1 引言

　　80年代以來，我國的電力工業(yè)得到了快速發(fā)展，90年代中后期，電力工業(yè)的發(fā)展重點由增加裝機容量轉變?yōu)榧訌婋娋W建設。電力工業(yè)發(fā)展的這種特殊性，使得我國適合采用更先進的技術，從高起點進行電網改造。目前在我國220kV及以上系統中運行的微機保護超過一萬臺，有1000多個基于分布式網絡的綜合自動化變電站投入運行。這些技術以其良好的可靠性、靈活性和可擴展性為電力系統廣大用戶所接受。在信息時代來臨的今天，我國正在進行大規(guī)模的配電網改造建設，一批城鄉(xiāng)電網改造工程正在興建，可以預見，基于信息技術的配電網自動化將會得到廣泛推廣并發(fā)揮巨大作用。

　　2 基于信息技術的配電網自動化的基本功能

　　配電網長期以來只能采用手工操作進行控制，自90年代開始逐步發(fā)展實現了一批功能獨立的孤島自動化，今后的發(fā)展趨勢必然走向基于先進通信技術的網絡自動化。配電網自動化主要包括饋線自動化、自動制圖/設備管理/地理信息系統及配電網分析軟件，它是配電自動化的基礎部分。與傳統的孤島自動化相比，基于信息技術的配電網自動化的關鍵在于以下三點：大量的智能終端、通信技術和豐富的后臺軟件。針對我國配電網的具體情況，配電網自動化應當分期分批逐步發(fā)展完善，最終實現對配電系統資源的綜合利用。

　　2.1 饋線自動化

　　圖1所示為典型的配電網手拉手環(huán)網結構，聯絡開關S3處于常開狀態(tài)，負荷由變電站A和變電站B分別供電。當在開關S1和開關S2之間發(fā)生故障（非單相接地），線路出口保護使斷路器B1動作，將故障線路切除，傳統的故障隔離和恢復供電的方法是通過重合器和分段器的配合，經重合器多次重合實現的，該方法不依賴于通信[1].但是，由于重合器的多次重合對配電系統造成的擾動在某些情況下是不能接受的，為了實現具有更好性能的饋線自動化人們在開關上裝設了智能終端，即配電終端單元（FTU），并通過通信系統實現集中式饋線自動化。這種饋線自動化的基本原理如下：當在開關S1和開關S2之間發(fā)生故障（非單相接地），線路出口保護使斷路器B1動作，將故障線路切除，裝設在S1 處的FTU檢測到故障電流而裝設在開關S2處的FTU沒有故障電流流過，此時自動化系統將確認該故障發(fā)生在S1與S2之間，快速跳開S1和S2實現故障隔離并合上線路出口的斷路器，最后合上聯絡開關S3完成向非故障區(qū)域的恢復供電。這種依賴通信系統和FTU實現的饋線自動化是配電網自動化的基礎，對于配電系統的運行與監(jiān)控是十分重要和必要的。

　　2.2 小電流接地系統的單相接地保護

　　我國絕大多數配電網采用小電流接地方式。小電流接地系統在發(fā)生單相接地故障后，規(guī)程允許帶故障運行兩個小時，由于非故障相的電壓升為線電壓，長時間運行有可能導致絕緣破壞，因而需要快速實現故障定位。

　　傳統的接地選線的方法是利用零序電流的基波或5次諧波的大小及方向。實踐中該原理的效果并不理想，大多數供電部門仍在采用“拉線法”進行故障選線，這對于提高供電可靠性是十分不利的。在圖1所示系統中，分布安裝在配網各點的FTU及集中通信將為這一傳統問題的解決注入活力，位于接地點兩側的相鄰的兩個 FTU對某些小電流接地的故障特征的測量將有明顯區(qū)別，初步的研究表明，建立在FTU與通信基礎之上的饋線自動化技術有可能很好地解決小電流接地問題。

　　2.3 配電網優(yōu)化運行

　　統計資料表明，與超高壓電網、高壓電網相比，配電網的網損是最高的，三者之間的比例關系如表1所示[2].

　　有了分布式的FTU及通信系統后，該問題可以從以下兩方面得到更好的解決。

　　2.3.1 優(yōu)化配網負荷

　　如圖1所示，配電網自動化系統通過對智能終端和手拉手環(huán)網中的負荷開關的控制，可以方便地改變環(huán)網的開環(huán)點已達到調整潮流的目的。自動化的后臺軟件將給出優(yōu)化潮流的方案，最終實現減小網損。

　　2.3.2 無功/電壓控制

　　在后臺系統的支持下，通過對電容器和有載調壓配電變壓器等分布式無功電源的控制，可以實現全網的無功/電壓控制，這不但可以降低網損，而且可以實現對電能質量的補償。

　　2.4 先進的配電管理系統

　　配電管理系統是配電網自動化的核心部分，主要包括配電圖資系統及配電網分析軟件。

　　2.4.1 配電圖資系統（AM/FM/GIS）

　　配電圖資系統由自動繪圖AM（Automatic Mapping）、設備管理FM（Facilities Management）和地理信息系統 GIS（Geographic Information System）組成。其中，圖資系統（AM/FM）是配電自動化的基礎，該系統建立在地理信息系統（GIS）的基礎上，與動態(tài)SCADA相結合，將大大提高配電網的運行管理水平。

　　2.4.2 配電網分析軟件（DPAS）

　　配電系統的高級應用軟件為配電網的運行提供了有力的分析工具，主要包括：潮流計算、負荷預測、狀態(tài)估計、拓撲分析、電流/阻抗計算及無功電壓優(yōu)化等。

　　3 基于網絡化的配電載波

　　配電網自動化的關鍵在于通信，選擇通信方式應當適合我國配電網的具體情況。目前主要的通信方式包括光纖、載波、有線及無線方式，配電網自動化的最終通信方式將是多種通信方式的混合應用，尤其以光纖、載波為主。其中光纖通信得到廣泛認可，而網絡化配電載波以其良好的魯棒性、安全性、易于實現、投資較低等突出優(yōu)點，在多種通信方式中倍受矚目。

　　3.1 電力線載波技術的發(fā)展

　　最初的電力線載波是為了傳輸高頻保護信號和話音信號設計的。它是基于線路兩端阻波器的點對點的通信。配電網節(jié)點眾多，這種點對點的通信方式不能滿足配電自動化的要求，因此配電載波將不再使用阻波器。第二代的載波技術基于擴頻原理，能夠在很低的信噪比情況下工作，具有很強的通信能力。最新一代的載波技術基于數字信號處理芯片（DSP），由于DSP具有強大的實時解碼功能，這種載波技術具有非常理想的通信能力。如今，基于DSP解碼的載波技術已經可以利用10kV配電線路作為計算機總線構成總線式網絡，稱為網絡化配電載波（NDLC）。采用NDLC技術，在10kV配網中的任一位置注入信號，都可以在同一10kV網絡中任意位置的節(jié)點正確接收。目前已有集成了這種載波技術的芯片問世。其發(fā)信功率不大于1w，典型的接收能力為-80dB.理論研究與試驗表明該技術是一項完全可行的、很有發(fā)展前途的新技術。

　　3.2 各類衰耗的估算

　　在大量仿真研究和現場試驗的基礎上，文獻[3]給出了配電載波的通道建模和對各類衰耗的估算，如表2所示：

　　對于以電纜線路為主的配電網，采用光纖通信實現配電自動化更為有利，對于以架空線路為主的配電網，網絡化配電載波具有突出優(yōu)點。實際上，架空線很有可能與很短的電纜線路混合連接，如圖3所示。配電系統的節(jié)點間的最主要的通道衰耗來自變電站母線，包括變壓器的雜散電容、母線的對地電容、變電站的其他饋線等的影響。這里需要強調的是故障發(fā)生后，斷路器A斷開，在切除故障的同時使故障線路與變電站斷開，此時的通信衰耗將不受變電站的影響。

　　網絡化配電載波的通信節(jié)點在變電站的出線處由雙絞線與通信主站相連，因此饋線的出口保護動作不影響故障線路的FTU與變電站通信主站的通信。

　　3.3 網絡化配電載波在線路故障時的情況

　　當采用網絡化配電載波實現故障定位、故障隔離時必須考慮載波信號在故障線路上的傳輸情況。這是NDLC技術實用化的主要問題之一。對該問題的分析如下：

　　（1）在線路故障后，故障線路出口的保護動作，斷路器將線路與變電站斷開，載波信號不受變電站的影響。由于線路停電，線路上幾乎沒有了噪聲，這些都將有利于載波通信。

　�。�2）由于10kV配電網的載波耦合設備與超高壓系統相比成本很低，價格便宜，完全可以采用相相耦合方式，相相耦合方式比相地耦合方式具有更高的可靠性，在單相接地時可以退化為相地耦合方式繼續(xù)工作，僅是在三相故障時需做特殊考慮。

　�。�3）即使發(fā)生三相短路故障，如果故障使得載波通道中斷，在故障點后面的FTU不能與變電站主站通信，該節(jié)點將通過聯絡開關處的橋節(jié)點與對側系統聯系，橋節(jié)點的存在使得載波通信具有手拉手的雙路由。

　　（4）實際上，斷路器跳開后，絕大多數情況故障點的故障電弧熄滅，絕緣恢復，這對于不足1w的載波信號的衰耗很小。

　　3.4 網絡化配電載波的節(jié)點管理

　　配電網絡可以被視為天然的總線網，該總線上的每兩個節(jié)點都可以通信。但是，考慮到配電系統的節(jié)點眾多，節(jié)點的管理十分重要，下面討論通過節(jié)點管理提高網絡化配電載波的可靠性和可擴展性。

　�。�1）面向對象的尋址

　　配電系統的每個節(jié)點都可以通過以下三個元素確定地址：域、子網和節(jié)點號。域對應于變電站，域內的子網對應于該變電站內的一條饋線，子網的節(jié)點則對應于該饋線上的各FTU.在圖1所示的手拉手環(huán)網中，當S3處于常開狀態(tài)時，節(jié)點B1、S1和S2屬于與變電站A相對應的域，而節(jié)點B2、S4和S5屬于與變電站B相對應的域。作為數字通信橋的聯絡節(jié)點如圖2所示，正常情況下，聯絡節(jié)點一側的節(jié)點“聽不到”另一側節(jié)點的聲音，屬于不同變電站的域之間互不

　　影響。僅當一個子網的某節(jié)點被其所在的變電站主站丟失或其他原因，諸如線路斷開、線路嚴重故障等，節(jié)點將通過橋節(jié)點向對側申請漫游。

　　定義每一條饋線的第一個節(jié)點為第一子站，該節(jié)點是這一子網的管理節(jié)點，它在作為該子網所有節(jié)點與變電站主站的路由的同時，還記憶了這些節(jié)點的基本信息，如節(jié)點地址、節(jié)點類型，這將大大有利于NDLC系統的可擴展性。

　�。�2）自動設置中繼

　　當一個子網中的某節(jié)點遠離變電站時，變電站主站可能不能與該節(jié)點成功通信，這時主站可以通過下載定值，定義最近的節(jié)點為中繼節(jié)點，該節(jié)點將完成對通信不暢的節(jié)點的中繼轉發(fā)，這將大大提高了通信系統的可靠性。

　�。�3）節(jié)點漫游

　　網絡化配電載波系統在運行中不斷進行自檢，一旦子網的第一子站發(fā)現該子網的某節(jié)點丟失，將向主站匯報，主站通過自動設置中繼試圖找回丟失了的節(jié)點，如仍未成功，被丟失的節(jié)點將主動向橋節(jié)點申請漫游，這一措施對于提高通信系統的可靠性十分有利。

　　3.5 網絡化數字載波的現場試驗

　　下面介紹在河北唐山某10kV電網進行的一次現場試驗。NDLC系統的通信功率為0.5w.配電網絡如圖3所示。

　　變電站有5條出線，即5個子網，圖中僅詳細給出試驗線路的接線。FTU分別裝在節(jié)點A、B、C、D和E處。A為第一子站，AB間距離為4km，中間包含兩段各為300m長的電纜，BC間距離為2km，中間包括一段200m長的電纜，CD、AE間的距離分別為3km和2.5km.利用表2中的結果估算的通道衰耗如表3所示：

　　表 3衰耗 （dB）

　　AB    43 AC    60 AD    72 AE    30噪聲    20~30

　　試驗中的通信報文的長度為20字節(jié)。分別在兩種情況下進行測試，一是在斷路器A閉合的情況下，存在變電站的母線衰耗和10kV系統的噪聲的干擾，測試結果見表4；二是在斷路器A斷開時，測試結果見表5.表4中只有AD間的通信是不理想的，AD間的距離為9km，這已接近10kV配電網的最大長度，并且中間包含三段電纜。當定義節(jié)點B為節(jié)點D中繼后，通信效果理想。而當斷路器A斷開后，如表5所示，在沒有中繼的情況下AD的通信也是理想的。

　　4 結論

　　信息技術的快速發(fā)展，為我國的大規(guī)模配電網改造使用更先進的自動化技術提供了強有力的支持。采用基于信息技術的配電網自動化系統將在很大程度上改善配電網的運行狀態(tài)，更好地實現資源的綜合利用。城市配電網建設應當在做好規(guī)劃的基礎上結合實際試點逐步實現。當前實施配電網自動化的關鍵是在實踐的基礎上開發(fā)出經濟的、可靠的、實用的配電網通信系統。光纖和配電載波將成為主要的通信方式，理論分析和試驗證明網絡化配電載波是可行的、可靠的、經濟的。