配电自动化终端技术及其应用

配电自动化终端技术及其应用山东科汇电力自动化有限公司二○○八年九月配电自动化终端技术及其应用 1 前言配电自动化终端用于中压配电网中的开闭所、柱上分段开关、环网柜、配电变压器、重合器、线路调压器、无功补偿电容器的监视与控制，与配网自动化主站通信，提供配电网运行控制及管理所需的数据，执行主站给出的对配网设备进行调节控制的指令。配电终端是配网自动化系统的基本组成单元，其性能与可靠性直接影响到整个系统能否有效地发挥作用。本文介绍配电终端的功能、构成以及工程应用技术，供读者全面、深入地了解配电终端产品技术及其一些基本的工程设计与应用知识。参加本文编写的有科汇公司徐丙垠教授、薛永端博士、张海台高工、王敬华高工。目录 0、概述 1、配电终端的分类 2、配电终端的基本功能 3、配电终端的构成 4、配电终端的故障检测技术 5、配电终端的通信技术 6、PZK系列配电自动化终端 7、配电终端在开闭所故障自动隔离中的应用 8、配电环网快速故障隔离技术配电自动化终端技术及其应用 2 0 概述应用现代计算机与通信技术，实现中压配电网的运行自动化（配网自动化），可以有效地提高供电质量与生产管理效率，因此，受到了供电部门科研生产单位的广泛重视。国际上一些发达国家的供电公司已大面积应用配网自动化，国内不少城市的供电公司（绍兴、济南、青岛、中山、泉州等）的配网自动化系统也达到了一定的规模。随着社会与经济水平的不断发展，用户对供电质量要求越来越高，实施配网自动化是供电部门的必然选择。配网自动化系统由主站、通信网络、终端装置三部分组成。配网自动化系统的终端装置，一般称为配电自动化终端或配网自动化终端，用于中压配电网中的开闭所、重合器、柱上分段开关、环网柜、配电变压器、线路调压器、无功补偿电容器的监视与控制，与配网自动化主站通信，提供配电网运行控制及管理所需的数据，执行主站给出的对配网设备进行调节控制的指令。配电终端是配网自动化系统的基本组成单元，其性能与可靠性直接影响到整个系统能否有效地发挥作用。传统的调度自动化或远动系统的远方终端（RTU）仅仅是一个完成“上传数据、下达命令”任务的现场装置，而配电自动化终端（简称配电终端），除了完成传统的“四遥”（遥测、遥信、遥控、遥调）任务外，还要能够检测故障、完成一些当地自动控制功能，如分段开关重合控制、开闭所备用电源自投等。此外，安装在户外线路上的配电终端还要能够适应恶劣的运行环境、在线路停电时能够利用蓄电池实现不断供电等。因此，配电终端功能、结构、设计技术与常规的 RTU有很大的不同。国外配电终端的研究开发始于 20 世纪 80 年代中期，我国在 20 世纪 90 年代初开始研制配电终端。到 1998 年我国投资数千亿巨资对城市配电网进行大规模改造时，已有数个厂家的配电终端产品投放市场。之后，经过十年的不断地进行改进、完善，目前我国配电终端技术已趋于成熟，产品制造成本不断降低，其性能与可靠性完全能够满足工程应用要求。这期间，国内供电企业与配电自动化设备制造商积累大量的产品选型设计、安装调试与管理维护经验，为合理地应用配电终端，提高整个配网自动化系统工程实用化水平创造了条件。未来配电终端技术将进一步向高可靠性、多功能、组合式、小型化、低功耗、低成本、免维护或少维护发展。科汇公司早在 1996 年就和美国 Hathaway（哈德威）公司合作开发出了 PZK­100 配电自动化监控终端，1997 年产品在山东烟台电业局投入试运行，1998 年在北京通过了山东省科技厅组织的专家鉴定，鉴定意见认为产品整体技术达到国际先进水平，其中小电流接地故障检测技术与利用测量电流互感器（TA）的短路故障检测技术为国际首创。1999 年科汇公司中标科技部组织的国家科技创新基金配电自动化监控终端招标项目，获 85 万元的无偿资助。十几年来，科汇公司致力于配网自动化设备的研发，已成功地应用于开闭所、环网柜、柱上分段开关、重合器、配电变压器、无功补偿电容器的 PZK 系列监控终端。产品性能完善、运行配置灵活、易于扩展、运行可靠、维护方便，深受用户的欢迎。目前，该产品已在济南、绍兴、宁波、泉州、贵州凯里等以及近十个铁路局电力线路上投入运行近一万套，积累了丰富的工程应用经验。2007 年，科汇公司继承第一代配电终端产品成熟的设计技术与运行经验，采用32位RISC微处理器、uClinux嵌入式操作系统、高速数字信号处理器（DSP）、高速串行总线等最新嵌入式系统设计技术开发成功了新一代配电终端。该产品的数据处理与存储能力增加一倍以上，接口更为丰富，扩展更为灵活、方便，制造成本进一步降低，把配电终端技术水平提高到了一个更高的水平，可以更好地满足配网自动化工程应用要求。本文介绍配电终端的功能、工作原理、结构以及工程应用技术，并作为一个例子，介绍科汇公司新一代配电终端产品的设计技术与功能。希望这篇文章能够有助于读者全面、深入地了解配电终端产品技术及其一些基本的工程设计与应用知识。配电自动化终端技术及其应用 3 1配电终端的分类配电终端用于配电设备运行数据的采集与调节控制。不同的配电设备对终端的功能要求、运行环境与安装结构也有所不同。根据国家经贸委于2002年发布的电力行业标准“配电自动化系统功能规范”，配电终端可分为四大类：（1）开闭所、公用及用户配电所监控终端，一般称为站控终端DTU(DistributionTerminalUnit)。DTU的构成与传统的远动RTU类似，但在功能上与常规RTU有很大不同，主要增加了故障检测与当地可编辑逻辑控制（PLC）功能。PLC用于不依赖于主站对母线或线路故障的自动隔离。在一些开闭所内，为避免在额外装设保护装置、简化二次回路配置，DTU应具备保护功能，在母线或装有断路器的出现短路故障时，能够快速检测出故障单元，给相应的断路器发出跳闸命令。（2）线路分段开关监控终端，包括柱上分段开关与环网柜监控终端，称为线路终端FTU（FeederterminalUnit）。FTU运行在户外环境中，其功能要求、结构、供电方式、安装形式上都与常规RTU有很大的区别。（3）配电变压器监测终端，一般称为配变终端TTU（TransformerTerminalUnit），不少人习惯将其称为配变监测仪或变台监测仪。TTU主要用于配电变压器负荷情况的监视与纪录，个别情况下要求其能够根据电压与无功情况，就地进行无功补偿电容器投切控制。从监视负荷变化情况的角度出发，不要求TTU一定要及时上传采集的数据，为减少成本，可不安装实时通信设备，定期（如每月一次）人工就地读取TTU记录的负荷变化数据。此外，还有一种用户用电设备监控终端，简称用电终端。用电终端采集高压侧电流和开关状态量以及低压侧电压、电流、有功、无功、电能表脉冲计数量等，并结合需方管理（DSM），对用户设备进行控制。一般在大用户装设该设备。用户设备监控终端结合了FTU与TTU功能，设计技术与构成与DTU或FTU类似，本文不再专门介绍。 2配电终端的基本功能配电终端的监控对象与应用场合不同，对其功能的要求也不同。即使监控同样的设备，根据主站完成的功能与设计要求的不同，对配电终端的功能要求也有所不同。本节介绍对各种配电终端的基本功能要求，实际工程中，应根据具体的应用要求对其功能进行取舍。 1）SCADA 功能即传统 RTU的“三遥”（遥测、遥信、遥控）。配电终端要能够测量正常运行状态下的电压、电流、有功、无功、视在功率、功率因数、有功电度、无功电度、频率以及零序、负序电压与电流这些反应系统不平衡程度的电气量，此外还要能接入直流输入量，主要用于监视使用的蓄电池的电压与供电电流。遥信主要是接入配电开关辅助接点信号、储能机构储能正常信号、装置控制的“软压板”（如当地/远方控制压板）信号等。遥控包括配电开关合闸与跳闸输出（SBO­Select Before Operation即需要预先选择遥控输出）外，还包括用于蓄电池活化控制等功能的开关量输出。一般来说，配电终端不要求模拟量输出，线路变压器调压控制、无功补偿电容的投切等配电设备调节功能通过开关量输出信号控制。实际工程应用中，DTU与 FTU都要具备 SCADA 功能。如果具备实时通信条件，TTU 也要能够及时上传实时测量数据。 2）故障检测与记录配电自动化终端技术及其应用 4 配网自动化系统的一个核心功能是配电线路故障定位、隔离与自动恢复供电，这就要求配电终端能够采集并记录故障信息，这是其区别于常规 RTU的一个重要特点。配电终端采集记录的故障信息主要包括：（1）故障电流、电压值。实际应用中，可像故障录波器一样，记录下故障电压、电流的波形；为了简化装置的构成及减少数据传输量，亦可以只记录几个关键的故障电流、电压幅值，如故障发生及故障切除前、后的值。（2) 故障发生时间及故障历时。（3）小电流接地故障电流。配电终端应该能够检测小电流接地系统单相接地产生的零序电流，以供配网自动化系统确定接地故障的位置。（4）故障方向。有些情况下，如双电源闭环供电线路中，配电终端需要测量故障电流方向，供确定故障位置使用。单纯从线路故障区段定位的角度讲，主站只需知道配电终端所监视的点有无故障电流流过即可，因此有些情况下，不要求其精确地测量故障电流等数据，只需要产生一个标志有故障电流流过的“软件开关量”上报即可。以上故障信息采集的要求，主要适用于对配电线路进行监控的 DTU与 FTU。一般来说， TTU只采集、记录负荷变化情况，不要求其进行故障检测。个别情况下，要求 TTU能够记录故障电流幅值与故障历时。3）负荷监测负荷监测功能主要适用于TTU，用于检测记录配电变压器低压侧运行数据。部分供电企业设计的配网自动化系统，要求DTU和FTU也具有负荷监测功能，能够记录线路的主要运行参数。负荷监测功能主要有：（1）实时运行数据采集功能。该功能用于负荷的实时监视，采集的运行数据与SCADA功能类似，只是对采集周期的要求要宽一些，比如每隔2min采集一次数据。（2）负荷记录功能。用于记录主要的反映负荷运行特征的参数，保存在掉电不丢失内存里，由主站根据需要召唤读取或人工定期（如每月一次）在当地利用“掌上宝”电脑读取。记录的运行参数主要有选定时刻（一般是整点时刻）的电压有效值、电流有效值、有功、无功、功率因数、有功电能、无功电能等运行参数，一段时间（时间段可选）内电压、电流、有功功率、功率因数的最大值、最小值及其出现时间，供电中断时间与恢复时间等。负荷记录功能一方面可以在与主站的通信中断时，仍然可以获取被监视设备的运行数据；另一方面，也降低了对通信实时性的要求，使得主站可在实时任务不多、相对空闲时读取运行数据。实际工程中，供电企业为降低造价，往往不为TTU提供通信通道，主要依靠人工定期读取负荷记录。（3）负荷统计功能。主要是电压合格率、供电可靠性的统计。 4）电能质量监测现在人们对电能质量愈来愈关心，要求也越来越高。为了准确地统计评估电网的电能质量状况，及时采取措施提高电能质量，一些供电企业建立了电能质量在线监测系统。如配电自动化终端技术及其应用 5 果能够在配网自动化系统里实现电能质量监测功能，可避免建立专用的监测系统带来的额外投资。而配网自动化系统对电能质量进行监测，关键是配电终端能够实时采集电能质量信息。过去受造价的限制，配电终端采用微处理器处理能力有限，难以再增加电能重量采集处理功能，而最近新设计的产品一般都采用了快速数字信号处理芯片（DSP）与 32 位 RISC 微处理器，完全可以在保证基本的测控功能的同时，完成电能质量数据实时采集处理与上传功能。配电终端采集记录的电能质量数据主要是对用户影响最大的谐波、电压骤降数据，个别场合要求记录电压闪变参数。对于按照基本应用要求设计的配电终端，一般能够在不改变硬件电路的情况下采集到 32 次谐波，可以满足绝大部分工程应用要求。极个别情况下，要求采集到 32 次以上的谐波，这样就需要设计专门的谐波采集终端。电压闪变的记录对软硬件都有较高的要求，必要时也要进行专门的设计。电能质量检测一般作为配电终端的一个选配功能。实际工程应用中，根据电能监测的需