楊志強(qiáng)， 于德明， 張鵬宇

(1.國網(wǎng)睢寧縣供電公司，江蘇 徐州 221200；2.國網(wǎng)東北分部長甸發(fā)電廠，遼寧 丹東 118000；3.國網(wǎng)吉林省電力有限公司，長春 130021)

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié)之一，其安全、優(yōu)質(zhì)地運(yùn)行是用戶切身利益的保障。在配電網(wǎng)自動(dòng)化發(fā)展的過程中，配電網(wǎng)的智能化程度是其先進(jìn)與否的重要衡量，而配網(wǎng)智能化的核心就是“自愈”[1-2]，配電網(wǎng)自愈的主要問題在于出現(xiàn)故障后最大限度地縮小停電范圍和停電時(shí)間。針對現(xiàn)有電力系統(tǒng)中配電網(wǎng)故障范圍影響大，負(fù)荷分配不靈活的問題，結(jié)合國網(wǎng)睢縣供配電的現(xiàn)狀，提出一種自愈式配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其控制方法。該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是可以高效便捷地解決目前廣泛存在的配電網(wǎng)領(lǐng)域中電網(wǎng)故障率高、影響范圍大的問題。

1 裝置設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思想

自愈系統(tǒng)遵循N-1準(zhǔn)則，電力系統(tǒng)的N個(gè)元件中的任一獨(dú)立元件(變電站、配電線路、變壓器等)發(fā)生故障而被切除后，應(yīng)不造成其他線路因聯(lián)絡(luò)拉手過負(fù)荷跳閘而導(dǎo)致用戶停電；不破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不出現(xiàn)電壓崩潰等事故，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。因此自愈式配電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的指導(dǎo)思想，是將電力系統(tǒng)的安全性由N-1轉(zhuǎn)變?yōu)镹-0.1，即最大限度地縮小停電范圍和停電時(shí)間。

配電網(wǎng)自愈的條件 ，一方面需要堅(jiān)強(qiáng)的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)做基礎(chǔ)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的故障和風(fēng)險(xiǎn)抵抗能力；另一方面需要在故障發(fā)生后，采取有效的隔離方法隔離故障并且使故障自愈[3]。本文基于第二方面，對配電網(wǎng)故障自愈策略及優(yōu)化進(jìn)行了研究，并通過備用電源自動(dòng)投入裝置(以下簡稱備自投裝置)的投退策略實(shí)現(xiàn)故障的自愈。

1.2 總體方案

a.故障點(diǎn)判斷選擇，順序重合閘強(qiáng)隔離。電力系統(tǒng)安全性的提升就是高精度、分層次地判斷故障發(fā)生點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)配電線路順序重合閘強(qiáng)隔離。根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行方式，合理配置、安裝智能柱上斷路器，根據(jù)柱上斷路器裝位置，實(shí)行階梯性定值整定，保證斷路器有選擇性的自動(dòng)投切，有效隔離故障，徹底擺脫線路故障總出口開關(guān)跳閘的局面。

b.利用備自投原理，實(shí)現(xiàn)雙向(多向)自愈式配電網(wǎng)建設(shè)。對于已具備兩回線及以上的多回供電線路，安裝備自投裝置可以提高供電的可靠性、簡化繼電保護(hù)裝置、限制短路電流并提高母線電壓，是電力部門保障用戶連續(xù)可靠供電的重要手段。

c.構(gòu)筑基于“云”決策的自愈式配電網(wǎng)絡(luò)。自愈式配電網(wǎng)是構(gòu)筑堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)的重要基石，在進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)劃之前，需要收集大量有關(guān)電網(wǎng)和電力系統(tǒng)發(fā)展的歷史數(shù)據(jù)。完全依靠規(guī)劃工作人員的經(jīng)驗(yàn)開展規(guī)劃工作，不僅會(huì)造成大量的時(shí)間和人力資源的浪費(fèi)，而且傳統(tǒng)的規(guī)劃方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化建設(shè)的要求。為保證規(guī)劃工作的科學(xué)性，迫切要求研究滿足實(shí)際要求的電網(wǎng)規(guī)劃理論，開發(fā)高效、方便、實(shí)用的具有智能決策功能的電網(wǎng)規(guī)劃計(jì)算機(jī)輔助決策系統(tǒng)。所以為了更好地實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)“自愈”，計(jì)劃在配電自動(dòng)化主站側(cè)開發(fā)云決策模塊，通過此模塊可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)全景智能決策、自愈恢復(fù)路徑、一次觸發(fā)、瞬時(shí)可靠隔離故障點(diǎn)、彈性恢復(fù)。

d.圍繞可靠性配電網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)工程項(xiàng)目儲(chǔ)備。睢寧配電網(wǎng)項(xiàng)目儲(chǔ)備工作以地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展為指導(dǎo)，以城鎮(zhèn)規(guī)劃為依據(jù)，按照《江蘇省電力公司配電網(wǎng)管理規(guī)范實(shí)施細(xì)則》及《江蘇省電力公司配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》，為解決當(dāng)年迎峰度夏配電網(wǎng)存在電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)，解決配電網(wǎng)老舊設(shè)備存在隱患、故障率高等問題，依據(jù)年度投產(chǎn)資金和可靠性配電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需求合理開展項(xiàng)目儲(chǔ)備。

1.3 智能控制裝置的研制

根據(jù)以上方案的設(shè)定，研制一種自愈式配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用的智能控制裝置，此裝置不僅可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的自動(dòng)化，并且可以通過智能邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)中元器件順序重合閘強(qiáng)隔離的目的。這種智能控制裝置屬于電力系統(tǒng)中，配電網(wǎng)故障自動(dòng)隔離領(lǐng)域，涉及一種自愈式配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其控制方法。 自愈式配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用的智能控制裝置示意圖見圖1。

圖1 自愈式配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用的智能控制裝置示意圖

系統(tǒng)總共包含7個(gè)單元，它們分別是中央處理器(CPU)處理單元、遙測單元、遙信單元、遙控單元、人機(jī)接口單元、通訊接口單元、就地?zé)o線控制單元。系統(tǒng)各部分的功能如下。

a.CPU處理單元：作為系統(tǒng)的運(yùn)行中樞，主要包括遙測量數(shù)據(jù)、遙信量數(shù)據(jù)的采集和控制遙控輸出單元執(zhí)行分合閘操作，根據(jù)設(shè)置好的內(nèi)部動(dòng)作邏輯進(jìn)行保護(hù)邏輯操作，實(shí)現(xiàn)重合閘的功能。

b.遙測單元：遙測單元由專用電壓電流傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路組成，外部電壓電流信號(hào)進(jìn)入裝置后，接入遙測采集單元，遙測采集單元將輸入的外部電壓電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為CPU處理單元可接受的信號(hào)，供CPU采集用；遙測單元具有轉(zhuǎn)換效率高，輸出信號(hào)穩(wěn)定的特點(diǎn)，內(nèi)部具有過范圍保護(hù)，抗干擾處理等功能，為整個(gè)裝置的可靠運(yùn)行提供了有力保障。

c.遙信單元：遙信單元核心以光耦隔離電路和外擴(kuò)信號(hào)處理電路組成，是整個(gè)系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)量的輸入處理單元，將外部開關(guān)本體狀態(tài)、儲(chǔ)能狀態(tài)等開關(guān)量轉(zhuǎn)換為CPU處理單元可接受的信號(hào)，供CPU采集遙信量使用；遙信單元轉(zhuǎn)換速度快，穩(wěn)定，具有過范圍保護(hù)，抗干擾處理等功能。

d.遙控單元：遙控單元由分閘和合閘兩大部分組成，合閘采用晶閘管驅(qū)動(dòng)繼電器方式輸出，分閘采用金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)場效應(yīng)晶體管 驅(qū)動(dòng)方式輸出，遙控單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制單元，需要有絕對的輸出可靠性和穩(wěn)定性，CPU通過信號(hào)控制口輸出弱控制信號(hào)，遙控單元將弱控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以控制外部開關(guān)本體動(dòng)作的強(qiáng)信號(hào)來驅(qū)動(dòng)外部開關(guān)本體的分合閘操作，從而達(dá)到對外部開關(guān)的可靠控制。

e.人機(jī)接口單元：人機(jī)接口是指人與計(jì)算機(jī)之間建立聯(lián)系、交換信息的輸入/輸出設(shè)備的接口，這些設(shè)備包括鍵盤、顯示器、打印機(jī)、鼠標(biāo)器等。在本裝置中人機(jī)接口單元由液晶屏和按鍵及狀態(tài)指示燈組成，液晶顯示采用漢字式顯示方式，方便設(shè)置參數(shù)查看運(yùn)行狀態(tài)，按鍵提供了輸入接口，可根據(jù)現(xiàn)場需要，方便簡潔的配置控制裝置參數(shù)，為系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供簡易的配置方式。

f.通訊接口單元：通訊接口單元采用CPU內(nèi)部自帶串口輸出方式，具有實(shí)時(shí)性高，穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，外部可連接通用分組無線服務(wù)(GPRS)模塊，網(wǎng)口模塊，光纖模塊等，實(shí)現(xiàn)各種方式的通訊連接功能，方便系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視，控制等功能。

g.就地?zé)o線控制單元：就地?zé)o線控制單元采用專業(yè)無線遙控配件，具有信號(hào)穩(wěn)定，遙控距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，使得裝置在運(yùn)行期間，無需通過裝置按鈕直接操作斷路器本體的分合閘動(dòng)作，可直接在遙控距離范圍內(nèi)，通過手持遙控器在桿下操作開關(guān)的分合閘動(dòng)作，簡化了操作的繁瑣性，使得運(yùn)行維護(hù)更加簡單易行。

2 自愈控制策略

系統(tǒng)專用智能分段控制裝置，配合出口重合斷路器，通過故障判斷邏輯，實(shí)現(xiàn)故障段隔離的目的，增強(qiáng)供電可靠性。

2.1 一次系統(tǒng)分析

模擬的睢寧縣一次系統(tǒng)圖見圖2。圖2中，QF為高壓斷路器，所謂自動(dòng)重合閘裝置，是將因故障跳開后的斷路器按需要自動(dòng)投入的一種自動(dòng)裝置。對斷路器電流I實(shí)行階梯性定值整定：

ΙzdQF4<ΙzdQF2(0.2倍)

ΙzdQF2<ΙzdQF1(0.2倍)

ΙzdQF3<ΙzdQF1(0.2倍)

ΙzdQF1<ΙzdQF2(0.2倍)

QF1、QF2、QF3、QF4重合閘充電時(shí)間大約為15 s，充電完成后，重合閘功能進(jìn)行投入，此時(shí)斷路器出口動(dòng)作延時(shí)整定范圍應(yīng)不小于0～120 s。

圖2 睢寧縣一次系統(tǒng)圖

2.2 QF重合閘動(dòng)作要求

a.手動(dòng)分閘和遙控分閘時(shí)，不啟動(dòng)斷路器的重合閘功能。

b.斷路器在保護(hù)跳閘時(shí)不閉鎖重合閘功能。

c.斷路器復(fù)電后，系統(tǒng)會(huì)檢測在之前的3 min內(nèi)最近的一次保護(hù)動(dòng)作信息，當(dāng)時(shí)的重合閘在允許狀態(tài)，得電重合后經(jīng)延時(shí)動(dòng)作。

d.斷路器本體裝置不但具備動(dòng)作電流整定的功能，還要同時(shí)具備時(shí)間整定的功能。

e.斷路器本體裝置具備加速跳的功能。

f.斷路器本體保護(hù)裝置運(yùn)行溫度必須大于45 ℃。

g.斷路器的得電重合功能應(yīng)自帶延時(shí)20 s，以保證上級(jí)重合閘充電完成。

2.3 檢驗(yàn)合格試驗(yàn)項(xiàng)目

驗(yàn)證重合閘充電時(shí)間及各段保護(hù)動(dòng)作重合閘試驗(yàn)項(xiàng)目。

a.控制器檢測到斷路器的開關(guān)從分位到合位，經(jīng)15 s延時(shí)后，重合閘充電完成，然后重合閘功能投入； 如果各段電流保護(hù)在重合閘充電未完成時(shí)動(dòng)作，此時(shí)重合閘功能均沒有啟動(dòng)，在重合閘充電完成后，各段保護(hù)才能啟動(dòng)重合閘； 斷路器重合于永久性故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作，重合閘功能沒有啟動(dòng)。

b.手動(dòng)分閘、遙控分閘時(shí)均不應(yīng)啟動(dòng)重合閘功能，得電重合應(yīng)帶有延時(shí)以保證上級(jí)重合閘充電完成。

c.驗(yàn)證得電重合功能，裝置從得電自檢到得電自檢之前的3 min內(nèi)，其最近的一次保護(hù)動(dòng)作且保護(hù)動(dòng)作時(shí)重合閘處在充電的狀態(tài)(重合閘允許狀態(tài))，則得電重合功能經(jīng)固有延時(shí)(保證上級(jí)裝置充電完成)動(dòng)作后，開關(guān)將會(huì)合上。

3 重合閘試驗(yàn)

下面是模擬順序重合閘運(yùn)行環(huán)境，驗(yàn)證整組動(dòng)作邏輯。針對本地區(qū)睢寧變電站下面的永安開閉所及麗晶小區(qū)配電室組成的配電線路，在線路上安裝自愈式配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用的智能控制裝置，將3組斷路器QF串聯(lián)接入，從電源側(cè)開始，分別為QF1、QF2、QF3。3個(gè)斷路器重合閘時(shí)間分別整定為25、50、75 s，故障方式如下。

a.故障方式1：故障點(diǎn)在QF3后側(cè)，發(fā)生瞬時(shí)性故障，僅QF3保護(hù)動(dòng)作，重合成功。

b.故障方式2：故障點(diǎn)在QF3后側(cè)，發(fā)生瞬時(shí)性故障，QF3、QF2同時(shí)進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作，QF2裝置帶電，QF3裝置失電；QF2經(jīng)50 s延時(shí)，重合閘成功，然后QF3裝置得電，得電后經(jīng)得電重合固有延時(shí)，得電重合動(dòng)作。

c.故障方式3：故障點(diǎn)在QF3后側(cè)，發(fā)生瞬時(shí)性故障，QF3、QF2、QF1保護(hù)同時(shí)動(dòng)作，QF1裝置帶電，QF2、QF3裝置失電；QF1經(jīng)25 s延時(shí)，重合閘成功，QF2裝置得電，得電后經(jīng)得電重合固有延時(shí)，得電重合動(dòng)作，QF2重合成功，QF3裝置得電，得電后經(jīng)得電重合固有延時(shí)，得電重合動(dòng)作，QF3重合成功。

d.故障方式4:故障點(diǎn)在QF3后側(cè)，發(fā)生永久性故障，QF3、QF2、QF1、系統(tǒng)電源保護(hù)同時(shí)動(dòng)作，QF1、QF2、QF3裝置同時(shí)失電；模擬系統(tǒng)電源重合成功，QF1裝置得電，得電后經(jīng)得電重合固有延時(shí)，得電重合動(dòng)作，QF2裝置得電，得電后經(jīng)得電重合固有延時(shí)，得電重合動(dòng)作，QF2重合成功，QF3裝置得電，得電后經(jīng)得電重合固有延時(shí)，得電重合動(dòng)作，QF3重合于永久性故障，系統(tǒng)電源、QF1、QF2、QF3再次同時(shí)動(dòng)作，3臺(tái)斷路器同時(shí)失電，模擬系統(tǒng)電源重合成功，QF1裝置得電，得電后經(jīng)得電重合固有延時(shí)，得電重合動(dòng)作，QF2裝置得電，得電后經(jīng)得電重合固有延時(shí)，得電重合動(dòng)作，QF2重合成功，QF3裝置得電，不滿足得電重合條件，QF3得電重合閘不動(dòng)作。

每種故障方式進(jìn)行100次試驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)見表1，故障自愈動(dòng)作正確率為98%。

表1 QF動(dòng)作次數(shù) 次

4 結(jié)束語

在深入研究分析國內(nèi)外配電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展背景的基礎(chǔ)上，采用一種結(jié)合N-0.1靜態(tài)安全約束和備自投功能的自愈式配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)智能控制裝置，給出了故障點(diǎn)實(shí)行階梯性定值整定的方法以及自愈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和總體方案，通過實(shí)際掛網(wǎng)運(yùn)行表明，本裝置能有效實(shí)現(xiàn)故障自愈，準(zhǔn)確可靠，為解決配電網(wǎng)端因線路故障造成的停電影響范圍大及影響結(jié)果嚴(yán)重等問題提供了一種全新、有效的解決模式。