智能电网关键技术研究与应用丛书 配电系统的控制和自动化PDF电子书下载

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第1章 输配电系统控制和自动化 1

1.1 引言 1

1.2 为什么需要配电自动化 1

1.2.1 渐进式实施 3

1.2.2 电力行业对配电自动化的接受程度 4

1.3 输配电系统 6

1.4 控制层级 7

1.5 什么是配电自动化 9

1.6 配电自动化系统 10

1.6.1 自动化决策树 11

1.6.2 自动化阶段 12

1.6.3 自动化强度水平 13

1.7 配电自动化的基本架构和实施策略 14

1.7.1 基本架构 14

1.7.2 创建配电自动化解决方案 15

1.7.3 配电网结构 17

1.8 自动化设备准备度的定义 17

1.9 总结 19

参考文献 19

第2章 中央控制和管理 20

2.1 引言 20

2.1.1 为什么要控制电力系统 20

2.2 电力系统运行 20

2.3 配电网运行环境 22

2.4 配电管理系统的演变 22

2.5 配电管理系统的基本功能 25

2.6 实时控制系统的基础 28

2.6.1 数据采集 29

2.6.2 监测和事件处理 30

2.6.3 控制功能 32

2.6.4 数据存储、归档和分析 32

2.6.5 硬件系统配置 33

2.6.6 SCADA系统原理 34

2.6.7 轮询原理 35

2.7 停电管理 37

2.7.1 基于故障投诉的停电管理 38

2.7.2 基于高级应用的停电管理 42

2.7.3 以GIS为中心和以SCADA为中心 44

2.8 决策支持应用 44

2.8.1 调度员潮流 45

2.8.2 故障计算 47

2.8.3 损耗最小化 48

2.8.4 VAR控制 48

2.8.5 电压控制 49

2.8.6 数据依赖性 49

2.9 子系统 52

2.9.1 变电站自动化 52

2.9.2 变电站就地自动化 53

2.10 扩展控制馈线自动化 57

2.11 性能测量和响应时间 57

2.11.1 场景定义 57

2.11.2 DA响应时间的计算 60

2.11.3 响应时间 62

2.12 数据库结构和接口 63

2.12.1 网络数据模型表示 63

2.12.2 SCADA数据模型 64

2.12.3 DMS数据需求、来源和接口 65

2.12.4 数据模型标准 68

2.12.5 数据接口标准 74

2.13 总结 74

附录2A 综合CIM结构样本 75

参考文献 75

第3章 配电系统和中压网络的设计、建造和运行 77

3.1 引言 77

3.2 配电网的设计 79

3.2.1 电压选择 80

3.2.2 架空和地下网络 80

3.2.3 配电变电站的容量 81

3.2.4 接入中压网络（上游结构） 83

3.2.5 配电网所需的性能 86

3.2.6 网络复杂性因数 87

3.2.7 电压控制 89

3.2.8 电流负荷 95

3.2.9 负荷增长 96

3.2.10 接地 98

3.2.11 损失的电量 99

3.2.12 英国和美国配电网的比较 102

3.2.13 所选设计的安装成本 105

3.2.14 电网建成后的拥有成本 106

3.3 低压配电网 106

3.3.1 地下低压配电网 106

3.3.2 架空低压配电网 107

3.4 低压网络和配电变电站的开关设备 108

3.5 低压网络和配电变电站的扩展控制 110

3.6 总结 111

参考文献 111

第4章 配电系统的硬件 112

4.1 开关设备简介 112

4.2 一次开关设备 116

4.2.1 变电站断路器 116

4.2.2 变电站隔离开关 119

4.3 落地式变电站 120

4.3.1 环网柜 120

4.3.2 基座式开关设备 123

4.4 更大的配电/紧凑型变电站 124

4.5 封闭式柱上开关 126

4.6 柱上重合器 128

4.6.1 单罐式设计 128

4.6.2 单支柱式设计 129

4.7 柱上隔离开关与负荷隔离开关 130

4.8 操作和执行机构 131

4.8.1 电动执行机构 131

4.8.2 磁力执行机构 132

4.9 电流和电压测量装置 133

4.9.1 电磁式电流互感器 135

4.9.2 电磁式VT 137

4.10 仪用互感器的扩展控制 137

4.11 电流和电压传感器 138

4.11.1 电流传感器 138

4.11.2 电阻分压器 139

4.11.3 组合传感器和传感器封装 139

参考文献 140

第5章 保护和控制 141

5.1 引言 141

5.2 采用继电器的保护 141

5.2.1 基于时间的判别 142

5.2.2 基于电流的判别 142

5.2.3 基于时间和电流的判别 143

5.3 灵敏接地故障和瞬时保护方案 144

5.4 采用熔断器的保护 145

5.5 直接接地/经电阻接地网络的接地故障和过电流保护 148

5.6 补偿网络中的接地故障 149

5.7 不接地网络中的接地故障 152

5.8 一种用于补偿网络和不接地网络的接地故障继电器 153

5.9 故障指示器 156

5.9.1 手动控制的配电网对故障指示器的需求 156

5.9.2 什么是故障指示器 157

5.9.3 采用扩展控制或自动化的配电网对故障指示器的需求 159

5.9.4 闭环网络中使用的故障指示器 159

5.9.5 方向性故障指示器的其他应用 161

5.10 故障指示器与配电网导线的连接 161

5.10.1 采用电流互感器的连接方式 161

5.10.2 地下网络中采用CT的连接方式 161

5.10.3 架空网络中采用CT的连接方式 162

5.10.4 架空网络中无CT的连接方式（临近） 163

5.11 配电系统接地及故障指示 165

5.11.1 稳态故障情况下的检测 166

5.11.2 暂态故障情况下的检测 166

5.11.3 灵敏型接地故障指示 167

5.12 自动重合闸与故障指示器 167

5.13 相间故障和接地故障之间的指示选择 167

5.14 故障指示器的重置 168

5.15 故障指示器的配合 168

5.16 选择故障指示器 169

5.17 智能电子设备 169

5.17.1 远程终端单元 170

5.17.2 保护智能电子设备 172

5.18 扩展控制的电源 173

5.19 自动化就绪开关设备——FA组成单元 176

5.19.1 开关的选择 178

5.19.2 驱动（执行机构）的选择 178

5.19.3 RTU的选择 179

5.19.4 CT/VT的选择 179

5.19.5 通信系统的选择 179

5.19.6 FPI的选择 179

5.19.7 电池的选择 179

5.19.8 组成单元中的接口 179

5.20 组成单元举例 181

5.21 组成单元的典型输入和输出 182

5.21.1 分段开关（无测量功能，见图5.40） 182

5.21.2 分段开关（有测量功能，见图5.41） 182

5.21.3 架空系统中的保护用重合闸 183

5.22 控制单元及其改进 183

5.23 控制逻辑 184

5.23.1 方案1：线路A有1.5个开关自动化、FPI和开关远程控制 184

5.23.2 方案2：线路B有2.5个开关自动化、FPI和开关远程控制 185

5.23.3 方案3和方案4：没有FPI 186

5.23.4 方案5和方案7：只有本地控制 186

5.23.5 方案6和方案8：只有本地控制 187

5.23.6 特殊情况：多重重合闸和自动分段开关 187

第6章 配电系统的性能 190

6.1 配电网的故障 190

6.1.1 故障类型 190

6.1.2 故障的影响 192

6.1.3 瞬时故障、重合闸和补偿网络 193

6.2 配电系统性能和基本的可靠性计算 195

6.2.1 系统指标 196

6.2.2 电网可靠性指标的计算 196

6.2.3 持续停电时间（SAIDI）的计算（参见表6.4） 198

6.2.4 持续停电频率（SAIFI）的计算（参见表6.4） 199

6.2.5 瞬时停电频率（MAIFI）的计算（参见表6.4） 199

6.2.6 计算结果的总结 200

6.2.7 计算扩展控制的影响 202

6.2.8 网络复杂性因数函数的指标 202

6.2.9 在没有自动化情况下改善性能 203

6.3 提高地下网络的可靠性 206

6.3.1 设计方法1：添加手动分段开关 206

6.3.2 设计方法2：添加手动切换的备用电源 207

6.3.3 设计方法3：添加自动线路保护 208

6.3.4 设计方法4：添加连续备用电源 209

6.4 提高架空网络的可靠性（设计方法5～方法7） 211

6.5 通过自动化提高性能 213

6.6 通过综合设计方法1～方法4和方法8改进地下线路 214

参考文献 218

第7章 用于控制和自动化的通信系统 219

7.1 引言 219

7.2 通信与配电自动化 220

7.3 配电自动化通信物理链路选项 221

7.4 无线通信 222

7.4.1 未许可的扩频无线电 222

7.4.2 VHF、UHF窄带分组数据无线电（许可/未许可） 222

7.4.3 无线网络理论 222

7.4.4 集群系统（公共分组交换无线电） 229

7.4.5 蜂窝 229

7.4.6 寻呼技术 229

7.4.7 卫星通信——近地轨道 229

7.5 有线通信 230

7.5.1 电话线 230

7.5.2 光纤 230

7.5.3 配电线载波 230

7.5.4 通信方式总结 252

7.6 配电自动化通信协议 253

7.6.1 MODBUS 254

7.6.2 DNP 3.0 257

7.6.3 IEC 60870-5-101 262

7.6.4 UCA 20，IEC 61850 264

7.7 配电自动化通信架构 265

7.7.1 中央DMS通信 265

7.7.2 异常轮询和报告 267

7.7.3 智能节点控制器/网关 267

7.7.4 异构协议的互连 268

7.8 配电自动化通信用户接口 268

7.9 配电自动化通信选择的一些考虑 268

7.10 确定通信信道规格的要求 269

7.10.1 确认和未确认的通信 269

7.10.2 通信系统的特征 270

7.10.3 通信模型 271

7.10.4 反应或响应时间的计算 271

第8章 创建商业案例 273

8.1 简介 273

8.2 变电站自动化为行业带来的潜在收益 274

8.2.1 变电站控制和自动化的集成及其功能收益 274

8.2.2 SCADA与SA 275

8.2.3 行业声称的经济收益 276

8.3 馈线自动化为行业带来的潜在收益 277

8.4 一般性收益 278

8.5 收益机会矩阵 280

8.6 收益流程图 282

8.7 依赖性以及共享和专有收益 283

8.7.1 依赖性 283

8.7.2 共享收益 284

8.7.3 主要DA功能产生的专有收益 286

8.7.4 收益总结 289

8.8 资本推迟、释放或替换 290

8.8.1 一次变电站资本投资的推迟 290

8.8.2 配电网容量的释放 295

8.8.3 上游网络和系统容量的释放 296

8.8.4 用自动化替换传统设备 297

8.9 人力节省 297

8.9.1 降低变电站/控制中心的运行水平 297

8.9.2 减少巡视 297

8.9.3 人员时间节省 298

8.9.4 与投资和运行节省相关的人员时间节省的计算 307

8.9.5 为CLPU更改继电器设置减少的人员时间和工作量 308

8.10 与电量相关的节省 308

8.10.1 因更快的恢复而减少供电量产生的节省 308

8.10.2 受控负荷减小导致的电量收益减少 309

8.10.3 因技术性损耗减少产生的电量节省 310

8.11 其他运营收益 312

8.11.1 维修和维护收益 312

8.11.2 更好的信息产生的收益 312

8.11.3 改进的用户关系管理 313

8.12 配电自动化功能和收益总结 315

8.13 经济价值-成本 315

8.13.1 电力公司成本 316

8.13.2 用户成本 322

8.13.3 经济价值 323

8.14 结论 326

参考文献 328

第9章 案例研究 330

9.1 简介 330

9.2 案例1：长的农村馈线 330

9.2.1 性能评估 330

9.2.2 人员时间节省 331

9.2.3 网络性能和罚款 332

9.3 案例2：大型城市网络 334

9.3.1 预备分析：人员时问节省 335

9.3.2 预备分析：网络性能 337

9.3.3 成本节省的总结 343

9.3.4 SCADA/DMS的成本 343

9.3.5 成本收益和回收期 344

9.3.6 结论 345

词汇表 346

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