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摘要:介绍了某城区供电局实施配网自动化的背景,配网自动化实现原理、实施过程情况,总结了在开展配网自动化系统建设时的经验与教训。
关键词: 城区；配网自动化建设
Abstract: This paper introduces a city power supply bureau in the implementation of distribution automation, distribution automation implementation principle, the implementation process, summarized the development of distribution automation system construction experience and lessons.
Keywords: urban distribution network automation construction;
中图分类号：文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
1 城区供电局配电自动化工程概述
1. 1 自动化改造前供电现状
向城网供电的变电站4 座,有28 条10 kV 公用线路主供城市(含开发区) 负荷,线路主要为架空电缆混合型线路。10 kV 线路柱上开关达120 余台。公变达260 余台,10 kV 开闭所2 座。城区有13 条10 kV主干线和部分主支线具有相互联络的条件,形成主干线环网5 个。均可形成全部和局部网状供电模式。
虽然经过城市电网改造,故障停电次数有大幅度下降,但停电范围仍然较大,故障恢复时间较长。
1. 2 自动化建设规模
经过上级领导的权衡比较和配网的实际情况,最终确定了该城区供电局配电自动化系统建设规模:建设配网自动化控制中心1个,建设配电自动化站控终端3 个(子站) ,建设10 kV 环网线路馈线自动化系统5 个,安装10 kV 配电自动化监控终端(FTU、DTU)74 台,配变监控及无功补偿终端(TTU) 156 台接入系统。建设配网自动化通信系统。
1. 3 自动化系统实现原理和通讯系统原理
1. 3. 1 配电自动化(DA) 功能实现原理
以图1 为例进行介绍:K1、K9 为变电站10 kV 开关,K2～K8 为柱上开关并配有FTU ,K5 为两条手拉手线路的联络开关(均以变电站A、B 的10 kV 出线的自动化信息已到配网控制中心主站为前提) 。
当在d1 处发生瞬时故障:故障电流流过K1、K2、K3 ,FTU1、FTU2 检测到故障电流,但K2、K3 不动作,变电站出口开关K1 瞬时(零秒) 跳开。K1 开关重合闸动作并成功,线路恢复送电。FTU1 和FTU2 不上报故障信息给子站。
图1 配电自动化(DA) 功能实现原理图
当在d1 处发生永久故障(在一般遥控执行正常的情况下) :故障电流流过K1、K2、K3 ,FTU1、FTU2 检测到故障电流,但K2、K3 不动作,变电站出口开关K1瞬时(零秒) 跳开。K1 开关重合闸动作不成功,FTU1、FTU2 再次检测到故障电流。FTU1 和FTU2 上报故障信息给子站A。由于K4 未流过故障电流,因此子站确定故障发生在K3 与K4 之间,命令FTU2 和FTU3分别跳开K3 和K4 ,实现故障的定位与隔离。子站完成隔离故障区域后,上报给控制中心主站,由主站根据故障位置分析恢复供电方式,确定K5 可以恢复K4与K5 之间的线路,命令子站B 遥控FTU4 合K5 开关,同时,命令子站A 遥控变电站A 合K1 开关,实现非故障区域(即K3 开关之前,K4 开关之后的线路) 的恢复供电。
配电主站具有在实现DA 功能时的自动/ 交互转换功能。即在自动模式下,从故障发生到故障处理结束,不需人工干预,但会在告警窗口给出相应提示,告知故障发生的时间、位置以及故障处理过程,并产生故障事项记录,便于事后故障分析。
在交互模式下,故障发生时,会告警并弹出一个窗口,告知故障发生位置,并按优化顺序,给出几个故障处理策略,由调度员选择执行。
1. 3. 2 配网自动化系统通信系统方式
用SDH 光纤以太网传输系统来实现配电终端设备、配电子站、主站之间的通讯。
①主站(配网控制中心) 与子站(站控终端) 之间采用单模光纤,以光纤以太网方式相连。与上级(主站) 通信方式采用SDH 2M+ 路由器,通信规约采用基于TCP/ IP 的IEC104 通信规约。与下级(配电终端如FTU、DTU) 的通信采用DNP3. 0 规约进行。
②子站与干线上环网柜、开闭所、FTU 之间采用光纤以太网通信方式。
③TTU(配变监测终端) 通过屏蔽双绞线就近连到干线的FTU ,由FTU 集中转发信息构成到子站的通信。
城区供电局配网自动化通信及主站、子站及终端之间的通讯拓扑关系见图2。
图2 城区局配网自动化通信系统示意图
由于城区供电局在2000 年就实现了110 kV 及以下变电站的无人值班及综合自动化改造,按照配网自动化实现原理,配电主站必须采集实现配电自动化10 kV 出线相應变电站的10 kV 开关信息并能控制其开关的分、合闸,因此,变电站RTU 中关于10 kV 开关部分的信息还必须接入相应配电子站。
2 自动化实施过程
开工前制定施工计划和方案。
在设备厂家的密切配合下,经过近5 个月的安装与调试,配网自动化系统的主站、子站及配电终端终于调试完毕,相应的通信系统也安装调试成功。在工程安装调试过程中,多次出现了意想不到的问题,比如:
在10 kV 配网建设的时候,由于对城网内柱上真空开关在满足配网自动化上的要求很不具体,只是要求预留配电自动化的接口等。由于所配柱上开关均为单侧TV ,且绝大多数开关在安装时,未将开关的TV 侧安装在线路的电源侧,这样即使线路电源侧带电,也会造成TV 一、二次失电,从而开关弹簧储能电机和FTU 装置失去电源,最终开关弹簧机构无法储能,进而无法电动分、合,造成即使FTU 靠其内部蓄电池暂时可以工作,但却无法控制开关动作。因此,在发现这一情况后,对所有需要安装FTU 的开关均全部作了检查,凡是未按标准接线方式的(即开关的TA 侧应安装在线路的电源侧) ,通过零点作业方式,一一做了改正。
另外一点是开关至FTU 的连接电缆问题,由于没有经验和考虑不周,FTU 厂家也未对连接电缆作具体要求,选用了普通的线径为2. 5 mm2 的单股铜芯线二次电缆,虽然专门请了电器厂专门从事焊接的工人来进行,以确保焊接质量。电缆安装就位后,有些FTU 在安装当时一切正常,运行了几天后,才发现与开关通信出现了问题,经过对出现问题的集中分析,绝大部分出现在连接电缆上,即航空插头的焊接点出现了部分脱落或虚焊现象。后来在FTU 厂家现场技术人员的提醒下,终于找到了造成焊接点出现部分脱落或虚焊的罪魁祸首在于电缆选型上,所选择的电缆铜芯线由于质地较硬,焊接时的焊接点属于硬连接,极易造成上述问题,考虑到将来运行环境的严酷性,保证工程质量,不得不将所有电缆进行更换为多股软铜线电缆,然后对所有的航空插头重新进行焊接后,全部进行了更换。
终端和子站的通讯调试问题也花费了很长的协调时间,由于配网自动化工程设备在省公司统一进行招投标,中标结果确是主站和子站设备为一家,终端为另外一家。在既成事实面前,经与两个中标厂家技术人员协商,按照下级服从上级的原则,确定了由子站厂家提供标准的通讯规约,终端厂家按照规约,与子站先进行通讯调试通讯成功后,再进行终端安装。
类似的问题很多,增加了整个工程施工时间。
在所有子站、终端安装完成后,按照即定施工方案,对所有终端进行遥测精度校验、遥信试验,对每一个接入系统的设备进行了远控试验后,按照上面介绍的DA 实现原理,并进行了配电自动化DA 测试,这项工作一次性通过了试验。
3 经验和教训
经过不到半年的试运行,陆续出现各种状况,造成了整个系统几乎面临停运。主要遇到了以下问题:
(1) 由于城网柱上开关本身质量问题,经常出现开关在一次操作后,其机构的辅助接点不动作,造成就地和远方开关位置不对应现象。
(2) 由于城网线路设备,包括配网自动终端及其通讯缆线遍布城市的各个角落,受环境、外力影响和破坏的几率较大,经常发生通讯缆线被割断、设备被撞坏等,或者设备不能经受户外环境(温度、湿度等)变化而出现故障(如安装在FTU 内的光模) ,从而影响了系统的正常运行。
(3) 由于管理或班组执行措施不到位,也易造成设备停运现象。比如,FTU 的工作电源取至其开关内置TV 的二次。开关电源侧刀闸不能断开。运行班组在日常倒闸操作时,经常发生将停运开关的两侧刀闸均断开。
(4) 配网自动化系统从第一次建成试运行到现在,已经经历了3 年,其间由于系统各方面故障的原因,已开展了由厂家参与的恢复性调试至少3 次。配网自动化系统运行经常发生中断。
(5) 后续的配网一次系统网络的再改造,也是造成配网自动化系统反复中断,进行再调试的原因之一。在这3 年当中,由于城市建设的需要,部分原架空线路已逐渐电缆化改造下地,至今,已拆除了多达10 台的柱上开关,新上了环网柜8 台,配电网络结构也发生了很大变化,造成几乎每年都在新接入终端。
(6) 虽然建成了配网自动化系统,但配网管理模式并未相应调整,由于人力资源的问题,未组建相应的机构(如配网监控中心) 去适应,依靠系统进行配网的运行、操作、监控。重视开发建设,忽视建设后以岗位责任为核心的运行管理,是造成系统不能很快实用甚至瘫痪的重要原因之一。
4 总结
回顾该城区供电局建设配网自动化系统的经历,作为一位全过程参与者和部分工作的组织者,有以下一些体会和认识。
4. 1 明确配网自动化的定义、目标、意义、主要功能
(1) 配电自动化定义。按照《配电系统自动化设计导则》中针对其特点给出了很确切的定义:利用计算机、通信及网络技术,将配电网在线数据和离线数据、配电网数据和用户数据、电网结构和地理图形进行信息集成,构成完整的自动化系统,实现配电网及其设备正常运行及事故状态下的监测、保护、控制。
(2) 配电自动化实现的目标可以归结为:提高城市电网供电可靠性,提高电能质量,确保向用户不间断优质供电;提高城市配网整体供电能力;实现配电管理自动化,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,实现配电网经济运行;提高劳动生产率及服务质量。
(3) 配电自动化的主要功能: ① 对配网线路和配变进行实时监测; ②对配网中的环网开关等设备的运行状态进行监视和控制; ③对馈线故障进行自动识别、隔离和恢复,并对非故障线段的供电进行自动恢复。
4. 2 实施配电自动化的几个重要步骤
(1) 坚持总体规划、分步实施、因地制宜、以点带面的原则。
配电网规划必须详实,有实施配电自动化的规划,且配网改造必须符合配网自动化对配电网的要求。要有统籌规划分步实施,局部试点到整体统筹规划分步实施的观念。
(2) 配电自动化的试点工程要选在对供电可靠性要求高和配电网架相对稳定的地区,工程要已达到实用化验收标准为目标。
一期规模不宜过大,应选在配网已基本成型,且在较长时间不会大规模改造的线路区域,作试点,视实施情况再逐步向具备条件的区域推广。
(3) 配电网的建设与改造要为实施配电自动化规划创造条件。
在准备实施配网自动化的配电网结构必须满足线路之间“手拉手”的供电模式。环网供电的两条线路满足来自不同变电站的10 kV 母线或同一变电站的不同母线。
配网中的分段设备(柱上开关、环网柜等) 的性能、参数要满足配电自动化对其的要求。在敷设电力电缆管道时,必须要预埋通讯电缆管孔,避免在实施配电自动化时造成多次开挖。
4. 3 在确定要实施之前的准备工作
(1) 作好配网基础资料、设备台帐的收集和整理。
(2) 作好该专业技术的人员储备。要考虑到系统的运行、维护人员的配置。
(3) 配网自动化系统技术方案、技术协议的编制要避免规划不周又缺乏开放性、功能规划不周等,选择配电自动化产品质量不高等问题。
综上所述,要实施配网自动化系统,并使其在建成后能达到实用化的目标,必须在目标明确、规划详实、准备充分、方案可行前提下,分步骤、分阶段实施,才有可能达到预期目的。
关键词: 城区；配网自动化建设
Abstract: This paper introduces a city power supply bureau in the implementation of distribution automation, distribution automation implementation principle, the implementation process, summarized the development of distribution automation system construction experience and lessons.
Keywords: urban distribution network automation construction;
中图分类号：文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
1 城区供电局配电自动化工程概述
1. 1 自动化改造前供电现状
向城网供电的变电站4 座,有28 条10 kV 公用线路主供城市(含开发区) 负荷,线路主要为架空电缆混合型线路。10 kV 线路柱上开关达120 余台。公变达260 余台,10 kV 开闭所2 座。城区有13 条10 kV主干线和部分主支线具有相互联络的条件,形成主干线环网5 个。均可形成全部和局部网状供电模式。
虽然经过城市电网改造,故障停电次数有大幅度下降,但停电范围仍然较大,故障恢复时间较长。
1. 2 自动化建设规模
经过上级领导的权衡比较和配网的实际情况,最终确定了该城区供电局配电自动化系统建设规模:建设配网自动化控制中心1个,建设配电自动化站控终端3 个(子站) ,建设10 kV 环网线路馈线自动化系统5 个,安装10 kV 配电自动化监控终端(FTU、DTU)74 台,配变监控及无功补偿终端(TTU) 156 台接入系统。建设配网自动化通信系统。
1. 3 自动化系统实现原理和通讯系统原理
1. 3. 1 配电自动化(DA) 功能实现原理
以图1 为例进行介绍:K1、K9 为变电站10 kV 开关,K2～K8 为柱上开关并配有FTU ,K5 为两条手拉手线路的联络开关(均以变电站A、B 的10 kV 出线的自动化信息已到配网控制中心主站为前提) 。
当在d1 处发生瞬时故障:故障电流流过K1、K2、K3 ,FTU1、FTU2 检测到故障电流,但K2、K3 不动作,变电站出口开关K1 瞬时(零秒) 跳开。K1 开关重合闸动作并成功,线路恢复送电。FTU1 和FTU2 不上报故障信息给子站。
图1 配电自动化(DA) 功能实现原理图
当在d1 处发生永久故障(在一般遥控执行正常的情况下) :故障电流流过K1、K2、K3 ,FTU1、FTU2 检测到故障电流,但K2、K3 不动作,变电站出口开关K1瞬时(零秒) 跳开。K1 开关重合闸动作不成功,FTU1、FTU2 再次检测到故障电流。FTU1 和FTU2 上报故障信息给子站A。由于K4 未流过故障电流,因此子站确定故障发生在K3 与K4 之间,命令FTU2 和FTU3分别跳开K3 和K4 ,实现故障的定位与隔离。子站完成隔离故障区域后,上报给控制中心主站,由主站根据故障位置分析恢复供电方式,确定K5 可以恢复K4与K5 之间的线路,命令子站B 遥控FTU4 合K5 开关,同时,命令子站A 遥控变电站A 合K1 开关,实现非故障区域(即K3 开关之前,K4 开关之后的线路) 的恢复供电。
配电主站具有在实现DA 功能时的自动/ 交互转换功能。即在自动模式下,从故障发生到故障处理结束,不需人工干预,但会在告警窗口给出相应提示,告知故障发生的时间、位置以及故障处理过程,并产生故障事项记录,便于事后故障分析。
在交互模式下,故障发生时,会告警并弹出一个窗口,告知故障发生位置,并按优化顺序,给出几个故障处理策略,由调度员选择执行。
1. 3. 2 配网自动化系统通信系统方式
用SDH 光纤以太网传输系统来实现配电终端设备、配电子站、主站之间的通讯。
①主站(配网控制中心) 与子站(站控终端) 之间采用单模光纤,以光纤以太网方式相连。与上级(主站) 通信方式采用SDH 2M+ 路由器,通信规约采用基于TCP/ IP 的IEC104 通信规约。与下级(配电终端如FTU、DTU) 的通信采用DNP3. 0 规约进行。
②子站与干线上环网柜、开闭所、FTU 之间采用光纤以太网通信方式。
③TTU(配变监测终端) 通过屏蔽双绞线就近连到干线的FTU ,由FTU 集中转发信息构成到子站的通信。
城区供电局配网自动化通信及主站、子站及终端之间的通讯拓扑关系见图2。
图2 城区局配网自动化通信系统示意图
由于城区供电局在2000 年就实现了110 kV 及以下变电站的无人值班及综合自动化改造,按照配网自动化实现原理,配电主站必须采集实现配电自动化10 kV 出线相應变电站的10 kV 开关信息并能控制其开关的分、合闸,因此,变电站RTU 中关于10 kV 开关部分的信息还必须接入相应配电子站。
2 自动化实施过程
开工前制定施工计划和方案。
在设备厂家的密切配合下,经过近5 个月的安装与调试,配网自动化系统的主站、子站及配电终端终于调试完毕,相应的通信系统也安装调试成功。在工程安装调试过程中,多次出现了意想不到的问题,比如:
在10 kV 配网建设的时候,由于对城网内柱上真空开关在满足配网自动化上的要求很不具体,只是要求预留配电自动化的接口等。由于所配柱上开关均为单侧TV ,且绝大多数开关在安装时,未将开关的TV 侧安装在线路的电源侧,这样即使线路电源侧带电,也会造成TV 一、二次失电,从而开关弹簧储能电机和FTU 装置失去电源,最终开关弹簧机构无法储能,进而无法电动分、合,造成即使FTU 靠其内部蓄电池暂时可以工作,但却无法控制开关动作。因此,在发现这一情况后,对所有需要安装FTU 的开关均全部作了检查,凡是未按标准接线方式的(即开关的TA 侧应安装在线路的电源侧) ,通过零点作业方式,一一做了改正。
另外一点是开关至FTU 的连接电缆问题,由于没有经验和考虑不周,FTU 厂家也未对连接电缆作具体要求,选用了普通的线径为2. 5 mm2 的单股铜芯线二次电缆,虽然专门请了电器厂专门从事焊接的工人来进行,以确保焊接质量。电缆安装就位后,有些FTU 在安装当时一切正常,运行了几天后,才发现与开关通信出现了问题,经过对出现问题的集中分析,绝大部分出现在连接电缆上,即航空插头的焊接点出现了部分脱落或虚焊现象。后来在FTU 厂家现场技术人员的提醒下,终于找到了造成焊接点出现部分脱落或虚焊的罪魁祸首在于电缆选型上,所选择的电缆铜芯线由于质地较硬,焊接时的焊接点属于硬连接,极易造成上述问题,考虑到将来运行环境的严酷性,保证工程质量,不得不将所有电缆进行更换为多股软铜线电缆,然后对所有的航空插头重新进行焊接后,全部进行了更换。
终端和子站的通讯调试问题也花费了很长的协调时间,由于配网自动化工程设备在省公司统一进行招投标,中标结果确是主站和子站设备为一家,终端为另外一家。在既成事实面前,经与两个中标厂家技术人员协商,按照下级服从上级的原则,确定了由子站厂家提供标准的通讯规约,终端厂家按照规约,与子站先进行通讯调试通讯成功后,再进行终端安装。
类似的问题很多,增加了整个工程施工时间。
在所有子站、终端安装完成后,按照即定施工方案,对所有终端进行遥测精度校验、遥信试验,对每一个接入系统的设备进行了远控试验后,按照上面介绍的DA 实现原理,并进行了配电自动化DA 测试,这项工作一次性通过了试验。
3 经验和教训
经过不到半年的试运行,陆续出现各种状况,造成了整个系统几乎面临停运。主要遇到了以下问题:
(1) 由于城网柱上开关本身质量问题,经常出现开关在一次操作后,其机构的辅助接点不动作,造成就地和远方开关位置不对应现象。
(2) 由于城网线路设备,包括配网自动终端及其通讯缆线遍布城市的各个角落,受环境、外力影响和破坏的几率较大,经常发生通讯缆线被割断、设备被撞坏等,或者设备不能经受户外环境(温度、湿度等)变化而出现故障(如安装在FTU 内的光模) ,从而影响了系统的正常运行。
(3) 由于管理或班组执行措施不到位,也易造成设备停运现象。比如,FTU 的工作电源取至其开关内置TV 的二次。开关电源侧刀闸不能断开。运行班组在日常倒闸操作时,经常发生将停运开关的两侧刀闸均断开。
(4) 配网自动化系统从第一次建成试运行到现在,已经经历了3 年,其间由于系统各方面故障的原因,已开展了由厂家参与的恢复性调试至少3 次。配网自动化系统运行经常发生中断。
(5) 后续的配网一次系统网络的再改造,也是造成配网自动化系统反复中断,进行再调试的原因之一。在这3 年当中,由于城市建设的需要,部分原架空线路已逐渐电缆化改造下地,至今,已拆除了多达10 台的柱上开关,新上了环网柜8 台,配电网络结构也发生了很大变化,造成几乎每年都在新接入终端。
(6) 虽然建成了配网自动化系统,但配网管理模式并未相应调整,由于人力资源的问题,未组建相应的机构(如配网监控中心) 去适应,依靠系统进行配网的运行、操作、监控。重视开发建设,忽视建设后以岗位责任为核心的运行管理,是造成系统不能很快实用甚至瘫痪的重要原因之一。
4 总结
回顾该城区供电局建设配网自动化系统的经历,作为一位全过程参与者和部分工作的组织者,有以下一些体会和认识。
4. 1 明确配网自动化的定义、目标、意义、主要功能
(1) 配电自动化定义。按照《配电系统自动化设计导则》中针对其特点给出了很确切的定义:利用计算机、通信及网络技术,将配电网在线数据和离线数据、配电网数据和用户数据、电网结构和地理图形进行信息集成,构成完整的自动化系统,实现配电网及其设备正常运行及事故状态下的监测、保护、控制。
(2) 配电自动化实现的目标可以归结为:提高城市电网供电可靠性,提高电能质量,确保向用户不间断优质供电;提高城市配网整体供电能力;实现配电管理自动化,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,实现配电网经济运行;提高劳动生产率及服务质量。
(3) 配电自动化的主要功能: ① 对配网线路和配变进行实时监测; ②对配网中的环网开关等设备的运行状态进行监视和控制; ③对馈线故障进行自动识别、隔离和恢复,并对非故障线段的供电进行自动恢复。
4. 2 实施配电自动化的几个重要步骤
(1) 坚持总体规划、分步实施、因地制宜、以点带面的原则。
配电网规划必须详实,有实施配电自动化的规划,且配网改造必须符合配网自动化对配电网的要求。要有统籌规划分步实施,局部试点到整体统筹规划分步实施的观念。
(2) 配电自动化的试点工程要选在对供电可靠性要求高和配电网架相对稳定的地区,工程要已达到实用化验收标准为目标。
一期规模不宜过大,应选在配网已基本成型,且在较长时间不会大规模改造的线路区域,作试点,视实施情况再逐步向具备条件的区域推广。
(3) 配电网的建设与改造要为实施配电自动化规划创造条件。
在准备实施配网自动化的配电网结构必须满足线路之间“手拉手”的供电模式。环网供电的两条线路满足来自不同变电站的10 kV 母线或同一变电站的不同母线。
配网中的分段设备(柱上开关、环网柜等) 的性能、参数要满足配电自动化对其的要求。在敷设电力电缆管道时,必须要预埋通讯电缆管孔,避免在实施配电自动化时造成多次开挖。
4. 3 在确定要实施之前的准备工作
(1) 作好配网基础资料、设备台帐的收集和整理。
(2) 作好该专业技术的人员储备。要考虑到系统的运行、维护人员的配置。
(3) 配网自动化系统技术方案、技术协议的编制要避免规划不周又缺乏开放性、功能规划不周等,选择配电自动化产品质量不高等问题。
综上所述,要实施配网自动化系统,并使其在建成后能达到实用化的目标,必须在目标明确、规划详实、准备充分、方案可行前提下,分步骤、分阶段实施,才有可能达到预期目的。