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摘要 介绍了美国长岛电力公司(LILCO)一个成功的配电网馈线自动化系统。此系统实现了配电网故障段自动隔离、非故障段自动恢复供电的功能，减少了故障停电时间，提高了配电网可靠性，对我国配网自动化建设具有借鉴作用。
关键词 配网自动化 自动分段 自动恢复供电
LILCO DISTRIBUTION AUTOMATION
SYSTEM INCREASES RELIABILITY
Huang Bing Wu Chengdong
East China Electric Power Dispatching Center
Shanghai, 200233 China
Zeng Naihong
Wescon Controls Shanghai Inc.
Shanghai, 200002 China
ABSTRACT This paper presents a successful distribution network automation system in Long Island Lighting Company (LILCO, USA) in which the functions of autosectionalization of faulty sections and autorestoration of non-faulty sections are implemented. Thus, the interruption time of power supply is reduced and the reliability of distribution network is improved. This experience can be used for reference in distribution automation in China.
KEY WORDS distribution; automation; autosectionalizer, autorestoration
随着我国国民经济的高速发展和人民生活水平的迅速提高，对电力需求的日益增长，这对供电可靠性和供电质量提出了更高的要求。根据目前国内配电网的现状，若不采取有效的措施就很难进一步提高供电可靠性和供电质量。配电网馈线自动化是配网系统提高供电可靠性最直接、最有效的技术手段。在当前国际、国内配网自动化领域尚无统一标准，国内缺乏成熟产品和成功经验的情况下，借鉴国外配网自动化的成功经验，并加以消化、吸收，将会推动我国配网自动化的建设。本文重点介绍一个成功的配网自动化系统典范——美国长岛电力公司(LILCO)配网自动化系统。该公司从1994年开始在GE-Harris公司的支持下开始用850个DART RTU和无线数字电台组成了以配电网故障快速隔离和负荷转移为主的配网馈线自动化系统，在4年内避免了595675个用户的停电事故(根据美国事故统计标准，用户停电时间在5 min及以上时即为停电事故)，并因此获得了IEEE DA/DSM大奖。
美国纽约长岛电力公司为100万人口提供服务，共有750条馈线，其中绝大部分为架空线路，这些线路经常遭受雷击、冰雹飓风等影响而引起短路故障。通过对客户停电分析，一条主要线路的故障大约会引起2000个客户停电。为了减少这些故障和提高供电可靠性，该公司除采取常规方法外，还实现了以配电网故障快速隔离和负荷转移为主的配网馈线自动化系统。整个系统大致经历了3个阶段：自动分段、引入通信和SCADA系统、非故障段自动恢复供电。图1是该公司配网馈线自动化系统示意框图。
图1 配网馈线自动化示意框图
Fig.1 Block diagram of distribution automation of LILCO
1 自动分段算法实现
1.1 故障检测算法
早在1980年，长岛电力公司安装了400多个带无线电控制的柱上开关，主要包括中压真空开关和电流互感器等设备。安装了这些设备之后，减少了故障时间，但故障发生频率没有发生多大变化。为了进一步提高配网自动化系统的性能，需要有智能的远端馈线监控单元(FTU)，能够检测负荷侧永久性故障和在变电站断路器闭锁之前断开负荷开关，以便实现自动分段的功能。长岛电力公司选择了GE-Harris公司的配网馈线自动化专用设备DART RTU(FTU)，它可以从开关的电流互感器、电压互感器交流二次侧直接接入，并控制执行相应程序规定的跳闸和重合命令。DART有一个故障检测算法，可以分别检测和区分出永久性故障、瞬时性故障、负荷过流这三个级别的故障。具体内容如下：
第1级：当出现永久性故障时，离故障点电源侧最近的DART RTU检测到故障并按预置程序控制DART所在断路器(重合器)跳闸，断路器一次或多次重合失败后，断路器(重合器)跳闸闭锁切除故障，并由DART发出跳闸闭锁告警信号，要求组织检修以恢复对故障线路的供电。
第2级：当线路出现瞬时短路或接地故障时，离故障点电源侧最近的DART检测出故障，并按预置程序控制DART所在断路器(重合器)跳闸，断路器一次或多次重合成功后，切除故障恢复供电。同时DART发出跳闸、重合闸成功信号。被小动物或树枝引起接地或瞬间短路故障已清除，不影响供电，但仍需巡线查看现场是否有危险遗留物需清除。
第3级：当线路过负荷，但尚不大影响线路安全运行的情况下,DART检测到电流超过预置值，发出过负荷告警信号，以引起运行人员注意。
1.2 自动分段算法
在故障检测算法的基础上，开发了一套FTU自动分段算法，没有通信网络也可以应用。当线路发生故障时产生短路电流，使出线保护动作，变电站断路器跳闸，重合闸。如果为永久性故障，保护再次动作。FTU因检测到过流、失压的条件利用自动分段算法使流过故障电流的开关跳闸,自动切断故障区域。然后变电站断路器再次重合闸，变电站和第一个分段开关之间的非故障段线路恢复供电，减少停电区域，实现故障线路的自动分段隔离(图2)。
T1—保护动作，断路器(重合器)跳闸时间；T2—重合闸时间；
T3—重合闸失败；T4—故障切除，断路器(重合器)再次重合闸恢复供电
图2 电源侧断路器(重合器)两次重合闸成功时序图
1.3 应用效果
长岛电力公司安装了850个带有自动分段算法FTU 的开关之后，使受主要线路停电影响的客户数量减少了25%，即在1995年1月到1996年6月的18个月内使240000客户避免遭受停电事故的影响。
2 SCADA系统实现
为了进一步发挥FTU的功能，并对FTU 进行遥控，实时监控配网数据，系统中安装了基于PC机的SCADA系统。这个系统是在基于和自动分段开关通信的基础上开发的，主站系统能够发遥控命令，并对开关进行控制。在这个系统中，计算机主站系统直接对FTU的信息采用DNP3.0规约通过无线电进行通信，采取集中控制方式。SCADA系统提供电压、电流、功率因素、负荷值和其他为最优化配电网络系统使用的实时量。在配电通信系统自动化中，长岛电力公司选用了无线数字电台通信。整个系统中，9个月内共安装了850个无线数字电台和相配合的开关850个。
3 自动恢复算法实现
3.1 利用D200通信前置机实现自动恢复算法
在经过上述FTU本身具有的自动分段功能实现和SCADA功能实现后，当许多条线路同时出现故障时(比如在雷击情况下)，就会产生处理速度慢，故障处理效率低的问题。为了实现完整快速的配网自动化功能和对非故障区域进行自动恢复供电，新开发的自动恢复算法满足了上述需要。为了进一步提高系统性能，在系统中引进了通信前置机D200，提高了系统的性能。具体为：
(1)D200通过通信媒介和FTU通信(一般采用DNP3.0规约)，另一方面D200和主站SCADA进行通信，把FTU的数据传送至主站。在与RTU通信和主站通信，可采用不同的通信规约，D200可进行自动转换，为配网系统的通信时规约的兼容和系统的进一步扩充打下基础。
(2)自动恢复算法用梯形逻辑控制编程(PLC)在D200中运行，大大减少了自动恢复供电的时间，据统计，采用这种方法进行非故障段自动恢复的时间在1 min以内。
(3)D200装置中有一个可由用户定义的实时数据库，可实现对FTU数据进行采集处理和控制，对主站不需要的数据量进行处理，这样减轻了主站的工作量，特别对FTU较多的配网系统，可大大提高系统的运行速度。
3.2 自动恢复供电算法
D200接收自动分段开关FTU中的失压和过流故障检测信息，同时还接收变电站断路器状态信息和供电环路中与故障线路相连接的供电线路切换信息以及联络开关信息。在基于上述实时电压、电流、负荷、断路器状态、开关位置的基础上，自动恢复供电算法计算并报告自动恢复供电后的各种实时数据。
图3中，当配网系统需要对非故障区域自动恢复供电时，通过分析各FTU送上来的1 h和72 h负荷最大值(这两个参数由FTU提供)来判断正常侧线路是否有多余容量可带动转移过来的负荷。当永久性故障发生在 A 段时，FTU自动断开SW1, 自动恢复系统在断开SW2后,判断馈线2的剩余容量是否大于SW2的1h最大负荷值，如果大于这个容量，合上联络开关SW4； 如果馈线2的剩余容量只大于SW3的1h最大负荷值，那么断开SW3，再合上联络开关SW4；如果馈线2的剩余容量小于SW3的1h最大负荷值，则不合联络开关SW4。这样就保证负荷转移不会引起非故障段的线路出现过负荷。在实际系统中还设置不同季节的线路容量许可值，以满足不同季节的用电特点。
图3 典型配电环网图
自动恢复供电算法可以同时处理高达12条线路的自动恢复供电，但必须在开环运行的环网中运行，每个环网中最多可有7个开关。
3.3 具体应用
在SCADA主站系统中，操作者可以对每个供电环路网络设置自动化等级，这些等级主要包括：
(1)手工操作：SCADA系统将关闭D200中的自动恢复供电算法。操作者可完全进行遥控操作，并对开关进行控制。
(2)根据提示操作：D200可以自动检测故障区域并在基于实时信息的基础上，在SCADA系统中作模拟显示并对需要做故障恢复的开关操作步骤进行显示。假如操作者同意系统推荐的操作方案，操作者可以“确认”通过SCADA对开关进行必须的操作。任何一步操作失败，将退出故障恢复程序并把对环网的操作转入手工操作状态。
(3)完全自动化：通过自动恢复供电算法，自动检测故障区域，通过切换开关对非故障区域进行自动恢复供电。所有自动的开关切换步骤均是基于实时信息基础上的，不需要操作人员介入。
3.4 应用效果
纽约长岛电力公司利用DART RTU和组成以配电网故障快速隔离和负荷转移为主的配网馈线自动化系统之后，效果非常明显，图4是1994～1998年间该公司避免停电事故的用户数目统计图。由图可见，累计趋势是随时间上升的，这说明该配电网的运行安全性在逐年提高。
在1994年由于停电的原因用户需要服务的时间间隔为8.9个月，到1998年用户需要服务的时间间隔增加为16.4个月。在实现馈线自动化之前，也采用过各种提高电网可靠性的方法，结果是因停电的原因用户需要服务的时间间隔只能从8.9个月提高到12.5个月；而实现了馈线自动化之后，达到了16.4个月。
图4 实现馈线自动化之后免受停电影响的用户数统计图
4 对我国实现配网自动化的启发
4.1 环网方式归整化处理
我国10kV配电网一般具有两种结构：辐射结构和环网结构。对于具有辐射结构的配电网，利用FTU可实现故障定位和故障隔离，但不能实现负荷转移，即不能实现对非故障段区域自动恢复供电。因此，要实现配网自动化，配电网的结构需具有环网结构，但平时开环运行。当电网发生故障，需要负荷转移时，环网结构闭环运行。为了适应配网自动化的需要，将旧城区辐射供电方式改造成环网结构开环运行的环网供电方式是重要一环。
如果不采用归整化线路结构，当实现馈线故障自动分段和自动恢复时，必须对每一个不同拓扑结构的环网，编制各不相同的自动分段、自动恢复软件程序，增加了软件编制的难度，并在某些情况下会加重主站的负担，增加故障恢复的时间，因而也降低了系统的可靠性，增加了系统维护量。同样，如果用户使用遥控命令进行隔离故障和故障恢复，操作程序耗时较多，特别是在雷电的情况下，由于多条线路发生故障，这种操作的效率就非常低。
4.2 FTU和主站的通信技术
4.2.1 使用DNP3.0通信规约
在配电网自动化系统中，涉及开关、环网柜、无功补偿电容器等设备的控制，规模大，数量多，种类复杂。如果配网自动化采用问答式的通信方式，把所有的点访问一遍，势必造成访问时间过长，会影响故障信息的及时上报。因此在配网主站系统常采用一点多址的通信方式，FTU能主动向控制主站或通信前置机及时上报遥信量变位、遥测量越限、故障信息等，同时主站在一定的时间间隔内访问各个FTU,对各个FTU的数据量进行收集。
为了达到上述目的，同时能实现不同厂家设备之间互连，采用开放的标准通信规约十分重要。DNP3.0规约是配网自动化系统比较流行的通信规约，能支持FTU主动上报方式，及时报告故障信息，同时DNP3.0符合OSI系统模型的开放式规约。
另外，在配电网自动化系统中，国内开发厂家使用DNP3.0规约比较多，IEC-870-5-101通信规约也在配电网自动化系统中得到应用，而IEC-870-5-101是我国认定的国际标准。
4.2.2 使用通信前置机
通信前置机在配网自动化系统中主要有两方面的应用，建立就地数据传输分中心和主站通信处理前置机。
其一，建立就地数据传输分中心，实现分区域数据管理。我国配网自动化工作刚刚起步，许多供电局进行配网试点工作。在试点阶段，由于试验的线路较少，一般FTU也限制在20个以内，因此FTU的数据量不大，试验线路发生故障的可能性较少，即使对于比较复杂的环网，通过主站软件来处理的速度也是相当快的。但是对于整个地区配网系统范围大、线路多，需采集数据信息量多、故障可能性增多，特别是对同时发生故障的情况。根据国外的经验，对配网FTU宜进行分区域管理，每个分区设置1个通信前置机，管理1个分区域。在所辖范围内，用PLC程序快速实现非故障段自动恢复供电，同时利用它对不必要上传的数据进行处理。这对我国配网自动化建设有借鉴作用。
其二，主站通信处理前置机。在以往调度自动化系统中，RTU的通信数据量比较少，较多采用循环通信规约(CDT), 通道利用率较低。为了保持已有系统规约的兼容性，同时发挥DNP3.0主动上报功能，把通信前置机作为规约转换器也是一种较好的方法。D200通信前置机可转换包括SC1801、CDT、IEC870-5-101在内的70多种规约。
4.3 选择稳定、可靠的配网馈线终端(FTU)
随着配电网的发展，在线路上将会越来越多地安装柱上开关、环网柜、无功补偿电容器等设备，对这些设备进行监控是配网自动化的重要内容。馈线远方终端FTU是一种数据采集并对开关等设备进行控制的特殊装置，它和变电站自动化RTU的功能类似，但它需要在非常恶劣的环境下能正常工作。FTU的功能主要包括：
(1) 正常运行状态下能够检测馈线的运行情况,包括向主站发送数据,当故障时能检测故障电流，最好能提供就地自动分段隔离故障段、非故障段和自动恢复供电的功能。
(2) 能适应恶劣的运行环境，在－40～＋80℃范围内能正常工作，能经受高电压、雷电、高频信号及强磁场的干扰，要有很强的抗干扰能力。
(3) 功率小、体积小，易于安装。FTU一般安装在杆上或开关柜内，由于安装的体积有限(特别在开关柜内)，FTU的体积应尽量小。同时线路设备的控制装置一般由电压互感器供电，当发生故障时则由蓄电池供电，因此功率小是选择FTU的重要因素。
选择一个高质量的配网馈线终端(FTU)是成功实现配网自动化的关键因素。DART RTU馈线远动终端(FTU)在全球已经成功安装5000多套，有许多运行经验，同时能适应在恶劣的环境下运行，将是一种较理想的配网馈线远动终端。
5 结语
美国长岛电力公司成功地实现了以快速隔离故障和负荷转移为主的配网自动化系统，大大提高了电网的运行可靠性。此项目对我国的配网自动化建设如在环网改造、FTU选择等方面具有重要的指导意义。同时在我国绍兴、石家庄等近十个供电局的配电网自动化试点工程中也借鉴了国外经验，同时又结合我国电网的实际情况，取得了较好的成绩
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