雙接入級聯的分支網結構及其分布式故障自愈技術分析

郭少飛,李鐵成,王獻志,何 磊,劉清泉

(國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

配電網作為聯系用電側的最后環節,是滿足用戶用電需求,提高供電可靠性的關鍵環節。隨著城鎮化的高速發展以及新型電力系統構建目標的提出,對配電網供電可靠率提升的要求愈來愈高,對配電網結構[12]及其自愈控制策略[3]的研究成為當前熱點方向。

對于高可靠配電網結構的研究與應用方面,國外發達國家和地區在高可靠典型電網結構與規劃運行方面取得了一系列成功的經驗[4]。在配電網自愈控制研究方面,美國專家與學者在“復雜交互網絡與系統計劃”中首次提出自愈電網的概念[5-7],我國學者也在2005年開始注重并進行了電網自愈方面的探索和研究[8-11],但多側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估等內容[12-14]。

現階段對于高可靠配電網結構以及自愈方法的研究已比較多,但均未考慮配電網規劃與建設初期能夠滿足系統運行方式需求的過渡性方案。實際工程中應用的自愈裝置以及系統也往往是等整個區域內所有開關站和配電室投運以后才能發揮作用,這極大限制了自愈系統在高可靠配電網中的重要作用,對于提升配電網供電可靠率帶來了不利的影響。

本文針對上述問題首先提出一種雙接入級聯形式的分支網結構,該配電網結構方式能夠按照規劃或者負荷中心需求,擴建為雙環網結構、或多級聯接入結構,具有較強的可擴展性。并且針對該配電網結構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仿真試驗結果證明該種方法能夠滿足各種N-1故障情況下系統的自愈供電,保證用戶用電的可靠性。

1 雙接入級聯配電網結構及其分布式自愈系統配置

1.1 雙接入級聯配電網結構

分支網是主干網的次級網絡,以配電室為核心節點,是由開關站與配電室之間、配電室與配電室之間的聯絡線所組成的網架。本文所提出的單環網雙接入級聯的分支網拓撲如圖1所示。其中,S1、S2為單環網兩路開關站電源,A、B分別為兩級配電室。第一級配電室(A配電室)的2路電源來自同一開關站的不同母線或者不同開關站;第二級配電室(B配電室)的兩路電源來自上一級配電室的不同母線,兩級配電室之間設置兩回聯絡線路。配電室主接線均為單母分段,501與502分別為A、B兩級配電室的分段聯絡斷路器。101-102-103-104,以及201-202-203-204均為單環網的主供回路,圖中每座配電室母線上的出線間隔僅為示意圖,負荷線路1~2回,例如106、107間隔。

圖1 雙接入級聯分支網結構示意

這種雙級聯接入式分支網配電網結構簡單,在區域配電網規劃初期,能夠滿足區域高可靠供電的需求。隨著網絡的逐步擴大,可以擴建為雙環網結構,或多級聯接入式結構。

1.2 分布式自愈系統配置

依據雙接入級聯配電網結構特點,提出一種單環網雙接入級聯配電網結構的分布式系統自愈方法。具體系統配置方案如圖2所示,分支網中分布式STU按母線配置,每段母線配置1臺,串供主回路上的STU之間采用光纖直連,基于GOOSE通信協議實現信息交互。在系統發生故障時,能夠基于終端之間的對等通信功能,實現故障快速定位、故障快速隔離及非故障失電區域快速恢復供電。各配電室的母線、配電變壓器和終端饋線保護均集成于STU內。主干線主供回路上配置獨立的線路縱差保護,線路差動保護裝置可輸出差動保護動作信號(開出節點)與后備保護動作信號(開出節點);分支網STU可接入上述信號,用于輔助故障定位與故障隔離邏輯判別。

圖2 雙接入級聯分支網自愈系統配置示意

2 雙接入級聯配電網結構分布式自愈控制實現

2.1 拓撲分析

在分布式自愈控制中,各分布式STU每臺裝置僅需配置安裝處局部的基本拓撲信息,通過裝置之間的對等通信,拼接生成故障定位和保護控制所需的整個拓撲信息,根據不同的網絡狀態實時改變運行方式與故障自愈策略。

對于拓撲信息的獲取,可以分為靜態拓撲信息與動態拓撲信息。靜態拓撲信息包含本STU以及相鄰STU安裝處的基本拓撲信息,STU之間通過對等通信實時數據交互,進而拼接生成故障定位所需的整個網架拓撲結構。

動態拓樸信息是當由于故障或檢修導致運行方式發生變化時,由電源側STU開始向下逐級發送查詢指令,直至搜索到開環點,開始轉發,直至電源側STU。以圖2所示分支網雙接入級聯分布式自愈系統中,A配電室母線1的STU1為例,羅列出部分靜態和動態拓樸信息,見表1。

表1 STU1網絡拓撲信息

以圖2所示分支網雙接入級聯分布式自愈系統為例,說明上述拓撲信息獲取過程。A1母線STU為電源STU1,其向B1母線處STU2發送開關狀態查詢指令,STU收到查詢指令后將STU1標記為自身上游STU,同時收到STU1處環進、環出、分段斷路器狀態,同時將繼續向B2母線處STU3發送查詢指令,同理STU3繼續向電源側A2母線上STU4發送指令。直至環網內所有STU均獲取環內各斷路器狀態以及負荷潮流,從而使整個自愈系統獲取了完整的拓撲信息。

2.2 故障定位

對于分支網雙接入級聯的自愈系統,其故障定位采用主動定位與被動定位2種方式。

被動定位,采用外部獨立配置的線路保護裝置動作信號,將線路保護動作信號作為外部開入量接入STU中,當收到此信號時認為故障定位在主干線路上。而主動定位是指STU內部具備各種獨立地、針對環網內各主干線路、母線以及母線饋出線故障的定位元件,例如包括網絡拓撲保護、線路差動保護、母線差動保護以及母線饋出線保護等。主動式故障定位與被動式故障定位互相融合,優先采用被動式定位。

2.3 故障隔離方案

故障隔離功能包含無壓跳閘、線路故障隔離、母線故障隔離、饋出線故障隔離、失靈保護、遠方跳閘、小電源聯切等功能,在滿足主供回路間隔無流、母線無壓情況下,故障隔離功能才允許動作。

無壓跳閘功能動作時,跳開開環點兩側中故障停電的一側與開關站直接相連的斷路器,進行故障隔離。開關站側故障或斷路器跳開時,無壓跳閘功能應正確動作。

線路故障隔離,STU支持工作方式(主動式/被動式)通過控制字進行選擇,能夠滿足特殊工程的需要。采用主動式跳閘的工作方式時,STU的線路故障隔離功能滿足動作條件后直接跳閘,不受自愈功能退出的影響,與外部線路保護裝置具有同樣的功能。采用被動方式時,線路故障隔離功能在對應間隔無壓無流條件下動作出口,并且支持通過時間整定與外部線路保護重合閘功能相配合。

失靈保護功能動作時,跳該段母線上所有間隔斷路器并遠跳對側。間隔差動保護、間隔拓撲保護、間隔過流保護、間隔零序過流保護、母線差動保護、無壓跳閘、故障定位跳閘、跟跳等元件動作時,均可以啟動斷路器失靈判別;失靈保護、遠方跳閘等元件動作時,不啟動斷路器失靈判別。

小電源聯切功能,主要考慮分布式電源接入后,在電網發生故障情況下,為避免小電源電壓支撐作用對自愈合閘功能造成影響,在故障隔離完成后,需執行聯切分布式電源過程。自愈聯切小電源對象,是故障點和開環點之間的配電房內定義為小電源的線路,當小電源所在站所電源側主供回路發生故障或斷路器跳開時,小電源聯切動作跳開小電源支路。

2.4 非故障區域供電恢復方案

對于各STU應配置有單環網自愈與分段備自投2種恢復供電的功能。故障隔離完成后,優先采用單環網自愈方式實現開環點斷路器自愈合閘,其開環點固定取最末級配電室的分段斷路器(圖1中的502斷路器)。在確認故障已經成功隔離,且滿足無壓無流條件后,STU發出合閘指令將開環點斷路器合閘,恢復非故障區域供電,系統自愈成功。

當自愈合閘動作后或不具備自愈合閘條件時,處于失電狀態的配電室由分段備自投功能恢復供電。此時兩級配電室間的備自投功能無需信息交互,分段備自投動作時,跳環進、環出間隔,確認環進環出間隔跳開后,經短延時合分段斷路器。

3 基于RTDS仿真平臺的試驗驗證

為了驗證本文構建的單環網雙接入級聯配電網結構的自愈系統的正確性和可靠性,在實時數字仿真系統RTDS試驗環境下搭建模型,構建2座配電室、8臺線路保護裝置、4臺STU進行閉環測試。RTDS產生的模擬信號經功率放大器后輸入STU與保護裝置,各開關量(例如斷路器位置)經繼電器后輸入對應STU,模擬配電網系統運行。STU發出的控制信號輸出至RTDS,控制相應斷路器的分合,故障點設置如圖3所示。

圖3 雙接入級聯分支網自愈系統故障示意

各STU之間通過光纖進行對等通信,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故障情況下的動作恢復供電的情況,驗證該自愈系統保證用戶用電的可靠性。仿真試驗結果如表3所示。根據測試結果可以看出,本文所提出的自愈方案完全能夠滿足各類N-1故障情況下,配電網系統恢復供電的正確性與可靠性,能夠快速進行故障區段定位與故障隔離,STU動作邏輯完全正確。此外,該方案具有網路拓撲識別功能,各STU之間通過實時通信能夠獲取靜態以及動態的網絡拓撲信息,適應網絡運行方式的變化。

表3 自愈系統仿真試驗結果

4 結論

故障自愈控制是主動配電網的重要特征之一,其目的是為了實現故障區段定位、隔離,以及在人為干預最小的前提下盡快恢復失電負荷的供電,提高城市中心區域供電可靠率。本文設計了一種雙接入級聯形式的分支網配網結構,并且提出一種基于STU的分布式故障自愈方案。該方案采用主動式故障自愈恢復方案,包含單環網自愈以及分段備自投2種恢復供電的方式,優先采用單環網自愈方式,當不滿足自愈條件時,進入分段備自投模式,此時,各級STU間不進行信息交互,跳開環內進線斷路器間隔或環內出線斷路器間隔后,閉合相應分段聯絡斷路器恢復供電。本文設計的單環網雙級聯式結構及其自愈技術方案能夠滿足配網建設前期供電的可靠性要求,具有良好的擴展性和廣泛的應用前景。