配电网作为电力系统的重要组成部分直接面向用户，其运行状态直接影响电力用户的供电质量和可靠性。随着智能电网建设的深入推进，配电自动化成为提升配电网智能化水平的关键技术之一。配电自动化通过采用先进的传感、通信、控制和信息技术，实现配电网的状态监测、故障诊断、自动隔离与恢复等功能，从而提高配电网的运行效率和可靠性。

1、配电自动化的关键技术

1.1 配电自动化主站系统

配电自动化主站系统是整个配电自动化体系的核心枢纽，承担着数据采集、处理、存储、分析和控制指令下发等重要功能。主站系统通常由多个子系统协同工作，构成一个综合性的管理平台。其中，数据采集与监控系统（SCADA）负责实时监控配电网的运行状态，采集各种测量数据和开关状态信息，为运行决策提供基础数据支撑；配电管理系统（DMS）则基于采集的数据进行深度分析和智能决策，实现负荷预测、无功优化、故障定位等高级应用功能；地理信息系统（GIS）提供配电网的地理空间信息，支持网络拓扑分析和可视化展示，便于运维人员直观掌握网络状况。此外主站系统还包括配电网络分析系统、电能质量监测系统、用电信息采集系统等专业模块以满足不同层面的管理需求[1]。

主站系统采用分布式架构，通过高性能服务器集群和大容量存储设备确保海量数据的实时处理和长期存储。系统软件采用模块化设计，各功能模块之间通过标准接口实现数据交换和功能协作，具有良好的可扩展性和互操作性。主站系统的人机界面采用图形化设计，结合GIS技术，以配电网络拓扑图、设备状态图、统计报表等多种形式直观展现系统运行状况，支持运行人员进行监视、分析和控制操作。

1.2 配电终端

配电终端是实现配电网络状态监测、故障检测和远程控制的关键设备。常见的配电终端包括馈线终端单元（FTU）、配电变压器终端单元（TTU）和配电自动化开关（FAS）等。FTU通常安装在配电线路的关键节点，如分段开关、联络开关处，用于采集线路电压、电流、功率、功率因数等电气参数，并具备遥测、遥信、遥控等功能。FTU采用高精度的传感器和数据采集模块，确保测量数据的准确性和实时性；同时FTU还集成了故障检测算法，能够快速检测线路短路、接地等故障并向主站报告故障信息。TTU主要安装在配电变压器处，用于监测变压器的运行状态和负荷情况，包括变压器温度、油位、负载率等参数。TTU的应用可以实现变压器的状态监测和预防性维护，延长设备寿命并提高运行可靠性。FAS是具有遥控功能的智能开关，可以实现故障隔离和供电恢复。FAS通常采用真空断路器或SF6断路器作为开断设备，配备电动操作机构和控制单元，可以接收主站的遥控命令执行分合操作[2]。另外FAS还具备过流保护、零序保护等本地保护功能，能够在通信中断时自主进行故障隔离。

配电终端采用模块化设计，便于现场安装和维护。终端设备具备强大的数据处理能力和本地存储功能，可以在通信中断时保存重要数据。为适应恶劣的户外环境，配电终端采用高防护等级的外壳设计，具备防雷、抗电磁干扰等特性，确保在各种恶劣条件下可靠工作。

2、通信系统

2.1 通信网络架构

配电自动化通信系统采用多层次、多媒体的网络架构以满足不同层级、不同区域的通信需求。通常该架构包括骨干网、接入网和现场网三个层次。骨干网作为整个通信系统的核心，采用高带宽、高可靠性的光纤通信网络，实现主站与区域控制中心之间的数据传输。骨干网通常采用SDH或MPLS-TP等技术，构建环形或网状拓扑结构，保证数据传输的可靠性和实时性。接入网负责将分散在各个区域的配电终端接入骨干网，是连接主站系统和现场设备的桥梁。接入网可以根据实际情况灵活选择通信方式，常用的技术包括光纤通信、无线通信（如4G/5G、Lo Ra）、电力线载波通信等，在城市密集区域可以优先选用光纤通信，利用EPON/GPON等技术实现大容量、高速率的数据传输；在偏远农村地区采用无线通信技术克服地理环境的限制。现场网主要用于配电终端与各类传感器、执行器之间的通信，对实时性和可靠性要求较高。常用的现场网技术包括RS-485、CAN总线、工业以太网等。为提高系统的可靠性和灵活性，通信网络架构通常采用多路由、多冗余的设计方案，例如，在骨干网和接入网之间设置多个汇聚节点并采用双环网结构，确保在单点故障情况下仍能保持通信。此外，还需要考虑网络安全问题，通过防火墙、加密技术等手段保护敏感数据和控制指令的安全传输。

2.2 通信协议

为保证配电自动化系统各个部分之间的互操作性，需要采用标准化的通信协议。在配电自动化领域，常用的通信协议包括IEC60870-5-101/104、IEC61850等。IEC60870-5-101/104协议是专为电力系统远程控制设计的通信规约，广泛应用于SCADA系统中。101协议主要用于串行通信，而104协议则是基于TCP/IP的改进版本，支持以太网通信，这两种协议都支持平衡式和非平衡式数据传输，具有数据压缩、时间同步等功能，适用于配电自动化系统的远程通信。DNP3协议最初由北美电力公司开发，现已成为国际标准。DNP3协议具有高效、可靠的特点，支持事件驱动的数据传输方式，能有效减少通信流量。该协议还支持数据分类传输和数据质量标识，适用于配电自动化系统的各个层级[3]。IEC61850协议最初是为变电站自动化设计的通信标准，目前正逐步推广应用到配电自动化领域。IEC61850采用面向对象的建模方法，定义了标准化的数据模型和服务，支持设备即插即用。该协议还引入了GOOSE和SMV等高速通信机制，可以满足配电自动化系统对实时性的要求。在实际应用中，往往需要根据系统规模、通信需求和设备兼容性等因素选择合适的通信协议，有时还需要在不同协议之间进行转换以实现系统的互联互通，如表1所示。为此可以采用协议转换网关或多协议集成的通信单元灵活适应不同场景的需求。随着物联网技术的发展，一些新型通信协议如MQTT、Co AP等也开始在配电自动化领域得到应用，为系统的轻量化和可扩展性带来新的机遇。

表1 三种主要的配电自动化通信协议对比

3、配电网络拓扑分析与故障定位技术

3.1 配电网络拓扑分析

配电网络拓扑分析的主要步骤包括数据采集、拓扑模型建立、拓扑识别算法设计和拓扑分析结果应用。首先，需要收集配电网的静态信息（如线路参数、设备额定容量）和动态信息（如开关状态、测量数据）。其次，基于收集的数据建立配电网的拓扑模型。通常采用图论中的节点-边模型来描述网络结构。再次，设计拓扑识别算法。常用的算法包括深度优先搜索算法、广度优先搜索算法和矩阵运算法等，这些算法通过分析开关状态和连接关系，确定当前网络的实际运行拓扑。最后，将拓扑分析结果应用于各种高级应用功能如状态估计、故障定位、负荷分配等。

在实际应用中，配电网络拓扑分析面临的主要挑战包括数据质量问题、大规模复杂网络的计算效率问题以及动态拓扑变化的实时跟踪问题。为此研究人员提出了一些改进方法，如采用分布式计算技术提高大规模网络的分析效率、利用人工智能技术提高拓扑识别的准确性和鲁棒性。另外，随着配电网向智能化、互动化方向发展，拓扑分析还需要考虑分布式电源、电动汽车充电站等新型负荷的影响，这为拓扑分析技术的进一步发展提出了新的要求[4]。

3.2 故障定位技术

快速准确的故障定位是提高配电网供电可靠性的关键。配电自动化系统采用多种故障定位技术，主要包括基于故障指示器的定位方法、基于暂态信号分析的定位方法和基于人工智能的定位方法。基于故障指示器的定位方法通过在线路关键节点安装故障指示器，结合拓扑分析快速确定故障区段。这种方法实施简单、可靠性高但精确度受故障指示器安装密度的限制。基于暂态信号分析的定位方法利用故障瞬间产生的高频暂态信号，通过时差定位或行波测距等技术确定故障点。这种方法定位精度高，但对设备要求较高且易受噪声干扰。常用的暂态信号分析技术包括行波法、谐波分析法等。基于人工智能的定位方法采用神经网络、支持向量机、模糊逻辑等人工智能技术，结合历史故障数据和当前系统状态实现故障类型识别和位置估计。这种方法具有自学习能力，可以不断提高定位精度，但需要大量历史数据支持。

在实际应用中，往往需要综合运用多种故障定位技术以提高定位的准确性和可靠性。例如，可以先利用故障指示器快速缩小故障范围，然后结合暂态信号分析和人工智能方法进行精确定位。

4、配电网自愈技术

4.1 自愈控制策略

配电网自愈技术的目标是在故障发生后通过自动化手段快速隔离故障并恢复非故障区域的供电，最大限度地减少停电范围和持续时间。自愈控制策略通常包括故障检测与定位、故障隔离、供电恢复和系统恢复等4个主要步骤。首先，故障检测与定位阶段利用配电终端采集的数据和故障定位技术快速确定故障位置。这一过程会综合运用如过流保护、方向保护、距离保护等多种技术提高定位的准确性和可靠性。其次，故障隔离阶段通过远程控制或就地控制操作故障区域两侧的开关设备，将故障段隔离。这一步骤需要考虑网络拓扑结构和保护配合，确保隔离操作的正确性和安全性[5]。再次，供电恢复阶段根据网络拓扑和负荷情况制定最优的供电恢复方案。这涉及联络开关或分段开关的操作以及负荷转移和平衡。在制定恢复方案时需要综合考虑供电可靠性、电压质量、设备负载能力等多个因素。最后，在故障修复后将系统恢复到正常运行状态。这包括恢复原有的网络拓扑结构、调整保护整定值等操作。

自愈控制策略的实施过程需要考虑配电网的实际运行特点，如负荷动态变化、分布式电源接入等因素，以确保自愈过程的有效性和可靠性。同时自愈控制策略还需要与其他配电自动化功能协调配合，如电压无功优化、负荷管理等，以实现配电网的整体优化运行。

4.2 自愈算法

配电网自愈算法的主要任务是在故障发生后快速生成最优的故障隔离和供电恢复方案。常用的自愈算法有基于图论的自愈算法、启发式搜索算法和多智能体协同决策算法等。基于图论的自愈算法将配电网络抽象为图结构，利用最小生成树、最短路径等图论算法快速搜索最优的供电恢复方案。这类算法计算速度快，适用于实时控制，但可能难以考虑复杂的约束条件。启发式搜索算法采用遗传算法、蚁群算法、粒子群优化等智能优化方法，在满足各种约束条件的前提下寻找最优的自愈方案。这类算法能够处理复杂的优化问题但计算时间较长，需要针对实际应用进行算法优化[6]。多智能体协同决策算法将配电网划分为多个自治区域，每个区域由一个智能代理负责，通过代理之间的协商和博弈实现全局最优的自愈控制。这种分布式决策方法具有良好的可扩展性和鲁棒性，适用于大规模配电网的自愈控制。

在实际应用中，自愈算法需要考虑多个目标和约束，如最小化停电损失、平衡负荷分配、满足电压约束等。此外还需要具备实时性和适应性，能够快速响应网络状态变化并生成可执行的控制方案。

5、应用案例分析

5.1 国外应用案例

美国Duke Energy公司的自愈系统是配电自动化应用的典型案例。Duke Energy在北卡罗来纳州和南卡罗来纳州部署了大规模的配电自动化系统，覆盖约200万用户。该系统采用分布式智能控制架构，通过安装智能开关和故障指示器实现故障快速隔离和供电恢复。系统的核心是自愈控制器，能够在故障发生后迅速分析网络拓扑，制定最优的供电恢复方案。Duke Energy还在关键节点安装了电容器组和调压器，通过自动调节无功功率和电压提高配电网的运行效率。系统投运后平均故障持续时间指数（SAIDI）降低了29%，客户平均停电频率指数（SAIFI）降低了15%，年度减少停电时间超过100万h。

另一个值得关注的案例是法国ERDF公司（现更名为Enedis）的Linky智能电表项目。ERDF公司在法国全国范围内部署了约3 500万只Linky智能电表，构建了覆盖全国的高级测量基础设施（AMI）。Linky系统不仅实现了远程抄表和用电信息分析，还支持配电网状态监测和故障定位，为配电自动化提供了重要支撑。智能电表能够检测电压异常、断相等故障并快速向主站报告，有助于提高故障定位的速度和准确性。此外Linky系统还支持需求响应和分布式能源管理，为建设智能配电网奠定了基础。项目实施后，ERDF公司的运营效率显著提升，年均节省运营成本约7亿欧元。

这些国外案例展示了配电自动化技术在提高供电可靠性、优化网络运行和改善客户服务方面的巨大潜力。

5.2 国内应用案例

国家电网江苏省电力公司的配电自动化示范工程是国内配电自动化应用的成功案例。江苏省电力公司在苏州、无锡等地建设了配电自动化示范工程，覆盖约500万用户。该工程采用“主站+子站+终端”的三级架构，实现了配电网可视化监控、故障自动隔离与恢复等功能。在配电自动化主站部署了先进的配电管理系统（DMS），集成了配电网分析、故障处理、负荷管理等多个功能模块。在现场层面安装了大量的智能开关、柱上断路器和故障指示器，提高了配电网的可观测性和可控性。工程还采用了基于北斗卫星的时间同步系统，确保全网数据的时间一致性，通信系统采用光纤和无线相结合的方式构建了高可靠性的通信网络。

另一个具有代表性的案例是南方电网广东电网公司的智能配电房项目。广东电网公司在广州、深圳等地建设了一批智能配电房，采用模块化设计和标准化接口，集成了配电自动化、在线监测、视频监控等多种功能。智能配电房采用了智能化开关设备，如真空断路器、负荷开关等，实现了设备状态的实时监测和远程操控；同时配备了温度湿度、局部放电等多种传感器，对配电设备进行全方位监测。通过配电自动化系统，智能配电房能够实现故障自动隔离、非故障区域快速恢复供电等功能。项目还应用了大数据分析技术对设备运行状态进行智能诊断和预测性维护。智能配电房的应用显著提高了配电设备的运行可靠性和管理效率，为配电网智能化升级提供了有益探索。

这些国内案例展示了配电自动化技术在我国电网现代化进程中的重要作用，为进一步推广应用积累了宝贵经验。

6、结语

配电自动化作为智能电网的重要组成部分，在提高供电可靠性、优化资源配置、提升能源利用效率等方面发挥着越来越重要的作用。通过对配电自动化关键技术的分析和应用案例的研究可以看出，配电自动化技术已经取得了显著的进展和应用成效。未来随着人工智能、大数据、物联网等新兴技术的不断发展，配电自动化将向更智能、更精准、更高效的方向演进。同时配电自动化还需要进一步加强标准化建设、提高系统互操作性、增强网络安全防护能力以应对日益复杂的配电网运行环境和用户需求。

参考文献:

[1]吴小佳.试析配电自动化技术在智能电网中的应用[J].中国高新科技,2024(7):67-69.

[2]卢夏,陈斌雷,徐慧玲.配电自动化技术在智能电网中的应用分析[J].网络安全和信息化,2023(11):86-88.

[3]黄政宇.智能电网中的配电自动化技术应用[J].电子技术,2023,52(8):170-171.

[4]詹思敏.配电自动化终端电气性能检测技术研究[J].电子质量,2023(6):52-56.

[5]刘鹏,贾钘楠,余畅,等.智能电网中的新型配电自动化系统应用[J].集成电路应用,2023,40(2):148-149.

[6]李颖敏,杨杨.智能电网中配电自动化技术的研究[J].现代工业经济和信息化,2022,12(10):55-56.

文章来源:陈继盟.智能电网中配电自动化关键技术与应用案例分析[J].中阿科技论坛(中英文),2024,(11):55-59.