分布式小水電對配電網(wǎng)自動控制裝置的影響研究

鄒浩斌

（廣東省清遠(yuǎn)地區(qū)供電局，廣東 清遠(yuǎn) 511515）

清遠(yuǎn)地區(qū)的水電多達(dá)1500多座，分布在大小河流沿線，這些水電站就近接入地區(qū)的10kV及以上電網(wǎng)。由于清遠(yuǎn)大小河流眾多，分布廣泛，因此清遠(yuǎn)小水電具備分布式小水電的特點。分布式小水電接入配電系統(tǒng)之后，會改變配電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和潮流方向[1]，對配電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來較大的影響，不僅關(guān)系到中壓電網(wǎng)的電能質(zhì)量，也會對系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利的影響。因此，有必要分析配電網(wǎng)中接入分布式小水電后，電網(wǎng)受影響的程度，尤其是研究分布式小水電對自動重合閘裝置、備自投裝置的影響，并提出提高可靠性和安全性的技術(shù)措施。

1 分布式小水電接入方式的等效結(jié)構(gòu)

分布式小水電的特點是小容量、較分散。清遠(yuǎn)電網(wǎng)小水電眾多，小水電地理位置分布不同，其接入方式也呈現(xiàn)出多元化和復(fù)雜化。以清遠(yuǎn)市連南縣為例，多個變電站均有小水電接入，且接入方式各異，有些直接將小水電接到供電線路，通過10kV線路上網(wǎng)，造成用電和輸電共線的情況。為了方便建模計算分析，首先對復(fù)雜的小水電接入方式進(jìn)行歸納總結(jié)和簡化。

目前清遠(yuǎn)電網(wǎng)中的各種小水電接入方式可歸納為3種典型的接入等效結(jié)構(gòu)：一種是串接型供電結(jié)構(gòu)，在線路中直接串接小水電，這種方式可以允許在一條線路中串接上一定數(shù)量的小水電；第二種是并接型供電結(jié)構(gòu)，即小水電直接接入到10kV母線端；第三種接法較為復(fù)雜，是串接型的延伸，稱為樹型結(jié)構(gòu)。在等效結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出集中型和分散型的標(biāo)準(zhǔn)研究模型，集中型和分散型的區(qū)分主要是以水電的分布為基準(zhǔn)。

2 分布式小水電對自動重合閘的影響

2.1 定性分析

2.1.1 分布式小水電所在饋線的線路故障

如圖1所示，兩條饋線都采用前加速自動重合閘，分別裝設(shè)在保護(hù)裝置3和保護(hù)裝置4上。首先分析配電網(wǎng)無分布式小水電接入的情況，當(dāng)K1發(fā)生瞬時性故障時，保護(hù)裝置3的自動重合閘立刻跳開使故障點熄弧，待故障切除后重合閘自動重合。當(dāng)分布式小水電連接在母線B上且K1發(fā)生瞬時性故障時，保護(hù)裝置3的自動重合閘跳開后雖然切斷了系統(tǒng)側(cè)的電流，但分布式小水電會繼續(xù)向故障點提供電流，電弧不能立即熄滅，重合閘不能自動重合，導(dǎo)致延續(xù)停電。同樣當(dāng)分布式小水電接入點下游的K2發(fā)生瞬時性故障時，前加速重合閘立即跳開，但由于分布式小水電給故障點提供故障電流，從而重合閘也不能自動重合。

當(dāng)分布式小水電所在饋線發(fā)生瞬時性故障時，由于分布式小水電在前加速重合閘跳開后依然供出故障電流，導(dǎo)致重合閘重合失敗，從而變?yōu)橛谰眯怨收蟍2]。為了避免前加速重合閘重合失敗，有兩種解決方法：

1）當(dāng)瞬時性故障發(fā)生時，分布式小水電立刻切除，退出電網(wǎng)，這樣可以保證系統(tǒng)側(cè)重合閘的重合成功。但缺點是如果故障為永久性故障，分布式小水電對下游的負(fù)荷供電將會中斷。

2）在線路AB靠近母線B的兩側(cè)裝設(shè)保護(hù)裝置，當(dāng)K1發(fā)生故障時，線路AB兩側(cè)的保護(hù)裝置均動作，這樣能夠可靠切除故障，同時分布式小水電側(cè)會與下游負(fù)荷形成孤島。這種方法可以實現(xiàn)下游負(fù)荷的持續(xù)供電，但孤島運(yùn)行的問題隨之而來，需要通過調(diào)整電壓、頻率等來保證電能質(zhì)量，并要防止故障切除后與系統(tǒng)并列時的非同期問題。因此，需要饋線保護(hù)及自動裝置的配合調(diào)整和分布式小水電自身的控制來綜合實現(xiàn)。

2.1.2 相鄰饋線的線路故障

如圖2所示，若K1處發(fā)生瞬時性故障，保護(hù)裝置4將瞬時動作切除故障且重合閘自動重合。但當(dāng)分布式小水電向K1供出的故障電流過大時，可能會引起饋線上游保護(hù)裝置3自動重合閘的誤動作。若K1處發(fā)生永久性故障，保護(hù)裝置4的自動重合閘會重合失敗，這時饋線的保護(hù)裝置依次按整定的時限進(jìn)行動作，當(dāng)故障點K1在保護(hù)裝置4的電流速斷保護(hù)范圍外時，需要經(jīng)延時由限時電流速斷保護(hù)來切除故障，但由于分布式小水電在延時期間仍會向故障點提供故障電流，有可能會引起保護(hù)3的誤動作。因此，需要小水電上游各保護(hù)裝置加設(shè)方向元件來判斷分布式小水電的反供電流。

由上述兩種情況的分析可知，分布式小水電所在饋線發(fā)生瞬時性故障時，分布式小水電的存在會導(dǎo)致前加速重合閘重合失敗，形成永久性故障，擴(kuò)大停電范圍。而當(dāng)相鄰饋線發(fā)生故障時有可能會引起分布式小水電所在饋線上游保護(hù)裝置和重合閘的誤動作。

2.2 仿真分析

系統(tǒng)側(cè)電壓選取10kV配電網(wǎng)的額定電壓10.5kV，即

通過BPA計算出在清遠(yuǎn)某條10kV母線短路時的短路電流為8.18kA，因此系統(tǒng)最大運(yùn)行方式和最小運(yùn)行方式的系統(tǒng)阻抗值為：

可知，饋線AB上的最大負(fù)荷電流分別為255A。

仿真模型如圖3所示。設(shè)置在CD段線路10s時發(fā)生短路故障，持續(xù)時間為0.2s，在10.2s時斷路器BRK斷開，而小水電的出口端斷路器BRK1不動作，檢測此時流過CD段線路的電流大小[3]，并與BRK1和BRK在10.2s時動作的仿真結(jié)果做比較。

結(jié)果顯示，分布式小水電接入后，流入故障點的電流與正常工作電流大小相差不大，因此對故障點的熄弧效果產(chǎn)生很大影響，會造成熄弧失敗。很明顯分布式小水電向故障點提供的故障電流會非同期重合閘而導(dǎo)致重合失敗，擴(kuò)大停電范圍。

3 分布式小水電對備自投的影響

3.1 定性分析

隨著電網(wǎng)的不斷建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更趨合理，在110kV線路，甚至10kV線路中，都有可能出現(xiàn)合環(huán)建設(shè)、開環(huán)運(yùn)行的情況。這將使得電網(wǎng)的可靠性得到提高，在人為或者非人為的情況下實現(xiàn)線路轉(zhuǎn)供，減少停電時間。但由于現(xiàn)有設(shè)備不足以實現(xiàn)轉(zhuǎn)供的自動化，因此在很多地方都需要加裝備自投裝置，在需要對線路進(jìn)行轉(zhuǎn)供時可以實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)供。

由于各地區(qū)電網(wǎng)的實際特點不同，現(xiàn)有的備自投控制策略還存在很大的不足，這也成為關(guān)系電網(wǎng)安全的一種隱患。分析認(rèn)為，目前地區(qū)電網(wǎng)中的備自投策略主要存在以下不足：

1）現(xiàn)有備自投策略易受地方小水電干擾。目前備自投的故障掉電檢測信號一般是電壓和電流，檢測信號單一會導(dǎo)致備自投的誤動和拒動現(xiàn)象的發(fā)生[4]。某些變電站將失電的電壓整定值定得太低（如30%），當(dāng)主小水電側(cè)的斷路器跳開時，由于機(jī)組的強(qiáng)勵支撐作用電壓并不會跌落太多，從而導(dǎo)致備自投拒動現(xiàn)象的發(fā)生。另一方面，若把電壓整定值定得太高（如70%），則在小水電無功出力較小、無功負(fù)荷較重時會發(fā)生誤動。清遠(yuǎn)電網(wǎng)內(nèi)有大量的小水電機(jī)組存在，相當(dāng)一部分不通過地調(diào)和縣調(diào)而直接調(diào)度，因此小水電對備自投影響的問題在清遠(yuǎn)尤為突出。

2）現(xiàn)有備自投策略未考慮遠(yuǎn)方備用小水電側(cè)設(shè)備的安全性。目前備自投策略僅僅考慮了本地變電站母線電壓或進(jìn)線電流，而沒有考慮遠(yuǎn)方備用小水電側(cè)主變的容載比、線路的熱穩(wěn)定極限等[5]，易導(dǎo)致備用小水電側(cè)過負(fù)荷跳閘，導(dǎo)致故障的進(jìn)一步擴(kuò)大。而備用小水電側(cè)的容載比、備用線路的熱穩(wěn)定極限與當(dāng)前的運(yùn)行工況密切相關(guān)，因此客觀上需要在備自投控制策略中引入相應(yīng)的支路功率測量信號進(jìn)行相應(yīng)的計算和投切閉鎖。

3）現(xiàn)有備自投策略無法實現(xiàn)與安全控制裝置協(xié)調(diào)動作[6]。現(xiàn)有主網(wǎng)的安全控制裝置與地方電網(wǎng)有關(guān)的主要是低頻減載裝置。若低頻減載定的自動切除路線有主小水電線路，則當(dāng)該線路是由主網(wǎng)故障引發(fā)的低頻減載切除時，現(xiàn)有備自投策略無法分辨是該線路故障還是安控裝置的動作，因此會自動投到備用線路側(cè)，負(fù)荷并未實際切除，這會導(dǎo)致原有的主網(wǎng)安全控制措施落空，直接威脅到主網(wǎng)安全運(yùn)行。

3.2 仿真分析

含備自投裝置的仿真模型如圖6所示。通過建立新的線路，可以解決水電共線問題。DG接入點為圖中的A點，備自投加裝在DG的母線側(cè)，若需要轉(zhuǎn)供，則通過備自投將線路接到C點，而與A點斷開。

仿真中，設(shè)置在10.2s斷開斷路器BRK2，檢測此時發(fā)電機(jī)端的母線電壓。10.2s前后的電壓變化如圖7所示。

從圖7可以看出，斷開BRK2后發(fā)電機(jī)端母線的電壓從6.272kV降到5.686kV，降幅為9.3%，但仍然過高的電壓會影響到備自投的有效動作。

4 改進(jìn)措施

4.1 自動重合閘的改進(jìn)

當(dāng)分布式小水電接入后，任何一段線路發(fā)生瞬時性故障時，自動重合閘跳開后，分布式小水電仍然向故障點提供電流，故障點的電弧持續(xù)燃燒。如果這時保護(hù)裝置沒有及時檢測到故障并將DG從電網(wǎng)上斷開，將導(dǎo)致自動重合閘重合不成功，有可能導(dǎo)致永久性故障，擴(kuò)大停電范圍。因此，在含有分布式小水電的饋線中應(yīng)延長重合閘的重合時間，使保護(hù)裝置有足夠的時間檢測到故障并將DG從電網(wǎng)上斷開，達(dá)到滅弧的效果。

4.2 備自投裝置的改進(jìn)

從仿真結(jié)果可以看出，分布式小水電接入配電系統(tǒng)會影響到備自投裝置的成功動作，因此可以考慮在備自投動作前先將小水電短時間切除，待備自投成功動作后再將小水電接入。這種方法可以有效解決因小水電的存在而對備自投工作的影響，如果考慮到備自投裝置在現(xiàn)行配網(wǎng)中存在的所有問題，可以采用廣域備自投方法，充分考慮到地方小水電和安穩(wěn)信號對備自投裝置的影響[7]，并且能預(yù)判備自投動作后對地區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的影響。

5 結(jié)語

隨著分布式小水電并入到配電網(wǎng)中，改變了原有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可能成為多端小水電供電系統(tǒng)。故障發(fā)生時分布式小水電的存在對兩種自動控制裝置——自動重合閘和備自投裝置產(chǎn)生影響。對于自動重合閘，小水電的存在會對其是否能成功熄弧產(chǎn)生很大的影響，而備自投則可能因為小水電對母線的電壓支撐作用不能動作而失效。對這兩種情況進(jìn)行仿真研究，也可以得出可靠的結(jié)論。結(jié)合山區(qū)小水電的實際運(yùn)行情況，對這兩種裝置提出了適合有分布式小水電存在的改進(jìn)措施，以提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性和供電可靠性。

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