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馈线自动化在中国的前景与趋势
摘要：国家电网公司和南方电网公司在2009年开始着眼于智能电网建设，中国开始了第二轮配电自动化系统项目。本文总结了该项目的项目规划、当前发展情况和相关的技术标准。馈线自动化技术的发展前景和趋势有所加强，详述了它的多种认识模型和检验验证技术。进一步介绍了随着分布式发电与配电网的融合，先进配电自动化技术如最优化运行技术的发展趋势和馈线自动化技术在我国的应用前景。
关键词：智能电网，配电自动化系统，馈线自动化，检测
1引言
配电自动化是一项重要的技术，可以提高供电可靠性、质量和容量，促进经济高效发展，同时它也是实现建设智能电网目标的重要基础之一。在发达国家，配电自动化网络建设有近40年的历史，尤其是近年来，建设配电自动化网络成为了每一个电力能源公司提高服务质量和自身经济优势的主要任务，是现代电网管理必不可少的一部分。
在中国城乡电网升级中，供电可靠性和等级显著提高。配电网络自动化的实现是继续提高供电质量和用户服务的唯一途径。配电网络自动化依靠现代电力技术、通信技术、能源系统的计算机网络技术、综合监控、保护、控制以及在正常和紧急情况下供电部门配电网调控的有机配合。通过配电自动化可以建立与用户更近更可靠的关系，致力于提供高质量的最经济的供电服务和让企业管理更高效。
中国在20世纪90年代后期第一次提出要建立大规模的配电网自动化项目。但由于对配电网自动化理解不充分、配电网结构和设备不完整、技术产品不成熟，同时缺少管理经验，大多数早期的配电网自动化系统并不能达到应有水平，最初的示范性项目并不成功。经过十多年的探索和实践，对配电网自动化的理解更加深入，相关技术的应用也更加成熟，这些进展为下一步推进创造了必要条件。中国的智能电网建设再次为DAS带来了活力和新的定义。
国家电网公司对全局提出了新的要求。在已有电网设施和对已有能源的利用的基础上，我们应该建设开放的配电网自动化系统，该系统应满足实时监控和信息交流的要求，支持配网电能和电力控制站对电能的获取和控制，并和输电网和用户紧密联系起来。总而言之，配电网自动化系统要致力于与强大、智能配电网的建设和发展相适应[1]。国家电网要实行示范项目建设。第一批DAS建设示范项目在2009年启动，其中包括四家基础设施完备的供电公司如北京市、杭州市、厦门市和银川市供电公司。在2011年，另外19个关键城市如上海、南京、天津、西安等被指定为第二批DAS先行示范城市[2,3]。
根据图1中中国国家电网公司的第12个五年计划（2011-2015），在23个核心城市如北京上海等重要地区的DAS建设在2011年完成，在其他七个核心城市如济南、泉州等的建设开始启动（总共30个）。在2012年，70个城市包括临沂、乌鲁木齐等的DAS项目正在建设过程中（70个项目在2012年启动，总共100个）。另外，100个DAS建设项目包括拉萨、北京石井山、芜湖、许昌、吉林和喀什将于2013年至2015年逐步开展（100个项目在2010年启动，总共200个）[2，4]。
中国南方电网公司计划在落实DAS和它的智能应用，制定相关解决方案，全面推进智能电网建设上等方面取得重大突破。在2009年首次选中深圳和广州两个主要城市作为DAS先行示范城市并取得成效。之后先行示范城市扩大到中山、佛山、贵阳、南宁、昆明、玉溪、东莞和其他15座城市[5,6]。在这些城市中，深圳和广州供电部门的落实范围是最大的。以广州市供电部门为例，其将整个配电网自动化建设分为四个阶段：2008年7月开始，2013年结束，2013年后在重点A级、B级城市和部分C级城市供电区域的自动化覆盖范围将达到100%。
根据完成配电网自动化建设并从中获益的城市的技术报告[1,7-10]，供电地区的配电网都将通用电源作为紧急供电设备，这项举措可以在停电和故障时提高供电可靠性和电能质量并减少单位线路损耗。因此，DAS建设取得了显著成就，为全局规划的推行打下了良好基础[3]。
馈线自动化系统是智能配电网出现异常时自恢复控制的关键。在总结上一轮建设经验和教训基础上，新一轮中国的FA建设极具价值。一个基本的实践规划显示，FA推行计划中应用了很多新技术、产品和模型，这与第一轮大有不同。
本文对新一轮DAS进行总结归纳，简要回顾了上一轮DAS的经验教训，包括核心建设标准、FA模型、终端技术、通信技术、供电技术和与FA实行项目紧密相关的检测技术，详述了智能配网FA模型和FA检测认证技术。
2技术准备
2.1上一轮建设得出的经验
自1998年大规模城乡电网建设和改革后，DAS技术和应用在几个省市自治区兴起。截止2003年，超过100座城市开展了配电网自动化系统工程实行项目[5,6]，其中一部分规模较大，如绍兴安装了5000套配电终端设备，几乎实现了全覆盖。这些举措增强了配电网建设，并在开环运行模式下形成了一个环网供电网络。另外，配电网主要设备建设和改革为DAS的实行打下了良好基础，在某种程度上提高了供电可靠性，实现了局部配电网，积累了管理经验。但是从2003年起，很多配电网自动化系统遇到了诸如运行异常和与实际不符等问题[5,12]。从2002年开始，内部和外部工业都开始回顾这一轮DAS建设，最终得出了管理和技术两方面原因致使问题产生的结论。从管理的角度，在DAS规划、设计、建设、运行和维护的标准和专业化上缺乏引领以及追求一步到位使规划过于宏大，导致了维护不充分。从技术的角度，早期技术不够成熟，早期配电网结构中的通信自动化设备较为落后，存在缺陷。很多专家都认为新项目应该基于追求符合实际目标的解决方案上[5,6]。
文献[5]分析了上一轮DAS投资的理由和必要性，提出了在核心终端问题如通信和备用电源上的实际解决方案。文献[6]全面介绍了在上一轮配电网自动化建设中的实际问题。尤其是文献[13]主要介绍了在杭州的配电网自动化建设现状，文献[14]则是关于广东省。文献[15]主要探讨了配电网自动化的实际解决方案，分析了几种当时的馈线自动化模式并提出了一种智能配电FA模型，这种模型可以更好的适应配电网运行模式变化。文献[16]总结了大型停电的教训。文献[17]将中国的配电网自动化技术与其他主要国家进行比较，展现了中国实用技术的发展趋势。文献[18]探讨了实用技术内涵和DAS的技术流程，在此基础上，作者总结了上海在实行DAS后的经济效益和实用性。文献[19]提到了在中国很多城市的配电自动化实行项目并提出了一种应用在DAS中用于配电网重置的新型遗传算法。大部分关于新一轮DAS建设的研究结果也都包含在其中。
2.2建设标准
为确保DAS建设的技术框架、功能配置和信息交换的原则，中国两大电网公司组织专家制定了一系列技术标准。这一技术标准覆盖了DAS各子系统的技术路线、功能规范和关键性能指标，明确了项目验收测试方法和技术指标以及项目竣工后的操作维护管理实践方法。
国家电网公司制定的主要标准如下[20-24]：
- DAS的技术指南。
- DAS试点建设和改造的技术原则。
- DAS主站建设的功能规范。
- DAS终端和分站的功能规范。
- DAS结构与改造的标准化设计技术规程。
- DAS示范工程验收规程。
- DAS的基本功能测试程序。
- DAS的实际要求和验收规则。
- DAS的验收技术规范。
- DAS的操作维护管理标准。
南方电网公司制定的主要标准如下[3]：
- DAS的技术规范。
- 110kV及以下的配电网规划原则指南。
- 110kV及以下的配电网技术设备指南。
- DAS的规划指南。
- DAS的验收管理标准。
- 城市配电网的规划设计技术规范。
与此同时，一些省级电力公司针对当地具体情况制定了一些地方标准，如上海市电力公司针对智能分布式FA的特点专门制定了系列标准，例如：
- 智能分布式FA现场测试的实施细节。
- 智能分布式FA的运行管理规范。
- 智能分布式FA仿真测试环境的接口设计。
3 FA实现模式
本轮DAS试点的突出特点是：可以根据用户在供电可靠性和实施条件上的不同要求采用不同的FA实现模式。如果带有配电终端设备和电子操作机制的开关设备的主站或中间站之间存在良好的通信通道，电力公司通常采用集中智能式FA模式。反之，如果通信通道性能不符合遥控的要求或开关设备不具备电子操作机制，则采用就地控制式。另外，如果配电终端单元具有点对点通信条件，则采用智能分布式。如果没有通信手段或信道性能不能满足遥控的要求，则采用局部重合闸模式。在上述四种模式中，集中智能式FA模式和就地控制式由DAS主站进行决策，统称为主站集中式FA模式。另外一种基于集中式智能和分布式智能协调的FA模式也被提了出来[24]。
当故障发生时，分布式智能设备的优势首先在清除故障和及时切断故障部分上起到一定作用，然后在收集了全部故障信息后，集中式智能的故障清除如精细优化处理、强大的故障承受度和适应性发挥作用，因此DAS才能准确定位故障位置，优化对隔离故障段和恢复服务的控制。
在中国国家电网的示范项目中，主站集中式FA模式的应用最为广泛。天津、青岛、西安等城市采用智能分布式与主站集中式FA模式结合起来[25,26]。他们选择部分较好的局部馈线实现智能分布式。上海电力公司全部采用了智能分布式。在南方电网公司试点城市中，深圳全部采用了主站集中式FA模式，而广州在电缆线路上采用主站集中式FA模式，架空线路采用重合闸模式[3,8-10,24,27]。智能集中式、就地控制式和智能分布式的具体信息如下。
3.1智能集中式
智能集中式是指基于通信网络、配电终端单元（DTU）、保护继电器和DAS主站紧密联系的模式。故障电流信号由DTU或保护继电器检测，并通过通信网络送往主站。主站将通过网络拓扑和这些信号来定位故障，向DTU或保护继电器发送开关控制指令，实现故障定位、隔离和供电恢复（FLISR）。分站通常设置在主站和DTU之间，这样既可以建设主站的通信和计算负荷，又可以承担区域配电馈线自动化功能。文献[28]提出了一种基于阻抗的方法，这种方法通过使用详尽的馈线模型和故障事件报告来估计所有可能的故障位置。这种模式的主要优点是可以基于安全性和正常运行时的经济指标进行优化，当出现馈线故障时，为整体最优运行模式下生产自愈控制的解决方案综合考虑各种因素。另外，用户可通过人际界面进行人为干预。这些优点被大多数中国的公司所认可[29]。到目前为止，除上海外，所有供电公司都采用了这种模式作为本轮DAS建设的主要模式[3]。
事实上，在上一轮DAS建设中，这种模式就是每一家供电公司的主要模式。但在运行过程中遇到了如下的管理和技术方面的难题：
·随着我国城市化进程的加快，配网改造频繁，这使得DAS主站的内部参数、型号和容量时常需要调整。
·DAS主站需要适应不同类型的通信网络和特性终端的差异，并在不同历史时期投入运行。
这两个问题也是导致上一轮DAS项目失败的主要原因中的一部分，只向调度人员提供故障提示信息而没有使FA发挥应有的提高供电可靠性的作用。但是，现在这两个问题仍然存在，这些项目如何使FA发挥作用仍有待观察。
3.2就地控制式
就地控制式要求在线路上安装故障指示器。当线路发生短路或接地故障时，故障指示灯会跳动或闪动指示故障检测。如果接到用户停电电话或变电站出口的保护跳闸信号，维修人员可根据故障指示信号定位故障。这种模式可以加快故障定位和恢复的速度。故障指示灯装备无线通信模块后能将指示信号传送到DAS主站，这一措施提高了这种模式的效率。
该模式适用于对供电可靠性有一定要求的区域，同时该模式已在中国的供电公司中广为应用。其主要优势如下：
·安装简便，安装时保持供电，对用户无影响。
·投资少，无需安装电压互感器（PT）和电流互感器（CT）。
如图二所示，故障指示灯由CT本身和锂电池供电。它可以直接测量线路电流。故障指示灯与无线数据采集终端的通信基于ZigBee无线技术[30]。三相电流数据采集到装有无线通信模块的智能终端，数据（含故障信号和当前数据）通过无线传输到主站（如GSM或GPRS）。如果检测到故障信号，短路信息则会发送到指定的维修人员手机上。监控中心的调度员可根据接收到的信息直接定位故障位置。智能终端通常从太阳能中获取电能或由超级储能电容器供电，这一措施解决了工程建设成本、数据传输、供电、连续运行和维护等方面的问题。
3.3智能分布式
智能分布式可以通过终端之间的通信实现FLISR，且不需主站的控制。在FLISR进行中时，主站可以监控终端的动作过程[31]。在中国，实现FLISR控制决策是一种新的称为FA控制的控制终端，这种决策会收集相应终端（保护，FTU，DTU）信息，与邻近的FA控制器进行点对点通信，还能运用分布式FA控制算法实现FLISR功能。在实际应用中，FA控制器在传统DTU中整合。
这种模式逐渐得到了供电公司的青睐，因为这种模式不依赖于全局信息就可以一次定位故障并对动态变化的馈线有更好的适应性，同时维护很简便。2009年，国家电网公司将其作为在“DAS技术指南”和“DAS示范建设和翻新的技术原则”的标准下对高度供电可靠性有一定要求的区域所采用的主要模式。
同时，这种模式在中国学术界引起了热烈讨论，各种关于分布式FA模式的解决方案提了出来，提出了一种新的改进的多目标蛙跳算法来研究基于可靠性增强的馈线重构问题[32]。分布式馈线自动化算法的提出是基于局部拓扑，考虑开关动作失效、通信故障和其他混杂的因素，有助于提高数据处理、通信效率和获得更好的维护性[33]。基于对一系列FLISR模式的要求分析，一份向国际电工委员
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