宋振躍

（北京水木源華電氣股份有限公司，北京100094）

0 引言

水力發(fā)電作為清潔能源、可再生能源，越來越被國家重視，開發(fā)與使用綠色能源是我國實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略不可缺少的組成部分。近年來，在國家各項優(yōu)惠政策的鼓勵下，農(nóng)村小水電事業(yè)逐漸發(fā)展起來[1-3]。“十二五”期間，水利部大力實施“民生、平安、綠色、和諧”水電建設。我國已建成農(nóng)村小水電站47 000多座，裝機容量7 500多萬kW，相當于3個三峽電站的裝機容量，年發(fā)電量2 300多億kW·h時，約占全國水電裝機和年發(fā)電量的1/4。

我國“十三五”期間將新增農(nóng)村水電裝機600萬kW，對2000年前建成、符合條件的3 000多座老舊電站進行增效擴容改造，并組織開展“十三五”農(nóng)村小水電扶貧工程建設。

這些小水電站大部分建在偏遠山區(qū)，遠離高電壓變電站，一般都采取就近T接并入農(nóng)村10 kV配電網(wǎng)，與用戶配電變壓器混合、交叉運行于10 kV配電線路中。

我國農(nóng)村配電網(wǎng)采用單電源供電輻射狀的網(wǎng)架結構，配電網(wǎng)繼電保護也基于此種網(wǎng)架結構設計運行。小水電接入配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)由原單電源輻射型網(wǎng)架結構變成了多電源網(wǎng)架結構，成為一種遍布電源和用戶的互聯(lián)網(wǎng)架，潮流不再是單向從變電站流向負荷[4-12]。配電網(wǎng)的這種根本性變化改變了配電線路、分布電源接入點和附近節(jié)點的故障水平，也使配電網(wǎng)繼電保護的機理和各保護定值發(fā)生了根本性的改變，繼而造成繼電保護裝置出現(xiàn)誤動、拒動、靈敏度減小和重合閘失效等問題。同時，饋線上各個自動化裝置也會受到影響[13-15]。

因此，針對一條饋線線路上存在多個小水電并網(wǎng)的10 kV配電線路，提出一種快速自愈的智能型饋線自動化系統(tǒng)，意在快速進行饋線的故障識別，自動隔離故障并恢復供電。

1 多個小水電并網(wǎng)配電網(wǎng)的模型

典型的多個小水電直接T接并入10 kV配電線路的模型如圖1所示。

圖1 多個小水電并網(wǎng)配電網(wǎng)的模型

圖1中10 kV配電網(wǎng)開關可劃分為4種情況：電源側(cè)有小水電接入點的開關、負荷側(cè)有小水電接入點的開關、電源側(cè)和負荷側(cè)均有小水電接入點的開關、兩側(cè)無小水電接入點的開關。

2 智能型饋線自動化系統(tǒng)的技術要求

（1）變電站出線開關、饋線線路上的分段開關、大分支的分段開關和用戶分界開關均為斷路器。

（2）變電站出線開關（CB）至少配置一次重合閘，并配有限時速斷保護、限時過流保護功能的智能裝置。

（3）小水電在10 kV配電網(wǎng)接入點的前端開關至少配置一次重合閘，并配有速斷保護、限時過流保護功能的智能裝置。

（4）在無小水電接入配電網(wǎng)情形下，通過原網(wǎng)架結構的供電電流方向，判定饋線各個開關的電源側(cè)、負荷側(cè)。

（5）變電站出線的首個分段開關，僅在其電源側(cè)配置一個三相零序一體電壓互感器（PT）。

（6）負荷側(cè)有小水電接入點的開關、電源側(cè)和負荷側(cè)均有小水電接入點的開關，在其電源側(cè)配置一個三相零序一體PT、在其負荷側(cè)配置一個單電源PT。

（7）電源側(cè)有小水電接入點的開關、兩側(cè)無小水電接入點的開關，僅在其電源側(cè)配置一個三相零序一體PT。

（8）饋線開關配置具有本文第3部分所描述的智能型快速自愈控制功能的饋線終端（FTU）。

（9）智能型FTU可與主站系統(tǒng)設備進行通信，并實現(xiàn)對各終端數(shù)據(jù)采集與遠程控制功能。

（10）可通過主站系統(tǒng)的遠程方式對饋線上各智能型FTU進行保護定值設置或調(diào)整。

3 智能控制的工作原理

本智能型饋線自動化系統(tǒng)的工作原理是以潮流方向、故障電流為特征判據(jù)，通過檢測到故障電流決策開關“速斷跳閘”；結合已處于斷開狀態(tài)開關的負荷側(cè)電壓狀態(tài)決策開關是否進行“一次重合閘”，實現(xiàn)多個小水電接入10 kV配電網(wǎng)的故障隔離、非故障區(qū)段正常供電。一次跳閘故障區(qū)間定位，一次重合閘瞬時性故障處理，兩次跳閘永久性故障區(qū)間隔離和非故障區(qū)間正常供電。

智能型FTU有兩種FA工作模式：一種是普通就地FA模式，另一種是小水電接入FA模式。同時，智能型FTU具有檢同期、饋線過壓保護和PT斷線監(jiān)測功能。

3.1 小水電接入FA模式的工作機制

負荷側(cè)有小水電接入點的開關、電源側(cè)和負荷側(cè)均有小水電接入點的開關，其配套智能型FTU設置為小水電接入FA模式。

3.1.1 短路故障的處理機制

（1）若某一個開關配套智能型FTU檢測到超過整定值的短路故障電流，啟動速斷保護延時ta計時。

（2）ta計時時間到，智能型FTU對配套開關進行跳閘操作，同時，啟動重合閘放電延時To計時。

（3）To計時時間到，若開關兩側(cè)處于有電狀態(tài)，智能型FTU閉鎖一次重合閘功能，啟動故障的告警與上報功能，記錄故障事件與動作信息。

（4）To計時時間到，若開關處于單側(cè)有電狀態(tài)，智能型FTU啟動一次重合閘功能，對開關進行重合閘操作。

（5）若為瞬時性故障，開關一次重合閘成功，故障排除、恢復供電，智能型FTU記錄故障事件與動作信息，并上報主站。

（6）若為永久性故障，智能型FTU再次檢查到短路故障電流，啟動重合閘后加速保護功能，對開關進行快速跳閘操作，啟動故障的告警與上報功能，記錄故障事件與動作信息。

3.1.2 接地故障的處理機制

（1）若某一個開關配套智能型FTU檢測到超過整定值的接地故障電流，啟動速斷保護延時tb計時。

（2）tb計時時間到，智能型FTU對配套開關進行跳閘操作，同時，啟動重合閘放電延時To計時。

（3）To計時時間到，若開關兩側(cè)處于有電狀態(tài)，智能型FTU閉鎖一次重合閘功能，啟動故障的告警與上報功能，記錄故障事件與動作信息。

（4）To計時時間到，若開關處于單側(cè)有電狀態(tài)，智能型FTU啟動一次重合閘功能，對開關進行重合閘操作。

（5）若為瞬時性故障，開關一次重合閘成功，故障排除、恢復供電，智能型FTU記錄故障事件與動作信息，并上報主站。

（6）若為永久性故障，智能型FTU檢測到零序電壓突變并再次檢查到接地故障電流，啟動重合閘后加速保護功能，對開關進行快速跳閘操作。同時，啟動故障的告警與上報功能，記錄故障事件與動作信息。

3.2 普通就地FA模式的工作機制

電源側(cè)有小水電接入點的開關、電源側(cè)和負荷側(cè)均無小水電接入點的開關，其配套智能型FTU設置為普通就地FA模式。

3.2.1 短路故障的處理機制

（1）若某一個開關配套智能型FTU檢測到超過整定值的短路故障電流，啟動速斷保護延時ta計時。

（2）ta計時時間到，智能型FTU對配套開關進行跳閘操作，啟動一次重合閘延時Tk計時。

（3）Tk計時時間到，智能型FTU對配套開關進行一次重合閘操作。

（4）若為瞬時性故障，開關一次重合閘成功，故障排除、恢復供電，智能型FTU記錄故障事件與動作信息，并上報主站。

（5）若為永久性故障，智能型FTU再次檢查到短路故障電流，啟動重合閘后加速保護功能，對開關進行快速跳閘操作，啟動故障的告警與上報功能，記錄故障事件與動作信息。

3.2.2 接地故障的處理機制

（1）若某一個開關配套智能型FTU檢測到超過整定值的接地故障電流，啟動速斷保護延時ta計時。

（2）ta計時時間到，智能型FTU對配套開關進行跳閘操作，啟動一次重合閘延時Tk計時。

（3）Tk計時時間到，智能型FTU對配套開關進行一次重合閘操作。

（4）若為瞬時性故障，開關一次重合閘成功，故障排除、恢復供電，智能型FTU記錄故障事件與動作信息，并上報主站。

（5）若為永久性故障，智能型FTU檢測到零序電壓突變并再次檢查到接地故障電流，啟動重合閘后加速保護功能，對開關進行快速跳閘操作。同時，啟動故障的告警與上報功能，記錄故障事件與動作信息。

3.3 檢同期的工作機制

檢同期功能僅在小水電接入FA模式下有效，其具體工作機制如下：

（1）開關處于斷開狀態(tài)，智能型FTU在對開關進行合閘操作前，啟動對開關兩側(cè)電壓的幅值判定、電壓的相位關系判定和頻率檢測功能。

（2）若開關的兩側(cè)電壓幅值差未超過整定值、電壓相位關系正確、頻率偏差未超過整定值，智能型FTU對開關進行合閘操作，記錄動作信息，并上報主站。

（3）若開關的兩側(cè)電壓幅值差超過整定值或電壓相位關系不正確或頻率偏差超過整定值，智能型FTU閉鎖對開關的合閘操作，啟動故障的告警與上報功能，記錄故障事件信息。

3.4 饋線過壓保護的工作機制

由于小水電站在豐水期滿發(fā)并向10 kV配電網(wǎng)供電，導致配電線路的電壓水平過高。因此，智能型FTU增加了饋線過壓保護功能，該功能在小水電接入FA模式、普通就地FA模式下均有效，其具體工作機制如下：

（1）智能型FTU檢測到PT電壓值超過饋線過壓保護的整定值，啟動饋線過壓保護功能Tm計時。

（2）Tm計時時間到，若開關處于合閘狀態(tài)，智能型FTU對開關進行跳閘操作，啟動故障的告警與上報功能，記錄故障事件與動作信息。

（3）Tm計時時間到，若開關處于分閘狀態(tài)，智能型FTU啟動故障的就地告警功能，記錄故障事件信息，并上報主站。

3.5 PT斷線監(jiān)測的工作機制

由于大多數(shù)徑流型小水電站在枯水期不發(fā)電，而且農(nóng)村配電網(wǎng)的供電半徑大，從而導致配電線路的末端電壓水平過低。因此，智能型FTU增加了PT斷線監(jiān)測功能，該功能在小水電接入FA模式、普通就地FA模式下均有效，其具體工作機制如下：

（1）某一個開關處于合閘狀態(tài)下，其配套智能型FTU檢測到PT電壓值跌落到整定值、配套開關的相電流值不為零，啟動PT斷線功能Tn計時。

（2）Tn計時時間到，啟動PT斷線故障的告警與上報功能，記錄故障事件信息。

4 結語

采用本文所提出的控制策略的智能型饋線自動化系統(tǒng)，有效地克服了多個小水電接入10 kV配電網(wǎng)后所帶來的影響，當有多個小水電接入的10 kV配電網(wǎng)發(fā)生故障時，能夠自動定位故障，迅速地將故障隔離在最小供電區(qū)間，并確保非故障區(qū)間正常供電。

在故障處理過程中，智能型FTU不會出現(xiàn)誤動、拒動、靈敏度減小和重合閘失效等問題，而是使故障隔離和非故障區(qū)間正常供電一次性到位。因此，顯著加快了故障處理速度并減少了故障造成的影響，達到了用戶對供電可靠性要求高的需求。

該系統(tǒng)已在實驗室完成了全面的模擬測試工作，實驗結果證明了其可行性。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)應用于“福建省南平供電公司10 kV配網(wǎng)線路故障自愈式控制策略”項目的試點工程。

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