适应分布式电源接入的钻石型配电网保护应用研究

2022-01-12徐冰雁石方迪翟万利沈杰士

电力与能源 2021年6期

徐冰雁，孙俭，石方迪，叶影，翟万利，沈杰士，郭磊

(1.国网上海市电力公司金山供电公司，上海 200540；2.国网上海市电力公司，上海 200120)

上海是风能和太阳能资源都较丰富的地区，50 m高度的年平均风功率密度在300 W/m2以上，沿海滩涂面积宽阔，风能开发潜力优越。上海地区历史年均太阳能总辐射量为4 565 MJ/m2，总辐射年际变化呈波动特征。根据上海分布式能源的发展现状，“十四五”初期上海市预计超过了1 500 MW的风电规模开发潜力、1 000 MW的光伏装机总规模潜力。

目前上海中压主干电缆网已形成了开关站单环网为主的网架结构，满足了经济和社会的快速发展。但随着上海城市发展对供电安全性和可靠性要求的不断提升，对配电网提出了更高的要求[1]。

为改善故障情况下站间负荷的转移能力、缓解上海高压配电网面临的局部重过载压力、提高变电站10 kV间隔和出线的利用率、更加充分地体现配电网的投资效益，基于上海以开关站单环网为主的电缆网现状，统筹考虑投资效益，钻石型配电网的发展思路可用于指导上海配电网的升级改造实践。

在上海配电网开展钻石型配电网升级改造的背景下，一方面为适应分布式电源广泛接入的发展需求，另一方面如果钻石型配电网大面积推广建设，会使得分布式电源的接入面对新的情况。为充分发挥钻石型配电网分布式电源的接纳能力，提前应对新的挑战，有必要进行分布式电源及钻石型配电网继电保护和安全自动装置的应用研究，分析分布式电源接入钻石型配电网的保护及安全自动装置的动作行为，从而为钻石型配电网转型改造提供理论基础和实践依据。

1 钻石型配电网简介

钻石型配电网为分层结构，分为10 kV主干网络和10 kV次级网络。

在主干网一层形成以带分段断路器的开关站为节点的双环网，在次干网一层形成以配电站为节点的单环网或双环网。钻石型配电网具有多侧电源的结构，其运行方式灵活，能够有效提高配电网可靠性，提高变配电设备利用率[2]，如图1所示。

图1 钻石型配电网示意图

1.1 钻石型配电网的组成

1.1.1 10 kV主干网

10 kV主干电缆网以开关站为核心节点，形成双环网的网络结构。每组双环网接线包含4～6座开关站。开关站的开关设备均为断路器，采用单母线分段接线。双环网线路所供负荷能够满足高峰负荷正常运行方式“N-1”和春秋季负荷检修方式“N-1”。

第一级开关站2路电源来自同一变电站不同母线或不同变电站；其他开关站两路电源来自相邻开关站不同母线，并且两座开关站之间设两回联络专线(如图2所示，4座开关站形成双侧电源链式接线)开环运行。

图2 主干网示意图

优点：线路输送容量足够时可以满足正常方式下“N-2”供电要求，供电可靠性高，负荷转供能力较强，并且转供方式较灵活，通过合理调整运行方式可以更合理地均匀负荷，提高供电设备的利用率。

缺点：对变电站布点数量要求较高；联络线占用间隔和廊道资源，需增加投资。

1.1.2 10 kV次干网

10 kV次干电缆网以环网站为节点，由同一座开关站不同母线或不同开关站供出，形成单环网或双环网网络结构，如图3所示。环网站采用单段或两段不联系的单母线接线形式。单环网线路节点数不大于6个，双环网线路节点数不大于12个。地块内开关站数量大于2座时，地块内环网站宜采用双环网接线。

图3 次干网示意图

优点：线路输送容量足够时满足正常方式下“N-1”供电要求，当环网电源来自主干网中不同的环网时，供电可靠性很高。次干网环网中的开关设备除电源开关站出线外无断路器，无需配置继电保护。

缺点：故障定位和故障恢复时间稍长，但处于可接受范围。

1.2 钻石型配电网的运行方式

1.2.1 10 kV主干网

正常运行方式：所有开关站10 kV分段开关热备用，来自变电站的每回电源线路分别供一段10 kV母线(如图2所示)。在环网两侧的电源变电站负载不均衡时，可以通过选择不同的开环点，灵活调整运行方式，合理调整电源变电站负载率，提高供电设备利用率。

正常运行方式下“N-1”故障时，开关站任一进线电源故障失电，失电母线可通过站内分段开关闭合恢复供电，也可通过F2或F4开关闭合恢复供电，转供方式较灵活。

正常运行方式下“N-2”故障时，E站两回进线同时失电，闭合F站F2开关和F4开关完成负荷转供，G站通过联络线带E站和F站；也可合上一个联络开关(F2或F4)，并合上E站和F站的分段开关完成负荷转供(这种方式需确保G站及其电源线路不过载)，转供方式较灵活。

检修方式：开关站任一进线电源检修，可通过合上该站分段开关进行供电，也可通过闭合F2或F4开关进行供电，转供方式较灵活。

检修方式下“N-1”故障分析：假设E站某一段母线进线电源检修时，安排E站分段合上。此时，发生E站运行进线故障，可以闭合F站F2或F4开关完成负荷转供，G站通过联络线带E站和F站。

1.2.2 10 kV次干网

正常运行方式：环网正常运行方式通常为，来自电源开关站的每回电源线向环网供电(如图3所示)。

通过选择合理的环网开环点，如图3中QS6，合理调整电源开关站负载率，提高供电设备利用率。

正常运行方式下“N-1”故障分析：配电站任一进线电源故障失电，可以通过配电自动化系统或人工检查后定位故障点，完成故障隔离后，可通过QS6开关闭合对非故障区域恢复供电。

检修方式：配电站任一进线电源检修，可通过闭合QS6开关进行供电。

检修方式下“N-1”故障分析：此时由于开环点无法在检修结束前闭合，故障点至开环点之间将会失点，但是失电范围局限在次干网的局部区域。对于双环网形式的次干网，配电站还可以通过低压临时联络的方式应急供电。

2 钻石型配电网分布式电源的接入分析

2.1 接入方式分析

(1)主干网接入。分布式电源接入10 kV主干网开关站母线的具体接线模式如图4所示。

图4 分布式电源接入主干网开关站母线示意图

(2)次干网接入。分布式电源接入10 kV次干网环网站母线的具体接线模式如图5所示。

图5 分布式电源接入次干网环网站示意图

2.2 接入容量分析

钻石型配电网中，10 kV主干网环网线路双侧首段电缆可采用双拼3×400 mm2电缆，中间段可采用双拼3×400 mm2或3×400 mm2电缆。10 kV次干网环网线路可采用3×240 mm2或3×120 mm2电缆，两回进线最高负载率平均值不高于50%。

根据《上海电网规划设计技术原则》、《上海电网若干技术原则的规定》中的电缆载流量计算，主干网首段单回线路的最大传输容量约为24 MW，非首段约为12 MW，次干网进线线路允许的最大传输容量约为8 MW。单座开关站允许带载约为6 MW。

当电源存在多处接入时，首先计算接入配电站上级为同一座开关站的电源容量之和，校核其是否超过该开关站进线允许的传输容量上限，取其与进线容量的较小值；再计算主干网上各开关站及其下游所供配电站的接入电源容量之和，取其与首段线路的传输容量上限24 MW之间的较小值为允许接入容量。

综上，将允许接入钻石型配电网中的电源容量计算结果汇总见表1。

表1 钻石型配电网接入容量上限 MW

从表1可见，按线路容量边界，因首段线路采用双拼电缆，首段线路相连的开关站允许接入容量最大，正常运行方式下理论允许接入的电源总容量也受其限制。按短路电流计算边界，允许接入的电源容量计算结果大于按线路容量边界考虑的结果。

综合结果来看，钻石型配电网允许接入的电源总容量不宜超过24 MW，而次干网单个环网柜位置处可允许接入的电源容量不宜超过8 MW。

3 分布式电源接入钻石型配电网的保护配置

3.1 分布式电源接入对钻石型配电网保护的影响分析

在以负荷开关作为操作和保护电器的双环网中，在该网络中任意一点故障，包括双环网中分布式电源联络线以外的负荷线路，因负荷开关不具有切断故障电流的能力，都无法有选择性的切除故障。

故障切除只有通过上级变电站出线断路器或分布式电源出口处的断路器完成。因此，分布式电源接入双环网并网运行后，即使发生在分布式电源联络线以外的故障(甚至是其他用户)，也将迫使电源脱网，扰动结束后进行再并列。如果分布式电源运行需要的辅机系统在脱网后失去电源，那分布式电源将被迫停机。这一过程对于和生产工艺有关联的小电源尤其不利，例如余热发电等。

当分布式电源接入钻石型配电网的主干网时，如果继电保护配置和整定运行得当，就能实现故障的有选择性切除，也能有效避免不利情况的发生。

分布式电源接入对钻石型配电网的保护影响如下。

(1)线路保护。在开关站有分布式电源接入的出线上，如果在出线断路器的系统侧或开关站的其他线路上发生故障，在该断路器上会流过由分布式电源提供的短路电流。对于不经过方向元件闭锁的过流保护此时会有误动作的可能。

(2)母线保护。当变电站(或开关站)母线故障时，现有的主变后备(或变电站线路后备)保护均能可靠切除系统提供的短路电流；分布式电源侧的继电保护也能切除其提供的短路电流(或由变流器逆止)。接入“钻石型”配电网的分布式电源，不承担支撑电网稳定运行的任务，对其在故障切除后是否失稳不做要求。因此，对故障的切除时间，无系统稳定原因导致的快速切除要求。

(3)备自投。在钻石型配电网中，分布式电源的接入比较分散，可通过主干网开关站或是次干网配电站接入。主变保护动作跳开10 kV侧断路器时仅联跳同一母线上的并联电容器，并不联跳所有包含电源的线路。而在目前的备自投合闸逻辑中，将在无法有效确认母线失压的情况下合上分段断路器，可能导致非同期合闸，对分布式电源造成冲击，同时也降低了备自投合闸的成功率。

3.2 分布式电源接入的钻石型配电网保护和安全自动装置的配置

考虑到分布式电源接入后对继电保护的影响，钻石型配电网系统侧保护配置要考虑以下要求。

3.2.1 线路保护

(1)在有分布式电源接入的开关站出线断路器处，通常应按照双侧电源电网的要求设置线路保护，宜配置(方向)过流保护，考虑到分布式电源的容量较小，提供的短路电流远小于系统提供的短路电流，方向元件通常可以不投入；对于短线路或因接入配电网的分布式电源容量较大导致继电保护不满足“四性”要求时，可增配纵联差动电流保护。

(2)对逆变器类型分布式电源，如果电网中任一点短路时，逆变器提供的短路电流流过任何设备时均不导致设备过载，可以按照单侧电源电网的要求设置线路保护。逆变器必须具备快速检测孤岛且检测到孤岛后立即断开与电网连接的能力。

3.2.2 母线保护

如无稳定要求，开关站母线可以不配置母线保护。

3.2.3 防孤岛保护

旋转电机(同步电机、感应电机)类型分布式电源，无需专门设置防孤岛保护。

3.2.4 解列装置

(1)在有分布式电源接入的开关站母线处，应按母线配置故障解列装置。故障解列装置测量元件通常以电网故障电气量(故障时的过电流、低电压、零序电压、零序电流等)作为判据，其动作定值要保证预定的解列范围有足够的灵敏度。同时，应能够躲过常见运行方式下的正常电气量和不平衡电气量。

(2)变电站或开关站设置的低周低压减载装置独立于故障解列装置，用于系统侧的频率和电压稳定控制。区别于故障解列，低周低压减载装置应经滑差闭锁。

(3)当系统电源由于电源侧故障断开后，将形成局部的孤立系统。该系统如果能够自平衡，故障解列装置未动作，则由调度机构决定是否解列。如该系统失稳，则故障解列动作，切除分布式电源联络线，开关站或变电站母线失压。此时可以满足备自投或自愈系统的无压条件。

3.2.5 备自投/自愈装置

当分布式电源接入钻石型配电网后，目前的备自投合闸逻辑中，将在无法有效确认母线失压的情况下合上分段断路器，可能导致非同期合闸，对分布式电源造成冲击，同时也降低了备自投合闸的成功率。

因此，为提高动作成功率，同时为防止发生非同期合闸，应采取必要的联切分布式电源线路的措施。

(1)应对钻石型配电网电源变电站的10 kV分段备自投，建议增加直接对母线电压测量获取的判据，保证设备的安全，提高动作成功率。对于其中与失压跳闸逻辑相关的电压定值与时间定值,应该特别注意与母线上的故障解列装置的配合，要考虑在失去系统电源支持后，无法自平衡的孤立电网应首先通过故障解列装置切除有关的分布式电源联络线。变电站备自投的合闸逻辑中，对母线无压的确认，除了有关断路器的分位以外，建议增加直接对母线电压测量获取的判据，保证设备的安全，提高动作成功率。

(2)在主干网开关站内，当存在分布式电源线路接入时，考虑故障后由于小电源支撑电压不满足自愈、分段备自投无压判断等情况，增加联切分布式电源功能。

在自愈装置的改进方面，由于在自愈功能中，联切的对象是故障点和开环点之间的开关站中定义为分布式电源的线路，因此当自愈功能退出时，自愈联切小电源功能也同时退出。

具体措施主要体现在当开关站的分段备自投跳主干网线路时，可以选择联切容量较大的开关站分布式电源，同时开关站也应对母线电压通过测量元件的方式进行再确认。当开关站母线保护功能投入，母线保护动作后，应该联切母线上的分布式电源线路。

钻石型配电网保护及安全自动装置配置见表2。

表2 钻石型配电网保护及安全自动装置配置

续表

4 分布式电源接入钻石型配电网的保护及安全自动装置动作行为分析

以开关站接入一个旋转电机小电源为例，讨论各个可能的故障点发生短路后，各类保护的动作次序，从而得出现有保护配置是否合理，是否需要增加保护配置，是否需要改进保护装置的功能。钻石型配电网可能的故障点如图6所示。

图6 钻石型配电网故障点示意图

4.1 变电站母线故障S1

(1)变电站保护动作分析：变电站变压器后备保护动作跳开关A1，接入开关站的分布式电源通过主干网线路向变电站母线故障处提供短路电流。由于主干网保护可能不满足动作条件(区外故障或故障电流小于整定值)，无法将分布式电源从系统中隔离。

(2)第1个开关站保护动作分析：变电站保护动作，通过自愈系统向E站自愈保护发跳开E1命令；如果能够实现供电自平衡，故障解列功能不动作，则由调度机构决定是否解列。如果系统失稳，则故障解列功能动作，切除分布式电源联络线，开关站母线失压，此时满足自愈系统的无压条件，合F2开关，使系统恢复供电；检测分布式电源同期并网装置，是否满足并网条件，确认并网。

(3)第2个开关站保护动作分析：如果E1拒动，通过自愈系统向F站自愈保护发跳开F1命令；如果能够实现供电自平衡，故障解列功能不动作，则由调度机构决定是否解列。如果系统失稳，则故障解列功能动作，切除分布式电源联络线，开关站母线失压，此时满足自愈系统的无压条件，合F2开关，使系统恢复供电；检测分布式电源同期并网装置，是否满足并网条件，确认并网。

4.2 主干网线路故障

(1)主干网线路故障S2。主干网线路发生故障S2，线路纵差保护动作跳开关A2，E1，如果可以实现区域供电自平衡，则无需更多动作；当系统失稳时，应考虑安排故障解列动作，切除分布式电源联络线，此时母线无压，开关站F的分布式配电保护自愈装置在已充电并且母线无压的情况下收到自愈启动令后合开关F2，恢复供电，检测分布式电源同期并网装置，是否满足并网条件，确认并网。

(2)主干网线路故障S5。主干网线路发生故障S5，线路纵差保护动作跳开E2，F1，如果可以实现区域供电自平衡，则无需更多动作；当系统失稳时，应考虑安排故障解列动作，切除分布式电源联络线，此时母线无压，开关站F的分布式配电保护自愈装置在已充电并且母线无压的情况下收到自愈启动令后合开关F2，恢复供电，检测分布式电源同期并网装置，是否满足并网条件，确认并网。

4.3 开关站母线故障

(1)第1个开关站母线故障S3。开关站母线发生故障S3，开关站E的分布式配电保护自愈装置母差保护动作跳开本母线上所有开关，并远跳E1，E2的对侧开关并闭锁备自投。F站如果可以实现区域供电自平衡，则无需更多动作；当系统失稳时，应考虑安排故障解列动作，切除分布式电源联络线，此时母线无压，开关站F的分布式配电保护自愈装置在已充电并且母线无压的情况下收到自愈启动令后合开关F2，恢复供电，检测分布式电源同期并网装置，是否满足并网条件，确认并网。

(2)第2个开关站母线故障S6。开关站母线发生故障S6，开关站F的分布式配电保护自愈装置母差保护动作跳开本母线上所有开关，并远跳F1及其对侧开关和闭锁备自投F3，无需自愈操作。电网及E站的分布式电源向系统供电。