作者在全球能源互联网和配电网快速发展的背景下,分析了配电自动化现状及规划发展趋势,深入研究了配电自动化主站、终端、信息通信及其他配套系统的建设方案,提出了适应地区发展需要的配电自动化建设思路,为从事配电网及配电自动化规划、设计、建设、运营等工作的人员提供了参考。
【关键词】配电自动化 配电网 电力系统通信 调控系统
1 引言
国家能源局2015年发布了《配电网建设改造行动计划(2015-2020年)》(以下简称《行动计划》),至2020年配电网规模将呈快速增长态势,配电网运行管理工作量大幅增加,对配电网的调度、监控、抢修的要求更高,配电自动化系统的建设需求非常迫切,各地均在建设满足新要求的配电自动化系统。本文从技术、经济、管理角度,分析了配电自动化建设模式,提出了系统的建设实施方案,确保建设投资的有效性,避免重复建设、过度投资等问题,系统可用性、实用性较强,减少故障定位的时间,实现快速故障隔离,基于全网的科学调度,最大效率的运行管理配电网,减少用户停电时间,提高供电可靠性,提升配电网的监控和运维水平。
2 配电自动化现状及发展方向
2.1 配电网发展规划
在《行动计划》中,明确了配电网是国民经济和社会发展的重要公共基础设施,提出了目前我国配用电水平相对国际先进水平仍有一定差距,区域发展不平衡,供電质量仍有待改善。需建设满足规划、区域统筹、安全可靠、高效实用、技术先进、智能化配电网络设施和服务体系。提出了推进配电自动化和智能用电信息采集系统建设,实现配电网可观可控;满足新能源、分布式电源及电动汽车等多元化负荷发展需求,推动智能电网建设与互联网深度融合等新要求。
2.2 配电自动化现状
配电自动化相较于主网调度自动化建设相对滞后、智能应用较少、调控能力有限、建设水平较低。截至目前,220kV及以上主网自动化已基本实现全覆盖,而配电自动化覆盖率较低。配电自动化发展水平也存在较大的区域差异,其中北京、上海、厦门、杭州等城市配电网自动化建设智能化、自动化、信息化应用水平较高,而欠发达或经济落后的地市电网配电自动化较为落后,存在“盲调”问题,亟待建设满足现代电网运行要求的智能配电自动化系统,实现配电网的可视可控,满足现代电网管理、运行的要求。
2.3 配电自动化建设研究的意义
按照《行动计划》建设任务,配电网的覆盖范围、供电可靠性、智能化程度都将得到大幅提高,2015-2020年这六年的建设规模是2014年及之前几十年已建配电网规模的40%左右。随着配电网一次网架规模的高速发展,必然对配电自动化、保护、通信等智能支撑系统的建设提出更高要求。《行动计划》中的相关建设目标要求见表1。
由表1可以看出,至2020年,配电自动化覆盖率及相关的配电通信网覆盖率、智能电表覆盖率等指标都要达到90%以上,其中配电自动化覆盖率较2014年增长450%,配电通信网覆盖率较2014年增长237.5%,智能电表覆盖率较2014年增长150%,配电自动化覆盖率从2014年的20%增长到2020年的90%,时间紧任务重。
根据国内外建设运营经验,配电自动化覆盖率要达到一定规模时,才能产生效益,并节省一次电网投资,保证设备的合理寿命周期,达到经济运行的目的。因此,深入研究配电自动化系统的建设方案,对下一阶段配电网的全面升级和建设改造具有积极的意义。
3 配电自动化建设研究
3.1 配电自动化主站系统
配电自动化主站系统建设应以配电网调控运行为应用主体,满足规划、建设、运行检修、营销、调度等横向业务协同需求,提升配电网精益化管理水平。根据城市定位、电网规划发展以及接入点信息量规模,配电自动化主站系统应一次性建成,并满足电网远景规模及配电网管理的要求。
主站系统处理能力满足配电网规划的实时信息量和交互信息量需求。系统应能全面实现配电SCADA、馈线自动化、网络分析、模型/图形管理和系统交互应用等功能。实现对配电线路、设备的信息采集与监控,故障区段快速切除与自动恢复供电等功能,系统主站功能见表2。
目前,各地市主要采用独立的地县一体化主站系统建设模式,少数采用了主网、配网融合平台的配调一体化主站系统建设模式。
配调一体化主站方式将主网调度主站、配网调度主站按照一体化建设,能保证系统专业化设计、建设、管理和运行维护,减少系统间的接口、配合协调工作量,从人员、资源投入上都能取得较大的效率。配电自动化系统主站与主网调控主站在技术体制、数据交互、运行维护等方面都较为便利,但与目前电网企业内部管理职能划分、宏观电力政策的适应性较差。
配网自动化主站和主网调控主站各自独立建设、管理,两套系统调度监控界面清晰,主网、配网调度运行各成体系,既能相互交互,又有明确的边界。建设独立的配电自动化系统主站,能较好的适应政策与技术发展的要求。
综上,在新建配电自动化主站系统时,应按照独立的系统主站建设,其主站系统与现有成熟的电网调度控制系统基本一致,系统应采用国产化的软、硬件体系,系统构架见图1。
3.2 与其他系统信息交互方式
配电自动化系统主站建设时,还需考虑与电网调度控制系统、生产管理系统(PMS)、地理信息系统(GIS)、用电信息采集系统、配网抢修指挥系统、小水电发电监测系统等系统进行信息或图形的交互。为便于后期扩展及标准化应用,应采用信息总线交互方式与上述各系统进行信息交互。
3.2.1 与主网调度控制系统的信息交互
(1)图模信息交互。需从电网调度控制系统获取主网的网络拓扑、变电站图形、一次设备参数及其所关联的保护信息。
(2)实时监测数据交互。可通过直接采集或电网调度控制系统数据转发方式获取变电站10kV电压等级相关设备的量测及状态等信息。
(3)计算数据交互。从电网调度控制系统获取端口阻抗、潮流计算、状态估计等计算结果,为配电网解合环计算等分析应用提供支撑。
(4)远程调阅。支持调度控制系统的远程调阅。
3.2.2 与PMS/GIS系统的信息交互
从PMS/GIS等系统获取中压配电网网络模型、电气接线图、异动流程信息及相关一次设备参数、地理坐标等。向PMS/GIS等相关系统推送配电网实时量测、馈线自动化分析计算结果等信息。
3.2.3 与用电信息采集系统的信息交互
从用电信息采集系统获取公用变和专用变的电流、电压、有功、无功、电量等配网用电信息。
3.2.4 与配网抢修指挥系统的信息交互
向配网抢修指挥系统推送相关告警抢修数据。
3.2.5 与小水电发电监测系统的信息交互
从小水电发电监测系统获取小水电10kV并网点的上网功率,电压,电流等基础信息。
3.3 配电自动化终端
按照《行动计划》的目标,至2020年,配电自动化覆盖率要达到90%,配电自动化终端建设覆盖应按照规划先行、合理布点、远近结合的建设原则,逐步进行覆盖。配电自动化终端为主站系统运行控制及管理提供现场数据,执行主站的远程控制指令。终端还应能具备遥信、遥测、遥控、对时、定值修改和召唤、手动操作、设备自诊断及自恢复、通信接口及通信通道监视等功能。
配電自动化建设应根据供电区的分类(A+、A、B、C、D、E类)和配电设备类型(配电线路、配变、柱上开关、开关站、环网单元)结合可靠性需求、一次电网结构和设备状况,合理选用配电终端类型。对关键性节点,如主干线的联络开关、重要分段开关,重要的开关站、环网柜和配电间等,宜设置“三遥”终端,其他非关键节点宜设置“二遥”终端。终端设置应结合调度运行要求、电网实际架构及一次设备运行状况进行合理的布设,避免过分追求大而全和提高建设标准,造成投资的浪费。
从经济投资、方便运维、科学管理等角度考虑,在终端建设时应适度布设“三遥”节点,尤其是B、C类区“三遥”节点占比不宜过大,D、E类区以“二遥”节点为主。架空线路自动化终端宜以就地“二遥动作型”为主,长距离线路可安装故障定位装置,减少故障定位时间。电缆线路自动化终端应根据区域电网结构选择关键性节点,进行“三遥”或“二遥”改造,严格控制一条线路上的节点数量,避免过多的节点布设造成调度运行方式过于复杂。
3.4 配电网通信系统
配电自动化主站系统与终端之间的通信是利用已建的地区骨干光纤通信网络,建设至配电自动化终端的通信网络来实现,可采用光纤通信、无线通信、载波通信等方式,几种通信方式的比较见表3。
由表3可以看出,从传输容量和可靠性方面来说,光纤通信具有较大的优势,但其光缆的建设、管理、维护的工作量十分繁重;从经济效益方面来看,无线通信方式具有较大的优势,其利用专用或公网无线网络,来承载配电自动化业务信息,既能满足业务对通信传输的基本要求,建设成本和管理维护工作量也较少。从安全和可靠性角度出发,配电网“三遥”节点按光纤通信接入方式建设,“二遥”节点按无线公网通信方式建设。
在建设配电通信网时,宜统一规划建设配电、用电信息通信网,综合接入配电、用电信息,基础通信网络共用,提高网络的承载效率,节省工程投资。通信网络应能够随着一次电网的扩展、改造而方便的进行调整,兼容不同的技术和各种通信介质。相较于主网通信设备,配电网通信设备除应具备技术成熟、运行稳定、安全可靠之外,还应具备适应高温、低温、潮湿、雷电和强磁场等复杂外部环境的性能。
3.5 安全防护
按照国家发展改革委2014年第14号令《电力监控系统安全防护规定》要求,需配置二次安全防护设备,确保系统的安全运行。根据配电自动化系统建设的要求,配电运行监控应用部署在生产控制大区,配电运行状态管控应用部署在管理信息大区。
(1)横向安全防护。生产控制大区与管理信息大区之间配置正向、反向物理隔离装置;生产控制大区与主网调度控制主站系统之间配置正向、反向物理隔离装置。
(2)纵向安全防护。生产控制大区与安全接入区无线公网前置交换机之间配置正向、反向物理隔离装置;生产控制大区与安全接入区专网前置交换机之间配置正向、反向物理隔离装置;生产控制大区配置加密认证装置。
(3)入侵检测。生产控制大区配置入侵检测装置,通过合理设置检测规则,及时捕获网络异常行为,分析潜在威胁,进行安全审计。
3.6 辅助配套支持系统
配电自动化系统主站、终端、通信等系统建设,与之辅助配套设施的也宜同步建设。其中,主站设备机房可与主网调控系统机房共用或独立设置配电自动化系统机房,并考虑相关综合布线、装修、消防、空调新风系统等;机房设备供电采用调度控制系统专用的UPS不停电电源供电或设置独立专用的UPS电源系统,确保系统失电时的后备供电保障;为便于调度运行人员监视全网运行状态,可在配电网调度大厅或抢修指挥大厅建设一套可视化大幕屏系统,用于配电网应急指挥、调度等。
4 效益分析
配电自动化系统的建设可以提高配电网的自动化水平,提高供电可靠性,降低线损,降低故障停电时间,降低人员劳动强度,提升服务质量,具有显著的经济效益、管理效益和社会效益。
通过实施配电自动化后,可以提升配电网管理水平,缩短应急响应时间,实现调度指令科学下达,避免非必要停电;通过调控一体化的建设,实现一次开关的远程遥控操作,缩短停电操作时间,降低运维抢修的人力和费用成本;可实现快速故障定位和故障隔离,恢复非故障段的供电,缩小故障影响范围,全面提升供电可靠性;能有效延长一次设备寿命,减少一次设备投资,最大限度地发挥系统供配电能力,降低设备的闲置率,改善一次设备的整体运行环境;可以提高供电可靠性,大大改善电能质量,减少用户的损失;为配电网调度、运行、检修、管理提供了有效的技术手段,彻底改变了配电网盲调、全人工运行维护等情况;将配电网调度监控、配电网运行维护、故障报修集中管理,实现配电网管理的集约化、精细化、专业化,达到减员增效、规范业务、提高效率的目的。
5 结语
配电自动化系统按照上述方案建设,能实现配电网的精准投资,契合配电网发展政策。建设技术先进、投资经济、安全可靠的配电自动化系统是整个配电网建设的关键点和提效点,也是保障一次网络安全稳定运行的重要环节,体现了配电网的智能化、自动化水平。因此,配电自动化建设应根据当地电网一次现状特点结合配电网规划发展情况,选择技术先进、投资合理、安全可靠的建设模式,并通过管理创新完善相关的管理制度建设,从专业管理体系和技术支撑体系两方面来确保配电网的高效建设和运营。
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作者简介
曹洋(1980-),男,现为江西省电力设计院高级工程师。主要研究方向为电力系统自动化及信息通信。
作者单位
江西省电力设计院 江西省南昌市 330096