配電自動化終端設計淺析

摘要：配電自動化終端是為了適應社會發展的需要以及滿足人們的正常用電需求而逐漸發展起來的。本文重點分析了配電自動化終端的優勢及設計要求，對配電自動化終端的研究有利于促進智能電網及泛在物聯網的發展。

關鍵詞：配電網；自動化終端；設計

Analysis of distribution automation terminal design

Abstract: Distribution Automation Terminal is developing graduall to meet the needs of social development and guarantee people's normal demand for electricity. This paper focuses on the analysis of the advantages and design requirements of distribution automation terminal.The research on distribution automation terminal is beneficial to the development of Smart Grid and the Internet of Power things.

Keyword: distribution  network ;  automatic terminal; design

 

 

 

 

一、配電自動化終端具有的優勢

配電自動化終端是對配電網的電氣設備進行遠方實時監視、管理和控制的一個集成系統。配電自動化終端集成了遙控、遙測、遙信等功能可大大提高配電網運行的可靠性和效率，提高供電質量，從而對用戶和供電企業均能帶來可觀的效益。為了更好地認識與了解配電自動化系統，先對配電自動化終端存在的優勢進行簡單的分析闡述：

1. 供電系統的穩定性得到了保證。配電系統將一些相關的自動化技術應用到系統當中就是為了確保供電系統的穩定性。當配電系統發生故障之后，配電自動化終端可以根據邏輯分析快速地確定故障發生的具體位置，然后對整段線路實施保護。除此之外，配電自動化終端還可以將故障位置與沒有出現故障的位置進行隔離，以此來保證故障不會影響到整個供電系統的正常運行，配電自動化終端的保護及切除故障功能縮小了故障發生的范圍以及大大地降低了維修的難度，同時也降低了維修的成本。配電自動化終端保證了整個供電系統的穩定性，最終確保了用戶對電能的正常使用^[1]。
2. 初投資以及維護費用降低。配電自動化終端的保護及故障分析功能降低了初投資以及維修費用。配電自動化終端在配電系統中應用之后，使得線路投資的費用、停電時間以及維修費用等方面存在的問題都得到了有效的解決。
3. 提高了管理水平和供電質量。通過配電自動化終端可以對配電系統的運行過程進行有效的監測，一些故障問題出現之后能夠及時的發現自動排除故障并上報故障信息。有關部門則可以根據故障信號安排維修人員以最快的速度解決故障問題，從而確保了供電質量^[3]。

二、配電自動化終端的設計要求 

（1）具有故障自動檢測與分析功能

通過采集線路的電流、電壓量，提供過電壓、線路過負荷、線路三相過電流、零序過電流等檢測功能。裝置根據采集到的電流電壓大小及設置的定值，通過邏輯分析能夠自動快速判別線路是否發生故障，并區分故障電流方向、識別單相接地或相間短路故障，將故障信息和性質及時主動上報給主站，以便進行相應故障處理。

（2）提供可靠的不間斷電源

配電終端應用場合特殊，尤其在架空線柱上或戶外環網柜上安裝，配備不間斷電源十分重要。配電自動化系統在故障自動處理過程中，當饋線環路出現永久性故障時，環路出線開關保護動作跳閘，導致饋線全線停電，這時配電終端、通信設備、一次設備開關的操作都要求不間斷電源供電。因此，提供可靠的不間斷電源是配電終端開發設計中首要考慮的問題^[2]。

（3）滿足戶外工作環境的要求

架空線柱上的配電終端（FTU ）大多是戶外安裝，工作環境較惡劣， 戶外溫度范圍為- 40℃～+70℃，最濕月的月平均最大相對濕度為 95％，要求表面無凝露也不結冰，大氣壓力：70kPa～106kPa。安裝在戶外的裝置其結構應緊湊、小巧，外殼密封，能防塵、防雨，防護等級不得低于GB/T 4208規定的IP55的要求，安裝在遮蔽場所的裝置，防護等級不得低于IP54，安裝在室內的裝置，防護等級不得低于IP20的要求。對配電終端的元器件選擇、軟硬件設計、制作工藝，都要適應戶外環境的工作條件^[5]。

（4）滿足電磁兼容性（EMC）的要求

配電終端和高壓一次設備在一起，強電和弱電同處一個環境，因此，為保證終端工作的可靠性，在設計中必須考慮電磁兼容性。具體要求如下：

高頻干擾：可承受 GB/T 15153.1 中規定的試驗嚴酷等級為 IV 級干擾試驗；

靜電放電干擾：可承受 GB/T 15153.1 規定的Ⅳ級（接觸放電 8kV）靜電放電干擾試驗。

工頻磁場和阻尼振蕩磁場干擾：可承受 GB/T 15153.1 規定的Ⅳ級（100V/m）的工頻磁場和阻尼振蕩磁場干擾試驗。

配電終端設備必須通過專業的EMC試驗室嚴格測試并符合相應的EMC 國標要求^[2]。

（5）支持多種通信方式和通信協議

配電終端是DAS的基本控制單元。配電終端對上與配電子站或主站進行通信，將終端采集的實時信息上報，同時接收子站/主站下達的各種控制命令； 對下要求與附近的配變終端（TTU）通信，TTU的信息通過配電終端傳送到子站或主站；配電終端內部的通信，例如環網柜或開閉所的配電終端采用分散式設計，分散的監控單元與通信控制單元間需要通信，配電終端與站內或開關設備等其他智能控制單元間也需要通信。因此，對配電終端通信功能要求比較嚴格，無論通信方式、通信協議、通信接口都要滿足DA的要求，主要包括：

1、硬件設計要求終端具備多種類型的通信接口。①串行接口： RS-232，RS-485；②工業現場總線接口：CANBUS或Lonworks；③以太網接口^[4]。

2、支持多種通信協議。支持DL/T 634.5101、DL/T 634.5104規約，并在條件成熟時支持DL/T860(IEC 61850)傳輸協議。

（6）具有遠程維護、診斷和自診斷功能

配電終端安裝在柱上或戶外這一特定環境，而且數量多，不可能全靠人工維護， 要求終端本身具有完備的自維護能力，同時具有遠方維護功能，包括遠方參數整定、遠方下載、遠方診斷。

1.定值遠方修改和召喚定值。為了能夠在故障發生時及時地啟動事故記錄等過程，必須對FTU進行整定，并且整定值應能隨著配網運行方式的改變而自適應。為此，應使DAS控制中心能夠遠程召喚并修改FTU的定值。

2.控制閉鎖與手動操作功能。在檢修線路或開關時，相應的FTU應具有控制閉鎖的功能，包括遠方閉鎖和和就地控制出口壓板，以確保操作的安全性，避免誤操作造成事故。同時，FTU應能提供手動合閘/分閘按鈕，以便在開出通道出現故障時能進行手動操作，避免上桿直接操作開關。

 

 

7. 三遙功能

1. 遙信功能。實現狀態量采集，包括：開關分/合閘位置、遠方/就地操作把手位置、彈簧儲能位置、接地刀閘位置、熔斷器熔斷信號、SF6開關低氣壓信號、母線故障信號、交流失電信號、后備電源欠壓信號、柜（所）門打開信號等。  

    雙點遙信的合成：能夠根據采集到的開關分閘及合閘位置信息，自動生成具有故障態、中間態、合閘及分閘表述能力的雙點遙信信號。

軟遙信生成，包括：裝置故障信號，各線路的過負荷、單相接地、過電流、相間短路、零序過電壓、零序過電流信號等；故障信號優先傳送。

2. 遙測功能。FTU應能采集線路的電壓、負荷電流和有功功率、無功功率等模擬量。一般線路的故障電流遠大于正常負荷電流，要采集故障信息必須能適應輸入電流較大的動態變化范圍。采集、轉換、處理模擬量并可同時向主站傳送，實現電流、電壓量的測量，實時監視饋電線路的運行狀況，按線路分，每條線路采集、轉化并處理的模擬量包括：

    三相電壓Ua、Ub、Uc或兩路線電壓Uab、Ucb、Uca；

    三相測量電流Ia、Ib、Ic及三相保護電流Ipa、Ipb、Ipc；

    總有功功率P、總無功功率Q；

    零序電壓3U0、零序電流3I0；

    頻率F；

    總功率因數COSф；

    各相電壓、各相電流的實時相位角； 

    低端小電流采集優勢，在安裝600/5的CT時，最小能精確采集到7A的一次電流；

    電度量累積：累積四象限電量正向有無功電量及反向有無功電量；

    直流量采集：完成三路直流量的采集功能，直流量的輸入范圍為－5V～＋5V。

3.遙控功能。FTU應能接受遠方命令控制柱上開關合閘和跳閘，以及啟動貯能過程等。裝置具有遠方控制功能和當地控制功能。裝置接受并執行來自主站或子站的遙控指令，完成開關的分、合閘及分合閘閉鎖操作。具有當地控制功能，可就地實現開關的分、合閘及分合閘閉鎖操作。

8. 數據存儲

    1.電能質量

    過、欠壓時間累加統計，失壓時間累加統計，電壓合格率統計；電壓、電流、功率極值統計。

    2.負荷曲線

    具有大容量歷史數據存儲功能，可以保存各線路負荷曲線數據，保存周期以分鐘為單位任意配置。

    曲線數據類型可在各線路電壓Ua（Uab）、Ub、Uc（Ucb）、測量電流Ia、Ib、Ic、功率P、Q、保護電流Ipa、Ipb、Ipc、頻率、功率因數、零序電壓、零序電流、直流量等遙測數據量中根據需要選定，最多可選定120個數據量。

    3.事件順序記錄

    記錄系統狀態量發生變化的時刻和先后次序，記錄數量可通過配置文件在裝置存儲空間允許的范圍內任意配置，分辨率≤1mS；

記錄饋線發生的異常及時間，包括：零序過電壓、零序過電流、線路過負荷、線路三相過電流、單相接地及相間短路等；記錄電源發生的異常及時間；記錄裝置自檢時發現的異常及時間；開關操作記錄。        

4.斷電負荷記錄

裝置準確能夠記錄線路斷電前的負荷數據。

9. 電氣絕緣

在正常試驗大氣條件下，設備的被試部分應能承受500-2500V的50Hz交流電壓1min的絕緣強度試驗，無擊穿、無閃絡現象。

    對于交流工頻電量輸入端子與金屬外殼之間，電壓輸入與電流輸入的端子之間應滿足施加50Hz，2kV電壓，持續時間為1min的要求。

（10）機械性能

設備應能承受f為2-9Hz，振幅為0.3mm及f為9-500Hz，加速度為1m/s²的振動。振動之后，設備不應發生損壞和零部件受損脫落現象，各項性能完好。

（11）輔助功能。

1.對時。FTU及子站應具備對時功能，接收主站對時命令，或接收網絡、北斗（GPS）等對時命令，與系統時鐘保持同步^[5]。

2.事件順序記錄（SOE）。按照先后順序記錄狀態量發生變化的時刻以及瞬時值。

3.事故記錄。記錄事故發生時的最大故障電流和事故前一段時間的負荷數據，以便分析事故，確立故障區段，為恢復健全區段供電時進行負荷重新分配提供依據。

4.具有良好的維修性。由于FTU安放在分段開關處，因此當FTU故障時必須能夠不停電檢修，否則會造成較大面積停電。　

5.重合閘

    重合閘充電時間為 20s，重合閘的“充電”和“放電”條件見充/放電及啟動條件表3-1。

重合閘充電時間 Tcd = 一次重合后全恢復時間。整組復歸時間 Tzzf=900s。

    對于三相二次重合閘，第一次跳閘后，經第一次合閘時限（d411）延時，會進行第一次重合閘。重合后，若在二次重合閘閉鎖時限（d203）內再次跳閘，則不再重合閘。若沒有再跳閘，則從合閘時開始計時，經過一次重合后全恢復時間（d412）后，重合閘復歸，裝置仍處于充電狀態，可以進行下一輪二次重合閘。如果在大于 d203 小于 d412 的時間內再跳，經二次重合閘時限（d201）后，第二次重合。二次重合閘閉鎖時間（d203）是指第一次重合閘后在“閉鎖時間”內又發生故障導致開關再次跳閘，此時應閉鎖第二次重合閘，而直接啟動重合閘整組復歸，清除所有標志。因此整定時 d412 必須大于 d203 和 d201，否則無法重合。三相二次重合閘邏輯具體如圖3-1。

表3-1 重合閘的充/放電及啟動條件

圖3-1 三相二次重合閘邏輯圖

四、結語

本文主要對配電自動化終端具有的優勢和設計要求進行了分析，配電自動化終端應用于配電系統，提高了配電系統的自動化程度，有效節約了維護成本，提高了配電系統的穩定性。

參考文獻：

[1]黃仲鎮．配電自動化新技術及發展研究[J]．機電信息，2013（6）

[2]張曉丹．配電自動化終端的設計[D]．天津大學碩士學位論文，2007

[3]張耀忠．對于國外配電自動化技術與發展趨勢的探討[J]．科技創新與應用，2011（23）

[4]配電自動化終端技術分析[DB/OL]．天天文庫，2019

[5]DLT/721-2013配電自動化遠方終端[S].中華人民共和國電力行業標準，2013