配电自动化与10kV智能化开关

0 引言

随着我国电力供需矛盾的缓和，电力市场由卖方市场逐步转向买方市场。由于我国城市供电网、配电网网架比较薄弱，城市配电网已经成为城市供电的一个瓶颈。为缓解这一矛盾，近几年国家投入数千亿资金，在全国234个城市开展城网建设与改造工程，加强配电网的网架建设，逐步建立环网供电、开环运行的供电模式，同时对配电网一次设备开关进行改造和更新，这一切为实施配电自动化打下了良好基础。许多城市在城网改造的同时，为了进一步提高供电可靠性，提高配电网运行管理水平，改善对电力用户的服务质量，正在开展配电自动化示范工程。随着电力部门对配电自动化的需求越来越迫切，智能化开关的应用需求已迫在眉睫。

1 我国配电自动化基本模式

根据我国配电网网络结构及行政管理体制的特点，配电自动化系统一般采用分层控制处理模式，典型的城市10 kV配电自动化系统分为4层(见图1)。

根据配电网的规模和网络结构，配电自动化系统亦可以分为3层或2层结构。无论如何，终端层是基础。终端层是由配电自动化终端和一次设备开关组成，主要完成数据采集、故障检测与识别、对开关的控制等功能。

目前，配电自动化终端层大多由配电终端FTU和10 kV开关组成。FTU主要完成保护、测量、控制、远动等功能，属于二次系统;开关是一次系统。通常，二次系统和一次系统由不同厂家生产，但随着技术的发展，越来越多的电力企业要求一次设备开关和二次系统统一起来，从整体设计出发，实现10kV一次设备开关智能化，从而简化系统内部接线，降低成本，缩小体积，节省占地面积，节省电缆，减少现场安装调试工作量，降低系统运行费用。10kV开关的智能化是今后配电开关发展的必然趋势。

随着我国加入WTO，国外10kV智能化开关必将冲击国内配电开关市场，“十五"期间，国内配电开关每年需求量10几万台[1] ，为了增强国内10kV开关竞争力，提高一次系统技术含量，电力自动化研究院正在与有关厂商合作开发10kV智能化开关。

2 配电自动化与一次设备开关

配电自动化与一次设备开关密切相关，配电自动化故障自动隔离和网络重构，都是通过计算机对一次设备开关进行远方操作来实现。配电自动化数据采集和控制，也是通过一次设备开关的相关接口来完成。因此，从配电自动化系统需求出发，对 10kV开关(包括柱上开关和环网柜开关)有如下基本要求：开关具有电动/手动操作功能;具有直流电动、弹簧储能操作机构，操作电源采用直流48 V/24V，容量要求尽可能小;开关应无油化、绝缘化、小型化和低功耗;开关与电压互感器(TV)、电流互感器(TA)一体化设计，TV作为单相电源，容量应为50VA～100VAI应装三相TA，且TA饱和度介于测量TA和保护TA之间;状态信号包

括开关分/合闸位置信号、弹簧储能信号、刀闸信号等;控制接口具有分闸/合闸外接的控制接点。

另外，要求10 kV一次开关应在操作机构、操作电源方面有所创新。若按传统的方式，开关采用交流220V或直流220V作为操作电源，很难与配电自动化系统相协调。在环网供电的配电系统中，馈线一旦出现永久性故障，变电站出线开关的保护动作，跳开电源侧出线开关，导致整条馈线失电。在这种情况下自动隔离故障，进行网络重构，要对线路上的分段开关和相关联络开关进行操作，显然，10kV开关的操作机构及操作电源若不进行改造很难适应配电自动化系统的要求。

3 10kV智能化开关

3.1 智能化开关的含义

3.1.1 二次系统智能化

二次系统包括保护、测量、控制、操作、防误闭锁、故障录波、无功/电压控制、通信、远动、信息处理等功能模块集成于一体，实现开关二次系统智能化功能。10kV配电开关的二次系统相对简单一些，其智能化主要有以下几方面。

a.保护：10kV线路速断、过流保护、单相接地及重合闸等微机保护单元;

b.测量;对开关所连接线路进行高速交流采样，并计算U ，I，P ，Q ，COSφ以及有功电量、无功电量、故障电流Ik检测与识别;

c.控制：开关的分闸/合闸，闸刀及电容器组的控制;

d.通信：对内各功能模块的通信，对外与上位机计算机通信;

e.远动：实现遥信、遥测、遥控、遥脉功能及通信协议的转换和信息传送;

f. 信息处理：统计、计算、报警、谐波分析、故障诊断、定位、隔离及重构等各种信息分析处理技术。

3.1.2 开关本体的在线监测智能化

a.提高开关通断特性[2] ，通过智能化检测单元，实现开关主触头电压过零关合和电流过零分闸，提高开关的寿命和性能，改善电网电能质量。

b.实施开关触头的行程、运动速度曲线、温升、弹簧机构工作状态等参数的在线监测以及重要参数的变化趋势分析，可以实现开关故障预测;制定合理的开关检修策略，提高开关动作可靠性和安全性，对延长开关寿命具有积极意义[3] 。

c.实现SF6开关的压力、真空开关真空度监测以及开关动作在线监测(开关分/合闸次数，开关切断电流水平)。

3.2 开关智能化实现方案

当今先进的计算机技术、测控技术、新型的传感器以及现代化的通信技术为开关的智能化奠定了基础。在各种电压等级开关中，10kV配电开关(柱上分段开关、联络开关、环网柜)具备智能化的条件。以 10kV开关的保护、测量、控制、操作、故障检测与自动处理等二次系统的一体化的开关智能化实现方案为例，其系统结构如图2所示。

智能化的各功能模块均采用微机检测技术，功能模块之间用CANBUS工业现场总线相连接。 CANBUS具有高速、可靠的优点。通信介质是双绞线，总线最多可挂110个节点，具有总线仲裁技术，支持多主式通信，通信协议标准化，信息传输可用短帧结构，这些特性很适合于开关智能化的内部通信。智能化的通信控制器主要是完成内部通信、与上位机通信和远动功能。与上位机通信可以用以太网方式或串行口通信方式，根据现场实际需求进行选择。

3.3 开关智能化的几个关键技术问题

3.3.1 故障电流检测与识别

馈线自动化(FA)是配电自动化系统基本的功能，其故障自动处理主要判据是故障电流Ik的信号。故障电流Ik的检测与识别是由开关智能化来实现的，如何准确、可靠、实时地捕捉到故障电流信号，这是个关键问题。通常考虑因素有：①故障电流Ik整定值可以人为设置，②故障类型为单相/相间故障;③故障持续时间△t;④采样速度与首端开关保护相匹配;⑤故障电流方向(闭环运行情况要考虑)[4] 。

3.3.2 不间断供电电源