基于混合仿真模式的典型雙環(huán)型配電網(wǎng)自愈策略及試驗(yàn)分析

褚雯雯 ，白東壯 ，焦 濤 ，王顯力

（1. 國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司培訓(xùn)中心，河北 保定 071000; 2. 北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京 海淀 100080）

雙環(huán)網(wǎng)供電是目前在城市配電網(wǎng)建設(shè)中一種較為先進(jìn)的供電模式。其具有高供電可靠性、合理的投資運(yùn)維成本，停電故障率低等特點(diǎn)。在綜合考慮各種供電模式的影響因素后，該供電模式被國(guó)內(nèi)城市配電網(wǎng)建設(shè)普遍接受并逐步推廣。

雙環(huán)網(wǎng)供電方式，當(dāng)某一處電源線路故障或檢修無法供電時(shí)，可以切入到另一條正常供電的線路，在其他線路供電負(fù)荷沒有極大提升的情況下，恢復(fù)正常供電。其中，在配電網(wǎng)中融入故障自愈技術(shù)，可以自動(dòng)快速的恢復(fù)供電，整個(gè)過程不需要人工干預(yù)，全部由智能系統(tǒng)自動(dòng)完成，從而進(jìn)一步提升了供電可靠性[1]。

1 典型雙環(huán)型配電網(wǎng)

1.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)化的典型雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要方便進(jìn)行混合仿真搭建與測(cè)試。其中變電站S1有一條出線，手拉手連接A開關(guān)站、B開關(guān)站，并與S4變電站連接。A、B開關(guān)站分別有兩段母線，配置分段開關(guān)。正常運(yùn)行時(shí)，可以存在不同點(diǎn)的開環(huán)狀態(tài)，A、B開關(guān)站的分段開關(guān)處于斷開狀態(tài)[2]。

圖1 雙環(huán)型配電網(wǎng)拓?fù)涫疽?/p>

1.2 混合仿真搭建

對(duì)于雙環(huán)網(wǎng)自愈邏輯的測(cè)試，選擇混合仿真的模式搭建。二次保護(hù)及自愈設(shè)備采用與現(xiàn)場(chǎng)一致的真實(shí)的站內(nèi)裝置，一次設(shè)備及潮流模擬加載選擇用仿真部分實(shí)現(xiàn)，既保持與現(xiàn)場(chǎng)的一致性，又盡可能的減少場(chǎng)地和投資占比，從而搭建起一套可以用于雙環(huán)網(wǎng)調(diào)試、測(cè)試、培訓(xùn)的應(yīng)用平臺(tái)。

1.2.1 保護(hù)配置

環(huán)內(nèi)主干線路選用差動(dòng)保護(hù)裝置，即101與102之間、103與104之間、105與401之間配置光差保護(hù)；分支線路選用過流保護(hù)，即A開關(guān)站106、108間隔，B開關(guān)站107、109間隔，配置過流保護(hù)；開關(guān)站母線配置母線保護(hù)，當(dāng)開關(guān)站發(fā)生母線故障時(shí)，跳開本段母線上所有間隔；同時(shí)開關(guān)站內(nèi)配置備自投裝置，隔離和恢復(fù)非故障段負(fù)荷供電。每座開關(guān)站內(nèi)配置一套分布式配電保護(hù)自愈裝置，用于雙環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)自愈執(zhí)行。

1.2.2 仿真配置

其中，一次設(shè)備按照間隔配置相應(yīng)的模擬斷路器設(shè)備。模擬系統(tǒng)運(yùn)行的二次電流電壓值采用放大器提供，按照上述典型結(jié)構(gòu)搭建電網(wǎng)模型，通過配電網(wǎng)的電磁暫態(tài)計(jì)算輸出計(jì)算值，通過放大器裝置加載至各二次設(shè)備，從而模擬實(shí)現(xiàn)整個(gè)雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。

同時(shí)考慮建設(shè)成本及實(shí)際的測(cè)試需求，本環(huán)境搭建完成上述S1站-A開關(guān)站-B開關(guān)站-S4站此一環(huán)的模擬及配置建設(shè)。圖1中紅色虛線框區(qū)域?yàn)楸敬位旌戏抡婺M建設(shè)部分。

1.2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

按照數(shù)字仿真 + 真實(shí)設(shè)備的仿真模式，構(gòu)建雙環(huán)網(wǎng)的運(yùn)行測(cè)試平臺(tái)，如圖2所示。

圖2 混合仿真系統(tǒng)架構(gòu)

2 自愈策略與分析

2.1 自愈邏輯

以本次混合仿真模擬部分為例進(jìn)行描述。

首先沿S1至S4方向環(huán)進(jìn)環(huán)出主干線路開關(guān)依次定義該開關(guān)站的間隔1和間隔2開關(guān)，分段開關(guān)為間隔3開關(guān)。對(duì)于A開關(guān)站，102開關(guān)為間隔1開關(guān)，103開關(guān)為間隔2開關(guān)，501開關(guān)為間隔3開關(guān)。對(duì)于B開關(guān)站，104開關(guān)為間隔1開關(guān)，105開關(guān)為間隔2開關(guān)，502開關(guān)為間隔3開關(guān)。本房母線分別指的是對(duì)應(yīng)A、B開關(guān)站的I母。本房這里指對(duì)應(yīng)的配電房或開關(guān)站。

自愈邏輯跟運(yùn)行方式有關(guān)，須滿足自愈裝置的充電邏輯，裝置才會(huì)動(dòng)作。

2.1.1 105開環(huán)

圖3中F1-F9為可模擬的故障點(diǎn)位。105開關(guān)處于分閘位置。

圖3 105開環(huán)運(yùn)行狀態(tài)及故障點(diǎn)

對(duì)于自愈裝置，其充電邏輯需滿足：本房母線三相有壓，這里指B開關(guān)站I母有壓，同時(shí)有壓無壓判斷是指的線電壓，以下相同。本房間隔1開關(guān)在合位，即104開關(guān)合位。本房間隔2開關(guān)在分位，即105開關(guān)分位。下游相鄰房母線三相有壓，這里指S4站母線有壓，本實(shí)驗(yàn)?zāi)MS4站正常帶電，即其母線有壓；通過上述分析，充電邏輯滿足。

本房、下游相鄰房母線均不滿足有壓條件，試驗(yàn)前，檢查本房及下游母線是否有壓。本房母線保護(hù)動(dòng)作，在正常運(yùn)行時(shí)，裝置母線保護(hù)不動(dòng)作，不滿足放電條件。本房失靈保護(hù)動(dòng)作，同樣正常運(yùn)行時(shí)，裝置失靈保護(hù)不動(dòng)作，不滿足放電條件。本房間隔2保護(hù)動(dòng)作，同理正常運(yùn)行，保護(hù)不動(dòng)作，不滿足放電條件。本房間隔2開關(guān)合位經(jīng)200 ms，當(dāng)前105開環(huán)，非合位狀態(tài)，不滿足放電條件。發(fā)自愈合閘命令后經(jīng)200 ms，同上，不滿足放電條件。下游相鄰房間隔1分位，試驗(yàn)前檢查401開關(guān)是否處于合位。下游相鄰房母線保護(hù)動(dòng)作，同上。下游相鄰房失靈保護(hù)動(dòng)作，同上。下游相鄰房間隔1保護(hù)動(dòng)作，同上。串供回路上間隔1、間隔2開關(guān)任一個(gè)TWJ異常，在試驗(yàn)前，保證TWJ正常。串供回路上間隔1、間隔2開關(guān)人一個(gè)TA斷線，試驗(yàn)前，保證TA回路正常。串供回路上間隔1、間隔2開關(guān)任一開關(guān)檢修，試驗(yàn)前，開關(guān)在正常應(yīng)用狀態(tài)。串供回路上除開環(huán)點(diǎn)為的間隔1、間隔2開關(guān)任一個(gè)開關(guān)手跳，試驗(yàn)前，不做相關(guān)手跳操作。串供回路上任一個(gè)配電房接收GOOSE異常，試驗(yàn)前，檢查各自愈裝置，無GOOSE接收異常。首端變電站發(fā)閉鎖自愈信號(hào)，或尾端變電站發(fā)閉鎖自愈信號(hào)，試驗(yàn)前，檢查是否有閉鎖自愈開入。串供回路上任一配電房或變電站側(cè)的母線TV三相斷線告警，試驗(yàn)前，檢查TV回路，保證各母線電壓有值。拓?fù)浔Ｗo(hù)跳閘時(shí)，串供回路上間隔1、間隔2后備保護(hù)動(dòng)作開入，試驗(yàn)前，無動(dòng)作開入。串供回路上任一配電房的自愈整定控制字、或功能硬壓板、或功能軟壓板任一個(gè)退出，試驗(yàn)前，檢查壓板狀態(tài)，保證自愈功能投入。

105開環(huán)狀態(tài)下充放電邏輯框圖如圖4所示。

圖4 105開環(huán)狀態(tài)下充放電邏輯框圖

通過上述檢查，首先滿足充電邏輯，同時(shí)還必須排除放電邏輯，在經(jīng)過裝置的整定時(shí)間后，自愈充電燈點(diǎn)亮。

動(dòng)作邏輯分析：分析B開關(guān)站自愈裝置的動(dòng)作邏輯，當(dāng)上游失電時(shí)，收到上游自愈啟動(dòng)信號(hào)，本房母線三相無壓，本房間隔1無流，下游相鄰房母線最大線電壓有壓，自愈起動(dòng)，經(jīng)自愈合閘時(shí)間后合間隔2，即合105開關(guān)，如圖5所示。

圖5 105開環(huán)狀態(tài)下跳閘邏輯框圖

當(dāng)下游失電時(shí)，收到下游自愈啟動(dòng)信號(hào)，下游相鄰房母線三相無壓，本房母線最大線電壓有壓，自愈起動(dòng)，經(jīng)自愈合閘時(shí)間后合間隔2，即合105開關(guān)。因B開關(guān)站在本次的仿真建設(shè)中，不存在下游的自愈裝置，故無法收到下游的自愈啟動(dòng)信號(hào)，且本身105開關(guān)在開環(huán)狀態(tài)，故下游失電，對(duì)本自愈裝置無影響。

2.1.2 104開環(huán)

與圖3中105開環(huán)類似，當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)為105開關(guān)處于合閘位置，104開關(guān)處于分閘位置。

其充放電條件基本相同，不同點(diǎn)在這里列出。充電邏輯需滿足：本房間隔1開關(guān)在分位，即104開關(guān)分位。本房間隔2開關(guān)在合位，即105開關(guān)在合位。其余主干線開關(guān)都為合位。當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)滿足充電邏輯。對(duì)于放電邏輯：本房間隔1開關(guān)合位經(jīng)200 ms，試驗(yàn)前，確認(rèn)104開關(guān)狀態(tài)，保證開關(guān)在分位。上游相鄰房間隔2分位，試驗(yàn)前，確認(rèn)103開關(guān)在合位；其他放電條件基本相同或類似。

動(dòng)作邏輯分析：同樣，以B開關(guān)站自愈裝置為例，當(dāng)上游失電時(shí)，自愈充電完成后，收到上游自愈啟動(dòng)信號(hào)，上游相鄰房母線三相無壓，本房母線最大線電壓有壓，自愈起動(dòng)，經(jīng)自愈合閘時(shí)間后合間隔1，即合104開關(guān)。下游失電情況，與105開環(huán)狀態(tài)下類似。

本次以105開環(huán)為主要測(cè)試運(yùn)行方式，此處104開環(huán)不做詳細(xì)介紹。

2.2 無壓跳閘邏輯

因本混合仿真建設(shè)的雙環(huán)網(wǎng)中間僅有2座開關(guān)站，開關(guān)站兩側(cè)都連有變電站，因此在主干路徑上變電站對(duì)側(cè)開關(guān)投入此功能，其他開關(guān)不投入此功能。在本結(jié)構(gòu)中，102開關(guān)及105開關(guān)投入無壓跳閘功能。在自愈充電時(shí)，開關(guān)之前為合位，有壓狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)闊o流、母線無壓，經(jīng)無壓跳閘時(shí)間，本開關(guān)跳閘。

對(duì)于A開關(guān)站，母線最大線電壓低于無壓定值，間隔1最大相電流小于無流定值，且間隔1對(duì)側(cè)母線不滿足有壓同時(shí)滿足后經(jīng)無壓跳閘時(shí)間動(dòng)作。

對(duì)于B開關(guān)站，母線最大線電壓低于無壓定值，間隔2最大線電流小于無流定值，且間隔2對(duì)側(cè)母線不滿足有壓同時(shí)滿足后經(jīng)無壓跳閘時(shí)間動(dòng)作。

3 故障實(shí)驗(yàn)

以105開環(huán)運(yùn)行狀態(tài)模擬故障實(shí)驗(yàn)，其中故障點(diǎn)如圖3所示。

各仿真間隔TA變比統(tǒng)一為600 A/1 A，TV變比為10 kV/100 V。電纜線路正序阻抗為0.15 Ω/km，正序感抗0.57 Ω/km，正序容抗忽略。自愈功能壓板及控制字投入。整定無壓跳閘時(shí)間5 s，自愈合閘時(shí)間0.1 s。

3.1 F1故障，模擬S1站失電

通過仿真系統(tǒng)，模擬S1站失電。

動(dòng)作情況分析：A開關(guān)站在失電后，本開關(guān)站母線最大線電壓低于無壓定值，間隔1最大相電流小于無流定值，在經(jīng)過無壓跳閘時(shí)間（5 s）后，自愈裝置動(dòng)作出口跳102開關(guān)。同時(shí)向下游發(fā)環(huán)進(jìn)間隔分位，首端無壓跳開等信息，如圖6所示。B開關(guān)站，在接收到A開關(guān)站自愈裝置的啟動(dòng)信號(hào)，按照其自愈邏輯，判定本開關(guān)站母線三相無壓，104間隔無流，自愈啟動(dòng)，經(jīng)自愈合閘時(shí)間（0.1 s）后合105開關(guān)，恢復(fù)正常供電，如圖7所示。

圖6 S1失電后 A開關(guān)站過程錄波

圖7 S1失電后 B開關(guān)站過程錄波

以上圖中的時(shí)間標(biāo)尺為各自裝置的相對(duì)動(dòng)作時(shí)間。從打印的動(dòng)作報(bào)告絕對(duì)時(shí)間發(fā)現(xiàn)，S1站失電時(shí)間是15:56:34.408，A開關(guān)站自愈裝置啟動(dòng)的絕對(duì)動(dòng)作時(shí)間為15:56:34.446，102開關(guān)變位時(shí)間是15:56:39.463，B開關(guān)站自愈裝置的合閘動(dòng)作時(shí)間為15:56:39.595。根據(jù)前述邏輯分析，當(dāng)S1站失電后，A開關(guān)站自愈無壓跳閘，經(jīng)過5 s后，跳開102開關(guān)，同時(shí)A開關(guān)站自愈裝置向B開關(guān)站自愈裝置發(fā)送相關(guān)信息。B開關(guān)站在接收到動(dòng)作信號(hào)后，0.1 s自愈裝置動(dòng)作，合105開關(guān)。

3.2 模擬主干線故障跳閘

通過仿真系統(tǒng)模擬F2點(diǎn)故障，設(shè)置AB開關(guān)站之間線路相間短路，故障持續(xù)時(shí)間2 s。

動(dòng)作情況分析：F2點(diǎn)故障，故障兩側(cè)的差動(dòng)保護(hù)裝置動(dòng)作，分別跳開對(duì)應(yīng)的開關(guān)，即差動(dòng)跳開103和104開關(guān)。同時(shí)B開關(guān)站滿足了其自愈動(dòng)作條件，B開關(guān)站自愈裝置將合閘105開關(guān)，如圖8所示。A開關(guān)站自愈裝置未滿足其動(dòng)作條件，裝置未動(dòng)作。B開關(guān)站自愈裝置，因滿足了其自愈合閘動(dòng)作條件，故動(dòng)作合閘105開關(guān)，如圖9所示。其動(dòng)作行為與前述基本相同。

圖8 主干線故障 線路差動(dòng)動(dòng)作錄波

圖9 主干線故障 B開關(guān)站自愈裝置過程錄波

通過上述3個(gè)故障的模擬實(shí)現(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)在雙環(huán)網(wǎng)架構(gòu)中，配置的分布式配電保護(hù)自愈裝置，通過不同開關(guān)站之間的通信聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)的故障隔離與自愈供電，自愈合閘時(shí)間根據(jù)整定的時(shí)間，可以在100 ms左右執(zhí)行合閘動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)非故障區(qū)段的快速恢復(fù)供電，提高整個(gè)供配電網(wǎng)的可靠性。

4 結(jié)論

本文介紹了利用混合仿真模式建設(shè)的典型雙環(huán)型配電網(wǎng)自愈邏輯測(cè)試平臺(tái)及開展的故障測(cè)試，通過失電、開關(guān)偷跳、線路故障等試驗(yàn)，驗(yàn)證了配置在開關(guān)站內(nèi)的自愈裝置動(dòng)作的正確性。自愈裝置在單一故障引起的失電等情況下，可以快速的恢復(fù)供電，且動(dòng)作時(shí)間較備自投設(shè)備要快很多。下階段，將利用該測(cè)試平臺(tái)，開展復(fù)合型故障的測(cè)試，同時(shí)疊加開關(guān)拒動(dòng)等情況，還可以測(cè)試不同開環(huán)點(diǎn)下的不同自愈邏輯，以測(cè)試自愈裝置在復(fù)雜故障情況下的動(dòng)作邏輯及動(dòng)作行為，為配電網(wǎng)自愈邏輯的策略判定及自愈裝置的應(yīng)用推廣提供試驗(yàn)參考[3-4]。