配電自動化在自愈式電網(wǎng)中的應(yīng)用

姜 鵬

(黑龍江省林業(yè)設(shè)計研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

大多數(shù)用戶停電是由電力系統(tǒng)配電部分發(fā)生短路(故障)引起的。電網(wǎng)中個別輸電線路上的單一故障通常不會導(dǎo)致用戶長時間的電力損失，由于傳輸網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)化(mesh)配置在大多數(shù)情況下用戶都會經(jīng)由多個獨立的輸電線路供電。如果一條輸電線路發(fā)生故障，電力將通過輸電網(wǎng)絡(luò)的其他路徑流向配電系統(tǒng)的用戶。一些變電站可能由輻射式網(wǎng)絡(luò)供電，因此其中一個分接頭的故障可能會中斷客戶服務(wù)。然而，除非變電站規(guī)模很小否則它很可能由多條輸電線路供電，因此，如果一條供電線路發(fā)生故障，則通過該電路供電的客戶將通過自動故障轉(zhuǎn)移控制電路迅速轉(zhuǎn)移到備用電源供電[1]。

配電饋線故障通常會導(dǎo)致短時間內(nèi)失去電力服務(wù)。這是因為幾乎所有的配電饋線本質(zhì)上都是單側(cè)電源輻射式供電的，即在任何給定的時間只提供一個電源的連接。然而，只要有備用電源存在并且備用電源有足夠的容量，就可以將故障饋線所帶的全部或者是一部分負(fù)載轉(zhuǎn)移到備用電源。饋線故障后恢復(fù)服務(wù)所需的切換基本由現(xiàn)場工作人員手動執(zhí)行，通過添加新的控制和通信設(shè)施可以使這一過程自動化，這是使用配電自動化創(chuàng)建“自愈”配電網(wǎng)的原理[2]。

1 配電饋線故障的性質(zhì)

當(dāng)配電線路發(fā)生永久性故障時，保護(hù)裝置檢測故障并觸發(fā)故斷路器跳閘。配電饋線上發(fā)生的許多故障，如配電線路與動植物的接觸，短路電流會使故障燃燒干凈，達(dá)到整定延遲時間后斷路器跳閘，消除由此產(chǎn)生的自由空氣電弧。如果原始故障完全排除，且沒有配電設(shè)備因短路電流而損壞，則利用自動重合閘將在與重合閘相關(guān)的短暫中斷(通常為5～15s)后成功恢復(fù)對受影響客戶的服務(wù)。在某些情況下，自動重合閘過程會重復(fù)多次。但是，如果故障不能自行清除或故障電流對電力設(shè)備造成永久性損壞，現(xiàn)場工作人員必須手動干預(yù)以恢復(fù)服務(wù)[3]。

手動恢復(fù)服務(wù)的過程中，即使是連接到配電饋線未受損部分的客戶，也可能經(jīng)歷持續(xù)數(shù)小時的斷電，因為現(xiàn)場工作人員需要前往相關(guān)饋線，并沿著饋線進(jìn)行搜索(巡查)以找到受損區(qū)域。在進(jìn)行損壞評估后，現(xiàn)場工作人員可以選擇維修損壞的設(shè)備或手動斷開相應(yīng)開關(guān)來隔離損壞的設(shè)備。一旦受損區(qū)域被物理隔離，并采取了安全保護(hù)措施后(安全接地、掛鎖開關(guān)機構(gòu)等)，可以手動恢復(fù)饋線的“正?！?未損壞)部分的電源。這一過程平均需要45～75min，在交通困難地區(qū)可能需要更長的時間[4]。

配電自動化(DA)提供了一種機制，可以在不到1分鐘的時間內(nèi)恢復(fù)對饋線未受損部分的客戶的供電，從而減少這些客戶的停電時間。在大多數(shù)情況下，整體可靠性改善將達(dá)到或超過50%，這就是“自愈”網(wǎng)格的本質(zhì)[5]。

2 基于FLISR的服務(wù)自動恢復(fù)

FLISR應(yīng)用功能可自動檢測到發(fā)生的故障定位故障(在兩個中壓開關(guān)之間)，發(fā)出控制命令以斷開連接損壞區(qū)域的開關(guān)隔離故障區(qū)段，然后關(guān)閉其他開關(guān)(如有可能)，以恢復(fù)正常部分的供電。目前最先進(jìn)的技術(shù)允許所有這些操作在非人工干預(yù)的情況下完成(全自動控制)[6]。

2.1 故障檢測

FLISR應(yīng)僅在饋線本身或正常供電設(shè)施發(fā)生短路(故障)后運行。當(dāng)饋線因手動開關(guān)操作或因觸發(fā)低頻低壓減負(fù)荷操作而斷電時，F(xiàn)LISR不應(yīng)運行。為了滿足這一要求，當(dāng)檢測到故障電壓電流時，需要一個或多個故障檢測器來觸發(fā)FLISR操作。通常的做法是使用變電站中的保護(hù)繼電器智能電子裝置(IED)或帶有獨立保護(hù)設(shè)施的線路重合閘來確定配電饋線是否發(fā)生故障，然后提供信號觸發(fā)FLISR操作[7]。

2.2 故障定位

確定包含故障的饋線的“區(qū)段”。在本討論中，F(xiàn)LISR“部分”是由遠(yuǎn)程控制開關(guān)限定的饋線部分。每個開關(guān)都包括一個故障指示器(FCI)，用于確定最近是否有故障電流通過開關(guān)。FLISR使用故障指示器狀態(tài)指示和運行饋線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來確定哪個部分出現(xiàn)故障。故障區(qū)段由一個“看到”故障的FCI和一個或多個未“看到”故障的FCI所包圍[8]。

2.3 故障隔離

根據(jù)上述故障定位分析，F(xiàn)LISR發(fā)出控制命令，打開所需的開關(guān)以完全隔離饋線受損部分。通常情況下，F(xiàn)LISR推遲這些控制動作直到完成標(biāo)準(zhǔn)自動重合閘程序。這可確保僅在永久性故障后才通過FLISR重新配置饋線(如果故障是自清除的“臨時”故障，則不應(yīng)重新配置饋線)[9]。

2.4 服務(wù)恢復(fù)

一旦饋線的受損部分被隔離，F(xiàn)LISR將嘗試通過可用的電源恢復(fù)饋線中盡可能多的“健康”部分的服務(wù)?？捎秒娫窗伨€的正常電源，以及通過常開遠(yuǎn)程控制聯(lián)絡(luò)開關(guān)連接至故障饋線的任何可用備用電源。FLISR比較每個“正?！别伨€部分的故障前負(fù)荷，然后將該負(fù)荷與備用電源上的備用容量進(jìn)行比較。如果有足夠的容量，則關(guān)閉聯(lián)絡(luò)開關(guān)以恢復(fù)服務(wù)。如果沒有足夠的容量，在現(xiàn)場工作人員到達(dá)現(xiàn)場之前，相關(guān)部分將保持?jǐn)嚯姞顟B(tài)[10]。

3 行業(yè)趨勢和問題

3.1 在FLISR開關(guān)中使用重合閘與負(fù)載斷路開關(guān)

FLISR可以通過故障中斷重合閘或無故障中斷能力的斷路器來實現(xiàn)。對于負(fù)載斷路器，故障中斷由變電站內(nèi)斷路器處理，因此當(dāng)發(fā)生故障時整個饋線都會發(fā)生電源中斷。當(dāng)使用重合器時，除了故障發(fā)生在饋電線路首端導(dǎo)致整條饋電線路斷電之外，其他情況下饋電線路只有部分區(qū)段會停電。目前的行業(yè)趨勢是使用重合閘，因為近年來重合閘和負(fù)荷斷路開關(guān)之間的價差已經(jīng)大大降低[11]。

3.2 安全事項

維護(hù)現(xiàn)場工作人員和公眾的安全始終是FLISR的首要要求，通常的做法是在進(jìn)行帶電作業(yè)時禁用FLISR操作，另一項安全措施是確保所有FLISR開關(guān)關(guān)閉活動在2～3min內(nèi)完成。

3.3 集中式與分散式體系結(jié)構(gòu)

當(dāng)前有多種可行的產(chǎn)品可用于實施FLISR。這包括使用集中式架構(gòu)(主FLISR邏輯駐留在位于控制中心或IT數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器上)或分散式架構(gòu)(主邏輯駐留在位于變電站和桿/墊安裝外殼中的處理器中)的FLISR系統(tǒng)。分散式方法的顯著優(yōu)點是不需要實際運行的配電系統(tǒng)模型，非常適合于處理中小型的饋線。集中式方法通常首選于包括高滲透分布式能源的饋線和可能經(jīng)常為負(fù)載平衡或其他目的而重新配置的饋線。

3.4 分布式能源的影響

可提供故障電流的大型分布式發(fā)電機使FLISR的實施變得非常復(fù)雜。位于故障饋線段下游的柴油發(fā)電機組的故障電流可能導(dǎo)致錯誤的故障定位，在這種情況下，可能需要提供具有判斷故障電流方向的FCI來正確識別故障饋線部分。分布式發(fā)電機的供電也可能導(dǎo)致錯誤的故障前負(fù)荷計算，例如，在故障發(fā)生之前，發(fā)電機可能會提供一部分負(fù)荷，從而減少故障前由電網(wǎng)提供的負(fù)荷。當(dāng)故障發(fā)生時，柴油發(fā)電機組將斷開，從而增加恢復(fù)后需要電網(wǎng)供電的負(fù)荷，由此產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)移可能會使備用電源過載，導(dǎo)致其過載跳閘。

4 應(yīng)對措施

4.1 業(yè)務(wù)恢復(fù)的閉環(huán)控制

在大多數(shù)情況下，故障檢測和隔離是以全自動的方式進(jìn)行處理的，而服務(wù)恢復(fù)(通常是一項更困難和風(fēng)險更大的任務(wù))則是在“咨詢”模式下進(jìn)行的。在這種模式下，操作員根據(jù)FLISR建議的切換做出最終的控制決策。由于需要防止過載、欠壓以及饋線重新配置后的其他不利后果，恢復(fù)供電是目前為止最困難的任務(wù)。大多數(shù)分散安裝使用全自動方法，而大多數(shù)集中系統(tǒng)是半自動或手動的。

4.2 饋線重構(gòu)后的操作

隨著系統(tǒng)在智能電網(wǎng)部署方面取得進(jìn)展，由于恢復(fù)服務(wù)以外的原因而重新配置饋線的情況將更加頻繁。最好的例子是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)(ONR)，它包括改變互連配電饋線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以平衡負(fù)載、降低電損耗、改善電壓質(zhì)量和其他目的。當(dāng)配電饋線處于“異?！迸渲脮r，早期的FLISR部署被禁用。新的設(shè)計能夠更新修改后的配置為“新常態(tài)”，并繼續(xù)運行。還需要進(jìn)一步的工作來確保FLISR和ONR完全集成，并與外部應(yīng)用(如電壓無功優(yōu)化)保持一致。

4.3 減少需求技術(shù)在重負(fù)荷饋線恢復(fù)中的應(yīng)用

多年來，大多數(shù)地區(qū)的饋線負(fù)荷都在增加，而且從重負(fù)載的備用饋線恢復(fù)供電越來越困難。因此，由于負(fù)載和欠壓問題，服務(wù)恢復(fù)通常會受阻。解決這個問題的一種方法是安裝更多的遠(yuǎn)程控制開關(guān)，使饋線能夠被分成更小的負(fù)載塊，這樣可以更容易地傳輸而不會使備用電源過載。但是，增加更多的開關(guān)或增加容量可能會導(dǎo)致成本過高，另一種可能性是通過儲能裝置、柴油發(fā)電機組觸發(fā)快速需求響應(yīng)控制動作來降低負(fù)載率。

5 結(jié)論

通過分析FLISR在自愈式電網(wǎng)中的作用，雖然FLISR有一些需要改進(jìn)的方面，但是在縮短配電網(wǎng)事故停電時間、快速恢復(fù)非故障線路供電、提高供電可靠性、減輕調(diào)度運檢人員工作壓力方面有著廣闊的前景。