溫智平，梁振鋒，彭書濤，張惠智

（1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西西安 710054；2.西安理工大學(xué)，陜西西安 710048）

為了提高供電可靠性，電力系統(tǒng)中裝設(shè)有大量操作型自動(dòng)裝置，如自動(dòng)重合閘、備用電源和備用設(shè)備自動(dòng)投入裝置（文后簡(jiǎn)稱備自投）、電源快速切換裝置等[1]。自動(dòng)重合閘廣泛應(yīng)用于輸電線路。當(dāng)輸電線路發(fā)生故障，繼電保護(hù)動(dòng)作切除故障，經(jīng)重合閘時(shí)間自動(dòng)重合斷路器。備自投裝置在工作電源或工作設(shè)備因各種原因（包括故障、誤操作等）被斷開(kāi)后，經(jīng)延時(shí)自動(dòng)將備用電源或備用設(shè)備投入運(yùn)行。電源快速切換裝置[2-3]一般應(yīng)用于包含大量電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷中，最初用于發(fā)電廠。隨著工業(yè)企業(yè)對(duì)電能質(zhì)量要求的提高，也用于配電網(wǎng)中，可以縮短母線失電的時(shí)間。操作型自動(dòng)裝置能夠提高供電可靠性，改善電能質(zhì)量，甚至能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

近年，分布式電源（distributed resource，DR）在電力系統(tǒng)得到快速發(fā)展。DR容量較小，通常接入至配電網(wǎng)中。DR使配電網(wǎng)由單電源結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu)，改變了配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和潮流方向，聯(lián)絡(luò)線故障及保護(hù)動(dòng)作后的電氣量特征也發(fā)生了變化，但傳統(tǒng)的自動(dòng)重合閘和備自投裝置未考慮DR的接入。DR的接入導(dǎo)致操作型自動(dòng)裝置出現(xiàn)了拒動(dòng)、非同期合閘、延時(shí)動(dòng)作等問(wèn)題。

本文首先介紹了操作型自動(dòng)裝置的基本要求，分析了DR對(duì)自動(dòng)重合閘、備自投裝置和電源快速切換裝置的影響，綜述了解列DR、修改配置或動(dòng)作邏輯、修改定值及通信網(wǎng)絡(luò)條件的優(yōu)化等解決措施，最后指出應(yīng)從DR類型、容量及接入方式與負(fù)荷大小、性質(zhì)之間的關(guān)系等方面開(kāi)展進(jìn)一步的研究工作。

1 操作型自動(dòng)裝置的要求

1.1 自動(dòng)重合閘

在配電線路上通常采用三相重合閘，選擇前加速保護(hù)、不檢同期方式。除了手動(dòng)合閘、自動(dòng)復(fù)歸、合閘次數(shù)等要求外，還需要考慮重合閘時(shí)間應(yīng)大于故障點(diǎn)熄弧時(shí)間及周圍介質(zhì)去游離時(shí)間。

1.2 備自投裝置

備自投裝置與DR接入相關(guān)的的基本要求[4]有：1）工作電源斷開(kāi)后備自投才動(dòng)作投入備用電源或設(shè)備。2）工作母線電壓消失及備用電源有壓時(shí)，備自投才動(dòng)作。備自投裝置中低電壓判據(jù)通常整定為額定電壓的0.15～0.3倍。有壓檢測(cè)元件電壓定值為額定電壓的0.6～0.7倍。3）備自投動(dòng)作時(shí)間應(yīng)盡可能短，一般整定為0.1～0.5 s。4）應(yīng)校驗(yàn)備用電源的過(guò)負(fù)荷和電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)情況。

微機(jī)備自投裝置通常采用邏輯判斷和軟件延時(shí)實(shí)現(xiàn)備自投功能。

1.3 電源快速切換裝置

電源快速切換裝置要求在合閘時(shí)的沖擊電流、沖擊電壓均在安全范圍內(nèi)。

2 分布式電源對(duì)自動(dòng)操作裝置的影響

2.1 分布式電源接入電網(wǎng)典型接線圖

利用圖1說(shuō)明DR接入后對(duì)操作型自動(dòng)裝置的影響。圖 1 中，QF1～QF5為斷路器。QF1和 QF2閉合，線路L1為工作線路。B母線為工作母線，DR接至B母線。D為備用母線。按圖中所示，QF5斷開(kāi)，QF3、QF4閉合，備自投為暗后備方式，或稱為母聯(lián)備自投；若 QF3、QF5閉合，QF4打開(kāi)，備自投為明后備方式，或稱為線路備自投。

2.2 對(duì)自動(dòng)重合閘的影響

以線路L1為例。若無(wú)分布式電源DR，L1為單側(cè)電源供電，L1故障，保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)QF1（和QF2），故障點(diǎn)電弧熄滅，重合閘經(jīng)重合閘時(shí)間延時(shí)重合。

若在母線B上接入DR，線路L1成為雙側(cè)電源線路。L1故障，DR會(huì)提供短路電流，因此在QF2處需配置繼電保護(hù)。DR接入可能導(dǎo)致重合失敗，這是因?yàn)椋?）重合閘時(shí)間需要考慮兩側(cè)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間；2）重合時(shí)需要考慮同期問(wèn)題[5-7]。若后重合一側(cè)不進(jìn)行同期檢測(cè)，強(qiáng)行送電，可能出現(xiàn)非同期合閘，對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備造成沖擊[8]。若后重合一側(cè)進(jìn)行同期檢測(cè)，受DR容量、類型等因素的影響，母線B的電壓、頻率可能不滿足同期合閘條件，導(dǎo)致重合失敗[8-9]；或者導(dǎo)致重合閘等待較長(zhǎng)時(shí)間[10]。因此，文獻(xiàn)[11]認(rèn)為接入DR的變電站進(jìn)線斷路器不宜裝設(shè)重合閘。

圖1 系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the system

文獻(xiàn)[12]以同步電機(jī)為例，分析了DR對(duì)前加速保護(hù)重合閘的影響，指出DR的存在將導(dǎo)致重合失敗，影響供電可靠性。文中指出對(duì)于逆變并網(wǎng)的DR可實(shí)現(xiàn)檢同期重合閘。文獻(xiàn)[6-7，13]分析了具備低電壓穿越能力的風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站對(duì)重合閘的影響。

2.3 備自投裝置

工作電源因各種原因?qū)е翾F2跳開(kāi)后。若未接入DR，工作母線B迅速失壓，滿足備自投動(dòng)作條件，備自投動(dòng)作合上QF5，投入備用電源。DR接入后，會(huì)對(duì)備自投裝置造成不利影響。

1）動(dòng)作邏輯不滿足要求

QF2跳開(kāi)后，工作母線B形成孤島，在DR的作用下母線B電壓幅值較高，若大于工作母線低電壓判據(jù)定值，備自投的動(dòng)作邏輯不滿足要求，將導(dǎo)致備自投拒動(dòng)[9]。即使將備自投動(dòng)作邏輯修改為同期檢測(cè)合閘，存在著由于DR與系統(tǒng)間功角擺開(kāi)而無(wú)法動(dòng)作的問(wèn)題。

或者含DR的線路未參與備自投邏輯時(shí)，由于存在母線電壓大于有壓定值而放電的判別條件，當(dāng)母線B電壓大于有壓判據(jù)定值，將導(dǎo)致備自投裝置放電而拒動(dòng)[14]。

2）延時(shí)動(dòng)作

QF2跳開(kāi)后，DR與母線B負(fù)荷形成孤島，由于B母線有壓，備自投無(wú)法動(dòng)作；只有在DR失穩(wěn)后由穩(wěn)控裝置解列，備自投才滿足條件動(dòng)作。這種情況導(dǎo)致備自投動(dòng)作出現(xiàn)延時(shí)[11]。

3）非同期合閘

若DR容量較小，QF2跳開(kāi)后，母線B電壓下降，當(dāng)滿足備自投動(dòng)作條件，閉合QF5，導(dǎo)致非同期合閘[9]。另一種情況，備自投的動(dòng)作未考慮與重合閘相配合，線路故障，重合閘成功，同時(shí)備自投也動(dòng)作投入備用電源，導(dǎo)致非同期合閘[15]。

4）未滿足分布式電源并網(wǎng)規(guī)范要求

QF2跳開(kāi)，備自投合上QF5時(shí)，傳統(tǒng)備自投未考慮分布式電源并網(wǎng)的規(guī)范要求[16]。

5）備自投的過(guò)負(fù)荷問(wèn)題

DR多為可再生能源發(fā)電，存在隨機(jī)性，如風(fēng)電、光伏系統(tǒng)。即使是小水電，其發(fā)電量也與來(lái)水情況相關(guān)。所以DR接入后，備自投過(guò)負(fù)荷的校驗(yàn)將變得困難。

在實(shí)際系統(tǒng)中，存在各種接線方式及不同要求，導(dǎo)致了備自投的動(dòng)作邏輯多種多樣。DR接入系統(tǒng)后，增加了這種復(fù)雜性。

2.4 對(duì)電源快速切換裝置的影響

文獻(xiàn)[17]通過(guò)仿真給出了永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)和雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同容量情況下對(duì)電源快速切換裝置的影響。文中結(jié)論是工作電源退出后，若永磁風(fēng)力機(jī)的無(wú)功功率小于負(fù)荷無(wú)功功率，切換過(guò)程中沖擊電流較小，有利于電源快速切換；若永磁風(fēng)力機(jī)的無(wú)功功率大于負(fù)荷無(wú)功功率，工作母線電壓會(huì)升高而超出電氣設(shè)備保護(hù)的定值，導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作。但雙饋風(fēng)力機(jī)不利于電源快速切換。

由于電源快速切換裝置除發(fā)電廠外應(yīng)用較少，因此分析其他類型的DR對(duì)其影響的文獻(xiàn)較少。

3 解決措施及存在問(wèn)題

1）解列分布式電源

為了避免重合失敗或非同期重合閘，IEEE Standard 1547標(biāo)準(zhǔn)要求[18]，若故障發(fā)生進(jìn)線上，DR應(yīng)當(dāng)停止向配電網(wǎng)供電。即跳開(kāi)工作電源母線斷路器時(shí)，聯(lián)跳DR。即線路故障或其他原因跳開(kāi)QF2的同時(shí)，將 QF6同時(shí)斷開(kāi)，解列 DR[9，11，14，19-20]?；蛘咴赒F6處裝設(shè)DR并網(wǎng)保護(hù)[5]或反孤島保護(hù)，在聯(lián)絡(luò)線故障時(shí)將DR解列。這是一種主動(dòng)、簡(jiǎn)單的措施。但未考慮風(fēng)力發(fā)電和光伏電源的低電壓穿越能力，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)和光伏系統(tǒng)脫網(wǎng)。文獻(xiàn)[18，21]甚至認(rèn)為，若DR容量較大或多個(gè)DR接入，在系統(tǒng)進(jìn)線故障時(shí)即斷開(kāi)DR會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和供電可靠性。

DR解列后重合閘或備自投才動(dòng)作，影響裝置的速動(dòng)性和供電可靠性。

2）們修改配置或動(dòng)作邏輯

對(duì)于重合閘，分布式電源接入后，將輸電線路作為雙側(cè)電源線路，通過(guò)修改裝置定值，改變重合閘方式為檢無(wú)壓和檢同期方式。

若DR容量小于工作母線E上負(fù)荷，為了避免非同期重合閘，文獻(xiàn)[8，11，20，22]提出在 QF2處裝設(shè)方向元件。若該方向元件判別方向?yàn)槟妇€流向線路，則發(fā)遙控命令跳開(kāi)QF6。

3）修改定值

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求》，當(dāng)電網(wǎng)失壓時(shí)，防孤島效應(yīng)保護(hù)應(yīng)在2 s內(nèi)動(dòng)作，將風(fēng)電場(chǎng)、光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開(kāi)[20]。因此，可以增加重合閘時(shí)間或備自投時(shí)間來(lái)避免重合失敗或非同期合閘。這是一種被動(dòng)的解決方法。

為了避免備自投拒動(dòng)，文獻(xiàn)[14]提出在電壓互感器準(zhǔn)確度和電壓測(cè)量精度提高的情況下，將無(wú)壓定值提高至0.5倍額定電壓，而有壓定值確定為0.7倍的額定電壓。

針對(duì)接入永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變電站，風(fēng)力機(jī)組發(fā)出的無(wú)功功率大于孤網(wǎng)負(fù)荷無(wú)功功率，文獻(xiàn)[17]提出電源快速切換裝置應(yīng)該增加電壓上限的判別。而對(duì)于接入雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變電站，文獻(xiàn)[17]提出降低電壓判別的定值。

4）依賴通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化措施

傳統(tǒng)的備自投裝置能夠獲取的信息有限，難以適應(yīng)分布式電源接入后的各種運(yùn)行方式。但在智能變電站中，要求二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，變電站內(nèi)各設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)充分的信息共享，文獻(xiàn)[16，19]提出利用已有的穩(wěn)定控制裝置、繼電保護(hù)以及備自投裝置，建立區(qū)域備自投模型，以解決分布式電源接入后造成拒動(dòng)、非同期合閘、過(guò)載等問(wèn)題。智能變電站為區(qū)域備自投裝置或站域備自投裝置的實(shí)現(xiàn)提供了條件[23-25]。

4 后續(xù)應(yīng)開(kāi)展的研究工作

1）需分析DR容量與負(fù)荷之間關(guān)系對(duì)工作電源斷開(kāi)后電氣量特征的影響

孤島中DR的容量與負(fù)荷之間關(guān)系對(duì)工作電源斷開(kāi)后的電壓、頻率變化特性影響較大。文獻(xiàn)[14，19，21，26]定性給出了分布式電源容量與負(fù)荷不同大小關(guān)系下電壓、頻率的變化特征，并且給出了應(yīng)對(duì)措施。如小水電接入，在枯水期采用聯(lián)切小水電的方式保證備自投成功合閘，而在豐水期采用高頻逐輪切機(jī)、同期并列的方式實(shí)現(xiàn)備自投[10，21]。但未給出明確的數(shù)值大小，且不同季節(jié)、不同運(yùn)行方式加劇了變化特性的不確定性。因此，應(yīng)開(kāi)展DR容量與負(fù)荷之間的關(guān)系對(duì)操作型自動(dòng)裝置影響的研究。

2）分布式電源類型及接入方式對(duì)操作型自動(dòng)裝置影響的分析不足

從對(duì)操作型自動(dòng)裝置的影響角度，DR可分為變流器型DR[27]、感應(yīng)電機(jī)型DR、同步電機(jī)型DR。不同類型的DR在工作電源斷開(kāi)后的暫態(tài)過(guò)程不同、孤島檢測(cè)方法不同、并網(wǎng)要求也不同，因此對(duì)操作型自動(dòng)裝置的影響應(yīng)分別研究。

文獻(xiàn)[28]分析了小水電孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的電壓、頻率變化特征，給出了小水電孤網(wǎng)運(yùn)行后的控制策略和方法。文獻(xiàn)[29]分析了籠型風(fēng)力發(fā)電機(jī)和雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁暫態(tài)模型，進(jìn)行了2種類型風(fēng)電機(jī)在不同容量比、短路容量比、聯(lián)絡(luò)線路阻抗比時(shí)聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生短路故障的暫態(tài)過(guò)程仿真及分析。文獻(xiàn)[30]從機(jī)端電壓跌落、有功功率輸出、頻率波動(dòng)等幾個(gè)方面進(jìn)行了比較了永磁風(fēng)力機(jī)和雙饋風(fēng)力機(jī)在電網(wǎng)短路故障時(shí)的暫態(tài)過(guò)程。文獻(xiàn)[31]分析了電網(wǎng)故障時(shí)光伏電源的暫態(tài)電流特征。更進(jìn)一步，文獻(xiàn)[32]建立了光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)單接入配電網(wǎng)保護(hù)的檢測(cè)系統(tǒng)，以開(kāi)展接入位置、接入容量對(duì)保護(hù)及重合閘的影響。

已有分析主要針對(duì)電網(wǎng)故障后DR的暫態(tài)過(guò)程，但未結(jié)合操作型自動(dòng)裝置的動(dòng)作行為分析該暫態(tài)過(guò)程。

3）DR對(duì)電源快速切換裝置影響的研究

近年來(lái)，電源快速切換裝置主要應(yīng)用于對(duì)電能質(zhì)量要求較高的工業(yè)企業(yè)。DR接入后，故障及電源快速切換的暫態(tài)過(guò)程研究較少，電源快速切換裝置的應(yīng)用條件及判別依據(jù)亟需研究。

5 結(jié)論

本文首先給出了自動(dòng)重合閘、備自投、電源快速切換等裝置的要求，分析了分布式電源（包括小水電、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等）接入配電網(wǎng)后對(duì)自動(dòng)操作裝置的影響，主要有拒動(dòng)、非同期合閘、延時(shí)動(dòng)作等問(wèn)題。綜述了現(xiàn)有的解決措施，主要有解列分布式電源、修改配置或動(dòng)作邏輯、修改定值、依賴通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化措施等。最后指出需要開(kāi)展分布式電源類型、容量與負(fù)荷的性質(zhì)、容量等對(duì)操作型自動(dòng)裝置影響的研究，需要研究各種類型分布式電源接入后的電源快速切換裝置。

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