配電自動(dòng)化與10kV智能化開關(guān)

1、0引言隨著我國電力供需矛盾的緩和，電力市場由賣方市場逐步轉(zhuǎn)向買方市場。由于我國城市供電網(wǎng)、配電網(wǎng)網(wǎng)架比較薄弱， 城市配電網(wǎng)已經(jīng)成為城市供電的一個(gè)瓶頸。為緩解這一矛盾，近幾年國家投入數(shù)千億資金，在全國234個(gè)城市開展城網(wǎng)建設(shè)與改造工程，加強(qiáng)配電網(wǎng)的網(wǎng)架建設(shè)，逐步建立環(huán)網(wǎng)供電、 開環(huán)運(yùn)行的供電模式， 同時(shí)對(duì)配電網(wǎng)一次設(shè)備開關(guān)進(jìn) 行改造和更新，這一切為實(shí)施配電 自動(dòng)化打下了良好基礎(chǔ)。 許多城市在城網(wǎng)改造的同時(shí)，為了進(jìn)一步提高供電可靠性， 提高配電網(wǎng)運(yùn)行管理水平，改善對(duì)電力用戶的服務(wù)質(zhì)量，正在開展配電自動(dòng)化示范工程。隨著電力部門對(duì)配電自動(dòng)化的需求越來越迫切，智能化開關(guān)的應(yīng)用需求已迫在眉睫。1我國配電自

2、動(dòng)化基本模式根據(jù)我國配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及行政管理體制的特點(diǎn)，配電自動(dòng)化系統(tǒng)一般采用分層 控制處理模式，典型的城市 10 kV配電自動(dòng)化系統(tǒng)分為 4層（見圖1）。附中心分中心H 1配電自動(dòng)化累捱的事后結(jié)噌根據(jù)配電網(wǎng)的規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，配電自動(dòng)化系統(tǒng)亦可以分為3層或2層結(jié)構(gòu)。無論如何，終端層是基礎(chǔ)。終端層是由配電自動(dòng)化終端和一次設(shè)備開關(guān)組成，主要完成數(shù)據(jù)采集、故障檢測與識(shí)別、對(duì)開關(guān)的控制等功能。目前，配電自動(dòng)化終端層大多由配電終端FTU和10 kV開關(guān)組成。FTU主要完成保護(hù)、測量、控制、遠(yuǎn)動(dòng)等功能，屬于二次系統(tǒng)；開關(guān)是一次系統(tǒng)。通常，二次系統(tǒng)和一次系統(tǒng)由不同廠家生產(chǎn)，但隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的電力企

3、業(yè)要求一次設(shè)備開關(guān)和二次系統(tǒng) 統(tǒng)一起來，從整體設(shè)計(jì)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)10kV 一次設(shè)備開關(guān)智能化，從而簡化系統(tǒng)內(nèi)部接線，降低成本，縮小體積，節(jié)省占地面積，節(jié)省電纜，減少現(xiàn)場安裝調(diào)試工作量，降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi) 用。10kV開關(guān)的智能化是今后配電開關(guān)發(fā)展的必然趨勢。隨著我國加入 WTO國外10kV智能化開關(guān)必將沖擊國內(nèi)配電開關(guān)市場，“十五 ” 期間，國內(nèi)配電開關(guān)每年需求量 10幾萬臺(tái)1，為了增強(qiáng)國內(nèi)10kV開關(guān)競爭力，提高一次 系統(tǒng)技術(shù)含量，電力自動(dòng)化研究院正在與有關(guān)廠商合作開發(fā)10kV智能化開關(guān)。2配電自動(dòng)化與一次設(shè)備開關(guān)配電自動(dòng)化與一次設(shè)備開關(guān)密切相關(guān)，配電自動(dòng)化故障自動(dòng)隔離和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，都是通過計(jì)算機(jī)對(duì)一

4、次設(shè)備開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)方操作來實(shí)現(xiàn)。配電自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集和控制，也是通過一次設(shè)備開關(guān)的相關(guān)接口來完成。因此，從配電自動(dòng)化系統(tǒng)需求出發(fā)，對(duì)10kV開關(guān)（包括柱上開關(guān)和環(huán)網(wǎng)柜開關(guān)）有如下基本要求：開關(guān)具有電動(dòng) /手動(dòng)操作功能；具有直流電動(dòng)、彈 簧儲(chǔ)能操作機(jī)構(gòu)，操作電源采用直流 48 V/24V,容量要求盡可能??；開關(guān)應(yīng)無油化、絕緣化、 小型化和低功耗；開關(guān)與電壓 互感器（TV）、電流互感器（TA） 一體化設(shè)計(jì)，TV作為單相電源， 容量應(yīng)為50VA- 100VAi應(yīng)裝三相TA,且TA飽和度介于測量 TA和保護(hù)TA之間；狀態(tài)信號(hào)包括開關(guān)分/合閘位置信號(hào)、彈簧儲(chǔ)能信號(hào)、刀閘信號(hào)等;控制接口具有分閘/合閘外接的控

5、制接點(diǎn)。另外，要求10 kV 一次開關(guān)應(yīng)在操作機(jī)構(gòu)、操作電源方面有所創(chuàng)新。若按傳統(tǒng)的 方式，開關(guān)采用交流220V或直流220V作為操作電源，很難與配電自動(dòng)化系統(tǒng)相協(xié)調(diào)。在環(huán)網(wǎng)供電的配電系統(tǒng)中，饋線一旦出現(xiàn)永久性故障，變電站出線開關(guān)的保護(hù)動(dòng)作，跳開電源側(cè)出線開關(guān)，導(dǎo)致整條饋線失電。 在這種情況下自動(dòng)隔離故障，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，要對(duì)線路上的分段開關(guān)和相關(guān)聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行操作，顯然，10kV開關(guān)的操作機(jī)構(gòu)及操作電源若不進(jìn)行改造很難適應(yīng)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的要求。3 10kV智能化開關(guān)3.1 智能化開關(guān)的含義3.1.1 二次系統(tǒng)智能化二次系統(tǒng)包括保護(hù)、測量、控制、操作、防誤閉鎖、故障錄波、無功 /電壓控制、 通信、

6、遠(yuǎn)動(dòng)、信息處理等功能模塊集成于一體，實(shí)現(xiàn)開關(guān)二次系統(tǒng)智能化功能。10kV配電開關(guān)的二次系統(tǒng)相對(duì)簡單一些，其智能化主要有以下幾方面。a.保護(hù)：10kV線路速斷、過流保護(hù)、單相接地及重合閘等微機(jī)保護(hù)單元；b.測量；對(duì)開關(guān)所連接線路進(jìn)行高速交流采樣，并計(jì)算 U , I , P , Q , CO6以 及有功電量、無功電量、故障電流 Ik檢測與識(shí)別；c.控制：開關(guān)的分閘/合閘，閘刀及電容器組的控制d.通信：對(duì)內(nèi)各功能模塊的通信，對(duì)外與上位機(jī)計(jì)算機(jī)通信；e.遠(yuǎn)動(dòng)：實(shí)現(xiàn)遙信、遙測、遙控、遙脈功能及通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換和信息傳送；f.信息處理：統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、報(bào)警、諧波分析、故障診斷、定位、隔離及重構(gòu)等各 種信息分析處

7、理技術(shù)。3.1.2 開關(guān)本體的在線監(jiān)測智能化a.提高開關(guān)通斷特性2，通過智能化檢測單元，實(shí)現(xiàn)開關(guān)主觸頭電壓過零關(guān)合 和電流過零分閘，提高開關(guān)的壽命和性能，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。b.實(shí)施開關(guān)觸頭的行程、運(yùn)動(dòng)速度曲線、溫升、彈簧機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)等參數(shù)的在線 監(jiān)測以及重要參數(shù)的變化趨勢分析，可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)故障預(yù)測；制定合理的開關(guān)檢修策略，提高開關(guān)動(dòng)作可靠性和安全性，對(duì)延長開關(guān)壽命具有積極意義3。c.實(shí)現(xiàn)SF6開關(guān)的壓力、真空開關(guān)真空度監(jiān)測以及開關(guān)動(dòng)作在線監(jiān)測（開關(guān)分/合閘次數(shù)，開關(guān)切斷電流水平 ）。3.2 開關(guān)智能化實(shí)現(xiàn)方案當(dāng)今先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、測控技術(shù)、新型的傳感器以及現(xiàn)代化的通信技術(shù)為開關(guān)的智能化奠定了基

8、礎(chǔ)。在各種電壓等級(jí)開關(guān)中，10kV配電開關(guān)（柱上分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜）具備智能化的條件。以10kV開關(guān)的保護(hù)、測量、控制、操作、故障檢測與自動(dòng)處理等二次系統(tǒng)的一體化的開關(guān)智能化實(shí)現(xiàn)方案為例，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。i.ni him)RS-11'艮上空I *倡富甲AVB 2開關(guān)看化的累統(tǒng)結(jié)構(gòu)，的&.J 'f HLE R32智能化的各功能模塊均采用微機(jī)檢測技術(shù)，功能模塊之間用 CANBUS：業(yè)現(xiàn)場總線相連接。CANBUS有高速、可靠的優(yōu)點(diǎn)。通信介質(zhì)是雙絞線，總線最多可掛110個(gè)節(jié)點(diǎn)，具有總線仲裁技術(shù)， 支持多主式通信，通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化， 信息傳輸可用短幀結(jié)構(gòu)， 這些特性

9、很適合于開關(guān)智能化的內(nèi)部通信。 智能化的通信 控制器主要是完成內(nèi)部通信、 與上位機(jī)通信和遠(yuǎn)動(dòng)功能。與上位機(jī)通信可以用 以太網(wǎng)方式或串行口通信方式， 根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求進(jìn)行選 擇。3.3 開關(guān)智能化的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題3.3.1 故障電流檢測與識(shí)別饋線自動(dòng)化（FA）是配電自動(dòng)化系統(tǒng)基本的功能，其故障自動(dòng)處理主要判據(jù)是故障 電流Ik的信號(hào)。故障電流Ik的檢測與識(shí)別是由開關(guān)智能化來實(shí)現(xiàn)的，如何準(zhǔn)確、可靠、 實(shí) 時(shí)地捕捉到故障電流信號(hào)，這是個(gè)關(guān)鍵問題。通?？紤]因素有：故障電流Ik整定值可以人為設(shè)置，故障類型為單相/相間故障；故障持續(xù)時(shí)間 t；采樣速度與首端開關(guān)保護(hù)相 匹配；故障電流方向（閉環(huán)運(yùn)行情況要考慮

10、）4。3.3.2 不間斷供電電源智能化開關(guān)必須提供不問斷供電電源，這是配電自動(dòng)化的特定環(huán)境要求，當(dāng)配電網(wǎng)饋線發(fā)生永久性故障時(shí)，饋線出線開關(guān)保護(hù)動(dòng)作， 饋線失去交流電源， 這時(shí)智能化開關(guān)不間斷供電電源要對(duì)通信設(shè)備、智能化設(shè)備及開關(guān)操作提供直流電源，保證智能化開關(guān)正常工作。不間斷電源實(shí)現(xiàn)方案由充電器加長壽命、免維護(hù)蓄電池組成， 當(dāng)系統(tǒng)有交流電時(shí)， 采用浮充工作模式，一旦蓄電池深度放電，可以提供均充模式供電。3.3.3 滿足戶外惡劣運(yùn)行環(huán)境智能化開關(guān)大多安裝于室外環(huán)境，例如架空線柱上分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)、電纜供 電的組合式環(huán)網(wǎng)柜等。 開關(guān)智能化設(shè)備要適應(yīng)戶外運(yùn)行環(huán)境的條件：寬溫工作環(huán)境，溫度-40C+80C,潮濕的環(huán)境，濕度 95%-100%抗干擾，包括雷電、涌流、強(qiáng)電磁場、 火花等，抗震，低功耗。3.3.4 新型傳感器技術(shù)的應(yīng)用開關(guān)的智能化與傳感技術(shù)是分不開的，要提高智能化開關(guān)的可靠性、檢測精度， 需采用新型的傳感器、光電傳感器、在線位移傳感器、角度傳感器、新型光纖溫度傳感器、 SF6壓力傳感器及檢測真空度的傳感技術(shù)。尤其是開關(guān)本體在線監(jiān)測，傳感技術(shù)成為制約其 發(fā)展的主要因素。4結(jié)語10kV智能化開關(guān)在技術(shù)上涉及計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)、通信、保護(hù)、測量、自動(dòng)控制、傳 感技術(shù)、機(jī)械等多方面學(xué)科，完善