自愈控制系統在10 kV配電網中的設計要點分析

摘 要：電力系統造成用戶供電中斷等各類故障，90%發生在配電系統中。要提高配電網安全性、可靠性，合理的配電網網架結構和可靠的電力設備是基礎，提高配電網管理水平的重要舉措之一就是在10 kV配網中應用自愈控制系統。為滿足松江新橋工業片區的供電需求以及實現世界一流城市配電網建設的目標，上海臨港松江高科技發展有限公司工程中的10 kV配電網采用了10 kV雙環網網架結構并配置10 kV自愈控制系統，現對自愈控制系統在10 kV配電網中的應用及相關設計要點進行了分析總結。

關鍵詞：自愈控制;潮流分析;差動保護;整定計算

0? ? 引言

10 kV配電網是電網的重要組成部分，也是保障電力“配得下、用得上”的關鍵環節。因配電網直接面對終端用戶，其故障會導致生產的電能無法輸送給用戶，進而引起用戶供電中斷。國家能源局印發的《配電網建設改造行動計劃（2015—2020年）》[1]明確要求：“到2020年，中心城市（區）智能化建設和應用水平大幅提高，供電可靠率達到99.99%，供電質量達到國際先進水平。”自愈通常是指生命體排除外在或內在對人體和其他生命體的侵害，修復已經造成的損害，達成生命延續的過程。用于配電網則指在不需要外在干預的條件下，自動進行電能轉供、定位故障、隔離故障、恢復供電，且對電網的安全運行與供電質量不產生影響，從而提高供電可靠性[2]。

為了滿足上海松江新橋工業片區的供電需求以及實現世界一流城市配電網建設的目標，消除松江新橋工業片區配電網的薄弱環節，同時也為了緩解35 kV徐塘站和110 kV廟三站供電倉位緊張的現狀，優化配電網網架結構，提升配電網的供電可靠性，松江高科項目新建了一組10 kV雙環網網架結構，并配置了10 kV自愈控制系統。

1? ? 10 kV雙環網網架結構及自愈系統配置

松江高科項目新建的這組10 kV雙環網網架結構，配置了10 kV自愈控制系統，共涉及5座10 kV開關站、1座35 kV變電站和1座110 kV變電站，即110 kV廟三站？圮10 kV新格開關站？圮10 kV云瀾開關站？圮10 kV之禾開關站？圮10 kV德脈開關站？圮10 kV啟迪開關站？圮35 kV徐塘站電纜網雙環網一組，自愈系統框架如圖1所示。

10 kV自愈系統采用縱聯電流差動保護原理實現故障定位，待其他保護裝置動作后對故障未隔離區域進行故障隔離，并采用系統自愈以及分段備自投實現非故障段失電負荷快速轉供。如圖1所示，系統按單環配置，即每個單環配置一臺自愈保護控制主機、兩臺線路終端和若干臺母線終端。各終端通過光纖通信網絡和智能自愈保護控制主機相連，自愈保護主機通過以太網口和上位機相連。各智能采集控制終端通過無源光網絡的內部同步協議和主機時鐘同步，實現所有終端同步采樣，并通過可控無源光網絡實時上傳SMV和GOOSE信息、接收主機GOOSE信息;各智能終端通過無源光網絡和后臺實現104通信，各智能終端同時實現就地保護功能[3]。

10 kV自愈系統能夠完成完整的配網保護控制功能，包括線路縱差保護、非故障段負荷轉供、就地母線差動保護、分段備自投、故障解列、低頻低壓減載等;能夠完成對進線、出線以及多條饋電線路的相電壓、線電壓、電流、功率、功率因數、頻率等電氣量以及直流量的測量;能夠實現對電壓、電流、功率等電氣量變化的監視并實時進行告警;具備電氣信息量的采集及處理功能，能夠完成開關位置量、電網模擬量、用戶電能量等信息的采集、處理、上傳和分析;具備故障錄波、故障記錄功能，能夠實現遙測超限、遙信變位、事故報警、遙控過程等信息收集記錄、統一管理并進行數據分析，自我學習判斷。

2? ? 潮流分析

10 kV雙環網網架結構能夠實現“自愈”，快速隔離故障，恢復供電，網架結構的負荷轉移能力是關鍵。利用ETAP 12.6計算軟件，分別進行不同接線方式下的潮流分析，得到計算結果如表1、表2、表3所示。

方式1：當雙環網中5座開關站母聯開關M1、M2、M3、M4、M5均處于打開狀態時，K13、K14母線出線開關斷開，即網架中負荷均由K1、K2母線出線開關供，雙環網內的負荷只由1座變電站供，各線路所帶功率及電流值如表1所示。

方式2：當雙環網中5座開關站母聯開關M1、M2、M3、M4、M5均處于打開狀態時，K1母線出線開關閉合，K2母線出線開關斷開，K13、K14母線出線開關斷開，即網架中負荷均由K1母線出線開關供，各線路所帶功率及電流值如表2所示。

方式3：當雙環網中5座開關站母聯開關M1、M2、M3、M4、M5均處于打開狀態時，K1母線出線開關閉合，K2母線出線開關斷開，K13母線出線開關斷開，K14母線出線開關閉合，即網架中負荷均分別由兩座變電站母線出線開關供，各線路所帶功率及電流值如表3所示。

通過以上3種典型的網架結構潮流分析得出，雙環網網架結構中變電站至一級開關站的電流值最大，其中，方式2運行方式下，廟17新格開關站甲最大電流達1 232.0 A。本次雙環網接線結構中，開關站斷路器額定電流均為1 250 A，電流互感器選用600/5 A。為提高雙環網網架結構的自愈能力，110 kV廟三站至10 kV新格開關站，35 kV徐塘站至10 kV啟迪開關站10 kV電纜建議采用雙拼3×400 mm2電纜，雙環網網架結構的開關柜內電流互感器建議更換為800/5 A。

通常情況下，YJV-10 kV-3×400 mm2電力電纜額定載流量約為690 A，因電纜敷設環境、電力保護管材熱阻系數的差異，同時需考慮土壤熱阻系數、同路徑電纜敷設根數等各種因素，電纜實際載流量需要取相應校正系數來綜合計算[4]。

本項目新敷設電纜均穿已有排管備用孔位敷設（圖2），新敷設電纜地溫取30 ℃，土壤熱阻系數按1 m·K/W取值，埋深1 m，電纜間距250 mm，電纜群電纜結構均一致且除計算電纜外的其余電纜負載電流不超過單根電纜載流能力的50%;多根電纜并行排列，相應校正系數取0.7，計算出YJV-10 kV-3×400 mm2電纜在排管中的安全運行電流為403 A，最大負荷轉移能力為0.7 MVA。在額定值的運行條件下，儀表的指示在量程的80%～100%處，電流互感器最大變比調為800/5 A，一次側通過的最大值為800×0.8=640 A。

綜上分析，雙環網電纜網架結構中上級電源站采用雙拼電纜，流變調大后，單回線路最大負荷電流可達640 A。該雙環網最大負荷轉移能力為11.08 MVA，但是在運行方式2最差網架結構下，自愈系統需要實時監控變電站出線電流值，并設定電流閾值及其對應的自愈控制策略。

3? ? 保護配置

雙環網結構中5座開關站原配有單間隔的保護裝置和分段備自投裝置，主干線路增加線路光纖縱差保護裝置，均采用CSD-213A-G線路光纖縱差保護裝置。開關站內分布式配電保護自愈裝置與開關站原有的保護裝置及線路縱差保護裝置配合關系如下：

（1）線路光纖縱差保護裝置的動作信號通過硬接點方式接入分布式配電保護自愈裝置。

（2）開關站原有的分段備自投裝置停運，由分布式配電保護自愈裝置實現就地分段備自投功能。

（3）分布式配電保護自愈裝置的跳合閘出口（跳、合環進環出主干線路開關和分段開關，以及跳小電源線路開關，其他負荷支線開關可以不接線）接入到原有保護裝置的操作回路中。

隨著自愈以及分段備自投實現非故障段失電負荷快速轉供，網架結構的改變會導致網架電氣參數的改變。本節從不同網架結構出發，分析不同網架結構下縱差保護整定的計算，從而得出自愈系統結構中縱差保護整定的要求。

電流差動保護系統的構成如圖3所示，圖中一級開關站M出線倉，二級開關站N出線倉均裝設CSD-213A-G差動保護測控裝置，兩級開關站之間采用24芯專用通信光纜連接。

圖4為CSD-213A-G差動繼電器的三折線動作特性曲線，動作方程如下：

（1）當Ir≤Icd×（5/3），Id>Icd時動作;

（2）當（5/3）×Icd0.6×（Ir-Icd×5/3）時動作;

（3）當Ir≥5×Icd，Id-[0.6×（5×Icd-Icd×5/3）+Icd]>0.8×（Ir-5×Icd）時動作。

其中，差動電流Id=|M+N|;制動電流Ir=;Icd為差動元件的起始動作電流，也稱“門檻電流”。

Ib1=5Icd/3為Ⅰ段制動電流，也被稱為“最小制動電流”。正常負荷時，制動電流不起作用，在Ir

Ib2=5Icd為保護區外故障引起CT飽和的最小制動電流，一般取為2.5～3倍額定電流，本項目取2.5倍額定電流。

Ib1～Ib2這段區域被稱為“輕微有偏區域”，即該區域有制動作用，但制動作用有限。在這段區域內，差動保護動作與否取決于差動電流與制動電流之比，負荷電流外部故障的穿越電流產生的差動電流是隨著制動電流的增大而增大的，不能以簡單的差動電流作為保護動作的判斷依據，因此在該段區域內，制動曲線存在斜率K1，K1值不宜過大，否則保護靈敏度將下降，不利于線路的短路保護。

在最大運行方式下，雙環網不同網架結構的短路電流計算如表4所示。

由表4可知，不同網架結構接線方式下，10 kV側短路電流值差別較大，其中10 kV側最大方式下發生短路后最大短路電流為16.33 kA，最大差值為8.26 kA。

差動保護靈敏度系數計算[5]如下：

Ksen=（Ksen.xd/nTA）×（Ik3.min/KIr）

式中：Ksen.xd為相對靈敏系數;nTA為電流互感器變比;Ik3.min為線路保護區內最小三相短路電流;K為保護裝置的整定值;Ir為保護裝置的額定電流。

不同網架結構下因短路電流值不同，縱差保護裝置的動作電流整定值及相對靈敏系數也不同，線路由單側電源供電時，保護裝置的動作電流為線路由雙側電源供電時保護裝置動作電流的3倍[4]。

綜上分析可以推斷出，10 kV雙環網自愈控制系統包括的線路縱差保護、非故障段負荷轉供、就地母線差動保護、分段備自投、故障解列、低頻低壓減載等功能都需要根據不同的網架結構設置對應的保護策略及保護定值。

4? ? 結語

實現系統自愈控制的前提條件是一次網架結構合理，設備可靠，具備一定的備用容量和足夠的負荷轉供能力。在10 kV配網中設計自愈系統，首先要對配電網網架進行潮流分析，找出關鍵點，設計合理的供電方案，設計時要全面考慮網架中斷路器、電流互感器、電纜、通信網絡等設備的選型與配置。其次，因網架結構的變化，10 kV配網自愈系統中繼電保護應設計不同的保護策略，同時應具備自我學習功能。最后，10 kV配網不同于110 kV主網，其負荷變化及網架動態變化較大，因此10 kV配網自愈系統應具備實時監控網架結構變化、監測電纜載流量變化、監視重要用戶電流數據等功能;還應具備深度計算、深度學習功能，對應不同的網架結構，以保證其保護動作判定、故障隔離診斷、負荷轉供均能自動完成。

總之，10 kV自愈系統在工程方案及工程設計中需要考慮潮流計算與分析、電纜穩定極限計算、設備動穩定性分析、電流互感器的抗飽和計算、用戶負荷擾動分析、電壓穩定分析、重構電網和解列運行等，方能實現10 kV自愈控制的各種功能。

[參考文獻]

[1] 國家能源局.配電網建設改造行動計劃（2015—2020年）：國能電力〔2015〕290號[A].

[2] 王彥國，趙希才.智能分布式配電保護及自愈控制系統[J].供用電，2019，36（9）：2-8.

[3] 王郁壘.分布式配電網自愈控制技術研究與實現[D].南京：東南大學，2016.

[4] 上海配電網技術導則（2014版）[S].

[5] 中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊[M].3版.北京：中國電力出版社，2005.

收稿日期：2021-03-04

作者簡介：李洋（1989—），男，山東日照人，助理工程師，研究方向：35 kV及以下配網工程設計。