基于網(wǎng)荷終端的用戶低壓負荷緊急控制

陸玉軍, 李 澄, 江紅成,劉海波, 陳 顥, 葛永高, 王伏亮

(1. 江蘇方天電力技術(shù)有限公司,江蘇 南京 211102;2. 國網(wǎng)南通供電公司,江蘇 南通 226001;3. 東南大學電氣工程學院,江蘇 南京 210096)

0 引言

特高壓直流發(fā)生雙極閉鎖故障時引起的受端電網(wǎng)功率缺額、頻率穩(wěn)定問題更為突出,采用調(diào)控緊急切負荷仍是確保電網(wǎng)安全運行的重要手段,但以110 kV線路為控制對象的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)集中切負荷方式,易觸發(fā)企業(yè)生產(chǎn)事故,造成大面積的用戶損失和不利的社會影響[1-5]。

針對這一問題,江蘇電網(wǎng)根據(jù)大用戶負荷控制和需求響應的實施經(jīng)驗,結(jié)合專變用戶負控終端升級、負荷精細化采集、能效監(jiān)控和負荷快速控制的多重需求,率先開展了大規(guī)模用戶、電網(wǎng)、電源友好互動系統(tǒng)的研究和建設(shè),通過在大型電力用戶側(cè)安裝網(wǎng)荷終端,采用光纖以太網(wǎng)通信,實現(xiàn)了用戶負荷的精細化采集和可切負荷快速精準控制[6-13]。首期在全省實施了1000多戶大型用戶負荷分路快速控制,監(jiān)測可控負荷達到了3500 MW,主要集中于用戶廠內(nèi)的35 kV/20 kV/10 kV電壓等級。

對于用戶低壓負荷中有重要生產(chǎn)負荷,如果被切除,會造成一定的損失或不利影響。為減少緊急切負荷對用戶的影響和實現(xiàn)負荷精準采集控制,本文提出了一種以用戶400 V低壓可切負荷為對象的負荷緊急控制方案,即基于用戶已安裝網(wǎng)荷終端,通過與低壓側(cè)網(wǎng)荷子單元通信,實現(xiàn)低壓負荷分散采集與精準可切。

1 網(wǎng)荷終端負荷緊急控制

網(wǎng)荷終端是在大型用戶專變終端基礎(chǔ)上開發(fā)的新型用戶終端,安裝于用戶變電所或配電房。支持用戶8～12路負荷出線電流和多段電壓接入,實現(xiàn)用戶可切負荷實時采集監(jiān)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(guī)的負荷管理功能,同時可接受主站的切負荷指令,支持實現(xiàn)電網(wǎng)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。終端與主站控制結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 網(wǎng)荷終端控制示意圖Fig.1 Grid-load terminal control diagram

目前現(xiàn)場接入終端的用戶側(cè)可切負荷分路大多集中在35 kV/20 kV/10 kV中壓側(cè),這類負荷采用通過電纜直接采集、終端開出跳閘的方式,使終端跳閘出口延遲最小。當發(fā)生電網(wǎng)故障時,可確保從調(diào)度主站發(fā)出控制指令,經(jīng)集中切負荷中心站,到網(wǎng)荷終端出口跳開負荷開關(guān)的整組時間在450 ms內(nèi)完成,滿足了毫秒級緊急切負荷的要求[11]。但在這些被控負荷線路下仍帶了若干個400 V負荷,由于未進一步細分,快切時部分重要的低壓負荷也一并被切除了,選擇對用戶低壓負荷直接控制,可以減少此種負荷快速控制對用戶造成的不利影響。

2 用戶低壓負荷特點及控制實現(xiàn)要求

用戶400 V負荷數(shù)量眾多且分散分布于廠區(qū)內(nèi),現(xiàn)場實現(xiàn)這些支路的負荷精細化采集和快速切除控制難度非常大。用戶廠區(qū)內(nèi)低壓負荷由配電房內(nèi)400 V支路供電,這些支路安裝相對集中、實施方便,實現(xiàn)這些負荷支路采集與控制仍是可行的。

2.1 用戶低壓負荷特點

2.1.1 分散式與集中式400 V負荷

用戶低壓負荷可分為兩類:一類是入戶電壓等級在35 kV以上總降變電所和配電房用戶,有一個變電所和多個配電房,終端安裝在變電所,變電所與配電房間的物理距離一般在數(shù)百米甚至上千米,400 V負荷線路分布在不同的配電房內(nèi),這類低壓負荷稱分散式400 V負荷。另一類是入戶電壓等級在35 kV以下的配電房用戶,終端安裝在配電房,低壓400 V負荷線路與終端在同一配電房內(nèi),物理距離不過百米,這類低壓負荷稱集中式400 V負荷。

2.1.2 400 V負荷性質(zhì)及可切量

用戶配電房內(nèi)有400 V支路少則30～40條,多則達百條,各支路實現(xiàn)了負荷細分,但用戶廠區(qū)內(nèi)400 V負荷受設(shè)計施工、生產(chǎn)管理、建造成本等眾多因素制約,多數(shù)支路在車間或用電設(shè)備側(cè)還設(shè)有下一級配電箱。這些支路的負荷,仍是輔助生產(chǎn)負荷(照明、空調(diào)、電梯、通風、供水)與主生產(chǎn)設(shè)備負荷(加熱、冷卻、變頻、水泵)的混合[14-15]。這些支路開關(guān)的額定電流在50～630 A不等,負荷支路額定電流與功率關(guān)系如表1所示。

表1 400 V支路額定電流與功率Tab.1 Rated current and power of 400 V branch

2.1.3 400 V負荷支路設(shè)備

400 V負荷支路開關(guān)設(shè)備安裝于低壓開關(guān)柜內(nèi),可為兩種:

(1) 抽屜柜式。低壓中小電流支路采用,每面柜由3～10個左右的抽屜組成,每個支路占用1個抽屜,抽屜內(nèi)采用塑殼空氣開關(guān),支路一般不帶電動操作機構(gòu),多數(shù)配一個B相電流互感器(CT)用于運行監(jiān)視、無開關(guān)位置輔助接點,實現(xiàn)遠程監(jiān)視控制不便。

(2) 固定柜式。400 V主變低壓總開關(guān)支路,或少數(shù)容量達到250 kV·A(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(guān),支路CT配置完整、開關(guān)位置有輔助觸點,部分支路甚至還配有智能儀表,實現(xiàn)遠程監(jiān)視控制方便。

2.2 實現(xiàn)低壓負荷控制的設(shè)備要求

實現(xiàn)400 V支路負荷控制,仍需具備實現(xiàn)采集和開關(guān)控制的條件基礎(chǔ)。固定柜安裝的支路設(shè)備已滿足這一要求,但多數(shù)抽屜柜安裝、塑殼空氣開關(guān)的負荷支路設(shè)備則需進行下述改造才能滿足。

2.2.1 開關(guān)改造

塑殼開關(guān)改造有:配置相應型號電動操作機構(gòu)或分勵脫扣器(MX)兩種方式,前者施工量較大、實施復雜、成本高,后者施工量小、實施簡單、成本低,選擇改造方式需結(jié)合現(xiàn)場實際情況進行。

2.2.2 負荷采集

負荷采集首先需為改造的支路配備三相完整的CT(或AC相CT),采集有兩種方式:一種是通過電纜直接接入支路CT回路,另一種是加裝智能儀表采集,通過串口通信上傳數(shù)據(jù)。前者實施簡單,后者需進行儀表裝配接線,實施較復雜。

3 低壓負荷采集控制方案及比較

3.1 低壓負荷采集控制方案

在前述控制條件基礎(chǔ)上,根據(jù)集中式和分散式400 V兩類負荷的特點,結(jié)合現(xiàn)場實施的工程量、控制的可行性、實現(xiàn)的經(jīng)濟性等因素,低壓負荷控制可以采用下述的3種采集控制方案。

3.1.1 電纜直采直跳方案

電纜直接采集電流電壓,終端跳閘出口經(jīng)電纜跳低壓開關(guān),該方案與目前接入網(wǎng)荷終端的中壓側(cè)負荷基本一致。對于集中式400 V負荷,終端與低壓負荷出線都位于一個配電房內(nèi),400 V負荷與終端間距離較近,一般采用該方案。

3.1.2 主從終端方案

對于終端位于變電所內(nèi),400 V負荷則位于另外的某個配電房內(nèi)的分散式400 V負荷,400 V負荷與終端間電纜距離會長達數(shù)百米甚至上千米,且可能會分布在多個配電房內(nèi),考慮采用如下圖所示的主從終端通信控制方案,在用戶每個配電房內(nèi)增加1臺終端,400 V負荷線路通過電纜接入從終端實現(xiàn)采集與控制,主終端與從終端間經(jīng)光纖通信實現(xiàn)負荷功率采集和跳閘命令傳輸。

圖2 主從終端方案Fig.2 Master-slave terminal scheme

3.1.3 網(wǎng)荷子單元方案

面向通用對象的變電站事件通信(GOOSE)是IEC 61850標準中定義的用于滿足變電站自動化系統(tǒng)快速報文通信傳輸,是具有嚴格時間指標、重發(fā)機制和有效性檢查的通信協(xié)議,其訂閱發(fā)布機制、高效的數(shù)據(jù)傳輸、功能分布化的特征,使其在變電站繼電保護領(lǐng)域中得到應用普遍[16-19]。

考慮終端通信標準化和采集數(shù)據(jù)及命令快速傳輸,開發(fā)了一種基于GOOSE規(guī)約通信的網(wǎng)荷子單元裝置。網(wǎng)荷子單元與終端間采用GOOSE通信傳輸負荷采樣數(shù)據(jù)和跳閘命令,與現(xiàn)場智能儀表間采用串口通信傳輸采樣的功率負荷數(shù)據(jù)和跳閘命令。

為實現(xiàn)低壓負荷的控制,需為每個接入低壓負荷的配電房配1個網(wǎng)荷子單元,同時配電房內(nèi)每個受控400V支路配1個智能儀表,如圖3所示。網(wǎng)荷子單元與智能儀表通信,采集數(shù)據(jù)上傳給終端,終端的跳閘命令通過網(wǎng)荷子單元下發(fā)至智能儀表,實現(xiàn)400 V負荷控制。

圖3 網(wǎng)荷子單元方案Fig.3 Grid-load sub-terminal scheme

3.2 控制方案分析比較

上述3種實現(xiàn)低壓可切負荷控制的方案各有利弊。電纜直采直跳方案簡單、但只適用于電纜長度較短的現(xiàn)場,分散式低壓負荷環(huán)境不適用;主從終端方案由于增加終端、安裝麻煩、實施成本高不適用于集中式低壓負荷,只適用于分散式現(xiàn)場。

表2從適用范圍、施工量、增加設(shè)備、施放光纜、終端程序升級、調(diào)試工作量、控制時延、靈活性、實施成本等方面進行了比較。

表2 控制方案比較Tab.2 Control scheme comparison

從表2中可以看出,網(wǎng)荷子單元方案可以適用于上述兩種用戶的各種現(xiàn)場,方案較靈活,可接入的用戶低壓負荷支路數(shù)擴展容易。如用戶已具備智能儀表,現(xiàn)場施工工作量可進一步減少,該方案僅在串口通信方面存在相應的延時。

4 低壓切負荷實現(xiàn)與改進

根據(jù)前述方案,采樣網(wǎng)荷子單元,終端GOOSE報文可在終端發(fā)出開關(guān)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?shù)目焖傩訹16]。

4.1 低壓切負荷試點

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

4.1.1 某10 kV配電房用戶

用戶實現(xiàn)400 V負荷快切的支路有4條,且配有智能儀表。通過升級終端程序,增加1個網(wǎng)荷子單元(裝于終端屏內(nèi)),建立與各智能儀表和終端通信,最終實現(xiàn)400 V負荷數(shù)據(jù)采集和開關(guān)控制。

現(xiàn)場采用該方案的優(yōu)勢是僅增加1個網(wǎng)荷子單元就實現(xiàn)了多個400 V負荷分路的控制,利用用戶設(shè)備減少了很多現(xiàn)場施工和調(diào)試工作量。

4.1.2 某35 kV變電所用戶

用戶有4條可切400 V負荷位于獨立的配電房內(nèi),與終端距離超過800 m。通過在用戶廠區(qū)內(nèi)敷設(shè)光纜,升級終端程序,在配電房內(nèi)增加1個網(wǎng)荷子單元和4個智能儀表,建立了網(wǎng)荷子單元與智能儀表、終端間通信,最終實現(xiàn)400 V負荷的數(shù)據(jù)采集和開關(guān)控制。

現(xiàn)場采用該方案的優(yōu)勢是省去了在用戶廠區(qū)內(nèi)的大量電纜敷設(shè)施工,且能靈活適應今后可切負荷支路的擴充。

4.2 低壓緊急控負荷改進

4.2.1 前述方案不足

網(wǎng)荷子單元方案雖在用戶進行了試點,但在緊急切負荷方面,仍存在如下不足:

智能儀表只支持串口RS 485半雙工通信,采用波特率為9600通信時,報文的傳輸和程序處理延遲約100～200 ms,當一個網(wǎng)荷子單元帶有n個支路的智能儀表時,由此導致的最大切負荷時延將達到200nms(加上前述固定時間,累計時間會超出1 s),已難以滿足毫秒級緊急切負荷的時限要求[11]。

現(xiàn)場用戶配備的設(shè)備,由于不需控制,部分用戶安裝的智能儀表不帶開出接口(或無出口模件),通過通信無法實現(xiàn)對負荷開關(guān)的控制。

4.2.2 網(wǎng)荷子單元直接跳閘

鑒于前述方案仍難以滿足毫秒級緊急切負荷系統(tǒng)嚴苛的時限要求,且網(wǎng)荷子單元與智能儀表間安裝在同一個配電房內(nèi),兩者之間距離較近,將網(wǎng)荷子單元作如下改進:配置獨立開出接口4～8路,通過電纜實現(xiàn)網(wǎng)荷子單元的直接跳閘控制。

改進后方案如圖4所示,支路負荷仍通過串口采集,開關(guān)控制則是當終端接收到主站切負荷命令后發(fā)出GOOSE跳閘報文,網(wǎng)荷子單元接收報文后直接發(fā)出開出跳閘命令,控制開關(guān)跳閘。改進后的控制時延由GOOSE通信的報文傳輸和處理延遲決定,與接入控制的負荷支路數(shù)量無關(guān)。

圖4 網(wǎng)荷子單元跳閘方案Fig.4 Grid-Load sub-terminal trip scheme

網(wǎng)荷子單元兩種控制方式比對試驗測試結(jié)果如圖5所示,當接入支路從1個增加到6個時,串口控制的延時增加明顯,而直接跳閘控制的延時基本沒有增加,且多路負荷全部跳閘時由網(wǎng)荷子單元產(chǎn)生的延遲總時間最大不超過30 ms[16-17]。因此采用此改進的低壓負荷控制方案可確保400 V負荷毫秒級緊急控制的實現(xiàn),同時現(xiàn)場的施工工作量增加不多。

圖5 網(wǎng)荷子單元串口與跳閘控制延時對比Fig.5 Delay comparison between serial control mode and trip control mode

5 結(jié)語

本文針對現(xiàn)場實現(xiàn)400 V可切負荷快速控制的需要,結(jié)合已安裝于用戶的網(wǎng)荷終端,提出了適應集中式和分散式400 V負荷的幾種實現(xiàn)解決方案。利用GOOSE通信快速傳輸機制,現(xiàn)場試點實現(xiàn)了網(wǎng)荷子單元的控制方案,并針對串口通信的多支路延時積累效應問題,提出了一種改進的帶跳閘出口的網(wǎng)荷子單元方案,該方案具有延時小、動作快的特點,可滿足現(xiàn)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(jīng)濟性。

參考文獻：

[1] 李明節(jié). 大規(guī)模特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)特性分析與運行控制[J].電網(wǎng)技術(shù),2016,40(4):985-991.

LI Mingjie. Characteristic analysis and operational control of large-scale hybrid UHV AC/DC power grids[J]. Power System Technology, 2016,40(4): 985-991.

[2] 徐泰山,李 峰,張建新,等. 各類緊急減負荷控制的在線風險評估和協(xié)調(diào)決策方案[J].電力系統(tǒng)自動化,2015,39(20):91-96.

XU Taishan, LI Feng, ZHANG Jianxin, et al. Online risk assessment and coordinated decision scheme for emergency load shedding control[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(20):91-95.

[3] 張執(zhí)超. 電力系統(tǒng)緊急狀態(tài)下切負荷控制策略研究[D]. 北京:華北電力大學,2014.

ZHANG Zhichao. Study on load shedding strategy for power system under emergency[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2014.

[4] 中華人民共和國國務院. 電力安全事故應急處置和調(diào)查處理條例[Z]. [2011-07-07].

State Council of the People's Republic of China. Electric safety accident emergency disposal and investigation and handling regulations[Z]. [2011-07-07].

[5] 李碧君,侯玉強. 緊急負荷調(diào)節(jié)用于安全穩(wěn)定緊急控制的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制,2016,44(11):104-110.

LI Bijun, HOU Yuqiang. Research of emergency load regulation for security and stability control[J]. Power System Protection and Control,2016,44(11):104-100.

[6] 劉旭生,何 穎,吳潤澤,等. 面向智能電網(wǎng)雙向互動信息服務的通信組網(wǎng)方案設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程,2011,19(23):78-82.

LIU Xusheng,HE Ying, WU Runze, et al. Communication network scheme of bidirectional interaction information service system in smart grid[J]. Electronic Design Engineering,2011,19(23):78-82.

[7] 馬琎頡,徐正安. 特高壓直流滿功率故障負荷控制策略研究[J]. 電力需求側(cè)管理,2015,17(5):44-48.

MA Jingjie, XU Zhengan. The research on load control strategy during UHVDC transmission system full power block fault[J]. Power Demand Side Management,2015,17(5):44-48.

[8] 韓 冰,孫世明,趙家慶,等. 適應特高壓直流閉鎖故障處置的批量負荷快速控制關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2016,40(17):177-183.

HAN Bing, SUN Shiming, ZHAO Jiaqing, et al. Key technologies for high speed batch control of load dispatching adapt to block fault disposal of UHVDC transmission system[J]. Automation of Electric Power Systems. 2016, 40(17):177-183.

[9] 李虎成,袁宇波,張小易,等. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)下的受端大電網(wǎng)柔性控制策略探討[J]. 江蘇電機工程,2016,35(3):10～12.

LI Hucheng, YUAN Yubo, ZHANG Xiaoyi, et al. The flexible control strategy study of receiving end large power grid under global energy connection[J]. Jiangsu Electrical Engineering, 2016, 35(3):10-12.

[10] 夏 飛,鮑麗山,王紀軍,等. 源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)通信組網(wǎng)方案介紹[J].江蘇電機工程,2016,35(6):65-69.

XIA Fei, BAO Lishan, WANG Jijun, et al. Introduction of communication network scheme for source-grid-load friendly interaction system[J]. Jiangsu Electrical Engineering, 2016, 35(6):65-69.

[11] 羅建裕,李海峰,江葉峰,等. 基于穩(wěn)控技術(shù)的源網(wǎng)荷友好互動精準負荷控制系統(tǒng)[J]. 電力工程技術(shù),2017,36(1):25-29.

LUO Jianyu, LI Haifeng, JIANG Yefeng, et al. Source network load friendly interactive and precise load control system based on stability control technology[J]. Electric Power Engineering Technology, 2017, 36(1): 25-29.

[12] 呂志鵬. 虛擬同步機技術(shù)構(gòu)建“源-網(wǎng)-荷”友好互動新模式[J]. 供用電,2017,34(2):32-34.

LYU Zhipeng. New pattern of source-grid-load friendly interaction based on virtual synchronous machine technology[J].2017,34(2):32-34.

[13] 肖 雄，劉 治. 基于負荷管理終端的電能質(zhì)量監(jiān)測研究與分析[J]. 廣東電力，2016，29(2)：85-89.

XIAO Xiong, LIU Zhi. Research and analysis on electric energy quality monitoring based on load management terminal[J]. Guangdong Electric Power，2016，29(2)：85-89.

[14] 熊德智,粟忠民,黃志剛. 特大型專變客戶負荷控制方案優(yōu)化[J]. 電力需求側(cè)管理,2013,15(4):24-26.

XIONG Dezhi, SU Zhongmin, HUANG Zhigang. Load control scheme optimization of oversize special transformer customer[J]. Power Demand Side Management,2013,15(4):24-26.

[15] 顏慶國,陳 霄,易永仙. 有序用電用戶負荷特性分析方法研究[J].江蘇電機工程,2014,33(6):48-50.

YAN Qingguo, CHEN Xiao, YI Yongxian. Load property analysis method for demanders participating orderly power utilization[J]. Jiangsu Electrical Engineering,2014,33(6):48-50.

[16] DL/T 860.81—2006 變電站網(wǎng)絡通信和系統(tǒng) 第8-1部分:特定通信服務映射(SCSM)對MMS及ISO/IEC 8802-3的映射[S]. 2006.

DL/T 860.81—2006 Communication networks and systems in substations-Part 8-1:Specific Communication Service Mapping(SCSM)-mapping to MMS and to ISO/IEC 8802-3[S]. 2006.

[17] 范建忠,馬千里. GOOSE通信與應用[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2007,31(19):85-90.

FAN Jianzhong, MA Qianli. GOOSE and its application[J]. Automation of Electric Power Systems,2007,31(19):85-90.