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配电自动化技术体系
配电自动化技术体系
2017年12月
第一章配网自动化相关概念
1.1配电管理系统的概念(DMS)
通常把从变电、配电到用电过程的监视、控制和管理的综合自动化系统称为配电管理系统,其内容包括配电网数据采集和监控(SCADA,包括配网进线监视、配电变电站自动化、馈线自动化和配变巡检及低压无功补偿)、地理信息系统、网络分析和优化、工作管理系统、需方管理(负荷监控及管理和远方抄表及计费自动化)和调度员培训模拟系统几个部分。
1.2配电管理系统DMS
1.配电自动化系统:
DAS(DistributionAutomationSystem)
利用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术,将配电网实时信息和离线信息、用户信息、电网结构参数和地理信息进行安全集成,构成完整的自动化及管理系统,实现配电网正常运行及事故状态下的监测、保护、控制和配电管理。
主要由配电主站、配电终端、配电子站(可选)和通信通道等部分组成。
2.配电SCADA系统
SCADA系统:
SupervisoryControlandDataAcquisition系统,全名为数据采集与监视控制系统。
电力SCADA按照IEEE的定义,是指一种可以使电网公司实时地监视、协调和操作各种电网设备的系统。
其功能分为三类:
■监视:
采集模拟量和开关量,判断电网的实时状态
■控制:
必要时可以自动控制断路器等配电设备,改变当前电网的运行工况
■保护:
可以自动识别电网系统的故障点,并进行故障隔离
配电自动化系统中,从为配电网供电的110kV主变电站的10kV部分监视,到10kV馈线自动化以及10kV开闭所、配电变电所和配变的自动化,称为配电SCADA系统。
3.馈线自动化FA(FeederAutomation)
指在正常情况下,远方实时监控馈线分段开关与联络开关的状态和馈线电流、电压情况,并实现线路开关的远方合闸和分闸操作;在故障时获取故障记录,并自动判别和隔离馈线故障区段以及恢复对非故障区域供电。
4.变电所自动化SA(SubstationAutomation)
国际电工委员会TC57技术委员会(电力系统控制和通信技术委员会)制定“变电站通信网络和系统”标准所采纳,对“变电站自动化系统”一词进行了如下的定义:
所谓“变电站自动化系统(Substationautomationsystems-SAS)”就是指“在变电站内提供包括通信基础设施在内的自动化”。
5.需方用电管理DSM(DemandSideManagement)
是指通过提高终端用电效率和优化用电方式,在完成同样用电功能的同时减少电量消耗和电力需求,达到节约能源和保护环境的目的,实行低成本电力服务所进行的用电管理活动。
其内容包括负荷监控、管理和远方抄表、计费自动化两方面。
6.负荷监控与管理系统LCM(LoadControl&Management)
根据用户的用电量、分时电价、天气预报以及建筑物内的供暖特性等进行综合分析,确定最优运行和负荷控制计划,对集中负荷及部分工厂用电负荷进行监视、管理和控制,并通过合理的电价结构引导用户转移负荷、平坦负荷曲线。
7.远方抄表与计费自动化AMR(AutomaticMessageRecording)
指通过各种通信手段读取远方用户电表数据,并将其传至控制中心,自动生成电费报表和曲线等。
8.进线监视
一般完成对配电网进线变电所的开关位置、母线电压、线路电流、有功和无功功率以及电度量的监视。
9.配电自动化DA(DistributionAutomation)
配电自动化系统是配电管理系统(DMS)的主要组成部分,主要包括变电站自动化和馈电线自动化。
主要功能有:
运行状态监测和控制、故障定位和隔离、无故障区自动恢复供电、网络重构、无功功率控制和电压调整等。
10.配网管理系统MIS(ManagementInformationSystem)
配网信息的管理系统,管理对象为配电网地理信息、运行数据历年数据库、用户设备及负荷变动、停电管理信息,进行业扩、供电方式与路径、统计分析等数据显示及建议。
11.地理信息系统AM/FM/GIS
AM(AutomatedMapping),自动绘图,包括制作、编辑、修改与管理图形,包括地图、设计图或其它各种图形。
FM(FacilitiesManagement),设备管理,包括各种设备及其属性的管理。
指将变电站、馈线、变压器、开关、电杆等设备的技术数据反映在地理背景图上。
GIS(GeographicInformationSystem),地理信息系统,为了获取、存取、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机数据库管理系统。
该系统是配电系统数据模型的重要组成部分,其应用目的是形成以地理背景为依托的分布概念以及电网资料分层管理的基础数据库,为配电系统提供各种在线图形与数据信息。
12.用户信息系统CIS(CustomerInformationSystem)
指借助GIS,对大量用户信息,如名称、地址、帐号、电话、用电量和负荷、供电优先级、停电记录等进行处理,便于迅速判断故障的影响范围,而用电量和负荷的统计信息还可作为网络潮流分析的依据。
13.停电管理系统OMS(OutageManagementSystem)
指接到停电投诉后,GIS通过调用CIS和SCADA功能,迅速查明故障地点和影响范围,选择合理的操作顺序和路径,显示处理过程中的进展,并自动将有关信息转给用户投诉电话应答系统。
功能:
处理投诉电话、确定故障位置、提出解决方案,降低对客户的影响,提高抢修效率。
14.网络分析和优化NA(NetworkAnalyse)
包括潮流分析和网络拓扑优化,目的在于通过以上手段达到减少线损、改善电压质量等目的。
此外,还包括降低运行成本、提高供电质量所必须的分析等。
15.工作管理系统WMS(WorkManagementSystem)
是指对设备进行监测,并对采集的数据进行分析以确定设备实际磨损状态,并据此检修规划的顺序进行计划检修。
1.3设备
1.中心站
在特大城市的配电自动化及管理系统中可设中心站,是下属主站经加工处理后的信息汇集、管理中心。
主要负责全局重要信息的监视与管理,特大城市电力部门可根据各自实际情况,确定本局配电自动化及管理系统中是否设置中心站。
2.配电主站
配电主站是整个配电自动化系统的监控管理中心。
3.配电子站
或称配电自动化系统中压监控单元。
是为分布主站功能、实现所辖范围内的信息汇集、处理以及故障处理、通信监视等功能而设置的中间层。
4.通讯子站
配电子站的一种,为优化信息传输及系统结构层次、方便通信系统组网而设置的中间层,不具备信息处理和故障处理功能,只起到信息汇集作用。
5.配电终端
(1)馈线终端FTU(FeederTerminalUnit)
安装在馈线柱上开关旁,能与上级站进行通信,将采集和处理信息向上发送并接受上级站的控制命令。
(2)配变终端TTU(TransformerTerminalUnit)
用于对配电变压器的信息采集和控制,它实时监测配电变压器的运行工况,并能将采集的信息传送到主站或其他的智能装置,提供配电系统运行控制及管理所需的数据。
(3)站所终端DTU(DistributionTerminalUnit)
一般安装在常规的开闭所(站)、户外小型开闭所、环网柜、小型变电站、箱式变电站等处,完成对开关设备的位置信号、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能量等数据的采集与计算,对开关进行分合闸操作,实现对馈线开关的故障识别、隔离和对非故障区间的恢复供电。
6.四遥
“四遥”即:
遥信、遥测、遥控、遥调
(1)遥信:
是指远方监视电气开关和设备、机械设备的工作状态和运转情况状态等。
(2)遥测:
指利用电子技术远方测量集中显示诸如电流、电压、功率、压力、温度等模拟量。
(3)遥控:
是指远方控制或保护电气设备及电气化机械设备的分合起停等工作状态。
(4)遥调:
是指远方设定及调整所控设备的工作参数、标准参数等。
1.4其它系统
1.大客户负荷管理及配变检测系统
负责采集处理负荷控制终端的数据信息,对大客户的用电负荷进行监控和管理。
直接面对客户,为客户提供相应的技术服务,帮助客户提高用电管理水平。
接收和处理配变监测计量终端采集的变压器运行数据及变压器端的电能量数据。
2.电能量计量遥测系统
负责采集处理变电站计量终端的数据。
该系统以电能量数据为核心,主要作用在于对电能量的实时管理和提高经营服务水平。
3.营销管理系统
通过呼叫中心收集用户信息,通过GIS系统及时获取配网线路、负荷等有关信息,实时了解配网线路运行负荷、停送电情况以及受影响用户情况,及时响应客户业扩报装、送电、报修、投诉、举报等需求信息。
实现电量电费、用电检查、计量表库、银行收费等功能。
通过GIS应用平台,开展与用户相关的配网运行状况的查询应用。
4.配电网分析软件系统DPAS
该系统包括:
网络在线分析、配电网潮流分析、短路电流计算、负荷模型的建立与校核、配电网状态估计、配电网负荷预测、安全分析、网络结构优化和重构、配电网电压调整及无功优化。
1.5通信
1.调制
为了使信号便于传输、减少干扰和易于放大,使一种波形(载波)参数按另一种信号波形(调制波)变化的过程。
2.解调
从调制的载波信号中复原原调制信号的过程。
3.调制解调器
对远动设备所传送的信号进行调制和解调的设备。
4.数据终端设备
数据站的一种功能单元,它具有向计算机输入和接收计算机输出数据的能力;与数据通信线路连接的通信控制能力。
5.接口
指两个不同系统或实体间的界面或连接设备。
由功能特征、通用的物理互联特征、信号特征和其他特征等定义。
1.6其它
1.数值量
能反映数据断续变化的量,如断路器、隔离开关分/合,保护动作等。
2.模拟量
能反映数据连续变化的量,通常可以反映到小数点后的变化,在线运行时可反映的物理量有电压、电流、温度、功率、频率等。
3.模拟信号
以连续变量形式出现的信号。
4.数字信号
在数字和时间上均是断续的电信号。
5.脉冲量
反映累计变化的量,物理上对应的是有功、无功等。
6.规约
在通信网络中,为了通信双方能正确有效可靠的进行数据传输,在通信的发送和接收过程中有一系列的规定,以约束双方正确,协调的工作。
7.通信规约
启动和维持通信所必要的严格约定,即必须有一套信息传输信息格式和信息内容等约定。
8.以太网
IEC-TC57推荐使用的变电站通信网络,局域网的一种。
9.线损“四分”管理
指对所管辖电网采取包括分压、分区、分线和分台区的线损管理在内的综合管理方式。
(1)分压管理:
指对所管辖电网按不同电压等级进行统计考核的管理方式。
(2)分区管理:
指对所管辖电网按供电区域划分为若干个行政管理单位(部门)进行线损统计考核的管理方式。
(3)分线管理:
指对所管辖电网中各电压等级主设备(线路、变压器)的电能损耗进行单个元件统计分析的管理方式。
(4)分台区管理:
指对所管辖电网中各个公用配电变压器的供电区域线路损耗进行统计分析的管理方式。
第二章配网自动化体系结构分析
2.1层次结构划分
配网自动化总体可划分为三个层次,分别为:
第一层:
系统主站
系统主站是整个系统的最高层,从整体上实现配电网的监视和控制,分析配电网的运行状态,协调配电子网之间的关系,对整个配电网络进行有效的管理,使整个配电系统处于最优的运行状态。
它是整个配电网监控和管理系统的核心。
第二层:
配电子站/通讯子站
配电子站是整个系统的中间层,将配电终端采集的各种现场信息中转(上传/下达)给配电主站的通信处理机;配电子站还可具有所辖区域内故障诊断、隔离、恢复的功能。
配电子站设在变电站或大型开闭所内,可采用多种通信方式向下与所属馈线监控终端、向上与配网自动化主站通信。
总体而言,配电子站是为分布主站功能、优化信息传输、清晰系统结构层次、方便通信系统组网而设置的中间层,还可以进一步细分为配电子站和通讯子站两种。
其中,配电子站可以对区域内的故障进行处理;通讯子站对配电终端的信息不做任何处理,只收集终端信息,起到上传下达的作用。
第三层:
配电终端
配电终端是用于中低压电网的各种远方监测、控制单元的总称,包括配电柱上开关监控终端FTU、配电变压器监测终端TTU、开闭所、公用及用户配电所的监控终端DTU等。
另外,在特大城市的配电自动化及管理系统中可设中心站,中心站是下属主站经加工处理后的信息汇集、管理中心。
配网自动化体系的层析结构如图2-1所示。
图2-1配网自动化体系的层析结构
2.2典型系统结构
目前,国内外已经建成和正在实施的配网自动化系统,其系统结构主要包括三种形式。
1.集中式(集中采集、集中监控模式)
在配网调度中心建设一套配网自动化主站系统,集中采集、监控和管理辖区所有的配网终端的运行数据。
系统结构如图2-2所示。
图2-2集中采集、集中监控模式结构示意
集中式只在调度管理中心建设一套主站系统,适用于中、小型配电网的监控,数据处理容量较小,且系统风险比较集中,不符合目前配网自动化技术的发展方向。
2.集中分布式(集中采集、分散监控模式)
在配网调度中心建设一套配网自动化主站系统,集中采集、处理辖区所有的配网终端的运行数据。
在配网运行管理二级单位(区调/营配中心)设置区域远程监控工作站,维护管理辖区配网运行状况。
系统结构如图2-3所示。
图2-3集中采集、分散监控模式结构示意
集中分布式适用于大、中型配电网的监控,其优点、缺点分别体现为:
技术方面
采用的是一个统一平台,不存在系统间的统一问题,系统升级方便,维护方便;但要求软件系统的信息分流功能较强。
成本方面
许多资源可以共享,系统的运行维护成本低,增加的投资主要是对调度中心系统功能的技术加强。
相对区域主站控制方式,节省人力和物力,在通道上不需要增加建设投资,必要时完善远方工作站网络,即可实现相应的模式。
运行管理方面
可以不改变现有的运行管理模式,在时机和条件成熟后,通过设置调度工作站进行区域管辖。
方案比较
主要缺陷在于信息比较集中;系统需承载很大的信息量,对主站系统的软、硬件要求较高;运行平台的技术要求较高,运行环境要求高。
3.完全分布式(分层采集、分层监控模式)
在配网调度中心建设一套配网自动化主站系统(中心站),在二级管理单位(区调)建设配网自动化区域主站系统。
各个区域主站系统根据管辖权限分别采集、处理和监控辖区所有的配网终端数据。
各个区域主站系统与配网调度中心采用网络连接,根据配网调度中心的需要向上传送数据。
在紧急情况下,各个区域二级主站系统可以起到主站系统备份的作用。
系统结构如图2-4所示。
图2-4分层采集、分层监控模式结构示意
完全分布式适用于特大型配电网的监控,其优点、缺点分别体现为:
技术方面
各个子系统需要与主站图形、数据、编码等各方面进行统一,如厂家不同难度很大,系统功能升级复杂。
成本方面
建立分布式的多个小型主站系统,会带来运行成本较高。
同时需要增加一批系统维护的人员,相应增加了成本,尤其在各个子站系统选型不一致时,维护费用会很高,而且需要的高技术水平维护人员较多;在系统建设上需增加较多投资;需要在各子站建设小型的通信中心、调度中心。
运行管理方面
需要改变现有的运行管理模式,重新进行整个城区供电公司运行管理模式设计,改革风险较大。
方案比较
突出优势在于分布式系统运行风险较小。
2.3系统结构的选择——灵活性
以某项目为例:
方案一:
如图2-5所示。
图2-5深圳配网自动化体系结构方案一
分析:
该方案采用传统的“集中采集、分散监控”模式,具有以下特点:
1.数据集群
深圳供电局配网自动化系统整体结构采用数据集中方式,在市局建设配网自动化主站系统,分区采集的数据在市局主站进行集中。
2.管理分区
各区局分别设立配调,各配调中心负责本区配网监控,操作相互独立。
3.信息分流
信息按各区分流,各区配调工作站人机界面能自由配置成只显示与本配调中心相关的信息,实现控制、测量、报警信息分区,画面、权限定制。
4.功能分层
(1)市局负责配网自动化主站系统的整体运行维护以及配网自动化系统与其它系统信息交换工作。
(2)各区调通过人机画面负责本区配网调度管理工作及画面数据定制维护。
(3)分区供电所通过配网自动化系统浏览监视配网运行状态,进行配网日常运行维护操作等工作。
优点:
有利于各系统之间信息统一管理和交换共享。
技术可行,综合成本低。
方案二:
如图2-6所示。
图2-6深圳配网自动化体系结构方案二
方案二是“分层灵活采集、分散分布监控”的结构模式。
该结构模式是分散监控模式向分层监控模式过渡的中间模式。
这种创新模式具备足够的可扩展能力,其发展的最终结果将超越分散监控模式,也不会是简单的分层监控模式,而是“分散”和“分层”相结合的适应性模式。
2.4配电自动化系统与相关应用系统的信息交互
第三章主站结构与功能
3.1配网自动化体系结构
图3-1配网自动化系统结构示意
(一)
图3-2配网自动化系统结构示意
(二)
图3-3配网自动化系统结构示意(三)
3.2主站系统平台——统一实时平台
3.2.1C/S和B/S结构
C/S结构,即Client/Server(客户机/服务器)结构,是大家熟知的软件系统体系结构,通过将任务合理分配到Client端和Server端,降低了系统的通讯开销,需要安装客户端才可进行管理操作。
B/S结构,即Browser/Server(浏览器/服务器)结构,是随着Internet技术的兴起,对C/S结构的一种变化或者改进的结构。
在这种结构下,用户界面完全通过WWW浏览器实现。
像ICQ,OICQ这类的即时通讯软件就属于C/S的。
而像XX,Google这样的搜索引擎就是B/S的。
简单的说,B/S只需开放服务器端,用户用浏览器(如IE)访问,可以理解为做动态网站。
C/S还要开发客户端,用户用客户端访问。
3.2.2什么是C/S和B/S
要想对“C/S”和“B/S”技术发展变化有所了解,首先必须搞清楚三个问题。
第一、什么是C/S结构。
C/S(Client/Server)结构,即大家熟知的客户机和服务器结构。
它是软件系统体系结构,通过它可以充分利用两端硬件环境的优势,将任务合理分配到Client端和Server端来实现,降低了系统的通讯开销。
目前大多数应用软件系统都是Client/Server形式的两层结构,由于现在的软件应用系统正在向分布式的Web应用发展,Web和Client/Server应用都可以进行同样的业务处理,应用不同的模块共享逻辑组件;因此,内部的和外部的用户都可以访问新的和现有的应用系统,通过现有应用系统中的逻辑可以扩展出新的应用系统。
这也就是目前应用系统的发展方向。
传统的C/S体系结构虽然采用的是开放模式,但这只是系统开发一级的开放性,在特定的应用中无论是Client端还是Server端都还需要特定的软件支持。
由于没能提供用户真正期望的开放环境,C/S结构的软件需要针对不同的操作系统系统开发不同版本的软件,加之产品的更新换代十分快,已经很难适应百台电脑以上局域网用户同时使用。
而且代价高,效率低。
第二、什么是B/S结构。
B/S(Browser/Server)结构即浏览器和服务器结构。
它是随着Internet技术的兴起,对C/S结构的一种变化或者改进的结构。
在这种结构下,用户工作界面是通过WWW浏览器来实现,极少部分事务逻辑在前端(Browser)实现,但是主要事务逻辑在服务器端(Server)实现,形成所谓三层3-tier结构。
这样就大大简化了客户端电脑载荷,减轻了系统维护与升级的成本和工作量,降低了用户的总体成本(TCO)。
以目前的技术看,局域网建立B/S结构的网络应用,并通过Internet/Intranet模式下数据库应用,相对易于把握、成本也是较低的。
它是一次性到位的开发,能实现不同的人员,从不同的地点,以不同的接入方式(比如LAN,WAN,Internet/Intranet等)访问和操作共同的数据库;它能有效地保护数据平台和管理访问权限,服务器数据库也很安全。
特别是在JAVA这样的跨平台语言出现之后,B/S架构管理软件更是方便、快捷、高效。
第三、管理软件主流技术。
管理软件技术的主流技术与管理思想一样,也经历了三个发展时期。
首先,界面技术从上世纪DOS字符界面到Windows图形界面(或图形用户界面GUI),直至Browser浏览器界面三个不同的发展时期。
其次,今天所有电脑的浏览器界面,不仅直观和易于使用,更主要的是基于浏览器平台的任何应用软件其风格都是一样的,使用人对操作培训的要求不高,而且软件可操作性强,易于识别;再者,平台体系结构也从过去单用户发展到今天的文件/服务器(F/S)体系、客户机/服务器(C/S)体系和浏览器/服务器(B/S)体系。
3.2.2.1C/S和B/S之比较
C/S和B/S是当今世界开发模式技术架构的两大主流技术。
C/S是美国Borland公司最早研发,B/S是美国微软公司研发。
目前,这两项技术以被世界各国所掌握,国内公司以C/S和B/S技术开发出产品也很多。
这两种技术都有自己一定的市场份额和客户群,各家企业都说自己的管理软件架构技术功能强大、先进、方便。
1、C/S架构软件的优势与劣势
(1)应用服务器运行数据负荷较轻。
最简单的C/S体系结构的数据库应用由两部分组成,即客户应用程序和数据库服务器程序。
二者可分别称为前台程序与后台程序。
运行数据库服务器程序的机器,也称为应用服务器。
一旦服务器程序被启动,就随时等待响应客户程序发来的请求;客户应用程序运行在用户自己的电脑上,对应于数据库服务器,可称为客户电脑,当需要对数据库中的数据进行任何操作时,客户程序就自动地寻找服务器程序,并向其发出请求,服务器程序根据预定的规则做出应答,送回结果,应用服务器运行数据负荷较轻。
(2)数据的储存管理功能较为透明。
在数据库应用中,数据的储存管理功能,是由服务器程序和客户应用程序分别独立进行的,前台应用可以违反的规则,并且通常把那些不同的(不管是已知还是未知的)运行数据,在服务器程序中不集中实现,例如访问者的权限,编号可以重复、必须有客户才能建立定单这样的规则。
所有这些,对于工作在前台程序上的最终用户,是“透明”的,他们无须过问(通常也无法干涉)背后的过程,就可以完成自己的一切工作。
在客户服务器架构的应用中,前台程序不是非常“瘦小”,麻烦的事情都交给了服务器和网络。
在C/S体系的下,数据库不能真正成为公共、专业化的仓库,它受到独立的专门管理。
(3)C/S架构的劣势是高昂的维护成本且投资大。
首先,采用C/S架构,要选择适当的数据库平台来实现数据库数据的真正“统一”,使分布于两地的数据同步完全交由数据库系统去管理,但逻辑上两地的操作者要直接访问同一个数据库才能有效实现,有这样一些问题,如果需要建立“实时”的数据同步,就必须在两地间建立实时的通讯连接,保持两地的数据库服务器在线运行,网络管理工作人员既要对服务器维护管理,又要对客户端维护和管理,这需要高昂的投资和复杂的技术支持,维护成本很高,维护任务量大。
其次,传统的C/S结构的软件需要针对不同的操作系统系统开发不同版本的软件,由于产品的更新换代十分快,代价高和低效率已经不适应工作需要。
在JAVA这样的跨平台语言出现之后,B/S架构更是猛烈冲击C/S,并对其形成威胁和挑战。
2、B/S架构软件的优势与劣势
(1)维护和升级方式简单。
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