基于N-0.1靜態(tài)安全約束的配電網絡自愈系統(tǒng)的研制

楊志強， 于德明， 張鵬宇

(1.國網睢寧縣供電公司，江蘇 徐州 221200；2.國網東北分部長甸發(fā)電廠，遼寧 丹東 118000；3.國網吉林省電力有限公司，長春 130021)

隨著社會的快速發(fā)展，配電網是電力系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié)之一，其安全、優(yōu)質地運行是用戶切身利益的保障。在配電網自動化發(fā)展的過程中，配電網的智能化程度是其先進與否的重要衡量，而配網智能化的核心就是“自愈”[1-2]，配電網自愈的主要問題在于出現(xiàn)故障后最大限度地縮小停電范圍和停電時間。針對現(xiàn)有電力系統(tǒng)中配電網故障范圍影響大，負荷分配不靈活的問題，結合國網睢縣供配電的現(xiàn)狀，提出一種自愈式配電網絡系統(tǒng)及其控制方法。該系統(tǒng)的最大特點是可以高效便捷地解決目前廣泛存在的配電網領域中電網故障率高、影響范圍大的問題。

1 裝置設計

1.1 設計思想

自愈系統(tǒng)遵循N-1準則，電力系統(tǒng)的N個元件中的任一獨立元件(變電站、配電線路、變壓器等)發(fā)生故障而被切除后，應不造成其他線路因聯(lián)絡拉手過負荷跳閘而導致用戶停電；不破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不出現(xiàn)電壓崩潰等事故，從而實現(xiàn)電網的高效運轉。因此自愈式配電網絡構建的指導思想，是將電力系統(tǒng)的安全性由N-1轉變?yōu)镹-0.1，即最大限度地縮小停電范圍和停電時間。

配電網自愈的條件 ，一方面需要堅強的配電網網架結構做基礎，增強網絡的故障和風險抵抗能力；另一方面需要在故障發(fā)生后，采取有效的隔離方法隔離故障并且使故障自愈[3]。本文基于第二方面，對配電網故障自愈策略及優(yōu)化進行了研究，并通過備用電源自動投入裝置(以下簡稱備自投裝置)的投退策略實現(xiàn)故障的自愈。

1.2 總體方案

a.故障點判斷選擇，順序重合閘強隔離。電力系統(tǒng)安全性的提升就是高精度、分層次地判斷故障發(fā)生點，從而實現(xiàn)配電線路順序重合閘強隔離。根據現(xiàn)場運行方式，合理配置、安裝智能柱上斷路器，根據柱上斷路器裝位置，實行階梯性定值整定，保證斷路器有選擇性的自動投切，有效隔離故障，徹底擺脫線路故障總出口開關跳閘的局面。

b.利用備自投原理，實現(xiàn)雙向(多向)自愈式配電網建設。對于已具備兩回線及以上的多回供電線路，安裝備自投裝置可以提高供電的可靠性、簡化繼電保護裝置、限制短路電流并提高母線電壓，是電力部門保障用戶連續(xù)可靠供電的重要手段。

c.構筑基于“云”決策的自愈式配電網絡。自愈式配電網是構筑堅強電網的重要基石，在進行電網規(guī)劃之前，需要收集大量有關電網和電力系統(tǒng)發(fā)展的歷史數據。完全依靠規(guī)劃工作人員的經驗開展規(guī)劃工作，不僅會造成大量的時間和人力資源的浪費，而且傳統(tǒng)的規(guī)劃方法已經不能滿足現(xiàn)代化建設的要求。為保證規(guī)劃工作的科學性，迫切要求研究滿足實際要求的電網規(guī)劃理論，開發(fā)高效、方便、實用的具有智能決策功能的電網規(guī)劃計算機輔助決策系統(tǒng)。所以為了更好地實現(xiàn)電網“自愈”，計劃在配電自動化主站側開發(fā)云決策模塊，通過此模塊可以實現(xiàn)配電網絡全景智能決策、自愈恢復路徑、一次觸發(fā)、瞬時可靠隔離故障點、彈性恢復。

d.圍繞可靠性配電網絡，加強工程項目儲備。睢寧配電網項目儲備工作以地方經濟建設發(fā)展為指導，以城鎮(zhèn)規(guī)劃為依據，按照《江蘇省電力公司配電網管理規(guī)范實施細則》及《江蘇省電力公司配電網技術導則》，為解決當年迎峰度夏配電網存在電網薄弱環(huán)節(jié)，解決配電網老舊設備存在隱患、故障率高等問題，依據年度投產資金和可靠性配電網絡的建設需求合理開展項目儲備。

1.3 智能控制裝置的研制

根據以上方案的設定，研制一種自愈式配電網絡系統(tǒng)應用的智能控制裝置，此裝置不僅可以實現(xiàn)配電網的自動化，并且可以通過智能邏輯判斷，實現(xiàn)配電網中元器件順序重合閘強隔離的目的。這種智能控制裝置屬于電力系統(tǒng)中，配電網故障自動隔離領域，涉及一種自愈式配電網絡系統(tǒng)及其控制方法。 自愈式配電網絡系統(tǒng)應用的智能控制裝置示意圖見圖1。

圖1 自愈式配電網絡系統(tǒng)應用的智能控制裝置示意圖

系統(tǒng)總共包含7個單元，它們分別是中央處理器(CPU)處理單元、遙測單元、遙信單元、遙控單元、人機接口單元、通訊接口單元、就地無線控制單元。系統(tǒng)各部分的功能如下。

a.CPU處理單元：作為系統(tǒng)的運行中樞，主要包括遙測量數據、遙信量數據的采集和控制遙控輸出單元執(zhí)行分合閘操作，根據設置好的內部動作邏輯進行保護邏輯操作，實現(xiàn)重合閘的功能。

b.遙測單元：遙測單元由專用電壓電流傳感器和信號轉換電路組成，外部電壓電流信號進入裝置后，接入遙測采集單元，遙測采集單元將輸入的外部電壓電流信號進行轉換，轉換為CPU處理單元可接受的信號，供CPU采集用；遙測單元具有轉換效率高，輸出信號穩(wěn)定的特點，內部具有過范圍保護，抗干擾處理等功能，為整個裝置的可靠運行提供了有力保障。

c.遙信單元：遙信單元核心以光耦隔離電路和外擴信號處理電路組成，是整個系統(tǒng)的開關狀態(tài)量的輸入處理單元，將外部開關本體狀態(tài)、儲能狀態(tài)等開關量轉換為CPU處理單元可接受的信號，供CPU采集遙信量使用；遙信單元轉換速度快，穩(wěn)定，具有過范圍保護，抗干擾處理等功能。

d.遙控單元：遙控單元由分閘和合閘兩大部分組成，合閘采用晶閘管驅動繼電器方式輸出，分閘采用金屬氧化物半導體(MOS)場效應晶體管 驅動方式輸出，遙控單元是整個系統(tǒng)的核心控制單元，需要有絕對的輸出可靠性和穩(wěn)定性，CPU通過信號控制口輸出弱控制信號，遙控單元將弱控制信號轉換為可以控制外部開關本體動作的強信號來驅動外部開關本體的分合閘操作，從而達到對外部開關的可靠控制。

e.人機接口單元：人機接口是指人與計算機之間建立聯(lián)系、交換信息的輸入/輸出設備的接口，這些設備包括鍵盤、顯示器、打印機、鼠標器等。在本裝置中人機接口單元由液晶屏和按鍵及狀態(tài)指示燈組成，液晶顯示采用漢字式顯示方式，方便設置參數查看運行狀態(tài)，按鍵提供了輸入接口，可根據現(xiàn)場需要，方便簡潔的配置控制裝置參數，為系統(tǒng)的可靠運行提供簡易的配置方式。

f.通訊接口單元：通訊接口單元采用CPU內部自帶串口輸出方式，具有實時性高，穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，外部可連接通用分組無線服務(GPRS)模塊，網口模塊，光纖模塊等，實現(xiàn)各種方式的通訊連接功能，方便系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)視，控制等功能。

g.就地無線控制單元：就地無線控制單元采用專業(yè)無線遙控配件，具有信號穩(wěn)定，遙控距離遠的特點，使得裝置在運行期間，無需通過裝置按鈕直接操作斷路器本體的分合閘動作，可直接在遙控距離范圍內，通過手持遙控器在桿下操作開關的分合閘動作，簡化了操作的繁瑣性，使得運行維護更加簡單易行。

2 自愈控制策略

系統(tǒng)專用智能分段控制裝置，配合出口重合斷路器，通過故障判斷邏輯，實現(xiàn)故障段隔離的目的，增強供電可靠性。

2.1 一次系統(tǒng)分析

模擬的睢寧縣一次系統(tǒng)圖見圖2。圖2中，QF為高壓斷路器，所謂自動重合閘裝置，是將因故障跳開后的斷路器按需要自動投入的一種自動裝置。對斷路器電流I實行階梯性定值整定：

ΙzdQF4<ΙzdQF2(0.2倍)

ΙzdQF2<ΙzdQF1(0.2倍)

ΙzdQF3<ΙzdQF1(0.2倍)

ΙzdQF1<ΙzdQF2(0.2倍)

QF1、QF2、QF3、QF4重合閘充電時間大約為15 s，充電完成后，重合閘功能進行投入，此時斷路器出口動作延時整定范圍應不小于0～120 s。

圖2 睢寧縣一次系統(tǒng)圖

2.2 QF重合閘動作要求

a.手動分閘和遙控分閘時，不啟動斷路器的重合閘功能。

b.斷路器在保護跳閘時不閉鎖重合閘功能。

c.斷路器復電后，系統(tǒng)會檢測在之前的3 min內最近的一次保護動作信息，當時的重合閘在允許狀態(tài)，得電重合后經延時動作。

d.斷路器本體裝置不但具備動作電流整定的功能，還要同時具備時間整定的功能。

e.斷路器本體裝置具備加速跳的功能。

f.斷路器本體保護裝置運行溫度必須大于45 ℃。

g.斷路器的得電重合功能應自帶延時20 s，以保證上級重合閘充電完成。

2.3 檢驗合格試驗項目

驗證重合閘充電時間及各段保護動作重合閘試驗項目。

a.控制器檢測到斷路器的開關從分位到合位，經15 s延時后，重合閘充電完成，然后重合閘功能投入； 如果各段電流保護在重合閘充電未完成時動作，此時重合閘功能均沒有啟動，在重合閘充電完成后，各段保護才能啟動重合閘； 斷路器重合于永久性故障時，保護動作，重合閘功能沒有啟動。

b.手動分閘、遙控分閘時均不應啟動重合閘功能，得電重合應帶有延時以保證上級重合閘充電完成。

c.驗證得電重合功能，裝置從得電自檢到得電自檢之前的3 min內，其最近的一次保護動作且保護動作時重合閘處在充電的狀態(tài)(重合閘允許狀態(tài))，則得電重合功能經固有延時(保證上級裝置充電完成)動作后，開關將會合上。

3 重合閘試驗

下面是模擬順序重合閘運行環(huán)境，驗證整組動作邏輯。針對本地區(qū)睢寧變電站下面的永安開閉所及麗晶小區(qū)配電室組成的配電線路，在線路上安裝自愈式配電網絡系統(tǒng)應用的智能控制裝置，將3組斷路器QF串聯(lián)接入，從電源側開始，分別為QF1、QF2、QF3。3個斷路器重合閘時間分別整定為25、50、75 s，故障方式如下。

a.故障方式1：故障點在QF3后側，發(fā)生瞬時性故障，僅QF3保護動作，重合成功。

b.故障方式2：故障點在QF3后側，發(fā)生瞬時性故障，QF3、QF2同時進行保護動作，QF2裝置帶電，QF3裝置失電；QF2經50 s延時，重合閘成功，然后QF3裝置得電，得電后經得電重合固有延時，得電重合動作。

c.故障方式3：故障點在QF3后側，發(fā)生瞬時性故障，QF3、QF2、QF1保護同時動作，QF1裝置帶電，QF2、QF3裝置失電；QF1經25 s延時，重合閘成功，QF2裝置得電，得電后經得電重合固有延時，得電重合動作，QF2重合成功，QF3裝置得電，得電后經得電重合固有延時，得電重合動作，QF3重合成功。

d.故障方式4:故障點在QF3后側，發(fā)生永久性故障，QF3、QF2、QF1、系統(tǒng)電源保護同時動作，QF1、QF2、QF3裝置同時失電；模擬系統(tǒng)電源重合成功，QF1裝置得電，得電后經得電重合固有延時，得電重合動作，QF2裝置得電，得電后經得電重合固有延時，得電重合動作，QF2重合成功，QF3裝置得電，得電后經得電重合固有延時，得電重合動作，QF3重合于永久性故障，系統(tǒng)電源、QF1、QF2、QF3再次同時動作，3臺斷路器同時失電，模擬系統(tǒng)電源重合成功，QF1裝置得電，得電后經得電重合固有延時，得電重合動作，QF2裝置得電，得電后經得電重合固有延時，得電重合動作，QF2重合成功，QF3裝置得電，不滿足得電重合條件，QF3得電重合閘不動作。

每種故障方式進行100次試驗，所得數據見表1，故障自愈動作正確率為98%。

表1 QF動作次數 次

4 結束語

在深入研究分析國內外配電網自動化技術發(fā)展背景的基礎上，采用一種結合N-0.1靜態(tài)安全約束和備自投功能的自愈式配電網絡系統(tǒng)智能控制裝置，給出了故障點實行階梯性定值整定的方法以及自愈系統(tǒng)的設計思想和總體方案，通過實際掛網運行表明，本裝置能有效實現(xiàn)故障自愈，準確可靠，為解決配電網端因線路故障造成的停電影響范圍大及影響結果嚴重等問題提供了一種全新、有效的解決模式。