配电自动化发展动向

2008-04-04 18:35:03  中国节电产品信息网  中国节电产品信息网  
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        配电网是电力系统发电、输电和配电(有时也称供电和用电)三大系统之一。电力公司通过配电网实现产品销售--向广大电力用户提供电能。随着经济的发展,观念的变化,电力公司正经历着一场深刻的变革:电力市场自由化。这场变革使电力公司面临新的挑战,不得不采取新的策略,新的技术和管理措施,转变经营理念,增强市场竞争实力。

        一、  配电自动化简介

        配电自动化指:利用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术与电力设备相结合,将配电网在正常及事故情况下的监测、保护、控制、计量和供电部门的工作管理有机地融合在一起,改进供电质量,与用户建立更密切更负责的关系,以合理的价格满足用户要求的多样性,力求供电经济性最好,企业管理更为有效。

        配电自动化是一个庞大复杂的、综合性很高的系统性工程,包含电力企业中与配电系统有关的全部功能数据流和控制。从保证对用户的供电质量,提高服务水平,减少运行费用的观点来看,配电自动化是一个统一的整体。

        配电自动化包含以下4个方面:

        馈线自动化。馈线自动化完成馈电线路的监测、控制、故障诊断、故障隔离和网络重构。其主要功能有:运行状态监测、远方控制和就地自主控制、故障区隔离、负荷转移及恢复供电、无功补偿和调压等。

        变电站自动化。变电站自动化指应用自动控制技术和信息处理与传输技术,通过计算机硬软件系统或自动装置代替人工对变电站进行监控、测量和运行操作的一种自动化系统。变电站自动化以信号数字化和计算机通信技术为标志,进入传统的变电站二次设备领域,使变电站运行和监控发生了巨大的变化,取得显著的效益。

        变电站自动化的基本功能有:数据采集、数据计算和处理、越限和状态监视、开关操作控制和闭锁、与继电保护交换信息、自动控制的协调和配合、与变电站其他自动化装置交换信息和与调度控制中心或集控中心通信等项功能。

        变电站自动化技术是配电自动化的重点之一。

        配电管理系统。配电管理系统(DMS)是指用现代计算机、信息处理及通信等技术和相关设备对配电网的运行进行监视、管理和控制。它是配电自动化系统的神经中枢,整个配电自动化系统的监视、控制和管理中心。主要功能有:数据采集和监控(SCADA)、配电网运行管理、用户管理和控制、自动绘图/设备管理/地理信息系统(AM/FM/GIS)等。

        需求侧管理。通过一系列经济政策和技术措施,由供需双方共同参与的供用电管理。包含负荷管理、用电管理及需方发电管理等。需求侧管理的几个内容涉及电力供需双方,甚至与电力管理体制有关,必须通过立法和制订相应的规则,并最终由电力市场来调节。可以看到,电力的供需双方不仅仅是一种电力买卖关系,也是以双方利益为纽带的合作伙伴关系,在电力市场环境下,需求侧管理必将被重视。
      
        上述4个方面的内容可以相互独立运行,它们之间的联系十分密切,特别是信息的采集、传递、存储、利用以及这些信息经过处理作出的决策和控制相互影响。因而,信息的管理十分重要。

        二、  配电自动化发展新动向

        1、  配电网自动化功能框架奠定,且得到充实和完善

        国际供电会议(CIGRED)特设工作小组在1995年5月提出的专题报告中,按照以下原则: 

        1)把电网功能和用户功能区别开来;
        2)把在线功能和计划功能区别开来;
        3)把运行工作和维修工作区别开来。

        将配电自动化功能划分为4组:电网运行、运行计划及其优化、维修管理、用户联系和控制。

        在上述主功能组的基础上,再分成若干功能,奠定了配电自动化系统的主功能框架。需要强调的是:

        (1)这4个功能组并不是各行其事,而是有着十分紧密的联系,经常交换信息,这样既可做到数据共享,更可保证控制和管理的一致性。
        (2)数据管理的重要性。数据管理本身并不是配电自动化的功能,但是,所有的功能都包含在数据管理内,要实现庞大复杂的众多功能必须依靠数据管理来完成,这些功能所交换和共享的数据引起了功能间的联系。数据管理可确定所掌握的数据是需要相关管理的、连续不断更新的还是由若干系统共享的数据。数据管理建立了能满足配电自动化要求的新的机制和管理方法,是配电自动化不可缺少的组成部分。

        IEC TC57/WG14工作组提出了配电管理系统接口规范。该规范不仅将上述配电自动化功能按照商业应用的要求作了分类,规定了每类的具体功能要求,而且将配电自动化系统与能量管理系统(EMS)、气象信息、雇员信息及用户信息系统的接口考虑进去,充实和完善了配电自动化功能框架。

      2、  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,把工作中心转移到效率管理、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。

        配电网的优化运行主要包括:无功补偿、提高供电质量、降低线损、设备运行和维护。

        供电质量包括安全性、电压合格率、频率合格率、供电可靠性和用户对停电、收费及服务的意见。

        提高供电可靠性的主要技术措施有:

        (1)缩短故障停电时间

        故障自动报警;

        快速故障定位;

        自动/人工遥控隔离故障,非故障区段恢复供电。

        (2)降低事故隐患和影响

        这重点在于对设备状态和电网参数进行经常性监测,力求在故障发生前检测出潜在的事故隐患。

        变电站自动化的发展,使供电可靠性有了很大的提高,但是,要进一步缩短故障停电时间,很大一部分取决于馈线自动化的发展。必须在馈电线路上装设电动开关,配置馈线终端设备FTU,对一些分支线路,还应装设故障指示器,并利用通信系统,向系统提供馈线运行数据和状态,执行系统下达的馈线开关遥控操作命令。

        非线性负载、电动机直接起动、不平衡负载、焊接设备以及家用电器设备增多,降低了电压质量。电压质量对现代电子设备及计算机系统影响极大。为此,提出系统应对电压进行连续测量和质量分析,噪声越限告警。同时,要根据实际需要选择不同的无功补偿方式。

        3、  集成化、智能化和综合化是一发展趋势

        早期配电自动化的实施采用发展独立的、单项自动化系统来解决问题,如直接的负荷控制、大用户的远程抄表等,由于配电自动化的功能之间存在着不同程度的关联,其中大部分要求很难满足,且还无法克服在扩大应用规模时确认所需投资的合理性所遇到的困难。这种按"功能定向"的方法,已造成综合化水平非常低并带来若干反面影响,如功能重叠、数据的重复、灵活性很差和维修费用高等。

        另外,配电自动化系统作为一个庞大复杂的、综合性很高的系统性工程,包含众多的设备和子系统,各功能、子系统之间存在着不同程度的关联,其本身及其所用技术又处于不断发展之中,对任一家制造商而言,根本不可能包揽一切。

        这就要求配电自动化系统采用全面解决的方案,走系统集成之路,使得各种应用之间可共享投资和运行费用,最大限度保护用户原有的投资。

        在馈线自动化方面,现有馈线终端设备不仅具有常规的遥测、遥信和遥控功能,且还集成了自动重合闸、馈线故障检测和电能质量的一些参数的检测功能,甚至集成了断路器的监视功能,且有进一步与断路器、开关相结合,机电一体化,发展成为智能化开关的趋势。显著地降低了建设、运行和维护的综合成本,为提高供电可靠性,创造了有利的条件。

        故障定位和自动恢复送电可以明显地缩短停电时间。有效地解决这一问题,必须以数字式继电保护、馈线自动化和DMS系统为基础。对于故障定位,国外有人提出使用三种技术综合处理:故障距离计算法、线路故障指示器法以及不同线路区间故障概率统计法,这些信息结合在一起进行模糊逻辑处理。

        在电压无功控制方面,天津大学杨争林、孙雅明首次提出基于人工神经元网络的无功预测和优化决策相结合的变电站电压无功控制策略,该策略以无功变化趋势为指导,充分发挥了电容器的经济技术效益,能在无功基本平衡和保证电压合格的前提下,使变压器分接头的调节次数降至最小,消除了盲目调节,降低了变压器故障几率和减少了维护量。

        4、  电力线载波技术取得重大突破

        1997年10月英国联合电力公司的子公司Norweb通信公司与加拿大Notel公司联合声称:取得了电力线载波技术重大突破,利用新开发的数字配电线载波技术(Digital Power Line DPL)可有效地保护配电线上传输的信号不受干扰,使得电力公司可以通过现成的配电线路为用户提供高速、可靠而费用低廉的因特网、多媒体以及其他信息服务。目前,该技术可为家庭和中小型用户提供速度最快的通信方式。

        DPL技术是针对能够加强本地、区域性以至全球范围的家庭和中小型公司的数据访问性能和响应性能,采用改进的因特网规约(IP)以及复杂的专用电子装置来沿低压配电电缆网络传输MHz级的数字高频信号,同时监视导致信息失真的脉冲信号以及其他形式的电干扰,从而实现了利用配电网络为家庭和中小公司提供数字电话、传真及因特网通信服务的手段。

        该项技术的优越性体现在:

        对于电力公司来说,配电网络是现成的,因而应用DPL技术的投资远小于其他宽带通信系统;

        由于配电系统连至千家万户,通过该网络可为用户提供极方便的因特网服务;

        该技术使得由调制的低压网络传送的因特网和数据访问的速度比目前最快的综合数字服务网络ISDN的速度提高了10倍,比与普通电话线连接的高速调制解调器快20倍;

        服务容量极易扩展;

        对电力公司来说,提供了开拓新市场的机会;

        这些信息服务的提供,可为电力公司提高效率、增强电力市场中竞争力,加深与用户的关系方面起到重要作用。

        但目前推广应用DPL技术存在一些因难:

        将变电站转化为与因特网相连的网关,还需要在变电站中安装开关以及异端高速回馈光纤网络以承载变电站和因特网之间的数据传输;

        DPL这项技术,还需要进一步发展和证实,而其他技术,如低能无线(low-power radio)、电缆调制解调器或不对称数字电话用户线(asymmetric digital subscriber line)等高速通信系统都已商业化或即将商业化,因而至少在最近两年内,DPL技术是一项相对比较贵的选择方案。

        5、  用户电力技术的应用

        用户电力(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。其核心内容是电力电子设备的应用。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,对谐波进行有效滤波,补偿相电流的不平衡,改进功率因素。其对提高供电质量方面,有广阔的前景,值得研究。

        用固态断路器(Solid-State Transfer Switch SSTS)(动作非常快的电子开关)控制双电源馈线向重要用户供电时,固态断路器可在1/4Hz内完成备用馈电线切换,向用户提供不间断电源。除此之外,与静态电容器配合起来使用时,可提供优质电力,同限流电抗器或电阻器组合在一起,可在配电系统中迅速插入限流装置以防止来自大短路容量的过大故障电流。

        静态电容器(Static Condenser STATCOM)或静态补偿器(Static Compensator STATCOM)是快速响应的固态电力控制器,它能向4.16~69kV配电馈线连接处提供灵活的电压控制以改进电力质量;同时也是一个交流同期电压源,通过一个联络电抗和配电系统相关联,并能用改变电压源的幅值和相角的方法和配电系统交换无功和有功功率,其结果就可通过以STATCOM和配电线之间的联络电抗来控制电流。这样可调节无功电流和抑制电压波动。STATCOM是通过一个先进电力半导体装置组成的固态的直流到交流的变流器来实现的。它能有效地替代配电系统采用常规电压和无功控制元件、有载分接开关、电压调整器和自动投切电容器。一台多功能的STATCOM包括的功能有电压控制、动态滤波、低损控制无功和有功功率。

        动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer DVR)有一个变压器、一个换流器和一个储能装置,只不过变压器是串接在母线上向敏感负荷供电。补偿是双向的,既能升高已下跌的电压,也能降低过高的电压,其响应时间只需几个毫秒。当电源侧电压质量明显不符合敏感负荷要求时,DVR通过串接的注入变压器向馈线注入可控幅值、相角和频率(谐波)的电压,来校正负荷侧电压波形的畸变,包括由于邻近线路发生故障或负荷时而引起的电压波动。

        无论是固态补偿器STATCOM还是动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer DVR)直流储能装置的容量决定了对每次电压下跌进行调节的持续时间,可以从几个Hz到几秒钟。若应用超导储能器(Micro Super-conducting Magnetic Energy Storagy-SMES),可适用于短时间大功率的存储和释放场所。

        有了用户电力设施,用电的质量和可靠性仍需供电方和用电方合作解决,所以双方的信息畅通和工况变化的透明度是十分重要的,这有赖于供电信息化程度的提高。用户和供电者合作可以共同把扰动减少到几乎没有。不论是雷击、开关切换还是负荷大变动等,都不使其干扰电力用户的运作。

        6、  技术和经济手段综合利用,改善对用户的服务

        面对激烈的市场竞争,改进对用户的服务,是增强电力公司竞争能力的重要手段之一。利用各种技术和经济手段,改进对用户的服务,满足不同用户的需求,指导用户合理、经济用电,鼓励用户参与和配合电力企业对供用电进行管理和控制,提供用户用电选择权等是当前配电自动化发展值得注意的一个动向。

        意大利ENEL公司在电费上采取以下措施,使负荷曲线更加合理化:

        (1)向所有需量超过或等于400kW的用户推广分时电价。
        (2)对增容到25kW使用电炉的食品工业用户和至少6kW需量的家庭用户中试行两时段分时电价。
        (3)对需量大于3000kW,且应电力公司的请求可至少减少负荷1000kW的用户,实行可停电供电电价。
        (4)带暂停需量的可停电供电电价。对在同意的月份(冬季最多四个月,夏季可能有一个月)中全国电力系统发生紧急情况的小时内减少需量(至少为一天相应时间内签约需量的50%)的用户实行可停电供电电价。

        改革电费系统,使之变得更为灵活,其目的在于更准确反映全部时间内的电力成本,鼓励用户将他们的用电负荷需求调整到一条改进过的负荷曲线。此外,改革电费系统,不仅包含电量,还包括与供电质量关联的新参数,如停电次数和持续时间,使电费更趋于合理,促进效率和生产率以及向用户提供满足他们单独要求的合同条件。

        法国正在进行用户通信接口计划的试验,称为ICC。其主要功能不但引入了实时读表、停电控制和远方管理,并使用户能了解自己用电的实时电价(全日变动的实时电价对用户是透明的)。从而能优化自己用电的管理,优化用电是根据电价制度的规定,选择自己用电设备和时间,停用一部分设备如热水器,甚至电冰箱或空调机。ICC能使用户使用几条简单的指令控制用电,并和供电人员通信,规划用户自己的最佳用电计划。

        西班牙的Iberdrola电力公司正和法国EDF一起进行OPENMAN (optimal energy management configurable system最优能量管理的可组合系统)的试验。在西班牙装设五套,法国也装设五套。主要制造商为Schlumberger lndustriesOPENMAN的主要目标是家庭能量应用的优化与管理,有两个部分,一部分是一台咨询配置机,可以用来为用户提出最优配置的咨询建议。这台咨询机设置在电力公司的售电业务室内。另一部分是进行用电时的能量管理系统,有一台主控器和若干智能插头。智能插头的作用是通过PLC(电力线载波)和用户通信,实现削峰填谷等管理操作,并根据用户提示的舒适性要求和生活习惯,提供既优化经济又舒适满意的用电。

        意大利ENEL公司正在开发家庭用电智能助理,能加到用户的电视机上以便实现强有力的显示,确保供电服务信息能方便地表达出来。通过这个窗口,可向用户通知各种事件,并帮助用户从事一些节能工作。

        改进对用户的服务,是增强电力公司竞争能力的重要手段,同时须改进其自己的信息系统。

        德国西门子公司推行一种公司信息集成化系统,把配电管理系统(包括SCADA、自动化及MIS)及网络规划统一在一起,一体化了,并和地方(市或州)的地理信息系统(GIS,包括电话、水、交通及市政等)也取得一致。这是信息化的大趋势。

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