國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司鞍山供電公司 王浩廷 侯博文 王諾笛

1 緒論

1.1 智能配電網(wǎng)的研究背景及意義

當(dāng)前，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)與人們生產(chǎn)生活息息相關(guān)的電力行業(yè)在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域提出了更高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，電網(wǎng)工程已經(jīng)深入到人工智能領(lǐng)域，智能電網(wǎng)的發(fā)展適應(yīng)了不同產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要。

與傳統(tǒng)的電網(wǎng)模式相比，城市配電網(wǎng)絡(luò)在智能電網(wǎng)方面突出發(fā)展，使城市配電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化，能夠使配電網(wǎng)絡(luò)能夠自行修復(fù)，解決了傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)花費(fèi)大量的人力、物力及時(shí)間檢修故障問(wèn)題[1]。另一方面，智能配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)將故障情況相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到技術(shù)中心，使技術(shù)人員及時(shí)、準(zhǔn)確了解故障情況、故障類型，采取有力的保護(hù)措施后進(jìn)行有效解決，提高了配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2 研究現(xiàn)狀

國(guó)外注重在智能電表、微電網(wǎng)、新能源消納等方面進(jìn)行智能電網(wǎng)技術(shù)的研究，主要涉及智能配電與用電相關(guān)環(huán)節(jié)，也有一些國(guó)家將配電列為研究重點(diǎn)。國(guó)家電網(wǎng)有限公司和南方電網(wǎng)有限公司負(fù)責(zé)我國(guó)電網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，我國(guó)的智能電網(wǎng)技術(shù)目前處于國(guó)際領(lǐng)先地位，表現(xiàn)在配電、用電、變電等智慧化電網(wǎng)技術(shù)，目前這些技術(shù)的發(fā)展還需要進(jìn)一步提高設(shè)備的自動(dòng)化、信息化及互動(dòng)化水平，以此提升安全穩(wěn)定的運(yùn)營(yíng)能力。

1.3 研究主要內(nèi)容

本文在傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)基礎(chǔ)上，分析了配電系統(tǒng)智能化保護(hù)技術(shù)，包括電流保護(hù)、電壓保護(hù)和聯(lián)鎖保護(hù)，針對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護(hù)中出現(xiàn)的問(wèn)題提出了以配電系統(tǒng)智能化保護(hù)技術(shù)為基礎(chǔ)的小型配電系統(tǒng)智能化保護(hù)策略[2]。

2 配電系統(tǒng)智能化保護(hù)技術(shù)

2.1 電流保護(hù)

配電線路在輸送電能中普遍存在的問(wèn)題有過(guò)載故障、短路故障。過(guò)載時(shí)電流會(huì)增大，但不會(huì)超過(guò)額定電流；短路故障時(shí)電流超過(guò)額定電流，在強(qiáng)大電流沖擊下短路故障產(chǎn)生很大的破壞性，輸送電路上的設(shè)備會(huì)產(chǎn)生安全隱患，有的在極短時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)熱燒壞。本研究采用三段式電流保護(hù)原理，在配電網(wǎng)發(fā)生過(guò)載或短路故障時(shí)快速、準(zhǔn)確地切斷故障，保護(hù)整個(gè)配電系統(tǒng)[3]。

三段式電流保護(hù)依據(jù)出現(xiàn)故障時(shí)電流的大小進(jìn)行分類，分為過(guò)載延時(shí)保護(hù)、短路瞬時(shí)保護(hù)、短路短延時(shí)保護(hù)，每一類電流保護(hù)的特性曲線如圖1所示。

圖1 電流保護(hù)的特性曲線

圖1中，橫坐標(biāo)值Ir1表示過(guò)載延時(shí)保護(hù)的整定值；Ir2表示短路延時(shí)保護(hù)的整定值，臨界點(diǎn)為8，由反時(shí)限和定時(shí)限短路兩段曲線組成；Ir3電流瞬時(shí)保護(hù)整定時(shí)。

由曲線圖推導(dǎo)可知各保護(hù)段的時(shí)限關(guān)系：

Ir1

2.1.1 過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)段

圖1的曲線中第一部分為過(guò)載保護(hù)，保護(hù)呈現(xiàn)反時(shí)限特性，當(dāng)電流增大時(shí)保護(hù)時(shí)間縮短，電流與保護(hù)時(shí)間關(guān)系式為：

式中，Ir1為過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)整定值；tI為過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)動(dòng)作設(shè)定時(shí)間；T為理論動(dòng)作時(shí)間。

2.1.2 短路短延時(shí)保護(hù)

短路短延時(shí)保護(hù)是在配電系統(tǒng)短流電流值不足的情況下采取的保護(hù)方法。由圖1曲線可看出，短路短延時(shí)保護(hù)包括反時(shí)限特性保護(hù)和定時(shí)限特性保護(hù)兩部分，兩部分的臨界點(diǎn)為，電流小于該值采用第一種方法，若大于則采用第二種，兩部分的關(guān)系表達(dá)式為：

式中，t2短路短延時(shí)動(dòng)作設(shè)定時(shí)間。

當(dāng)線路電流大于8IrI且小于10IrI時(shí)，短路保護(hù)動(dòng)作延時(shí)時(shí)間設(shè)為固定值。

2.1.3 短路瞬動(dòng)保護(hù)

當(dāng)配電系統(tǒng)中線路電流大于10倍額定電流時(shí)會(huì)極大損壞電力設(shè)備和配電線路，甚至可能在短時(shí)間內(nèi)引發(fā)火災(zāi)，這種線路故障稱為短路故障，此時(shí)短路瞬動(dòng)保護(hù)會(huì)瞬時(shí)開(kāi)斷斷路器，進(jìn)而保護(hù)配電系統(tǒng)的線路安全。

2.2 電壓保護(hù)

過(guò)壓保護(hù)和欠電壓保護(hù)是保護(hù)安裝處所測(cè)電壓值為參考量的兩種方法，即電壓保護(hù)的兩種方法。

2.2.1 過(guò)壓保護(hù)

過(guò)電壓是指工程中對(duì)電氣設(shè)備造成損害的危險(xiǎn)電壓，設(shè)電路正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)穩(wěn)定電壓峰值為UN，當(dāng)前電壓為U，U＞UN即當(dāng)前電壓大于電壓峰值時(shí)，開(kāi)斷斷路器保護(hù)電路稱為過(guò)電壓保護(hù)。

2.2.2 欠電壓保護(hù)

欠電壓保護(hù)是指電源電壓低到一定值甚至消失，此時(shí)斷路器自動(dòng)開(kāi)斷電路進(jìn)行的保護(hù)，在低電壓時(shí)電流會(huì)增大保證用電功率，此時(shí)電氣設(shè)備會(huì)因急劇發(fā)熱而損壞，另一方面電壓復(fù)原時(shí)電氣設(shè)備突然啟動(dòng)也會(huì)損壞，欠電壓保護(hù)會(huì)避免這兩種情況的發(fā)生。

2.3 聯(lián)鎖保護(hù)

保護(hù)技術(shù)不能在選擇性、準(zhǔn)確性、快速性方面同時(shí)滿足解決過(guò)載電流和電壓?jiǎn)栴}，需要在電流選擇性、時(shí)間選擇性方面配合工作實(shí)現(xiàn)保護(hù)，聯(lián)鎖保護(hù)技術(shù)較好地解決了這個(gè)問(wèn)題，聯(lián)鎖保護(hù)在配電線路短路時(shí)，上級(jí)斷路器接收到下級(jí)斷路器的閉鎖信號(hào)后啟動(dòng)延時(shí)保護(hù)，若未收到信號(hào)，則跳過(guò)短延時(shí)即刻開(kāi)斷電路。

3 小型配電系統(tǒng)智能化保護(hù)策略

3.1 層級(jí)保護(hù)策略

為了全選擇保護(hù)配電系統(tǒng)的安全，小型配電系統(tǒng)智能化首先要考慮斷路器智能化，智能化控制器具有邏輯判斷功能，能夠通過(guò)判斷信號(hào)處理后的電流及電壓大小實(shí)施相應(yīng)的保護(hù)。本研究應(yīng)用層級(jí)配電系統(tǒng)保護(hù)策略設(shè)計(jì)智能控制器執(zhí)行智能化斷路，多層級(jí)配電系統(tǒng)包括Dupline總線通信和配電保護(hù)系統(tǒng)兩部分。

3.1.1 Dupline總線通信

應(yīng)用Dupline總線傳遞上下級(jí)斷路器間的電流過(guò)載、短路信號(hào)，Dupline采用分時(shí)多通道的方法在雙絞線中傳送同步的開(kāi)關(guān)信號(hào)和模擬信號(hào)，因此應(yīng)用Dupline總線的斷路器在配電系統(tǒng)中具備通信功能，在上下級(jí)斷路器間傳遞控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的智能化。

Dupline采用雙向分時(shí)傳輸，應(yīng)用全浮空技術(shù)與雙絞線連接，可以傳輸數(shù)字與模擬信號(hào)，傳輸過(guò)程不需協(xié)議，不需要主機(jī)、不用編程、不需軟件即可連接輸入與輸出設(shè)備，且布線路徑優(yōu)化，節(jié)省成本。在抗干擾方面，具有遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，幾乎所有的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都適用且8 km以內(nèi)不用放大器與轉(zhuǎn)發(fā)器。

Dupline的安裝不需要安裝技術(shù)人員參加技術(shù)培訓(xùn)，利用現(xiàn)有的線纜即可直接連接開(kāi)關(guān)、顯示設(shè)備、傳感器等設(shè)備。調(diào)試時(shí)不需要中央監(jiān)控，可以在任意地方通過(guò)便攜調(diào)試器對(duì)一對(duì)雙絞線操作即可，雙絞線任意點(diǎn)均能夠讀取傳輸信號(hào)，也不需要中央處理單元及軟件。

3.1.2 配電保護(hù)系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)的智能配電保護(hù)系統(tǒng)如圖2所示，該系統(tǒng)由電流保護(hù)、電壓保護(hù)和溫度保護(hù)三部分組成。采用本文所述的兩種電壓保護(hù)方式，同時(shí)應(yīng)用三段式電流保護(hù)的三種方法。溫度保護(hù)采用低溫報(bào)警、超溫報(bào)警兩種技術(shù)。

圖2 智能配電保護(hù)系統(tǒng)

由圖2可知，智能配電保護(hù)系統(tǒng)采用聯(lián)鎖保護(hù)技術(shù)，上下級(jí)斷路器通過(guò)Dupline總線連接，系統(tǒng)的原理是連接上下級(jí)智能控制器為一個(gè)組合，在過(guò)載時(shí)通過(guò)相互配合實(shí)施保護(hù)，也在斷路器故障時(shí)實(shí)現(xiàn)后備保護(hù)，解決了斷路器本級(jí)故障無(wú)法切斷電路、上級(jí)斷路器越級(jí)跳閘等問(wèn)題。線路出現(xiàn)故障時(shí)，同一組合中的斷路器通過(guò)總線傳遞信息保障斷路器不拒動(dòng)，得到全選擇保護(hù)；信息交互中斷時(shí)，各斷路器也能夠各自獨(dú)立工作完成故障處理[4]。

這種智能配電保護(hù)系統(tǒng)策略因信息的交互只需在同一組的斷路器之間傳遞，因此大大降低了數(shù)據(jù)冗余量，因此在單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的能力方面也降低了要求。

3.2 配電系統(tǒng)仿真策略

3.2.1 短路故障仿真

本仿真系統(tǒng)通過(guò)建立模型模擬短路故障發(fā)生時(shí)電壓及電流情況，三層級(jí)短路模型可以模擬斷路器的入口處電壓與電流，該三相系統(tǒng)在出現(xiàn)故障短路時(shí)，對(duì)單相接地短路、兩相接地短路及相間短路和三相短路等短路故障均能夠模擬呈現(xiàn)斷路器在各層級(jí)之間傳遞的電流情況，從仿真波形能夠判斷短路電壓值變化的幅度，模擬系統(tǒng)電壓為380V，三相配電系統(tǒng)相間電壓為220V[5]。

3.2.2 過(guò)載故障仿真

發(fā)生過(guò)載時(shí)通常情況下電壓的值不會(huì)變化，因此仿真系統(tǒng)搭建了三層級(jí)配電網(wǎng)絡(luò)過(guò)載模型，每個(gè)層級(jí)分別設(shè)置保護(hù)各個(gè)負(fù)載的斷路器，該層級(jí)網(wǎng)絡(luò)模型能夠較好地還原各負(fù)載處保障在任意時(shí)刻出現(xiàn)過(guò)載事故時(shí)各層級(jí)斷路器的過(guò)載電流情況。

3.2.3 斷路器保護(hù)仿真

在仿真系統(tǒng)中搭建了智能斷路器，采用三段式智能保護(hù)策略，當(dāng)電流過(guò)載倍數(shù)為1.5時(shí)，在0.75s內(nèi)迅速切斷電路，啟動(dòng)過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)；當(dāng)在0.15s系統(tǒng)出現(xiàn)短路時(shí)，短路延時(shí)保護(hù)啟動(dòng)0.1s的延時(shí)短路保護(hù)；當(dāng)在0.15s系統(tǒng)出現(xiàn)短路且短路電流瞬間達(dá)到最大值，系統(tǒng)的短路瞬時(shí)保護(hù)仿真模式會(huì)將短路保護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)為10ms。

本仿真模型采用智能斷路器為物理裝置，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件程序的設(shè)計(jì)，這種軟、硬結(jié)合的設(shè)計(jì)是智能配電系統(tǒng)最關(guān)鍵的保護(hù)策略，是實(shí)現(xiàn)智能保護(hù)的首要條件。同時(shí)在硬件中還要重視電路控制模塊的工作精度、抗干擾能力、安全及可靠性，要使整個(gè)系統(tǒng)具有強(qiáng)大的應(yīng)用性，設(shè)計(jì)的控制模塊要足夠小，這樣一方面可以保障經(jīng)濟(jì)效益，降低價(jià)格，另一方面使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備裝置簡(jiǎn)單、方便、易操作，以此滿足小型配電系統(tǒng)智能化保護(hù)的需求。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究在查閱相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，分析了配電系統(tǒng)智能化技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，分析了傳統(tǒng)電壓與電流保護(hù)方法的弊端?；谛⌒团潆娤到y(tǒng)智能化發(fā)展的需要，圍繞過(guò)載保護(hù)開(kāi)展研究，設(shè)計(jì)了Dupline總線結(jié)構(gòu)的智能配電保護(hù)系統(tǒng)，該保護(hù)策略通過(guò)上下級(jí)斷路器協(xié)調(diào)配合、相互保護(hù)，有效解決配電線路過(guò)載保護(hù)時(shí)出現(xiàn)的線路故障問(wèn)題。