基于混合仿真模式的典型双环型配电网自愈策略及试验分析

褚雯雯 ，白东壮 ，焦 涛 ，王显力

（1. 国网河北省电力有限公司培训中心，河北 保定 071000; 2. 北京科东电力控制系统有限责任公司，北京 海淀 100080）

双环网供电是目前在城市配电网建设中一种较为先进的供电模式。其具有高供电可靠性、合理的投资运维成本，停电故障率低等特点。在综合考虑各种供电模式的影响因素后，该供电模式被国内城市配电网建设普遍接受并逐步推广。

双环网供电方式，当某一处电源线路故障或检修无法供电时，可以切入到另一条正常供电的线路，在其他线路供电负荷没有极大提升的情况下，恢复正常供电。其中，在配电网中融入故障自愈技术，可以自动快速的恢复供电，整个过程不需要人工干预，全部由智能系统自动完成，从而进一步提升了供电可靠性[1]。

1 典型双环型配电网

1.1 网架结构

简化的典型双环网结构如图1所示，主要方便进行混合仿真搭建与测试。其中变电站S1有一条出线，手拉手连接A开关站、B开关站，并与S4变电站连接。A、B开关站分别有两段母线，配置分段开关。正常运行时，可以存在不同点的开环状态，A、B开关站的分段开关处于断开状态[2]。

图1 双环型配电网拓扑示意

1.2 混合仿真搭建

对于双环网自愈逻辑的测试，选择混合仿真的模式搭建。二次保护及自愈设备采用与现场一致的真实的站内装置，一次设备及潮流模拟加载选择用仿真部分实现，既保持与现场的一致性，又尽可能的减少场地和投资占比，从而搭建起一套可以用于双环网调试、测试、培训的应用平台。

1.2.1 保护配置

环内主干线路选用差动保护装置，即101与102之间、103与104之间、105与401之间配置光差保护；分支线路选用过流保护，即A开关站106、108间隔，B开关站107、109间隔，配置过流保护；开关站母线配置母线保护，当开关站发生母线故障时，跳开本段母线上所有间隔；同时开关站内配置备自投装置，隔离和恢复非故障段负荷供电。每座开关站内配置一套分布式配电保护自愈装置，用于双环结构内自愈执行。

1.2.2 仿真配置

其中，一次设备按照间隔配置相应的模拟断路器设备。模拟系统运行的二次电流电压值采用放大器提供，按照上述典型结构搭建电网模型，通过配电网的电磁暂态计算输出计算值，通过放大器装置加载至各二次设备，从而模拟实现整个双环网结构的闭环运行状态。

同时考虑建设成本及实际的测试需求，本环境搭建完成上述S1站-A开关站-B开关站-S4站此一环的模拟及配置建设。图1中红色虚线框区域为本次混合仿真模拟建设部分。

1.2.3 系统架构

按照数字仿真 + 真实设备的仿真模式，构建双环网的运行测试平台，如图2所示。

图2 混合仿真系统架构

2 自愈策略与分析

2.1 自愈逻辑

以本次混合仿真模拟部分为例进行描述。

首先沿S1至S4方向环进环出主干线路开关依次定义该开关站的间隔1和间隔2开关，分段开关为间隔3开关。对于A开关站，102开关为间隔1开关，103开关为间隔2开关，501开关为间隔3开关。对于B开关站，104开关为间隔1开关，105开关为间隔2开关，502开关为间隔3开关。本房母线分别指的是对应A、B开关站的I母。本房这里指对应的配电房或开关站。

自愈逻辑跟运行方式有关，须满足自愈装置的充电逻辑，装置才会动作。

2.1.1 105开环

图3中F1-F9为可模拟的故障点位。105开关处于分闸位置。

图3 105开环运行状态及故障点

对于自愈装置，其充电逻辑需满足：本房母线三相有压，这里指B开关站I母有压，同时有压无压判断是指的线电压，以下相同。本房间隔1开关在合位，即104开关合位。本房间隔2开关在分位，即105开关分位。下游相邻房母线三相有压，这里指S4站母线有压，本实验模拟S4站正常带电，即其母线有压；通过上述分析，充电逻辑满足。

本房、下游相邻房母线均不满足有压条件，试验前，检查本房及下游母线是否有压。本房母线保护动作，在正常运行时，装置母线保护不动作，不满足放电条件。本房失灵保护动作，同样正常运行时，装置失灵保护不动作，不满足放电条件。本房间隔2保护动作，同理正常运行，保护不动作，不满足放电条件。本房间隔2开关合位经200 ms，当前105开环，非合位状态，不满足放电条件。发自愈合闸命令后经200 ms，同上，不满足放电条件。下游相邻房间隔1分位，试验前检查401开关是否处于合位。下游相邻房母线保护动作，同上。下游相邻房失灵保护动作，同上。下游相邻房间隔1保护动作，同上。串供回路上间隔1、间隔2开关任一个TWJ异常，在试验前，保证TWJ正常。串供回路上间隔1、间隔2开关人一个TA断线，试验前，保证TA回路正常。串供回路上间隔1、间隔2开关任一开关检修，试验前，开关在正常应用状态。串供回路上除开环点为的间隔1、间隔2开关任一个开关手跳，试验前，不做相关手跳操作。串供回路上任一个配电房接收GOOSE异常，试验前，检查各自愈装置，无GOOSE接收异常。首端变电站发闭锁自愈信号，或尾端变电站发闭锁自愈信号，试验前，检查是否有闭锁自愈开入。串供回路上任一配电房或变电站侧的母线TV三相断线告警，试验前，检查TV回路，保证各母线电压有值。拓扑保护跳闸时，串供回路上间隔1、间隔2后备保护动作开入，试验前，无动作开入。串供回路上任一配电房的自愈整定控制字、或功能硬压板、或功能软压板任一个退出，试验前，检查压板状态，保证自愈功能投入。

105开环状态下充放电逻辑框图如图4所示。

图4 105开环状态下充放电逻辑框图

通过上述检查，首先满足充电逻辑，同时还必须排除放电逻辑，在经过装置的整定时间后，自愈充电灯点亮。

动作逻辑分析：分析B开关站自愈装置的动作逻辑，当上游失电时，收到上游自愈启动信号，本房母线三相无压，本房间隔1无流，下游相邻房母线最大线电压有压，自愈起动，经自愈合闸时间后合间隔2，即合105开关，如图5所示。

图5 105开环状态下跳闸逻辑框图

当下游失电时，收到下游自愈启动信号，下游相邻房母线三相无压，本房母线最大线电压有压，自愈起动，经自愈合闸时间后合间隔2，即合105开关。因B开关站在本次的仿真建设中，不存在下游的自愈装置，故无法收到下游的自愈启动信号，且本身105开关在开环状态，故下游失电，对本自愈装置无影响。

2.1.2 104开环

与图3中105开环类似，当前运行状态为105开关处于合闸位置，104开关处于分闸位置。

其充放电条件基本相同，不同点在这里列出。充电逻辑需满足：本房间隔1开关在分位，即104开关分位。本房间隔2开关在合位，即105开关在合位。其余主干线开关都为合位。当前运行状态满足充电逻辑。对于放电逻辑：本房间隔1开关合位经200 ms，试验前，确认104开关状态，保证开关在分位。上游相邻房间隔2分位，试验前，确认103开关在合位；其他放电条件基本相同或类似。

动作逻辑分析：同样，以B开关站自愈装置为例，当上游失电时，自愈充电完成后，收到上游自愈启动信号，上游相邻房母线三相无压，本房母线最大线电压有压，自愈起动，经自愈合闸时间后合间隔1，即合104开关。下游失电情况，与105开环状态下类似。

本次以105开环为主要测试运行方式，此处104开环不做详细介绍。

2.2 无压跳闸逻辑

因本混合仿真建设的双环网中间仅有2座开关站，开关站两侧都连有变电站，因此在主干路径上变电站对侧开关投入此功能，其他开关不投入此功能。在本结构中，102开关及105开关投入无压跳闸功能。在自愈充电时，开关之前为合位，有压状态，转变为无流、母线无压，经无压跳闸时间，本开关跳闸。

对于A开关站，母线最大线电压低于无压定值，间隔1最大相电流小于无流定值，且间隔1对侧母线不满足有压同时满足后经无压跳闸时间动作。

对于B开关站，母线最大线电压低于无压定值，间隔2最大线电流小于无流定值，且间隔2对侧母线不满足有压同时满足后经无压跳闸时间动作。

3 故障实验

以105开环运行状态模拟故障实验，其中故障点如图3所示。

各仿真间隔TA变比统一为600 A/1 A，TV变比为10 kV/100 V。电缆线路正序阻抗为0.15 Ω/km，正序感抗0.57 Ω/km，正序容抗忽略。自愈功能压板及控制字投入。整定无压跳闸时间5 s，自愈合闸时间0.1 s。

3.1 F1故障，模拟S1站失电

通过仿真系统，模拟S1站失电。

动作情况分析：A开关站在失电后，本开关站母线最大线电压低于无压定值，间隔1最大相电流小于无流定值，在经过无压跳闸时间（5 s）后，自愈装置动作出口跳102开关。同时向下游发环进间隔分位，首端无压跳开等信息，如图6所示。B开关站，在接收到A开关站自愈装置的启动信号，按照其自愈逻辑，判定本开关站母线三相无压，104间隔无流，自愈启动，经自愈合闸时间（0.1 s）后合105开关，恢复正常供电，如图7所示。

图6 S1失电后 A开关站过程录波

图7 S1失电后 B开关站过程录波

以上图中的时间标尺为各自装置的相对动作时间。从打印的动作报告绝对时间发现，S1站失电时间是15:56:34.408，A开关站自愈装置启动的绝对动作时间为15:56:34.446，102开关变位时间是15:56:39.463，B开关站自愈装置的合闸动作时间为15:56:39.595。根据前述逻辑分析，当S1站失电后，A开关站自愈无压跳闸，经过5 s后，跳开102开关，同时A开关站自愈装置向B开关站自愈装置发送相关信息。B开关站在接收到动作信号后，0.1 s自愈装置动作，合105开关。

3.2 模拟主干线故障跳闸

通过仿真系统模拟F2点故障，设置AB开关站之间线路相间短路，故障持续时间2 s。

动作情况分析：F2点故障，故障两侧的差动保护装置动作，分别跳开对应的开关，即差动跳开103和104开关。同时B开关站满足了其自愈动作条件，B开关站自愈装置将合闸105开关，如图8所示。A开关站自愈装置未满足其动作条件，装置未动作。B开关站自愈装置，因满足了其自愈合闸动作条件，故动作合闸105开关，如图9所示。其动作行为与前述基本相同。

图8 主干线故障 线路差动动作录波

图9 主干线故障 B开关站自愈装置过程录波

通过上述3个故障的模拟实现，可以发现在双环网架构中，配置的分布式配电保护自愈装置，通过不同开关站之间的通信联系，实现区域范围内的故障隔离与自愈供电，自愈合闸时间根据整定的时间，可以在100 ms左右执行合闸动作，从而实现非故障区段的快速恢复供电，提高整个供配电网的可靠性。

4 结论

本文介绍了利用混合仿真模式建设的典型双环型配电网自愈逻辑测试平台及开展的故障测试，通过失电、开关偷跳、线路故障等试验，验证了配置在开关站内的自愈装置动作的正确性。自愈装置在单一故障引起的失电等情况下，可以快速的恢复供电，且动作时间较备自投设备要快很多。下阶段，将利用该测试平台，开展复合型故障的测试，同时叠加开关拒动等情况，还可以测试不同开环点下的不同自愈逻辑，以测试自愈装置在复杂故障情况下的动作逻辑及动作行为，为配电网自愈逻辑的策略判定及自愈装置的应用推广提供试验参考[3-4]。