双接入级联的分支网结构及其分布式故障自愈技术分析

郭少飞,李铁成,王献志,何 磊,刘清泉

(国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021)

0 引言

配电网作为联系用电侧的最后环节,是满足用户用电需求,提高供电可靠性的关键环节。随着城镇化的高速发展以及新型电力系统构建目标的提出,对配电网供电可靠率提升的要求愈来愈高,对配电网结构[12]及其自愈控制策略[3]的研究成为当前热点方向。

对于高可靠配电网结构的研究与应用方面,国外发达国家和地区在高可靠典型电网结构与规划运行方面取得了一系列成功的经验[4]。在配电网自愈控制研究方面,美国专家与学者在“复杂交互网络与系统计划”中首次提出自愈电网的概念[5-7],我国学者也在2005年开始注重并进行了电网自愈方面的探索和研究[8-11],但多侧重于自愈控制的含义与特征、自愈控制理论方法、控制策略方案以及自愈能力评估等内容[12-14]。

现阶段对于高可靠配电网结构以及自愈方法的研究已比较多,但均未考虑配电网规划与建设初期能够满足系统运行方式需求的过渡性方案。实际工程中应用的自愈装置以及系统也往往是等整个区域内所有开关站和配电室投运以后才能发挥作用,这极大限制了自愈系统在高可靠配电网中的重要作用,对于提升配电网供电可靠率带来了不利的影响。

本文针对上述问题首先提出一种双接入级联形式的分支网结构,该配电网结构方式能够按照规划或者负荷中心需求,扩建为双环网结构、或多级联接入结构,具有较强的可扩展性。并且针对该配电网结构提出了一种基于智能终端单元(Smart Terminal Unit,STU)的分布式故障自愈方案,RTDS仿真试验结果证明该种方法能够满足各种N-1故障情况下系统的自愈供电,保证用户用电的可靠性。

1 双接入级联配电网结构及其分布式自愈系统配置

1.1 双接入级联配电网结构

分支网是主干网的次级网络,以配电室为核心节点,是由开关站与配电室之间、配电室与配电室之间的联络线所组成的网架。本文所提出的单环网双接入级联的分支网拓扑如图1所示。其中,S1、S2为单环网两路开关站电源,A、B分别为两级配电室。第一级配电室(A配电室)的2路电源来自同一开关站的不同母线或者不同开关站;第二级配电室(B配电室)的两路电源来自上一级配电室的不同母线,两级配电室之间设置两回联络线路。配电室主接线均为单母分段,501与502分别为A、B两级配电室的分段联络断路器。101-102-103-104,以及201-202-203-204均为单环网的主供回路,图中每座配电室母线上的出线间隔仅为示意图,负荷线路1~2回,例如106、107间隔。

图1 双接入级联分支网结构示意

这种双级联接入式分支网配电网结构简单,在区域配电网规划初期,能够满足区域高可靠供电的需求。随着网络的逐步扩大,可以扩建为双环网结构,或多级联接入式结构。

1.2 分布式自愈系统配置

依据双接入级联配电网结构特点,提出一种单环网双接入级联配电网结构的分布式系统自愈方法。具体系统配置方案如图2所示,分支网中分布式STU按母线配置,每段母线配置1台,串供主回路上的STU之间采用光纤直连,基于GOOSE通信协议实现信息交互。在系统发生故障时,能够基于终端之间的对等通信功能,实现故障快速定位、故障快速隔离及非故障失电区域快速恢复供电。各配电室的母线、配电变压器和终端馈线保护均集成于STU内。主干线主供回路上配置独立的线路纵差保护,线路差动保护装置可输出差动保护动作信号(开出节点)与后备保护动作信号(开出节点);分支网STU可接入上述信号,用于辅助故障定位与故障隔离逻辑判别。

图2 双接入级联分支网自愈系统配置示意

2 双接入级联配电网结构分布式自愈控制实现

2.1 拓扑分析

在分布式自愈控制中,各分布式STU每台装置仅需配置安装处局部的基本拓扑信息,通过装置之间的对等通信,拼接生成故障定位和保护控制所需的整个拓扑信息,根据不同的网络状态实时改变运行方式与故障自愈策略。

对于拓扑信息的获取,可以分为静态拓扑信息与动态拓扑信息。静态拓扑信息包含本STU以及相邻STU安装处的基本拓扑信息,STU之间通过对等通信实时数据交互,进而拼接生成故障定位所需的整个网架拓扑结构。

动态拓朴信息是当由于故障或检修导致运行方式发生变化时,由电源侧STU开始向下逐级发送查询指令,直至搜索到开环点,开始转发,直至电源侧STU。以图2所示分支网双接入级联分布式自愈系统中,A配电室母线1的STU1为例,罗列出部分静态和动态拓朴信息,见表1。

表1 STU1网络拓扑信息

以图2所示分支网双接入级联分布式自愈系统为例,说明上述拓扑信息获取过程。A1母线STU为电源STU1,其向B1母线处STU2发送开关状态查询指令,STU收到查询指令后将STU1标记为自身上游STU,同时收到STU1处环进、环出、分段断路器状态,同时将继续向B2母线处STU3发送查询指令,同理STU3继续向电源侧A2母线上STU4发送指令。直至环网内所有STU均获取环内各断路器状态以及负荷潮流,从而使整个自愈系统获取了完整的拓扑信息。

2.2 故障定位

对于分支网双接入级联的自愈系统,其故障定位采用主动定位与被动定位2种方式。

被动定位,采用外部独立配置的线路保护装置动作信号,将线路保护动作信号作为外部开入量接入STU中,当收到此信号时认为故障定位在主干线路上。而主动定位是指STU内部具备各种独立地、针对环网内各主干线路、母线以及母线馈出线故障的定位元件,例如包括网络拓扑保护、线路差动保护、母线差动保护以及母线馈出线保护等。主动式故障定位与被动式故障定位互相融合,优先采用被动式定位。

2.3 故障隔离方案

故障隔离功能包含无压跳闸、线路故障隔离、母线故障隔离、馈出线故障隔离、失灵保护、远方跳闸、小电源联切等功能,在满足主供回路间隔无流、母线无压情况下,故障隔离功能才允许动作。

无压跳闸功能动作时,跳开开环点两侧中故障停电的一侧与开关站直接相连的断路器,进行故障隔离。开关站侧故障或断路器跳开时,无压跳闸功能应正确动作。

线路故障隔离,STU支持工作方式(主动式/被动式)通过控制字进行选择,能够满足特殊工程的需要。采用主动式跳闸的工作方式时,STU的线路故障隔离功能满足动作条件后直接跳闸,不受自愈功能退出的影响,与外部线路保护装置具有同样的功能。采用被动方式时,线路故障隔离功能在对应间隔无压无流条件下动作出口,并且支持通过时间整定与外部线路保护重合闸功能相配合。

失灵保护功能动作时,跳该段母线上所有间隔断路器并远跳对侧。间隔差动保护、间隔拓扑保护、间隔过流保护、间隔零序过流保护、母线差动保护、无压跳闸、故障定位跳闸、跟跳等元件动作时,均可以启动断路器失灵判别;失灵保护、远方跳闸等元件动作时,不启动断路器失灵判别。

小电源联切功能,主要考虑分布式电源接入后,在电网发生故障情况下,为避免小电源电压支撑作用对自愈合闸功能造成影响,在故障隔离完成后,需执行联切分布式电源过程。自愈联切小电源对象,是故障点和开环点之间的配电房内定义为小电源的线路,当小电源所在站所电源侧主供回路发生故障或断路器跳开时,小电源联切动作跳开小电源支路。

2.4 非故障区域供电恢复方案

对于各STU应配置有单环网自愈与分段备自投2种恢复供电的功能。故障隔离完成后,优先采用单环网自愈方式实现开环点断路器自愈合闸,其开环点固定取最末级配电室的分段断路器(图1中的502断路器)。在确认故障已经成功隔离,且满足无压无流条件后,STU发出合闸指令将开环点断路器合闸,恢复非故障区域供电,系统自愈成功。

当自愈合闸动作后或不具备自愈合闸条件时,处于失电状态的配电室由分段备自投功能恢复供电。此时两级配电室间的备自投功能无需信息交互,分段备自投动作时,跳环进、环出间隔,确认环进环出间隔跳开后,经短延时合分段断路器。

3 基于RTDS仿真平台的试验验证

为了验证本文构建的单环网双接入级联配电网结构的自愈系统的正确性和可靠性,在实时数字仿真系统RTDS试验环境下搭建模型,构建2座配电室、8台线路保护装置、4台STU进行闭环测试。RTDS产生的模拟信号经功率放大器后输入STU与保护装置,各开关量(例如断路器位置)经继电器后输入对应STU,模拟配电网系统运行。STU发出的控制信号输出至RTDS,控制相应断路器的分合,故障点设置如图3所示。

图3 双接入级联分支网自愈系统故障示意

各STU之间通过光纤进行对等通信,装置之间部分资源配置如表2所示。

表2 装置之间部分资源配置

在各种N-1故障情况下的动作恢复供电的情况,验证该自愈系统保证用户用电的可靠性。仿真试验结果如表3所示。根据测试结果可以看出,本文所提出的自愈方案完全能够满足各类N-1故障情况下,配电网系统恢复供电的正确性与可靠性,能够快速进行故障区段定位与故障隔离,STU动作逻辑完全正确。此外,该方案具有网路拓扑识别功能,各STU之间通过实时通信能够获取静态以及动态的网络拓扑信息,适应网络运行方式的变化。

表3 自愈系统仿真试验结果

4 结论

故障自愈控制是主动配电网的重要特征之一,其目的是为了实现故障区段定位、隔离,以及在人为干预最小的前提下尽快恢复失电负荷的供电,提高城市中心区域供电可靠率。本文设计了一种双接入级联形式的分支网配网结构,并且提出一种基于STU的分布式故障自愈方案。该方案采用主动式故障自愈恢复方案,包含单环网自愈以及分段备自投2种恢复供电的方式,优先采用单环网自愈方式,当不满足自愈条件时,进入分段备自投模式,此时,各级STU间不进行信息交互,跳开环内进线断路器间隔或环内出线断路器间隔后,闭合相应分段联络断路器恢复供电。本文设计的单环网双级联式结构及其自愈技术方案能够满足配网建设前期供电的可靠性要求,具有良好的扩展性和广泛的应用前景。