配电自动化 3 终端设备与开关设备(2012)

2011年2月配电自动化输配电系统研究所刘念讲师、博士•第3讲：终端设备与开关设备•3.1终端设备•（1）配电变电站的微机远动终端装置（RTU）•（2）馈线远方终端（FTU）•（3）配电变压器远方终端（TTU）•3.2开关设备•（1）重合器•（2）熔断器•（3）分段器•3.3组合设备•（1）环网开关柜•（2）箱式变电站2•配电自动化的远动终端装置•配电变电站和10kV开闭所是配电网的重要组成部分，因此配电变电站和开闭所的自动化程度的高低，直接反映了配电自动化的水平。•配电变电站和10kV开闭所内的自动化和输电网中变电站自动化采用的设备类似，即：要在站内安装微机远动装置(RTU)。3•远动装置（RTU）的发展•⑴触点式远动装置是第一代远动装置，它的精度低，速度慢，可靠性差。•⑵数字式远动装置的精度和速度较触点式远动装置有了很大的提高，但它的可靠性及灵活性差，而且功能有限，难以满足现代化高度集中的实时监控的需要。•⑶微处理机具有速度快、功能强、应用灵活等特点，自七十年代起基于微处理机的远动装置有了迅速发展，Z80，i8086，80286，8098，MCS-51等高性能微处理机广泛地应用于RTU中。①仅有一个含CPU的智能模块微机远动装置；②多CPU结构的分布式微机远动装置。4•微机远动装置的基本功能•1.四遥功能：•遥信：远程信号。采集并传送各种保护和开关量信息。•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。•遥控：远程控制。接受并执行遥控命令，主要是分合闸，要求其正确动作率不少于99.99%。•遥调：远程调节。接受并执行遥调命令，主要是变压器分接头、投切电容器组等无功调节，正确率大于99.99%。5•微机远动装置的基本功能•2.事件顺序记录（SOE）•在电网发生事故时，以比较高的时间精度记录的下列一些数据：发生位置变化的各断路器的编号(包括变电站名)、变位时刻，动作保护名称，故障参数、保护动作时刻等。•事件顺序记录的一项重要指标是时间分辨率。分辨率可分为RTU内(即站内)与RTU之间（即站间）两种。•1)SOE的站内分辩率，是指在同一RTU内，顺序发生一串事件后，两事件间能够辩认的最小时间，在调度自动化中，SOE的站内分辩率一般要求小于5ms。•2)SOE的站间分辩率，是指各RTU之间顺序发生一串事件后，两事件间能够辩认的最小时间,SOE的站间分辩率一般要求小于10ms。6•3.系统对时：RTU站间SOE分辩率是一项系统指标，它要求各RTU的时钟与调度中心的时钟严格同步。目前，采用措施有：•1)利用全球定位系统GPS提供的时间频率同步对时，有效地确保SOE站间分辨率指标。•2)采用软件对时，SC1801、CDT、DNP和Modbus等规约均提供了软件对时手段。•4.电能采集：采集变电站各条进线和出线以及主变两侧的电度值。7•5.自恢复和自检测功能：•由于RTU处于一个具有强大电磁干扰的工作环境中，使用中难免发生程序受干扰、或通信瞬时中断等异常情况，甚至有时电源也会瞬时掉电。•在上述情形下，若不加特殊处理，均有可能造成RTU死机，SCADA系统将因此无法收到变电站信息。•要求RTU在遇到上述情形时，要能在较短的时间内自动恢复，重新从头开始执行程序。8•6.和SCADA系统通信•RTU的六项基本性能：•①应至少支持一种通信规约；②具有通讯速率的选择功能；③支持光端机；④支持微波；⑤支持载波；⑥支持无线电台。•除此之外，还希望RTU具有下列功能：•1)当地显示与参数整定输入，即在RTU上安装一个当地键盘和LED或液晶显示器，使得RTU的采集量在当地就可以显示到显示器上。•2)一发多收。9•变电站内的RTU分类10•集中式RTU的主要特征为：单CPU、并行总线和集中组屏。•分布式RTU的主要特征为：多CPU、串行总线、智能模板，既可以柜中组屏，又可以分散布置。根据结构上的不同，分布式微机远动装置又可分为功能分布式和结构分布式两大类。11•功能分布式微机远动装置•功能分布式微机远动装置是按功能划分各模块,RTU可由智能遥信模块(IYX)、智能遥测模块（IYC）、智能电度模块（IPA）、智能遥控模块（ISOC）、智能遥调模块（ISOR）和CPU模块构成，如下图所示。12•2)结构分布式微机远动装置•此体系结构的优点：•a)RTU单元模块分散地布置在开关柜等当中，而不必单独组屏，从而不仅节省了空间，也使二次连线大大减少。•b)很容易将微机保护和监控功能合二为一，成为集成化的产品，甚至连防误闭锁功能也可以包含进去。这样非常有利于实现变电站综合自动化。13•结构分布式微机远动装置在一个35kV配电变电站中的典型应用如下图所示。14•3)采用智能电能表简化微机远动装置的结构智能化多功能电能表•是一类功能性很强的智能电子设备(IED)，它不但能采集分时段有功电能和无功电能，还可以获得电压、电流、有功功率、无功功率以及功率因数等参数，并通过RS-485接口和其它设备相连。采用此结构如下图所示。15•微机远动装置的选择16体系结构特点适用范围集中式RTU功能分布式RTU结构分布式RTU用多功能电表简化RTU的结构单CPU、并行总线、集中组屏、无微机保护功能多CPU、串行总线、智能模块、一般仍集中组屏且无微机保护功能RTU仅需要遥控、遥调和遥信部分，可以从多功能电能表获得其它信息小区变、小型配电变电站中小型配电变电站和开闭所，大型配电站和开闭所的改造新建配电变电站和开闭所，变电站综合自动化出线负荷需要分时计费的配电变电站和开闭所多CPU、串行总线、面向对象的智能模块、分散布置、微机保护功能各种RTU体系结构的特点和适用范围17直流采样和交流采用•直流采样：将采用变送器进行的采样称为直流采样。•变送器的作用是：将强信号转化为适合计算机和仪表适用的弱信号；将交流信号转换为直流信号；从瞬时信号获得有效值；确保输出直流量和输入测量量之间满足线性关系；实现输入与输出隔离。•缺点：•数据的准确性受变送器稳定性的影响•数据的实时性受变送器响应速度的影响•变送器的维护工作量较大•需要大量的变送器，加大投资和占地面积。18•交流采样：不经过变送器，按一定规律直接采集交流量并加以处理，计算出电压、电流有效值以及有功、无功功率的方法就是交流采样。•实际上就是用微机取代了传统的变送器，克服了变送器带来的不良影响，精度高，灵活可靠，使用方便。•配电网自动化远方终端•一般分为两类：•馈线远方终端(FeederTerminalUnit-FTU)；配电线路上的自动测量与控制装置•配电变压器远方终端(TransformerTerminalUnit-TTU)。19•配电网自动化远方终端•用于现场的FTU有三种类型：•1)只具有运行参数采集功能（监测）采集馈线的电流、电压、有功、无功、电量、停电时间等，通过通信网络传送到相关变电站。•2)在采集单元的功能上加上控制（监控）•3)将馈线的微机保护集成到监控单元中（综合的保护、监控）20•FTU的功能•1)遥信：有多路开关量输入，测控开关的位置。•2)遥测：按一条线路需要测量的电流、电压进行交流采样，经数字滤波及运算后，得到要求的各运行参数，数据保存在有备用电源的存储器内，掉电不会丢失，也可能有数条线路遥测。•3)遥控：装置收到遥控命令后进入命令校验，当命令检验为正确时，通过出口继电器执行命令(跳闸或合闸)。•4)保护：•采用交流采样并能判断故障电流。•还具有故障录波功能，将故障前后若干周波波形数据与对应时刻存储到专用存储区。•可根据运行方式设置多套保护定值。21•5)统计功能：对测控的开关的动作次数、动作时间及切断电流进行监视。•6)事件顺序记录：记录状态量发生变化的时刻及顺序。•7)事故记录：记录事故发生时的最大故障电流和事故前一段时间(一般为1min)的负荷，以便分析事故，并作为确定故障区段及恢复供电时重新分配负荷的依据。•8)定值远方修改功能。•9)自检及自恢复功能。22•10)远方控制闭锁与手动操作功能。•11)对时功能。•12)装置经串口可与多种通信设备接口。•13)装置均有工作与备用电源。23•FTU的供电电源问题•FTU采用工作电源及蓄电池作备用是一种常用方式。•当线路掉电时，保证10小时内装置仍正常工作。24•FTU的典型系统框图25•柱上开关控制器FTU采用如下图所示的二机壳的结构形式。26FTU的结构形式27FTU的实物图片28FTU与开关配合的组成框图•配电变压器远方终端(TTU)•TTU是连接于配电线路上的柱上配电变压器或箱式变压器的远方终端装置。•由于配电变压器面向用户，应具有谐波检测功能。•当配电变压器有可调分接头，有可投切电容器组时，其遥控功能应能满足电压无功调控的要求。2930TTU的典型系统框图31TTU的实物图片•配电网中的自动化开关器件•配电网要实现自动控制，作为执行部件的各种自动开关是关键的设备之一。•断路器（CircuitBreaker）•隔离开关（Disconnector）•负荷开关（LoadBreakSwitch）•重合器（Recloser）•熔断器（Fuse）•分段器（Sectionlizer）32•中压配电网的故障类型•瞬时性故障：在线路被继电保护迅速断开后，电弧即行熄灭，故障点的绝缘强度重新恢复，外界物体也被电弧烧掉而消失，此时将断开的断路器再闭合，就能恢复正常的供电。•永久性故障：线路断开后，故障仍然存在，即使再合上断路器，线路还要被继电保护再次断开，不能恢复正常供电。•据统计，中压配电网中中永久性故障一般不到10%。33开关的功能与分类断路器•能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件(包括短路条件)下的电流的开关装置。隔离开关•即在分位置时，触头间有符合规定要求的绝缘距离和明显的断开标志；在合位置时，能承载正常回路条件下的电流及在规定时间内异常条件（例如短路）下的电流的开关设备。无灭弧能力，只能在没有负荷电流的情况下分、合电路。俗称刀闸。负荷开关•负荷开关是一种功能介于断路器和隔离开关之间的设备。具有简单的灭弧装置，能通断一定的负荷电流和过负荷电流，但不能断开短路电流。重合器1）定义与功能。•重合器是一种自身具有控制与保护功能的断路器。•它具有故障电流检测和操作顺序控制以及执行功能，即它能按预定的开断和重合顺序自动进行开断与重合操作。•永久性故障：在达到预先整定的重合次数后，则进行闭锁，不再重合。•瞬时性故障：如果故障在重合器未达到规定重合次数前已消除，即重合器在规定重合次数内跳闸并重合后在规定时间内不再跳闸，经过一段时间，重合器自动复位。2）分类a.单相和三相重合器b.油重合器、六氟化硫和真空重合器c.液压控制式、电子控制式熔断器1)概念当流过熔断件的电流超过一定数值时，它自身产生的热量就能自动将熔断件熔断从而达到开断电路的目的。2)原理熔断器开断电路的过程可大致分为三个阶段来描述1）弧前阶段：过电流开始到熔断件溶化2）燃弧初期阶段：熔断件溶化到产生电弧3）燃弧阶段：持续燃弧到电弧熄灭•分段器•定义与功能•用于配电线路上，用来隔离线路区段的自动开关装置。•不能用于开断故障电流，只能开断负荷电流。•在使用时，以整定记录故障电流开断次数来实现与电源侧的前级开关配合。•分段器具有计数功能，记录当分段器负荷侧发生故障后，电源侧保护装置断开故障电流动作次数，记录次数可以为一次或多次。•分类•按动作相数分为：单相式、三相式；•按控制方式分为：液压式、电子式。37•各种开关之间的比较38断路器隔离开关负荷开关熔断器重合器分段器分段开关联络开关在中压配电线路中可配合使用在配电变压器上可配合使用本质上是一样的，只是正常运行的开合状态不同三、成套组合设备1、环网开关柜2、箱式变电站SF6户外环网柜紧凑型户内高压开关柜单环网应用SF6户外环网柜紧凑型户内高压开关柜双环网应用箱式变电站内部功能构成紧凑型开关柜运行在变电站中