自動化技術在輸配電及用電工程中的實際應用

劉中岳

【摘要】電子信息技術的普及應用促使輸配電及用電工程向著自動化的方向發展，自動化技術不僅大大提高了輸配電的傳輸效率，而且降低了電力傳輸的成本，大大提高了電力工程及輸配電管理的可靠性。從某種程度上講，輸配電及用電工程的自動化技術包含了通信技術、電子技術、電氣技術、計算機技術等，其強大的集成功能可以實現用戶信息、電網參數、電網結構、地理信息的集成應用，從而實現智能電網檢測、保護及控制等多種自動化功能，提高輸配電網運行的穩定性。文章主要針對自動化技術在輸配電及用電工程中的實際應用進行探討，著重分析配網自動化系統的組成及實現。

【關鍵詞】輸配電系統；用電工程；配網自動化

一、輸配電網自動化系統的內涵

所謂輸配電網自動化技術是以配電網絡為基礎融入遠程監控、協調的集成化軟件系統（DAS），其廣義范圍包括系統變電站、中壓配電網、供電用戶（側）等方面，而狹義上講輸配電網自動系統僅包含中壓配電網及供電用戶（側）兩個部分，由此可見，輸配電自動化包括下層基礎建設及上層領導管理兩層，下層基礎建設的主要作用是收集各類數據信息、實時監控線路系統運行情況以及線路故障的處理，其中實時監控線路包括智能化操作的變電所及饋線兩部分。自動化領導管理層的主要作用是對系統中的高級應用及配電、停電、工程、電能計算等進行控制與管理，主要通過軟件控制系統來實現，在電力服務系統中變配電是保證高質量電能輸送的必要環節。輸配網自動化的主要目的是實現電網智能化運行，提高供電的安全性、穩定性，大幅度降低故障發生時間，縮小停電區域，提高電力供應服務質量。因此相比傳統的輸配電管理模式，應用自動化技術主要體現出以下幾個方面的優勢：

首先，安全智能。輸配電與用電工程自動化技術以計算機網絡技術為基礎，應用自動智能技術完成輸配電網絡的管理，最大程度上避免人為操作失誤因素影響供電質量，提高了整個供電網絡的智能化程度及安全性。其次，服務性與安全性的特點。輸配電及用電工程具有專業性、高風險性的特點，一旦發生安全事故會導致設備管理人員及用戶出現人身安全問題。而自動化技術采用更加完善的澳洲規程，最大程度上保證系統處于穩定的運行狀態。最后，綜合性簡約性。輸配電網絡及用電工程技術密集，系統復雜，融入自動化技術后可使系統與電力技術操作的相關規程更加相符，降低配電網的安全檢修率，故障處理也相對容易，大大提高了系統運行的整體效率及可靠性。為提高討論的針對性，本文筆者著重分析配網自動化系統的組成及實現。

二、輸配電自動化系統的組成

具體而言，輸配電自動化系統的結構包括配網主站與子站、配網遠方終端及信息通信網絡三大部分，其結構示意圖如圖1所示：

（一）輸配網絡主站

在整個輸配電自動系統中配網主站是整個系統的核心部分，也是其控制管理中心，其主要作用是收集系統中各模塊的信息數據，并實時監控系統的運行狀況，不僅可以分析系統中的電網拓撲結構，而且可以實現與非本系統的信息交流，管理人員可以通過配網主站上的多種操作平臺實現各種操作管理。配網主站的主要組成部分包括計算機的相關硬件模塊、各類操作系統、軟件支持平臺、各類應用軟件等等，其中系統軟件是實現輸配電網自動系統的基本功能及相關擴展功能，諸如分析應用、智能化應用等，并且通過信息服務總線還可實現與其它系統的信息交流。配網主站的功能軟件通過一組計算機及多個設備組成，該信息系統包括前置通信系統、后臺服務器、人機交互界面及接口子系統，其中前置信息系統可進行自動數據傳輸，具備互通信息接口功能；后臺服務器主要實現各類信息的整合、監控及服務，人機交互界面主要實時監控輸配電網的運行，展示靜態實時歷史數據，并通過人機交互界面完成各種操作平臺的功能；接口子系統主要包括EMS、GIS、MIS等各系統接口。

主站中的軟件網絡結構采用雙以太網，其網速形式包括100兆bits及1000兆bits兩個，其中絕大多數服務器均直接與1000兆bits網絡連接，包括SCADA、歷史數據、高級應用、通信接口等等，此外，還有一些輔助服務器連接千兆bits，包括配調、維護、報表功能等等，上述各服務器構成輸配網自動系統的子系統。主干網主要通過正向及反向兩種隔離連接方式連接公共網絡中的數據采集器，WEB子系統包括對應的服務器、交換機、接口服務器、安全防火墻等部分。

（二）輸配網子站構成

將輸配網子站通常分布于系統變電站或開閉所，其位于整個配網自動系統的中間層，主要功能是采集、處理區域范圍內配電網絡的信息數據，包括設備的遠程調控、實時信息的顯示及處理、事件順序記錄、歷史數據存儲及處理、查詢及確定故障位置等。從某種程度上講，輸配網子站在整個系統中充當信息資源中轉站的角色，其除收集終端數據信息外，還要將收集到的數據信息傳送至主站，并將主站發送的指令傳遞至各終端設備。

（三）輸配網系統終端

輸配網自動系統終端包括饋線終端設備（FTU）、配變終端設備（TTU）及開閉所終端設備（DTU）三大部分，其主要功能是收集開關設備、變壓器等設備中的相關信息數據，并對相關設備進行控制、管理。（1）饋線終端：FTU多安裝在設置于戶外柱上的饋線開關周圍，主要對開關運行的狀態進行實時監控。由于饋線開關裝設位置零散，根據相關標準規定，通常情況下一臺FTU對應一臺柱上開關設備對其運行進行實時監控，否如同一支桿安裝多個開關，則會出現一臺FTU監控多臺開關的現象。（2）配變終端：TTU顧名思義主要對配電所中變壓器的實際運行情況進行監控，尤其是監控采集低壓電壓與電流值，并通過60s-120s的計算頻率計算獲取對應的有效值、功率、功率因數、有功量、無功量等等，計算出來的某些特殊數據會存在系統內存中，其斷電不丟失，會被保留一段時間。TTU中的某些數據間隔一段時間會傳送至配網主站系統中進行分析，根據分析結果判斷變壓器、線路中是否存在故障問題，并獲得電壓的合格率、供電效率、負荷中的一些基本性質等。與饋線終端相比，配變終端的結構相對簡單，其不具備FTU的實時監控功能，僅能進行數據信息采集、記錄及傳遞等功能，因此TTU不像FTU設備采用蓄電池的方式供電，而是采用低壓側供電，以降低成本，簡化設計。值得一提，如果線路中存在無功補償電容器，則TTU必須具備自動投入或切除電容器的功能，以降低成本投入。（3）開閉所終端：DTU多設置于開閉所、環網柜體、變電站等常見位置，開閉所終端的主要作用也是采集對應位置開關設備的運行信息及電能參數，控制開關運行，滿足饋線開關適時動作的要求。

（四）通信網絡

通信網絡即信道，其主要作用是為信息交流提供一個通道，通過通信網絡配電終端才能實現配配網主站的信息交流。在實際工程中，可根據配電終端、對應設備的安裝地點、實際的信息傳播速度需求等選擇不同的通道材料。配網系統中，通過通信網絡將遠方終端設備通過各種采集模塊與配網子站、主站連接在一起，信息經由光Modem進入主干網光纖內，然后被匯總至子站，是后再傳遞至主站，整個通訊過程滿足RS485通訊協議。

三、輸配網自動系統的實現

（一）供電方式及一次設備

我國的輸配網系統包括城市電網、農村電網兩大部分，前者主要通過電纜網進行連接，后者則采用架空線進行連接。從某種程度上，配網供電形式的差異主要體現在電源位置、開關型號及網架形式，電源位置不同、網架形式的差異使得供電方式有所不同，選擇不同的線路開關設備也會得出不同的供電方案。一般情況下，城市電網多采用環型電網柜，而農村電網中多應用斷路器、重合器及分段器等設備。供電方案的分類依據多種多樣，此處根據開關設備的選擇差異對其進行分析：

（1）針對安裝在架空線路的開關設備方案而言，最基本的原則就是保證對用戶可靠供電，而評價供電可靠性的指標包括特定時間內停電多少、每次停電時間、線路停電導致的故障范圍、故障切除線路恢復正常所需的時間等。（2）相比其它方案，開關設備采用重合器的方案優勢十分突出，在線路實際運行中至少80%的故障發生于瞬間，開關設備采用重合器的方案可以在發生瞬間故障后迅速隔離故障，最大程度上保證整個系統運行的可靠性。重合器屬于高自動化設備，發生故障后可在瞬間隔離故障，減少了電網運行的依賴性，減少人力、物力的浪費。在實際工程應用中，由于分支路線中的低壓范圍是線路故障高發區，因此可以在線路中協調使用分段器及重合器保護動作，保證線路的可靠性。（3）架空線配網線路。架空線配網線路主要應用于縣級、農村地區，其可供電范圍為五公里為半徑的圓形區域，因此可結合三開關重合器選擇環型網進行供電，環型網帶有兩個電源，可以更好的保證供電的可靠性。（4）與其它故障隔離設備配合使用的開關設備，一般情況下雙電源環網供電已經可以基本上保證供電線路的安全性、可靠性，將開關設備與其它故障隔離設備配合應用可以進一步簡化電網連接，降低建設成本及維護成本。

（二）遠動系統及二次設備

二次設備的主要功能并非直接輸送電能，而是起到對線路、電網進行調節、監測、控制及保護的作用，其不參與電能的生產、使用。正是二次設備的應用實現了輸配電自動系統的遠程管理，常見的二次設備包括繼電器、信號裝置、測量表計等等。盡管在輸配網系統中，二次設備并不能直接體現系統的先進性，但是卻是遠動系統完善性的直接體現。分析輸配電自動化功能的實際需求可知，系統主要通過發送對應指令遠程控制終端開關，以獲得與人工操作相同的操作結果，而自動合閘、中斷等自動操作大大減少了人工成本，提高了系統的反應速度及處理速度。當然在實際的輸配電自動系統建設及過行中，除了系統自帶的環網保護、遠程控制等保護功能外，還要設置必要的人工手動操作。任何系統均存在失靈的可能，人工操作是系統最后一道防線。此外，輸配網自動化遠動系統中線路電源、傳輸協議也占據重要地位，實際用電工程應用中要根據供電環境、設備特點合理設計電源規格、選擇適用的傳輸協議。

（三）通信方案及設備

通信是最終完成輸配網自動化的關鍵點，輸配網自動系統的信息傳輸包括主站與各子站之間、現場單元的信息傳輸以及各模塊之間的內部傳輸兩大部分，其中主站與各子站之間、現場單元的信息傳輸實行的配網通信方案相對比較完整。在選擇實際通信方案時，由于通信區域、通信條件不同，因此盡量根據實際情況選擇混合通信方案，采用光纖作為系統信息傳輸的主要線路，其它分支線路選擇適用的通信方法；針對某些弧點、距離較遠的線路則采用無線傳輸的形式，以降低建設成本。實際工程中需要注意，光纖通信通常僅能傳輸一條線路的數據，雖然幾萬兆的帶寬即可滿足通信要求，但仍然要使用專用的光端機，以保證通信質量。

四、結語

由此可見，在我國電力行業發展的過程中，實現電力自動化有著十分重要的意義，它不僅可以有效的解決了電力系統在運行過程中存在的問題，還大幅度的提高了電力系統的工作效率和使用性能。不過，從當前我國電力輸配系統的發展情況來看，其中還存在的許多的問題，為此我們還要的不斷的實踐研究的過程中，來對其電力自動化技術進行改進和推廣，從而促進我國社會經濟的發展。

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