第1章 配电网自动化概述
1.1 配电网简介
1.1.1 配电网的基本概念
配电网（distribution network，DN）是指从输电网或地区发电厂接收电能，通过配电设备给各类用户进行配电的电力网。电力系统结构示意图如图1.1所示。
图1.1 电力系统结构示意图
DN通常由架空线或电缆、断路器、降压变压器和各种开关组成，其作为电力系统的末端，是直接面向电力用户的环节，在网络运行中受用户的影响较大。DN具有中性点不直接接地、输电功率较小、输送距离较短、负荷集中且对用户类型要求较高等特点。
1.1.2 配电网的接线方式
如图1.2所示，DN的接线方式主要分为辐射式、树状式、环状式以及网格式等。接线方式直接影响线路的供电能力，因此在DN的建设中需要注意对接线方式进行合理的规划。
1.1.3 配电网的运行方式
受电力负荷的不稳定性和多种因素的干扰，DN的供电可靠性很难保证。因此，将DN的运行方式分为正常运行、故障运行和检修状态三种。在实际运行中，可根据网络的运行状态和电网的实际负荷状态来调整和优化运行方式。
DN的运行形式包括开环运行和闭环运行两种[1]。闭环运行有利于提高供电可靠性和经济性，但同时也会使继电保护更为复杂。对于双电源供电网络，受环流的影响，应采用开环供电系统，以减少供电线路的能量损耗。
图1.2 DN的接线方式
1.2 配电网自动化的基本原理
1.2.1 配电网自动化简介
配电网自动化即采用计算机网络技术、现代电子技术和通信技术，通过对在线和离线数据、地理图形信息和电网结构进行集成，提高配电系统的稳定性和供电可靠性。
采用配电管理系统（distribution management system，DMS）可以对配电网进行全面的自动化管理。DMS包括需求侧管理（demand side management，DSM）系统、地理信息系统（geographic information system，GIS）、数据采集与监控（supervisory control and data acquisition，SCADA）系统、高级应用（advanced application，AP）系统、呼叫服务系统、调度员调度仿真和工作管理系统。其中，*重要的支撑技术是SCADA系统和GIS。
利用SCADA系统可以获取配电网的实时运行状态。馈线自动化（feeder automation，FA）系统是SCADA系统的重要组成部分，其具有数据采集、数据处理与传输、故障诊断、负载检测等功能，是对设备进行监控的综合自动化系统。目前，配电网自动化终端（简称配电终端）主要包括数据传输单元（data transfer unit，DTU）、馈线终端单元（feeder terminal unit，FTU）、变压器终端单元（transformer terminal unit，TTU）、远程终端单元（remote terminal unit，RTU）和站控终端单元。上述配电终端设备必须放置在户外，工作条件较差，所以其制造困难、成本较高。GIS可以将地理空间数据与计算机技术相结合，为用户提供直观的DN地理图形、各地变电站以及馈线的数据和信息，大大方便了对DN的管理。此外，GIS还能将其提供的设备及空间信息与SCADA系统提供的设备实时运行状态信息相结合，从而实现更有效的管理。然而，目前GIS所采集的数据覆盖不全、不充分，与实际应用还有很大的差距。
配电网设备分布范围广，因此采集实时数据和监控网络运行状态都需要使用配电网自动化通信系统。其中，有线通信技术主要包括光纤通信技术和电力线通信（power line communication，PLC）技术等；无线通信技术主要包括通用分组无线服务（general packet radio service，GPRS）通信技术、码分多址（code division multiple access，CDMA）通信技术、第三代移动通信技术（3rd generation mobile networks，3G）、第四代移动通信技术（4th generation mobile networks，4G）、第五代移动通信技术（5th generation mobile networks，5G）等。
DMS与输电网自动化的能量管理系统（energy management system，EMS）是目标不同但处于同一层次的两个系统，两者的区别如图1.3所示，两者的软件关系如图1.4所示。
图1.3 DMS与EMS的区别
图1.4 DMS与EMS的软件关系
1.2.2 配电网自动化建设
我国DN的电压等级分为高压配电电压（110kV、63kV和35kV）、中压配电电压（10kV）和低压配电电压（380V、220V）[2]。配电网自动化的集中控制模式主要应用于框架强、通信水平低的DN，分布式控制模式主要应用于故障的自动识别和隔离。
为提高电网的运行效率和供电质量，满足用户需求，应根据当地DN的现状和发展要求分阶段对配电网自动化进行建设。同时，应根据配电网自动化的实际情况统一规划区域DN，以达到经济、可靠、实用的目标。
目前，配电网自动化系统主要包括以下五种类型。
1.简易型配电网自动化系统
简易型配电网自动化系统是在人工现场通过观察故障指示器的颜色进行故障判断，可以独立工作，无需配电网自动化主站系统（简称配电主站）和配电网自动化通信系统，操作简单、投资少、维护成本低，但不能进行实时检测。
2.实用型配电网自动化系统
实用型配电网自动化系统是通过多种通信手段，对配电设备进行实时监测。配电主站具有SCADA功能，可以采集、监测配电变压器等重要设备的数据。该系统的结构和控制功能简单，投资少且实用性强。
3.标准型配电网自动化系统
标准型配电网自动化系统增加了馈线自动化功能，主要为DN提供调度服务。该系统结构更加完整、实时功能更加完善、自动化程度更高，但工程造价也更高。
4.集成型配电网自动化系统
集成型配电网自动化系统主要通过综合数据平台或信息总线交换技术，实现生产经营、电力营销管理、配电网信息集成、配电网自动化系统应用功能扩展以及配电调度。该系统为供电企业提供辅助决策服务，实现对安全经济指标的综合分析，其结构和功能完善、方式灵活，但工程造价高。
5.智能型配电网自动化系统
智能型配电网自动化系统包括微网、储能装置和分布式电源（distributed generation，DG）等设备，还包括智能用电互动系统、馈线自动化自愈系统、输电网协同调度以及智能能量管理分析软件等。该系统运行方式灵活，且能满足清洁能源接入的要求，可以更好地创造效益。
上述五种模式可以自由地进行转化与升级，供电企业可以根据需求和自身特点选用合适的类型。
1.2.3 配电网自动化技术在电力系统中应用的意义
配电网自动化是电力系统自动化发展的必然趋势，实现配电网自动化主要有以下几方面的意义[3-5]。
1.降低投资成本
在DN中实现自动化，布线方式更加简单。在线路的维护过程中，通过对线路连接开关进行控制，可以对重要负荷进行转移，进而达到恢复供电的目的。配电网自动化建设在线路维护、停电时间和运行方式上比传统的DN具有更大的优势。
2.提高供电可靠性和电能质量
一般来说，用户的供电停止主要原因是线路检修和设备故障。受接线方式的限制，DN的故障预防能力一般较弱，因此需要全线停电，影响线路没有故障的地区。而具有自动化能力的DN能够精确隔离故障设备，在*短的时间内对故障进行隔离，以保障没有故障的线路可以快速恢复供电。
3.提高管理效率
配电网自动化可以进一步扩大监控范围，改变传统配电系统中监控范围狭窄的问题，使工作人员能够实时监控整个电网，从而提高管理效率，对各种故障做出快速反应，实现高效管理。
4.提升用户满意度
配电网自动化能及时确定故障位置、故障原因以及故障程度，对恢复供电时间进行预测，并能及时处理客户的报告和投诉，还可以制定抢修方案，及时恢复供电。
5.提高配电设备的利用率
配电网自动化可以通过负荷监测和设备管理来提高设备的利用率。
1.3 配电网自动化的发展历史及其发展趋势
1.3.1 国外配电网自动化的发展历史
从20世纪50年代起，国外许多国家开始进行配电网自动化技术的研究，主要经历了以下三个阶段[6]。
第一阶段：20世纪50年代中期至70年代中期，是基于自动化开关设备相互配合的馈线自动化系统阶段，该阶段的特点是使不同开关设备之间自动配合，实现故障自动隔离，并在没有任何通信系统和配电主站计算机系统的情况下提高区域电源的稳定性。50年代，日本在馈线上安装了配电开关，自动识别故障并延迟关闭，实现故障区域的自动隔离。此外，日本还设计了具有自动故障诊断和隔离等功能的重合闸分段器，以保障非故障线路继续稳定运行。60年代，日本又研发了多种长距离监控设备，可以实现远距离控制馈线的开与关。
第二阶段：20世纪70年代末至20世纪末期，是以网络通信为基础，馈线终端单元与后台计算机网络结合的阶段。随着全球科技的飞速发展，各种远程监控设备和电力系统自动测量设备在配电网自动化系统中的应用，已逐步形成一种具有远程监控、故障隔离、负载管理以及自动控制等功能的配电网自动化技术。
第三阶段：20世纪末至今，配电网自动化系统结合了配电网GIS、停电管理系统以及故障呼叫服务和工作管理的集成系统。智能配电网自动化管理系统包括集成的变电站自动化系统、用户负载控制系统、远程抄表智能系统，具有150多种功能，可以达到配电网自动化的效果。
1.3.2 国内配电网自动化的发展历史
在我国，配电网自动化的发展大致分为三个时期。
第一时期：基于自动开关设备协作的配电网自动化阶段，配电网的主要功能是在发生故障时通过自动开关设备的配合实现故障隔离。该时期的自动化程度很低，只能在出现故障时工作，不能在正常运行中起监测作用，无法对运行方式进行优化。
第二时期：在通信网络基础上采用馈线终端单元配电网自动化系统和后台计算机网络相互结合的模式。在正常工作时，配电网可以起调控作用。与此同时，该模式能及时发现故障，相关工作人员可以进行相应的操作，使系统恢复稳定。
第三时期：在第二时期的基础上增加了一些新功能，形成了一个综合自动化系统，该系统集成了DSM系统、工作人员模拟调度系统、故障呼叫服务系统和工单管理系统等。近年来，负载控制、远程抄表、网络损耗优化、功率优化以及配电和功耗信息管理等综合管理技术也已经逐步部署。
图1.5为基于GIS的营配一体化应用体系结构，该结构充分考虑数据的可靠性，并对可靠性指标进行控制，以达到保障数据安全的目的。该结构包括营销及客服系统、配电网生产系统、配电网工程系统、配电网规划系统等，由计量自动
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