低压配电网环网系统设计、实现及可靠性探析

低压配电网环网系统设计、实现及可靠性探析

林云峰

广州东方电科自动化有限公司 广东广州 510000

摘要：本文先简要介绍低压配电网环网系统，然后阐述该系统的网络结构、硬件设计、人机界面功能与自动化控制策略，最后在明确基础参数的前提下，分别探究并联与串联系统的可靠性。通过本文研究，对低压配电网环网系统进行优化设计，有效避免和减少低压配电设备引发的大范围停电现象，全面保障供电可靠性，充分满足人们生活与工业生产的电能需求。

关键词：低压配电网；环网系统；设计方法；可靠性分析

引言：在电力系统不断发展完善之下，低压配电网逐渐成为电网与用户间联系最为紧密的网络结构之一，具有用电负荷多、使用量大等特点，可为人们生产生活提供充足的电力支持。但是，因国民数量不断增加，能源资源分配不均的问题逐渐暴露出来，对供电质量提出更高要求。据调查，配网故障率逐年上升，已经超过30%，低压电网线路的运行环境也存在较大安全隐患，急需设计低压配电网环网系统，并对其可靠性展开分析，由此提高配电网整体性能水平。

1低压配电网环网系统概述

该系统是指供电线路拓扑结构为环状联结，拥有双电源供电，在环路内适当位置设立开环点，且在某路电源失电情况下，利用闭合开环点可利用备用电源为系统供电。环网系统结构简单、安全稳定，与单电源链式供电相比性价比更高，可在配电自动化后为供电系统运行提供切实保障。本文采用实例分析的方式，对10kV配电环网系统的设计思路进行分析。根据功能不同分为6个片区，均采用双电源进线供电法，在站与站间形成串联环网供电，十分稳定可靠。低压0.4kV进线与母联采用Emax框架开关低压配电，该框架开关带有智能PR112PD综合测控单元，采用产自法国的SM6环网柜、PR配电箱。该项目要求使用先进的软硬件产品，发挥两项功能。一是人机界面动态跟踪展现系统运行状态，具备GIS系统导航功能；二是母线、馈线与线路全逻辑监控，该系统可在无人值守状态下，自动诊断故障位置与类型，并保障未受影响的电网正常供电^[1]。

2低压配电网环网系统设计与实现

2.1网络结构与硬件设计

该系统坚持“集中管理、分散控制”的设计理念，对网络结构与硬件进行设计。监控中心设置在综合楼，剩余配电室则实施无人值守，因系统具有快速响应、全面保护等特点，可利用电信级在通道复用技术基础上创建双环光纤网络。

1. 管理层。利用两台高性能计算机作为人机界面，二者同时投入使用，互为备用，SCADA服务器进行通信规约转换，达到自控后台程序的目标；数据库负责存储历史数据，为报表管理、历史曲线绘制等提供支持；为便于调试，还安装了移动工作站，可在现场设置相应参数，还具备设备诊断功能。

2. 网络层。借助单模光纤展开通信，引入带有自愈功能的光端机，构建光纤通信环。一旦某段通信链路中断，备用设备便可在30ms之内迅速替补，使系统通信恢复到正常状态。待链路正常运行后，备用环又可自动切换回主环，实现“自愈”效果。在光端机应用中，可实现电和光信号之间的自由转换，且确保系统主干通信正常。利用光纤完成这一操作的原因在于：一是通信线路与高压电缆均在相同的电缆沟内走线，且信号的传输距离较长；二是在强大的电磁环境下，光信号受干扰程度基本为零，安全性相对更高；三是可实现单位时间内的批量传输。与电缆载波、专线等通信媒介相比，光纤在性价比方面占据绝对优势。

3. 设备层。该层利用RS485现场总线，使分散在不同站中的智能设备汇总，对于相同类型的设备通过复用方式串联为总线环网，并与上位机之间传输信息。该系统采用遥控单元Talus 200I作为馈线终端单元，该设备的体积较小，安装便利，适用于低压电网设计中，且具备防误插插头开关，可实时采集测量数据；极性连接装置还可避免错误插接，精准检测电流传感器。Talus200I可及时准确的检测相对地、相与相之间的故障，还可根据通道设立检测点电流值。对于环网开关来说，Talus200I还具备状态监控、数据统计、馈线电流测量等功能。为便于软件接口，Talus200I还利用MODBUS协议，能够对计算机联网情况进行实时监控^[2]。

2.2闭环结构设计

在低压配电网设计中，闭环结构主要分为三种，如图1所示。每种负荷在供电中都由两个电源控制，分段点大多设置在馈线末端，形成末端环接结构，在与开关联系后，便可实现正常的运行和闭合，主要区别在于电源位置，具体如下。在方式一中，闭环结构位于相同的变电站内，且由相同变压器内的低压馈线构成，馈线数量为两条；在方式二中，闭环结构与前一种相比的区别体现在变压器不同；方式三中无需变压器的加入，利用不同变电站与低压母线便可构成，可提高闭环结构供电可靠性，在故障情况下负荷能够转供，还可与不同闭环结构相互结合。值得强调的是，相互关联的闭环结构只有源于不同变电站，才可使该结构可靠性得以提升，在下图中直观展现出方式一、二的联络方式。

图 1 低压配电网闭环结构

对于不同闭环结构来说，在性能方面也有所区别。方式一采用的是相同的变压器母线，在发生故障后会直接退出运行，使整个环网中的负荷发生失电情况，但大量研究表明，可将环间有机连接，实现负荷转供，缩短停电时间。在方式二中，当两台变压器均停止运行时，环网负荷中的电源消失，可利用连接环间方式，取得更理想的供电效果。可见，与前一种相比，方式二的可靠性更高。相同变电站中变压器发生故障并退出引发的停电概率要超过不同的变电站，可见方式三在供电可靠性方面要优于前两种^[3]。

2.3人机界面功能的实现

根据功能不同，可将人机界面分为系统主界面、分区单线图、网络结构图等多种界面，还通过实时趋势曲线、GIS导航功能、告警等将电网运行情况真实体现出来。该界面的监控软件为Windows Professional操作系统，以此为软件平台，对协议转换软件进行重组；选用In Touch组态软件，制作和谐简洁的人机交互界面。该界面中利用图形与文字相结合的导航形式，包括低压环网、系统状态、告警等内容。根据电力行业规定标准设置馈线颜色变化，可将线路实际运行情况、开关状态真实体现出来，并将下层设备中的多种电力参数，如功率、电压、频率等。I/O Server与I/O Server Toolkit创建的第三方转换软件，可使大部分工业设备的联网需求得到满足，且运行安全可靠，支持Suite Link、DDE等多种协议。

2.4自动控制策略的实现

在供电系统中，电流由供电端流入受电端，是有明确方向性，一旦线路内出现故障，系统电流便会瞬间增加，超过设定的安全值后供电端保护设备便会断开回路，环网中的电源被切断，导致该段线路停电。在本文研究的10kV配电网中，共计建设6个片区，包括198个进线馈线回路，根据故障点分布的不同，共计检测出150个故障点，主要归纳为母线、出线、线路与失压四种故障类型。此类故障点应事先设置判断条件，准确定位并将故障隔离，确保未受影响段正常供电。在故障状态下，利用TALUS检测故障信号，控制程序断开故障段，并将其隔离后发出预警，在人机界面中将系统状态显示出来。为实现以上功能，采用高可靠性的集控软件平台，引入In Control软件，该软件为实时多任务软件，是在PC机、编程控制器等基础上研发的软PLC，功能全面，与常规程序相比更具开放性、可伸缩性，具有SFC、STL与RLL三种语言。在In Control基础上开发后台监控程序，包括故障处理、故障判断、故障恢复等内容。在系统应用期间，可妥善处理四大类故障，解决12种不同故障情况，当出现故障时程序便可准确判断，对特定故障进行针对性处理。

1. 自动控制程序。该程序一般在后台运行，将故障信息、处理进度、最终结果经过人机界面反馈给管理人员。

2. 故障判断程序。该程序将FTU采集的故障信息整合起来，在特定故障中势必带有相应的故障特点，因此各个故障点在系统中展现的信息不尽相同。该程序可在特定系统运行期间，将采集的故障点统一编制，在故障状态下能够准确判断，为后续故障隔离和处理提供便利。

3. 故障隔离程序。该程序依据监控系统判断故障，在自动模式下可按照特定顺序向FTU发出命令，使中压开关断开，并将故障线路隔离。当故障被准确隔离后，程序便可自动发出恢复命令，使开环点闭合，将备用电源变为无故障段线路进行供电，还可发布指令使已经跳闸的电源合闸，恢复正常供电^[4]。

3低压配电网环网系统的可靠性分析

该系统作为低压供电新模式，有助于系统供电可靠性提升。在采集丰富的低压数据基础上，可对低压可靠性进行有效管理，使系统故障问题得到有效预防和控制。本文在基本参数明确后，分别对串联、并联系统的可靠性进行分析。

3.1基本参数

可靠性分析重点在于元件和系统两个部分，在配电系统内，元件主要包括断路器、分支箱、线路等，部分元件在受故障影响后不可修复，或者需要投入大量资金修复；部分元件经过简单修复便可恢复正常状态。与元件相似，系统也有可修和不可修的分别，电力系统属于前者。在可修复元件中，还分为可用与可不用两种类型，二者可相互转化，其寿命通过平均无故障工作时间表示，在两种状态间的时间均值代表的是相邻故障间隔时间；故障率代表的是某段时间以往正常工作，在该段时间以后单位时间内故障发生率。元件在正式使用之前的调试阶段存在一定损耗，相对故障率较高。在中间环节，故障率较为稳定，如若元件在此阶段发生故障，可将故障率用常数 表示，则平均无故障工作时长可表示为：

式中，MTTF代表的是平均无故障工作时长； 代表的是故障率常数。修复率代表的是元件在发生故障后进行修复的难度，当修复率为常数时，元件修复时间均值的关系可表示为：

式中，MTTF代表的是平均无故障工作时长；r代表的是修复率。元件可靠度代表的是元件在特定条件、时段下工作不失效的概率，可体现元件损坏度，与不可靠度之间的关系可表示为：

式中，R(t)代表的是元件可靠度；F(t)代表的是不可靠度。

3.2串联和并联系统可靠性分析

系统由元件连接而形成，元件自身与彼此之间连接关系决定着系统的可靠性。元件可分为串联、并联两种方式。在串联系统中，只有全部元件都正常才可使系统正常运行，可靠度为各个元件可靠度相乘，因每个元件的可靠度均不超过1，则系统的可靠度低于1，且比可靠度最低的元件还低。在寿命服从指数分布的情况下，故障率为常数，系统故障率为各个元件故障率的总数，修复率的计算公式为：

式中，r代表的是修复率； 代表的是故障率常数。对于并联系统来说，只有全部元件均处于故障状态时，系统才发生故障，其可靠度计算公式为：

式中，Rs(t)代表的是并联系统可靠性；R(t)代表的是元件可靠度。并联系统的可靠性超过任何一个元件，可见并联元件能使系统更加可靠，但也会增加资金投入。在低压负荷运行中，闭环运行电网可看成是并联系统，与串联运行相比可靠性更高，尤其是在两个元件构成的并联系统中，可靠性优势更加显著。

结论：综上所述，在城市化进程迅猛发展下，电力行业发展步伐加快，为了提高行业竞争力，加强低压配电网环网系统设计、提高利用率显得十分必要。对此，企业应采用闭环运行法，优化系统的网络结构、硬件设施与人机界面功能，完善自动化控制策略，有效减少配电设备引发的短时停电现象，还可保障用电可靠性。本文在明确基础参数的前提下，分别对并联、串联两种系统进行可靠性分析，根据结果可知，并联比串联的可靠性更高，可在低压供电领域普及应用，对提高供电稳定性具有重要意义。

参考文献：

[1]刘捷.低压配电网环网系统设计与应用研究[J].华东科技（综合）,2019,000(004):1-1.

[2]张小斐,陈连杰.城区10kV配网系统自动化设计与可靠性分析[J].电力与能源,2019,040(005):553-555,623.

[3]杨凯.建筑电气设计低压供配电系统的可靠性分析[J].建筑·建材·装饰,2020,000(001):221,224.

[4]王风军.建筑电气设计低压供配电系统的可靠性分析[J].百科论坛电子杂志,2019,000(023):148.