摘 要：電力系統(tǒng)造成用戶供電中斷等各類故障，90%發(fā)生在配電系統(tǒng)中。要提高配電網(wǎng)安全性、可靠性，合理的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和可靠的電力設(shè)備是基礎(chǔ)，提高配電網(wǎng)管理水平的重要舉措之一就是在10 kV配網(wǎng)中應(yīng)用自愈控制系統(tǒng)。為滿足松江新橋工業(yè)片區(qū)的供電需求以及實現(xiàn)世界一流城市配電網(wǎng)建設(shè)的目標，上海臨港松江高科技發(fā)展有限公司工程中的10 kV配電網(wǎng)采用了10 kV雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)并配置10 kV自愈控制系統(tǒng)，現(xiàn)對自愈控制系統(tǒng)在10 kV配電網(wǎng)中的應(yīng)用及相關(guān)設(shè)計要點進行了分析總結(jié)。

關(guān)鍵詞：自愈控制;潮流分析;差動保護;整定計算

0? ? 引言

10 kV配電網(wǎng)是電網(wǎng)的重要組成部分，也是保障電力“配得下、用得上”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因配電網(wǎng)直接面對終端用戶，其故障會導(dǎo)致生產(chǎn)的電能無法輸送給用戶，進而引起用戶供電中斷。國家能源局印發(fā)的《配電網(wǎng)建設(shè)改造行動計劃（2015—2020年）》[1]明確要求：“到2020年，中心城市（區(qū)）智能化建設(shè)和應(yīng)用水平大幅提高，供電可靠率達到99.99%，供電質(zhì)量達到國際先進水平。”自愈通常是指生命體排除外在或內(nèi)在對人體和其他生命體的侵害，修復(fù)已經(jīng)造成的損害，達成生命延續(xù)的過程。用于配電網(wǎng)則指在不需要外在干預(yù)的條件下，自動進行電能轉(zhuǎn)供、定位故障、隔離故障、恢復(fù)供電，且對電網(wǎng)的安全運行與供電質(zhì)量不產(chǎn)生影響，從而提高供電可靠性[2]。

為了滿足上海松江新橋工業(yè)片區(qū)的供電需求以及實現(xiàn)世界一流城市配電網(wǎng)建設(shè)的目標，消除松江新橋工業(yè)片區(qū)配電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)，同時也為了緩解35 kV徐塘站和110 kV廟三站供電倉位緊張的現(xiàn)狀，優(yōu)化配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，提升配電網(wǎng)的供電可靠性，松江高科項目新建了一組10 kV雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，并配置了10 kV自愈控制系統(tǒng)。

1? ? 10 kV雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及自愈系統(tǒng)配置

松江高科項目新建的這組10 kV雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，配置了10 kV自愈控制系統(tǒng)，共涉及5座10 kV開關(guān)站、1座35 kV變電站和1座110 kV變電站，即110 kV廟三站？圮10 kV新格開關(guān)站？圮10 kV云瀾開關(guān)站？圮10 kV之禾開關(guān)站？圮10 kV德脈開關(guān)站？圮10 kV啟迪開關(guān)站？圮35 kV徐塘站電纜網(wǎng)雙環(huán)網(wǎng)一組，自愈系統(tǒng)框架如圖1所示。

10 kV自愈系統(tǒng)采用縱聯(lián)電流差動保護原理實現(xiàn)故障定位，待其他保護裝置動作后對故障未隔離區(qū)域進行故障隔離，并采用系統(tǒng)自愈以及分段備自投實現(xiàn)非故障段失電負荷快速轉(zhuǎn)供。如圖1所示，系統(tǒng)按單環(huán)配置，即每個單環(huán)配置一臺自愈保護控制主機、兩臺線路終端和若干臺母線終端。各終端通過光纖通信網(wǎng)絡(luò)和智能自愈保護控制主機相連，自愈保護主機通過以太網(wǎng)口和上位機相連。各智能采集控制終端通過無源光網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部同步協(xié)議和主機時鐘同步，實現(xiàn)所有終端同步采樣，并通過可控?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)實時上傳SMV和GOOSE信息、接收主機GOOSE信息;各智能終端通過無源光網(wǎng)絡(luò)和后臺實現(xiàn)104通信，各智能終端同時實現(xiàn)就地保護功能[3]。

10 kV自愈系統(tǒng)能夠完成完整的配網(wǎng)保護控制功能，包括線路縱差保護、非故障段負荷轉(zhuǎn)供、就地母線差動保護、分段備自投、故障解列、低頻低壓減載等;能夠完成對進線、出線以及多條饋電線路的相電壓、線電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率等電氣量以及直流量的測量;能夠?qū)崿F(xiàn)對電壓、電流、功率等電氣量變化的監(jiān)視并實時進行告警;具備電氣信息量的采集及處理功能，能夠完成開關(guān)位置量、電網(wǎng)模擬量、用戶電能量等信息的采集、處理、上傳和分析;具備故障錄波、故障記錄功能，能夠?qū)崿F(xiàn)遙測超限、遙信變位、事故報警、遙控過程等信息收集記錄、統(tǒng)一管理并進行數(shù)據(jù)分析，自我學(xué)習(xí)判斷。

2? ? 潮流分析

10 kV雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)“自愈”，快速隔離故障，恢復(fù)供電，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的負荷轉(zhuǎn)移能力是關(guān)鍵。利用ETAP 12.6計算軟件，分別進行不同接線方式下的潮流分析，得到計算結(jié)果如表1、表2、表3所示。

方式1：當(dāng)雙環(huán)網(wǎng)中5座開關(guān)站母聯(lián)開關(guān)M1、M2、M3、M4、M5均處于打開狀態(tài)時，K13、K14母線出線開關(guān)斷開，即網(wǎng)架中負荷均由K1、K2母線出線開關(guān)供，雙環(huán)網(wǎng)內(nèi)的負荷只由1座變電站供，各線路所帶功率及電流值如表1所示。

方式2：當(dāng)雙環(huán)網(wǎng)中5座開關(guān)站母聯(lián)開關(guān)M1、M2、M3、M4、M5均處于打開狀態(tài)時，K1母線出線開關(guān)閉合，K2母線出線開關(guān)斷開，K13、K14母線出線開關(guān)斷開，即網(wǎng)架中負荷均由K1母線出線開關(guān)供，各線路所帶功率及電流值如表2所示。

方式3：當(dāng)雙環(huán)網(wǎng)中5座開關(guān)站母聯(lián)開關(guān)M1、M2、M3、M4、M5均處于打開狀態(tài)時，K1母線出線開關(guān)閉合，K2母線出線開關(guān)斷開，K13母線出線開關(guān)斷開，K14母線出線開關(guān)閉合，即網(wǎng)架中負荷均分別由兩座變電站母線出線開關(guān)供，各線路所帶功率及電流值如表3所示。

通過以上3種典型的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)潮流分析得出，雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中變電站至一級開關(guān)站的電流值最大，其中，方式2運行方式下，廟17新格開關(guān)站甲最大電流達1 232.0 A。本次雙環(huán)網(wǎng)接線結(jié)構(gòu)中，開關(guān)站斷路器額定電流均為1 250 A，電流互感器選用600/5 A。為提高雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的自愈能力，110 kV廟三站至10 kV新格開關(guān)站，35 kV徐塘站至10 kV啟迪開關(guān)站10 kV電纜建議采用雙拼3×400 mm2電纜，雙環(huán)網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的開關(guān)柜內(nèi)電流互感器建議更換為800/5 A。

通常情況下，YJV-10 kV-3×400 mm2電力電纜額定載流量約為690 A，因電纜敷設(shè)環(huán)境、電力保護管材熱阻系數(shù)的差異，同時需考慮土壤熱阻系數(shù)、同路徑電纜敷設(shè)根數(shù)等各種因素，電纜實際載流量需要取相應(yīng)校正系數(shù)來綜合計算[4]。

本項目新敷設(shè)電纜均穿已有排管備用孔位敷設(shè)（圖2），新敷設(shè)電纜地溫取30 ℃，土壤熱阻系數(shù)按1 m·K/W取值，埋深1 m，電纜間距250 mm，電纜群電纜結(jié)構(gòu)均一致且除計算電纜外的其余電纜負載電流不超過單根電纜載流能力的50%;多根電纜并行排列，相應(yīng)校正系數(shù)取0.7，計算出YJV-10 kV-3×400 mm2電纜在排管中的安全運行電流為403 A，最大負荷轉(zhuǎn)移能力為0.7 MVA。在額定值的運行條件下，儀表的指示在量程的80%～100%處，電流互感器最大變比調(diào)為800/5 A，一次側(cè)通過的最大值為800×0.8=640 A。

綜上分析，雙環(huán)網(wǎng)電纜網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中上級電源站采用雙拼電纜，流變調(diào)大后，單回線路最大負荷電流可達640 A。該雙環(huán)網(wǎng)最大負荷轉(zhuǎn)移能力為11.08 MVA，但是在運行方式2最差網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下，自愈系統(tǒng)需要實時監(jiān)控變電站出線電流值，并設(shè)定電流閾值及其對應(yīng)的自愈控制策略。

3? ? 保護配置

雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中5座開關(guān)站原配有單間隔的保護裝置和分段備自投裝置，主干線路增加線路光纖縱差保護裝置，均采用CSD-213A-G線路光纖縱差保護裝置。開關(guān)站內(nèi)分布式配電保護自愈裝置與開關(guān)站原有的保護裝置及線路縱差保護裝置配合關(guān)系如下：

（1）線路光纖縱差保護裝置的動作信號通過硬接點方式接入分布式配電保護自愈裝置。

（2）開關(guān)站原有的分段備自投裝置停運，由分布式配電保護自愈裝置實現(xiàn)就地分段備自投功能。

（3）分布式配電保護自愈裝置的跳合閘出口（跳、合環(huán)進環(huán)出主干線路開關(guān)和分段開關(guān)，以及跳小電源線路開關(guān)，其他負荷支線開關(guān)可以不接線）接入到原有保護裝置的操作回路中。

隨著自愈以及分段備自投實現(xiàn)非故障段失電負荷快速轉(zhuǎn)供，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的改變會導(dǎo)致網(wǎng)架電氣參數(shù)的改變。本節(jié)從不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下縱差保護整定的計算，從而得出自愈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中縱差保護整定的要求。

電流差動保護系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3所示，圖中一級開關(guān)站M出線倉，二級開關(guān)站N出線倉均裝設(shè)CSD-213A-G差動保護測控裝置，兩級開關(guān)站之間采用24芯專用通信光纜連接。

圖4為CSD-213A-G差動繼電器的三折線動作特性曲線，動作方程如下：

（1）當(dāng)Ir≤Icd×（5/3），Id>Icd時動作;

（2）當(dāng)（5/3）×Icd0.6×（Ir-Icd×5/3）時動作;

（3）當(dāng)Ir≥5×Icd，Id-[0.6×（5×Icd-Icd×5/3）+Icd]>0.8×（Ir-5×Icd）時動作。

其中，差動電流Id=|M+N|;制動電流Ir=;Icd為差動元件的起始動作電流，也稱“門檻電流”。

Ib1=5Icd/3為Ⅰ段制動電流，也被稱為“最小制動電流”。正常負荷時，制動電流不起作用，在Ir

Ib2=5Icd為保護區(qū)外故障引起CT飽和的最小制動電流，一般取為2.5～3倍額定電流，本項目取2.5倍額定電流。

Ib1～Ib2這段區(qū)域被稱為“輕微有偏區(qū)域”，即該區(qū)域有制動作用，但制動作用有限。在這段區(qū)域內(nèi)，差動保護動作與否取決于差動電流與制動電流之比，負荷電流外部故障的穿越電流產(chǎn)生的差動電流是隨著制動電流的增大而增大的，不能以簡單的差動電流作為保護動作的判斷依據(jù)，因此在該段區(qū)域內(nèi)，制動曲線存在斜率K1，K1值不宜過大，否則保護靈敏度將下降，不利于線路的短路保護。

在最大運行方式下，雙環(huán)網(wǎng)不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的短路電流計算如表4所示。

由表4可知，不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)接線方式下，10 kV側(cè)短路電流值差別較大，其中10 kV側(cè)最大方式下發(fā)生短路后最大短路電流為16.33 kA，最大差值為8.26 kA。

差動保護靈敏度系數(shù)計算[5]如下：

Ksen=（Ksen.xd/nTA）×（Ik3.min/KIr）

式中：Ksen.xd為相對靈敏系數(shù);nTA為電流互感器變比;Ik3.min為線路保護區(qū)內(nèi)最小三相短路電流;K為保護裝置的整定值;Ir為保護裝置的額定電流。

不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下因短路電流值不同，縱差保護裝置的動作電流整定值及相對靈敏系數(shù)也不同，線路由單側(cè)電源供電時，保護裝置的動作電流為線路由雙側(cè)電源供電時保護裝置動作電流的3倍[4]。

綜上分析可以推斷出，10 kV雙環(huán)網(wǎng)自愈控制系統(tǒng)包括的線路縱差保護、非故障段負荷轉(zhuǎn)供、就地母線差動保護、分段備自投、故障解列、低頻低壓減載等功能都需要根據(jù)不同的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)置對應(yīng)的保護策略及保護定值。

4? ? 結(jié)語

實現(xiàn)系統(tǒng)自愈控制的前提條件是一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)合理，設(shè)備可靠，具備一定的備用容量和足夠的負荷轉(zhuǎn)供能力。在10 kV配網(wǎng)中設(shè)計自愈系統(tǒng)，首先要對配電網(wǎng)網(wǎng)架進行潮流分析，找出關(guān)鍵點，設(shè)計合理的供電方案，設(shè)計時要全面考慮網(wǎng)架中斷路器、電流互感器、電纜、通信網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備的選型與配置。其次，因網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的變化，10 kV配網(wǎng)自愈系統(tǒng)中繼電保護應(yīng)設(shè)計不同的保護策略，同時應(yīng)具備自我學(xué)習(xí)功能。最后，10 kV配網(wǎng)不同于110 kV主網(wǎng)，其負荷變化及網(wǎng)架動態(tài)變化較大，因此10 kV配網(wǎng)自愈系統(tǒng)應(yīng)具備實時監(jiān)控網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化、監(jiān)測電纜載流量變化、監(jiān)視重要用戶電流數(shù)據(jù)等功能;還應(yīng)具備深度計算、深度學(xué)習(xí)功能，對應(yīng)不同的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，以保證其保護動作判定、故障隔離診斷、負荷轉(zhuǎn)供均能自動完成。

總之，10 kV自愈系統(tǒng)在工程方案及工程設(shè)計中需要考慮潮流計算與分析、電纜穩(wěn)定極限計算、設(shè)備動穩(wěn)定性分析、電流互感器的抗飽和計算、用戶負荷擾動分析、電壓穩(wěn)定分析、重構(gòu)電網(wǎng)和解列運行等，方能實現(xiàn)10 kV自愈控制的各種功能。

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收稿日期：2021-03-04

作者簡介：李洋（1989—），男，山東日照人，助理工程師，研究方向：35 kV及以下配網(wǎng)工程設(shè)計。