自愈控制系統(tǒng)在10 kV配電網(wǎng)中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

摘 要：電力系統(tǒng)造成用戶供電中斷等各類故障，90%發(fā)生在配電系統(tǒng)中。要提高配電網(wǎng)安全性、可靠性，合理的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和可靠的電力設(shè)備是基礎(chǔ)，提高配電網(wǎng)管理水平的重要舉措之一就是在10 kV配網(wǎng)中應(yīng)用自愈控制系統(tǒng)。為滿足松江新橋工業(yè)片區(qū)的供電需求以及實(shí)現(xiàn)世界一流城市配電網(wǎng)建設(shè)的目標(biāo)，上海臨港松江高科技發(fā)展有限公司工程中的10 kV配電網(wǎng)采用了10 kV雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)并配置10 kV自愈控制系統(tǒng)，現(xiàn)對(duì)自愈控制系統(tǒng)在10 kV配電網(wǎng)中的應(yīng)用及相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析總結(jié)。

關(guān)鍵詞：自愈控制;潮流分析;差動(dòng)保護(hù);整定計(jì)算

0? ? 引言

10 kV配電網(wǎng)是電網(wǎng)的重要組成部分，也是保障電力“配得下、用得上”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因配電網(wǎng)直接面對(duì)終端用戶，其故障會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)的電能無法輸送給用戶，進(jìn)而引起用戶供電中斷。國家能源局印發(fā)的《配電網(wǎng)建設(shè)改造行動(dòng)計(jì)劃（2015—2020年）》[1]明確要求：“到2020年，中心城市（區(qū)）智能化建設(shè)和應(yīng)用水平大幅提高，供電可靠率達(dá)到99.99%，供電質(zhì)量達(dá)到國際先進(jìn)水平?！弊杂ǔＪ侵干w排除外在或內(nèi)在對(duì)人體和其他生命體的侵害，修復(fù)已經(jīng)造成的損害，達(dá)成生命延續(xù)的過程。用于配電網(wǎng)則指在不需要外在干預(yù)的條件下，自動(dòng)進(jìn)行電能轉(zhuǎn)供、定位故障、隔離故障、恢復(fù)供電，且對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行與供電質(zhì)量不產(chǎn)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(yè)片區(qū)的供電需求以及實(shí)現(xiàn)世界一流城市配電網(wǎng)建設(shè)的目標(biāo)，消除松江新橋工業(yè)片區(qū)配電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)，同時(shí)也為了緩解35 kV徐塘站和110 kV廟三站供電倉位緊張的現(xiàn)狀，優(yōu)化配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，提升配電網(wǎng)的供電可靠性，松江高科項(xiàng)目新建了一組10 kV雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，并配置了10 kV自愈控制系統(tǒng)。

1? ? 10 kV雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及自愈系統(tǒng)配置

松江高科項(xiàng)目新建的這組10 kV雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，配置了10 kV自愈控制系統(tǒng)，共涉及5座10 kV開關(guān)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(guān)站？圮10 kV云瀾開關(guān)站？圮10 kV之禾開關(guān)站？圮10 kV德脈開關(guān)站？圮10 kV啟迪開關(guān)站？圮35 kV徐塘站電纜網(wǎng)雙環(huán)網(wǎng)一組，自愈系統(tǒng)框架如圖1所示。

10 kV自愈系統(tǒng)采用縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)原理實(shí)現(xiàn)故障定位，待其他保護(hù)裝置動(dòng)作后對(duì)故障未隔離區(qū)域進(jìn)行故障隔離，并采用系統(tǒng)自愈以及分段備自投實(shí)現(xiàn)非故障段失電負(fù)荷快速轉(zhuǎn)供。如圖1所示，系統(tǒng)按單環(huán)配置，即每個(gè)單環(huán)配置一臺(tái)自愈保護(hù)控制主機(jī)、兩臺(tái)線路終端和若干臺(tái)母線終端。各終端通過光纖通信網(wǎng)絡(luò)和智能自愈保護(hù)控制主機(jī)相連，自愈保護(hù)主機(jī)通過以太網(wǎng)口和上位機(jī)相連。各智能采集控制終端通過無源光網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部同步協(xié)議和主機(jī)時(shí)鐘同步，實(shí)現(xiàn)所有終端同步采樣，并通過可控?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳SMV和GOOSE信息、接收主機(jī)GOOSE信息;各智能終端通過無源光網(wǎng)絡(luò)和后臺(tái)實(shí)現(xiàn)104通信，各智能終端同時(shí)實(shí)現(xiàn)就地保護(hù)功能[3]。

10 kV自愈系統(tǒng)能夠完成完整的配網(wǎng)保護(hù)控制功能，包括線路縱差保護(hù)、非故障段負(fù)荷轉(zhuǎn)供、就地母線差動(dòng)保護(hù)、分段備自投、故障解列、低頻低壓減載等;能夠完成對(duì)進(jìn)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(shù)、頻率等電氣量以及直流量的測(cè)量;能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電壓、電流、功率等電氣量變化的監(jiān)視并實(shí)時(shí)進(jìn)行告警;具備電氣信息量的采集及處理功能，能夠完成開關(guān)位置量、電網(wǎng)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?qū)崿F(xiàn)遙測(cè)超限、遙信變位、事故報(bào)警、遙控過程等信息收集記錄、統(tǒng)一管理并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，自我學(xué)習(xí)判斷。

2? ? 潮流分析

10 kV雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)“自愈”，快速隔離故障，恢復(fù)供電，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力是關(guān)鍵。利用ETAP 12.6計(jì)算軟件，分別進(jìn)行不同接線方式下的潮流分析，得到計(jì)算結(jié)果如表1、表2、表3所示。

方式1：當(dāng)雙環(huán)網(wǎng)中5座開關(guān)站母聯(lián)開關(guān)M1、M2、M3、M4、M5均處于打開狀態(tài)時(shí)，K13、K14母線出線開關(guān)斷開，即網(wǎng)架中負(fù)荷均由K1、K2母線出線開關(guān)供，雙環(huán)網(wǎng)內(nèi)的負(fù)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(dāng)雙環(huán)網(wǎng)中5座開關(guān)站母聯(lián)開關(guān)M1、M2、M3、M4、M5均處于打開狀態(tài)時(shí)，K1母線出線開關(guān)閉合，K2母線出線開關(guān)斷開，K13、K14母線出線開關(guān)斷開，即網(wǎng)架中負(fù)荷均由K1母線出線開關(guān)供，各線路所帶功率及電流值如表2所示。

方式3：當(dāng)雙環(huán)網(wǎng)中5座開關(guān)站母聯(lián)開關(guān)M1、M2、M3、M4、M5均處于打開狀態(tài)時(shí)，K1母線出線開關(guān)閉合，K2母線出線開關(guān)斷開，K13母線出線開關(guān)斷開，K14母線出線開關(guān)閉合，即網(wǎng)架中負(fù)荷均分別由兩座變電站母線出線開關(guān)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(wǎng)架結(jié)構(gòu)潮流分析得出，雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中變電站至一級(jí)開關(guān)站的電流值最大，其中，方式2運(yùn)行方式下，廟17新格開關(guān)站甲最大電流達(dá)1 232.0 A。本次雙環(huán)網(wǎng)接線結(jié)構(gòu)中，開關(guān)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(huán)網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的自愈能力，110 kV廟三站至10 kV新格開關(guān)站，35 kV徐塘站至10 kV啟迪開關(guān)站10 kV電纜建議采用雙拼3×400 mm2電纜，雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的開關(guān)柜內(nèi)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(shè)環(huán)境、電力保護(hù)管材熱阻系數(shù)的差異，同時(shí)需考慮土壤熱阻系數(shù)、同路徑電纜敷設(shè)根數(shù)等各種因素，電纜實(shí)際載流量需要取相應(yīng)校正系數(shù)來綜合計(jì)算[4]。

本項(xiàng)目新敷設(shè)電纜均穿已有排管備用孔位敷設(shè)（圖2），新敷設(shè)電纜地溫取30 ℃，土壤熱阻系數(shù)按1 m·K/W取值，埋深1 m，電纜間距250 mm，電纜群電纜結(jié)構(gòu)均一致且除計(jì)算電纜外的其余電纜負(fù)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(yīng)校正系數(shù)取0.7，計(jì)算出YJV-10 kV-3×400 mm2電纜在排管中的安全運(yùn)行電流為403 A，最大負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力為0.7 MVA。在額定值的運(yùn)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(diào)為800/5 A，一次側(cè)通過的最大值為800×0.8=640 A。

綜上分析，雙環(huán)網(wǎng)電纜網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中上級(jí)電源站采用雙拼電纜，流變調(diào)大后，單回線路最大負(fù)荷電流可達(dá)640 A。該雙環(huán)網(wǎng)最大負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力為11.08 MVA，但是在運(yùn)行方式2最差網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下，自愈系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控變電站出線電流值，并設(shè)定電流閾值及其對(duì)應(yīng)的自愈控制策略。

3? ? 保護(hù)配置

雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中5座開關(guān)站原配有單間隔的保護(hù)裝置和分段備自投裝置，主干線路增加線路光纖縱差保護(hù)裝置，均采用CSD-213A-G線路光纖縱差保護(hù)裝置。開關(guān)站內(nèi)分布式配電保護(hù)自愈裝置與開關(guān)站原有的保護(hù)裝置及線路縱差保護(hù)裝置配合關(guān)系如下：

（1）線路光纖縱差保護(hù)裝置的動(dòng)作信號(hào)通過硬接點(diǎn)方式接入分布式配電保護(hù)自愈裝置。

（2）開關(guān)站原有的分段備自投裝置停運(yùn)，由分布式配電保護(hù)自愈裝置實(shí)現(xiàn)就地分段備自投功能。

（3）分布式配電保護(hù)自愈裝置的跳合閘出口（跳、合環(huán)進(jìn)環(huán)出主干線路開關(guān)和分段開關(guān)，以及跳小電源線路開關(guān)，其他負(fù)荷支線開關(guān)可以不接線）接入到原有保護(hù)裝置的操作回路中。

隨著自愈以及分段備自投實(shí)現(xiàn)非故障段失電負(fù)荷快速轉(zhuǎn)供，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的改變會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)架電氣參數(shù)的改變。本節(jié)從不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下縱差保護(hù)整定的計(jì)算，從而得出自愈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中縱差保護(hù)整定的要求。

電流差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3所示，圖中一級(jí)開關(guān)站M出線倉，二級(jí)開關(guān)站N出線倉均裝設(shè)CSD-213A-G差動(dòng)保護(hù)測(cè)控裝置，兩級(jí)開關(guān)站之間采用24芯專用通信光纜連接。

圖4為CSD-213A-G差動(dòng)繼電器的三折線動(dòng)作特性曲線，動(dòng)作方程如下：

（1）當(dāng)Ir≤Icd×（5/3），Id>Icd時(shí)動(dòng)作;

（2）當(dāng)（5/3）×Icd0.6×（Ir-Icd×5/3）時(shí)動(dòng)作;

（3）當(dāng)Ir≥5×Icd，Id-[0.6×（5×Icd-Icd×5/3）+Icd]>0.8×（Ir-5×Icd）時(shí)動(dòng)作。

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

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

Ib2=5Icd為保護(hù)區(qū)外故障引起CT飽和的最小制動(dòng)電流，一般取為2.5～3倍額定電流，本項(xiàng)目取2.5倍額定電流。

Ib1～I(xiàn)b2這段區(qū)域被稱為“輕微有偏區(qū)域”，即該區(qū)域有制動(dòng)作用，但制動(dòng)作用有限。在這段區(qū)域內(nèi)，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作與否取決于差動(dòng)電流與制動(dòng)電流之比，負(fù)荷電流外部故障的穿越電流產(chǎn)生的差動(dòng)電流是隨著制動(dòng)電流的增大而增大的，不能以簡單的差動(dòng)電流作為保護(hù)動(dòng)作的判斷依據(jù)，因此在該段區(qū)域內(nèi)，制動(dòng)曲線存在斜率K1，K1值不宜過大，否則保護(hù)靈敏度將下降，不利于線路的短路保護(hù)。

在最大運(yùn)行方式下，雙環(huán)網(wǎng)不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的短路電流計(jì)算如表4所示。

由表4可知，不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)接線方式下，10 kV側(cè)短路電流值差別較大，其中10 kV側(cè)最大方式下發(fā)生短路后最大短路電流為16.33 kA，最大差值為8.26 kA。

差動(dòng)保護(hù)靈敏度系數(shù)計(jì)算[5]如下：

Ksen=（Ksen.xd/nTA）×（Ik3.min/KIr）

式中：Ksen.xd為相對(duì)靈敏系數(shù);nTA為電流互感器變比;Ik3.min為線路保護(hù)區(qū)內(nèi)最小三相短路電流;K為保護(hù)裝置的整定值;Ir為保護(hù)裝置的額定電流。

不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下因短路電流值不同，縱差保護(hù)裝置的動(dòng)作電流整定值及相對(duì)靈敏系數(shù)也不同，線路由單側(cè)電源供電時(shí)，保護(hù)裝置的動(dòng)作電流為線路由雙側(cè)電源供電時(shí)保護(hù)裝置動(dòng)作電流的3倍[4]。

綜上分析可以推斷出，10 kV雙環(huán)網(wǎng)自愈控制系統(tǒng)包括的線路縱差保護(hù)、非故障段負(fù)荷轉(zhuǎn)供、就地母線差動(dòng)保護(hù)、分段備自投、故障解列、低頻低壓減載等功能都需要根據(jù)不同的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)置對(duì)應(yīng)的保護(hù)策略及保護(hù)定值。

4? ? 結(jié)語

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自愈控制的前提條件是一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)合理，設(shè)備可靠，具備一定的備用容量和足夠的負(fù)荷轉(zhuǎn)供能力。在10 kV配網(wǎng)中設(shè)計(jì)自愈系統(tǒng)，首先要對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)架進(jìn)行潮流分析，找出關(guān)鍵點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的供電方案，設(shè)計(jì)時(shí)要全面考慮網(wǎng)架中斷路器、電流互感器、電纜、通信網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備的選型與配置。其次，因網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的變化，10 kV配網(wǎng)自愈系統(tǒng)中繼電保護(hù)應(yīng)設(shè)計(jì)不同的保護(hù)策略，同時(shí)應(yīng)具備自我學(xué)習(xí)功能。最后，10 kV配網(wǎng)不同于110 kV主網(wǎng)，其負(fù)荷變化及網(wǎng)架動(dòng)態(tài)變化較大，因此10 kV配網(wǎng)自愈系統(tǒng)應(yīng)具備實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化、監(jiān)測(cè)電纜載流量變化、監(jiān)視重要用戶電流數(shù)據(jù)等功能;還應(yīng)具備深度計(jì)算、深度學(xué)習(xí)功能，對(duì)應(yīng)不同的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，以保證其保護(hù)動(dòng)作判定、故障隔離診斷、負(fù)荷轉(zhuǎn)供均能自動(dòng)完成。

總之，10 kV自愈系統(tǒng)在工程方案及工程設(shè)計(jì)中需要考慮潮流計(jì)算與分析、電纜穩(wěn)定極限計(jì)算、設(shè)備動(dòng)穩(wěn)定性分析、電流互感器的抗飽和計(jì)算、用戶負(fù)荷擾動(dòng)分析、電壓穩(wěn)定分析、重構(gòu)電網(wǎng)和解列運(yùn)行等，方能實(shí)現(xiàn)10 kV自愈控制的各種功能。

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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(wǎng)工程設(shè)計(jì)。