一種含有小水電并網(wǎng)的智能型饋線自動化系統(tǒng)研究

宋振躍

（北京水木源華電氣股份有限公司，北京100094）

0 引言

水力發(fā)電作為清潔能源、可再生能源，越來越被國家重視，開發(fā)與使用綠色能源是我國實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略不可缺少的組成部分。近年來，在國家各項優(yōu)惠政策的鼓勵下，農(nóng)村小水電事業(yè)逐漸發(fā)展起來[1-3]。“十二五”期間，水利部大力實施“民生、平安、綠色、和諧”水電建設(shè)。我國已建成農(nóng)村小水電站47 000多座，裝機容量7 500多萬kW，相當于3個三峽電站的裝機容量，年發(fā)電量2 300多億kW·h時，約占全國水電裝機和年發(fā)電量的1/4。

我國“十三五”期間將新增農(nóng)村水電裝機600萬kW，對2000年前建成、符合條件的3 000多座老舊電站進行增效擴容改造，并組織開展“十三五”農(nóng)村小水電扶貧工程建設(shè)。

這些小水電站大部分建在偏遠山區(qū)，遠離高電壓變電站，一般都采取就近T接并入農(nóng)村10 kV配電網(wǎng)，與用戶配電變壓器混合、交叉運行于10 kV配電線路中。

我國農(nóng)村配電網(wǎng)采用單電源供電輻射狀的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，配電網(wǎng)繼電保護也基于此種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計運行。小水電接入配電網(wǎng)后，配電網(wǎng)由原單電源輻射型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變成了多電源網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，成為一種遍布電源和用戶的互聯(lián)網(wǎng)架，潮流不再是單向從變電站流向負荷[4-12]。配電網(wǎng)的這種根本性變化改變了配電線路、分布電源接入點和附近節(jié)點的故障水平，也使配電網(wǎng)繼電保護的機理和各保護定值發(fā)生了根本性的改變，繼而造成繼電保護裝置出現(xiàn)誤動、拒動、靈敏度減小和重合閘失效等問題。同時，饋線上各個自動化裝置也會受到影響[13-15]。

因此，針對一條饋線線路上存在多個小水電并網(wǎng)的10 kV配電線路，提出一種快速自愈的智能型饋線自動化系統(tǒng)，意在快速進行饋線的故障識別，自動隔離故障并恢復供電。

1 多個小水電并網(wǎng)配電網(wǎng)的模型

典型的多個小水電直接T接并入10 kV配電線路的模型如圖1所示。

圖1 多個小水電并網(wǎng)配電網(wǎng)的模型

圖1中10 kV配電網(wǎng)開關(guān)可劃分為4種情況：電源側(cè)有小水電接入點的開關(guān)、負荷側(cè)有小水電接入點的開關(guān)、電源側(cè)和負荷側(cè)均有小水電接入點的開關(guān)、兩側(cè)無小水電接入點的開關(guān)。

2 智能型饋線自動化系統(tǒng)的技術(shù)要求

（1）變電站出線開關(guān)、饋線線路上的分段開關(guān)、大分支的分段開關(guān)和用戶分界開關(guān)均為斷路器。

（2）變電站出線開關(guān)（CB）至少配置一次重合閘，并配有限時速斷保護、限時過流保護功能的智能裝置。

（3）小水電在10 kV配電網(wǎng)接入點的前端開關(guān)至少配置一次重合閘，并配有速斷保護、限時過流保護功能的智能裝置。

（4）在無小水電接入配電網(wǎng)情形下，通過原網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的供電電流方向，判定饋線各個開關(guān)的電源側(cè)、負荷側(cè)。

（5）變電站出線的首個分段開關(guān)，僅在其電源側(cè)配置一個三相零序一體電壓互感器（PT）。

（6）負荷側(cè)有小水電接入點的開關(guān)、電源側(cè)和負荷側(cè)均有小水電接入點的開關(guān)，在其電源側(cè)配置一個三相零序一體PT、在其負荷側(cè)配置一個單電源PT。

（7）電源側(cè)有小水電接入點的開關(guān)、兩側(cè)無小水電接入點的開關(guān)，僅在其電源側(cè)配置一個三相零序一體PT。

（8）饋線開關(guān)配置具有本文第3部分所描述的智能型快速自愈控制功能的饋線終端（FTU）。

（9）智能型FTU可與主站系統(tǒng)設(shè)備進行通信，并實現(xiàn)對各終端數(shù)據(jù)采集與遠程控制功能。

（10）可通過主站系統(tǒng)的遠程方式對饋線上各智能型FTU進行保護定值設(shè)置或調(diào)整。

3 智能控制的工作原理

本智能型饋線自動化系統(tǒng)的工作原理是以潮流方向、故障電流為特征判據(jù)，通過檢測到故障電流決策開關(guān)“速斷跳閘”；結(jié)合已處于斷開狀態(tài)開關(guān)的負荷側(cè)電壓狀態(tài)決策開關(guān)是否進行“一次重合閘”，實現(xiàn)多個小水電接入10 kV配電網(wǎng)的故障隔離、非故障區(qū)段正常供電。一次跳閘故障區(qū)間定位，一次重合閘瞬時性故障處理，兩次跳閘永久性故障區(qū)間隔離和非故障區(qū)間正常供電。

智能型FTU有兩種FA工作模式：一種是普通就地FA模式，另一種是小水電接入FA模式。同時，智能型FTU具有檢同期、饋線過壓保護和PT斷線監(jiān)測功能。

3.1 小水電接入FA模式的工作機制

負荷側(cè)有小水電接入點的開關(guān)、電源側(cè)和負荷側(cè)均有小水電接入點的開關(guān)，其配套智能型FTU設(shè)置為小水電接入FA模式。

3.1.1 短路故障的處理機制

（1）若某一個開關(guān)配套智能型FTU檢測到超過整定值的短路故障電流，啟動速斷保護延時ta計時。

（2）ta計時時間到，智能型FTU對配套開關(guān)進行跳閘操作，同時，啟動重合閘放電延時To計時。

（3）To計時時間到，若開關(guān)兩側(cè)處于有電狀態(tài)，智能型FTU閉鎖一次重合閘功能，啟動故障的告警與上報功能，記錄故障事件與動作信息。

（4）To計時時間到，若開關(guān)處于單側(cè)有電狀態(tài)，智能型FTU啟動一次重合閘功能，對開關(guān)進行重合閘操作。

（5）若為瞬時性故障，開關(guān)一次重合閘成功，故障排除、恢復供電，智能型FTU記錄故障事件與動作信息，并上報主站。

（6）若為永久性故障，智能型FTU再次檢查到短路故障電流，啟動重合閘后加速保護功能，對開關(guān)進行快速跳閘操作，啟動故障的告警與上報功能，記錄故障事件與動作信息。

3.1.2 接地故障的處理機制

（1）若某一個開關(guān)配套智能型FTU檢測到超過整定值的接地故障電流，啟動速斷保護延時tb計時。

（2）tb計時時間到，智能型FTU對配套開關(guān)進行跳閘操作，同時，啟動重合閘放電延時To計時。

（3）To計時時間到，若開關(guān)兩側(cè)處于有電狀態(tài)，智能型FTU閉鎖一次重合閘功能，啟動故障的告警與上報功能，記錄故障事件與動作信息。

（4）To計時時間到，若開關(guān)處于單側(cè)有電狀態(tài)，智能型FTU啟動一次重合閘功能，對開關(guān)進行重合閘操作。

（5）若為瞬時性故障，開關(guān)一次重合閘成功，故障排除、恢復供電，智能型FTU記錄故障事件與動作信息，并上報主站。

（6）若為永久性故障，智能型FTU檢測到零序電壓突變并再次檢查到接地故障電流，啟動重合閘后加速保護功能，對開關(guān)進行快速跳閘操作。同時，啟動故障的告警與上報功能，記錄故障事件與動作信息。

3.2 普通就地FA模式的工作機制

電源側(cè)有小水電接入點的開關(guān)、電源側(cè)和負荷側(cè)均無小水電接入點的開關(guān)，其配套智能型FTU設(shè)置為普通就地FA模式。

3.2.1 短路故障的處理機制

（1）若某一個開關(guān)配套智能型FTU檢測到超過整定值的短路故障電流，啟動速斷保護延時ta計時。

（2）ta計時時間到，智能型FTU對配套開關(guān)進行跳閘操作，啟動一次重合閘延時Tk計時。

（3）Tk計時時間到，智能型FTU對配套開關(guān)進行一次重合閘操作。

（4）若為瞬時性故障，開關(guān)一次重合閘成功，故障排除、恢復供電，智能型FTU記錄故障事件與動作信息，并上報主站。

（5）若為永久性故障，智能型FTU再次檢查到短路故障電流，啟動重合閘后加速保護功能，對開關(guān)進行快速跳閘操作，啟動故障的告警與上報功能，記錄故障事件與動作信息。

3.2.2 接地故障的處理機制

（1）若某一個開關(guān)配套智能型FTU檢測到超過整定值的接地故障電流，啟動速斷保護延時ta計時。

（2）ta計時時間到，智能型FTU對配套開關(guān)進行跳閘操作，啟動一次重合閘延時Tk計時。

（3）Tk計時時間到，智能型FTU對配套開關(guān)進行一次重合閘操作。

（4）若為瞬時性故障，開關(guān)一次重合閘成功，故障排除、恢復供電，智能型FTU記錄故障事件與動作信息，并上報主站。

（5）若為永久性故障，智能型FTU檢測到零序電壓突變并再次檢查到接地故障電流，啟動重合閘后加速保護功能，對開關(guān)進行快速跳閘操作。同時，啟動故障的告警與上報功能，記錄故障事件與動作信息。

3.3 檢同期的工作機制

檢同期功能僅在小水電接入FA模式下有效，其具體工作機制如下：

（1）開關(guān)處于斷開狀態(tài)，智能型FTU在對開關(guān)進行合閘操作前，啟動對開關(guān)兩側(cè)電壓的幅值判定、電壓的相位關(guān)系判定和頻率檢測功能。

（2）若開關(guān)的兩側(cè)電壓幅值差未超過整定值、電壓相位關(guān)系正確、頻率偏差未超過整定值，智能型FTU對開關(guān)進行合閘操作，記錄動作信息，并上報主站。

（3）若開關(guān)的兩側(cè)電壓幅值差超過整定值或電壓相位關(guān)系不正確或頻率偏差超過整定值，智能型FTU閉鎖對開關(guān)的合閘操作，啟動故障的告警與上報功能，記錄故障事件信息。

3.4 饋線過壓保護的工作機制

由于小水電站在豐水期滿發(fā)并向10 kV配電網(wǎng)供電，導致配電線路的電壓水平過高。因此，智能型FTU增加了饋線過壓保護功能，該功能在小水電接入FA模式、普通就地FA模式下均有效，其具體工作機制如下：

（1）智能型FTU檢測到PT電壓值超過饋線過壓保護的整定值，啟動饋線過壓保護功能Tm計時。

（2）Tm計時時間到，若開關(guān)處于合閘狀態(tài)，智能型FTU對開關(guān)進行跳閘操作，啟動故障的告警與上報功能，記錄故障事件與動作信息。

（3）Tm計時時間到，若開關(guān)處于分閘狀態(tài)，智能型FTU啟動故障的就地告警功能，記錄故障事件信息，并上報主站。

3.5 PT斷線監(jiān)測的工作機制

由于大多數(shù)徑流型小水電站在枯水期不發(fā)電，而且農(nóng)村配電網(wǎng)的供電半徑大，從而導致配電線路的末端電壓水平過低。因此，智能型FTU增加了PT斷線監(jiān)測功能，該功能在小水電接入FA模式、普通就地FA模式下均有效，其具體工作機制如下：

（1）某一個開關(guān)處于合閘狀態(tài)下，其配套智能型FTU檢測到PT電壓值跌落到整定值、配套開關(guān)的相電流值不為零，啟動PT斷線功能Tn計時。

（2）Tn計時時間到，啟動PT斷線故障的告警與上報功能，記錄故障事件信息。

4 結(jié)語

采用本文所提出的控制策略的智能型饋線自動化系統(tǒng)，有效地克服了多個小水電接入10 kV配電網(wǎng)后所帶來的影響，當有多個小水電接入的10 kV配電網(wǎng)發(fā)生故障時，能夠自動定位故障，迅速地將故障隔離在最小供電區(qū)間，并確保非故障區(qū)間正常供電。

在故障處理過程中，智能型FTU不會出現(xiàn)誤動、拒動、靈敏度減小和重合閘失效等問題，而是使故障隔離和非故障區(qū)間正常供電一次性到位。因此，顯著加快了故障處理速度并減少了故障造成的影響，達到了用戶對供電可靠性要求高的需求。

該系統(tǒng)已在實驗室完成了全面的模擬測試工作，實驗結(jié)果證明了其可行性。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于“福建省南平供電公司10 kV配網(wǎng)線路故障自愈式控制策略”項目的試點工程。

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