配网自动化中配电自动化终端设备的应用探析

　　1 配网自动化中配电自动化终端设备概述

　　配电自动化主要指利用通信技术、现代电子技术、网络技术、计算机技术,将离线信息、配电网实时信息、电网结构参数、用户信息、地理信息等进行集成,建设成完整的自动化管理系统,实现配电系统平稳运转及事故状态下监测、保护、管控。而配电自动化终端设备主要是安装在中压配电网的不同类型控制单元、远距离监测单元的统称,具有数据通信、数据采集、数据控制等多方面功能[1]。现有配网自动化终端设备主要包括馈线终端、站所终端几种,其中馈线终端主要指安装在配电网架空线路杆塔等位置的终端,以开关为监控对象,具有遥控、遥测、遥信、馈线自动化等功能;站所终端主要安装在配电网馈线回路的适当位置,如箱式变电站、配电室、开关站、环网柜等,以开关为监控对象,具有馈线自动化、遥控、遥测、遥信等功能。

　　2 配网自动化中配电自动化终端设备的应用实现方案

　　2.1 终端选型

　　在整个电缆线路运行过程中,自动化终端是一个非常重要的组成部分,也是电缆线路相对薄弱的模块。因此,做好电缆自动化终端选型,对于电缆系统安全、平稳运行,降低维护人员工作压力具有非常重要的意义。本质上自动化终端是指装配到电缆线路末端的设备,可保证与电力网络或其他用电设备电气连接稳定性。以110.0kW电缆自动化终端选型为例,现阶段在电缆线路中应用较广泛的自动化终端为整体预制型干式、复合套管式,前者主要是利用硅橡胶制造,将绝缘层、防雨裙、应力锥进行了一次性整体注射成型,不仅可保证终端表面优良的机械性能、电气性能(抗紫外线、憎水性、抗漏痕、抗老化性、耐污性能、耐电蚀性能突出),且体积较小、部件较少、安装较为便捷(伞裙厚而方向灵活),对周边环境无污染,无爆炸、燃烧风险;而后者外绝缘由环氧玻璃纤维管、硅橡胶伞裙复合而成,经应力锥注射硅橡胶硫化成固定形状,内部填充料为绝缘浇注并配置了密封圈,具有较为突出的防污闪特性,但安装时耗材较大,后期维护难度较大,不适用于配网自动化电缆线路中配电自动化终端选配,基于此可优先选择整体预制型干式自动化终端设备。

　　2.2 终端建模

　　依据IEC61850协议要求,可面向对象搭建数据对象自描述的建模方法,可将真实物理设备抽象化为对应变电站设备功能库,保障IED互操作效率。以馈线自动化中核心设备馈线终端设备FTU为例,可根据一次设备连接、配电主站数据交换需求,从功能层面入手,将馈线终端设备FTU划分为两个逻辑设备,分别为LD1、LD2,利用逻辑节点物理设备LPHD表示馈线终端设备FTU的公共数据,初步实现过电流保护、遥信、遥控、遥测等任务[2]。其中逻辑设备LD1中逻辑节点零表示该设备公共数据可以实现馈线终端设备FTU遥信、遥测功能。其他逻辑节点可用于表示电流互感器、三相系统电能量计算、电压互感器。

　　其中,计算三相系统中电能量的逻辑节点可通过电流互感器逻辑节点、电压互感器逻辑节点采集馈线线路电流、电压信息并对电流、电压的有效值、功率进行计算;而逻辑设备LD2主要负责馈线终端设备FTU故障监测及瞬时过电流保护。在瞬时过电流故障出现时,可根据瞬时过电流监测逻辑节点发出的瞬时过电流信号,在信息流模型支持下促使瞬时过电流监测逻辑节点与具备断路器跳闸控制功能的逻辑节点进行信息交互,随后由具备断路器跳闸控制功能的逻辑节点控制断路器跳开,实现过电流保护。

　　2.3 模型融合

　　在馈线终端设备FTU模型构建完毕后,考虑到现行配电主站模型倾向于利用类的含义代替配电系统具体目标,并通过类中的属性对具体实例的类进行识别、描述。因此,可分别对馈线终端设备各逻辑节点数据模型、配电主站量进行保护包测试。根据保护包中数据模型研究结果,寻找馈线终端设备FTU、配电主站模型间共有数据。随后以数据节点映射的方式,将配电主站所需遥测、遥信、遥控数据从馈线终端设备FTU中转换至配电自动化主站数据模型内。

　　考虑到馈线终端设备FTU中终端设备地层数据占比较大,与配电自动化主站调度运行需求不相符,因此,可在主站模型中将从馈线终端设备FTU结构模型中映射而来的与设备相关联的保护包数据、量测包数据融合。具体融合时,可以利用数据模型的文档格式,构建以CIM模型的数据节点内容、数据节点结构为标准的中间转换模型。随后将馈线终端设备FTU相关节点数据映射至中间转换模型节点中,获得具备遥信、遥信、遥控功能的自适应信息点表模板(含自生成遥测、遥信、遥控名称及相应点号,所连接前置机量测系数、通道信息、网络描述数据)[3]。整个映射过程可经过中间转换模型将馈线终端设备FTU采集数据写入配电自动化主站数据库完成信息传输。

　　2.4 调试接入

　　为保证基于IEC61850的馈线终端设备FTU信息规范采集,可依据建模统一原则,对各生产商配电自动化采集终端信息的语义、类别、命名进行集中描述,降低各终端设备间交互操作难度。即将基于IEC61850的馈线终端设备FTU信息划分为遥控信号(开关合闸、开关分闸、蓄电池远距离维护等)、遥信信号(开关合位、交流电源异常、电池活化状态、装置异常、接地开关位置、终端通信状态、开关分位、二次遥信告警灯信号、开关储能状态等)、遥测信号(有功功率、电流、电压、传感器温度、频率、无功功率、功率因数、故障电流等)三种类型[4]。在信息分流后,在前期建立的基于IEC61850的馈线终端设备FTU模型中进行信息表模板配置,对IEC61970/61968进行扩展,在遥测信息及遥信信息、一次设备与二次终端设备、瞬时过电流保护信息间建立关联。随后进行多个型号、多个厂家基于IEC61850的馈线终端设备FTU典型信息表模板配置,并对配电自动化终端信息表格式、标准进行有序处理,促使配置完毕的信息表模板可以集中接入配电终端。比如,配电自动化现场一次设备特定间隔的遥信、遥测信息有序经物理接线并入基于IEC61850的馈线终端设备FTU。

　　在信息表模板接入配电终端后,可基于IEC61850的馈线终端设备FTU与配电主站间信息交互实现为切入点,根据瞬时过电流保护信息、遥测信息、遥控信息、遥信信息,对配电终端信息采集模板次序进行规范处理。同时在面向对象建模思想引导下,将配电自动化主站端遥测名称、遥信名称、遥信名称及点号、通道信息、所属厂站、网络描述、量测系数均视为基于IEC61850的馈线终端设备FTU的独立属性,并将其与环网柜、所属开闭所、站所间隔、柱上开关紧密耦合[5]。在这个基础上,为自动实现基于IEC61850的馈线终端设备FTU接入,可以经扩展IEC 61970/61968模型,结合现有配电自动化系统环境下大规模配电自动化终端设备运行需要,进行基于配电主站的二次终端设备、一次设备、保护信息、遥测关联关系设置。

　　3 配网自动化中配电自动化终端设备的功能测试

　　系统建模。基于IEC61850的馈线终端设备FTU的功能测试主要是在设备已接入情况下,对系统建模、馈线故障处理及遥信、遥测、遥控准确性进行测试。在系统建模时,首先需对测试网架一定的系统建模流程进行观察,并对网络拓扑、动态拓扑着色功能进行测试,达到检验模型正确性的目的。即依托已确定的测试模型,在基于IEC61850的馈线终端设备FTU端进行建模,通过改变测试网架开关开合闸状态,命令被测试设备进行网络拓扑分析、动态拓扑着色,据此确定网络拓扑分析性能。

　　故障处理能力。主要是在馈线自动化终端线路模型一定的情况下,以故障处理合理科学性为对象,利用终端注入测试方式,对基于IEC61850的馈线终端设备FTU在环网柜出线故障、环网柜进线故障、变电站出口故障、主干线末端故障、环网柜母线故障等系统典型故障现象处理中表现进行测试。

　　三遥正确性。主要是在选定配电自动化终端施加一电流,对基于IEC61850的馈线终端设备FTU的遥测精度、系统响应时间、分辨率进行测试。随后在选定的终端遥信端子,模拟开关位置状态,测试基于IEC61850的馈线终端设备FTU的遥信响应时间、正确率、分辨率。同理,通过基于IEC61850的馈线终端设备FTU遥控功能,控制选定备用开关、联络开关,对遥控正确性、信息传输时间进行测定。

　　4 配网自动化中配电自动化终端设备的应用成效分析

　　4.1 社会效益

　　基于IEC61850的馈线终端设备FTU,实现了馈线自动化线路在不停止电力能源输送状态下的遥信、遥控、遥测,基本形成了基于终端注入的自动化管控方案,为馈线自动化带电运行、分布式交互仿真、故障处理逻辑验证等功能的实现提供了保障。将其应用在某配电自动化建设改造中典型各带两分支的五环网柜馈线,若全面应用基于IEC61850的馈线终端设备FTU,至少需二十个区段及八十个测试用例,平均每一区段需要对三相进行过流检测并随机进行一次干扰测试。每测试用例执行时间为90s,每一箱变仅需一人,工序时间为1人×80个测试用例×90s×5个环网柜=36000s=10h;而采用传统配电终端设备,每测试用例平均需960s,每一箱变位置至少需三为现场测试人员,共耗时3人×80个测试用例×960s×5个环网柜=1152000s=320h,效率提高了32倍。且整个试点运行阶段没有出现停电,并实现了远距离控制、感应、测量,减少了现场测试人员工作压力,减少了故障停电时间及测试停电时间,社会效益较为明显。

　　4.2 经济及环境效益

　　由于基于IEC61850的馈线终端设备FTU应用了无油、无瓷、防火防爆、质量轻、免维护、体积小的整体预制型干式自动化终端。由于附加在原电缆线路上自动化终端重量较轻,可直接在铁塔平台上应用,减少了电缆线路自动化终端占地面积。同时现场施工较方便,不需在现场准备大型施工工具及起吊大瓷套,也不需在现场灌注绝缘浸渍剂,实现了两到三个施工人员一天完成一只或两只电缆自动化终端安装,且由于自动化终端不需额外添加油等动力能源,后期维护压力较小,运维经济损耗较低[6]。此外,以往在电缆线路运行过程中一旦发生故障问题,就需对区域内配电线路进行全方位检修,增加了配电系统运行不稳定风险。而基于IEC61850的馈线终端设备FTU可以有效提升故障问题处理效率,在最短时间内进行电缆线路短路阻抗、线路电抗计算,进而获得电缆线路短路故障点距离,降低电缆线路故障对配电自动化的不利影响,同步提升电力企业及用户经济效益、电力企业的社会效益。

　　5 结语

　　以往配电终端接入大多是通过配电自动化现场通信串口101协议、网络104协议传输信息点表手段实现,具有调试工作量大、管理维护灵活度差的问题,限制了配电自动化系统大规模推广应用、建设实现。而馈线终端设备FTU可以安全、高效的实现大批量配电自动化终端设备的有效接入。因此,在建立基于IEC61850的馈线终端设备FTU并将其与配电主站系统融合的基础上,应将整体预制型干式自动化终端作为配电自动化终端设备工作电源,同步提升配电自动化终端设备运行经济效益、环境效益及社会效益。