自愈控制系统在10 kV配电网中的设计要点分析
2021-06-11李洋
摘 要：电力系统造成用户供电中断等各类故障，90%发生在配电系统中。要提高配电网安全性、可靠性，合理的配电网网架结构和可靠的电力设备是基础，提高配电网管理水平的重要举措之一就是在10 kV配网中应用自愈控制系统。为满足松江新桥工业片区的供电需求以及实现世界一流城市配电网建设的目标，上海临港松江高科技发展有限公司工程中的10 kV配电网采用了10 kV双环网网架结构并配置10 kV自愈控制系统，现对自愈控制系统在10 kV配电网中的应用及相关设计要点进行了分析总结。
关键词：自愈控制;潮流分析;差动保护;整定计算
0 引言
10 kV配电网是电网的重要组成部分，也是保障电力“配得下、用得上”的关键环节。因配电网直接面对终端用户，其故障会导致生产的电能无法输送给用户，进而引起用户供电中断。国家能源局印发的《配电网建设改造行动计划（2015—2020年）》[1]明确要求：“到2020年，中心城市（区）智能化建设和应用水平大幅提高，供电可靠率达到99.99%，供电质量达到国际先进水平。”自愈通常是指生命体排除外在或内在对人体和其他生命体的侵害，修复已经造成的损害，达成生命延续的过程。用于配电网则指在不需要外在干预的条件下，自动进行电能转供、定位故障、隔离故障、恢复供电，且对电网的安全运行与供电质量不产生影响，从而提高供电可靠性[2]。
为了满足上海松江新桥工业片区的供电需求以及实现世界一流城市配电网建设的目标，消除松江新桥工业片区配电网的薄弱环节，同时也为了缓解35 kV徐塘站和110 kV庙三站供电仓位紧张的现状，优化配电网网架结构，提升配电网的供电可靠性，松江高科项目新建了一组10 kV双环网网架结构，并配置了10 kV自愈控制系统。
1 10 kV双环网网架结构及自愈系统配置
松江高科项目新建的这组10 kV双环网网架结构，配置了10 kV自愈控制系统，共涉及5座10 kV开关站、1座35 kV变电站和1座110 kV变电站，即110 kV庙三站？圮10 kV新格开关站？圮10 kV云澜开关站？圮10 kV之禾开关站？圮10 kV德脉开关站？圮10 kV启迪开关站？圮35 kV徐塘站电缆网双环网一组，自愈系统框架如图1所示。
10 kV自愈系统采用纵联电流差动保护原理实现故障定位，待其他保护装置动作后对故障未隔离区域进行故障隔离，并采用系统自愈以及分段备自投实现非故障段失电负荷快速转供。如图1所示，系统按单环配置，即每个单环配置一台自愈保护控制主机、两台线路终端和若干台母线终端。各终端通过光纤通信网络和智能自愈保护控制主机相连，自愈保护主机通过以太网口和上位机相连。各智能采集控制终端通过无源光网络的内部同步协议和主机时钟同步，实现所有终端同步采样，并通过可控无源光网络实时上传SMV和GOOSE信息、接收主机GOOSE信息;各智能终端通过无源光网络和后台实现104通信，各智能终端同时实现就地保护功能[3]。
10 kV自愈系统能够完成完整的配网保护控制功能，包括线路纵差保护、非故障段负荷转供、就地母线差动保护、分段备自投、故障解列、低频低压减载等;能够完成对进线、出线以及多条馈电线路的相电压、线电压、电流、功率、功率因数、频率等电气量以及直流量的测量;能够实现对电压、电流、功率等电气量变化的监视并实时进行告警;具备电气信息量的采集及处理功能，能够完成开关位置量、电网模拟量、用户电能量等信息的采集、处理、上传和分析;具备故障录波、故障记录功能，能够实现遥测超限、遥信变位、事故报警、遥控过程等信息收集记录、统一管理并进行数据分析，自我学习判断。
2 潮流分析
10 kV双环网网架结构能够实现“自愈”，快速隔离故障，恢复供电，网架结构的负荷转移能力是关键。利用ETAP 12.6计算软件，分别进行不同接线方式下的潮流分析，得到计算结果如表1、表2、表3所示。
方式1：当双环网中5座开关站母联开关M1、M2、M3、M4、M5均处于打开状态时，K13、K14母线出线开关断开，即网架中负荷均由K1、K2母线出线开关供，双环网内的负荷只由1座变电站供，各线路所带功率及电流值如表1所示。
方式2：当双环网中5座开关站母联开关M1、M2、M3、M4、M5均处于打开状态时，K1母线出线开关闭合，K2母线出线开关断开，K13、K14母线出线开关断开，即网架中负荷均由K1母线出线开关供，各线路所带功率及电流值如表2所示。
方式3：当双环网中5座开关站母联开关M1、M2、M3、M4、M5均处于打开状态时，K1母线出线开关闭合，K2母线出线开关断开，K13母线出线开关断开，K14母线出线开关闭合，即网架中负荷均分别由两座变电站母线出线开关供，各线路所带功率及电流值如表3所示。
通过以上3种典型的网架结构潮流分析得出，双环网网架结构中变电站至一级开关站的电流值最大，其中，方式2运行方式下，庙17新格开关站甲最大电流达1 232.0 A。本次双环网接线结构中，开关站断路器额定电流均为1 250 A，电流互感器选用600/5 A。為提高双环网网架结构的自愈能力，110 kV庙三站至10 kV新格开关站，35 kV徐塘站至10 kV启迪开关站10 kV电缆建议采用双拼3×400 mm2电缆，双环网网架结构的开关柜内电流互感器建议更换为800/5 A。
通常情况下，YJV-10 kV-3×400 mm2电力电缆额定载流量约为690 A，因电缆敷设环境、电力保护管材热阻系数的差异，同时需考虑土壤热阻系数、同路径电缆敷设根数等各种因素，电缆实际载流量需要取相应校正系数来综合计算[4]。
本项目新敷设电缆均穿已有排管备用孔位敷设（图2），新敷设电缆地温取30 ℃，土壤热阻系数按1 m·K/W取值，埋深1 m，电缆间距250 mm，电缆群电缆结构均一致且除计算电缆外的其余电缆负载电流不超过单根电缆载流能力的50%;多根电缆并行排列，相应校正系数取0.7，计算出YJV-10 kV-3×400 mm2电缆在排管中的安全运行电流为403 A，最大负荷转移能力为0.7 MVA。在额定值的运行条件下，仪表的指示在量程的80%～100%处，电流互感器最大变比调为800/5 A，一次侧通过的最大值为800×0.8=640 A。
综上分析，双环网电缆网架结构中上级电源站采用双拼电缆，流变调大后，单回线路最大负荷电流可达640 A。该双环网最大负荷转移能力为11.08 MVA，但是在运行方式2最差网架结构下，自愈系统需要实时监控变电站出线电流值，并设定电流阈值及其对应的自愈控制策略。
3 保护配置
双环网结构中5座开关站原配有单间隔的保护装置和分段备自投装置，主干线路增加线路光纤纵差保护装置，均采用CSD-213A-G线路光纤纵差保护装置。开关站内分布式配电保护自愈装置与开关站原有的保护装置及线路纵差保护装置配合关系如下：
（1）线路光纤纵差保护装置的动作信号通过硬接点方式接入分布式配电保护自愈装置。
（2）开关站原有的分段备自投装置停运，由分布式配电保护自愈装置实现就地分段备自投功能。
（3）分布式配电保护自愈装置的跳合闸出口（跳、合环进环出主干线路开关和分段开关，以及跳小电源线路开关，其他负荷支线开关可以不接线）接入到原有保护装置的操作回路中。
随着自愈以及分段备自投实现非故障段失电负荷快速转供，网架结构的改变会导致网架电气参数的改变。本节从不同网架结构出发，分析不同网架结构下纵差保护整定的计算，从而得出自愈系统结构中纵差保护整定的要求。
电流差动保护系统的构成如图3所示，图中一级开关站M出线仓，二级开关站N出线仓均装设CSD-213A-G差动保护测控装置，两级开关站之间采用24芯专用通信光缆连接。
图4为CSD-213A-G差动继电器的三折线动作特性曲线，动作方程如下：
（1）当Ir≤Icd×（5/3），Id>Icd时动作;
（2）当（5/3）×Icd
（3）当Ir≥5×Icd，Id-[0.6×（5×Icd-Icd×5/3）+Icd]>0.8×（Ir-5×Icd）时动作。
其中，差动电流Id=|M+N|;制动电流Ir=;Icd为差动元件的起始动作电流，也称“门槛电流”。
Ib1=5Icd/3为Ⅰ段制动电流，也被称为“最小制动电流”。正常负荷时，制动电流不起作用，在Ir Ib2=5Icd为保护区外故障引起CT饱和的最小制动电流，一般取为2.5～3倍额定电流，本项目取2.5倍额定电流。 Ib1～Ib2这段区域被称为“轻微有偏区域”，即该区域有制动作用，但制动作用有限。在这段区域内，差动保护动作与否取决于差动电流与制动电流之比，负荷电流外部故障的穿越电流产生的差动电流是随着制动电流的增大而增大的，不能以简单的差动电流作为保护动作的判断依据，因此在该段区域内，制动曲线存在斜率K1，K1值不宜过大，否则保护灵敏度将下降，不利于线路的短路保护。 在最大运行方式下，双环网不同网架结构的短路电流计算如表4所示。 由表4可知，不同网架结构接线方式下，10 kV侧短路电流值差别较大，其中10 kV侧最大方式下发生短路后最大短路电流为16.33 kA，最大差值为8.26 kA。 差动保护灵敏度系数计算[5]如下： Ksen=（Ksen.xd/nTA）×（Ik3.min/KIr） 式中：Ksen.xd为相对灵敏系数;nTA为电流互感器变比;Ik3.min为线路保护区内最小三相短路电流;K为保护装置的整定值;Ir为保护装置的额定电流。 不同网架结构下因短路电流值不同，纵差保护装置的动作电流整定值及相对灵敏系数也不同，线路由单侧电源供电时，保护装置的动作电流为线路由双侧电源供电时保护装置动作电流的3倍[4]。 综上分析可以推断出，10 kV双环网自愈控制系统包括的线路纵差保护、非故障段负荷转供、就地母线差动保护、分段备自投、故障解列、低频低压减载等功能都需要根据不同的网架结构设置对应的保护策略及保护定值。 4 结语 实现系统自愈控制的前提条件是一次网架结构合理，设备可靠，具备一定的备用容量和足够的负荷转供能力。在10 kV配网中设计自愈系统，首先要对配电网网架进行潮流分析，找出关键点，设计合理的供电方案，设计时要全面考虑网架中断路器、电流互感器、电缆、通信网络等设备的选型与配置。其次，因网架结构的变化，10 kV配网自愈系统中继电保护应设计不同的保护策略，同时应具备自我学习功能。最后，10 kV配网不同于110 kV主网，其负荷变化及网架动态变化较大，因此10 kV配网自愈系统应具备实时监控网架结构变化、监测电缆载流量变化、监视重要用户电流数据等功能;还应具备深度计算、深度学习功能，对应不同的网架结构，以保证其保护动作判定、故障隔离诊断、负荷转供均能自動完成。 总之，10 kV自愈系统在工程方案及工程设计中需要考虑潮流计算与分析、电缆稳定极限计算、设备动稳定性分析、电流互感器的抗饱和计算、用户负荷扰动分析、电压稳定分析、重构电网和解列运行等，方能实现10 kV自愈控制的各种功能。 [参考文献] [1] 国家能源局.配电网建设改造行动计划（2015—2020年）：国能电力〔2015〕290号[A]. [2] 王彦国，赵希才.智能分布式配电保护及自愈控制系统[J].供用电，2019，36（9）：2-8. [3] 王郁垒.分布式配电网自愈控制技术研究与实现[D].南京：东南大学，2016. [4] 上海配电网技术导则（2014版）[S]. [5] 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].3版.北京：中国电力出版社，2005. 收稿日期：2021-03-04 作者简介：李洋（1989—），男，山东日照人，助理工程师，研究方向：35 kV及以下配网工程设计。
