基于保護配置現(xiàn)狀的智能配電網(wǎng)大功率缺額孤島自愈方案

鮑有理，張 敏，徐培棟

(1.國網(wǎng)無錫供電公司，江蘇無錫214061；2.國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司無錫分部，江蘇無錫214200)

基于保護配置現(xiàn)狀的智能配電網(wǎng)大功率缺額孤島自愈方案

鮑有理1，張 敏1，徐培棟2

(1.國網(wǎng)無錫供電公司，江蘇無錫214061；2.國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司無錫分部，江蘇無錫214200)

分布式電源（DG）大量接入低壓配電網(wǎng)，在故障擾動時，系統(tǒng)容易進入低供電質(zhì)量的孤島失穩(wěn)運行狀態(tài)。當孤島電源容量遠小于負荷需求時（存在大功率缺額），通過改進保護配合方案實現(xiàn)孤島自動恢復正常運行狀態(tài)是關鍵?；诘蛪号潆娋W(wǎng)低頻減載裝置與備自投裝置的配置現(xiàn)狀，區(qū)別于傳統(tǒng)整定方案，提出了一種零增加電網(wǎng)投資的智能配電網(wǎng)孤島自愈方案。方案以優(yōu)先保證機組安全為目標，通過改進定值整定方案，實現(xiàn)機組安全最優(yōu)的目標，保證了供電負荷零損失自動并網(wǎng)運行，通過實際電網(wǎng)故障案例仿真分析表明，提出方案提高了供電可靠性、避免了分布式電源機組失穩(wěn)運行，具有較大的工程應用價值，已在江蘇某地區(qū)電網(wǎng)實際投入運行。

DG；孤島自愈；低頻減載裝置；備自投裝置

本文從國內(nèi)電網(wǎng)現(xiàn)有保護配置情況出發(fā)，在故障擾動情況下，針對孤島電源容量無法滿足供電負荷需求、且存在較大功率缺額的問題，通過改進低頻減載裝置與備自投裝置的整定定值，避免DG供電負荷進入孤島失穩(wěn)運行方式，消除了低頻減載裝置誤動切負荷的可能性，同時配合備自投裝置裝置保障失電負荷自動恢復供電，且實現(xiàn)了智能配電網(wǎng)故障擾動下的自愈功能。

1 含DG配電網(wǎng)保護配置現(xiàn)狀

低壓配電網(wǎng)以110 kV變電站與35 kV變電站為主，隨著電網(wǎng)技術的發(fā)展，35 kV變電站逐漸被110 kV變電站取代。包含電源側220 kV變電站和110 kV變電站的電網(wǎng)接線圖，如圖1所示。

圖 1配電網(wǎng)接線圖

110 kV中低壓配電網(wǎng)由上級220 kV變電站的110 kV母線供電，圖1中所有元器件均配置保護，具體配置情況如表1所示。

主變保護、線路保護當出現(xiàn)輸電元器件區(qū)內(nèi)故障時，均能可靠動作，區(qū)外故障時，作為遠后備保護使用。低頻低壓裝置作為頻率緊急控制的最后一道防線[14]，通過對母線電壓與頻率的檢測，基于提前整定的跳閘方案，以切負荷的方式來達到穩(wěn)定系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。目前，電網(wǎng)公司均在重要負載母線配置低頻低壓裝置，圖1中110 kV變電站10 kV母線配置一套低頻減載裝置。

表1 保護配置情況表

備自投裝置，全稱備用電源自動投切裝置，當負荷主供電源丟失的情況下，備自投裝置通過自動投入備用電源的方式，實現(xiàn)損失負荷的不間斷供電。備自投裝置一般配置于變電站的低壓分段開關或110 kV變電站的進線分段處，圖1中110 kV變電站10 kV分段開關120開關處配置備自投裝置。

2 孤島形成原因

正常運行情況下，由主供電系統(tǒng)及DG共同向周圍的負荷供電，而在主配電系統(tǒng)故障或檢修的情況下，在與之相關的開關設備斷開后，由DG獨立向負荷供電。主配電系統(tǒng)斷開后，DG與當?shù)刎摵梢黄鸾M成一個小的孤立電網(wǎng)，稱為孤島。以圖1電網(wǎng)系統(tǒng)為例分析孤島形成過程，7E2，7E3為110 kV變電站的2路主供電源，變電站常態(tài)運行方式為110，120分段開關分位，10 kV I母與10 kV II母獨立供電。當220 kV變電站主變或110 kV出線故障，均要跳開701開關或7E1開關，此時DG掛載的10 kV I母失電，形成由DG向原有負荷供電的孤立電網(wǎng)，如圖2所示。

在孤島運行方式下，要求孤島內(nèi)電源與負荷的容量必須是平衡的，如果功率（有功及無功）不平衡，孤島內(nèi)的電壓和頻率將無法維持穩(wěn)定，所以也就無法持續(xù)運行。為了讓系統(tǒng)恢復到穩(wěn)定運行的狀態(tài)，電網(wǎng)公司配置低頻低壓裝置，切除無法平衡負荷，使得DG供電孤島恢復穩(wěn)定供電，充分發(fā)揮在電網(wǎng)失電后DG出力的最大效用。然而DG出力通常都遠遠小于主電網(wǎng)供電負荷，這種方式只是將負荷損失稍微減小，對于實際電網(wǎng)快速恢復供電意義不大，因此有必要研究一種能夠實現(xiàn)所有損失負荷快速自動并網(wǎng)，且不增加電網(wǎng)投資的保護配置整定方案。

電感式編碼器是利用電磁感應原理測量位移（線位移和角位移）的測量元件，把被測的物理量轉換成線圈感應系數(shù)的變化，再由電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉換。

3 解決方案

圖2 DG供電孤島電網(wǎng)

電網(wǎng)公司通過配置備自投裝置提高供電可靠性。以圖3為例，備自投裝置功能一般與10 kV分段120開關保護集成在一個裝置中，接入10 kV I，II母電壓，進線開關102，202的電流采樣以及102，202，120 3個開關位置，當I母進線開關無壓無流、II母進線開關有壓有流，此時備自投裝置動作跳開102開關、合上120開關，實現(xiàn)I母損失負荷快速并入II母主網(wǎng)運行。

圖3 低頻減載與備自投裝置配置圖

備自投裝置定值一般設置為無壓啟動值30%Un，有壓判別值30%Un，經(jīng)7 s跳開102斷路器，再經(jīng)0.5 s合上120斷路器。電網(wǎng)公司在10 kV低壓供電母線均配置有低頻減載裝置，一般整定定值：低壓定值為啟動90%Un，切負荷動作85%Un，3 s，電壓變化率閉鎖為每秒80%；切負荷頻率定值為48.5 Hz，0.5 s，頻率滑差閉鎖定值dz/dt為每秒3 Hz；低頻解列定值為48.5 Hz，0.5 s，低壓解列定值為“65%Un，0.3 s”。

3.1 2種情況

（1）當10 kV I母未接入DG時，I母失電，I母電壓迅速跌落至0 V，此時120分段備自投裝置必然啟動，跳開102開關，合上120開關。低頻減載裝置被電壓變化率閉鎖模塊和頻率滑差閉鎖模塊閉鎖，不會啟動切除負荷，這種方式?jīng)]有負荷損失。

（2）當10 kV I母接入DG時，I母失電，此時依靠DG持續(xù)向I母供電，由于DG出力無法平衡原有供電負荷，I母頻率會快速跌落到45 Hz以下，這并不會觸發(fā)低頻減載裝置（頻率滑差閉鎖模塊閉鎖裝置），與此同時I母母線電壓由于功率缺額會逐步下降，直到降低到85%Un以下、持續(xù)3 s，低頻減載裝置動作切除負荷，由于電壓緩慢變化，低頻減載裝置并未被電壓變化率閉鎖模塊閉鎖。

一輪負荷切除后，DG出力依然無法平衡負荷，電壓進一步下滑至65%以下，DG解列、I母母線徹底失電，經(jīng)過7 s，備自投裝置動作跳開102開關、合上120開關，I母剩余負荷成功并網(wǎng)。

情況（2）的保護配置與整定方案廣泛應用于電網(wǎng)公司實際運營，主要考慮故障時優(yōu)先保障供電負荷的快速恢復供電，如果將其直接應用到存在大功率缺額的孤島電網(wǎng)，當DG接入母線遇到主供電源丟失時，低頻減載裝置與備自投裝置先后動作，結果依然會有大量負荷丟失、且孤島供電質(zhì)量極低（由于低頻減載裝置在備自投動作前已切除一部分負荷，即使后面?zhèn)渥酝堆b置將剩余負荷成功并網(wǎng)依然會有負荷損失，且該切除負荷為永久性切除，后期只有在故障排除后，通過手動方式投入；DG對10 kV I母的孤島電網(wǎng)供電過程中，系統(tǒng)始終處于失穩(wěn)狀態(tài)，供電電壓與頻率長時間無法滿足電能質(zhì)量的要求，這對DG發(fā)電機組及供電負荷均有極大的傷害）。因此解決上述問題必須提出全新解決方案。

3.2 方案

自愈功能是智能配電網(wǎng)的基本要求之一，在故障擾動情況下，如何保證所有切除負荷在第一時間全部自動并網(wǎng)運行，是自愈功能的終極研究目標。對于電網(wǎng)公司來說，最佳解決方案是在不增加電網(wǎng)投資的基礎上，僅僅通過現(xiàn)有保護定值配合來解決自愈問題。因此本文提出優(yōu)先保障機組安全的概念，對于低周減載裝置監(jiān)測母線掛載DG情況，母線失去主供電源時，低頻減載裝置首先切除DG，保證DG發(fā)電機組安全的同時，讓備自投裝置的無壓判據(jù)啟動，將所有切除負荷自動并網(wǎng)運行。電網(wǎng)公司實際運營中，低頻減載裝置低頻解列定值均設置為48.5 Hz，0.5 s，低壓解列定值均設置為65%Un，0.3 s，實際孤島運行時，母線電壓跌落至80%～85%Un時，低頻減載裝置就開始第一輪切負荷，因此將低壓減列定值設置為85%Un，0.3 s，可保證孤島失穩(wěn)時，低頻減載裝置先切DG發(fā)電機組，這樣母線電壓消失，低頻減載裝置被電壓變化率閉鎖模塊閉鎖不會進一步切負荷。備自投裝置監(jiān)測到了無壓，對失電母線自動并網(wǎng)運行，保證了所有掛著負荷自動恢復供電，實現(xiàn)了損失負荷自愈，DG機組由于及時切除運行，機組安全得到保證，后期可快速擇機并入主電網(wǎng)。

4 仿真分析

以江蘇電網(wǎng)實際故障案例仿真分析，電網(wǎng)接線如圖1所示，110 kV變電站10 kV I母掛載6條出線，合計20 MW負荷，I母接有DG（小電廠正常出力1.5 MW，故障出力3 MW），10 kV I母及II母配置1臺低頻減載裝置，出于系統(tǒng)頻率緊急控制最后一道防線的考慮，整定系統(tǒng)失穩(wěn)切負荷方案，具體每條線路負荷分配及失穩(wěn)切除方案如表2所示。

表2 線路負荷分配及失穩(wěn)切除方案

110 kV變電站10 kV分段120開關處配置備自投裝置，低頻減載裝置及備自投裝置的整定值如表3所示。

表3 低頻減載裝置及備自投裝置整定值

故障情況：220 kV變電站主變故障，切除主變，跳開701開關，造成110 kV變電站10 kV I母失電。故障前10 kV I母負荷20 MW左右，掛載小電廠出力1.5 MW，10 kV I母失電后，由小電廠單獨給20 MW負荷供電，小電廠出力快速增加到最大出力3 MW，功率缺額17 MW，10 kV I母失穩(wěn)，頻率快速降低到45 Hz以下，由于頻率滑差閉鎖，低頻減載裝置并未動作。

小電廠供電下，I母電壓逐步下降，當在80%～85%Un范圍內(nèi)持續(xù)時間3 s時，低頻減載裝置動作切除線路2、線路3、線路5。此時，功率缺額依然保持在5 MW，電壓進一步下滑到65%Un以下0.3 s，低頻減載裝置再次動作解列小電廠，I母徹底失壓，經(jīng)過7 s，備自投裝置動作，跳開102開關、合上120開關，線路1、線路4、線路6恢復供電。為了更好地說明故障過程，保護動作時序圖如圖4所示。

圖4 保護動作時序圖

由故障過程可知，采用電網(wǎng)公司實際應用中的保護整定方案，會造成12 MW功率的損失，損失比例達到了60%，這明顯不符合智能配電網(wǎng)自愈功能的要求，且事后對發(fā)電機組檢查發(fā)現(xiàn)失穩(wěn)運行對機組造成一定的損害，萬幸母線未接入敏感性負荷，否則會造成巨大經(jīng)濟損失。

采用本文提出方法對整定定值進行改進，失去穩(wěn)定時，優(yōu)先考慮切除小電廠，調(diào)整后低頻減載裝置的整定值如表4所示。

表4 調(diào)整后低頻減載裝置整定值

由表4可知，由于低頻減載裝置小電廠解列定值整定為65%Un，0.3 s，故障時，低頻減載裝置在85% Un時，切除了60%負荷，讓后面?zhèn)渥酝堆b置的動作無意義。通過調(diào)整低壓解列定值到85%Un，0.3 s，低頻減載裝置在85%Un以下時，先切電廠，這樣后面低頻減載裝置切負荷就不會啟動，配合之后備自投裝置的動作，實現(xiàn)I母所有負荷全部自動并網(wǎng)運行，負荷損失為0 s，實現(xiàn)了智能配電網(wǎng)的自愈功能，且保證了小電廠機組的安全和供電質(zhì)量。

5 結束語

本文從國內(nèi)電網(wǎng)公司保護配置現(xiàn)狀出發(fā)，在DG孤島電網(wǎng)運行方式下，針對大功率缺額孤島運行情況，區(qū)別于現(xiàn)有低頻減載裝置與備自投裝置整定方案，首次提出與備自投裝置配合使用時，低頻減載裝置應以保機組為先，通過改進整定定值，以零增加電網(wǎng)投資的方案，實現(xiàn)孤島電網(wǎng)自動并網(wǎng)運行、電網(wǎng)負荷零損失、供電質(zhì)量及機組安全最優(yōu)的目標，具有極大的工程應用價值，已在實際電網(wǎng)投入使用。分析表明DG掛載母線供電時，在故障擾動下，極易形成孤島運行方式，此時低頻減載裝置若以第一輪切負荷為先，并無法起到最后一道防線的作用，反而會讓DG機制及供電負荷進入危險運行狀態(tài)，最終到達崩潰的地步，本文提出優(yōu)先保證機組安全（先切機組）的概念，在孤島存在大功率缺額時，能夠最大限度保證機組安全的同時，實現(xiàn)智能配電網(wǎng)自愈功能（零負荷損失）。

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Island Self-healing Method of Smart Distribution Network with Large Power Shortage Based on Allocation Status of Protection

BAO Youli1,ZHANG Min1,XU Peidong2
(1.State Grid Wuxi Power Supply Company,Wuxi 214061，China; 2.Wuxi Division of State Grid Jiangsu Electric Power Maintenance Branch Company,Wuxi 214200,China)

Since a large numberofdistributed generatorsaccessto low-voltage distribution network,the power system is easyto become an islanded and enteran instabilitystate with low powerquality.When the power supplyis far less than the load demand (there is large power shortage),it's the key making the island return from instability state to normal state by improving the coordination scheme of protections.Based on the allocation status of the under-frequency load-shedding device and the backup power automatic throw-in device in low-voltage distribution network,it is proposed an island self-healing scheme without extra investment for smart distribution network which is different from the traditional setting scheme for the two protective devices. Undercondition ofgivingpriorityto ensuringunits safety,the proposed scheme improves the prior setting scheme which can get the optimal unit safety and make distributed generators access to power grid without any loss of power supply and load.The simulation of a fault case in actual grid proves that the proposed scheme improves the reliability of power supply and avoids units'instabilitystate.Ithasgreatapplication value in engineering,and now hasbeen applied to Jiangsu PowerGrid.

distributed generator;island self-healing;under-frequency load-shedding device;backup power automatic throw-in devic

TM77

A

1009-0665（2016）06-0061-04

鮑有理（1966），男，安徽安慶人，研究員級高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護專業(yè)技術管理工作；

張 敏（1968），男，江蘇宜興人，高級技師，從事電力系統(tǒng)通訊專業(yè)技術管理工作；

徐培棟（1986），男，江蘇宜興人，工程師，從事電力系統(tǒng)生產(chǎn)運行工作。

2016-08-01；

2016-09-18