配電自動化開關設備的幾個技術問題

前言我國電力系統長期以來形成了“重發、輕供、不管用”的局面，全國大部分地區表面上電量供大于求，而實質上是配電網落后有電送不出，用戶需要卻得不到，如居民用電、農村用電線損高、電費高、電壓低、供電不可靠，這已成為電力系統供用電的瓶頸。因此，國家計劃投資2600億來改造城鄉電網，尤其是改造配電網，并逐漸實現配網自動化以達到：電能合理分配以降低能耗、供電可靠性提高以減少電能損失、供電質量提高以使各種電氣設備使用壽命得以延長、配電自動化的應用可精確估計各種設備的使用狀態而使設備能得到充分利用、情報資料精確完整以及勞動力的大大減少等。同時投資改造城鄉電網也是啟動國內經濟增長的得力措施。一、配電自動化在電力系統中的位置電力系統由發電、輸電、變電、配電和用電五個環節組成，如圖1所示。圖1其中發電、輸電、變電幾個環節的監視、控制和管理屬能量管理系統EMS（EnergyManagementSystem），包括監視控制和數據采集SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）、自動發電控制AGC（AutomaticGenerationControl）、管理信息系統MIS（ManagementInformationSystem）和其它名目繁多的EMS高級應用軟件。配電和用電的監視、控制和管理屬配電管理系統DMS（DistributionManagementSystem），包括SCADA、負荷管理LM（LoadManagement）/負荷控制、故障管理、自動繪圖AM（AutomatedMapping）/設備管理FM（FacilitiesManagement）/地理信息系統GIS（GeographicInformationSystem）/投訴電話熱線TC（TroubleCall），配電網高級應用軟件等功能。EMS和DMS兩者均以SCADA系統為起點，由于電力系統無“倉庫”，發、供、用一次完成，兩者有分工，但對于較小孤立系統兩者可合而為一。配電自動化DA（DistributionAutomation）與配電管理系統DMS密切相關，從供電網絡結構來看，主要包括變電站自動化和饋電線自動化[1]，有的也將負荷管理LM納入配電自動化的范疇。饋電線自動化又包括柱上饋電線自動化和電纜饋電線自動化，如圖2所示：圖2配電自動化內容柱上饋電線監視控制和數據采集、柱上饋電線故障定位與柱上饋電線隔離和自動恢復供電是柱上開關、分段器、重合器完成的功能。其中監視控制和數據采集也可用“遙信、遙控、遙調、遙測”四遙來描述。這“四遙”功能，最后要與配電管理系統DMS平臺相配合，其中要涉及到通訊方式及通訊規約問題。通訊方式目前有：有線、無線、光纖、電力載波。有線通訊：抗干擾能力強，需架設通訊線路或租用電話線；無線通訊：架設方便，存在頻道資源限制及無線干擾問題；光纖：干擾小、可靠、可與電纜同時鋪設，眼下成本高但有發展前途；電力載波：經濟性好，但由于配電網絡復雜、開關斷點多，需信號耦合、解決電容器組信號短路和變壓器信號衰減問題。二、柱上一次開關設備1.柱上饋線自動化一次設備柱上饋電線自動化設備分為重合器與分段器兩種，其構成如圖3所示，具有故障檢測與識別功能、測量與控制功能、計量功能、通訊功能和維護功能。圖3柱上自動化開關設備圖4所示為控制器的幾種型式。控制器無疑將選用微機式，由于高速單片微機，EPLD技術，DSP技術的出現，使得控制器可以完全滿足配電自動化的要求。需要解決的問題是：溫度特性（-40~ 80℃）；電池壽命（10年）；抗強電磁干擾的能力。圖4智能控制器類型2.柱上斷路器分類及其特點配電網架空線運行著大量一次設備：柱上斷路器和柱上負荷開關，同時重合器也是由斷路器加控制器構成，分段器由負荷開關加控制器構成。因此有必要對柱上一次設備加以分析。我國架空線柱上開關以斷路器居多，而且負荷開關也多以斷路器代替，下面著重分析不同類型斷路器的結構及其優缺點。如圖5所示。圖5柱上斷路器分類及其特點我們認為柱上斷路器應采用真空開關管滅弧以提高分斷能力，SF6氣體解決相間絕緣，縮小體積。因為零表壓，密封問題相對容易解決。由于真空負荷開關管和斷路器開關管價格差不多，其他結構也相差無幾，所以真空負荷開關可以用真空斷路器代替。操動機構應當密封，以解決機構銹蝕出現誤動、拒動現象。永磁機構就其原理而言由于元件數少，可靠性很高。但要注意到其本質上還是電磁操動機構，瞬時功率大及機械特性控制是其難點，啟動電容以及電子控制線路的壽命、溫度特性及可靠性是操動機構總體可靠性的瓶頸，應加以高度重視，這些問題若能解決永磁機構應為首選機構。彈簧機構若能解決密封問題，近期將成為一個適宜于柱上的操動機構。柱上開關A、B、C三相斷口布置方式，如圖6所示有三種型式。圖6A，B，C三相斷口布置方式柱上斷路器采用三相共箱式為好。分體柱式工藝要求高，材料問題也不好解決。負荷開關采用隔離閘刀式用于農網小電流控制或加熔斷器保護也是可行的。三、柱上饋電線自動化一次設備運行模式國外或國內合資廠柱上開關配電自動化運行模式有4種見圖7。方案1至方案4相應的工作原理見文獻[4]。方案5為遠方集中控制模式[5]。圖7柱上配電自動化模式1．日本東芝模式：該方案在架空線相間短路故障隔離及恢復供電方面有效，適用于配電饋線的初級階段，對于饋線綜合自動化的功能及我國國情來說是不完善的。表現在：（1）沒有接地故障檢測功能。當出現接地故障時，若象對待短路故障一樣全線跳閘，再重合的辦法來隔離故障，則對于占總故障數90的接地故障來說會出現頻繁跳閘的現象，失去了中性點不接地的優點，不如采用中性點接地辦法還會使線路絕緣水平降下來。（2）要求出線側開關具有重合功能。而某些局由于負荷越來越重如廣東局則不允許變電站內出線側開關再重合，只能加裝重合器，這樣日本東芝的自動配電開關需依賴于重合器，就整個配電方案而言屬從屬位置了。（3）故障隔離時間長，級數越多隔離時間越長。（4）對于這一模式的第二、第三階段（文獻4未論及），對故障判別和隔離，自身解決，對于負荷控制，SCADA功能仍需依賴于通訊線路。且操作平臺不適合中國國情。2．對于有重合器的方案一、方案二和方案四，首先要使接地電流檢測靈敏度提高，并將接地故障改為慢速跳閘方式，站內應加裝接地故障微機選線裝置。國外重合器價格比較高。3．遠方集中控制模式采用國產優質斷路器加智能控制器FTU，在出口端具有重合器功能，其它各段相當于分段器功能。具有小電流接地檢測功能，靈活的通訊方式，適用于配電自動化的通訊規約和適合國情的配電自動化平臺體系，具有很強的生命力和發展前景。四、智能控制與智能電器近來，在電器領域出現了智能電器和智能開關柜的概念，究竟什么樣的電器和開關柜能稱作智能電器和智能開關柜，有將具有自診斷功能、在線檢測功能作為智能電器特征，有將能在各種環境下可靠工作作為其特征。其說法很不統一，由于科學技術在不斷發展，智能電器的定義也在不斷變化，但對此問題進行探討是有必要的。智能電器應當是傳統電器與智能控制相結合的產物，傳統電器定義為：凡是根據外界指定訊號和要求，自動或手動接通和斷開電路，斷續或連續地改變電路參數實現對電路或非電對象切換、控制、保護、檢測、變換和調節用的電氣設備都是電器的范疇[3]。如開關類：斷路器、負荷開關，無功補償裝置，有載或無載調壓裝置等。這里有三層意思，一是操作電器的執行過程及結果：“斷續或連續地改變電路參數實現對電路或非電對象切換、控制、保護、檢測、變換和調節”，二是操作電器的指令“根據外界指定訊號和要求”，三是操作電器的手段“自動或手動”。智能電器與傳統電器在執行過程及結果和操作電器的指令上區別不大。其區別主要是操作電器的手段上，也即自動或手動控制還是智能控制，智能控制是建立在自動控制的基礎之上，而優于自動控制。智能控制具有十分明顯的跨學科結構特點，其構成有幾種不同的思想，其中有二元交集結構，三元交集結構和四元交集結構。表示如下：IC=AI∩ACIC=AI∩CT∩ORIC=AI∩CT∩IT∩ORAI---人工智能（ArtificialIntelligence）;AC---自動控制(AutomaticCybernetics)CT---控制論(ControlTheory,Cybernetics)OR---運籌學(OperationResearch)IT---信息論(InformationTheory,Informatics)IC---智能控制(IntelligentControl)∩表示交集符號。這幾種思想的共同特點是均具有人工智能和自動控制或控制論。智能控制的核心在高層控制，即組織控制。其任務在于對實際環境或過程進行組織，即決策和規劃，以實現廣義問題求解。為此，需要采用符號信息處理、啟發式程序設計、知識表示以及自動推理和決策等相關技術。這些問題求解過[1][2]下一頁