源網荷用戶400 V緊急切負荷控制的實現

陸玉軍，李 澄，王 寧，陳 顥，葛永高

（江蘇方天電力技術有限公司，南京 211102）

源網荷用戶400 V緊急切負荷控制的實現

陸玉軍，李 澄，王 寧，陳 顥，葛永高

（江蘇方天電力技術有限公司，南京 211102）

目前源網荷用戶的可切負荷集中在10 kV以上，在緊急切除用戶中壓側負荷的同時也把很多重要的低壓400 V負荷切除了，對用戶生產仍造成了一些不利的影響。為此，根據現場400 V負荷設備的采集控制要求，提出了符合現場用戶特點的設備改造負荷接入方案。針對400 V負荷精細化采集和快速控制的需求，兼顧工程實施的可行性和經濟性，設計開發了一種基于GOOSE通訊的網荷子單元的400 V負荷快切方案，并完成了現場用戶試點實施。根據應用效果，對網荷子單元進行了改進，使400 V負荷的切除延時減少到最小，滿足了切負荷的快速性要求。

緊急切負荷；源網荷；電力用戶；負荷控制

源網荷緊急切負荷系統是針對特高壓電網故障時受端電網頻率穩定出現異常的一個負荷快速控制、保證系統頻率穩定的手段，在系統頻率降低時，要求數百毫秒內完成負荷的快速切除，亦稱毫秒級切負荷[1-5]。首期建設在蘇州地區實施了700戶毫秒級快速切負荷，實現了100萬kW可切負荷的目標。這些被快速切除的負荷大多集中于用戶廠區內的35 kV/20 kV/10 kV電壓等級，在這些接入的可切負荷線路下仍帶了多個低壓負荷，由于無法徹底細分，快切時也一并被切除了。對有些用戶，這部分被切除的低壓負荷，仍是相對重要的生產負荷，由此導致的生產中斷或工藝次品仍會對用戶造成一定的損失或不利影響[6-7]。

如果對用戶400 V負荷直接控制，可以減少當前這種直接快速切除中壓側負荷造成的不利影響，但用戶400 V負荷數量眾多且分散分布于廠區內，實現這些支路的負荷精細化采集和快速切除控制難度很大。通過負荷調研發現，用戶廠區內低壓負荷由配電房內400 V支路供電，這些支路安裝相對集中，實現這些支路負荷采集與控制基本是可行的[8-11]。因此，提出了以用戶已安裝的快速切負荷終端為中心，通過其與子單元通信，實現低壓負荷分散采集與控制的方案，可有效地解決用戶400 V負荷快速精細化控制。

1 400 V負荷設備及采集控制要求

專用變壓器（以下簡稱專變）用戶都配有專用的電房，根據生產規模、用電容量、電壓等級主要分為總降變電所用戶和配電房用戶，前者有1個（或多個）變電所和若干個配電房，400 V負荷數量相對較多；后者僅有1個配電房，400 V負荷數量相對較少。這2類用戶的400 V負荷線路都集中于配電房內。

1.1 400 V負荷設備類型

400 V負荷線路的開關設備安裝于配電房的低壓開關柜內，現場在用的開關設備有抽屜柜式和固定柜式2種。

抽屜柜式：低壓小電流支路采用，每面柜由3～10個抽屜組成，每個支路占用1個抽屜，抽屜內采用塑殼空氣開關，支路一般不帶電動操作機構，多數配1個B相TA（電流互感器）用于運行監視、無開關位置輔助接點，不經改造無法實現遠程控制。

固定柜式：400 V主變壓器（以下簡稱主變）低壓總開關支路，或少數容量達到250 kVA（或額定電流達400 A）以上的支路采用，配備框架式低壓萬能開關，與此對應的是支路TA配置完整、開關位置有輔助觸點，部分支路甚至還配有智能儀表，實現遠程監視控制方便。

1.2 400 V負荷采集控制

低壓負荷電壓等級低、負荷電流小，支路負荷功率相對較小；抽屜柜安裝并采用塑殼空氣開關的用戶400 V負荷線路基本不能滿足遠程監視及控制需要，需要進行負荷采集和控制改造。

數據采集方面：需為改造的支路配備三相完整的TA（或AC相TA），確保可通過TA實現負荷功率采集。負荷接入可采用電纜或用智能儀表采集，后者是在抽屜柜內配備1只智能儀表，將TA二次輸出和電壓接入智能儀表，然后通過其采集后，經串口通信上傳數據。

開關改造方面，可通過2種方式實現遠程控制：一是為塑殼開關配置相應的電動操作機構，此類機構是開關廠家提供的同類型設備配套附件，需要針對不同廠家、不同型號規格的開關定制；二是為塑殼開關配備MX（分勵脫扣器），分勵脫扣是目前實行塑殼開關遠程跳閘控制的一個簡單實現方式，需在塑殼開關內安裝一個脫扣配件。

2 400 V負荷采集控制方案

2.1 網荷終端

網荷終端是在大型用戶專變終端基礎上開發的新型用戶終端，安裝于用戶變電所或配電房。終端支持用戶8～12路負荷出線電流和多段電壓接入，實現用戶可切負荷實時采集監測；終端同時具有豐富的通信接口，支持與主站實時通信上傳用戶實時負荷和精準可切負荷；終端不僅具備常規的負荷管理功能，同時可接受主站的切負荷指令，支持實現電網應急響應控制要求的毫秒級緊急負荷控制和秒級快速負荷控制[6-7]。網荷終端板件結構如圖1所示。

圖1 網荷終端板件結構

安裝在變電所控制室或配電房開關室的網荷終端，一般通過電纜接入負荷線路的電壓、電流和開關位置信息，輸出控制開關。安裝于變電所的終端接入的負荷線路都是6 kV以上電壓等級的負荷，而安裝于配電房的終端可以接入少部分400 V低壓負荷。

考慮快速負荷控制的要求，一般不采用與用戶監控系統通信的方式采集負荷數據和實現分路開關控制，因為此方式有較大的通信延遲，不同監控系統通信規約不統一、難以實現標準化。

2.2 400 V負荷采集控制方案

對于配電房內安裝的網荷終端，400 V負荷線路與終端在同一配電房內，物理距離不過百米，采用電纜將400 V負荷接入仍是可行的。但對于變電所安裝的網荷終端而言，與配電房間的物理距離在數百米或上千米，此時采用電纜控制主要存在以下問題：現場施工量大、接線復雜；控制電纜過長導致采集的電流存在一定的偏差影響功率采集的精確性；控制開關跳閘的電纜過長也會導致開關控制失效，甚至引起開關誤動。

對于變電所安裝的網荷終端，與400 V負荷距離遠，可考慮采用多終端的光纖通信方案，但該方案需要為每個實現400 V負荷控制的配電房增加1臺終端，同時還要求配電房有相應的安裝空間，需完成終端程序的升級等工作，實現的難度較大，且難以實現標準化。

鑒于上述問題，考慮在用戶的每個配電房內增加1個網荷子單元，配電房內的每個受控400 V支路增加1個智能儀表。網荷子單元與智能儀表通信，采集數據后通過網荷子單元上傳給終端，終端的跳閘命令通過網荷子單元下發至智能儀表，實現400 V負荷采集與控制。方案如圖2所示。

圖2 網荷子單元方案

該方案適用于上述變電所和配電房2種類型用戶，網荷子單元由于體積小，無需額外安裝空間，可實現終端通信的標準化和采集數據及命令快速傳輸。利用GOOSE（面向通用對象的變電站事件）通信實現報文的快速傳輸，其訂閱發布機制、高效的數據傳輸、功能分布化的特征，可以實現若干條400 V負荷的采集和控制，同時還可實現網荷終端與任意個網荷子單元之間的通信連接和標準化配置。

該方案的核心是開發網荷子單元使其同時支持GOOSE通信及RS485通信，同時實現終端程序支持GOOSE通信，方案靈活可擴展，接入的負荷線路不受限制，適用于各種用戶現場，涉及的施工安裝工作量、通信調試和成本都較小。如果接入的用戶負荷線路已具備智能儀表，現場施工工作量可進一步減少。

2.3 網荷子單元設計

GOOSE是IEC 61850標準中定義的快速報文服務，以高速P2P通信為基礎，建立在網絡化通信基礎上的發布端到訂閱端的機制，定義了非常嚴格的時間指標，保證了通信傳輸的實時性能，而具有的重發和檢查機制確保了P2P通信的可靠性[12-13]。

網荷子單元作為負荷采集的通信設備，主要承擔終端的負荷精細化控制的擴展功能，要求其具有快速的通信機制和適應現場要求的標準通信和配置，因此選擇GOOSE服務作為與終端間的通信服務。網荷子單元與智能儀表通信采集400 V負荷線路的功率后，通過GOOSE將400 V負荷的采集數據上傳到網荷終端；接收終端的GOOSE低壓負荷線路控制命令，再以RS485通信傳到智能儀表，實現開關設備的跳閘控制。

網荷子單元結構如圖3所示。

圖3 網荷子單元結構與模塊

圖3左側為硬件板件框圖，由1塊ARM芯片（自帶1ETH、2串口外設）和相關的電源及輔助電路組成，為適應光纖通信，子單元配單模或多模光纖接口，結構簡潔，為了減少串口通信發送開出控制報文的延時，預留開出控制接口。

圖3右側為子單元程序結構，由以下模塊組成：GOOSE通信：由接收和發送2個獨立的任務構成；串口通信：每個串口作為1個獨立的任務，有2個串口任務；配置管理：主要實現串口配置、網絡地址及GOOSE訂閱發布配置；數據緩存：實現串口采集數的暫存或GOOSE接收跳閘指令的存儲。為保證GOOSE跳閘命令能得到快速處理，GOOSE接收任務優先級最高，優先響應處理，同時在有跳閘命令待出口時，串口中止當前的數據召測，立即執行輸出控制。

網荷子單元采用GOOSE通信，可以與任一支持GOOSE通信的廠家終端設備通信，同時控制的400 V負荷支路的數量可多達十多條，具有較強的適應性和控制靈活性。

3 400 V切負荷實現與改進

根據前述方案，開發了一種基于GOOSE規約通信的專用網荷子單元，與終端間采用GOOSE通信，與現場智能儀表間采用串口通信。采用GOOSE規約通信可極大地減少網荷子單元通信處理的延時，400 V負荷的控制延時基本由串口通信延時決定。GOOSE報文可在終端發出開關跳閘命令后立即傳輸，使跳閘命令的傳輸整體延遲達到最小，保證了命令傳輸的快速性[13-15]。

3.1 400 V切負荷實施

在蘇州地區挑選了2個典型用戶，利用網荷子單元實施了400 V負荷快速控制改造。

3.1.1 某10 kV配電房用戶

用戶實現400 V負荷快切的支路有4條，且都已配有智能儀表。通過升級終端程序，增加1個網荷子單元（裝于終端屏內），建立與各智能儀表和終端通信，最終實現400 V負荷數據采集和開關控制。

現場采用該方案的優勢是僅通過增加1個網荷子單元就實現了多個400 V負荷的控制，充分利用了用戶的設備，同時也減少了很多現場的電纜施工和回路調試工作量。

3.1.2 某35 kV變電所用戶

該用戶有4條可切400 V負荷位于獨立的配電房內，與終端距離超過800 m。通過在用戶廠區內敷設光纜，升級終端程序，在配電房內增加1個網荷子單元和4個智能儀表，建立網荷子單元與智能儀表、終端間通信，最終實現400 V負荷的數據采集和開關控制。

現場采用該方案的優勢是增加了1個網荷子單元和4個智能儀表，相應增加了智能儀表的安裝和內部配線等現場工作，省去了在用戶廠區內變電所與配電房間的大量電纜施工，以及用戶配電房內大量電纜的施工工作量，同時以后擴接負荷也較容易。

3.2 快速切負荷控制改進

3.2.1 前述方案的不足

前述方案雖已在用戶進行了試點實施，但在快速切負荷方面，仍存在一定的不足。

串口通信延遲大：智能儀表只支持串口RS485半雙工通信，采用波特率為9 600 bit/s通信時，報文的傳輸處理延遲約80～150 ms，當一個網荷子單元帶有4個以上的智能儀表時，會產生數百毫秒的切負荷延遲，難以滿足毫秒級快速切負荷的時限要求。

部分智能儀表不帶開出：為實現開關控制，智能儀表均需要帶開出接口，從現場用戶設備看，部分用戶安裝的智能儀表不帶開出接口，無法通過其實現對開關的控制。

3.2.2 子單元直接跳閘方案

鑒于前述方案在快速切負荷方面仍難以滿足現有的切負荷系統嚴苛的時限要求，且網荷子單元與智能儀表間安裝在同一個配電房內，兩者之間距離不過100 m，將現場的網荷子單元設計進行改進，增加網荷子單元開出接口8路，如圖4所示。通過電纜將其開出接入每個400 V負荷支路的開關跳閘回路中，實現網荷子單元的直接跳閘控制。

改進后方案如圖4所示，由于負荷在數百毫秒內變化不明顯，負荷線路功率采用串口采集負荷數據對實時功率影響不大。開關控制則是當接收到終端發出的跳閘命令報文后，由子單元直接輸出控制開關跳閘。因此，整個控制環節的延時由GOOSE通信的延遲機制決定，其輸出延遲非常小，經現場實測驗證，開發的網荷子單元的控制延遲不超過20 ms（包括報文的發送、接收、處理、輸出）。采用此改進方案可確保400 V負荷快速控制的實現，同時現場的施工工作量增加不多。

圖4 網荷子單元跳閘方案

4 結語

針對現場實現400 V負荷快速控制的需要，結合已安裝于用戶的網荷終端，提出了適應400 V用戶負荷快速控制的實現方案。利用GOOSE的快速通信機制，現場試點實現了網荷子單元的控制方案，并針對串口通信的延時問題，提出了一種改進跳閘出口的方案，該方案具有延時小、動作快的特點，可滿足現場所有用戶400 V負荷快速控制的要求，具有較好的實用性和經濟性。

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2017-06-02

陸玉軍（1972），男，高級工程師，從事電力自動化二次系統相關的研究開發與應用工作。

（本文編輯：張 彩）

Control Realization of Emergency Load Shedding of 400 V for Source-Network-Load Users

LU Yujun， LICheng， WANG Ning， CHEN Hao， GE Yonggao
（Jiangsu Frontier Electric Power Technology Co.， Ltd.， Nanjing 211102， China）

At present loads that can be shed for source-network-load users are generally of 10 kV or above.During emergency load shedding at medium voltage side，many important loads of 400 V are injected in the meantime，which brings adverse effect on production of users.According to the requirements on acquisition and control of field equipment with load of 400 V，the paper proposes a load access scheme for equipment transformation that fits field users.According to the needs of refined acquisition and fast control over loads of 400 V and giving attention to the construction feasibility and economy of the project，a fast shedding scheme for 400 V loads of network load subunit based on GOOSE communication is developed and trial implementation in field users is completed.On the basis of application effect，the network load subunit is improved to minimize shedding time delay of the load of 400 V to meet the requirement of fast load shedding.

emergency load shedding； source-grid-load； power user； load control

10.19585/j.zjdl.201710013

1007-1881（2017）10-0063-05

TM732

B