配电网综合自动化技术(第3版)
上QQ阅读APP看书,第一时间看更新

1.4 实现配电自动化的意义

我国配电网自动化的发展是电力市场和经济建设的必然结果。随着电力的发展和电力市场的建立,配电网的薄弱环节显得越来越突出,形成电力需求与电网设施不协调的局面。

随着市场观念的转变和电力发展的需求,配电网综合自动化已经成为供电企业十分紧迫的任务。在20世纪80年代就意识到城市配电网的潜在危险,并竭力呼吁致力于城市配电网的改造工程,并组织全国性的大会对配电网改造提出了具体实施计划,1990年5月召开了全国城网工作会议,指出了城市配电网在电力系统的重要位置,要求采取性能优良的电力设备以提高供电能力、保证供电质量。

配电网综合实施改造是实现配电系统自动化的前提,没有合理的电网结构和优良的设备是不可能实现配电系统自动化的。由于早期的配电网已经基本形成,只能在原有配电网的基础上进行改造,难度大,要力争达到高自动化的目的,做好统筹规划,从设备上符合现代城市的发展要求。因此,城市配电网电力设备的基本要求是技术上先进、运行安全可靠、操作维护简单、经济合理、节约能源及符合环境保护要求。

配电自动化系统由于采用了自动化设备,当配电网发生故障或异常运行时,能快速隔离故障区域,并及时恢复非故障区域用户的供电,缩短对用户的停电时间,减少停电面积。这样就有利于提高设备的故障判断能力和自动隔离故障,恢复非故障线路的供电条件;有利于提高配电网设备的自身可靠性运行能力,大大地减轻运行人员的劳动强度和维护费用;由于实现了配电系统自动化,可以合理控制用电负荷,从而提高了设备的利用率;采用自动抄表计费,可以保证抄表计费的及时和准确,提高企业的经济效益和工作效率,并可为用户提供自动化的用电信息服务。

实现配电系统自动化的意义具体从如下几个方面来展开说明。

1.提高供电可靠性

1999年,从277个城市供电企业统计,10kV用户的供电可靠率为99.863%,即每户平均一年停电12h,其中故障停电占23.69%,即因故障每户每年停电2.84h。1995年,发达国家供电可靠性水平:日本每户年停电时间为6min;法国每户年停电时间为69min;英国每户年停电时间为80min;美国每户年停电时间为98min。由此可见,我国与发达国家的差距比较大,这就要求我们要通过配电自动化系统来缩短差距,提高供电可靠性,缩短停电时间。

配电自动化是提高供电可靠性的必要手段,配电自动化对于提高配电网供电可靠性具有投资少、见效快等显著优势。供电可靠性从99.9%提升至99.99%可主要依靠网架改造,但从99.99%提升至99.999%则必须依靠配电自动化建设,如图1-5所示。

(1)提高供电可靠性——缩小故障影响范围

图1-6描述了一个典型的“手拉手”环状配电网,A和G为电源开关,B、C、E和F为分段开关,D为联络开关。正常运行时,分段开关B、C、E、F闭合,图1-6中用实心表示;联络开关D打开,图1-7中用空心表示。假设配电自动化覆盖到馈线开关的层次,也即A~G开关处均安装了配电自动化终端设备,并通过通信网络与位于配电主站控制中心的后台计算机系统相连。

图1-5 提升供电可靠性的手段与效果

如图1-6所示,假设开关A和B之间的馈线发生故障,则利用主变电站的保护装置跳开A开关,断开故障区域,并通过配电自动化分断B开关隔离故障区域,通过配电自动化合主联络开关D,恢复受故障影响的健全区域BC和CD供电,整个过程示意如图1-7所示。可见配电自动化可以及时隔离故障区域,并减少故障的影响范围,但是在此例中,AB段馈线上的任意用户发生故障,该馈线就必须整段切除。

图1-6 自动化覆盖到馈线开关的“手拉手”环网

图1-7 故障隔离、恢复供电示意

图1-8描述了,在图1-6所示配电网的基础上,在负荷密集区B设置开闭所(虚线圈内所示),并且配电自动化覆盖到开闭所的层次,也即开闭所的进线和出线开关处均安装了配电自动化终端设备,并通过通信网络与位于配电主站控制中心的后台计算机系统相连。

图1-8中,假设在开闭所B的B-1出线上发生故障,在图1-9中描述了通过配电自动化分断隔离故障区域,而不影响故障所在馈线的开闭所的其他出线供电的处理结果。与图1-6所示的实例相比,本例进一步缩小了故障影响范围,但是在此例中,B-1出线上的任意用户发生故障,该出线就必须整段切除。

图1-8 自动化覆盖到馈线开关和开闭所

图1-9 故障隔离、恢复供电示意

若在图1-8所示网络的基础上,在配电变压器高压侧设置开关及配电自动化终端设备,并通过通信网络与位于控制中心的计算机系统相连,则可以更进一步缩小故障影响的范围,读者可以自行分析。总之,配电自动化覆盖层次越深,则故障影响范围越小,供电可靠性越高。

(2)提高供电可靠性——减少计划停电时间和缩短故障处理所需的时间

实施配电自动化,一方面可以通过开展带电作业、优化停电计划管理以减少重复停电,通过优化抢修资源配置以提高工作效率等方式来减少计划停电时间;另一方面,实施配电自动化还可以通过故障自动定位以减少故障查找时间,通过遥控操作以减少故障隔离时间,通过标准化抢修以减少故障修复时间等方式缩短故障处理所需的时间。

供电可靠性是电网供电质量的主要指标,它是用来衡量电力系统对用户的持续供电能力。以中国电力可靠性管理中心2010年度的数据为例,我国城市用户供电可靠率达到“3个9”(99.92%);用户年平均停电时间小于2小时的上海电力公司供电可靠率为99.981%;北京电力公司供电可靠率为99.978%;而我国香港的用户年平均停电时间均低于5分钟,供电可靠率达到“5个9”的水平,与日本东京和新加坡相当。可见,我国供电可靠性与国际先进水平相比还有很大差距。我国供电可靠性指标偏低,虽然有用电增长速度快、电网基建与改造任务重的缘故,但很大程度上是由于配电网结构薄弱、作业方式和技术装备的相对落后引起的,这已经成为制约提高供电可靠性的瓶颈。随着我国产业结构的调整和升级以及新技术企业的不断涌现,也必将对供电可靠性和电能质量提出越来越高的要求。

国内外的电网运行资料表明,用户遭受的停电的情况绝大部分是由中、低压配电网的原因引起的。我国输电系统造成的用户停电仅占5%,高压配电也仅占5%左右,而中低压配电网占了90%。又据国内多年的供电可靠性统计分析,目前用户停电原因中有70%来自非限电的预安排停电,即网络改造、业扩接电、计划检修等,而这些配电作业恰恰可以大量采用不停电作业来完成。不停电作业方式是指对用户不停电而进行电力线路或设备测试、维修和施工的作业方式。不停电作业方式主要有以下两种:一是直接在带电的线路或设备上作业,即带电作业;二是先对用户采用旁路作业或移动电源法等方法连续供电,再将线路或设备停电进行作业。

带电作业是指工作人员接触带电部分的作业或工作人员用操作工具、设备或装置在带电作业区域的作业。采用的方法有绝缘杆作业、绝缘手套作业和等电位作业。带电作业的工作内容主要包括,在输电设备上采用等电位作业方式进行的作业;在输、配电线路设备近旁采用操作杆、测量杆进行的作业;在配电设备近旁,将带电部分绝缘隔离,使用高架绝缘斗臂车、绝缘平台等与地电位隔离,采用绝缘手套进行的直接作业;对线路绝缘子串、变电站绝缘子串、变电设备瓷套和瓷柱进行的带电水冲洗等。

旁路作业是指应用旁路电缆、旁路开关等临时载流的旁路线路和设备,将需要停电的运行线路或设备(如线路、断路器、变压器等)转由旁路线路或设备替代运行;再将原来的线路或设备进行停电检修、更换,作业完成后再恢复正常接线供电方式;最后拆除旁路线路或设备,实现整个过程对用户不停电作业。

移动电源法是指把需检修的线路或设备从电网中分离出来,利用移动电源(移动电源可以是移动发电车、应急电源车或者移动箱式变压器等)形成独立网对用户连续供电,作业完成后再恢复正常接线的供电方式,最后拆除移动电源,实现整个过程对用户少停电(停电时间为倒闸操作时间)或者不停电。电网的很多作业,如配电变压器的更换、增容、迁移杆线、更换导线等作业项目无法直接采用带电作业来实现,这时就可以采用移动电源法保证对用户的持续供电。

我国的带电作业起步于20世纪50年代初,人工带电作业是一项艰苦繁重又具有一定危险性的工作,需要引进先进可靠的新技术和新方法来降低劳动强度,保证作业的安全性。配电带电作业机器人的问世提供了十分理想的解决方案。“十五”期间,国家“863计划”连续用两个项目支持了带电作业机器人的研究。另外,直升机带电水冲洗作业也已用于输电线路的绝缘子清洗中,有效降低了污秽造成的工频污闪,提高了电网的绝缘水平和运行可靠性。

开展不停电作业是当前提高供电可靠性的最直接、最有效的措施,不仅减少了停电损失,大大提高了劳动效率,而且提升了服务效能和质量,树立了良好的企业形象,同时也促进了检修方式的进步,更好地保障了电网安全。配电网作业方式从传统的停电作业(即对需要检修作业的线路或设备停电隔离后再进行施工、检修,作业完成后再恢复供电的作业方式)向以停电作业为主、带电作业为辅进一步向不停电作业方式转变,这将是电网作业技术领域的一场新的革命,必将带动供电可靠性的大幅提升。

另一方面,实施配电自动化可以大大缩短故障处理所需的时间,下面以日本九州电力公司在应用配电网自动化系统前后,对配电系统故障处理所需的时间进行比较统计分析为例来说明。配电变电所变压器组故障时,从故障停电至开始由其他变压器组供电,自动操作需要5min,人工操作需要30min(缩短了25min,约83%);改由其他变压器组和变电所恢复送电操作由自动化系统完成需15min,而采用人工操作则需要120min(缩短了105min,约88%);变电所发生全所停电时,由自动化系统完成全部配电线路负荷转移需15min,采用人工就地操作需要150min(缩短了135min,约90%)。配电线路故障时,由自动化系统控制向非故障区间恢复送电的时间平均为3min,如果采用人工操作则需55min(缩短了52min,约95%);至处理完故障系统恢复正常运行,通过自动化系统一般需要60min,而人工操作则需要90min(缩短了30min,约33%)。

2.提高供电经济性

目前,用电市场对供电电能质量提出了新的更高要求,所以提高供电质量和降低线损也是城市电网自动化的重要目的。我国电网1995年的统计网损率为8.77%,而世界经济发达国家的平均网损率仅为3%~5%。以某城区供电局为例,该局年最高负荷约150MW,年售电量约8×108kW·h,如果加强城网改造,合理进行网络配置及优化无功补偿,降低线损率0.10%,经初步测算每年就可节省300万元以上。

降低配电网线损一直是电力企业和电力科研工作者努力的方向之一。目前,可以通过多种方法来降低配电网的线损,如配电网络重构、安装补偿电容器、提高配电网的电压等级和更换导线等。其中,提高配电网的电压等级需要进行慎重的综合考虑,更换导线和安装补偿电容器则需要投资。配电自动化使用户实时遥控配电网开关进行网络重构和电容器投切管理成为可能,通过配电网络重构和电容器投切管理,在不显著增加投资的前提下,可以达到改善电网运行方式和降低网损的目的。配电网络重构的实质就是通过优化现存的网络结构,改善配电系统的潮流分布,理想情况是达到最优潮流分布,使配电系统的网损最小。当然,通过配电自动化实现远方自动抄表,还可以杜绝人工抄表导致的不客观性和漏洞,显著降低管理线损,并能及时察觉窃电行为,减少损失。

3.提高供电能力

一般说来,配电网是按满足峰值负荷的要求来设计的。然而在配电网中,每条馈线均有不同类型的负荷,如商业类、民用类和工业类。这些负荷的日负荷曲线是不同的,在变电站的变压器及每条馈线上峰值负荷出现的时间也是不同的,导致实际当中配电网中的负荷分布是不均衡的,有时甚至是极不均衡的,这严重降低了配电线路和设备的利用率,同时也导致线损较高。通过配电网优化控制,可以从重负荷甚至是过负荷转移到轻负荷馈线上,这种转移有效地提高了馈线的负荷率,增强了配电网的供电能力。

城市配电网的某些线路有时会发生过负荷。为了确保供电安全,传统的处理办法是想办法再建设一条线路,将负荷分解到两条线路上运行。但是实际上往往过负荷仅仅发生在一年中某几天的个别时期内,因此上述做法很不经济。在合理的网架结构下,通过配电自动化实现技术移荷与负荷管理,实际上可以利用现有的配电网资源消除过负荷。

4.改善电能质量

电能质量关系着电网的安全经济运行,是工业产品质量的保障,对降低能耗及人类生活环境等产生重要影响。现代工业和科学技术中的精密仪器设备,复杂的控制系统和工艺流程,对电能质量的要求越来越高。电能质量关系着国民经济的总体效益。随着现代工业技术的发展,电力负荷的种类越来越多,特别是非线性、冲击性负荷在容量上、数量上日益增大,使公用电网中的各种干扰成分不断增加,电能质量日益恶化。近年来,由于电能质量引发的事故和问题呈上升趋势,对电能质量的管理和对电力污染的治理工作势在必行。通过配电自动化实现远方有载调压和集中补偿电容器的正确投切、配电变压器低压侧无功补偿以及以提高电压质量为目的的配电网络重构等,都是提高电压质量的有效手段。

5.降低劳动强度提高管理水平和服务质量

配电自动化还能实现在人力尽量少介入的情况下,完成大量的重复性工作,这些工作包括查抄用户电能表、监视记录变压器运行工况、检核配电变电站的负荷、断路器分合状态记录、投入或退出补偿电容器、升或降有载调压变压器分接头等。通过配电自动化,不必登杆操作,在配电控制中心就可以控制柱上开关;实现配电变电站和开闭所无人值班;借助人工智能代替人的经验做出更科学的决策报表、曲线、操作记录等自动存档;数据统计和处理;配电地理信息系统的建立;客户呼叫服务系统等。这些手段无疑显著地降低了劳动强度,提高了管理水平和服务质量。

实现配电自动化提高了用户满意程度。供电部门除了在供电可靠性和电压质量上要使用户满意外,还应当使用户不为用电烦恼。例如,对实行分时电价制的用户,可利用配电自动化通道协助他们合理停用或投入一些耗能设备,既保证设备发挥作用,又可节约电费。所以,从某种意义上说,使用户满意才是城市电网自动化最主要的最终目的。