网系统的负荷平衡及为电力系统正常运行的工作安排、选择设备、增容等提供依据
(1)短期负荷预测短期负荷预测是根据测量出的配电线电流的历史值作成负荷曲线模式,然后根据负荷曲线模式来预测2小时或更长时间后负荷情况(是否会过负荷),在负荷转移时不仅要考虑当前负荷情况,还要考虑负荷转移后未来是否会过负荷,如果将来会发生过负荷则系统会进行报警提醒操作人员改变负荷转移路径
(2)中长期负荷预测中长期负荷预测采用专家系统预测方法,对负荷分类分别进行预测,选择出最适合的预测数据提供给用户,为电力运行的负荷平衡和电力用户增容、选择设备、电力系统工程设计提供数据
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4.4配电网潮流计算对辐射形和环形网络提供平衡或不平衡潮流算法,能够在控制下对整个配电网络进行潮流分析也能够自动计算部分系统潮流在研究方式下,调度员可启动潮流程序以便研究对付突发事件的策略为保证在各种实时和研究方式下都能得到收敛潮流解,配电潮流应能提供多种潮流算法牛顿—拉夫逊在常规配电网中一般有很好的收敛性,但计算时间比较长,而基于BX型的快速解耦潮流计算法在常规配电网中收敛性也很好,而且计算速度快在配电网中网络结构基本以馈线为单位,如果采用常规潮流计算方法,相当于要针对多个馈线进行,在大量分析应用功能中潮流计算作为功能模块需要快速调用,因此需要寻找适用于配电系统的更快速、更有效的潮流算法
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4.5配电网重构配电网重构是在满足网络约束和辐射状网络结构的前提下通过开关操作改变负荷的供电半径以平衡馈线负荷,使网损最小提高系统运行的经济性一供电可靠性网络重构一般分为两种,即以配电负荷均衡化为目标的网络重构和以线损最小化为目标的网络重构一般来说,在馈线分段不是很精细的情况下,馈线间的负荷转移必须成组进行,两类网络重构的结果是很接近的
8.5配电WEB浏览功能企业内部网是在LAN和广域网的基础上,基于TCP/IP协议,广泛使用WWW等Internet技术,采用防外界入侵的安全措施,为企业内部服务,并具有连接Internet功能的内部网络企业内部网是某城区配电自动化的重要组成部分,对企业的领导层来说,也需要查看配电网运行情况但在每个客户端安装系统,需要大量的软硬件投资,而且配电网控制的安全性也难以保障把配电网实时数据发布到企业内部网上,通过办公室的浏览器随时查看远程配电网的运行情况,领导如临现场,不但节约了客户端的软硬件费用,减轻远程运行管理负荷,而且避免重复投资系统可通过浏览服务器提供浏览功能,界面与调度员工作站界面一致,通过浏览器能够浏览配电网运行状况配电网设备属性GIS图形无级放缩、区域放大、恢复等操作各种曲线、报表的查看超级连接查看数据查询实时数据刷新
8.6与其它系统接口功能
(1)与调度自动化系统信息交换提供给调度自动化系统的信息,包括配电系统实时信息、网络拓扑信息、请求控制变电站设备命令等调度自动化系统提供给配电自动化系统的信息,包括变电站出线开关的状态、二次断路器状态、母联开关状态、出线保护信息等实现方式用配电子站通过RS-232以标准规约与变电站的远动RTU进行接口方式施工简易,通信方式成熟,调度自动化系统可通过通过Web服务器浏览配电自动化系统
(2)与MIS系统的信息交换MIS通过配电自动化系统的WEB服务器,可以浏览配电自动化系统的各种数据,如配电网运行状况、配电网设备等配电网调度自动化系统可以通过Web服务器浏览MIS系统
(3)与YX2000(用电营销管理)系统的接口YX2000系统通过配电自动化系统的WEB服务器,可以浏览配电自动化系统的各种数据,如配电网运行状况、配电网设备等
(4)与投影系统的接口RGB接口方式,即系统画面,通过RGB接口与投影设备连接,信号同步显示在投影屏与工作站的显示器上9结论本文对某城区配电网络自动化进行了开发研究,提出了符合某城区实际的配电网络自动化整体设计方案,利用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术与电力设备相结合,将配电网在正常及事故情况下的监测、保护、控制、计量和供电部门的工作管理有机地融合在一起,改进供电质量,与用户建立更密切更负责的关系,实现了由多岛自动化向开放式、综合集成方向发展根据配电网的地域分布性特点,为了提高配电网的供电可靠性,采用集中与分布相结合方式同时为了进一步提高整体系统的安全可靠性,主站软件功能分散,以SCADA为主体的实时监控功能独立运行,以GIS地理信息系统为主体的在线管理功能独立运行,电网分析计算功能独立运行,各功能间内核数据库、微内核调度等一体化设计,保证信息的可靠、高效、优质共享遵循各种相关的国际标准、国家标准,保证系统的开放性、可扩展性和实用性同传统的配电自动化相比,本方案自动化技术有以下特点
(1)配电线路采用先进的开关设备,自动化程度高,故障后恢复供电无人工现场干预,大大缩短停电时间
(2)配电线路开关设备的控制采用智能监控FTU,FTU不仅仅是控制器,而且是配电自动化向下延伸的终端装置
(3)引入通信系统,将设备状态、线路负荷等信息传送到变电站和配电管理中心,同时下传上级的操作指令
(4)广泛引入计算机及数字多媒体技术,除了实现语音报警、图像处理、数字式模拟盘控制等以外,还扩展了一些功能,如配电自动化地理信息系统AM/FM/GIS、配电自动化调度员仿真DTS、配电自动化能量自动抄收、配电自动化/变电站自动化/电网调度一体化管理还需要指出的是,鉴于目前国产配电自动化开关设备技术水平不高、配电自动化方面没有统一标准和规范等在本论文中有关通讯规约标准、小电流接地系统的单相接地故障等方面问题没有得到较好的解决为此提出以下希望1)进一步研究解决与提高配电自动化水平有关的关键技术问题,如改变国产自动化开关设备性能差、供电可靠性低、维护工作量大的现状,解决提高自动化开关的可靠性及可维护性,解决小电流接地系统的单相接地故障、断线故障的检出技术等2)加强关于配电自动化方面的标准和规范的制定,使开展配电自动化工作有章可循,更好地解决配电自动化要做什么、怎么做的问题,统一标准、统一规范、统一规约,达到设备通用,软硬件兼容,充分利用系统资源,做到信息最大限度共享3)利用当前计算机、数据网络、图形处理、数据库、人工智能等飞速发展的形势,使配电网自动化系统更具开放性,实现系统间的互操作和“即插即用”,努力完善已有的配电自动化系统遵照IEC61970EMS–API接口标准,开发更加开放、更加实用的新系统参考文献1王明俊.发展中的配电系统自动化.1999.电力自动化设备.193:1~42周昭茂邵源.配电综合自动化系统探讨.1997.电力自动化设备.174:7~93中华人民共和国能源部、建设部.城市电力规划设计导则.1993.北京水利电力出版社4王章启顾霓鸿.配电自动化开关设备.
1995.北京:水利电力出版社5王明俊.配电系统自动化的综合优化设计.
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1997.《电气开关》.No.418~2110王晓春.配电自动化系统功能探讨.
2000.华北电力技术.No249~5111史兴华钟辉.配电管理系统选型应注意的几个问题.
1999.电力系统自动化.2324:51~5212DistrbutionAutomationAuthorialCourseIEEEWorkinggroupondistribution.199813TCCommunicaticationsTC2100TC2101User’sManual199914KuoHCHsuYY.DistributionSysetemLoadEstimationandServiceRestorationUsingFuzzySetApproach.IEEETransactionsonPowerDelivery19938415LeeSJLimSIAhnBS.ServiceRestorationofPrimaryDistributionSystemBasedonFuzzyEvaluationofMulti-Criteria.IEETransactionsonPowerSystems,1998,13
(3)16HsuYYHuangHMKuoHCetal.DistributionSystemServiceRestorationUsingaHeuristicSearchApproach.IEEETransactionsonPowerDelivery199242致谢本论文是在李艳军老师的悉心指导下完成的,从论文的选题研究到撰写定稿,都得到了老师精心细致的指导老师十分注重从复杂的现象中抽象出最本质的东西,帮助我建立清晰的思路,对研究工作顺利完成起到了关键作用在论文研究阶段,从老师那里不仅仅学到了专业知识、思考问题的方法,更学到了严谨治学、积极进取的科研精神和人生态度老师广博渊深的知识,精辟透彻的见地,发现问题和解决问题的办法,以及不断对新领域、新方法探索研究的精神,使我在学士论文研究阶段受益非浅,而且将使我终生受益在此,向老师表示由衷的感谢!最后,向在此期间帮助过我的同学和亲友表示我诚挚的谢意城区配电自动化主站中心变子站配电终端配电终端配电终端配电终端柱上开关柱上开关柱上开关配电室配电变压器配电终端光纤主站子站FTUTTUTTUTTU抄表主站用户表计MODEMMODEMMODEMMODEM集中器1集中器2集中器5集中器3集中器4MODEMMODEM电话线小区1小区2小区3采集终端用户表计低压载波抄表主站用户表计用户表计前置机配电主站子站FTU集中器采集终端光纤光纤低压载波双绞线主站子站CPPCPPCPCP主环FTU主环FTU抄表集中器用户低压电力载波支线FTU/TTU支线FTU/TTU双绞线单模光纤多模光纤双环自愈用户主环FTU主环FTUGPSWBE服务器前置服务器前置服务器主服务器备用服务器磁盘阵列终端服务器在线维护在线仿真设备管理生产管理故障处理配网监控AM/GIS设施数据库历史数据库实时数据库系统管理数据库管理配电GIS功能地图操作图层管理地图放大地图缩小标注中心点初始视呼上一视图数据管理编码维护杆塔数据维护低压线路数据维护变电站数据维护低压配网数据浏览表箱数据维护统计与查询地物查询配变快速查询台帐打印配变分类查询低压线路查询变电站设备查询地图编辑修改地物数据画区域画线输入文字画地物标志符选择填充区域选择线型选择字型选择标识符图元编辑圆形选择测量工具窗口矩形选择单个选择地图编辑事故的定位和隔离非事故区间恢复供电事故区间解除及恢复原供电网络的恢复分布式处理集中式处理以故障电流为事故判定依据的电流型设备以电压和时间为事故判定依据的电压型设备定依据的电流设备配电自动化系统。