智能配电网技术
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智能配电网技术 与实用的配电自动化系统 袁钦成. 中国电力科学研究院 北京科锐配电自动化股份有限公司. 主要内容. 一、 智能配电网技术与高级配电自动化概述 二、已有的配电自动化系统存在的一些主要问题 三、建设新的配电自动化系统应该考虑的原则 四、几种配电自动化系统的方案介绍. 智能配电网与配电自动化概述. 智能电网的内容和目标 涵盖发电、输电、变电、配电、用电各个环节,要求实现:安全、 自愈、 高效、清洁、优质、互动 智能配电网( SDG , Smart Distribution Grid )是智能电网的重要组成部分 智能配电网的内容

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智能配电网技术 与实用的配电自动化系统 袁钦成

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Presentation Transcript


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智能配电网技术与实用的配电自动化系统袁钦成

中国电力科学研究院

北京科锐配电自动化股份有限公司


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主要内容

一、智能配电网技术与高级配电自动化概述

二、已有的配电自动化系统存在的一些主要问题

三、建设新的配电自动化系统应该考虑的原则

四、几种配电自动化系统的方案介绍


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智能配电网与配电自动化概述

  • 智能电网的内容和目标

    涵盖发电、输电、变电、配电、用电各个环节,要求实现:安全、自愈、高效、清洁、优质、互动

  • 智能配电网(SDG,Smart Distribution Grid)是智能电网的重要组成部分

  • 智能配电网的内容

    满足自愈、互动、兼容和即插即用。除实现更高水平的配电自动化功能外、要支持分布式电源的接入、智能电表和用户双向互动、更高的电能质量等内容。其中配电自动化是其最基本的的内容

  • 智能电网与传统电网的区别在配电网上表现的更为明显


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智能配电网的特征(1)

  • 更高的供电可靠性

    • 实时检测故障设备并进行纠正性操作,最大程度地减少电网故障对用户的影响。

    • 自愈功能包括故障预警、网络式保护、重合闸、配网故障隔离、转移和恢复供电等

    • 在主网停电时,应用分布式电源微网(Micro Grid)保障重要用户的供电。

  • 更高的电能质量

    • 实现电压、无功的优化控制,保证电压合格率。

    • 实现敏感用电设备的不间断连续供电

      • 应用动态电压补偿器(DVR)保证线路故障与重合闸期间的供电

      • 应用固态断路器实现双路供电电源的“0”秒无缝切换


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智能配电网的特征(2)

  • 支持DER的大量接入

    • 将DER与配电网有效集成,优化DER的利用,提高电网运行安全可靠性与运行效率。

    • DER能够即插即用(Plug and Play)

  • 支持与用户的互动

    • 实现用电信息在供电企业与用户间即时交换,创新用户服务。

    • 支持实时(动态)电价,让用户选择用电时间,更好地削峰填谷,适应分布式发电的间歇性特点。

    • 支持用户自备DER并网

    • 支持电动车的接入

      • 选择低电价时段充电

      • 可在电价高时向电网送电。


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智能配电网的特征(3)

  • 提高电网资产利用率

    • 合理控制潮流,减少线损。

    • 提高负荷率,减少系统容载比,充分利用系统容量。

    • 减少投资,减少设备折旧,使用户获得更廉价的电力。

  • 能够对配电网及其设备进行可视化管理

    • 实时采集电网及其设备运行数据

    • 提供潮流、负荷、设备状态监测、电能质量、故障位置、停电范围等实时信息

    • 解决配电网“盲管”问题

  • 实现配网设备管理、生产管理的自动化、信息化

    • 自动化系统高度集成、深度融合


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智能配电网的主要技术内容(1)

  • 调度自动化(EMS)、智能调度

  • 变电站自动化:数字化变电站、智能变电站、智能模块化站

  • (中低压电网)自动化

    • 运行自动化:

      • 配电SCADA

      • 馈线自动化( FA,故障定位/隔离/自动恢复供电)

      • 电压无功控制、

      • 虚拟发电厂(VPP,Virtual Power Plant):DER调度管理

    • 生产管理信息化 (自动化)

      • 配电GIS(:自动绘图/设备管理/地理信息系统(AM//FM/GIS)、台帐管理

      • 检修管理

      • 停电管理(OM, Outage Management)

      • 作业(工作票)管理


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智能配电网的主要技术内容(2)

  • 用电(侧)自动化

    • 高级量测体系(AMI,Advanced Metering Infrastructure):支持双向通信、智能读表、用户能源管理(需求侧管理DSM)、家庭自动化

    • 客户信息系统(CIS):营销管理

    • 电话呼叫管理(TCM, Trouble Call Management)

  • 分布式电源并网技术

    • 有源网络(Active Network):分布式电源深度渗透、潮流双向流动的网络。

    • 微网技术(Micro Grid):接有分布式电源的配电子系统,可在主网停电后独立运行。


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智能配电网的主要技术内容(3)

  • 柔性交流配电技术(DFACTS)

    • 定制电力(Custom power):应用电子电力设备实现电能质量的改善与控制,为用户提供电能质量满足其特定需求的电力。

    • 定制电力设备:静止无功发生装置(SVC)、静止同步补偿器(STATCOM)、有源滤波器(APF)、动态电压恢复器(DVR)、固态断路器(SSCB)。

    • 统一潮流控制(UPFC)

  • 故障电流限制技术

    • 超导故障电流限制器

    • 基于电力电子器件的故障电流限制器


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高级配电自动化(ADA)

  • ADA是智能配电网环境下的配电自动化

  • 在智能配电网中,用户自动化内容更为丰富、完善,宜作为一个相对独立的技术领域对待

  • ADA包含传统DA的配电网运行与管理自动化的功能与作用。

  • ADA的新发展主要体现在:

    • 支持分布式电源的调度管理,虚拟发电厂技术(VPP)

    • 分布式智能控制、网络式保护

    • 系统功能、接口、数据模型与通信服务高度标准化

      • 终端设备即插即用

      • 自动化系统无缝集成

  • 传统的配电自动化功能:

    • 配电SCADA、基于GIS的DMS、高级应用、多自动化系统集成

    • 馈线自动化:正常检测、故障定位、故障隔离和转供


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  • 1、贪大求全、投资回报不平衡

  • 2、结构复杂,标准化程度不够

  • 3、故障处理模式单一,对通讯通道依赖性强。

    • 集中处理和分布智能的关系

  • 4、通信瓶颈

  • 5、DA系统“头”重、“脚”轻

二、过去的配电自动化系统建设存在的一些主要问题


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三、建设新的配电自动化系统应该考虑的原则

总原则:稳定可靠、实用、经济与先进性相结合

1、稳定可靠

结构简单、容错性好、模块化、标准化、分布智能

2、经济实用

  • 容易实施、马上见效、少维护或免维护

  • 因地制宜、因网制宜、集中力量解决最迫切的问题

  • 一遥、二遥、三遥组合实施,不要一刀切

    4、理念先进、统筹规划、分步实施


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四、几种实用的配电自动化方案

  • 以故障定位为目标的一遥方案

  • 满足配网运行监测基本需求的二遥方案

  • 具备就地智能馈线自愈功能的三遥方案

  • 高速精确的电网自愈方案

  • 差异化的综合实用方案


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方案一:以故障指示器为基础的故障定位系统(一遥配电自动化系统)

  • 目的:实现故障的快速定位,减少故障巡查和故障处理时间

  • 设备:故障指示器+通信终端

  • 特点:不需要改造一次设备、投资省、见效快、容易实施、容易推广


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故障指示器定位故障的系统原理


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故障指示器的一些基本功能

1、自动识别短路故障电流特征,指示短路故障

2、自动识别单相接地故障信号电流,指示接地故障

3、自动延时复位

4、全户外运行环境,免维护。

5、可带电装卸

6、可提供动作触点或带通信接口或内置通信模块,用于故障远程指示


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单相接地的故障检测方案--变电站中阻智能接地法

主要原理:

故障时在变电站中性点(或接地变的中性点,无中性点时可接在母线上)的动态阻性负载信号源自动短时投入, 在变电站和现场接地点之间产生特殊的小的信号电流(最大不大于40A),通过对电阻的编码控制,产生叠加在负载电流上的编码信号电流。变电站出线和线路分支点处安装的接地故障指示器,检测这个电流信号,可自动动作指示,达到指示故障的目的

系统组成:

信号源装置+故障检测装置


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接地变

接地信号源

消弧线圈

变电站接线示意图(接在中性点)


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北京科锐

Jan 2007

故障指示器

单单相接地故障的检测方案

故障发生后:

(1)电阻信号源延时投入;(2)变电站出线的故障指示器指示出故障出线(k号指示器动作);(3)选线装置自动显示和记录故障出线(4)线路上故障通路上的的故障指示器k1-k3自动翻牌,给出红色指示。


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接地故障翻牌显示模拟

GSM通信网


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接地故障信息处理过程

GSM通信网


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故障定位系统构成

  • 探头--故障指示器

  • 接地故障探测信号源

  • 通信终端

  • 中心站

  • 主站


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架空系统故障指示器安装示意图

正常状态

动作状态


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架空通信终端


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架空系统通信终端站安装示意图


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电缆系统故障指示器

1、SFI-2C1O

3、FI-3P1O /3P2O

2、EFI-CT-1/EFI-CT-2


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电缆通信终端


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电缆型指示器和通信终端安装示意图

通信终端

指示器


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故障定位系统中心站


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主站

集GIS(地理信息系统)和MIS(管理信息系统)于一体,它既可用来实时监测配电网络状态和故障,并自动确定故障位置,便于电路的维护和事故抢修,又可用来对配电网设施进行管理,便于设施信息的录入、查询和统计


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主站

  • 实时搜集故障指示器动作信息和网络拓扑数据

    ——故障指示器的动作信息和网络拓扑数据的一致性原则

  • 故障通路和故障点的查找

  • 纠错和补漏

  • GIS支撑平台

  • 故障点短信通知

  • 配电网图形编辑

    ——创建和修改配电网网络图,包括电力线路、杆塔、开关、变电站、开闭所和故障指示器


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基于GIS的故障定位


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基于主接线图的故障定位


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方案二:在故障定位系统基础上升级的二遥系统

  • 目的:实现实现故障的快速定位,减少故障巡查和故障处理时间;实时监测电流和开关状态,实现对电网的基本监测

  • 设备:故障指示器+监测终端

  • 特点: 不需要改造现有一次设备、投资省、见效快、容易实施、容易推广


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在故障定位系统基础上升级的二遥系统

  • 在故障自动定位系统的基础上增加线路电流的测量和监测,在很多情况下可以更进一步的满足我们对配网的基本监测要求。

  • 利用故障指示器本身作为电流测量探头,正常情况下监测负荷电流并定时上送,故障情况下检测故障电流并给出故障指示。不需要对现有任何一次设备进行改造,即可实现对配网的两遥监测(遥测、遥信)。


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故障指示器与配电自动化系统的无缝集成

3P3O

面板指示器

探头

二遥指示器

ODU

通信终端主模块

GPRS模块


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故障指示器与配电自动化系统的无缝集成

3P3O

探头

ODU

I/O

开关位置状态检测

通信终端主模块

GPRS模块


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二遥故障定位系统

取电CT


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方案三:分布式智能控制方案

  • 目的:实现故障自动隔离和自动转供电

  • 设备:电动开关+智能控制器

  • 特点: 投资省、见效快、可靠性高、不依赖通讯


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分布式智能控制方案

  • 这是在原来的电压分断器、电流分断器、重合器技术基础之上发展出来了的一种技术。

  • 综合了电压分段器、电流分段器和重合器的优点

  • 综合检测电流电压

  • 可以利用通道提高效率,但不依赖通信。

  • 与各种开关集成构成智能开关

  • 适合在主环路或分支回路

  • 在故障情况下可以自主判断故障位置,自动跳开故障区段的两侧开关,自动合上联络开关,实现故障区段的自动隔离和非故障区域的恢复供电。

  • 在增加通信通道和主站系统后,控制器可以自动升级为标准的FTU,实现三遥(遥测、遥信、遥控)功能,比较适合手拉手供电的环网系统使用。


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综合型分布智能模式在架空网中的应用

  • 柱上开关可选负荷开关或断路器

  • 实现故障自动隔离、自动转移供电

  • 支持两电源或三电源、四电源系统

  • 没有通信时也可以实现故障隔离和电源转供及恢复

  • 有通信时可自动升级实现远程自动化功能

  • 故障就地处理:可靠性高、速度快

  • 适应不同阶段的自动化要求


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开闭所

F1

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CB6

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S4

S2

S13

S14

CB1

1#

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S15

CB2

S6

S7

S8

S9

S10

S11

CB3

CB4

CB5

2#变电站

故障自动隔离和转供

自动隔离故障分支


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分布式智能模式在电缆网应用

  • 智能环网柜进出线开关可任选负荷开关或断路器

  • 出线故障只跳出线

  • 内部故障自己隔离

  • 主环自动隔离故障区段、自动转移供电

  • 不依赖通信实现自动化功能

    • 有通信时自动实现三遥的自动化系统


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S1

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S1

智能环网柜组成的电缆环网方案


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方案四:网络式保护+分布式智能控制方案

  • 目的:实现故障的就地清除,故障时变电站不跳闸;同时实现故障自动隔离和自动转供电

  • 设备:电动开关+智能控制器+局部通信

  • 特点:停电范围最小、停电时间最短、效率高、投资省、见效快、可靠性高

  • 实现方式:在具备局部光纤通信通道的的环网系统上实施。在分布式智能方案的基础上,增加局部通信。一般只在特殊场合实用,解决线路上多断路器的保护配合困难问题。


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CB1

S1

S2

S3

S4

S5

CB2

网络式保护在架空线路的应用

F

传统保护问题:保护配合困难

网络式保护:任一点故障均可以有选择性的速断跳闸

特点:解决了选择性和快速性的矛盾。

已在黑龙江牡丹江、绥化工程中运行近十年


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方案五:DA主站+分布式智能控制+故障指示器定位

  • 目的:实现目的1、2、3、4,同时可对关键位置和设备进行远程监控,实现三遥 ,可实现DMS功能

  • 设备:故障指示器+电动开关+智能控制器+必要的通信通道+主站计算机系统软硬件

  • 特点:

    • 故障可以定位到分支和区段

    • 但大多数场合不需要改造现有一次设备,经济性好

    • 故障处理以就地为主、主站为后备,可靠性高

    • 只在关键位置实施三遥,投资不大

    • 主站根据需要选择功能、决定规模。一般实现SCADA+DMS


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综合的配网自动化方案

  • 建设大、中型主站系统

  • 实现DMS(含AM/FM/GIS)

  • 实现SCADA(远程四遥功能)

  • 与其他自动化系统集成

  • 建设通信系统

  • 实现馈线自动化

  • 实现故障点自动定位


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案例一 广东中山配网自动化项目介绍

  • 电缆系统——以故障指示器为基础二遥

  • 架空线系统——分布式智能馈线自动化

  • 主站模式——区域性主站扩展大主站


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广东中山项目规模

  • 区域主站:13套

  • 馈线自动化开关及终端(FTU):728套(柱上安装)

  • 二遥通信终端:1166台

  • 二遥的故障指示器:9606只

  • 就地指示的指示器:电缆系统13300 只,架空系统5383只


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二遥故障定位系统


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二遥故障定位系统


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分布式智能馈线自动化系统


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区域主站


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案例二 山东烟台福山配网自动化项目介绍

简易型馈线自动化(故障定位系统)

分布式智能型馈线自动化

项目累计应用:

架空一遥故障指示器1245只、架空一遥通信终端231台

电缆二遥故障指示器143组、电缆二遥通信终端50台

智能柱上开关(含FTU)91台

信号源装置20台

一体化区域主站1套

一体化区域主站系统


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设计方案介绍

模块化设计理念——积木原则

方案设计将配网自动化系统中的几种实施方案和构成系统的子模块看成“积木”,通过合理的设计和组合搭建,使相对独立的“积木块”构成完整、坚固的系统。


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分布式智能馈线自动化实施规模

累计更换和新增91台智能柱上开关(含FTU、PT),基本实现架空线路三分段运行模式,部分线路具备环网联络能力,全部实现了三遥自动化功能。


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现场实施


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架空一遥故障定位系统实施规模

架空一遥故障指示器1245只架空一遥通信终端231台


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电缆二遥故障定位系统实施规模

电缆二遥故障指示器143组、电缆二遥通信终端50台。

电缆二遥系统可覆盖环网柜、电缆分支箱等电缆设备,对线路故障、负荷电流等信息进行监测,创新的解决了老旧电缆设备自动化改造困难的问题。


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案例三 广东佛山配网快速复电试点项目介绍

广东省电网公司“配网故障快速复电机制”专项试点,以故障指示器为基础的一遥、二遥故障定位系统作为技术支撑,探索配网故障快速处理、快速复电机制。项目应用设备规模近6000个故障监控终端近20000只故障指示器,目前正在实施中,建成后将成为国内乃至世界最大的故障快速定位专项工程。

架空一遥故障指示器12981只、架空一遥通信终端4327台

电缆二遥故障指示器1449组、电缆二遥通信终端1449台


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项目规模现场


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各种自动化方案的总结

  • 故障指示器为基础的一遥方案,最经济实用;

  • 以故障指示器为基础的两遥的自动化方案满足了大多数配网监测需要,不需要改造任何一次设备,容易实施。

  • 以分布式智能为基础的馈线自动化方案,可以实现故障的自动隔离和转供,不依赖于通信和主站,可靠性更高。加装GPRS等通信模块后,容易实现三遥

    4、 主站以SCADA、 AM/FM/GIS为主要内容的自动化方案,实用可靠,可以满足绝大多数的城市电网的自动化需要


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各种自动化方案的总结

5、在需要集成智能电网应用、建设大型配电自动化主站系统时,可以使用高性能的智能电网平台

6、各种自动化方案既可以单独实施也可以组合实施,应根据本地区电网的现状和发展水平要求、资金规模进行规划和选择,切忌盲目贪大求全。


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