雙接入級(jí)聯(lián)的分支網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其分布式故障自愈技術(shù)分析

郭少飛,李鐵成,王獻(xiàn)志,何 磊,劉清泉

(國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

配電網(wǎng)作為聯(lián)系用電側(cè)的最后環(huán)節(jié),是滿(mǎn)足用戶(hù)用電需求,提高供電可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著城鎮(zhèn)化的高速發(fā)展以及新型電力系統(tǒng)構(gòu)建目標(biāo)的提出,對(duì)配電網(wǎng)供電可靠率提升的要求愈來(lái)愈高,對(duì)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)[12]及其自愈控制策略[3]的研究成為當(dāng)前熱點(diǎn)方向。

對(duì)于高可靠配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用方面,國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)在高可靠典型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與規(guī)劃運(yùn)行方面取得了一系列成功的經(jīng)驗(yàn)[4]。在配電網(wǎng)自愈控制研究方面,美國(guó)專(zhuān)家與學(xué)者在“復(fù)雜交互網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)計(jì)劃”中首次提出自愈電網(wǎng)的概念[5-7],我國(guó)學(xué)者也在2005年開(kāi)始注重并進(jìn)行了電網(wǎng)自愈方面的探索和研究[8-11],但多側(cè)重于自愈控制的含義與特征、自愈控制理論方法、控制策略方案以及自愈能力評(píng)估等內(nèi)容[12-14]。

現(xiàn)階段對(duì)于高可靠配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及自愈方法的研究已比較多,但均未考慮配電網(wǎng)規(guī)劃與建設(shè)初期能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行方式需求的過(guò)渡性方案。實(shí)際工程中應(yīng)用的自愈裝置以及系統(tǒng)也往往是等整個(gè)區(qū)域內(nèi)所有開(kāi)關(guān)站和配電室投運(yùn)以后才能發(fā)揮作用,這極大限制了自愈系統(tǒng)在高可靠配電網(wǎng)中的重要作用,對(duì)于提升配電網(wǎng)供電可靠率帶來(lái)了不利的影響。

本文針對(duì)上述問(wèn)題首先提出一種雙接入級(jí)聯(lián)形式的分支網(wǎng)結(jié)構(gòu),該配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)方式能夠按照規(guī)劃或者負(fù)荷中心需求,擴(kuò)建為雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)、或多級(jí)聯(lián)接入結(jié)構(gòu),具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。并且針對(duì)該配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)提出了一種基于智能終端單元(Smart Terminal Unit,STU)的分布式故障自愈方案,RTDS仿真試驗(yàn)結(jié)果證明該種方法能夠滿(mǎn)足各種N-1故障情況下系統(tǒng)的自愈供電,保證用戶(hù)用電的可靠性。

1 雙接入級(jí)聯(lián)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其分布式自愈系統(tǒng)配置

1.1 雙接入級(jí)聯(lián)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

分支網(wǎng)是主干網(wǎng)的次級(jí)網(wǎng)絡(luò),以配電室為核心節(jié)點(diǎn),是由開(kāi)關(guān)站與配電室之間、配電室與配電室之間的聯(lián)絡(luò)線(xiàn)所組成的網(wǎng)架。本文所提出的單環(huán)網(wǎng)雙接入級(jí)聯(lián)的分支網(wǎng)拓?fù)淙鐖D1所示。其中,S1、S2為單環(huán)網(wǎng)兩路開(kāi)關(guān)站電源,A、B分別為兩級(jí)配電室。第一級(jí)配電室(A配電室)的2路電源來(lái)自同一開(kāi)關(guān)站的不同母線(xiàn)或者不同開(kāi)關(guān)站;第二級(jí)配電室(B配電室)的兩路電源來(lái)自上一級(jí)配電室的不同母線(xiàn),兩級(jí)配電室之間設(shè)置兩回聯(lián)絡(luò)線(xiàn)路。配電室主接線(xiàn)均為單母分段,501與502分別為A、B兩級(jí)配電室的分段聯(lián)絡(luò)斷路器。101-102-103-104,以及201-202-203-204均為單環(huán)網(wǎng)的主供回路,圖中每座配電室母線(xiàn)上的出線(xiàn)間隔僅為示意圖,負(fù)荷線(xiàn)路1~2回,例如106、107間隔。

圖1 雙接入級(jí)聯(lián)分支網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

這種雙級(jí)聯(lián)接入式分支網(wǎng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,在區(qū)域配電網(wǎng)規(guī)劃初期,能夠滿(mǎn)足區(qū)域高可靠供電的需求。隨著網(wǎng)絡(luò)的逐步擴(kuò)大,可以擴(kuò)建為雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),或多級(jí)聯(lián)接入式結(jié)構(gòu)。

1.2 分布式自愈系統(tǒng)配置

依據(jù)雙接入級(jí)聯(lián)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出一種單環(huán)網(wǎng)雙接入級(jí)聯(lián)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的分布式系統(tǒng)自愈方法。具體系統(tǒng)配置方案如圖2所示,分支網(wǎng)中分布式STU按母線(xiàn)配置,每段母線(xiàn)配置1臺(tái),串供主回路上的STU之間采用光纖直連,基于GOOSE通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息交互。在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),能夠基于終端之間的對(duì)等通信功能,實(shí)現(xiàn)故障快速定位、故障快速隔離及非故障失電區(qū)域快速恢復(fù)供電。各配電室的母線(xiàn)、配電變壓器和終端饋線(xiàn)保護(hù)均集成于STU內(nèi)。主干線(xiàn)主供回路上配置獨(dú)立的線(xiàn)路縱差保護(hù),線(xiàn)路差動(dòng)保護(hù)裝置可輸出差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)(開(kāi)出節(jié)點(diǎn))與后備保護(hù)動(dòng)作信號(hào)(開(kāi)出節(jié)點(diǎn));分支網(wǎng)STU可接入上述信號(hào),用于輔助故障定位與故障隔離邏輯判別。

圖2 雙接入級(jí)聯(lián)分支網(wǎng)自愈系統(tǒng)配置示意

2 雙接入級(jí)聯(lián)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)分布式自愈控制實(shí)現(xiàn)

2.1 拓?fù)浞治?/h3>

在分布式自愈控制中,各分布式STU每臺(tái)裝置僅需配置安裝處局部的基本拓?fù)湫畔?通過(guò)裝置之間的對(duì)等通信,拼接生成故障定位和保護(hù)控制所需的整個(gè)拓?fù)湫畔?根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)實(shí)時(shí)改變運(yùn)行方式與故障自愈策略。

對(duì)于拓?fù)湫畔⒌墨@取,可以分為靜態(tài)拓?fù)湫畔⑴c動(dòng)態(tài)拓?fù)湫畔?。靜態(tài)拓?fù)湫畔維TU以及相鄰STU安裝處的基本拓?fù)湫畔?STU之間通過(guò)對(duì)等通信實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互,進(jìn)而拼接生成故障定位所需的整個(gè)網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

動(dòng)態(tài)拓樸信息是當(dāng)由于故障或檢修導(dǎo)致運(yùn)行方式發(fā)生變化時(shí),由電源側(cè)STU開(kāi)始向下逐級(jí)發(fā)送查詢(xún)指令,直至搜索到開(kāi)環(huán)點(diǎn),開(kāi)始轉(zhuǎn)發(fā),直至電源側(cè)STU。以圖2所示分支網(wǎng)雙接入級(jí)聯(lián)分布式自愈系統(tǒng)中,A配電室母線(xiàn)1的STU1為例,羅列出部分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)拓樸信息,見(jiàn)表1。

表1 STU1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?/p>

以圖2所示分支網(wǎng)雙接入級(jí)聯(lián)分布式自愈系統(tǒng)為例,說(shuō)明上述拓?fù)湫畔@取過(guò)程。A1母線(xiàn)STU為電源STU1,其向B1母線(xiàn)處STU2發(fā)送開(kāi)關(guān)狀態(tài)查詢(xún)指令,STU收到查詢(xún)指令后將STU1標(biāo)記為自身上游STU,同時(shí)收到STU1處環(huán)進(jìn)、環(huán)出、分段斷路器狀態(tài),同時(shí)將繼續(xù)向B2母線(xiàn)處STU3發(fā)送查詢(xún)指令,同理STU3繼續(xù)向電源側(cè)A2母線(xiàn)上STU4發(fā)送指令。直至環(huán)網(wǎng)內(nèi)所有STU均獲取環(huán)內(nèi)各斷路器狀態(tài)以及負(fù)荷潮流,從而使整個(gè)自愈系統(tǒng)獲取了完整的拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

2.2 故障定位

對(duì)于分支網(wǎng)雙接入級(jí)聯(lián)的自愈系統(tǒng),其故障定位采用主動(dòng)定位與被動(dòng)定位2種方式。

被動(dòng)定位,采用外部獨(dú)立配置的線(xiàn)路保護(hù)裝置動(dòng)作信號(hào),將線(xiàn)路保護(hù)動(dòng)作信號(hào)作為外部開(kāi)入量接入STU中,當(dāng)收到此信號(hào)時(shí)認(rèn)為故障定位在主干線(xiàn)路上。而主動(dòng)定位是指STU內(nèi)部具備各種獨(dú)立地、針對(duì)環(huán)網(wǎng)內(nèi)各主干線(xiàn)路、母線(xiàn)以及母線(xiàn)饋出線(xiàn)故障的定位元件,例如包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔Ｗo(hù)、線(xiàn)路差動(dòng)保護(hù)、母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)以及母線(xiàn)饋出線(xiàn)保護(hù)等。主動(dòng)式故障定位與被動(dòng)式故障定位互相融合,優(yōu)先采用被動(dòng)式定位。

2.3 故障隔離方案

故障隔離功能包含無(wú)壓跳閘、線(xiàn)路故障隔離、母線(xiàn)故障隔離、饋出線(xiàn)故障隔離、失靈保護(hù)、遠(yuǎn)方跳閘、小電源聯(lián)切等功能,在滿(mǎn)足主供回路間隔無(wú)流、母線(xiàn)無(wú)壓情況下,故障隔離功能才允許動(dòng)作。

無(wú)壓跳閘功能動(dòng)作時(shí),跳開(kāi)開(kāi)環(huán)點(diǎn)兩側(cè)中故障停電的一側(cè)與開(kāi)關(guān)站直接相連的斷路器,進(jìn)行故障隔離。開(kāi)關(guān)站側(cè)故障或斷路器跳開(kāi)時(shí),無(wú)壓跳閘功能應(yīng)正確動(dòng)作。

線(xiàn)路故障隔離,STU支持工作方式(主動(dòng)式/被動(dòng)式)通過(guò)控制字進(jìn)行選擇,能夠滿(mǎn)足特殊工程的需要。采用主動(dòng)式跳閘的工作方式時(shí),STU的線(xiàn)路故障隔離功能滿(mǎn)足動(dòng)作條件后直接跳閘,不受自愈功能退出的影響,與外部線(xiàn)路保護(hù)裝置具有同樣的功能。采用被動(dòng)方式時(shí),線(xiàn)路故障隔離功能在對(duì)應(yīng)間隔無(wú)壓無(wú)流條件下動(dòng)作出口,并且支持通過(guò)時(shí)間整定與外部線(xiàn)路保護(hù)重合閘功能相配合。

失靈保護(hù)功能動(dòng)作時(shí),跳該段母線(xiàn)上所有間隔斷路器并遠(yuǎn)跳對(duì)側(cè)。間隔差動(dòng)保護(hù)、間隔拓?fù)浔Ｗo(hù)、間隔過(guò)流保護(hù)、間隔零序過(guò)流保護(hù)、母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)、無(wú)壓跳閘、故障定位跳閘、跟跳等元件動(dòng)作時(shí),均可以啟動(dòng)斷路器失靈判別;失靈保護(hù)、遠(yuǎn)方跳閘等元件動(dòng)作時(shí),不啟動(dòng)斷路器失靈判別。

小電源聯(lián)切功能,主要考慮分布式電源接入后,在電網(wǎng)發(fā)生故障情況下,為避免小電源電壓支撐作用對(duì)自愈合閘功能造成影響,在故障隔離完成后,需執(zhí)行聯(lián)切分布式電源過(guò)程。自愈聯(lián)切小電源對(duì)象,是故障點(diǎn)和開(kāi)環(huán)點(diǎn)之間的配電房?jī)?nèi)定義為小電源的線(xiàn)路,當(dāng)小電源所在站所電源側(cè)主供回路發(fā)生故障或斷路器跳開(kāi)時(shí),小電源聯(lián)切動(dòng)作跳開(kāi)小電源支路。

2.4 非故障區(qū)域供電恢復(fù)方案

對(duì)于各STU應(yīng)配置有單環(huán)網(wǎng)自愈與分段備自投2種恢復(fù)供電的功能。故障隔離完成后,優(yōu)先采用單環(huán)網(wǎng)自愈方式實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)點(diǎn)斷路器自愈合閘,其開(kāi)環(huán)點(diǎn)固定取最末級(jí)配電室的分段斷路器(圖1中的502斷路器)。在確認(rèn)故障已經(jīng)成功隔離,且滿(mǎn)足無(wú)壓無(wú)流條件后,STU發(fā)出合閘指令將開(kāi)環(huán)點(diǎn)斷路器合閘,恢復(fù)非故障區(qū)域供電,系統(tǒng)自愈成功。

當(dāng)自愈合閘動(dòng)作后或不具備自愈合閘條件時(shí),處于失電狀態(tài)的配電室由分段備自投功能恢復(fù)供電。此時(shí)兩級(jí)配電室間的備自投功能無(wú)需信息交互,分段備自投動(dòng)作時(shí),跳環(huán)進(jìn)、環(huán)出間隔,確認(rèn)環(huán)進(jìn)環(huán)出間隔跳開(kāi)后,經(jīng)短延時(shí)合分段斷路器。

3 基于RTDS仿真平臺(tái)的試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文構(gòu)建的單環(huán)網(wǎng)雙接入級(jí)聯(lián)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的自愈系統(tǒng)的正確性和可靠性,在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)RTDS試驗(yàn)環(huán)境下搭建模型,構(gòu)建2座配電室、8臺(tái)線(xiàn)路保護(hù)裝置、4臺(tái)STU進(jìn)行閉環(huán)測(cè)試。RTDS產(chǎn)生的模擬信號(hào)經(jīng)功率放大器后輸入STU與保護(hù)裝置,各開(kāi)關(guān)量(例如斷路器位置)經(jīng)繼電器后輸入對(duì)應(yīng)STU,模擬配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行。STU發(fā)出的控制信號(hào)輸出至RTDS,控制相應(yīng)斷路器的分合,故障點(diǎn)設(shè)置如圖3所示。

圖3 雙接入級(jí)聯(lián)分支網(wǎng)自愈系統(tǒng)故障示意

各STU之間通過(guò)光纖進(jìn)行對(duì)等通信,裝置之間部分資源配置如表2所示。

表2 裝置之間部分資源配置

在各種N-1故障情況下的動(dòng)作恢復(fù)供電的情況,驗(yàn)證該自愈系統(tǒng)保證用戶(hù)用電的可靠性。仿真試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以看出,本文所提出的自愈方案完全能夠滿(mǎn)足各類(lèi)N-1故障情況下,配電網(wǎng)系統(tǒng)恢復(fù)供電的正確性與可靠性,能夠快速進(jìn)行故障區(qū)段定位與故障隔離,STU動(dòng)作邏輯完全正確。此外,該方案具有網(wǎng)路拓?fù)渥R(shí)別功能,各STU之間通過(guò)實(shí)時(shí)通信能夠獲取靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行方式的變化。

表3 自愈系統(tǒng)仿真試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

故障自愈控制是主動(dòng)配電網(wǎng)的重要特征之一,其目的是為了實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段定位、隔離,以及在人為干預(yù)最小的前提下盡快恢復(fù)失電負(fù)荷的供電,提高城市中心區(qū)域供電可靠率。本文設(shè)計(jì)了一種雙接入級(jí)聯(lián)形式的分支網(wǎng)配網(wǎng)結(jié)構(gòu),并且提出一種基于STU的分布式故障自愈方案。該方案采用主動(dòng)式故障自愈恢復(fù)方案,包含單環(huán)網(wǎng)自愈以及分段備自投2種恢復(fù)供電的方式,優(yōu)先采用單環(huán)網(wǎng)自愈方式,當(dāng)不滿(mǎn)足自愈條件時(shí),進(jìn)入分段備自投模式,此時(shí),各級(jí)STU間不進(jìn)行信息交互,跳開(kāi)環(huán)內(nèi)進(jìn)線(xiàn)斷路器間隔或環(huán)內(nèi)出線(xiàn)斷路器間隔后,閉合相應(yīng)分段聯(lián)絡(luò)斷路器恢復(fù)供電。本文設(shè)計(jì)的單環(huán)網(wǎng)雙級(jí)聯(lián)式結(jié)構(gòu)及其自愈技術(shù)方案能夠滿(mǎn)足配網(wǎng)建設(shè)前期供電的可靠性要求,具有良好的擴(kuò)展性和廣泛的應(yīng)用前景。