電力自恢復系統的研究與應用

鄭 睿，陳亞琳

(南京工業職業技術大學，江蘇 南京 211100)

0 引言

為提高供電可靠性，變電站常配置備用電源自動投入裝置(備自投裝置)，當系統發生故障導致母線失電后，備自投裝置跳閘并確認隔離故障，通過快速投入備用電源恢復站內母線供電[1-4]。

多路電源之間常串供多個變電站，此種電網結構對于串供網絡中閉環運行的變電站來說，由于無開環點開關，常規備自投不會充電無法使用，當系統發生故障后，串供電網結構中閉環運行的變電站會失電，只有開環運行的變電站由于存在開環點開關，可以使用常規備自投恢復供電[5-8]。

國內外學者對串供型電網中變電站失電后快速恢復供電技術的研究較少，目前研究主要集中在使用調度主站恢復串供型電網供電，調度主站通過調度數據網接收區域電網的全景信息，包含各站母線電壓、電流、開關位置等，系統發生故障后，根據全景信息確定故障位置，跳合閘相應開關恢復供電，此種通過調度主站恢復電網供電的方式由于通信網絡中信號傳輸存在延遲，容易發生通信堵塞，導致調度主站無法實時恢復系統供電。

針對上述情況，利用電力自恢復主站和子站間的實時信息交互，設計出一種可適用于多個變電站串供連接主接線形式的電力自恢復系統，實現發生故障后，串供電網結構中各變電站的快速恢復供電，極大提高系統供電的可靠性，對其他電網結構自動恢復供電技術研究具有良好的借鑒意義。

1 多變電站串供型電網主接線

多變電站串供型電網主接線如圖1所示，兩側為電源變電站，中間串供A站、B站和C站(可以擴展)，并通過光纖通道連接。正常運行時，串供的變電站中某站開環運行，其他變電站閉環運行，如圖1中B站開環運行，A站和C站閉環運行(常規備自投無法使用)。當電源站1故障或者電源站1和A站之間的串供線路故障時，導致A站失電；當電源站2故障或者電源站2和C站之間的串供線路故障時，都會導致C站和B站失電。

圖1 多變電站串供型電網典型主接線

2 電力自恢復系統總體架構

電力自恢復系統總體架構如圖2所示，主要包括電力自恢復主站和電力自恢復子站，按照一個主站+多個子站的方式設置，每個串供變電站各設置一臺電力自恢復子站，電力自恢復主站可以設置在任一串供變電站或其他變電站。

圖2 電力自恢復系統總體架構

電力自恢復系統分為區域控制層和變電站站域層。區域控制層中的電力自恢復主站通過區域信息共享平臺獲取區域電網的全景信息，電力自恢復系統控制策略根據獲取到的全景信息進行綜合邏輯判斷，確定故障定位，下發GOOSE跳合閘命令至區域信息共享平臺。變電站站域層中的電力自恢復子站采集站內的母線電壓、線路電流和開關位置等信息，并將其轉換為GOOSE狀態開關量后上送至區域信息共享平臺，同時從區域信息共享平臺接收電力自恢復主站下發的GOOSE跳合閘命令，轉換為常規接點執行跳合閘操作。

電力自恢復主站實現區域電網的電力自恢復功能；電力自恢復子站實現變電站內的備自投功能，同時配合主站實現區域電網的電力自恢復功能。

3 電力自恢復系統通信架構

電力自恢復系統通信架構如圖3所示。主站和子站的通信設備通過光纖連接形成區域信息共享平臺，以實現信息的實時交互。平臺內部傳輸GOOSE開關量信息，且雙向傳輸，任一處光纖斷鏈都不影響信息交互，增強了通信的可靠性。同時，主站和子站通過以太網接入站內站控層通信網絡，監視各電力自恢復裝置運行狀態。

圖3 電力自恢復系統通信架構

4 電力自恢復系統原理和控制策略

4.1 電力自恢復系統原理

電力自恢復主站根據區域信息共享平臺實時獲取區域電網的全景信息進行綜合邏輯判斷。

(1) 確定故障定位。根據獲取的全景信息確定是源端故障、線路故障還是母線故障。

(2) 隔離故障。根據步驟(1)確定的故障元件，電力自恢復主站發送靠近開環點側開關的跳閘命令至區域信息共享平臺，電力自恢復子站從區域信息共享平臺接收GOOSE跳閘命令后執行跳閘，隔離故障。

(3) 恢復供電。執行步驟(2)隔離故障后，電力自恢復主站發送開環點開關合閘命令至區域信息共享平臺，電力自恢復子站從區域信息共享平臺接收GOOSE合閘命令后執行合閘，合上開環點開關，恢復失電變電站供電。

4.2 電力自恢復系統控制策略

4.2.1 充電條件

(1) 串供電網中變電站母線均有壓。

(2) 串供電網中有且只有一個開環點開關。

4.2.2 放電條件

(1) 退出電力自恢復系統。

(2) 串供電網無開環點。

(3) 串供電網中任一開關位置異常。

(4) 開關拒跳。

(5) 手跳串供電網中任一開關。

(6) 開環點為分段開關時，開環點所在站母線保護動作。

(7) 開環點為線路開關時，開環點相鄰的兩個變電站母線保護動作或開環線路的線路保護動作。

滿足充電條件且不滿足任一放電條件經延時電力自恢復系統充電完成。

4.2.3 啟動條件

電力自恢復系統充電完成后，滿足以下任一條件電力自恢復系統啟動。

(1) 串供電網中任一開關由合位或有流變為分位且無流。

(2) 串供電網源端變電站母線無壓且線路無流（上級電網故障）。

4.2.4 動作邏輯

(1) 如果串供電網中某一開關跳開，根據故障定位邏輯確定的故障元件進行后續邏輯。

① 如果線路故障，電力自恢復系統經延時跳開該線路靠近開環點側開關。

② 如果母線故障，電力自恢復系統經延時跳開此站靠近開環點側相鄰變電站的進線開關。電力自恢復系統確認跳閘的開關跳開且中間串供的變電站無壓后，經延時合上開環點開關恢復中間串供變電站供電。

(2) 如果上級電網故障，電力自恢復系統跳開源端串供變電站進線開關，確認跳開且中間串供的變電站無壓后，經延時合上開環點開關恢復中間串供變電站供電。

5 現場應用

電力自恢復系統已在國內某110 kV電網應用并投運。圖4為現場應用主接線，110 kV饋線XG線和SS線串供了三個變電站，分別是葛A站、云B站和長C站，正常運行時葛A站3DL開關在分位，其他開關在合位。葛A站、云B站和長C站各配置一臺電力自恢復子站裝置，云B站配置一臺電力自恢復主站裝置，電力自恢復主站裝置的跳閘時間定值為2 s，合閘時間定值為0.1 s。

圖4 現場應用主接線

5.1 云B站YS線故障

現場試驗模擬云B站YS線故障，葛A站Ⅰ母和云B站失壓，電力自恢復系統2 020 ms時刻發令跳云B站YS線6DL開關，2 060 ms時刻6DL開關跳開后，2 170 ms時刻電力自恢復系統發令合葛A站3DL開關，3DL開關合上后，葛A站Ⅰ母和云B站恢復供電。系統動作波形如圖5所示。

圖5 云B站YS線故障電力自恢復系統動作波形

5.2 長C站SS線故障

現場試驗模擬長C站SS線故障，葛A站Ⅰ母、長C站和云B站失壓，電力自恢復系統2 030 ms時刻發令跳長C站SS線7DL開關，2 070 ms時刻7DL跳開后，2 180 ms時刻電力自恢復系統發令合葛A站3DL開關，3DL開關合上后，葛A站Ⅰ母、長C站和云B站恢復供電。系統動作波形如圖6所示。

圖6 長C站SS線故障電力自恢復系統動作波形

現場試驗結果表明，電力自恢復系統能夠有效實現串供型區域電網發生故障后的快速恢復供電，電網運行的可靠性得到提升。

6 后續研究

電力自恢復系統利用的是主站和子站間的實時信息交互和協調配合，可實現系統發生故障后串供電網中各變電站的快速恢復供電，在實際應用中也面臨一些問題需進一步研究。

(1) 當發生通信故障導致主站和子站無法實時通信時，如何實現變電站的快速恢復供電。

(2) 多個變電站之間如果不是串供連接，如何實現多個變電站的快速恢復供電。

7 結束語

結合某區域電網，研究提出了適用于串供型區域電網的電力自恢復系統，通過電力自恢復主站和電力自恢復子站之間的協調配合，能夠有效實現串供型區域電網發生故障后各變電站的快速恢復供電。通過某區域電網中應用，驗證了該系統對串供型電網恢復供電的有效性，對其他結構電網自動恢復供電技術的研究具有一定的借鑒價值。