配电自动化技术综述

摘要：随着社会经济与科学技术的高速发展和现代化的逐步推进，社会对电能质量和供电可靠性提出越来越高的要求。文章针对当前配电网现状，参考国外配电自动化系统的实施经验，总结了当前配电自动化技术的特点和难点，并对系统的结构、工作原理、各具体环节的功能进行了详细描述。

关键词：配电自动化；配电网；通信系统；FTU终端

一、概述

电力系统由输电网和配电网构成。配电网将由高压输电网得到的电能通过配电线路、配电变电站、变电所等分配到用电单位，在电力传输的过程中起着极其重要的作用。输电与配电简称输配电，是电力系统中发电厂（生产者）与电力用户（消费者）之间传输电能和分配电能的环节。输电与配电互相衔接，主要功能各有不同。

配电是在消费电能地区之内将电力分配至用户的分配手段，并直接为用户服务。我国规定配电电压是110KV及以下，直至用户接受的电压，并划分为高压配电电压（35－110kv）、中压配电电压（10KV）、低压配电电压（380/220V）。

（一）配电自动化的意义

评价配电自动化意义主要包括下面的三个指标。

1、安全性：有利于调度控制和负荷管理。

2、经济性：降损节能；减员增效。

3、可靠性：供电可靠率指标，有利于电力市场的形成和电价制度的实施。

总的说来，配电自动化技术可以扩大系统监控范围，保证有效管理；可以提高配电网运行管理水平；可减少事故和操作引起的停电时间，提高供电可靠性；能改善电能质量，提高用户服务水平、提高劳动生产率；合理推进电网建设，有效利用有限资金；树立良好的供电企业形象，可以达到电网经济运行的目的。

（二）配电自动化的特点

1、普遍采用基于DSP处理技术进行快速采集与计算分析。DSP数字处理技术具有较快的数据处理能力，对于高速交流采样，以及快速故障诊断处理与计算具有较好的适应性，因此在配电自动化终端的设计中被广泛采用。目前在配电终端中广泛使用的有TI公司的和AD公司DSP处理芯片。在设计上一般采用和主CPU进行双向读写的方式进行交流采样接口，DSP处理芯片进行快速计算，主CPU进行人机对话和通信的功能。

2、集中处理方式下的故障信息诊断技术。由于受通信条件的限制，目前配电自动化中主流的方式仍然是集中控制模式，该模式将配电终端的信息全部收集到一个配电子站中，在该机中对收集到的故障信息进行比较判断，查出故障区段，进行故障隔离与恢复，实现全线路的隔离与恢复。

3、面保护的处理方式。面保护的处理方式在少数通信条件比较好的现场已经开始采用，在该模式下配电终端除了采集本装置的信息外，还通过通信收集本线路相邻的其他设备的信息，作为判断故障点的依据，实现故障的快速隔离。面保护要求通信网实现对等通信的机制，装置根据自身的信号和其他开关的信息，自主进行故障处理功能，具有分布式处理故障、隔离时间较快的特点。

4、配电终端网络化。随着网络技术的发展，以太网在工业控制领域得到了广泛应用，基于以太网的配电自动化终端已逐步成为当前各个自动化厂家开发的主要方式，以太网技术不仅在光纤通信中得到应用，同时在配电终端的配电载波、GPRS以及CDMA通信也得到了应用。

5、广泛采用工业级芯片提高强电磁环境的适应能力。由于配电终端工作在户外恶劣环境下，在温度范围和湿热试验等方面的型式试验都比常规的户内使用的终端设备有更高的要求。各主流厂家的配电终端广泛采用工业级芯片和抗干扰设计来满足终端的可靠性要求。

6、多种系统通信方式的广泛支持。通信速率和通信可靠性必须满足馈线自动化要求，系统通信结构应满足在一点通信故障时，数据畅通且功能馈线自动化正常实现，并能够解决配电自动化系统信息量大可能造成的信息瓶颈效应。选择经济且可靠的配电网通信方式仍然是配电自动化能否大面积推广，真正走向实用的关键因素，国内现有的主要配电自动化终端装置一般都可以支持多种通信方式。

（三）配电自动化的难点

当前配电自动化终端的国产化进程取得了很大的进步，但仍然面临一些挑战，主要存在的问题有。

1、配电终端长期运行的可靠性离实用化要求还有一定的距离。

2、作为配电终端备用电源的蓄电池的寿命满足不了长期运行的要求。

3、部分设备出厂前没有通过严格的质量测试，系统在恶劣环境下运行存在质量隐患。

4、配电自动化系统出厂试验和现场试验没有指导性的试验规范和验收标准。

二、配电网的概念及特点

（一）配电网的概念

通常把电力系统中二次降压变电所低压侧直接或降压后向用户供电的网络，称为配电网（Distribution Network），配电系统自动化是配电网系统提高电网现代化管理水平最直接、有效的技术手段，在进行电网的建设和改造中，提高配电网络的自动化程度，是电力系统现代化的必然趋势，是电力适应市场经济的一大进步。

（二）配电网的特点

配电网自动化与输电网自动化相比，对设备的技术要求高，系统规模大，建设费用高，实现难度大。这是由其自身的特点所决定的。

1、终端设备工作环境：对于输电网自动化系统的终端设备，一般安装在变电站里，运行环境温度在0―55℃范围。但是配电网自动化系统中，有大量的终端设备是安装在室外的，满足设备运行性能指标要求的环境温度在-25―65℃范围，湿度要求为95%。此外，还要满足防风雨、散热、防雷电等技术要求。

2、可靠性：对于配电网自动化系统中的终端设备进行远方控制非常频繁，因此对其可靠性要求很高。

3、组网：配电网自动化系统的测控对象为进线变电站、配电变电所、10kV开闭所、分段开关、并联补偿电容器、用户电能表和重要负荷等，因此站点一般会有成百上千甚至上万个之多。在这种条件下，不仅对系统的组织带来较大的困难，而且在配电网自动化中心的计算机上处理的信息量也十分庞大。

4、配套：需要与配电网的改造配套进行，例如配电网环网化、配电线分段化等。没有配电网的科学拓扑结构，配电网自动化的系统、组织方式也难以确定。

三、配电自动化通信系统

（一）通信系统概要

配电网自动化技术是计算机技术、网络通信技术、自动化技术与电力系统相结合的产物，配电网自动化系统与传统的调度自动化系统相比，具有通信终端节点数量大、通信节点分散、通信距离短、节点通信数据量小等特点。许多配电自动化的通信装置安装在户外，要适应苛刻的运行条件，具有很高的可靠性。当前，通信问题已经成了制约配电自动化发展的瓶颈。

目前配电自动化系统中的通信介质有以下几种。

1、金属线：有同轴电缆和双绞线2种方式，其特点是简单方便，但抗电磁干扰、雷电冲击能力较。

2、无线电通信：它易于安装，成本低，但不适于多高层建筑物的市中心及多山地区使用。

3、微波通讯：我国许多电业部门建设了一点多址小容量数字微波通信系统，工作在1―5GHz。

4、载波通信：配电载波（DLC）借用配电线作为信号传输通道，具有投资小、覆盖面广的优点。

5、光纤：具有传输速率高、抗干扰性能强、可靠性高的优点，不足之处是投资相对要大一些。

通道是配电自动化系统主站与变电所自动化现场监控终端的数据传输通路。一般来讲通道是指传输信号的介质；本节介绍的通道除了传输介质外，还包括有关的通信设备，如接收与发送设备、信道编码设备等。

（二）载波通信

载波通信：配电载波（DLC）借用配电线作为信号传输通道，具有投资小、覆盖面广的优点。DLC用于配电网通信需要解决信号经过变压器时的衰减、线路开关打开后的信号通路、阻抗不匹配产生的反射影响以及线路故障时的通信保障等问题。从实际应用效果来看，配电载波还难以完全满足配电网监控对可靠性与实时性的要求。它主要用于自动读表等实时性要求不高的场合。

（三）光纤通信

光纤：具有传输速率高、抗干扰性能强、可靠性高的优点，不足之处是投资相对要大一些。

光纤通信系统由电端机、光端机、光缆和中继器组成。电端机完成对信息源的处理，如多路复用和复接分接等；光端机的发送端内含有光源，它完成将电信号转换成为光信号，并输入光纤传输至远方；光端机的接收端内含有光检测器，它完成将来自光纤的光信号还原成为电信号，并输入到电端机的接受端；中继器完成将经过长距离传输后被衰减和畸变了的光信号放大、整形和再生成一定强度后，继续送向远方。

四、FTU终端设备功能

基于FTU的馈线自动化系统是：通过在变电站出口断路器和户外馈线分段开关处安装柱上FTU，以及在配电变压器处安装TTU，并建设可靠的通信网络将它们和配电网控制中心的SCADA系统连接，再配合相关的处理软件共同构成高性能系统。

该系统在正常情况下，远方实时监视馈线分段开关与联络开关的状态和馈线电流、电压情况，并实现线路开关的远方合闸和分闸操作以优化配网的运行方式，从而达到充分发挥现有设备容量和降低线损的目的；在故障时获取故障信息，并自动判别和隔离馈线故障区段以及恢复对非故障区域的供电，从而达到减小停电面积和缩短停电时间的目的。其主要功能包括。

1、遥信：远程信号。采集并传送各种保护和开关量信息。

2、遥测：远程测量。采集并传送运行参数，包括各种电气量和负荷潮流等。

3、遥控：远程控制。接受并执行遥控命令，主要是分合闸。

4、遥调：远程调节。接受并执行遥调命令，调节发电机输出功率。

5、故障处理：馈线故障检测、故障定位、故障隔离、无故障区段供电恢复。

6、负荷管理：馈线负荷重新优化配置（网络重构）、馈线过负荷时，系统切换操作。

7、对时功能。

8、统计及记录：开关动作次数累计、供电可靠性统计、事故记录报告、负荷记录、事件顺序记录（SOE）、过流记录等。

五、结论与展望

目前，以计算机为基础的监控和数据收集系统在配电网调度自动化中普遍应用。同时，自动化进一步推向配电线和用户，使配电自动化的功能和覆盖范围更为全面。

配电自动化是电力系统中一种先进的理念，有别于调度自动化，目前国内外很多厂家和电力部门都朝这个方向去研究和探讨。每个地方的实际情况和发展方向不同，配电自动化的模式也自然不同，因此我们应该追求配电自动化系统的可行性、实用性和先进性，逐步扩展和完善，从发展方向看，以后将与调度自动化系统结合，成为一体化配电自动化系统。

（一）从多岛化到集成的DMS

传统的配电自动化，就是由一些单项、分散的多岛自动化所组成，功能相互重叠、数据不能共享、通道不能借用、功能不能互补。借助计算机通信和网络技术把单项自动化系统相互连接起来，例如将SCADA、LM和MIS（管理信息系统），通过少量接口转换实现互联而组成一个混合系统。解决问题的最佳途径，即遵循“开放系统”最大限度地保护用户原有硬软件投资的原则，采用开放系统结构（OSA），实现多应用系统产品厂家系统集成的道路。

（二）配电网优化运行

电力市场的不断完善迫使电力企业以效益为目标，把工作重心转移到效率管理、降低成本和为用户提供优质服务上。这使得供电企业必须不断地分析电网的运行性能、制定电网优化运行的方案。

（三）定制电力技术的应用

定制电力（Custom Power）技术是Narain G. Hingorani任职于美国电力科学研究院（EPRI）时和柔性输电（FACTS）技术一起提出的。该项技术可以解决电压突升、突降和瞬时断电等配电系统扰动所引起的种种问题，可补偿电压下降及短时断电，对谐波进行有效的滤波，补偿相电流的不平衡，改进功率因数P，其对提高供电质量方面有着广阔的前景，值得深入研究。

配电网自动化是电力系统现代化的必然趋势，其可以缩短停电时间和提高供电可靠性，提高设备利用率和降低运行成本，提高运行管理水平和改善供电质量。它是推行电力商业化运行的现代化工具，有着广阔的前景，在将来必然会得到更大的发展。

（作者单位：华北电力大学电气与电子工程学院）