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莱阳市配电网自动化系统应用

项目名称:

配电网自动化系统的设计与应用

任课教师：

专业班级：

电气工程及其自动化

学生姓名：

左腾

学号：

2015年2月6日

摘要

随着国民经济的高速发展和改革开放的深入，电力用户对电能质量和供电可靠性的要求越来越高，电压波动和短时的停电都会造成巨大的损失。

因此，需要结合电网改造在配电网中实现配电自动化，以提高配电网的管理水平，为广大电力用户不间断的提供优质电能。

论文分析了配网自动化系统的特点，并通过对配电网自动化系统的整体结构的设计研究，给出了莱阳市配电网自动化系统的具体设计与应用。

本文研究的是系统的总体结构设计以及配网测控终端设备单元、配电测控终端的基本功能、配电子站、配电主站、通讯方式；给出了系统的总体规划、线路规划、通信规划、主站系统规划、配变监测规划；给出了配调SCADA、馈线自动化（FA）、配网高级应用（DPAS）功能设计化；结合莱阳市供电公司的实际情况对通信网络以及配电网自动化和调度自动MIS等系统的应用接口进行了设计等。

按照设计的方案，莱阳供电公司配网自动化系统已建成并投入了生产运行，取得了较明显的成效，该系统为也为配网自动化在其他供电企业的应用起到了示范作用。

关键词：

供电配网自动化设计

目录

摘要I

第1章绪论1

1.1选题意义1

1.2本文的主要内容2

1.3论文研究框架2

第2章理论综述3

2.1配网自动化系统总体结构3

2.2配网测控终端单元3

2.3配电子站5

2.4配电主站5

第3章莱阳市配电自动化系统总体设计6

3.1建设对象及现状分析6

3.2总体建设方案6

3.3实施规划6

3.4技术依据7

3.5系统设计计划达到的主要技术指标7

第4章莱阳市配电自动化系统工程应用与实施10

4.1设计原则10

4.2规划方案10

4.3系统功能规划18

4.4工程实施23

结论25

参考文献26

第1章绪论

1.1选题意义

随着国民经济的高速发展和改革开放的深入，电力用户对电能质量和供电可靠性的要求越来越高，电压波动和短时的停电都会造成巨大的损失。

因此，需要结合电网改造在配电网中实现配电自动化，以提高配电网的管理水平，为广大电力用户不间断的提供优质电能。

配网自动化是西方发达国家70年代提出的概念，目前在日本、欧美已得到了充分发展。

国内也有了很多的尝试，但主要集中在城市。

对于配电自动化，《配电系统自动化设计导则》中针对其特点给出了很确切的定义：

“利用现代电子、计算机、通信及网络技术，将配电网在线数据和离线数据、配电网数据和用户数据、电网结构和地理图形进行信息集成，构成完整的自动化系统，实现配电网及其设备正常运行及事故状态下的监测、保护、控制、用电荷配电管理的现代化”。

配电自动化系统（DAS）在纵向结构分属于配电管理系统（DMS），横向与110KV变电站综合自动化、调度自动化、电力MIS等紧密关联。

从目前实施的需求和现状看，配电网自动化实行的模式应是SCADA与GIS合一，“营配合一”，且与地调、电力MIS等紧密集成的系统。

配电网自动化系统的功能应包括配电网络的数据采集与控制（SCADA），馈线自动化（FA，即故障定位、隔离、非故障区段的供电恢复）、负荷管理、地理信息系统（AM/FM/GIS）、配电应用分析（PAS）等。

配网自动化系统的特点是：

信息量大；在线分析和离线管理紧密结合；应用分析和终端设备紧密结合；一次设备和二次设备紧密结。

配网自动化系统的优点和建设的必要性：

（1）配电自动化系统可以极大地提高供电可靠性、缩短故障时间、改善电压质量，以最优电压提供给用户，并可减轻运行人员的劳动强度。

（2）可以使运行人员经常地掌握配电系统的状态（如系统的构成，开关的开合状态，负荷电流，事故发生的情况等）。

（3）可以使配电系统在停电时，包括事故停电和施工停电，能够显示停电的状况，计算停电后恢复送电的方法，并自动进行开关的操作，从而使配电系统的运行和维护合理化，并可迅速处理用户和系统的一切反应。

（4）可以提高整个配电系统的管理水平，提高工作效率，改善用户服务水平。

1.2本文的主要内容

由于配电网自动化系统的结构庞大，所涉及的领域复杂，本文仅以莱阳市供电公司配网自动化系统工程建设为背景，主要针对莱阳市公司配电网自动化系统目前主要关注的几个部分进行研究，并完成莱阳市配电网自动化系统的应用设计。

1.3论文研究框架

第2章理论综述

2.1配网自动化系统总体结构

现行的配电网自动化系统多采用分层分布式体系结构，主要由三部分组成：

主站层、配网子站层、配网测控端设备层。

主站层是配网自动化系统监控及信息管理层。

配网子站层是区域工作站层。

配电网测控终端设备层是整个配电网自动化系统的的基础，其主要完成户外柱上开关、环网开关柜、箱式变电站、配电变压器、配网开闭所、配网小室等各种信息的采集处理及监控功能。

2.2配网测控终端单元

目前的远方测控终端主要包括馈线远方终端、配电变压器远方终端、配电自动化远方终端。

一、配网测控终端设备

（一）馈线远方终端

馈线远方终端包括FTU（FeederTerminalUnit）和DTU（DistributionTerminalUnit）。

FTU安装在配电网馈线回路的柱上、开关规等处，DTU安装在开闭所、配电所等处，具有遥信、遥测、遥控和故障电流检测功能。

（二）配变远方终端

TTU（TransformerTerminalUnit）是应用于配电变压器的各种运行参数采集、测量的远方终端。

二、测控终端的基本功能

（一）三遥

遥测（YC）。

遥测往往又分为重要遥测、次要遥测、一般遥测和总加遥测等，遥测功能常用于：

①变压器的有功和无功采集；②线路的有功功率采集；③母线电压和线路信号电流采集；④温度、压力、流量等采集；⑤频率采集；⑥主变压器油温采集和其他模拟信号量采集。

遥信（YX）。

一般采用无源触点方式，即某一路遥信量的输入就是一对继电器的触点，或者是闭合，或者是断开。

通过YX端子板将继电器触点的闭合或断开转换成低电平或高电平信号送入子站处理。

遥控（YK）。

一般采用无源触点方式，要求其正确动作率大于99.99%。

所谓YX的正确动作率是指其不误动作的概率，一般拒动不认为是不正确。

遥控功能常用于断路器、柱上开关等的分、合和电容器、电抗器的投切以及其他可以采用继电器控制的功能。

（二）事件顺序记录（SOE）

事件顺序记录的一项重要指标是时间分辨率。

分辨率可分为站内和站间两种。

SOE的站内分辨率，是指在同一子站（RTU）内，顺序发生一串事件后，两事件间能够辨认的最小时间。

SOE的站内分辩率一般要求小于5ms。

其分辨率的大小取决于子站的时钟精度和获取事件的方法，这是对子站的性能要求。

SOE的站间分辨率，是指各子站（RTU）之间顺序发生一串事件后，两事件间能够分辨的最小时间，这取决于系统时钟的误差及通道延迟的计量误差等。

SOE的站间分辨率一般要求小于10ms，这是对整个自动化系统的性能要求。

（三）系统时钟校对

配电子站（FTU）间SOE分辨率是一项系统指标，它要求各子站/FTU的时钟与高度中心的时钟严格同步。

目前，采取的措施有：

用全球定位系统GPS提供的时间频率同步对时，有效的保证SOE分辨率指标。

这种方法需要在各站的站间点安放GPS接收机、天线及放大器，并通过通信口和子站等相连。

采用软件对时，SC1801、CDT、DNP、IEC104、IEC101等通信规约提供了软件对时手段。

软件对时由于受到通信速率的影响，需要采取修正措施。

采用软件对时的方法不需要增加硬件设备。

（四）自恢复和自检测

配电子站、FTU，DTU等作为配电自动化的数据采集单元，必须确保保持持续稳定地完成和SCADA的通信，上报当前采集情况并接收主站系统下达的各项命令。

但子站、FTU，DTU处于一个具有强大电磁干扰“跑飞’或通信瞬时中断等异常情况，若不加特殊处理，均有可能造成子站、FTU死机，因此要求子站、FTU，DTU在遇到上述情况时，要在较短的时间内自动恢复，重新开始执行程序。

（五）通信功能

通信要求子站、FTU，DTU能将采集到的信息上报并接受上一级设备的命令。

通信应具有支持多种规约及多种通信信道的功能。

（六）故障检测功能应具有故障信号捕捉能力，并具备故障区域的定位、隔离和非故障区域恢复供电能力。

2.3配电子站

配电子站的主要功能是负责管理其附近的环网柜、开闭所等配电站端监控设备，完成数据采集、当地监控等功能、将实时数据处理后转发至配电主站，并具备馈线监控的扩展功能。

2.4配电主站

配电主站主要实现配网控制中心的各种监视、控制、管理功能。

包括配电SCADA功能，各种数据量的采集、数据传输、数据加工、控制操作、事件报告等基本功能；地理信息系统（GIS）、各中高级应用软件（PAS）和需方管理功能。

第3章莱阳市配电自动化系统总体设计

3.1建设对象及现状分析

莱阳市供电公司系福州供电公司所辖的区级供电公司，莱阳市公司实施配网自动化项目的范围为莱阳市供电公司城区供电区域，莱阳市城区主要由铜盘变、福飞变2座变电所供电，鼓山变与铜盘变电所天峰线实现联络，本次建设的对象涉及10KV线路共5条。

其中铜盘变电所提供3条，分别为左海线、省军区线、天峰线；福飞变电所提供1条，为屏山公园线路：

鼓山变电所提供一条，为鼓岭站线。

形成1个手拉手及一个三电源网。

10KV配电线路均为架空线路，线路间存在一定的联络关系原联络开关都为油开关。

因此，本方案根据负荷的重要程度和数量对原分段进行调整并增加新的分段，原油开关更换为真空配电自动化开关。

3.2总体建设方案

根据莱阳市线路的实际情况和公司对配电管理的实际需求，考虑建设较完整的配网自动化系统，由馈线自动化、管理主站、通信系统（光纤通信）和配电变压器监测（初步为10台）等构成，并考虑将来的发展。

采用保护型FTU断路器方案；沿线路敷设通信光缆组成双环自愈网接入配网主站；在局大楼设立配调主站，配调主站按照配调一体化的模式进行设计，同时预留向其它信息系统发布配网信息的功能。

3.3实施规划

结合莱阳市公司的实际情况，莱阳市配电自动化系统工程可采取总体统一规划、分期分片实施的方式进行。

一期工程首先实施5条10KV线路的馈线自动化，实现该供电区域馈电线路的故障自动定位、隔离等。

建设完整的SCADA系统，配电网高级应用功能，同时实现部分的配电变压器监测（30台）。

二期可考虑向其他供电区域扩展，实施全区“配电调度及馈线自动化”，实现全区配电网络的监控调度自动化，同时完成馈电线路的故障定位、隔离和非故障区段的自动恢复供电。

因主要负荷均在支线，故二期可考虑对部分支线进行系统建设。

另GIS、其他配电变压器的监测以及大用户表的远程集抄等均放在二期进行建设。

3.4技术依据

本技术方案主要依据（但不限于）：

IEC60870-5-101

IEC60870-5-104

IEC61968

DNP3.0

DL/T451-1991远动设备传输规约

《地区级电网调度自动化系统功能规范》

《配电系统自动化规划设计导则》

《配网自动化技术规范》

《配电自动化及管理系统功能规范》

《国家电网公司城市电网自动化及通信系统技术导则》

3.5系统设计计划达到的主要技术指标

一、系统容量指标

系统的设计容量为：

可接入子站数256

可接入工作站数不限

终端数65536

模拟量655360

数字量655360

控制量655360

虚拟量不限

转发量不限

事故追忆不限

历史数据保存周期≧2年

二、系统可靠性指标

系统平均无故障时间（MTBF）>50000小时

系统可用率>99.99%

遥控正确率100%

遥信正确率>99.99%

网络负荷率<25%

计算机CPU负荷率：

电网正常时任意30分钟内平均小于30%；电网事故时10秒内小于60%。

三、系统实时性指标

遥测变化传输时间<5秒

遥信变化传输时间<3秒

事故变位报警响应时间<5秒

画面调用时间<2秒

系统数据刷新<5秒

命令响应时间≦3秒

事故推画面时间≦2秒

主、备机切换时间<30秒

SOE分辨率<5毫秒

系统对时误差<10毫秒

四、FTU性能指标

（一）环境参数

工作温度：

-40——85度（D级）

工作湿度：

5-95%

使用高度：

<1000m，符合DL478

（二）电气参数

交流电流：

5A、1A，功率消耗1VA/相

交流电压：

100V，功率消耗0.5VA/相

适用频率：

50HZ

直流电源：

24V

功率消耗：

（三）技术指标

动作速度：

<25ms

接点容量：

长期通过电流8A，切断电流0.3A（无保持条件下）

线路长度：

65km

过载能力：

电流回路：

2倍长期，10倍长期，40倍长期

电压回路：

1.2倍长期

保护装置：

电流<3%，电压<1%，角度<30度接点开入：

<2ms

测量装置：

电流0.2级，电压0.5级

五、TTU性能指标

（一）环境参数

工作温度：

-40-80度

工作湿度：

5-95%

（二）电气参数

电源：

220V（AC）

频率：

50HZ

功耗：

<15W

CT输入：

5A

PT输入：

220V

（三）技术指标

电流测量精度：

0.2级

电压测量精度：

0.5级

电量测量精度：

1级

第4章莱阳市配电自动化系统工程应用与实施

4.1设计原则

一、配网自动化系统设计应在配电网规划的基础上，根据当地的电网结构、负荷密度、用户性质等，因地制宜地选择方案及设备。

二、实施配网自动化应优先考虑重要用户多、负荷密度高、线路供电半径合理、具备互连条件和用户对供电可靠性要求较高的区域。

三、对于未具备互连条件的配电网，可按就地控制方式实施。

四、配网自动化系统必须首先实现配电网监控功能，条件具备时可以扩展管理功能。

五、配网自动化系统主站宜与调度自动化系统二体化设计，规模较大的电网可统一规划、分别建设。

调度自动化系统尚未建设，不应先行建设配网自动化系统。

新建或改造调度自动化系统应综合考虑配网自动化需求。

六、配网自动化通信建设应与调度自动化通信、电能量采集通信等相结合，并留有裕量。

4.2规划方案

一、总体规划

（一）完整的配网自动化系统

结合莱阳市城区配电网络实际和近期改造计划，城区配网自动化系统总体方案如图所示，本期工程选择三座变电所的四条馈线实施配网自动化，采用保护型FTU的断路器方案；沿线路敷设通信光缆组成双环自愈网接入配网主站；在局大楼设立配调主站，配调主站按照配调一体化的模式进行设计，同时预留向其它信息系统发布配网信息的功能。

系统采用三层模式，配置配电主站、配电子站和配电终端三层，是完整的配电自动化系统模式。

配电主站是配电自动化系统的控制和管理中心，主要完成对整个配网系统的实时数据、设备信息、电量信息、用户信息等进行汇总、人机交互、分析管理、与其它系统的信息共享以及FA等功能。

配电主站也可以作为区域控制中心，作为上级主站的一个节点与上级主站联网，与上级主站进行信息交换和共享。

配电子站是配电自动化系统的中间环节，在配电主站与配电终端（FTU、TTU等）之间，实现遥测、遥信、遥控等数据的收集及转发，完成所辖区域的故障识别、故障隔离和恢复供电即FA功能。

配电子站一般放在变电所，可以与变电所的RTU通信，通过RTU，采集出线开关的状态信息、保护信息和电量等信息，为馈线自动化提供判断依据。

配电终端是配电自动化系统数据采集和控制执行设备，具有遥测、遥信、遥控、数据远传等功能。

配电终端包括FTU、DTU、TTU等。

FTU、DTU除了正常远动功能外，还具有故障检测功能，并将故障信息送往子站和主站，与配电子站和配电主站一起，实现馈线自动化功能。

配变的信息由TTU采集，TTU利用GPRS模块通过移动公司数据网，将数据送往配电子站或配电主站。

（二）与区公司调度自动化配合方案

考虑到莱阳市供电公司原有调度自动化系统为福州大学开发的调度自动化系统，主站系统也可采用福州大学系统，从而节约建设投资。

此种方案在变电所可不设主站，线路上所有光modem都通过通信线路连入变电所多串口卡，然后通过调度自动化的通信信道连入其前置机，通过规约转换，在调度自动化系统平台上完成馈线的监控。

如图4-3：

这种方式需解决以下主要问题：

1、保护定值的下发问题

在现有调度自动化系统中，无对应FTU定值的下发，需与开发厂家协商增加此种功能；

2、协议的转换问题

因协议的不完全兼容，主站与终端配合工作时，须在主站方修改规约的解释，以能正确接收终端上送及下发数据：

3、光modem网管软件

在现有调度自动化前置机处应安装对应光modem网管软件；

4、高级应用软件包

现有调度自动化系统没有高级应用软件，需开发厂商进行这方面的开发工作；此种方案对应完整的配网自动化系统，在对系统要求不高，可节约较多的资金投入，从节约资金的角度可考虑采用。

另一种方案是使用从配网自动化系统的终端到主站软件为一体化开发的系统，这样系统地兼容性更好，系统维护较也为简单。

较之第一种方案而如果终端与主站分别采用不同产品，在系统维护上将造成极大的不便，另外现有调度系统的功能相对于一个完整的配网自动化系统有所欠缺，譬如高级应用软件包等都需要重新开发，其结果将造成成本基本相等，但是系统实施工作量以及日后的维护工作都有一定的不便，这种方案当认真考虑，并做好与现有调度的开发厂商的协调与沟通工作。

二、线路规划

根据《电力网规划设计导则》和《配电网改造技术导则》及其相关说明中所建议的规划原则，并结合莱阳市城区目前的配电网络实际情况，采用以下原则对线路进行分段规划：

城关三电源网（铜盘左海线——省军区线——福飞变屏山公园线）。

铜盘变左海线11#和18#号杆处增设分段真空配电自动化开关；原1#、2#联络油开关更换为联络真空配电自动化开关；福飞变屏山公园线44#、94#杆处增设分段真空配电自动化开关；由于气象局方向分支线路负荷较重，故在该分支线路20#杆处增设分段配电自动化开关；铜盘变省军区线18#杆处增设分段配电自动化开关；原2#油开关取消，原1#油开关更换为配电自动化开关，作为五一路II段分支的分段开关。

由于左海线18#开关至1#联络开关之间负荷较重，故把招待所支路改接与18#杆开关前段，以平衡各段负荷。

双电源网（铜盘变天峰线——五四路变鼓岭站线）。

由五四路变鼓岭站线与铜盘变天峰线互连，构成一条双电源网。

由于五四路变出线到新店段全为城市网线路，在本期工程中，在该线路之间暂时不增设分段。

而铜盘变天峰线与新店地区则分别增设两台分段自动化配电开关和一台联络配电自动化开关。

配电自动化开关的具体位置根据环境在施工时最终确定。

为了满足网络重构后线路所带负荷的需要，建议配电线路的线径更改为240左右的导线。

配电自动化开关安装方式采用双杆安装，如果安装开关的杆之间有用户低压线穿过，建议改为绝缘线，从安装开关的横担下通过。

采用该方案，增加了线路的联络关系，可以提供多种供电路径选择，具有较高的供电可靠性，便于保证重要负荷的正常供电。

由于线路间的联络比较复杂，馈线自动化功能的实现采用主站控制方式的断路器方案，便于系统的扩展。

在此网架基础上还可以对l0KV配电网络运行方式进行优化已达到降低线损提高电压质量的目的。

三、通信规划

（一）规划原则

1、依据配电自动化系统功能的需要，整个配电自动化通信系统采用分层结构。

从系统结构划分，整个通信系统可采用三层结构：

配调主站一变电所子站之间。

借用SDH光纤通信通道，通过E1接口接入，或直接使用光纤以太网。

莱阳市公司与变电所之间光纤通信已经实现，所以这部分通信可利用原有线路。

另外根据莱阳市公司的实际情况，可考虑线路光纤直接连接前置机，可节省子站的建设费用。

子站与终端层之间。

变电所子站与现场终端之间采用光纤自愈环方式。

在配变监测和用户抄表系统中，采用GPRS方式。

TTU——单相多费率电子电度表。

配电变压器处的3个单相多费率电子电度表可采用普通线、音频双绞线或电缆线组成RS-485总线方式，组网后通过RS485接口直接接到附近TTU的抄表通信口上，由TTU向上转发电能表数据。

TTU与电能表通信采用IEC60870-5-102标准协议，通信速率为1200bps。

2、考虑莱阳市对配电自动化整体规划及后期功能扩展的要求，拟采用光纤通信方案；

3、配电变压器监测采用GPRS无线通信方式；

（二）具体方案

1、在线路上装设光纤自愈式环网，每个分段开关FTU单元加装光modem；

2、在公司监控中心设一台具有固定公网IP地址的计算机。

3、在每个监测的配电变压器TTU单元处加装GPRS模块。

通信结构示意如下：

四、主站系统规划

依据《配电系统自动化规划设计导则》，主站系统建设为三层结构，包括前置机、数据库服务器、监控业务台等，数据从终端通过光纤通信上送到前置机，然后存入实时数据库，监控业务台和WEB页发布的信息都从数据库中提取。

为了提高数据的安全性，主站系统同样采用双机双网热备份，采用双前置机、双服务器，同时装设双网结构。

系统采用双以太网结构，前置机冗余配置，与终端服务器构成数采子网，数据库服务器双机容错互为热备用，使用磁盘冗余阵列（RAID），支持双控制器、热插拔硬盘，确保系统具有更强的可靠性和扩展能力。

另外根据莱阳市公司实际情况为了节约资金，同样也可以采用单前置机、单服务器设置。

五、配变监测

整个系统包括四部分：

一是装设在配电变压器上的配变综合分析仪；二是GPRS移动数据通讯网；三是在供电公司内的管理主站系统；四是低压载波用户抄表系统。

4.3系统功能规划

一、配调SCADA

（一）功能概述

SCADA是配电自动化主站系统的基础，其主要功能是数据采集和远方遥控及管理。

（二）数据采集与处理

1、数据采集

该模块负责采集从配电子站送来的各配电终端和RTU采集的遥测、遥信、脉冲量、数字量等信息，通道监测装置送来的通道监测信息以及GPS时钟送来的时钟信息。

模拟量：

有功功率、无功功率、功率因数、电流、电压、变压器油温、频率、压力等。

数字量：

频率、脉冲电度量、水位等。

状态量：

负荷开关、断路器，刀闸位置信号、变压器分接头位置信号，保护及自动装置动作信号、通道故障信息，事件顺序记录（SOE）。

脉冲量：

现场脉冲电度表的脉冲值。

时间量：

GPS时钟的时间脉冲或对时指令。

2、数据处理

（1）模拟量处理

①工程值计算：

使用偏移量、系数对原始值进行计算，将生数据转化成熟数据。

②允许标记设置：

允许用户设定以下功能开关。

扫描允许：

是否允许对该模拟量进行扫描。

报警允许：

是否允许该模拟量产生报警。

遥调允许：

是否能对该模拟量进行遥调操作。

事故追忆：

是否对该模拟量进行事故追忆。

绝对值：

是否对该模拟量工程值取绝对值。

语音报警：

是否对该模拟量使用语音报警。

③历史存储

可以对各种模拟量进行以下几种有效计算和存储。

日负荷率、月负荷率等有功统计值

日正常时间、日越上限时间、日越下限时间

月正常时间、月越上限时间、月越下限时间

工程值日最大、日最小、日