综合配电自动化终端的设计及实现

 摘 要

配网运行经验表明，配网故障一般位于分支线路上，主线路发生故障的概率不高。针对目前配网自动化系统的结构和特点，从配网改造和建设实际出发，提出一种综合配电自动化终端设计方案，在分支线路配置集继电保护、无功补偿、无源自供电、多种通信接口功能于一体的配电自动化终端，快速隔离配网故障和动态改善配网电能质量，解决失电时配电终端设备工作和断路器操作的电源问题，实现提高供电可靠性和供电质量的目的。

引言

配网是整个电力系统的末端，直接面向终端用户，供电可靠性和供电质量要求越来越高。目前国内配网基础设施和结构相对比较薄弱;供电质量较差，电压水平低，网损率高;配电自动化程度还较低。配网的总体水平已不能满足终端用户日益增长的用电需求，大规模的配网自动化改造和建设正在积极展开。

配网自动化是建立在信息化的基础上，将配电系统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、控制以及用电和配电管理的自动化，最终实现以大幅度提高供电可靠性、改善电能质量为目标的对配电系统在线的、准实时的闭环控制[1]。配电自动化终端作为配网自动化系统的重要基础部分，要求其功能完善、工作可靠、扩展简单以及维护方便。

本文在分析典型配电自动化方案基础上，结合配网运行实际，提出一种配电自动化终端方案，以期能够解决配网当前存在的实际问题。

典型配电自动化方案分析

考虑到各地方配电网的复杂性，不失一般性，配电网可以以如下拓扑示意：

图一中，变电站的10kV出线配置断路器和相应的保护，主线路上采用分段开关分段，各分支线路采用负荷开关的配置，所有开关均带电动分、合闸功能。由于分段开关和负荷开关均不能开断短路电流，因此不配置保护。故障区段查找、隔离以及恢复供电目前大致有两种方案：

其一，依靠自动化开关设备反复配合动作来自动实现。在故障情况下，由变电站出线断路器配置的保护切除故障，这时会造成全线失电，然后分段开关、负荷开关由于失压而跳闸，然后再由变电站的断路器合闸后，依次合负荷开关和分段开关来检测故障点，当然还存在断路器再次跳闸、再次合闸的可能，造成对负荷(尤其是变压器)的多次冲击，停电时间长。

其二，依靠分布在分段开关上的FTU采集故障信息，通过通信网络上传调度集中控制，通过遥控将故障隔离并恢复非故障区段供电。该方案减少了开关的反复动作，提高了设备运行安全，自动化程度高，对通信系统依赖很强。

已有的配网自动化方案[2~7]都是集中在配网主网架的故障隔离和网络重构上，从理论上来说，这些方案都具有可行性，但在实际应用中都遇到了许多问题，导致系统并不能发挥其应有的效果，如：通信方式及通信系统稳定性、故障判别元件的灵敏度配合、环境适用性、电源的可靠性等方面或多或少存在问题，应用的效果并不好。

综合配电自动化终端设计

根据配网系统实际运行的统计，故障一般位于分支回路上，主回路上发生故障的概率并不大，而改造配网的出发点应该是能够实际解决问题，如果能将分支线路的故障快速切除，将可以解决配网大部分的问题，即故障快速隔离、提高供电可靠性。

配网供电质量较差，改善供电质量的通常做法是在配网上安装无功补偿装置。为了能够减少电力用户内部各条配电线路的电能损耗，提高配网的功率因数，采用分散无功补偿方式比较合适，即在分支线路公用配变低压侧、用户的配电母线上安装无功补偿装置。

考虑到上述情况，笔者提出分支线路配置集保护测控、无功补偿、无源自供电、多种通信接口功能于一体的配电自动化终端。

首先，将分支线路的负荷开关更换为真空断路器，为分支线路配置专门的保护。

在分支回路故障情况下，由分支线路断路器切除故障，可以实现保护级的故障隔离。已有的配网自动化无论采用何种方案，故障隔离均不可能达到保护级(也就是能在1s内隔离故障)，一般的时间为几十秒或数分钟，而采用此方案，故障切除可以在1s内可靠完成，大大缩短了停电时间，提高了供电可靠性。

分支线路配置保护大大简化了保护配合，所有分支回路的保护独自整定，不需要和其他回路配合，如果分支回路下还有分支(如开闭所)，则可以同下面的分支回路的保护进行时间上的配合即可，变电站的线路出线保护只需要同所有分支回路保护的最长延时配合，有一定级差即可，保护整定和配合都非常简单。

分支线路配置保护减少了对线路负荷的冲击，分支断路器切除分支回路故障后，变电站线路保护元件返回，如果分支回路带重合闸，仅对该分支存在冲击的可能(合闸到永久故障)，提高了设备运行安全。

其次，分支线路配置集成静止无功发生器SVG，实现分支线路动态无功补偿。

SVG并联于电网中，相当于一个可变的无功电流源，通过调节逆变器交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流的幅值和相位，迅速吸收或者发出所需要的无功功率，实现快速动态调节无功的目的。当采用直接电流控制时，直接对交流侧电流进行控制，不仅可以跟踪补偿冲击型负载的冲击电流，而且可以对谐波电流也进行跟踪补偿。

再次，提供完善而可靠的自供电功能，装置自带免维护的电池及完善的电源管理程序，在进线故障情况下可保证装置的正常工作及跳闸，解决失电时配电终端设备工作和断路器操作的电源问题。

最后，支持多种标准自动化接口，支持多种通用远动规约，自动化接口模块插拔式独立设计，方便更换和配置。

综合配电自动化终端实现

综合配电自动化终端，采用高性能DSP处理器硬件平台和嵌入式实时操作系统，集成保护测控、SVG、无源自供电、通讯功能于一体，是智能化、网络化、数字化的低压配电终端。

本终端配备以下保护功能，如图二，三所示：

1)瞬时速断、定时限过流保护和接地保护，接地保护的零序电流可由三相电流计算或外接零序CT输入。

2)反时限过流保护，符合IEC255-4标准的反时限特性。

3)具备二次谐波闭锁功能，避免投入变压器时过电流保护误动作。

本终端配备SVG，桥式变流电路结构采用当前主流的电压型结构，SVG实时检测负载电流的正序、负序、零序、有功、无功和谐波分量，由可关断电力电子器件(IGBT)控制，输出一个与所需补偿电流大小相同，方向相反的电流与之抵消，IGBT开关频率达到6000HZ，可实现连续、快速的大范围无功感性与容性双向调节，使终端所配置的SVG不但具有良好的无功补偿能力，补偿基波无功电流，也可同时对谐波电流进行补偿，达到改善电能质量的目的。

本终端配备自供电源，包括CT取能或PT取能，系统工作采用以电网电流或电压供电为主，太阳能作为后备，锂电池，铅电池，操作电容辅供电。大容量的电池组系统采用电源泵技术，先进的线路电流控制充电技术和数控定期自动完全放电活化处理技术，大大延长电池使用寿命。当线路电流低于额定值的5%时，由电池组供电。终端在非跳闸时功耗小于4MA，使电池容量至少维持装置正常工作一周时间。在外部失电时，低能量脉冲跳闸方式所需能量由电容储能提供，可保证至少两次合-跳输出，满足配电网故障恢复过程中智能控制策略的需要。

本终端支持无线扩频、GPRS、SMS短消息服务等多种自动化接口，为配网自动化提供多种通讯解决方案。自动化接口模块插拔式独立设计，方便更换和配置。所配置的GPRS无线数据传输模块内部集成TCP/IP协议栈、支持自动心跳、链路支持永久在线、透明传输、远程参数配置，永久保存。

结束语

我国目前的配电网很薄弱，绝大多数为树状结构，且多为架空线，供电距离长，导致供电可靠性差，供电损耗大，电压质量差。配电设备比较陈旧，大多是不可遥控的。配电网运行状态监测设备少。这些导致事故处理自动化程度低、处理时间长，事故后恢复供电慢。

根据配网实际运行经验，提出了一种在分支线路配置集继电保护、无功补偿、无源自供电、多种通信接口功能于一体的配电自动化终端设计方案，以实现配网故障快速隔离，提高供电可靠性，及配网无功功率就地补偿，改善供电质量，可以较好的满足配网改造的需求。