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電子論文

智能分布式配電保護及自愈控制系統

時間:2019年11月30日 所屬分類:電子論文 點擊次數:

摘要:完善的繼電保護和自愈控制是提高配電網供電可靠性的關鍵技術手段。智能分布式配電保護及自愈控制系統,能夠基于智能終端包括繼電保護裝置之間直接對等交換實時數據,通過自主判斷、自主決策、協同工作,實現快速隔離故障、縮短停電時間,是中心城市(區

  摘要:完善的繼電保護和自愈控制是提高配電網供電可靠性的關鍵技術手段。智能分布式配電保護及自愈控制系統,能夠基于智能終端包括繼電保護裝置之間直接對等交換實時數據,通過自主判斷、自主決策、協同工作,實現快速隔離故障、縮短停電時間,是中心城市(區)配電網保護控制的發展方向。

  文章分析了實現該方案所需的基礎條件,介紹了繼電保護功能配置的優化方案和自愈控制的實現策略,針對不同的接線形式和基礎條件給出了一些工程應用實例。未來,保護控制自動化系統的深度融合、一次二次設備的融合、通信技術(特別是5G)的發展、分布式發電(包括負荷側儲能)的應用值得期待,基于狀態監測的隱患診斷與隱患排除還需要深入研究。

  關鍵詞:配電網,繼電保護,自愈控制,狀態監測

電網

  0引言

  配電網是國民經濟和社會發展的重要公共基礎設施。我國在發電容量、輸電能力方面已經取得了巨大進步,作為聯系用電側的“最后十公里”[1],配電網成為滿足用戶用電需求、提高供電可靠性的關鍵環節。2015年7月,國家能源局印發《配電網建設改造行動計劃(2015—2020年)》[2],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%,用戶年均停電時間不超過1h,供電質量達到國際先進水平。要保證中心城市(區)較高的供電可靠率,離不開完善的繼電保護和自愈控制。

  繼電保護用于檢出故障或其他異常情況,從而切除故障、終止異常情況、發出信號或指示。“自愈”的概念首先出現在生物醫學等生命科學領域,用于配電網則指在無需或者僅需少量人工干預的前提下,自動進行故障定位、故障隔離、供電恢復,不影響電網的安全運行與供電質量,或將故障的影響降至最低[3-4]。

  故障定位、故障隔離、供電恢復,簡稱FLISR,又稱為饋線自動化(FA)。繼電保護也可以看作是自愈控制的一部分。目前工程應用的饋線自動化模式主要有:就地級差模式、重合器模式、主站集中模式。其中就地級差模式基于斷路器的階段式電流保護應用廣泛,但該模式受配電網架和運行方式的影響較大,往往不能滿足靈敏性或保護范圍的要求。

  重合器模式基于就地開關設備實現饋線自動化,主要采用電壓-時間型等方式,簡單經濟,對提高供電可靠性具有一定的作用,但該模式隔離故障需要多次重合,對設備沖擊大,而且恢復供電時間長。主站集中模式充分利用通信網絡,采用主站集中監控獲取全面信息,確定最優故障隔離和恢復算法,可有效提高配電網的供電可靠性,是目前饋線自動化的主流方案,但該模式實質上是在智能終端(包括繼電保護裝置)無選擇性動作后的恢復供電,無法實現重要區域的供電可靠性目標,且該模式需要安裝專門的控制主站,對通信網絡的依賴性很強,終端與主站之間的數據傳輸量大,當主站通信故障時,會導致整個系統癱瘓,失去故障隔離、恢復供電的功能。

  針對目前控制模式故障處理時間長、保護上下級配合困難、系統可靠性低、開關設備損耗大等缺點,提出了智能分布模式[5-7],通過智能終端(包括繼電保護裝置)之間直接對等交換實時數據,自主判斷、自主決策、協同工作,不依賴于主站,自動快速地完成配電網故障隔離和供電恢復。該模式系統結構簡單、動作速度快、靈活性好、運維簡便,適用于對供電可靠性要求特別高的核心地區或者供電線路。本文分析了分布式配電保護及自愈的系統構成,介紹了繼電保護功能配置的優化方案和自愈控制的實現策略,針對不同的接線形式和基礎條件給出了一些工程應用實例,并對未來發展作出展望。

  1分布式配電保護及自愈控制的系統構成

  要實現分布式配電保護及自愈控制,必須滿足可觀性、可控性要求。從可觀性來說,要配置必要的電流和電壓互感器、智能終端、通信手段,能夠自動共享信息,識別配電網架拓撲,識別故障及其發生區段,預測轉供前后的負荷變化。從可控性來說,也要有自動判斷、決策并發出跳閘合閘和調整等控制命令的終端,傳輸命令的通信通道,執行控制命令的斷路器等設備。

  1.1電流和電壓互感器

  目前,變電站和開關站進線及出線配置三相電流互感器,母線上安裝電壓互感器;架空線路柱上斷路器、負荷開關一般配置三相電流互感器、零序電流互感器,部分還配有電阻或者電容分壓傳感器用于測量電壓;電纜線路環網柜進線和出線配置三相電流互感器,母線上安裝電壓互感器。由于不能獲得完整的電流電壓信息,在繼電保護功能配置、控制決策計算、控制策略選擇方面受到一定程度的限制。另外,常規互感器體積大、安裝不便。采用基于小鐵芯線圈或者空心線圈(羅氏線圈)、電阻和/或電容分壓器的低功率互感器(LPIT)[8-9],配合就地安裝的智能終端,將大大改善配電網的可觀性[10]。

  1.2智能終端

  在分布式配電保護及自愈控制系統中,繼電保護裝置、配電終端、故障指示器,都可以看作是智能終端。智能終端在硬件配置上,一般應具有模擬量輸入、開關量輸入、開關量輸出、處理單元、輔助電源、通信接口等模塊;在軟件上,應能夠實現不同層次的繼電保護功能、監測功能、協調控制功能,支持不同的通信協議。

  配電自動化智能終端[11],除具備常規配電自動化終端[12]的所有功能以外,還具備分布式饋線自動化功能和即插即用功能。分布式饋線自動化功能,可以不依賴于配電主站,而是直接通過配電終端之間相互通信實現饋線的故障定位、隔離和非故障區域自動恢復供電,并將處理過程及結果上報配電自動化主站,根據其處理完成在上級變電站切除故障之前還是之后分為速動型(適用于斷路器)和緩動型(適用于負荷開關)。

  即插即用功能,是指配電終端具有統一標準的電氣和數據接口、標準的自描述數據模型,通過標準的通信協議自動接入相關系統或設備。故障指示器用于故障發生后快速定位故障區段,它實時檢測線路的電氣量,通過一定的故障判別算法,當故障發生時發出警示[13]。根據故障檢測原理,故障指示器可分為3種類型:外施信號型、暫態特征型和暫態錄波型。目前,智能故障指示器已能主動將故障信息上傳至配電網主站,實現故障自動定位[14]。

  1.3通信手段

  實現分布式配電保護及自愈控制,需要有較完善的通信手段,關注通信的快速性、可用性、可靠性、互操作性、可擴展性、安全性、同步性。

  1.3.1通信媒介

  用于配電線路的通信媒介分為有線通信和無線通信。電纜線路一般有隨同敷設的光纜,通信條件較好;架空線路則主要依賴無線通信,又分為公網和專網。為了獲得較好的通信性能,在分布式配電保護及自愈控制系統中,有線通信應盡量采用光纖,無線通信盡量選擇專網。

  1.3.2通信協議

  對于分布式配電保護及自愈控制系統而言,IEC61850容易實現即插即用、互聯互通,應該是最適宜的。可以通過GOOSE機制傳遞狀態量信息用于配電網架的拓撲識別,交換故障方向信息構成縱聯方向保護,傳遞控制命令以完成故障隔離和供電恢復。如果通信容量允許,也可以直接傳輸模擬量信息,構成縱聯差動保護[15]。

  國際電工委員會技術報告IECTR61850-90-6:2018《IEC61850在配電自動化系統中的應用》[16]提供了應用IEC61850進行系統和元件之間的信息交換以支持配電自動化應用時需要考慮的基本方面,包括典型應用的用例、常用元件的建模方法、新的邏輯節點和對現有邏輯節點的擴展、通信體系結構和服務、IED配置方法、故障通路指示用傳感器的IEC61850模型等。

  1.4電源

  在配電網的各個節點上,需要為智能終端提供工作電源、為斷路器提供操作電源。變電站、開關站等場合可直接使用公用直流電源。架空線路柱上開關、電纜線路環網柜,可以由外置電源變壓器、高壓取能裝置、電壓互感器甚或電流互感器和蓄電池、超級電容共同供電。有條件的,也可以用光伏板[17]。

  1.5開關設備

  對于架空線路,安裝在架空線柱上的開關設備有斷路器、重合器、負荷開關、自動分段器、自動分界開關、自動分支開關等。其中,負荷開關、自動分段器不能開斷故障電流,不能配合保護控制系統實現故障的快速、準確切除和供電的恢復。

  考慮到斷路器價格與負荷開關相差不大,應該盡量配置可以切斷和關合故障電流的斷路器,特別是長線路后段(超出變電站過流保護范圍)、大分支線路首端、用戶分界點處[18]。對于電纜線路,環網柜中可能配置負荷開關、斷路器或者負荷開關-熔斷器組合電器,電纜分支箱中一般配置熔斷器、隔離開關或者可帶電插拔的電纜終端頭,有時也配置開關設備。電纜分支箱將逐步被環網箱取代[18]。

  2分布式配電保護及自愈控制的實現策略

  2.1拓撲分析和狀態評估

  配電網結構常常因為增容、技改、城建等原因發生永久性改變,或者因為運行需要發生動態改變。故障隔離方案、供電恢復方案的生成依賴于配電網的拓撲分析功能。該功能需要強大的計算能力支持,目前主要集中在配電自動化主站系統中實現。在分布式自愈控制中,為快速恢復供電,期望由智能終端收集拓撲動態信息、承擔拓撲分析任務,其基本思路是:每個配電終端僅需配置安裝處的基本拓撲信息,通過對等通信獲取相關配電終端的拓撲信息,進而拼接生成故障定位和保護控制所需的整個拓撲信息,分析速度快、配置簡單[19-22]。

  故障發生后,能否通過轉供方式恢復供電,一個關鍵因素就是轉供后不能過載。電網一次系統規劃時應預留轉供裕度。正常運行時,智能終端應能自主識別聯絡開關位置,持續采集相鄰區段的負荷信息,預測轉供前后的負荷變化,隨時為故障切除后的恢復供電做準備[22]。

  2.2配電保護及故障隔離

  依據現行標準[23],母線宜采用不完全電流差動保護,保護裝置僅接入有電源支路的電流。對配電線路相間短路故障,可裝設兩段過電流保護,必要時配置光纖電流差動保護作為主保護、帶時限的過電流保護為后備保護;對于接地故障,母線上應裝設單相接地監視裝置,滿足保護選擇性和靈敏性要求時線路上應裝設動作于信號的單相接地保護,必要時應裝設動作于跳閘的單相接地保護[18];對于斷線故障,文獻[24]針對小電阻接地配電網給出了解決方案。

  要減少故障停電時間,應首先完善配電網保護的配置與整定[25],加強主保護、配置斷路器失靈保護、減少對階段式電流保護的依賴,將故障隔離時間由秒級、分鐘級降低至百毫秒級。對于配電母線應考慮配置電流差動保護或者電弧光保護[26-27]作為主保護,保證母線故障的快速隔離。

  對于配電線路應優先采用縱聯差動保護作為主保護,使用光纖專用通道時可采用與輸電網相同的“乒乓”方案來實現兩側采樣同步,使用光纖以太網時可以通過IEEE1588對時系統實現高精度時鐘同步,以及基于以太網無源光網絡(ethernetpassiveopticalnetwork,EPON)固有的IEEE802.1AS時鐘同步機制來實現差動保護采樣同步[28],另外還可以考慮通過檢測故障發生時刻來同步[29]。基于GOOSE機制交換故障方向信息的線路縱聯方向保護、反向聯鎖式(方向式)母線保護可作為主保護的快速后備,實現保護冗余配置,提高可靠性。

  應增加斷路器失靈保護作為近后備保護,在斷路器拒動時,發遠跳命令跳開相鄰開關,保證隔離故障。最后,再輔以常規的階段式電流保護作為后備保護,當主保護失效時才允許投入,以盡可能避免多級開關的級差整定配合和由此帶來的長故障切除時間。

  構成階段式電流保護的上下游終端之間可以通過交換“是否曾經流過故障電流”這一信息,采用允許式(未流過故障電流的終端向上游終端發允許跳閘信號)或者閉鎖式(流過故障電流的終端向上游終端發閉鎖跳閘信號)邏輯,來識別并隔離故障區段[3,5,30]。

  2.3供電恢復

  發生于架空線路上的瞬時性故障成功切除后可依靠重合閘恢復供電。電纜線路、電纜架空混合線路一旦發生故障,一般認為是永久性故障,其重合閘功能停用。架空線路上發生永久性故障,電纜線路、電纜架空混合線路上發生故障被切除后,依靠自動化系統恢復受牽連的非故障區段供電。故障前,配電線路可能開環運行,也可能閉環運行。

  閉環運行的配電線路不存在非故障區段供電恢復的問題。對于開環運行的配電線路,確認故障被成功隔離后,且故障未發生在線路末段即聯絡開關相鄰區段、聯絡開關相鄰開關未發生失靈拒動、轉供后不會引起過載,智能終端將向聯絡開關發合閘命令,恢復對未發生故障區段的供電。

  如果確認轉供后會引起過載,可以根據帶載裕量,只對受牽連的非故障停電區段的一部分恢復供電。也可以利用過負荷報警功能,轉供后確實發生過負荷時,通過人工干預進行遠方或就地減載操作來補救。配電網上游電源進線或者配電變壓器發生故障被切除后,可依靠備用電源自動投入功能,切換到備用電源繼續運行。

  3工程應用實例

  3.1雙環網自愈控制系統

  為簡潔起見只畫出一部分保護控制設備。S1和S4形成一個環網,S2和S3形成另一個環網。S1和S2可以來自不同變電站或者同一變電站的不同母線,S3和S4類似。主干網配置縱聯差動保護裝置,采用專用光纖通道,動作信號通過硬接點方式接入到分布式配電保護自愈控制裝置。環網兩端的變電站側出線間隔另外配置1臺線路保護裝置參與自愈控制,開閉所每段母線分別配置分布式配電保護自愈控制裝置,相互之間采用GOOSE通信。變電站側新增的線路保護裝置與自愈控制裝置協同工作,主要功能有:發送閉鎖自愈的信號、配合對側實現“線路網絡拓撲保護功能”、變電站側開關熱備用時自愈合閘功能、自愈合閘后加速保護功能、過負荷報警功能、聯跳小電源功能。

  自愈控制裝置集成了保護功能和控制功能,具體包括母線保護、斷路器失靈保護、故障解列、低頻低壓減載、主干線路開關和母線分段開關的過流后加速保護(可經復壓閉鎖)、零序過流后加速保護(可經自產零壓閉鎖)、主干線路開關的過負荷報警功能、故障隔離功能、單環串供的開環點開關自愈合閘功能、就地母線分段備自投功能。

  串供自愈優先于開閉所的就地母線分段備自投。開閉所原有的分段備自投裝置停用。自愈控制裝置提供“線路網絡拓撲保護”功能,當縱聯差動保護裝置拒動時,自愈控制裝置依據同一條線路區段兩側開關的過流(或零序過流)及方向標志的組合信號(通過GOOSE傳遞),判斷線路區段內故障并記憶,在無壓無流后跳閘,是一種“緩動型”保護功能。自愈控制邏輯在檢測到縱聯差動保護、“線路網絡拓撲保護”等動作后啟動,檢測所跳開關分閘到位、母線失壓、主干線路無流,經延時(可與重合閘功能配合)后發自愈控制命令合聯絡開關。

  必要時,先行跳開停電區段所連的小電源。將來擴建,比如串供回路上新增一個開閉所,則在新增的開閉所配置2臺分布式配電保護自愈控制裝置,同時修改與新增開閉所相鄰的2個開閉所分布式配電保護自愈控制裝置的相關配置,其他開閉所控制裝置的配置無需改動。該系統通過配電保護與自愈控制多層次、跨站域協同技術,實現了百毫秒級故障定位隔離、無級差自愈配合、秒級供電恢復。系統于2018年10月28日投入運行,為重大活動保供電提供了有力支撐。

  3.2三供一備主接線自愈控制系統

  專利申請CN2018110350052公開了一種智能分布式保護自愈控制系統,用于三供一備主接線配電網[31]。在3條主供電線路的每個配電房以及聯絡切換房均配置1臺分布式配電保護自愈控制裝置和1臺交換機,在每座變電站出線側配置1臺線路光纖縱聯差動保護裝置和1臺交換機。

  在每條主供電線路中,變電站出線側的差動保護裝置與對側配電房的自愈控制裝置之間、相鄰的自愈控制裝置之間均通過專用光纖相連并形成線路光纖縱聯差動保護專用通道;在每條主供電線路中,其各交換機與聯絡切換房中的交換機之間形成環網通信線路。

  變電站出線側的差動保護裝置通過GOOSE機制與對側配電房的自愈控制裝置之間交互信息,在常規保護功能的基礎上,增加線路零序差動保護、“線路網絡拓撲保護”(過流和零序過流)、零序過流后加速保護、GOOSE遠跳功能、備自投閉鎖等功能。

  分布式配電保護自愈控制裝置集成保護、測控、控制功能,具體包括:線路光纖縱聯差動保護、“線路網絡拓撲保護”、母線差動保護、各間隔的過流保護(兩段)和零序過流保護、各間隔的過流后加速保護(可經復壓閉鎖)和零序過流后加速保護、各間隔的重合閘、斷路器失靈保護、無壓跳閘功能、遠跳功能、大電流閉鎖跳閘、TA斷線跳閘、不停電傳動、測控功能、備自投合閘前過載預判、備自投合閘等。

  “線路網絡拓撲保護”作為主干線路光纖縱聯差動保護的快速后備保護。無壓跳閘功能適用于主干路徑上變電站對側開關、聯絡切換房對側開關。遠跳功能用于母差保護動作、失靈保護動作、TA斷線跳閘、手跳變電站側開關時遠跳線路對側開關。大電流閉鎖跳閘邏輯用于當故障電流超過允許值(斷路器斷流能力)時,閉鎖本斷路器跳閘。

  TA斷線跳閘邏輯用于檢測到TA斷線時,啟動跳閘。不停電傳動功能允許通過人機界面進行操作,實現不停電傳動斷路器功能。電源S4通過斷路器1、2、3分別作為3條主供線路的轉供電源。安裝于聯絡切換房的自愈控制裝置,接收其他自愈控制裝置以GOOSE通信方式發送的負荷信息,啟動轉供前預判備用電源S4是否過載。該方案能夠滿足某超大城市核心區年平均停電2.5min的高可靠供電目標。

  3.3花瓣形主接線自愈控制系統

  “花瓣型”接線是指一個閉環網絡由兩路變電站出線供電,閉環網絡之間也有聯絡,形成花瓣式網絡。如圖3所示,S1帶開關站1~3的母線1形成一個花瓣接線,S4帶開關站4~6的母線1形成另一個花瓣接線,兩個花瓣之間在每個開關站都配置雙聯絡線,經自愈控制。

  每個花瓣都采用合環運行,花瓣之間采用開環運行。為簡潔起見只畫出一部分保護控制設備,S2與S3的花瓣接線與保護控制設備配置情況類似。對于每個花瓣的主干線路,以及花瓣之間的聯絡線路,配置線路光纖縱差保護裝置,采用專用光纖通道。

  當線路發生N-1故障時,線路光纖縱差保護快速切除故障,負荷由環網另一方向電源連續供電,可保證供電零閃動。另外配置階段式方向過流保護作為后備。對于開關站母線,配置母線電流差動保護裝置,實現母線故障的快速隔離。另外,按母線配置合環保護,在2個花瓣合環于故障時可選跳主干進線、主干出線或聯絡線路來隔離故障。開關站配置失靈保護功能,當母線上任一個間隔的斷路器拒動時,失靈保護動作切除本母線上所有間隔。

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