陸玉軍, 李 澄, 江紅成,劉海波, 陳 顥, 葛永高, 王伏亮

(1. 江蘇方天電力技術(shù)有限公司,江蘇 南京 211102;2. 國(guó)網(wǎng)南通供電公司,江蘇 南通 226001;3. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院,江蘇 南京 210096)

0 引言

特高壓直流發(fā)生雙極閉鎖故障時(shí)引起的受端電網(wǎng)功率缺額、頻率穩(wěn)定問(wèn)題更為突出,采用調(diào)控緊急切負(fù)荷仍是確保電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要手段,但以110 kV線(xiàn)路為控制對(duì)象的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)集中切負(fù)荷方式,易觸發(fā)企業(yè)生產(chǎn)事故,造成大面積的用戶(hù)損失和不利的社會(huì)影響[1-5]。

針對(duì)這一問(wèn)題,江蘇電網(wǎng)根據(jù)大用戶(hù)負(fù)荷控制和需求響應(yīng)的實(shí)施經(jīng)驗(yàn),結(jié)合專(zhuān)變用戶(hù)負(fù)控終端升級(jí)、負(fù)荷精細(xì)化采集、能效監(jiān)控和負(fù)荷快速控制的多重需求,率先開(kāi)展了大規(guī)模用戶(hù)、電網(wǎng)、電源友好互動(dòng)系統(tǒng)的研究和建設(shè),通過(guò)在大型電力用戶(hù)側(cè)安裝網(wǎng)荷終端,采用光纖以太網(wǎng)通信,實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)負(fù)荷的精細(xì)化采集和可切負(fù)荷快速精準(zhǔn)控制[6-13]。首期在全省實(shí)施了1000多戶(hù)大型用戶(hù)負(fù)荷分路快速控制,監(jiān)測(cè)可控負(fù)荷達(dá)到了3500 MW,主要集中于用戶(hù)廠內(nèi)的35 kV/20 kV/10 kV電壓等級(jí)。

對(duì)于用戶(hù)低壓負(fù)荷中有重要生產(chǎn)負(fù)荷,如果被切除,會(huì)造成一定的損失或不利影響。為減少緊急切負(fù)荷對(duì)用戶(hù)的影響和實(shí)現(xiàn)負(fù)荷精準(zhǔn)采集控制,本文提出了一種以用戶(hù)400 V低壓可切負(fù)荷為對(duì)象的負(fù)荷緊急控制方案,即基于用戶(hù)已安裝網(wǎng)荷終端,通過(guò)與低壓側(cè)網(wǎng)荷子單元通信,實(shí)現(xiàn)低壓負(fù)荷分散采集與精準(zhǔn)可切。

1 網(wǎng)荷終端負(fù)荷緊急控制

網(wǎng)荷終端是在大型用戶(hù)專(zhuān)變終端基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的新型用戶(hù)終端,安裝于用戶(hù)變電所或配電房。支持用戶(hù)8～12路負(fù)荷出線(xiàn)電流和多段電壓接入,實(shí)現(xiàn)用戶(hù)可切負(fù)荷實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè);終端同時(shí)具有豐富的通信接口,支持與主站實(shí)時(shí)通信上傳用戶(hù)實(shí)時(shí)負(fù)荷和精準(zhǔn)可切負(fù)荷;終端不僅具備常規(guī)的負(fù)荷管理功能,同時(shí)可接受主站的切負(fù)荷指令,支持實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)應(yīng)急響應(yīng)控制要求的毫秒級(jí)緊急負(fù)荷控制和秒級(jí)快速負(fù)荷控制。終端與主站控制結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 網(wǎng)荷終端控制示意圖Fig.1 Grid-load terminal control diagram

目前現(xiàn)場(chǎng)接入終端的用戶(hù)側(cè)可切負(fù)荷分路大多集中在35 kV/20 kV/10 kV中壓側(cè),這類(lèi)負(fù)荷采用通過(guò)電纜直接采集、終端開(kāi)出跳閘的方式,使終端跳閘出口延遲最小。當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)故障時(shí),可確保從調(diào)度主站發(fā)出控制指令,經(jīng)集中切負(fù)荷中心站,到網(wǎng)荷終端出口跳開(kāi)負(fù)荷開(kāi)關(guān)的整組時(shí)間在450 ms內(nèi)完成,滿(mǎn)足了毫秒級(jí)緊急切負(fù)荷的要求[11]。但在這些被控負(fù)荷線(xiàn)路下仍帶了若干個(gè)400 V負(fù)荷,由于未進(jìn)一步細(xì)分,快切時(shí)部分重要的低壓負(fù)荷也一并被切除了,選擇對(duì)用戶(hù)低壓負(fù)荷直接控制,可以減少此種負(fù)荷快速控制對(duì)用戶(hù)造成的不利影響。

2 用戶(hù)低壓負(fù)荷特點(diǎn)及控制實(shí)現(xiàn)要求

用戶(hù)400 V負(fù)荷數(shù)量眾多且分散分布于廠區(qū)內(nèi),現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)這些支路的負(fù)荷精細(xì)化采集和快速切除控制難度非常大。用戶(hù)廠區(qū)內(nèi)低壓負(fù)荷由配電房?jī)?nèi)400 V支路供電,這些支路安裝相對(duì)集中、實(shí)施方便,實(shí)現(xiàn)這些負(fù)荷支路采集與控制仍是可行的。

2.1 用戶(hù)低壓負(fù)荷特點(diǎn)

2.1.1 分散式與集中式400 V負(fù)荷

用戶(hù)低壓負(fù)荷可分為兩類(lèi):一類(lèi)是入戶(hù)電壓等級(jí)在35 kV以上總降變電所和配電房用戶(hù),有一個(gè)變電所和多個(gè)配電房,終端安裝在變電所,變電所與配電房間的物理距離一般在數(shù)百米甚至上千米,400 V負(fù)荷線(xiàn)路分布在不同的配電房?jī)?nèi),這類(lèi)低壓負(fù)荷稱(chēng)分散式400 V負(fù)荷。另一類(lèi)是入戶(hù)電壓等級(jí)在35 kV以下的配電房用戶(hù),終端安裝在配電房,低壓400 V負(fù)荷線(xiàn)路與終端在同一配電房?jī)?nèi),物理距離不過(guò)百米,這類(lèi)低壓負(fù)荷稱(chēng)集中式400 V負(fù)荷。

2.1.2 400 V負(fù)荷性質(zhì)及可切量

用戶(hù)配電房?jī)?nèi)有400 V支路少則30～40條,多則達(dá)百條,各支路實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷細(xì)分,但用戶(hù)廠區(qū)內(nèi)400 V負(fù)荷受設(shè)計(jì)施工、生產(chǎn)管理、建造成本等眾多因素制約,多數(shù)支路在車(chē)間或用電設(shè)備側(cè)還設(shè)有下一級(jí)配電箱。這些支路的負(fù)荷,仍是輔助生產(chǎn)負(fù)荷(照明、空調(diào)、電梯、通風(fēng)、供水)與主生產(chǎn)設(shè)備負(fù)荷(加熱、冷卻、變頻、水泵)的混合[14-15]。這些支路開(kāi)關(guān)的額定電流在50～630 A不等,負(fù)荷支路額定電流與功率關(guān)系如表1所示。

表1 400 V支路額定電流與功率Tab.1 Rated current and power of 400 V branch

2.1.3 400 V負(fù)荷支路設(shè)備

400 V負(fù)荷支路開(kāi)關(guān)設(shè)備安裝于低壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi),可為兩種:

(1) 抽屜柜式。低壓中小電流支路采用,每面柜由3～10個(gè)左右的抽屜組成,每個(gè)支路占用1個(gè)抽屜,抽屜內(nèi)采用塑殼空氣開(kāi)關(guān),支路一般不帶電動(dòng)操作機(jī)構(gòu),多數(shù)配一個(gè)B相電流互感器(CT)用于運(yùn)行監(jiān)視、無(wú)開(kāi)關(guān)位置輔助接點(diǎn),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視控制不便。

(2) 固定柜式。400 V主變低壓總開(kāi)關(guān)支路,或少數(shù)容量達(dá)到250 kV·A(或額定電流達(dá)400 A)以上的支路采用,配備框架式低壓萬(wàn)能開(kāi)關(guān),支路CT配置完整、開(kāi)關(guān)位置有輔助觸點(diǎn),部分支路甚至還配有智能儀表,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視控制方便。

2.2 實(shí)現(xiàn)低壓負(fù)荷控制的設(shè)備要求

實(shí)現(xiàn)400 V支路負(fù)荷控制,仍需具備實(shí)現(xiàn)采集和開(kāi)關(guān)控制的條件基礎(chǔ)。固定柜安裝的支路設(shè)備已滿(mǎn)足這一要求,但多數(shù)抽屜柜安裝、塑殼空氣開(kāi)關(guān)的負(fù)荷支路設(shè)備則需進(jìn)行下述改造才能滿(mǎn)足。

2.2.1 開(kāi)關(guān)改造

塑殼開(kāi)關(guān)改造有:配置相應(yīng)型號(hào)電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)或分勵(lì)脫扣器(MX)兩種方式,前者施工量較大、實(shí)施復(fù)雜、成本高,后者施工量小、實(shí)施簡(jiǎn)單、成本低,選擇改造方式需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行。

2.2.2 負(fù)荷采集

負(fù)荷采集首先需為改造的支路配備三相完整的CT(或AC相CT),采集有兩種方式:一種是通過(guò)電纜直接接入支路CT回路,另一種是加裝智能儀表采集,通過(guò)串口通信上傳數(shù)據(jù)。前者實(shí)施簡(jiǎn)單,后者需進(jìn)行儀表裝配接線(xiàn),實(shí)施較復(fù)雜。

3 低壓負(fù)荷采集控制方案及比較

3.1 低壓負(fù)荷采集控制方案

在前述控制條件基礎(chǔ)上,根據(jù)集中式和分散式400 V兩類(lèi)負(fù)荷的特點(diǎn),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的工程量、控制的可行性、實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性等因素,低壓負(fù)荷控制可以采用下述的3種采集控制方案。

3.1.1 電纜直采直跳方案

電纜直接采集電流電壓,終端跳閘出口經(jīng)電纜跳低壓開(kāi)關(guān),該方案與目前接入網(wǎng)荷終端的中壓側(cè)負(fù)荷基本一致。對(duì)于集中式400 V負(fù)荷,終端與低壓負(fù)荷出線(xiàn)都位于一個(gè)配電房?jī)?nèi),400 V負(fù)荷與終端間距離較近,一般采用該方案。

3.1.2 主從終端方案

對(duì)于終端位于變電所內(nèi),400 V負(fù)荷則位于另外的某個(gè)配電房?jī)?nèi)的分散式400 V負(fù)荷,400 V負(fù)荷與終端間電纜距離會(huì)長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米甚至上千米,且可能會(huì)分布在多個(gè)配電房?jī)?nèi),考慮采用如下圖所示的主從終端通信控制方案,在用戶(hù)每個(gè)配電房?jī)?nèi)增加1臺(tái)終端,400 V負(fù)荷線(xiàn)路通過(guò)電纜接入從終端實(shí)現(xiàn)采集與控制,主終端與從終端間經(jīng)光纖通信實(shí)現(xiàn)負(fù)荷功率采集和跳閘命令傳輸。

圖2 主從終端方案Fig.2 Master-slave terminal scheme

3.1.3 網(wǎng)荷子單元方案

面向通用對(duì)象的變電站事件通信(GOOSE)是IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中定義的用于滿(mǎn)足變電站自動(dòng)化系統(tǒng)快速報(bào)文通信傳輸,是具有嚴(yán)格時(shí)間指標(biāo)、重發(fā)機(jī)制和有效性檢查的通信協(xié)議,其訂閱發(fā)布機(jī)制、高效的數(shù)據(jù)傳輸、功能分布化的特征,使其在變電站繼電保護(hù)領(lǐng)域中得到應(yīng)用普遍[16-19]。

考慮終端通信標(biāo)準(zhǔn)化和采集數(shù)據(jù)及命令快速傳輸,開(kāi)發(fā)了一種基于GOOSE規(guī)約通信的網(wǎng)荷子單元裝置。網(wǎng)荷子單元與終端間采用GOOSE通信傳輸負(fù)荷采樣數(shù)據(jù)和跳閘命令,與現(xiàn)場(chǎng)智能儀表間采用串口通信傳輸采樣的功率負(fù)荷數(shù)據(jù)和跳閘命令。

為實(shí)現(xiàn)低壓負(fù)荷的控制,需為每個(gè)接入低壓負(fù)荷的配電房配1個(gè)網(wǎng)荷子單元,同時(shí)配電房?jī)?nèi)每個(gè)受控400V支路配1個(gè)智能儀表,如圖3所示。網(wǎng)荷子單元與智能儀表通信,采集數(shù)據(jù)上傳給終端,終端的跳閘命令通過(guò)網(wǎng)荷子單元下發(fā)至智能儀表,實(shí)現(xiàn)400 V負(fù)荷控制。

圖3 網(wǎng)荷子單元方案Fig.3 Grid-load sub-terminal scheme

3.2 控制方案分析比較

上述3種實(shí)現(xiàn)低壓可切負(fù)荷控制的方案各有利弊。電纜直采直跳方案簡(jiǎn)單、但只適用于電纜長(zhǎng)度較短的現(xiàn)場(chǎng),分散式低壓負(fù)荷環(huán)境不適用;主從終端方案由于增加終端、安裝麻煩、實(shí)施成本高不適用于集中式低壓負(fù)荷,只適用于分散式現(xiàn)場(chǎng)。

表2從適用范圍、施工量、增加設(shè)備、施放光纜、終端程序升級(jí)、調(diào)試工作量、控制時(shí)延、靈活性、實(shí)施成本等方面進(jìn)行了比較。

表2 控制方案比較Tab.2 Control scheme comparison

從表2中可以看出,網(wǎng)荷子單元方案可以適用于上述兩種用戶(hù)的各種現(xiàn)場(chǎng),方案較靈活,可接入的用戶(hù)低壓負(fù)荷支路數(shù)擴(kuò)展容易。如用戶(hù)已具備智能儀表,現(xiàn)場(chǎng)施工工作量可進(jìn)一步減少,該方案僅在串口通信方面存在相應(yīng)的延時(shí)。

4 低壓切負(fù)荷實(shí)現(xiàn)與改進(jìn)

根據(jù)前述方案,采樣網(wǎng)荷子單元,終端GOOSE報(bào)文可在終端發(fā)出開(kāi)關(guān)跳閘命令后立即傳輸,使跳閘命令的傳輸整體延遲達(dá)到最小,保證了命令傳輸?shù)目焖傩訹16]。

4.1 低壓切負(fù)荷試點(diǎn)

在蘇州地區(qū)挑選了2個(gè)典型用戶(hù),利用網(wǎng)荷子單元實(shí)施了400 V負(fù)荷快速控制改造。

4.1.1 某10 kV配電房用戶(hù)

用戶(hù)實(shí)現(xiàn)400 V負(fù)荷快切的支路有4條,且配有智能儀表。通過(guò)升級(jí)終端程序,增加1個(gè)網(wǎng)荷子單元(裝于終端屏內(nèi)),建立與各智能儀表和終端通信,最終實(shí)現(xiàn)400 V負(fù)荷數(shù)據(jù)采集和開(kāi)關(guān)控制。

現(xiàn)場(chǎng)采用該方案的優(yōu)勢(shì)是僅增加1個(gè)網(wǎng)荷子單元就實(shí)現(xiàn)了多個(gè)400 V負(fù)荷分路的控制,利用用戶(hù)設(shè)備減少了很多現(xiàn)場(chǎng)施工和調(diào)試工作量。

4.1.2 某35 kV變電所用戶(hù)

用戶(hù)有4條可切400 V負(fù)荷位于獨(dú)立的配電房?jī)?nèi),與終端距離超過(guò)800 m。通過(guò)在用戶(hù)廠區(qū)內(nèi)敷設(shè)光纜,升級(jí)終端程序,在配電房?jī)?nèi)增加1個(gè)網(wǎng)荷子單元和4個(gè)智能儀表,建立了網(wǎng)荷子單元與智能儀表、終端間通信,最終實(shí)現(xiàn)400 V負(fù)荷的數(shù)據(jù)采集和開(kāi)關(guān)控制。

現(xiàn)場(chǎng)采用該方案的優(yōu)勢(shì)是省去了在用戶(hù)廠區(qū)內(nèi)的大量電纜敷設(shè)施工,且能靈活適應(yīng)今后可切負(fù)荷支路的擴(kuò)充。

4.2 低壓緊急控負(fù)荷改進(jìn)

4.2.1 前述方案不足

網(wǎng)荷子單元方案雖在用戶(hù)進(jìn)行了試點(diǎn),但在緊急切負(fù)荷方面,仍存在如下不足:

智能儀表只支持串口RS 485半雙工通信,采用波特率為9600通信時(shí),報(bào)文的傳輸和程序處理延遲約100～200 ms,當(dāng)一個(gè)網(wǎng)荷子單元帶有n個(gè)支路的智能儀表時(shí),由此導(dǎo)致的最大切負(fù)荷時(shí)延將達(dá)到200nms(加上前述固定時(shí)間,累計(jì)時(shí)間會(huì)超出1 s),已難以滿(mǎn)足毫秒級(jí)緊急切負(fù)荷的時(shí)限要求[11]。

現(xiàn)場(chǎng)用戶(hù)配備的設(shè)備,由于不需控制,部分用戶(hù)安裝的智能儀表不帶開(kāi)出接口(或無(wú)出口模件),通過(guò)通信無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷開(kāi)關(guān)的控制。

4.2.2 網(wǎng)荷子單元直接跳閘

鑒于前述方案仍難以滿(mǎn)足毫秒級(jí)緊急切負(fù)荷系統(tǒng)嚴(yán)苛的時(shí)限要求,且網(wǎng)荷子單元與智能儀表間安裝在同一個(gè)配電房?jī)?nèi),兩者之間距離較近,將網(wǎng)荷子單元作如下改進(jìn):配置獨(dú)立開(kāi)出接口4～8路,通過(guò)電纜實(shí)現(xiàn)網(wǎng)荷子單元的直接跳閘控制。

改進(jìn)后方案如圖4所示,支路負(fù)荷仍通過(guò)串口采集,開(kāi)關(guān)控制則是當(dāng)終端接收到主站切負(fù)荷命令后發(fā)出GOOSE跳閘報(bào)文,網(wǎng)荷子單元接收?qǐng)?bào)文后直接發(fā)出開(kāi)出跳閘命令,控制開(kāi)關(guān)跳閘。改進(jìn)后的控制時(shí)延由GOOSE通信的報(bào)文傳輸和處理延遲決定,與接入控制的負(fù)荷支路數(shù)量無(wú)關(guān)。

圖4 網(wǎng)荷子單元跳閘方案Fig.4 Grid-Load sub-terminal trip scheme

網(wǎng)荷子單元兩種控制方式比對(duì)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖5所示,當(dāng)接入支路從1個(gè)增加到6個(gè)時(shí),串口控制的延時(shí)增加明顯,而直接跳閘控制的延時(shí)基本沒(méi)有增加,且多路負(fù)荷全部跳閘時(shí)由網(wǎng)荷子單元產(chǎn)生的延遲總時(shí)間最大不超過(guò)30 ms[16-17]。因此采用此改進(jìn)的低壓負(fù)荷控制方案可確保400 V負(fù)荷毫秒級(jí)緊急控制的實(shí)現(xiàn),同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的施工工作量增加不多。

圖5 網(wǎng)荷子單元串口與跳閘控制延時(shí)對(duì)比Fig.5 Delay comparison between serial control mode and trip control mode

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)400 V可切負(fù)荷快速控制的需要,結(jié)合已安裝于用戶(hù)的網(wǎng)荷終端,提出了適應(yīng)集中式和分散式400 V負(fù)荷的幾種實(shí)現(xiàn)解決方案。利用GOOSE通信快速傳輸機(jī)制,現(xiàn)場(chǎng)試點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)荷子單元的控制方案,并針對(duì)串口通信的多支路延時(shí)積累效應(yīng)問(wèn)題,提出了一種改進(jìn)的帶跳閘出口的網(wǎng)荷子單元方案,該方案具有延時(shí)小、動(dòng)作快的特點(diǎn),可滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)所有用戶(hù)400 V負(fù)荷快速控制的要求,具有較好的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。

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