配電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張鳳鴿, 楊德先, 程利軍, 黃光林, 苗世洪, 王 丹

(1. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué)), 湖北省武漢市 430074;2. 南京磐能電力科技股份有限公司, 江蘇省南京市 210061)

0 引言

現(xiàn)代配電網(wǎng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大、諸多因素交互影響的系統(tǒng)。目前中國(guó)全社會(huì)用電量穩(wěn)居世界首位,但配電網(wǎng)供電可靠性與發(fā)達(dá)國(guó)家仍有較大差距。2016年國(guó)家電網(wǎng)公司戶均停電時(shí)間為917.7 min,而美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的戶均停電時(shí)間均小于100 min,其中日本戶均停電時(shí)間僅僅為20 min。中國(guó)配電網(wǎng)自動(dòng)化總體覆蓋率偏低、建設(shè)的程度比較落后。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的應(yīng)用而比較成熟,其中法國(guó)、日本的配電自動(dòng)化覆蓋率分別達(dá)到90%和100%[1-4]。

為加快推進(jìn)配電網(wǎng)建設(shè)改造,國(guó)家能源局印發(fā)了《配電網(wǎng)建設(shè)改造行動(dòng)計(jì)劃(2015—2020 年)》(國(guó)能電力〔2015〕290 號(hào))。中國(guó)計(jì)劃在“十三五”期間全面提升配電自動(dòng)化覆蓋范圍,2020年總體覆蓋率達(dá)到90%。國(guó)家電網(wǎng)公司非常重視配電網(wǎng)存在的問(wèn)題,準(zhǔn)備在中國(guó)電科院武漢分院建設(shè)國(guó)家級(jí)的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,針對(duì)智能配電設(shè)備開展試驗(yàn)研究[5-6]。中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)已頒布T/CSEE 0027—2017《配電系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動(dòng)化產(chǎn)品動(dòng)模試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》。

配電自動(dòng)化系統(tǒng)等產(chǎn)品在全國(guó)大面積推廣,但成效卻不盡人意,饋線自動(dòng)化正確跳閘率不高,故障在線監(jiān)測(cè)及定位系統(tǒng)的選線準(zhǔn)確率很低,針對(duì)產(chǎn)品的整體功能和性能缺乏全面和完備的試驗(yàn)檢測(cè)方法和手段。目前國(guó)內(nèi)外陸續(xù)有一些與之相應(yīng)的物理模擬方法被提出來(lái),如文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種配電線路故障指示器測(cè)試儀,文獻(xiàn)[8]提出了一種可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)配電網(wǎng)饋線故障指示器功能的檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案, 文獻(xiàn)[9-10]利用故障指示器綜合測(cè)試儀和其他相關(guān)設(shè)備對(duì)故障指示器進(jìn)行靜態(tài)檢測(cè),文獻(xiàn)[11]利用暫態(tài)行波保護(hù)測(cè)試儀、寬頻功率放大器搭建測(cè)試平臺(tái),文獻(xiàn)[12]提出了一種利用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真裝置檢測(cè)配電網(wǎng)控制算法的閉環(huán)測(cè)試方案。文獻(xiàn)[13]是在戶外采用容量為315 kVA,變比為0.4 kV/10 kV的變壓器將市電電壓升壓到真實(shí)的10 kV電壓,電流是通過(guò)控制器產(chǎn)生模擬故障電流信號(hào),經(jīng)功率放大器放大后施加于10 kV系統(tǒng)中完全隔離開的短路電流環(huán)形電纜上,雖然這些方法能夠滿足故障指示器的靜態(tài)功能和性能測(cè)試,但對(duì)于配電網(wǎng)系統(tǒng)各種運(yùn)行工況(正常運(yùn)行、異常運(yùn)行、故障等)無(wú)法模擬,而這些工況對(duì)于衡量故障指示器安全、可靠運(yùn)行特別重要。數(shù)字仿真在暫態(tài)故障還原、故障指示器試驗(yàn)、弧光接地模擬、系統(tǒng)級(jí)測(cè)試方面存在很大不足,因此需要建設(shè)一個(gè)能真實(shí)反映原型系統(tǒng)特性的配電系統(tǒng)物理模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),開展小電流系統(tǒng)接地故障判斷和故障點(diǎn)定位研究、饋線自動(dòng)化模式研究、主動(dòng)配電網(wǎng)系統(tǒng)下配電終端繼電保護(hù)原理研究、故障指示器等新設(shè)備研究,加強(qiáng)配電系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動(dòng)化產(chǎn)品的入網(wǎng)檢測(cè)[14-16]。

1 模型元件設(shè)計(jì)

電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室是根據(jù)相似原理建立起來(lái)的物理模型,配電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)平臺(tái)是在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型基礎(chǔ)上,憑借模擬無(wú)窮大電源、模擬輸電線路、模擬變壓器、模擬斷路器、模擬各種負(fù)荷、模擬各種互感器、模擬小電源機(jī)組、各類電氣回路結(jié)構(gòu),以及硬(軟)件匹配而構(gòu)建的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)[17]。配電系統(tǒng)有其特殊性,包含配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式、配電線路模型、小電源機(jī)組模型等[18-19]。

1.1 中性點(diǎn)接地方式

模型配電系統(tǒng)應(yīng)能模擬原型系統(tǒng)各種各樣的接地方式,并且包含采用接地變等方式如下。

1)模擬中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)。

2)模擬中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)。

3)模擬中性點(diǎn)通過(guò)電阻或者消弧線圈等阻抗接地,以限制接地故障電流的阻抗接地方式,要求電阻值或者消弧線圈補(bǔ)償度可根據(jù)動(dòng)模試驗(yàn)需要進(jìn)行靈活調(diào)整[20-21]。

1.2 架空和電纜線路

模擬架空或者電纜線路均由等效鏈形電路組成,可采用“Π”型或“?！毙碗娐?其電路參數(shù)特性應(yīng)與相同配電網(wǎng)電壓等級(jí)的原型線路相符[22-23]。附錄A表A1和表A2分別列出了原型系統(tǒng)10 kV和35 kV架空和電纜線路的典型參數(shù)。

模型線路參數(shù)設(shè)計(jì)是針對(duì)原型系統(tǒng),根據(jù)阻抗模擬比進(jìn)行計(jì)算,要求所有模型線路元件,在通過(guò)額定或者故障工頻電流時(shí),其電壓與所通過(guò)的電流值成正比(阻抗值恒定),因此模擬線路電抗器均采用空心線圈繞制方式。

1.3 小電源機(jī)組

隨著新能源的高速發(fā)展,光電、風(fēng)電、小水電等可再生能源均接入配電網(wǎng)系統(tǒng),容易改變配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和電流的分布,改變配電網(wǎng)的故障特性。

模擬小水電機(jī)組,其頻率范圍應(yīng)能在48～52 Hz可調(diào)整。模擬小電源機(jī)組的容量可根據(jù)實(shí)際情況按照模擬比選擇,一般10 kV電壓等級(jí)在400 kW～6 MW范圍,35 kV電壓等級(jí)在6～20 MW范圍。在配電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型中,要根據(jù)整個(gè)配電模型的功率模擬比,配置小容量的光伏、風(fēng)電或者水電機(jī)組。

1.4 配電變壓器

原型配電變壓器以雙繞組變壓器為主,10 kV配電變壓器的短路阻抗為4%～ 6%,35 kV配電變壓器的短路阻抗為6.5%～8%,也有一些特殊變壓器的短路阻抗特別大,因此模擬配電變壓器短路阻抗要求能在4%～20%范圍內(nèi)可以調(diào)整,模擬變壓器最大分接頭為±10%UN,建模時(shí)要求模擬變壓器短路阻抗的標(biāo)幺值與原型變壓器相等。

為了繼電保護(hù)試驗(yàn)方便,模擬變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)繞組應(yīng)有匝間短路設(shè)置,匝間短路匝數(shù)與總匝數(shù)之比應(yīng)在1%～10%間可選擇。并且模擬變壓器在空投時(shí)其勵(lì)磁涌流應(yīng)足夠大,三相中最大涌流峰值應(yīng)不小于4倍額定電流峰值。

2 特殊設(shè)備研制

針對(duì)故障指示器產(chǎn)品試驗(yàn)檢測(cè)而研制了特殊的升流器、升壓器;為開展小電流接地選線裝置試驗(yàn)而研制了特殊的零序電流互感器;為了滿足短路試驗(yàn)而研制了短路時(shí)刻合閘角程序控制器。

2.1 升流器和升壓器

故障指示器動(dòng)模試驗(yàn)時(shí)需要模型系統(tǒng)提供與原型系統(tǒng)一樣的穩(wěn)態(tài)300～600 A大電流、10 kV高電壓,動(dòng)模試驗(yàn)一般是檢測(cè)自動(dòng)化裝置、繼電保護(hù)裝置等二次設(shè)備,而故障指示器相當(dāng)于是一次設(shè)備,因此在動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室對(duì)故障指示器進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),要采用特殊研制的升流器和升壓器,升流器、升壓器試驗(yàn)接線如圖1所示。圖中,TA為電流互感器,TV為電壓互感器,FU為熔斷器。

圖1 升壓器、升流器試驗(yàn)接線圖Fig.1 Test wiring diagram of voltage booster and current riser

升流器是將模型線路電流值,升到與實(shí)際系統(tǒng)中的原型線路電流值相等,確保故障指示器通過(guò)升流器所測(cè)到的負(fù)荷和故障電流與原型實(shí)際系統(tǒng)中所測(cè)到的負(fù)荷和故障電流的大小相等、相位相同,暫態(tài)特性一致。國(guó)內(nèi)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室模型的一次額定電流值一般是10～20 A,而故障指示器像鉗形表一樣是通過(guò)磁鉗卡在導(dǎo)線上來(lái)感應(yīng)導(dǎo)線電流,因此將線徑一致的導(dǎo)線環(huán)繞30匝,鉗在上面的故障指示器感應(yīng)的導(dǎo)線電流就是額定電流10～20 A的30倍,即300～600 A電流值。圖1中的故障指示器是鉗在30匝架空線路升流器上,如需不同的額定值,可以采用不同匝數(shù)的升流器,安裝時(shí)注意電流的方向。

升壓器是將模型線路的相對(duì)地電壓值,升到原型實(shí)際系統(tǒng)中各相線路對(duì)地電壓值,確保故障指示器對(duì)升壓器極板所感應(yīng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電壓與在原型實(shí)際系統(tǒng)中所感應(yīng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電壓特性一致。國(guó)內(nèi)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室模型的一次額定線電壓值一般是800～1 200 V,即額定相電壓是462～693 V(對(duì)應(yīng)的變壓器為462～693 V/57.7 V),而故障指示器檢測(cè)的是所掛導(dǎo)線對(duì)大地之間電壓的感應(yīng)電壓,針對(duì)10 kV架空線路,每相故障指示器所感應(yīng)的額定電壓是5.77 kV,因此做一個(gè)容量10 VA、變比為57.7 V/5 770 V的升壓器,圖1所示的升壓器原方繞組接電壓互感器的副方,升壓器副方繞組一端連接模型的一次導(dǎo)線、另一端接升壓器頂部的金屬極板(實(shí)物地),故障指示器下端對(duì)著升壓器的金屬極板,額定時(shí)感應(yīng)到5.77 kV電壓,如果模擬不同電壓等級(jí)的線路,可以采用不同變比的升壓器,同時(shí)也要注意同名端的極性。

2.2 零序電流互感器

模型電流與原型電流是按照電流模擬比來(lái)設(shè)計(jì)的,當(dāng)原型配電系統(tǒng)運(yùn)行在中性點(diǎn)不接地或者經(jīng)消弧線圈接地方式下,單相接地故障時(shí)所產(chǎn)生的零序電流很小,如果采用傳統(tǒng)穿心式零序電流互感器在動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量,故障電流僅僅只有幾毫安或者更小,即使是采用最小變比的零序電流互感器,也無(wú)法啟動(dòng)繼電保護(hù)裝置和故障錄波裝置,不能開展配電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)研究,因此要特殊研制一種如圖2所示的零序電流互感器。

圖2 零序電流互感器試驗(yàn)接線圖Fig.2 Test wiring diagram of zero sequence current transformer

磁平衡法繞線式零序電流互感器,是將三相線路和副方繞組繞在同一個(gè)環(huán)形鐵芯上,原方繞組為三個(gè)相線路并繞,副方繞組為零序電流互感器的二次輸出,可以接保護(hù)裝置和故障錄波儀,可以根據(jù)要求調(diào)整原副方匝數(shù)比,使單相接地故障時(shí)產(chǎn)生的零序電流在0.1～10 A范圍,從而通過(guò)磁平衡原理提高零序電流互感器的二次電流值、負(fù)載能力和測(cè)量精度,滿足了繼電保護(hù)裝置和故障錄波裝置測(cè)量要求,是開展配電網(wǎng)故障試驗(yàn)研究的重要檢測(cè)方法。

2.3 合閘角程序控制器

為了滿足動(dòng)模試驗(yàn)中短路時(shí)刻精確控制、變壓器勵(lì)磁涌流控制和故障轉(zhuǎn)換控制等,研制了具有多路參考電壓的短路合閘時(shí)間控制和開關(guān)邏輯控制的合閘角程序控制器。

合閘角程序控制器有12路輸出脈沖信號(hào),每路輸出信號(hào)的脈寬從10～5 000 ms可調(diào),精度能夠達(dá)到0.1 ms,能夠自動(dòng)判斷波形情況,輸出脈沖可實(shí)現(xiàn)編程控制,該可調(diào)的脈沖信號(hào)再去控制合閘繼電器完成斷路器合閘控制,實(shí)現(xiàn)合閘時(shí)刻的精確控制。考慮了現(xiàn)場(chǎng)外部斷路器的固有動(dòng)作延時(shí),可以通過(guò)設(shè)置“導(dǎo)前角”參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。

3 接地選線試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

中國(guó)3～66 kV配電網(wǎng)的中性點(diǎn)一般采用不接地、經(jīng)消弧線圈或者電阻接地方式,據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司2016年統(tǒng)計(jì),國(guó)網(wǎng)公司配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式是:不接地方式占68.5%、經(jīng)消弧線圈接地方式占28.2%、經(jīng)低電阻接地方式占3.3%。實(shí)際系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障占小電流接地系統(tǒng)故障的80%以上,因穩(wěn)態(tài)故障電流幅值小,故障選線裝置不易判別,到目前為止,小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線裝置的選線準(zhǔn)確率不到50%,故障線路可靠識(shí)別一直沒(méi)有得到圓滿解決,因此顯得動(dòng)模實(shí)驗(yàn)研究尤其重要。

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

接地選線試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵M中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)、經(jīng)消弧線圈或電阻接地系統(tǒng),模型線路型式要求模擬架空線路、電纜線路或架空電纜混合線路。接地選線試驗(yàn)要求小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線裝置在各種運(yùn)行工況下系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),能夠識(shí)別故障線路并不受線路型式的影響[24]。

典型模型系統(tǒng)采用圖3的接線方式,其中L1至L7,L9為架空線路,L8和L10為電纜線路。L1為50 km線路,L2和L3為20 km線路,L4,L5,L8及L10為10 km線路,L7和L9為5 km線路,L6為2 km線路。模擬單相接地時(shí),過(guò)渡電阻值應(yīng)在0～20 kΩ范圍。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

針對(duì)不接地系統(tǒng)、經(jīng)電阻接地系統(tǒng)、在90%～+95%補(bǔ)償度及105%～+110%補(bǔ)償度工況下的經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)如下。

1)在各個(gè)故障點(diǎn)分別模擬各種金屬性單相接地故障,包含間歇性故障。

2)在各個(gè)故障點(diǎn)分別模擬各種經(jīng)過(guò)渡電阻單相接地故障或者弧光接地故障。

3)某一個(gè)故障點(diǎn)發(fā)生單相接地故障經(jīng)不同時(shí)間發(fā)展成另一個(gè)故障點(diǎn)同名相單相接地故障。

圖3 小電流接地故障選線試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Test model of fault line selection for small-current grounding system

3.3 試驗(yàn)波形圖

針對(duì)圖3模型進(jìn)行上述各種試驗(yàn),零序電流互感器TA1至TA6分別接在變電站的6條出線上,電壓互感器接在變電站母線上,故障錄波儀接母線三相電壓和零序電壓3U0,6條出線的零序電流3I0以及分布式終端單元(DTU)接地故障告警信號(hào),試驗(yàn)錄波圖見(jiàn)附錄B圖B1。

附錄B圖B1為中性點(diǎn)不接地工況下試驗(yàn),D12故障點(diǎn)發(fā)生A相90°接地故障時(shí)波形,故障持續(xù)時(shí)間為120.5 ms,DTU接地故障裝置發(fā)告警信號(hào)時(shí)間為48.2 ms。附錄B圖B2為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)工況下試驗(yàn),其消弧線圈補(bǔ)償度為+110%,D12故障點(diǎn)發(fā)生A相0°接地故障時(shí)波形,故障持續(xù)時(shí)間為123.8 ms,DTU接地故障裝置發(fā)告警信號(hào)時(shí)間為58.7 ms。

4 故障指示器試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

配電網(wǎng)線路分支多、運(yùn)行工況復(fù)雜,發(fā)生短路故障時(shí),故障位置難以確定。故障指示器根據(jù)故障點(diǎn)前后故障指示器所檢測(cè)的故障信息來(lái)確定故障區(qū)段。因此,試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵紤]多分支,要有全電纜線路、全架空線路和電纜架空混合線路三種方案,并且要同時(shí)設(shè)置多個(gè)故障指示器,分別測(cè)試在不同點(diǎn)故障時(shí)裝置的動(dòng)作情況。

4.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

故障指示器試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿绺戒汢圖B3所示,在各模擬電纜線路、模擬架空線路上為故障指示器加裝升壓器、升流器,通過(guò)改變變壓器各種接地方式模擬配電網(wǎng)各種運(yùn)行工況,通過(guò)匹配升流器、升壓器參數(shù),保證電纜線路、架空線路的模型參數(shù)和原型參數(shù)對(duì)應(yīng),為動(dòng)態(tài)測(cè)試故障指示器提供試驗(yàn)平臺(tái),測(cè)試模型能夠模擬10 kV線路感應(yīng)電場(chǎng)和不小于610 A線路電流,應(yīng)能考核主干饋線、邊界饋線下故障指示器產(chǎn)品性能。

動(dòng)模試驗(yàn)應(yīng)能模擬金屬性故障、弧光接地故障、發(fā)展性故障、區(qū)內(nèi)外經(jīng)過(guò)渡電阻短路故障、線路突合負(fù)載涌流試驗(yàn)、非故障相重合閘涌流、負(fù)荷瞬時(shí)突變、人工投切大負(fù)荷、空載合閘勵(lì)磁涌流、最小不動(dòng)作電流試驗(yàn)的需要。

4.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1)模擬線路正常運(yùn)行時(shí),投切大負(fù)荷,包含啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷。

2)模擬線路空載和正常運(yùn)行下,空投負(fù)荷變壓器產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流試驗(yàn)。

3)在各個(gè)故障點(diǎn)分別模擬瞬時(shí)性或者永久性單相接地、兩相短路接地、兩相相間短路、三相短路以及三相短路接地金屬性故障。

4)模擬在線路發(fā)生單相接地故障時(shí),在同一故障點(diǎn)或者不同故障點(diǎn)經(jīng)過(guò)不同時(shí)間發(fā)展為兩相短路接地故障或三相接地故障。

5)模擬經(jīng)過(guò)渡電阻發(fā)生各種類型故障,過(guò)渡電阻可以調(diào)整,相間故障經(jīng)最大電阻短路時(shí),故障點(diǎn)相間剩余電壓不大于額定電壓的5%。

5 配電系統(tǒng)通用試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵紤]多分支,要有全電纜、全架空和電纜架空混合線路三種方案。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵M中性點(diǎn)不接地、經(jīng)消弧線圈接地、經(jīng)電阻接地等各種接地方式。具有靈活故障點(diǎn)設(shè)置和豐富接口,支持智能配電自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行,支持各種配電網(wǎng)的繼電保護(hù)裝置和各種配電網(wǎng)故障監(jiān)測(cè)及定位系統(tǒng)的試驗(yàn)。

由于新能源發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能元件快速發(fā)展,給配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)帶來(lái)了深刻變化,原來(lái)單電源的輻射型配電網(wǎng)變成了雙電源或多電源配電網(wǎng),并且潮流方向也可能隨著風(fēng)、光的變化而改變,容易導(dǎo)致繼電保護(hù)出現(xiàn)拒動(dòng)、誤動(dòng)、失靈等現(xiàn)象的發(fā)生,給配電網(wǎng)繼電保護(hù)技術(shù)帶來(lái)了挑戰(zhàn),因此現(xiàn)代配電網(wǎng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵欢ㄒ履茉春蛢?chǔ)能系統(tǒng),如附錄B圖B4所示,該模型可以開展因隨機(jī)性波動(dòng)性新能源的接入,將配電系統(tǒng)從單一電源結(jié)構(gòu)變?yōu)閺?fù)雜多電源結(jié)構(gòu),系統(tǒng)潮流的大小和方向發(fā)生巨大改變的配電網(wǎng)的規(guī)劃、系統(tǒng)運(yùn)行、故障分析等試驗(yàn)研究;還可以開展因不同類型和容量的分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)在系統(tǒng)中的位置不同而引起的配電網(wǎng)雙向潮流、電壓不平衡、電能質(zhì)量及繼電保護(hù)等一系列問(wèn)題的試驗(yàn)研究。

5.1 模塊化

對(duì)通用試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行開放性、實(shí)時(shí)性、可持續(xù)發(fā)展性設(shè)計(jì),模擬設(shè)備采用模塊化結(jié)構(gòu),整個(gè)通用試驗(yàn)?zāi)Ｐ腕w現(xiàn)靈活性、便捷性和模塊化的架構(gòu)特點(diǎn),各個(gè)模塊之間可以任意組合,每個(gè)單元均有測(cè)控裝置,模塊組如下。

1)無(wú)窮大模塊—無(wú)窮大電源、變壓器和開關(guān)組。

2)電源模塊—小電源機(jī)組(含新能源)、變壓器和并網(wǎng)開關(guān)組。

3)儲(chǔ)能模塊—儲(chǔ)能單元、變流器和開關(guān)組。

4)負(fù)荷模塊—負(fù)荷開關(guān)、變壓器和負(fù)荷組。

5)開關(guān)模塊—線路開關(guān)、電流電壓互感器組。

6)線路模塊—各種模擬線路元件組。

5.2 通用性

參數(shù)標(biāo)幺值一致且物理特性相同的模型系統(tǒng)具有直觀性、靈活性和系統(tǒng)性等優(yōu)點(diǎn),配電網(wǎng)通用試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿绺戒汢圖B4所示,該通用模型模擬了三個(gè)電壓等級(jí),即110 kV高壓配電網(wǎng)、10 kV中壓配電網(wǎng)、0.4 kV低壓配電網(wǎng),三繞組聯(lián)絡(luò)變壓器的三側(cè)分別連接高、中、低壓配電網(wǎng)。

在高壓配電網(wǎng)中,模擬水力發(fā)電機(jī)01G通過(guò)110 kV雙回路100 km線路,經(jīng)聯(lián)絡(luò)變壓器與無(wú)窮大系統(tǒng)09W相連,可以開展GB/T 26864—2011《電力系統(tǒng)繼電保護(hù)產(chǎn)品動(dòng)模試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)中的線路保護(hù)、變壓器保護(hù)、母線保護(hù)的全部試驗(yàn)內(nèi)容。

在中壓配電網(wǎng)中,無(wú)窮大系統(tǒng)08W經(jīng)多段10 kV線路與無(wú)窮大系統(tǒng)09W相連,通過(guò)調(diào)整的調(diào)壓器09W或者移相器可以調(diào)整輸電線路的無(wú)功功率或者有功功率,模擬線路類型可以通過(guò)線路模塊更換成電纜線路或者架空線路,各段母線上有各種負(fù)荷、風(fēng)機(jī)、光伏、功率型和能量型儲(chǔ)能設(shè)備,11～17 km為模擬環(huán)網(wǎng)柜等。

模型的一次系統(tǒng)采用搭積木方式,二次系統(tǒng)采用組態(tài)方式,這樣試驗(yàn)?zāi)Ｐ挽`活多變,試驗(yàn)過(guò)程方便快捷,具有可持續(xù)發(fā)展性。通過(guò)各種開關(guān)的組合,可以模擬單電源的輻射型、雙電源手拉手式、多電源井字形等典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)進(jìn)行模擬,也可以組合成圖3及附錄B圖B3的模型,可以完成T/CSEE 0027—2017《配電系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動(dòng)化產(chǎn)品動(dòng)模試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》要求的全部試驗(yàn)內(nèi)容。

5.3 多功能

可模擬配電系統(tǒng)中的各種故障特性,如各種短路故障、單相接地、弧光接地、配電變壓器匝間故障等,并具有相應(yīng)的一次、二次側(cè)的輸出接口,方便故障特征分析,檢測(cè)配電網(wǎng)的各種繼電保護(hù)和自動(dòng)化設(shè)備。

1)針對(duì)配電線路短路故障和異常運(yùn)行的線路保護(hù)裝置測(cè)試,包括縱聯(lián)保護(hù)、電流速斷保護(hù)、距離保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)等。

2)針對(duì)配電變壓器短路故障和異常運(yùn)行的變壓器保護(hù)裝置測(cè)試,包括縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、電流速斷保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、阻抗保護(hù)等。

3)針對(duì)配電網(wǎng)在各種運(yùn)行工況下系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線產(chǎn)品測(cè)試,在不同的接地方式下,能夠識(shí)別故障線路且不受線路型式的影響。

4)針對(duì)配電線路各種類型的短路故障,對(duì)饋線自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè),在不同的接線方式下,能及時(shí)診斷出故障區(qū)間并將故障區(qū)間隔離,恢復(fù)對(duì)非故障區(qū)間的供電。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)和研制了含新能源和儲(chǔ)能的配電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)平臺(tái),能模擬電網(wǎng)的各種運(yùn)行狀態(tài)與故障特征,為配電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行、科學(xué)研究與檢測(cè)等多個(gè)環(huán)節(jié)提供技術(shù)支持。能夠進(jìn)一步指導(dǎo)配電網(wǎng)繼電保護(hù)及自動(dòng)化產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用。該平臺(tái)已經(jīng)為國(guó)內(nèi)外科研院所開展了大量科學(xué)試驗(yàn),包括SIEMENS公司的10 kV小電流接地檢測(cè)實(shí)驗(yàn)、GE公司的35 kV復(fù)雜配電網(wǎng)故障定位實(shí)驗(yàn)等。

下一步的工作重點(diǎn)和難點(diǎn)是要進(jìn)一步研制弧光接地試驗(yàn)裝置,使其能準(zhǔn)確模擬電弧非線性電阻的特性,真實(shí)反映配電線路故障的燃弧、拉弧和熄弧的過(guò)程,更適用于諧振接地系統(tǒng)單相弧光接地故障的模擬。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。