源網(wǎng)荷用戶400 V緊急切負(fù)荷控制的實(shí)現(xiàn)

陸玉軍，李 澄，王 寧，陳 顥，葛永高

（江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 211102）

源網(wǎng)荷用戶400 V緊急切負(fù)荷控制的實(shí)現(xiàn)

陸玉軍，李 澄，王 寧，陳 顥，葛永高

（江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 211102）

目前源網(wǎng)荷用戶的可切負(fù)荷集中在10 kV以上，在緊急切除用戶中壓側(cè)負(fù)荷的同時(shí)也把很多重要的低壓400 V負(fù)荷切除了，對用戶生產(chǎn)仍造成了一些不利的影響。為此，根據(jù)現(xiàn)場400 V負(fù)荷設(shè)備的采集控制要求，提出了符合現(xiàn)場用戶特點(diǎn)的設(shè)備改造負(fù)荷接入方案。針對400 V負(fù)荷精細(xì)化采集和快速控制的需求，兼顧工程實(shí)施的可行性和經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于GOOSE通訊的網(wǎng)荷子單元的400 V負(fù)荷快切方案，并完成了現(xiàn)場用戶試點(diǎn)實(shí)施。根據(jù)應(yīng)用效果，對網(wǎng)荷子單元進(jìn)行了改進(jìn)，使400 V負(fù)荷的切除延時(shí)減少到最小，滿足了切負(fù)荷的快速性要求。

緊急切負(fù)荷；源網(wǎng)荷；電力用戶；負(fù)荷控制

源網(wǎng)荷緊急切負(fù)荷系統(tǒng)是針對特高壓電網(wǎng)故障時(shí)受端電網(wǎng)頻率穩(wěn)定出現(xiàn)異常的一個負(fù)荷快速控制、保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的手段，在系統(tǒng)頻率降低時(shí)，要求數(shù)百毫秒內(nèi)完成負(fù)荷的快速切除，亦稱毫秒級切負(fù)荷[1-5]。首期建設(shè)在蘇州地區(qū)實(shí)施了700戶毫秒級快速切負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)了100萬kW可切負(fù)荷的目標(biāo)。這些被快速切除的負(fù)荷大多集中于用戶廠區(qū)內(nèi)的35 kV/20 kV/10 kV電壓等級，在這些接入的可切負(fù)荷線路下仍帶了多個低壓負(fù)荷，由于無法徹底細(xì)分，快切時(shí)也一并被切除了。對有些用戶，這部分被切除的低壓負(fù)荷，仍是相對重要的生產(chǎn)負(fù)荷，由此導(dǎo)致的生產(chǎn)中斷或工藝次品仍會對用戶造成一定的損失或不利影響[6-7]。

如果對用戶400 V負(fù)荷直接控制，可以減少當(dāng)前這種直接快速切除中壓側(cè)負(fù)荷造成的不利影響，但用戶400 V負(fù)荷數(shù)量眾多且分散分布于廠區(qū)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)這些支路的負(fù)荷精細(xì)化采集和快速切除控制難度很大。通過負(fù)荷調(diào)研發(fā)現(xiàn)，用戶廠區(qū)內(nèi)低壓負(fù)荷由配電房內(nèi)400 V支路供電，這些支路安裝相對集中，實(shí)現(xiàn)這些支路負(fù)荷采集與控制基本是可行的[8-11]。因此，提出了以用戶已安裝的快速切負(fù)荷終端為中心，通過其與子單元通信，實(shí)現(xiàn)低壓負(fù)荷分散采集與控制的方案，可有效地解決用戶400 V負(fù)荷快速精細(xì)化控制。

1 400 V負(fù)荷設(shè)備及采集控制要求

專用變壓器（以下簡稱專變）用戶都配有專用的電房，根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模、用電容量、電壓等級主要分為總降變電所用戶和配電房用戶，前者有1個（或多個）變電所和若干個配電房，400 V負(fù)荷數(shù)量相對較多；后者僅有1個配電房，400 V負(fù)荷數(shù)量相對較少。這2類用戶的400 V負(fù)荷線路都集中于配電房內(nèi)。

1.1 400 V負(fù)荷設(shè)備類型

400 V負(fù)荷線路的開關(guān)設(shè)備安裝于配電房的低壓開關(guān)柜內(nèi)，現(xiàn)場在用的開關(guān)設(shè)備有抽屜柜式和固定柜式2種。

抽屜柜式：低壓小電流支路采用，每面柜由3～10個抽屜組成，每個支路占用1個抽屜，抽屜內(nèi)采用塑殼空氣開關(guān)，支路一般不帶電動操作機(jī)構(gòu)，多數(shù)配1個B相TA（電流互感器）用于運(yùn)行監(jiān)視、無開關(guān)位置輔助接點(diǎn)，不經(jīng)改造無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

固定柜式：400 V主變壓器（以下簡稱主變）低壓總開關(guān)支路，或少數(shù)容量達(dá)到250 kVA（或額定電流達(dá)400 A）以上的支路采用，配備框架式低壓萬能開關(guān)，與此對應(yīng)的是支路TA配置完整、開關(guān)位置有輔助觸點(diǎn)，部分支路甚至還配有智能儀表，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視控制方便。

1.2 400 V負(fù)荷采集控制

低壓負(fù)荷電壓等級低、負(fù)荷電流小，支路負(fù)荷功率相對較??；抽屜柜安裝并采用塑殼空氣開關(guān)的用戶400 V負(fù)荷線路基本不能滿足遠(yuǎn)程監(jiān)視及控制需要，需要進(jìn)行負(fù)荷采集和控制改造。

數(shù)據(jù)采集方面：需為改造的支路配備三相完整的TA（或AC相TA），確?？赏ㄟ^TA實(shí)現(xiàn)負(fù)荷功率采集。負(fù)荷接入可采用電纜或用智能儀表采集，后者是在抽屜柜內(nèi)配備1只智能儀表，將TA二次輸出和電壓接入智能儀表，然后通過其采集后，經(jīng)串口通信上傳數(shù)據(jù)。

開關(guān)改造方面，可通過2種方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制：一是為塑殼開關(guān)配置相應(yīng)的電動操作機(jī)構(gòu)，此類機(jī)構(gòu)是開關(guān)廠家提供的同類型設(shè)備配套附件，需要針對不同廠家、不同型號規(guī)格的開關(guān)定制；二是為塑殼開關(guān)配備MX（分勵脫扣器），分勵脫扣是目前實(shí)行塑殼開關(guān)遠(yuǎn)程跳閘控制的一個簡單實(shí)現(xiàn)方式，需在塑殼開關(guān)內(nèi)安裝一個脫扣配件。

2 400 V負(fù)荷采集控制方案

2.1 網(wǎng)荷終端

網(wǎng)荷終端是在大型用戶專變終端基礎(chǔ)上開發(fā)的新型用戶終端，安裝于用戶變電所或配電房。終端支持用戶8～12路負(fù)荷出線電流和多段電壓接入，實(shí)現(xiàn)用戶可切負(fù)荷實(shí)時(shí)采集監(jiān)測；終端同時(shí)具有豐富的通信接口，支持與主站實(shí)時(shí)通信上傳用戶實(shí)時(shí)負(fù)荷和精準(zhǔn)可切負(fù)荷；終端不僅具備常規(guī)的負(fù)荷管理功能，同時(shí)可接受主站的切負(fù)荷指令，支持實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)應(yīng)急響應(yīng)控制要求的毫秒級緊急負(fù)荷控制和秒級快速負(fù)荷控制[6-7]。網(wǎng)荷終端板件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)荷終端板件結(jié)構(gòu)

安裝在變電所控制室或配電房開關(guān)室的網(wǎng)荷終端，一般通過電纜接入負(fù)荷線路的電壓、電流和開關(guān)位置信息，輸出控制開關(guān)。安裝于變電所的終端接入的負(fù)荷線路都是6 kV以上電壓等級的負(fù)荷，而安裝于配電房的終端可以接入少部分400 V低壓負(fù)荷。

考慮快速負(fù)荷控制的要求，一般不采用與用戶監(jiān)控系統(tǒng)通信的方式采集負(fù)荷數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)分路開關(guān)控制，因?yàn)榇朔绞接休^大的通信延遲，不同監(jiān)控系統(tǒng)通信規(guī)約不統(tǒng)一、難以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2 400 V負(fù)荷采集控制方案

對于配電房內(nèi)安裝的網(wǎng)荷終端，400 V負(fù)荷線路與終端在同一配電房內(nèi)，物理距離不過百米，采用電纜將400 V負(fù)荷接入仍是可行的。但對于變電所安裝的網(wǎng)荷終端而言，與配電房間的物理距離在數(shù)百米或上千米，此時(shí)采用電纜控制主要存在以下問題：現(xiàn)場施工量大、接線復(fù)雜；控制電纜過長導(dǎo)致采集的電流存在一定的偏差影響功率采集的精確性；控制開關(guān)跳閘的電纜過長也會導(dǎo)致開關(guān)控制失效，甚至引起開關(guān)誤動。

對于變電所安裝的網(wǎng)荷終端，與400 V負(fù)荷距離遠(yuǎn)，可考慮采用多終端的光纖通信方案，但該方案需要為每個實(shí)現(xiàn)400 V負(fù)荷控制的配電房增加1臺終端，同時(shí)還要求配電房有相應(yīng)的安裝空間，需完成終端程序的升級等工作，實(shí)現(xiàn)的難度較大，且難以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

鑒于上述問題，考慮在用戶的每個配電房內(nèi)增加1個網(wǎng)荷子單元，配電房內(nèi)的每個受控400 V支路增加1個智能儀表。網(wǎng)荷子單元與智能儀表通信，采集數(shù)據(jù)后通過網(wǎng)荷子單元上傳給終端，終端的跳閘命令通過網(wǎng)荷子單元下發(fā)至智能儀表，實(shí)現(xiàn)400 V負(fù)荷采集與控制。方案如圖2所示。

圖2 網(wǎng)荷子單元方案

該方案適用于上述變電所和配電房2種類型用戶，網(wǎng)荷子單元由于體積小，無需額外安裝空間，可實(shí)現(xiàn)終端通信的標(biāo)準(zhǔn)化和采集數(shù)據(jù)及命令快速傳輸。利用GOOSE（面向通用對象的變電站事件）通信實(shí)現(xiàn)報(bào)文的快速傳輸，其訂閱發(fā)布機(jī)制、高效的數(shù)據(jù)傳輸、功能分布化的特征，可以實(shí)現(xiàn)若干條400 V負(fù)荷的采集和控制，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)荷終端與任意個網(wǎng)荷子單元之間的通信連接和標(biāo)準(zhǔn)化配置。

該方案的核心是開發(fā)網(wǎng)荷子單元使其同時(shí)支持GOOSE通信及RS485通信，同時(shí)實(shí)現(xiàn)終端程序支持GOOSE通信，方案靈活可擴(kuò)展，接入的負(fù)荷線路不受限制，適用于各種用戶現(xiàn)場，涉及的施工安裝工作量、通信調(diào)試和成本都較小。如果接入的用戶負(fù)荷線路已具備智能儀表，現(xiàn)場施工工作量可進(jìn)一步減少。

2.3 網(wǎng)荷子單元設(shè)計(jì)

GOOSE是IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中定義的快速報(bào)文服務(wù)，以高速P2P通信為基礎(chǔ)，建立在網(wǎng)絡(luò)化通信基礎(chǔ)上的發(fā)布端到訂閱端的機(jī)制，定義了非常嚴(yán)格的時(shí)間指標(biāo)，保證了通信傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性能，而具有的重發(fā)和檢查機(jī)制確保了P2P通信的可靠性[12-13]。

網(wǎng)荷子單元作為負(fù)荷采集的通信設(shè)備，主要承擔(dān)終端的負(fù)荷精細(xì)化控制的擴(kuò)展功能，要求其具有快速的通信機(jī)制和適應(yīng)現(xiàn)場要求的標(biāo)準(zhǔn)通信和配置，因此選擇GOOSE服務(wù)作為與終端間的通信服務(wù)。網(wǎng)荷子單元與智能儀表通信采集400 V負(fù)荷線路的功率后，通過GOOSE將400 V負(fù)荷的采集數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)荷終端；接收終端的GOOSE低壓負(fù)荷線路控制命令，再以RS485通信傳到智能儀表，實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備的跳閘控制。

網(wǎng)荷子單元結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)荷子單元結(jié)構(gòu)與模塊

圖3左側(cè)為硬件板件框圖，由1塊ARM芯片（自帶1ETH、2串口外設(shè)）和相關(guān)的電源及輔助電路組成，為適應(yīng)光纖通信，子單元配單?；蚨嗄９饫w接口，結(jié)構(gòu)簡潔，為了減少串口通信發(fā)送開出控制報(bào)文的延時(shí)，預(yù)留開出控制接口。

圖3右側(cè)為子單元程序結(jié)構(gòu)，由以下模塊組成：GOOSE通信：由接收和發(fā)送2個獨(dú)立的任務(wù)構(gòu)成；串口通信：每個串口作為1個獨(dú)立的任務(wù)，有2個串口任務(wù)；配置管理：主要實(shí)現(xiàn)串口配置、網(wǎng)絡(luò)地址及GOOSE訂閱發(fā)布配置；數(shù)據(jù)緩存：實(shí)現(xiàn)串口采集數(shù)的暫存或GOOSE接收跳閘指令的存儲。為保證GOOSE跳閘命令能得到快速處理，GOOSE接收任務(wù)優(yōu)先級最高，優(yōu)先響應(yīng)處理，同時(shí)在有跳閘命令待出口時(shí)，串口中止當(dāng)前的數(shù)據(jù)召測，立即執(zhí)行輸出控制。

網(wǎng)荷子單元采用GOOSE通信，可以與任一支持GOOSE通信的廠家終端設(shè)備通信，同時(shí)控制的400 V負(fù)荷支路的數(shù)量可多達(dá)十多條，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和控制靈活性。

3 400 V切負(fù)荷實(shí)現(xiàn)與改進(jìn)

根據(jù)前述方案，開發(fā)了一種基于GOOSE規(guī)約通信的專用網(wǎng)荷子單元，與終端間采用GOOSE通信，與現(xiàn)場智能儀表間采用串口通信。采用GOOSE規(guī)約通信可極大地減少網(wǎng)荷子單元通信處理的延時(shí)，400 V負(fù)荷的控制延時(shí)基本由串口通信延時(shí)決定。GOOSE報(bào)文可在終端發(fā)出開關(guān)跳閘命令后立即傳輸，使跳閘命令的傳輸整體延遲達(dá)到最小，保證了命令傳輸?shù)目焖傩訹13-15]。

3.1 400 V切負(fù)荷實(shí)施

在蘇州地區(qū)挑選了2個典型用戶，利用網(wǎng)荷子單元實(shí)施了400 V負(fù)荷快速控制改造。

3.1.1 某10 kV配電房用戶

用戶實(shí)現(xiàn)400 V負(fù)荷快切的支路有4條，且都已配有智能儀表。通過升級終端程序，增加1個網(wǎng)荷子單元（裝于終端屏內(nèi)），建立與各智能儀表和終端通信，最終實(shí)現(xiàn)400 V負(fù)荷數(shù)據(jù)采集和開關(guān)控制。

現(xiàn)場采用該方案的優(yōu)勢是僅通過增加1個網(wǎng)荷子單元就實(shí)現(xiàn)了多個400 V負(fù)荷的控制，充分利用了用戶的設(shè)備，同時(shí)也減少了很多現(xiàn)場的電纜施工和回路調(diào)試工作量。

3.1.2 某35 kV變電所用戶

該用戶有4條可切400 V負(fù)荷位于獨(dú)立的配電房內(nèi)，與終端距離超過800 m。通過在用戶廠區(qū)內(nèi)敷設(shè)光纜，升級終端程序，在配電房內(nèi)增加1個網(wǎng)荷子單元和4個智能儀表，建立網(wǎng)荷子單元與智能儀表、終端間通信，最終實(shí)現(xiàn)400 V負(fù)荷的數(shù)據(jù)采集和開關(guān)控制。

現(xiàn)場采用該方案的優(yōu)勢是增加了1個網(wǎng)荷子單元和4個智能儀表，相應(yīng)增加了智能儀表的安裝和內(nèi)部配線等現(xiàn)場工作，省去了在用戶廠區(qū)內(nèi)變電所與配電房間的大量電纜施工，以及用戶配電房內(nèi)大量電纜的施工工作量，同時(shí)以后擴(kuò)接負(fù)荷也較容易。

3.2 快速切負(fù)荷控制改進(jìn)

3.2.1 前述方案的不足

前述方案雖已在用戶進(jìn)行了試點(diǎn)實(shí)施，但在快速切負(fù)荷方面，仍存在一定的不足。

串口通信延遲大：智能儀表只支持串口RS485半雙工通信，采用波特率為9 600 bit/s通信時(shí)，報(bào)文的傳輸處理延遲約80～150 ms，當(dāng)一個網(wǎng)荷子單元帶有4個以上的智能儀表時(shí)，會產(chǎn)生數(shù)百毫秒的切負(fù)荷延遲，難以滿足毫秒級快速切負(fù)荷的時(shí)限要求。

部分智能儀表不帶開出：為實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制，智能儀表均需要帶開出接口，從現(xiàn)場用戶設(shè)備看，部分用戶安裝的智能儀表不帶開出接口，無法通過其實(shí)現(xiàn)對開關(guān)的控制。

3.2.2 子單元直接跳閘方案

鑒于前述方案在快速切負(fù)荷方面仍難以滿足現(xiàn)有的切負(fù)荷系統(tǒng)嚴(yán)苛的時(shí)限要求，且網(wǎng)荷子單元與智能儀表間安裝在同一個配電房內(nèi)，兩者之間距離不過100 m，將現(xiàn)場的網(wǎng)荷子單元設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，增加網(wǎng)荷子單元開出接口8路，如圖4所示。通過電纜將其開出接入每個400 V負(fù)荷支路的開關(guān)跳閘回路中，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)荷子單元的直接跳閘控制。

改進(jìn)后方案如圖4所示，由于負(fù)荷在數(shù)百毫秒內(nèi)變化不明顯，負(fù)荷線路功率采用串口采集負(fù)荷數(shù)據(jù)對實(shí)時(shí)功率影響不大。開關(guān)控制則是當(dāng)接收到終端發(fā)出的跳閘命令報(bào)文后，由子單元直接輸出控制開關(guān)跳閘。因此，整個控制環(huán)節(jié)的延時(shí)由GOOSE通信的延遲機(jī)制決定，其輸出延遲非常小，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證，開發(fā)的網(wǎng)荷子單元的控制延遲不超過20 ms（包括報(bào)文的發(fā)送、接收、處理、輸出）。采用此改進(jìn)方案可確保400 V負(fù)荷快速控制的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)現(xiàn)場的施工工作量增加不多。

圖4 網(wǎng)荷子單元跳閘方案

4 結(jié)語

針對現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)400 V負(fù)荷快速控制的需要，結(jié)合已安裝于用戶的網(wǎng)荷終端，提出了適應(yīng)400 V用戶負(fù)荷快速控制的實(shí)現(xiàn)方案。利用GOOSE的快速通信機(jī)制，現(xiàn)場試點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)荷子單元的控制方案，并針對串口通信的延時(shí)問題，提出了一種改進(jìn)跳閘出口的方案，該方案具有延時(shí)小、動作快的特點(diǎn)，可滿足現(xiàn)場所有用戶400 V負(fù)荷快速控制的要求，具有較好的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。

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2017-06-02

陸玉軍（1972），男，高級工程師，從事電力自動化二次系統(tǒng)相關(guān)的研究開發(fā)與應(yīng)用工作。

（本文編輯：張 彩）

Control Realization of Emergency Load Shedding of 400 V for Source-Network-Load Users

LU Yujun， LICheng， WANG Ning， CHEN Hao， GE Yonggao
（Jiangsu Frontier Electric Power Technology Co.， Ltd.， Nanjing 211102， China）

At present loads that can be shed for source-network-load users are generally of 10 kV or above.During emergency load shedding at medium voltage side，many important loads of 400 V are injected in the meantime，which brings adverse effect on production of users.According to the requirements on acquisition and control of field equipment with load of 400 V，the paper proposes a load access scheme for equipment transformation that fits field users.According to the needs of refined acquisition and fast control over loads of 400 V and giving attention to the construction feasibility and economy of the project，a fast shedding scheme for 400 V loads of network load subunit based on GOOSE communication is developed and trial implementation in field users is completed.On the basis of application effect，the network load subunit is improved to minimize shedding time delay of the load of 400 V to meet the requirement of fast load shedding.

emergency load shedding； source-grid-load； power user； load control

10.19585/j.zjdl.201710013

1007-1881（2017）10-0063-05

TM732

B