配电自动化及配电终端配置模式

配电自动化及配电终端配置模式
1. 配电自动化建设
1.1 配电自动化的概念
配电自动化以一次网架和设备为基础，以配电自动化系统为核心，以现代电子通信技术及网络技术为手段，实现配电系统的监控、保护和管理的自动化，是提高配电网可靠性水平、实现配电网科学高效管理的重要途径。

配电网自动化是智能电网的重要组成部分，是电网现代化发展的必然趋势，包括配电网运行和生产管理自动化，配电自动化的功能如下图所示。

1.2 配电自动化的结构
实现配电网运行监控和保护的系统称为配电自动化系统。

配电自动化系统主要由通信网络、配电自动化主站和配电终端组成，必要时增设配电子站。

（1）配电主站
配电自动化主站是配电自动化系统的核心，其主要功能是实现人机互动，进行数据存储/处理，完成故障处理和高级分析应用功能。

按照配电自动化系统最终实现的功能，配电主站有简易型、实用型、标准型、集成型和智能型五种建成模式；按照实时信息接入量，可以建成大型主站、中型主站和小型主站。

不同主站类型供电可靠性分析见表1。

主站建设要坚持实用化原则，充分考虑系统开放性、可靠性、可拓展性和安全性要求。

表1 不同主站类型供电可靠性分析
类型功能配置故障处理方式配电网供电可靠性分
析
简易型故障指示，也可实现
故障判断隔离人工现场巡视，也
可通过开关之间的
时序配合
自动化程度较低，可
靠性较差
实用型基本的配电SCADA
功能就地型，由出口断
路器/ 重合器与分
段器配合
减少故障定位时间和
恢复供电时间，较简
易型有很大提高
标准型完整的配电SCADA、
FA功能集中型，由FTU、
通信网和主/子站
共同完成
故障切除、恢复供电
速度快，
较实用模型有所提高
集成型网络拓扑、状态估
计、潮流分析、负
荷预测、无功优化
等集中型，由FTU、
通信网和主/子站
共同完成
实现配电网的综合运
行和管理，可靠性同
标准型
智能型配网自愈，配电网经
济优化运行集中型加智能分布
型，由主/子站、
FTU和通信网共同
完成
通过故障模拟、故障
后网络自愈等功能，
大大提高了网络抗打
击能力和供电可靠性
（2）配电子站
配电子站作为配电自动化系统的选配部分，其功能是作为通信网络的中间层，优化系统结构、减轻主站数据处理负担、提高信息传输效率。

配电子站实现配电网区域信息的收集、处理、运行监视和配电网局部性故障处理。

（3）配电终端
配电终端是安装于配电网现场的各种远方监测、控制单元的总称。

配电终端可以说是配电自动化系统的现场感官元件，是配电自动化系统数据来源和控制执行载体，是配电自动化的基本实现单元。

配电终端的主要功能之一便是通过与配电主站/子站或者配电终端之间进行通信，完成对故障的检测、隔离和健全区段的恢复供电。

（4）通信网络
配电通信系统是在配电主站/子站、配电终端间进行信息传输的通道，是配电自
动化的实现手段。

配电网终端设备众多、覆盖范围广，因此配电通信网络像神经网络一样遍布整个配电自动化系统，这就更凸显出通信方式选择的重要性。

现有通信方式主要有有线通信和无线通信两大类。

有线通信方式中，以太无源光网络EPON以其良好的兼容性、相对成本低、维护简单、易扩展、易升级等特点，得到了广泛的应用。

无线通信方式包括配电载波通信、无线公网和无线专网。

配电网通信网络建设应按照经济性和实用性要求，有效利用现有资源，合理采取多种通信方式。

除了以上各组成部分，配电主站还通过信息交互总线，实现与生产管理系统
PMS(Production management system)、地理信息系统 GIS(Geographic information system)等其他相关系统的数据交互。

图示为一个集成型配电自动化系统的系统结构图。

1.3 配电自动化系统功能
配电自动化系统在不同模式下的功能配置、故障处理模式具有差异化，导致了供电可靠性的差异化。

其功能包括基本的SCADA(Supervisory control and data acquisition)功能、DA(Distribution automation)功能和高级应用功能，高级应用功能又包括电网分析应用和停电管理系统,其中，电网分析应用功能也称配网高级应用软件，配电网分析应用以仿真培训系统为平台，状态估计为核心，潮流计算为技术支
持手段，实现配电网运行方式的变更模拟、解合环操作、故障处理、停电管理等方案。

配电自动化系统功能如下图所示。

以上所有功能可以总结为以下几个方面。

（1）配电网SCADA与配电信息集成
为了及时跟踪并掌控配电网的运行状态，对配电终端设备上的电流、电压、开关
动作情况等信息量进行采集，紧急情况下进行事件告警，通过人机交互实现远方控制，通过与其他相关应用系统的数据集成，实现用户端参数采集等高级功能。

（2）配电网故障处理
当配电网发生故障时，基于配电终端上传的故障信息迅速确定故障区段，配电自
动化系统自动隔离故障区段，尽可能恢复对健全区段的供电。

另外，通过停电管理系
统科学安排停电计划，快速明确故障原因，科学进行故障抢修，对于提高配网的可靠
性和客户服务质量都有很大的提升作用。

（3）电压及无功管理
配网的电压及无功管理包括无功分布全局优化和无功功率就地平衡。

电压/ 无功
控制应用软件通过选择适合的配电网网络结构和运行方式，实现配网无功功率分布的
全局优化；以监测点的节点电流、电压、功率因数等为约束条件，制定就地补偿策略，实现无功的就地平衡。

（4）运行模拟与优化
对配电网进行负荷预测、负荷转供、解合环潮流等事件进行仿真以及事故的模拟
计算。

通过编制倒闸操作命令、委派现场人员实施倒闸操作计划，对倒闸操作可能影
响的用户进行分析并及时通知用户。

（5）设备检修和管理
以地理信息系统为平台，借助自绘图工具，在单线图上显示配电设备及其属性信息、用户位置等信息。

设备管理FM(Facility management)可以实现配电设备的全寿
命周期管理，在此基础上，通过制定科学的抢修、检修计划，可以有效提高设备利用率，提高故障检修水平和工作效率。

（6）停电管理
停电管理系统通过信息交换总线与EMS、GIS、生产PMS、95598等相关用户集成，可以实现配电网的运行指挥、应急指挥、风险管控、客服/停电管理、信息发布等业务。

（7）规划与设计管理
对配网规划所需的负荷、路径、选址、定容等数据进行集中存储和统一管理，通
过状态估计、负荷预测、短路计算、拓扑分析等功能，科学指导配网规划设计过程，
使设计方案更经济更合理。

2. 配电终端在配电自动化中的应用
2.1 配电终端的概念及分类
配电自动化终端(Remote terminal unit of distribution automation)简称配
电终端，是安装于中压配电网现场的各种远方监测、控制单元的总称。

根据其应用
场合和监控对象的不同，配电终端可分为馈线终端FTU(Feeder terminal unit)、配
变终端 TTU(Transformer terminal unit)和站所终端 DTU(Distribution terminal unit)三类，分别用于柱上开关、配电变压器和环网柜、开关站等的监视、测量和控制。

2.2 配电终端的功能需求
本文研究的主要对象是安装于馈线上的FTU，其功能需求如下：
遥测功能：此功能为FTU的基本功能，FTU的遥测信息以采集交流电压、电流信
息为主。

需测量正常状态下的电压、电流、功率、频率、功率因数等模拟量，还需测
量事故状态下的电流、电压和频率等量。

遥信功能：根据配电终端功能要求，FTU需采集并向远方发送配电设备的状态信息、配电设备当前位置信息以及通信是否正常等状态量，以及FTU自身状态信息、标
志记录、储能完成情况、当前控制方式等特殊遥信信息。

遥控功能：接受主站的命令并与之配合，控制配电设备的开关状态，完成分、合
闸命令，实现故障隔离和健全区段的恢复供电。

此外，FTU还具备自诊断、自恢复功能，自动对时功能，历史记录功能，时间顺
序记录功能，事故记录功能，定值远方修改和召唤定值等功能。

2.3 配电终端的功能配置及通信方式比较
按照功能配置，配电终端可分为“二遥”终端和“三遥”终端。

“二遥”终端用
于配电线路的遥测和遥信，实现本地报警或就地故障自动隔离，并通过无线公网、
载波通信等通信方式上传报警信息或动作信息。

“三遥”终端用于配电线路的遥测、
遥信和遥控，执行远方控制命令或完成就地故障自动隔离，并通过EPON、光以太网络等通信方式上传动作信息。

无线公网、载波通信的可靠性较低，建设成本也相对较低；EPON、光以太网络则
有很高的可靠性，且通信的实时性也高，相应的建设成本很高。

因此，“二遥”终端
对应的通信网络建设费用较小，“三遥”终端所要求的通信网络建设费用较大。

3. 配电终端的配置模式
3.1 配电自动化开关设备
20世纪60年代，出现了通过预先设定重合闸方案自动进行分闸、重合闸操作的重合器、失电或失压后自动进行跳闸操作的分段器。

通过重合器和分段器的时序逻辑配合，构成了配电线路故障的就地处理模式。

按出线和线路上配置开关的不同，包括重
合器+电压时间型分段器、重合器+过流脉冲计数型分段器、重合器+电压-电流型分段
器和重合器+重合器的配合方案。

（1）电压时间型
该组合方案下，电压时间型分段器具有失压后分闸、在整定的时延后自动合闸的
功能，且越远离电源端，整定时延越长。

当线路出现故障时，变电站出线重合器分闸，分段器检测到失压后无延时跳闸；变电站出线重合器延时重合，分段器则按照事先设
定的时延，从最靠近电源侧的分段器开始依次自动合闸。

再次合闸到故障区段时，重
合器检测到故障电流而再次分闸，故障区段上游相邻分段器因为在合闸后一定时间又
检测到失电压而跳闸并闭锁，实现故障隔离; 断路器/重合器再次重合，恢复故障区段
上游健全区段的供电；若对侧存在转供电源，则联络开关在检测到一侧失电压后延时
合闸，恢复对故障区段下游健全区段的供电。

该模式优点是造价较低，不依赖通信，且动作简单可靠，因而得到了广泛的推广
和应用，但开关动作次数多，故障隔离时间长。

因此，该模式主要适合于辐射网、
“手拉手”环网，对于较为复杂的网络结构则不适宜。

（2）过流脉冲计数型
该组合方案下，过流脉冲计数型分段器具有失电后分闸、来电重合闸、记忆重合
闸次数的功能，需对过流脉冲计数型分段器的重合闸次数预设阈值，且越远离电源端，阈值越小。

故障处理过程中，若分段器的重合次数达到阈值且分段器处于分闸状态，
则闭锁分段器的自动合闸功能，隔离故障；否则，经一定时延后，将分段器累计的重
合次数自动清零，准备进行下一轮动作。

该模式的优点是造价较低，不依赖通信，分段器的动作次数较少，故障隔离时间
较短。

但是当线路分段数较多时，重合器重合的次数相应增多，且故障区段越靠近电
源侧，重合器重合的次数越多，引起的短时停电范围越大，因而适合于线路分段数较
少的辐射网。

（3）电压-电流型
该组合方案下，分段器两侧同时安装电流互感器和电压互感器，联络开关处配置
电流型功能，分段开关处则配置电压型功能。

该组合方案下的配电线路故障处理模式
兼具了电流型、电压型故障处理的优点，对于暂时性故障，变电站重合器仅需要一次
重合便可恢复供电；当发生永久性故障时，变电站出线重合器仅需一次重合及顺序合
闸过程便能完成故障区段的隔离；对健全区段恢复供电过程中，克服了电压型模式因“残压闭锁”的不完全可靠而导致对侧全线停电的不足，提高了分段器操作的可靠性，不会引起对侧变电站出线重合器和沿线分段器的多次重合/分断动作。

（4）重合器-重合器型
该模式下所有开关设备都采用重合器，通过重合器动作曲线时间差的配合，完成
故障隔离。

当配电网某处发生故障时，距其最近的重合器动作，实现故障的就地自动
隔离，缩小了停电范围和停电时间，并且有效减少了出线开关动作的次数。

其缺点是
造价较高，当线路较长、分段较多时，容易发生越级跳闸，并且出线重合器的速断保
护延时较大，因而适合于线路分段较少的市郊或农村配电网。

3.2 主站遥控FTU
该模式依赖由通信网络、配电终端和配电主站/子站构成的标准型及更高级的配
电自动化系统。

当配电网发生故障后，位于配电网现场的配电终端收集开关状态信息
和故障信息并上传至配电主站/子站，配电主站综合所有信息快速明确故障所在区段，并调用故障处理应用软件确定故障隔离和故障恢复操作方案，自动或人工参与下达相
关设备的操作命令。

根据线路分段开关所采用的类型和组合方式不同，具体分为以下
几种。

（1）全负荷开关
此组合方式下，除变电站出线开关采用断路器以外，其余所有配电线路上的分段
开关以及联络开关采用负荷开关。

（2）全断路器
此组合方式下，变电站出线开关、联络开关和配电线路上所有的分段开关全部采
用具有开断短路电流能力的断路器。

（3）负荷开关和断路器配合
此组合方式下，变电站出线开关、分支线开关和用户分界开关采用断路器，主干
线路上的分段开关采用负荷开关。

采用两级级差保护，分支线断路器和用户分界断路
器的跳闸延时时间为0秒，变电站出线断路器的速断保护略加一些延时。

全负荷开关模式的投资少，故障处理过程简单，但是任何地方故障都会引起全线
的短暂停电，且要求变电站出线断路器的可靠动作。

全断路器模式虽能降低用户停电
频率，且对变电站出线断路器的可靠动作要求不算太高，但是故障处理过程较为复杂，且投资较多。

二者配合使用的模式，则能有效克服负荷开关或断路器单独使用的弊端，在降低造价的同时又能提高系统的可靠性。

不同开关组合方式的优缺点比较如表2所示。

表2 不同开关组合方式的比较
全负荷开关全断路器负荷开关和断路器组合
优点操作简单，造价
较低，瞬时性故
障恢复供电时间
短部分故障不会引起
全线短暂停电
综合全负荷开关和全断路器二
者的优点
不足任何位置故障都
会引起全线短时
停电
故障处理过程复
杂，最大的缺点
是无法避免多级
或越级跳闸，造价
较高
对于供电半径短、导线截面粗
的城区馈线，利用延时时间级
差配合也有一定难度
基于主站遥控FTU的集中型故障处理模式能够在数十秒内实现故障隔离，在数分钟的时间内完成健全区段的恢复供电。

与就地型模式相比，供电可靠性大大提高。

但是，该模式下，配电自动化系统的结构比较复杂，且对通信网络的依赖性强，一旦通信网络、配电主站/子站中任何一个环节故障，都会导致配电自动化系统失去故障处理能力，因此，需要有后备的故障处理方案。

3.3 智能分布
该模式建立在各配电终端之间对等通信的基础上，是近年来新兴的一种配电线路紧急控制模式，通过相邻FTU间交换故障信息、进行故障信息的逻辑比较确定是否动作，完成故障区段的隔离。

该模式基于面保护的概念进行配电网局部故障处理，不依赖配电主站/子站的集中控制，因此对主-从通信方式的要求相对较低。

优点是故障处理速度快，而且不影响健全区段的供电；但是该模式对点对点通信方式的可靠性和传输速度要求高，而且故障处理的结果并不一定能够达到系统最优。

在故障处理过程中，适合于不存在最优恢
复供电方案的双电源、多电源配网网络。

配电终端的配置模式应考虑不同的网络情结构和使用环境，以实用性为原则进行差异化选择。

若配电自动化系统较为先进，或网络结构较为复杂，可考虑采用集中型模式；若配电网络结构较简单、线路分段数少单，或没有条件使用通信网络，可选用分布型模式。

也可根据配电网的供电方式、通信系统的实际情况和用户对供电质量的要求，选择集中型模式和分布型模式相结合的故障处理方案。

不同配电终端配置模式的优缺点、供电可靠性高低程度和适用范围的比较见表3。

表3 不同配电终端配置模式的比较
项目配电自动化开关设备主站遥控FTU智能分布
优点成本较低，易于操
作，不依赖通信系统同时实现故障隔离与
运营监视，对系统造
成冲击小
无需配电主站参与，故
障处理速度快
缺点开关动作次数多，对
系统造成的冲击大投资较大，对通信系
统的依赖程度高
对FTU数据处理能力和
对等通信网络要求高，
投资大
可靠性可能导致健全线路故
障，必要时需要人工
操作恢复供电，可靠
性水平较差恢复供电时间为分钟
级，较就地型可靠性
水平大大提高，其可
靠性依赖于通信系统
的可靠性
数秒内完成故障隔离和
恢复供电，大大减少故
障停电时间，提高可靠
性
适用范围城郊或农村等对供电
可靠性要求较低的
架空线路
市中心或市区等对供
电可靠性要求高的地
区
对供电可靠性要求高，
或接有重要敏感负荷的
线路。