低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R別技術(shù)的真型試驗研究

陳 尚，邵苠峰，李 輝，尹 晶，陳江波，杜 硯，邱 進

（1.中國電力科學(xué)研究院有限公司，武漢 430074；2.電網(wǎng)環(huán)境保護國家重點實驗室，武漢 430074）

0 引言

隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)加快推進，傳統(tǒng)的低壓配電臺區(qū)向低碳安全智能的方向發(fā)展，大量的新能源接入配電臺區(qū)，在提高配電網(wǎng)電力電子化程度的同時，也加大了運行控制難度，因此，低壓配電臺區(qū)需具備感知能力和智能調(diào)控能力，相應(yīng)地對配電網(wǎng)拓?fù)渥R別也提出了更高的要求。配電網(wǎng)拓?fù)涫菍ε潆娋W(wǎng)設(shè)備、線路以及連接關(guān)系的完整描述，是實現(xiàn)配電網(wǎng)智能化應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。完整、一致、準(zhǔn)確、及時、可靠的配電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ图跋嚓P(guān)數(shù)據(jù)能夠為配電網(wǎng)調(diào)度運行、檢修和提升供電服務(wù)提供關(guān)鍵支撐，實現(xiàn)配電網(wǎng)主動搶修、故障自愈等智能化應(yīng)用［1-6］。

早期，電網(wǎng)拓?fù)錂n案的定期校核工作主要依靠一線工作人員逐戶排查完成，校核方式為線變關(guān)系糾錯方式，通常由工作人員手持載波通信儀逐戶校核，這種方式存在人力成本高、效率低、準(zhǔn)確率不高等問題［7-10］。隨著數(shù)字化電網(wǎng)建設(shè)的推進，眾多專家學(xué)者在配網(wǎng)拓?fù)渥R別方面開展了技術(shù)研究，提出載波通信法、脈沖電流法、大數(shù)據(jù)分析法這三類低壓配電臺區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識方法，并進行了深入研究。文獻［11-13］基于載波通信技術(shù)的臺區(qū)用戶識別儀采用點對點通信方式來測試臺區(qū)用戶，利用電力線載波信號沿著線路傳播，在同一變壓器下更容易成功通信。集中器發(fā)送的載波信號可以被本臺區(qū)接收，但是通常不能被其他臺區(qū)接收，由此可判斷用戶智能電表是否屬于該臺區(qū)。文獻［14-16］采用脈沖電流技術(shù)時，須使用鉗形電流夾或者柔性線圈配合。采用拓?fù)渥R別儀進行拓?fù)湫ｒ炐枰黾釉O(shè)備投資，存在“共高壓串?dāng)_”“共地串?dāng)_”等問題，影響識別準(zhǔn)確率，識別工作量較大，識別工作效率較低。文獻［17-19］利用相關(guān)性分析方法、線性規(guī)劃、知識圖譜等大數(shù)據(jù)方法實現(xiàn)用戶所屬臺區(qū)及相別的辨識，但以上方法都是從仿真的角度出發(fā)，未對拓?fù)渥R別方法進行真實的臺區(qū)拓?fù)渥R別試驗。在目前實際工程中運用最多的是載波通信法。本文在武漢特高壓交流試驗基地建立了低壓配電網(wǎng)安全真型試驗平臺，提出了基于載波通信的低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R別技術(shù)試驗方案，通過多維度真型試驗驗證了載波通信的有效性以及該平臺的實用性。

1 新一代低壓配電網(wǎng)安全真型試驗平臺

目前，國內(nèi)外高校以及各網(wǎng)省公司建立了多種真型試驗平臺，但主要集中在中壓配電網(wǎng)真型試驗平臺。文獻［20］構(gòu)建了包含物理模擬、數(shù)字模擬的多電源配電自動化終端一體化檢測平臺，但無法涵蓋所有配網(wǎng)設(shè)備，檢測設(shè)備較為單一。文獻［21］根據(jù)真實使用環(huán)境安裝了現(xiàn)場配網(wǎng)柱上開關(guān)設(shè)備及其控制器，進而模擬真實的架空配電系統(tǒng)，但由于采用的是模擬系統(tǒng)，無法達(dá)到真實試驗的效果?？梢姡?dāng)前對于低壓臺區(qū)真型試驗平臺仍處于空白階段。

在武漢特高壓交流試驗基地建設(shè)的新一代低壓配電網(wǎng)安全真型試驗現(xiàn)場如圖1所示，主要由配電變壓器臺區(qū)、300 m 的0.4 kV 架空線/電纜、電纜分支箱、100 m的支線電纜、智能配變終端、智能開關(guān)、智能電表、低壓智能故障傳感器、用戶負(fù)荷、充電樁以及智慧安全用電實證測試艙組成，網(wǎng)架可通過臺區(qū)及開關(guān)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)單輻射、樹狀等多種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，具有完整的配網(wǎng)低壓側(cè)供電網(wǎng)絡(luò)。

圖1 新一代低壓配電網(wǎng)安全真型試驗現(xiàn)場

本平臺能復(fù)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)正常運行工況和三相負(fù)荷不平衡、低電壓、過負(fù)荷等異常工況，可靈活選取與接入故障點，在任意位置真實復(fù)現(xiàn)單相接地、短路、缺相、斷零等各類故障；可實現(xiàn)低壓拓?fù)渥詣幼R別、低壓故障定位、電壓質(zhì)量治理及電動汽車有序充電等高級功能的測試與驗證；可有效檢驗智能開關(guān)和智能融合終端等設(shè)備的高級應(yīng)用功能，滿足新型數(shù)字化配電網(wǎng)建設(shè)需求，對提升我國配電網(wǎng)用戶側(cè)供電可靠性具有重要意義。

2 低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R別試驗方案

低壓配電網(wǎng)位于電網(wǎng)的末端，是電網(wǎng)與用戶連接的重要環(huán)節(jié)。低壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分支較多，具有閉環(huán)設(shè)計、開環(huán)運行、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)輻射狀的特點。針對低壓配電網(wǎng)的網(wǎng)架特點以及新一代低壓配電網(wǎng)安全真型試驗平臺的自動化裝置布置情況，提出低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R別技術(shù)試驗方案。

本試驗方案驗證在典型網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下、多臺區(qū)擾動、低壓故障跳閘時，載波通信的拓?fù)渥R別方法的準(zhǔn)確性和自適應(yīng)性。如表1所示，試驗主要分為網(wǎng)架變化拓?fù)渥R別、短路故障抗干擾拓?fù)渥R別、接地故障抗干擾拓?fù)渥R別、多臺區(qū)擾動拓?fù)渥R別4個項目，其中多臺區(qū)擾動拓?fù)渥R別試驗包括多臺區(qū)接地故障擾動拓?fù)渥R別試驗、多臺區(qū)短路故障擾動拓?fù)渥R別試驗、多臺區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化擾動拓?fù)渥R別試驗、多臺區(qū)負(fù)荷擾動拓?fù)渥R別試驗。

表1 低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R別技術(shù)實證試驗項目

通過對低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R別技術(shù)的研究，針對低壓配電臺區(qū)實際運行中最為常見的故障類型給出了試驗方案，平臺采用低壓故障靈活復(fù)現(xiàn)技術(shù)，真實復(fù)現(xiàn)了低壓臺區(qū)中最普遍的短路故障和接地故障。

2.1 短路故障復(fù)現(xiàn)技術(shù)

如圖2所示，分別在第二級A2、第三級A3和第四級A4開關(guān)出線處復(fù)現(xiàn)短路故障，當(dāng)需要在某一級發(fā)生短路故障時，將對應(yīng)層級的短路開關(guān)合閘。同時，通過使用多個5 Ω大功率電阻串、并聯(lián)的方式獲取試驗所需要的短路電流，可實現(xiàn)60～2 000 A 短路電流分級可調(diào)。連接電纜均采用240 mm2截面積單芯銅芯電纜。采用以上技術(shù)可實現(xiàn)靈活復(fù)現(xiàn)各級短路故障。

圖2 短路故障復(fù)現(xiàn)原理圖

2.2 接地故障復(fù)現(xiàn)技術(shù)

分別在圖3中第二級A2、第三級A3、第四級A4開關(guān)出線處復(fù)現(xiàn)接地故障，在第二、第三、第四級開關(guān)T 接接地故障過渡電阻。試驗開始時，接地故障開關(guān)初始狀態(tài)均為分閘，需要開展單相接地故障試驗時，將對應(yīng)層級的接地開關(guān)合閘實現(xiàn)接地故障觸發(fā)。采用以上技術(shù)可靈活復(fù)現(xiàn)各級短路故障。本次試驗?zāi)M人體觸電、電纜進水等真實故障，主要包括單相經(jīng)金屬和500 Ω、1 000 Ω、2 000 Ω電阻接地。

圖3 接地故障復(fù)現(xiàn)原理圖

低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R別技術(shù)試驗方案可驗證在典型網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下發(fā)生各種情況時，拓?fù)渥R別方法的準(zhǔn)確性和自適應(yīng)性。

3 低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R別技術(shù)真型試驗

本次試驗進行了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化拓?fù)渥R別、短路故障抗干擾拓?fù)渥R別、接地故障抗干擾拓?fù)渥R別和多臺區(qū)擾動拓?fù)渥R別4個項目。在真型試驗平臺網(wǎng)架各節(jié)點位置安裝智能開關(guān)、智能電表、智能融合終端等網(wǎng)架結(jié)構(gòu)拓?fù)渥R別所需裝置和設(shè)備接線，并進行設(shè)備調(diào)試。將平臺負(fù)載投入運行，主站監(jiān)控界面中顯示各個設(shè)備的電壓電流值。正確讀取拓?fù)渚W(wǎng)架中的電壓電流值后，確認(rèn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，待通電系統(tǒng)穩(wěn)定后識別0.4 kV 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，上召完成后，低壓交流智能臺區(qū)試驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控窗口（以下簡稱“監(jiān)控窗口”）加載顯示拓?fù)潢P(guān)系圖形，正常運行時網(wǎng)架拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 拓?fù)渥R別正常運行時網(wǎng)架拓?fù)?/p>

3.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化拓?fù)渥R別試驗

移除斷開圖3 中A2-2 的智能開關(guān)及下含分支，使臺區(qū)1只有1個分支接入，如圖5所示（紅色圓圈部分）。改變網(wǎng)架結(jié)構(gòu)后進行拓?fù)渥R別，監(jiān)控窗口顯示為A2-2斷開時網(wǎng)架拓?fù)洌醋R別正確。

圖5 斷開A2-2智能開關(guān)

分別在A2-2、A3-2、A4-3、A4-4處進行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化拓?fù)渥R別試驗，4次試驗均成功識別出網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，正確率為100%。

3.2 短路故障抗干擾拓?fù)渥R別試驗

1）臺區(qū)1的A2-2 短路故障復(fù)現(xiàn)后進行拓?fù)渥R別，監(jiān)控窗口顯示臺區(qū)1的A2-2短路故障時網(wǎng)架拓?fù)洌R別正確。

2）切除臺區(qū)1的A2-2復(fù)現(xiàn)的短路故障，待通電系統(tǒng)穩(wěn)定，在試驗系統(tǒng)臺區(qū)1的A3-3復(fù)現(xiàn)短路故障后進行拓?fù)渥R別，監(jiān)控窗口顯示為臺區(qū)1 的A3-3短路故障時網(wǎng)架拓?fù)?，即識別正確。

共進行了4 次短路故障抗干擾拓?fù)渥R別試驗，均成功識別網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，正確率為100%。

3.3 接地故障抗干擾拓?fù)渥R別試驗

1）在臺區(qū)1的A1-2 接地故障后，進行拓?fù)渥R別，接地故障現(xiàn)場如圖6所示，監(jiān)控窗口顯示為臺區(qū)1的A1-2接地故障時網(wǎng)架拓?fù)?，即識別正確。

圖6 接地故障現(xiàn)場接線

2）切除臺區(qū)1的A1-2 接地故障，待通電系統(tǒng)穩(wěn)定，在試驗系統(tǒng)臺區(qū)1的A2-1復(fù)現(xiàn)接地故障后進行拓?fù)渥R別，監(jiān)控窗口顯示為臺區(qū)1的A2-1短路故障時網(wǎng)架拓?fù)?，即識別正確。

共進行了4 次接地故障抗干擾拓?fù)渥R別試驗，均成功識別網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，正確率為100%。

3.4 多臺區(qū)擾動拓?fù)渥R別試驗

1）低壓配電網(wǎng)安全真型試驗共有4個臺區(qū)，設(shè)置臺區(qū)運行數(shù)量為2臺，確認(rèn)2個臺區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)無誤，待通電系統(tǒng)穩(wěn)定，在試驗系統(tǒng)臺區(qū)2 的A1-2復(fù)現(xiàn)接地故障后進行拓?fù)渥R別，監(jiān)控窗口顯示臺區(qū)2（下文涉及的臺區(qū)2 均為此臺區(qū)）A1-2 發(fā)生接地時網(wǎng)架拓?fù)?，即識別正確。

2）切除臺區(qū)2的A1-2接地故障，待通電系統(tǒng)穩(wěn)定，在試驗系統(tǒng)臺區(qū)2的A3-1復(fù)現(xiàn)短路后進行拓?fù)渥R別，監(jiān)控窗口顯示臺區(qū)2的A3-1發(fā)生短路故障時網(wǎng)架拓?fù)洌醋R別正確。

3）切除臺區(qū)2 的A3-1短路故障，待通電系統(tǒng)穩(wěn)定后，改變試驗系統(tǒng)臺區(qū)2 的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，斷開A2-2與臺區(qū)的連接后進行拓?fù)渥R別，監(jiān)控窗口顯示網(wǎng)架為斷開臺區(qū)2的A2-2時網(wǎng)架拓?fù)?，即識別正確。

4）恢復(fù)臺區(qū)2 的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，待通電系統(tǒng)穩(wěn)定，將試驗系統(tǒng)臺區(qū)2 的負(fù)荷由0 MW 升至0.25 MW后進行拓?fù)渥R別，監(jiān)控窗口顯示為負(fù)荷為0.25 MW時網(wǎng)架拓?fù)?，即識別正確。

共進行了4次多臺區(qū)擾動拓?fù)渥R別試驗，均成功識別網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，正確率為100%。

本次開展了4 個項目共計16 次試驗，試驗通過指標(biāo)設(shè)置，拓?fù)渥R別通過率為95%以上。通過本次試驗的4個項目，驗證了基于載波通信的拓?fù)渥R別方法均能正確識別拓?fù)渚W(wǎng)架結(jié)構(gòu)，正確率為100%。

4 結(jié)語

本文歸納總結(jié)了目前臺區(qū)拓?fù)渥R別方法，并針對現(xiàn)有方法未在真實線路上進行過實證的問題，搭建了新一代低壓配電網(wǎng)安全真型試驗平臺。該平臺可實現(xiàn)低壓拓?fù)渥詣幼R別、低壓故障定位、電壓質(zhì)量治理及電動汽車有序充電等高級功能的測試與驗證，可有效檢驗智能開關(guān)和智能融合終端等設(shè)備的高級應(yīng)用功能。本文提出了低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R別技術(shù)試驗方案，開展了低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥R別技術(shù)真型試驗，驗證了基于載波通信的拓?fù)渥R別方法的有效性以及平臺的先進性。下一步可開展配電臺區(qū)新型設(shè)備測試全覆蓋工作，使平臺功能對所有配電臺區(qū)設(shè)備具有普適性，進而通過試驗實現(xiàn)配電新型設(shè)備試驗規(guī)范化，促進配電新型設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化。