深圳前海蛇口自貿(mào)區(qū)供電有限公司 周世海 曾春華

深圳前海蛇口自貿(mào)片區(qū)于2015年4月27日掛牌成立，是中國(guó)（廣東）自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)的一部分，總占地面積約30km2。前海供電自貿(mào)區(qū)作為現(xiàn)代服務(wù)業(yè)體制機(jī)制創(chuàng)新區(qū)、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)發(fā)展集聚區(qū)、香港與內(nèi)地緊密合作的先導(dǎo)區(qū)和珠三角地區(qū)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的引領(lǐng)區(qū)，將打造成粵港現(xiàn)代服務(wù)業(yè)創(chuàng)新合作示范區(qū)，粵港澳深度合作示范區(qū)和城市新中心。前海供電自貿(mào)區(qū)供電公司為滿足片區(qū)用戶高可靠性的供電需求，努力打造國(guó)際先進(jìn)供電企業(yè)的品牌。提出建設(shè)成技術(shù)先進(jìn)、清潔高效、安全可靠、環(huán)境友好的現(xiàn)代城市智能配電網(wǎng)，圍繞這一目標(biāo)，前海供電自貿(mào)區(qū)設(shè)定了以下發(fā)展方向和要求：

一是在前海供電自貿(mào)區(qū)內(nèi)采用全電纜線路供電，降低環(huán)境條件對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響；二是前海供電自貿(mào)區(qū)采用220kV直變20kV電壓等級(jí)供電，取代傳統(tǒng)的10kV電壓等級(jí)，與10kV線路相比輸送容量更大、損耗更小，較大程度節(jié)約用地、減少電網(wǎng)總投資；三是20kV配電網(wǎng)異母合環(huán)運(yùn)行，線路上單一故障不影響用戶供電，較大的提高用戶供電可靠性；四是根據(jù)政府“碳達(dá)峰、碳中和”的總體規(guī)劃，前海供電自貿(mào)區(qū)電網(wǎng)將逐步接入屋頂光伏等可再生能源。

1 異母合環(huán)運(yùn)行方式概述

前海供電自貿(mào)區(qū)20kV配電網(wǎng)采用二線合環(huán)加聯(lián)絡(luò)的接線方式，如圖1所示。以前海220kV某變電站為例，該變電站總共建設(shè)4臺(tái)220kV主變，20kV側(cè)采用單母四分段接線方式，20kV側(cè)兩兩并列運(yùn)行（如K5、K6開關(guān)合）。并列運(yùn)行的20kV母線各出一條線路組網(wǎng)形成一個(gè)環(huán)，合環(huán)運(yùn)行。每段20kV母線有專用接地變壓器經(jīng)小電阻接地，為單相接地故障提供零序通路；當(dāng)20kV異母合環(huán)運(yùn)行時(shí)，同一20kV系統(tǒng)只投入一臺(tái)接地變。

圖1 前海片區(qū)20kV系統(tǒng)二線合環(huán)加聯(lián)絡(luò)

一般每組合環(huán)單元通過(guò)兩條聯(lián)絡(luò)線與另外兩組合環(huán)單元連接。但在有條件保障合環(huán)單元通過(guò)一條聯(lián)絡(luò)線完成跨合環(huán)接線單元轉(zhuǎn)供的情況下只配置一條聯(lián)絡(luò)線，對(duì)可靠性要求稍低的區(qū)域只配置一條聯(lián)絡(luò)線。

2 20kV配電網(wǎng)異母合環(huán)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)

20kV配電網(wǎng)異母合環(huán)運(yùn)行有利有弊，但總體來(lái)說(shuō)利大于弊。20kV配電網(wǎng)合環(huán)后當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生單一故障時(shí)，環(huán)網(wǎng)內(nèi)用戶供電不受影響。隨著前海區(qū)域配電網(wǎng)合環(huán)改造進(jìn)程的加快，20kV配電網(wǎng)異母合環(huán)運(yùn)行模式將逐步推廣，對(duì)提高該區(qū)域供電安全性、可靠性將起到很大的促進(jìn)作用，為智能化電網(wǎng)建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。同時(shí)，也存在以下幾個(gè)方面的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 環(huán)網(wǎng)潮流的雙向性

20kV配電網(wǎng)異母合環(huán)運(yùn)行后，母線無(wú)電壓差、相位差，但是環(huán)路內(nèi)的主變、線路阻抗不同，也會(huì)不同程度出現(xiàn)環(huán)流。環(huán)網(wǎng)的潮流走向與合環(huán)運(yùn)行兩段20kV母線的總負(fù)荷及合環(huán)線路本身負(fù)荷情況有關(guān)，隨著不同階段負(fù)荷的變化，環(huán)網(wǎng)的潮流方向可能存在不確定性，所以20kV配電網(wǎng)的潮流已經(jīng)不是單向流動(dòng)。同時(shí)，如果各出線會(huì)因?yàn)榫€路長(zhǎng)度、電纜型號(hào)、材質(zhì)、環(huán)境溫度等差異，使各線路的阻抗不同，將會(huì)面臨潮流分配不均的問(wèn)題，阻抗大的線路電流較小，阻抗小的線路電流較大，不利于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，電流大的線路發(fā)熱嚴(yán)重，發(fā)生故障的概率變高。

2.2 出線故障時(shí)，保護(hù)的選擇性不夠

傳統(tǒng)20kV及以下中壓配電網(wǎng)線路的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)配置速斷、過(guò)流等保護(hù)，對(duì)于輻射狀配電網(wǎng)保護(hù)性能是滿足要求的。前海供電自貿(mào)區(qū)國(guó)內(nèi)首創(chuàng)采用20kV配電網(wǎng)異母合環(huán)接線方式，與傳統(tǒng)輻射狀配電網(wǎng)相比存在潮流方向的不確定。假設(shè)還在按照傳統(tǒng)保護(hù)配置開展20kV異母合環(huán)運(yùn)行，將面臨保護(hù)選擇性不夠，有可能導(dǎo)致故障范圍擴(kuò)大，甚至向上一級(jí)電網(wǎng)蔓延的風(fēng)險(xiǎn)。如20kV線路速斷定值考慮拉手情況下，對(duì)線路末端故障有靈敏度，線路Ⅰ和線路Ⅱ上任意一點(diǎn)故障（如圖2所示），線路Ⅰ和線路Ⅱ保護(hù)均會(huì)動(dòng)作。主變兩級(jí)后備保護(hù)作為母線及出線故障的后備保護(hù)，時(shí)間與出線配合，任意20kV線路近區(qū)故障，變電站內(nèi)20kV開關(guān)或線路保護(hù)拒動(dòng)，后備保護(hù)無(wú)法區(qū)分故障點(diǎn)在哪一段母線，主變后備保護(hù)會(huì)同時(shí)啟動(dòng)，犧牲了選擇性。電流保護(hù)整定值的選擇、保護(hù)范圍及靈敏系數(shù)受電網(wǎng)運(yùn)行方式影響很大，很難滿足選擇性、靈敏性及快速切除故障的要求，所以需要尋求新的繼電保護(hù)方案滿足前海高供電可靠性需求。

圖2 20kV異母合環(huán)運(yùn)行

2.3 零序保護(hù)可靠性

前海供電自貿(mào)區(qū)20kV系統(tǒng)采用經(jīng)小電阻接地運(yùn)行方式，各出線均配置了零序保護(hù)，為保證零序保護(hù)的靈敏性，同一個(gè)20kV系統(tǒng)只投入一臺(tái)接地變（20kV異母合環(huán)運(yùn)行即為同一系統(tǒng)），若是高阻抗接地故障，零序電流較小，也會(huì)影響零序保護(hù)的靈敏性。當(dāng)接地變本身有故障跳閘或20kV母聯(lián)開關(guān)跳閘時(shí)，20kV系統(tǒng)將失去中性點(diǎn)接地，變?yōu)榉墙拥剡\(yùn)行系統(tǒng)，此時(shí)零序保護(hù)將失去作用。

2.4 故障導(dǎo)致設(shè)備過(guò)載

異母合環(huán)運(yùn)行，兩臺(tái)主變并列運(yùn)行，當(dāng)其中一臺(tái)主變故障跳閘后，將由其中一臺(tái)主變運(yùn)行供兩段20kV母線全部負(fù)荷。20kV出線通常是兩回線路共同承擔(dān)環(huán)路的負(fù)荷，在其中一回運(yùn)行線路發(fā)生故障時(shí)，由另一回線路運(yùn)行供環(huán)路全部負(fù)荷，有過(guò)載的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)異母合環(huán)的母聯(lián)開關(guān)因電網(wǎng)原因斷開，而線路二級(jí)環(huán)未可靠解環(huán)的情況，也可能會(huì)因環(huán)路潮流過(guò)大而過(guò)負(fù)荷。

2.5 系統(tǒng)綜合阻抗變小

20kV配電網(wǎng)異母合環(huán)運(yùn)行后，20kV系統(tǒng)的短路阻抗約為原來(lái)的二分之一，20kV系統(tǒng)故障的短路電流約變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍，使得過(guò)流保護(hù)的保護(hù)范圍變小，同時(shí)對(duì)設(shè)備的動(dòng)熱穩(wěn)定性提出更高的要求；短路電流超過(guò)斷路器遮斷容量，事故情況下可能斷不開。如20kV線路上級(jí)電源來(lái)自同一220kV系統(tǒng)，220kV線路距離Ⅱ段定值按保護(hù)線路末端故障有靈敏度，且躲過(guò)主變低壓側(cè)故障整定。20kV異母合環(huán)運(yùn)行后，主變綜合阻抗變小，距離Ⅱ段躲不過(guò)主變低壓側(cè)故障，有可能造成越級(jí)跳閘。

2.6 分布式電源接入的影響

當(dāng)前，節(jié)能減排、綠色能源、可持續(xù)發(fā)展已成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來(lái)，深圳市政府也大力提倡辦公大樓建設(shè)分布式光伏，以提高可再生資源的利用。前海供電自貿(mào)區(qū)20kV配電網(wǎng)作為技術(shù)先進(jìn)、清潔高效的新型配電網(wǎng)，分布式能源接入數(shù)量也會(huì)越來(lái)越多，對(duì)20kV配電網(wǎng)的潮流、電能質(zhì)量、繼電保護(hù)等方面也會(huì)有一定的影響。

3 20kV配電網(wǎng)異母合環(huán)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)控制措施

3.1 環(huán)路內(nèi)用戶規(guī)劃容量滿足N-1

20kV異母合環(huán)運(yùn)行的兩臺(tái)220kV主變并列運(yùn)行，為保證其中一臺(tái)220kV主變故障跳閘后，另一臺(tái)主變能夠帶全部負(fù)荷而不過(guò)載，那么并列運(yùn)行兩臺(tái)主變負(fù)荷只能按一臺(tái)主變的容量規(guī)劃，即正常運(yùn)行方式下主變負(fù)荷率不能超過(guò)50%。為保證在故障情況下一回線路能夠供環(huán)路內(nèi)的負(fù)荷，環(huán)路內(nèi)用戶規(guī)劃容量要求，每個(gè)環(huán)路的總負(fù)荷不應(yīng)超過(guò)單回線路的額定載流量，即正常運(yùn)行方式下線路負(fù)荷率不能超過(guò)50%[2]。前海供電自貿(mào)區(qū)在變電站的Ⅰ-Ⅱ分段開關(guān)、Ⅲ-Ⅳ分段開關(guān)各配置1套智能終端裝置，通過(guò)硬接點(diǎn)取變低后備保護(hù)出口跳20kV分段、接地變保護(hù)出口跳20kV分段和異母合環(huán)其他保護(hù)出口跳20kV分段信號(hào)，再經(jīng)GOOSE網(wǎng)，聯(lián)切配網(wǎng)合環(huán)節(jié)點(diǎn)，可以有效避免20kV母聯(lián)開關(guān)人為斷開等情況，出現(xiàn)因合環(huán)循環(huán)電流過(guò)大造成的過(guò)載運(yùn)行的情況。

3.2 20kV配電網(wǎng)異母合環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)保護(hù)配置

前海供電自貿(mào)區(qū)配電網(wǎng)異母合環(huán)運(yùn)行，配網(wǎng)潮流具有雙向性，僅僅配置過(guò)流、速斷、零序保護(hù)已無(wú)法滿足快速、準(zhǔn)確隔離故障的要求。電流光纖差動(dòng)保護(hù)具有原理簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、保護(hù)動(dòng)作迅速、故障范圍明確等優(yōu)點(diǎn)，在110kV及以上電網(wǎng)系統(tǒng)中標(biāo)配，對(duì)保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了很大的作用[3]。電流差動(dòng)保護(hù)基于基爾霍夫定律，檢測(cè)差動(dòng)回路內(nèi)的電流差，能夠非常準(zhǔn)確的區(qū)分區(qū)內(nèi)與區(qū)外故障，快速動(dòng)作跳開故障點(diǎn)各側(cè)開關(guān)，從而隔離故障，達(dá)到高靈敏性、高可靠性的要求。經(jīng)過(guò)研究分析，為了確保20kV配電網(wǎng)異母合環(huán)能安全可靠運(yùn)行，前海供電自貿(mào)區(qū)20kV系統(tǒng)主保護(hù)采用縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)作為主保護(hù)，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)選用光纖通道；速斷、過(guò)流保護(hù)作為后備保護(hù)。20kV線路發(fā)生任何故障，電流光纖差動(dòng)保護(hù)都能夠快速、準(zhǔn)確的跳開線路相鄰兩側(cè)開關(guān)，并且不影響用戶的供電。

為保證在站內(nèi)母線故障及單側(cè)開關(guān)拒動(dòng)情況下，避免合環(huán)線路充當(dāng)母聯(lián)，繼續(xù)向故障點(diǎn)提供短路電流，當(dāng)變電保護(hù)動(dòng)作（除母差保護(hù)外）跳開20kV分段開關(guān)時(shí)，需通過(guò)智能終端，動(dòng)作跳開合環(huán)線路合環(huán)點(diǎn)開關(guān)及其對(duì)側(cè)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)合環(huán)線路解環(huán)。

20kV母線單相接地故障時(shí)，接地變保護(hù)動(dòng)作斷開20kV母聯(lián)開關(guān)和20kV饋線聯(lián)絡(luò)開關(guān)，兩臺(tái)主變和各自饋線分列運(yùn)行，一段帶接地變運(yùn)行，一段無(wú)接地變保護(hù)運(yùn)行；接地變本身有故障跳閘，20kV系統(tǒng)也將失去中性點(diǎn)接地。為保證在這種情況下電網(wǎng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，前海供電自貿(mào)區(qū)20kV母線配置了零序過(guò)壓解列裝置，配置兩段零序過(guò)壓，一段跳分段并聯(lián)跳配網(wǎng)線路解列點(diǎn)，二段跳主變變低。在接地變不并列運(yùn)行的情況，能夠可靠切除接地變未投入母線段單相接地故障。

3.3 20kV異母合環(huán)運(yùn)行抗短路能力校驗(yàn)

以前海供電自貿(mào)區(qū)某220kV變電站為例，阻抗參數(shù)如圖3所示。

圖3 某220kV變電站等值阻抗圖

一是基準(zhǔn)容量?。篠j=100MVA，對(duì)應(yīng)20kV系統(tǒng)：Uj=21kV、Ij=2.75kA，220kV系統(tǒng)：Uj=231kV、Ij=0.25kA。

二是該變電站220kV母線短路電流45.38kA，可推算出系統(tǒng)短路阻抗X＊c約0.00551，。

四是該220kV變電站220kV 1#、2#主變并列運(yùn)行時(shí)，20kV出線三相短路：

短路總阻抗：

三相短路電流：

三相短路電流峰值：

綜上，該220kV變電站220kV 1#、2#主變并列運(yùn)行時(shí)，20kV線路三相短路電流最大不超過(guò)20kA，20kV出線開關(guān)能夠可靠分閘。若考慮20kV線路末端發(fā)生三相短路，加上線路阻抗后20kV線路三相短路電流會(huì)小于18.4kA。通過(guò)短路電流計(jì)算結(jié)果可以看出，異母合環(huán)運(yùn)行的兩臺(tái)并列運(yùn)行220kV主變應(yīng)盡量選用阻抗較高的變壓器，或通過(guò)加裝限流電抗器等措施將短路電流限制在20kA以內(nèi)，保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定。

3.4 20kV系統(tǒng)零序保護(hù)校驗(yàn)

某220kV變電站20kV系統(tǒng)經(jīng)小電阻接地，接地電阻值R=20Ω（暫無(wú)接地變零序阻抗數(shù)據(jù)）。同一個(gè)20kV系統(tǒng)只投入一臺(tái)接地變，20kV母線并列運(yùn)行時(shí)即為一個(gè)系統(tǒng)，20kV線路零序電流保護(hù)的定值整定為60A。單相接地故障零序電流：

通過(guò)計(jì)算可以看出，單相接地故障時(shí)零序保護(hù)有足夠的靈敏度。

3.5 分布式電源接入分析

分布式電源接入20kV配電網(wǎng)能夠接地消納，一定程度上降低線路的負(fù)載。已配置了能夠快速切除故障的光纖差動(dòng)保護(hù)，能夠有效應(yīng)對(duì)分布式電源接入引起的潮流方向不確定性，提供了技術(shù)保障。對(duì)于合環(huán)運(yùn)行的前海配電網(wǎng)，當(dāng)一段線路單一故障時(shí)，分布式電源仍可通過(guò)另一側(cè)并網(wǎng)，不中斷發(fā)電，保證了分布式電源運(yùn)行的穩(wěn)定性。綜上所述，采取配電網(wǎng)異母合環(huán)運(yùn)行，在已經(jīng)配置較完善的保護(hù)裝置的情況下，分布式能源的接入利大于弊。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，電力負(fù)荷增長(zhǎng)迅速，人們對(duì)供電的可靠性和電能質(zhì)量要求越來(lái)越高，更加注重用電體驗(yàn)感。然而國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)配電網(wǎng)系統(tǒng)，采用閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行接線，對(duì)于前海供電自貿(mào)區(qū)這種負(fù)荷密度大、供電可靠性要求高的區(qū)域，已無(wú)法滿足其用電需求。前海供電自貿(mào)區(qū)配電網(wǎng)是一個(gè)正在建設(shè)之中的全新配電網(wǎng)，針對(duì)其國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的20kV系統(tǒng)異母合環(huán)運(yùn)行，以及未來(lái)一段時(shí)間分布式能源的接入，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行將帶來(lái)的影響，都值得長(zhǎng)期進(jìn)行研究探討，以及研究其運(yùn)行的支撐技術(shù)，為20kV及以下配電網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)行提供理論指導(dǎo)。鑒于此，筆者基于前海供電自貿(mào)區(qū)20kV配電網(wǎng)系統(tǒng)異母合環(huán)運(yùn)行現(xiàn)狀，進(jìn)行了研究探討，希望能為我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展做出一些貢獻(xiàn)。