20kV配電網(wǎng)異母合環(huán)運行關(guān)鍵技術(shù)研究

深圳前海蛇口自貿(mào)區(qū)供電有限公司 周世海 曾春華

深圳前海蛇口自貿(mào)片區(qū)于2015年4月27日掛牌成立，是中國（廣東）自由貿(mào)易試驗區(qū)的一部分，總占地面積約30km2。前海供電自貿(mào)區(qū)作為現(xiàn)代服務(wù)業(yè)體制機制創(chuàng)新區(qū)、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)發(fā)展集聚區(qū)、香港與內(nèi)地緊密合作的先導區(qū)和珠三角地區(qū)產(chǎn)業(yè)升級的引領(lǐng)區(qū)，將打造成粵港現(xiàn)代服務(wù)業(yè)創(chuàng)新合作示范區(qū)，粵港澳深度合作示范區(qū)和城市新中心。前海供電自貿(mào)區(qū)供電公司為滿足片區(qū)用戶高可靠性的供電需求，努力打造國際先進供電企業(yè)的品牌。提出建設(shè)成技術(shù)先進、清潔高效、安全可靠、環(huán)境友好的現(xiàn)代城市智能配電網(wǎng)，圍繞這一目標，前海供電自貿(mào)區(qū)設(shè)定了以下發(fā)展方向和要求：

一是在前海供電自貿(mào)區(qū)內(nèi)采用全電纜線路供電，降低環(huán)境條件對電網(wǎng)運行穩(wěn)定性的影響；二是前海供電自貿(mào)區(qū)采用220kV直變20kV電壓等級供電，取代傳統(tǒng)的10kV電壓等級，與10kV線路相比輸送容量更大、損耗更小，較大程度節(jié)約用地、減少電網(wǎng)總投資；三是20kV配電網(wǎng)異母合環(huán)運行，線路上單一故障不影響用戶供電，較大的提高用戶供電可靠性；四是根據(jù)政府“碳達峰、碳中和”的總體規(guī)劃，前海供電自貿(mào)區(qū)電網(wǎng)將逐步接入屋頂光伏等可再生能源。

1 異母合環(huán)運行方式概述

前海供電自貿(mào)區(qū)20kV配電網(wǎng)采用二線合環(huán)加聯(lián)絡(luò)的接線方式，如圖1所示。以前海220kV某變電站為例，該變電站總共建設(shè)4臺220kV主變，20kV側(cè)采用單母四分段接線方式，20kV側(cè)兩兩并列運行（如K5、K6開關(guān)合）。并列運行的20kV母線各出一條線路組網(wǎng)形成一個環(huán)，合環(huán)運行。每段20kV母線有專用接地變壓器經(jīng)小電阻接地，為單相接地故障提供零序通路；當20kV異母合環(huán)運行時，同一20kV系統(tǒng)只投入一臺接地變。

圖1 前海片區(qū)20kV系統(tǒng)二線合環(huán)加聯(lián)絡(luò)

一般每組合環(huán)單元通過兩條聯(lián)絡(luò)線與另外兩組合環(huán)單元連接。但在有條件保障合環(huán)單元通過一條聯(lián)絡(luò)線完成跨合環(huán)接線單元轉(zhuǎn)供的情況下只配置一條聯(lián)絡(luò)線，對可靠性要求稍低的區(qū)域只配置一條聯(lián)絡(luò)線。

2 20kV配電網(wǎng)異母合環(huán)運行的風險

20kV配電網(wǎng)異母合環(huán)運行有利有弊，但總體來說利大于弊。20kV配電網(wǎng)合環(huán)后當供電系統(tǒng)發(fā)生單一故障時，環(huán)網(wǎng)內(nèi)用戶供電不受影響。隨著前海區(qū)域配電網(wǎng)合環(huán)改造進程的加快，20kV配電網(wǎng)異母合環(huán)運行模式將逐步推廣，對提高該區(qū)域供電安全性、可靠性將起到很大的促進作用，為智能化電網(wǎng)建設(shè)奠定了堅實的基礎(chǔ)[1]。同時，也存在以下幾個方面的風險。

2.1 環(huán)網(wǎng)潮流的雙向性

20kV配電網(wǎng)異母合環(huán)運行后，母線無電壓差、相位差，但是環(huán)路內(nèi)的主變、線路阻抗不同，也會不同程度出現(xiàn)環(huán)流。環(huán)網(wǎng)的潮流走向與合環(huán)運行兩段20kV母線的總負荷及合環(huán)線路本身負荷情況有關(guān)，隨著不同階段負荷的變化，環(huán)網(wǎng)的潮流方向可能存在不確定性，所以20kV配電網(wǎng)的潮流已經(jīng)不是單向流動。同時，如果各出線會因為線路長度、電纜型號、材質(zhì)、環(huán)境溫度等差異，使各線路的阻抗不同，將會面臨潮流分配不均的問題，阻抗大的線路電流較小，阻抗小的線路電流較大，不利于經(jīng)濟運行，電流大的線路發(fā)熱嚴重，發(fā)生故障的概率變高。

2.2 出線故障時，保護的選擇性不夠

傳統(tǒng)20kV及以下中壓配電網(wǎng)線路的保護標準配置速斷、過流等保護，對于輻射狀配電網(wǎng)保護性能是滿足要求的。前海供電自貿(mào)區(qū)國內(nèi)首創(chuàng)采用20kV配電網(wǎng)異母合環(huán)接線方式，與傳統(tǒng)輻射狀配電網(wǎng)相比存在潮流方向的不確定。假設(shè)還在按照傳統(tǒng)保護配置開展20kV異母合環(huán)運行，將面臨保護選擇性不夠，有可能導致故障范圍擴大，甚至向上一級電網(wǎng)蔓延的風險。如20kV線路速斷定值考慮拉手情況下，對線路末端故障有靈敏度，線路Ⅰ和線路Ⅱ上任意一點故障（如圖2所示），線路Ⅰ和線路Ⅱ保護均會動作。主變兩級后備保護作為母線及出線故障的后備保護，時間與出線配合，任意20kV線路近區(qū)故障，變電站內(nèi)20kV開關(guān)或線路保護拒動，后備保護無法區(qū)分故障點在哪一段母線，主變后備保護會同時啟動，犧牲了選擇性。電流保護整定值的選擇、保護范圍及靈敏系數(shù)受電網(wǎng)運行方式影響很大，很難滿足選擇性、靈敏性及快速切除故障的要求，所以需要尋求新的繼電保護方案滿足前海高供電可靠性需求。

圖2 20kV異母合環(huán)運行

2.3 零序保護可靠性

前海供電自貿(mào)區(qū)20kV系統(tǒng)采用經(jīng)小電阻接地運行方式，各出線均配置了零序保護，為保證零序保護的靈敏性，同一個20kV系統(tǒng)只投入一臺接地變（20kV異母合環(huán)運行即為同一系統(tǒng)），若是高阻抗接地故障，零序電流較小，也會影響零序保護的靈敏性。當接地變本身有故障跳閘或20kV母聯(lián)開關(guān)跳閘時，20kV系統(tǒng)將失去中性點接地，變?yōu)榉墙拥剡\行系統(tǒng)，此時零序保護將失去作用。

2.4 故障導致設(shè)備過載

異母合環(huán)運行，兩臺主變并列運行，當其中一臺主變故障跳閘后，將由其中一臺主變運行供兩段20kV母線全部負荷。20kV出線通常是兩回線路共同承擔環(huán)路的負荷，在其中一回運行線路發(fā)生故障時，由另一回線路運行供環(huán)路全部負荷，有過載的風險。當異母合環(huán)的母聯(lián)開關(guān)因電網(wǎng)原因斷開，而線路二級環(huán)未可靠解環(huán)的情況，也可能會因環(huán)路潮流過大而過負荷。

2.5 系統(tǒng)綜合阻抗變小

20kV配電網(wǎng)異母合環(huán)運行后，20kV系統(tǒng)的短路阻抗約為原來的二分之一，20kV系統(tǒng)故障的短路電流約變?yōu)樵瓉淼膬杀?，使得過流保護的保護范圍變小，同時對設(shè)備的動熱穩(wěn)定性提出更高的要求；短路電流超過斷路器遮斷容量，事故情況下可能斷不開。如20kV線路上級電源來自同一220kV系統(tǒng)，220kV線路距離Ⅱ段定值按保護線路末端故障有靈敏度，且躲過主變低壓側(cè)故障整定。20kV異母合環(huán)運行后，主變綜合阻抗變小，距離Ⅱ段躲不過主變低壓側(cè)故障，有可能造成越級跳閘。

2.6 分布式電源接入的影響

當前，節(jié)能減排、綠色能源、可持續(xù)發(fā)展已成為社會關(guān)注的焦點。近年來，深圳市政府也大力提倡辦公大樓建設(shè)分布式光伏，以提高可再生資源的利用。前海供電自貿(mào)區(qū)20kV配電網(wǎng)作為技術(shù)先進、清潔高效的新型配電網(wǎng)，分布式能源接入數(shù)量也會越來越多，對20kV配電網(wǎng)的潮流、電能質(zhì)量、繼電保護等方面也會有一定的影響。

3 20kV配電網(wǎng)異母合環(huán)運行風險控制措施

3.1 環(huán)路內(nèi)用戶規(guī)劃容量滿足N-1

20kV異母合環(huán)運行的兩臺220kV主變并列運行，為保證其中一臺220kV主變故障跳閘后，另一臺主變能夠帶全部負荷而不過載，那么并列運行兩臺主變負荷只能按一臺主變的容量規(guī)劃，即正常運行方式下主變負荷率不能超過50%。為保證在故障情況下一回線路能夠供環(huán)路內(nèi)的負荷，環(huán)路內(nèi)用戶規(guī)劃容量要求，每個環(huán)路的總負荷不應(yīng)超過單回線路的額定載流量，即正常運行方式下線路負荷率不能超過50%[2]。前海供電自貿(mào)區(qū)在變電站的Ⅰ-Ⅱ分段開關(guān)、Ⅲ-Ⅳ分段開關(guān)各配置1套智能終端裝置，通過硬接點取變低后備保護出口跳20kV分段、接地變保護出口跳20kV分段和異母合環(huán)其他保護出口跳20kV分段信號，再經(jīng)GOOSE網(wǎng)，聯(lián)切配網(wǎng)合環(huán)節(jié)點，可以有效避免20kV母聯(lián)開關(guān)人為斷開等情況，出現(xiàn)因合環(huán)循環(huán)電流過大造成的過載運行的情況。

3.2 20kV配電網(wǎng)異母合環(huán)運行系統(tǒng)保護配置

前海供電自貿(mào)區(qū)配電網(wǎng)異母合環(huán)運行，配網(wǎng)潮流具有雙向性，僅僅配置過流、速斷、零序保護已無法滿足快速、準確隔離故障的要求。電流光纖差動保護具有原理簡單、運行可靠、保護動作迅速、故障范圍明確等優(yōu)點，在110kV及以上電網(wǎng)系統(tǒng)中標配，對保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行起到了很大的作用[3]。電流差動保護基于基爾霍夫定律，檢測差動回路內(nèi)的電流差，能夠非常準確的區(qū)分區(qū)內(nèi)與區(qū)外故障，快速動作跳開故障點各側(cè)開關(guān)，從而隔離故障，達到高靈敏性、高可靠性的要求。經(jīng)過研究分析，為了確保20kV配電網(wǎng)異母合環(huán)能安全可靠運行，前海供電自貿(mào)區(qū)20kV系統(tǒng)主保護采用縱聯(lián)差動保護作為主保護，縱聯(lián)差動保護選用光纖通道；速斷、過流保護作為后備保護。20kV線路發(fā)生任何故障，電流光纖差動保護都能夠快速、準確的跳開線路相鄰兩側(cè)開關(guān)，并且不影響用戶的供電。

為保證在站內(nèi)母線故障及單側(cè)開關(guān)拒動情況下，避免合環(huán)線路充當母聯(lián)，繼續(xù)向故障點提供短路電流，當變電保護動作（除母差保護外）跳開20kV分段開關(guān)時，需通過智能終端，動作跳開合環(huán)線路合環(huán)點開關(guān)及其對側(cè)開關(guān)，實現(xiàn)合環(huán)線路解環(huán)。

20kV母線單相接地故障時，接地變保護動作斷開20kV母聯(lián)開關(guān)和20kV饋線聯(lián)絡(luò)開關(guān)，兩臺主變和各自饋線分列運行，一段帶接地變運行，一段無接地變保護運行；接地變本身有故障跳閘，20kV系統(tǒng)也將失去中性點接地。為保證在這種情況下電網(wǎng)能夠安全穩(wěn)定運行，前海供電自貿(mào)區(qū)20kV母線配置了零序過壓解列裝置，配置兩段零序過壓，一段跳分段并聯(lián)跳配網(wǎng)線路解列點，二段跳主變變低。在接地變不并列運行的情況，能夠可靠切除接地變未投入母線段單相接地故障。

3.3 20kV異母合環(huán)運行抗短路能力校驗

以前海供電自貿(mào)區(qū)某220kV變電站為例，阻抗參數(shù)如圖3所示。

圖3 某220kV變電站等值阻抗圖

一是基準容量?。篠j=100MVA，對應(yīng)20kV系統(tǒng)：Uj=21kV、Ij=2.75kA，220kV系統(tǒng)：Uj=231kV、Ij=0.25kA。

二是該變電站220kV母線短路電流45.38kA，可推算出系統(tǒng)短路阻抗X＊c約0.00551，。

四是該220kV變電站220kV 1#、2#主變并列運行時，20kV出線三相短路：

短路總阻抗：

三相短路電流：

三相短路電流峰值：

綜上，該220kV變電站220kV 1#、2#主變并列運行時，20kV線路三相短路電流最大不超過20kA，20kV出線開關(guān)能夠可靠分閘。若考慮20kV線路末端發(fā)生三相短路，加上線路阻抗后20kV線路三相短路電流會小于18.4kA。通過短路電流計算結(jié)果可以看出，異母合環(huán)運行的兩臺并列運行220kV主變應(yīng)盡量選用阻抗較高的變壓器，或通過加裝限流電抗器等措施將短路電流限制在20kA以內(nèi)，保證電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定。

3.4 20kV系統(tǒng)零序保護校驗

某220kV變電站20kV系統(tǒng)經(jīng)小電阻接地，接地電阻值R=20Ω（暫無接地變零序阻抗數(shù)據(jù)）。同一個20kV系統(tǒng)只投入一臺接地變，20kV母線并列運行時即為一個系統(tǒng)，20kV線路零序電流保護的定值整定為60A。單相接地故障零序電流：

通過計算可以看出，單相接地故障時零序保護有足夠的靈敏度。

3.5 分布式電源接入分析

分布式電源接入20kV配電網(wǎng)能夠接地消納，一定程度上降低線路的負載。已配置了能夠快速切除故障的光纖差動保護，能夠有效應(yīng)對分布式電源接入引起的潮流方向不確定性，提供了技術(shù)保障。對于合環(huán)運行的前海配電網(wǎng)，當一段線路單一故障時，分布式電源仍可通過另一側(cè)并網(wǎng)，不中斷發(fā)電，保證了分布式電源運行的穩(wěn)定性。綜上所述，采取配電網(wǎng)異母合環(huán)運行，在已經(jīng)配置較完善的保護裝置的情況下，分布式能源的接入利大于弊。

4 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，電力負荷增長迅速，人們對供電的可靠性和電能質(zhì)量要求越來越高，更加注重用電體驗感。然而國內(nèi)傳統(tǒng)配電網(wǎng)系統(tǒng)，采用閉環(huán)設(shè)計、開環(huán)運行接線，對于前海供電自貿(mào)區(qū)這種負荷密度大、供電可靠性要求高的區(qū)域，已無法滿足其用電需求。前海供電自貿(mào)區(qū)配電網(wǎng)是一個正在建設(shè)之中的全新配電網(wǎng)，針對其國內(nèi)首創(chuàng)的20kV系統(tǒng)異母合環(huán)運行，以及未來一段時間分布式能源的接入，對電網(wǎng)運行將帶來的影響，都值得長期進行研究探討，以及研究其運行的支撐技術(shù)，為20kV及以下配電網(wǎng)的建設(shè)和運行提供理論指導。鑒于此，筆者基于前海供電自貿(mào)區(qū)20kV配電網(wǎng)系統(tǒng)異母合環(huán)運行現(xiàn)狀，進行了研究探討，希望能為我國電力事業(yè)的發(fā)展做出一些貢獻。