小型配電系統(tǒng)智能化保護策略研究

國網(wǎng)遼寧省電力有限公司鞍山供電公司 王浩廷 侯博文 王諾笛

1 緒論

1.1 智能配電網(wǎng)的研究背景及意義

當(dāng)前，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，對與人們生產(chǎn)生活息息相關(guān)的電力行業(yè)在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域提出了更高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，電網(wǎng)工程已經(jīng)深入到人工智能領(lǐng)域，智能電網(wǎng)的發(fā)展適應(yīng)了不同產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要。

與傳統(tǒng)的電網(wǎng)模式相比，城市配電網(wǎng)絡(luò)在智能電網(wǎng)方面突出發(fā)展，使城市配電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了高度自動化，能夠使配電網(wǎng)絡(luò)能夠自行修復(fù)，解決了傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)花費大量的人力、物力及時間檢修故障問題[1]。另一方面，智能配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠?qū)崟r將故障情況相關(guān)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳到技術(shù)中心，使技術(shù)人員及時、準(zhǔn)確了解故障情況、故障類型，采取有力的保護措施后進行有效解決，提高了配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2 研究現(xiàn)狀

國外注重在智能電表、微電網(wǎng)、新能源消納等方面進行智能電網(wǎng)技術(shù)的研究，主要涉及智能配電與用電相關(guān)環(huán)節(jié)，也有一些國家將配電列為研究重點。國家電網(wǎng)有限公司和南方電網(wǎng)有限公司負責(zé)我國電網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，我國的智能電網(wǎng)技術(shù)目前處于國際領(lǐng)先地位，表現(xiàn)在配電、用電、變電等智慧化電網(wǎng)技術(shù)，目前這些技術(shù)的發(fā)展還需要進一步提高設(shè)備的自動化、信息化及互動化水平，以此提升安全穩(wěn)定的運營能力。

1.3 研究主要內(nèi)容

本文在傳統(tǒng)的三段式電流保護基礎(chǔ)上，分析了配電系統(tǒng)智能化保護技術(shù)，包括電流保護、電壓保護和聯(lián)鎖保護，針對傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護中出現(xiàn)的問題提出了以配電系統(tǒng)智能化保護技術(shù)為基礎(chǔ)的小型配電系統(tǒng)智能化保護策略[2]。

2 配電系統(tǒng)智能化保護技術(shù)

2.1 電流保護

配電線路在輸送電能中普遍存在的問題有過載故障、短路故障。過載時電流會增大，但不會超過額定電流；短路故障時電流超過額定電流，在強大電流沖擊下短路故障產(chǎn)生很大的破壞性，輸送電路上的設(shè)備會產(chǎn)生安全隱患，有的在極短時間內(nèi)會發(fā)熱燒壞。本研究采用三段式電流保護原理，在配電網(wǎng)發(fā)生過載或短路故障時快速、準(zhǔn)確地切斷故障，保護整個配電系統(tǒng)[3]。

三段式電流保護依據(jù)出現(xiàn)故障時電流的大小進行分類，分為過載延時保護、短路瞬時保護、短路短延時保護，每一類電流保護的特性曲線如圖1所示。

圖1 電流保護的特性曲線

圖1中，橫坐標(biāo)值Ir1表示過載延時保護的整定值；Ir2表示短路延時保護的整定值，臨界點為8，由反時限和定時限短路兩段曲線組成；Ir3電流瞬時保護整定時。

由曲線圖推導(dǎo)可知各保護段的時限關(guān)系：

Ir1

2.1.1 過載長延時保護段

圖1的曲線中第一部分為過載保護，保護呈現(xiàn)反時限特性，當(dāng)電流增大時保護時間縮短，電流與保護時間關(guān)系式為：

式中，Ir1為過載長延時保護整定值；tI為過載長延時保護動作設(shè)定時間；T為理論動作時間。

2.1.2 短路短延時保護

短路短延時保護是在配電系統(tǒng)短流電流值不足的情況下采取的保護方法。由圖1曲線可看出，短路短延時保護包括反時限特性保護和定時限特性保護兩部分，兩部分的臨界點為，電流小于該值采用第一種方法，若大于則采用第二種，兩部分的關(guān)系表達式為：

式中，t2短路短延時動作設(shè)定時間。

當(dāng)線路電流大于8IrI且小于10IrI時，短路保護動作延時時間設(shè)為固定值。

2.1.3 短路瞬動保護

當(dāng)配電系統(tǒng)中線路電流大于10倍額定電流時會極大損壞電力設(shè)備和配電線路，甚至可能在短時間內(nèi)引發(fā)火災(zāi)，這種線路故障稱為短路故障，此時短路瞬動保護會瞬時開斷斷路器，進而保護配電系統(tǒng)的線路安全。

2.2 電壓保護

過壓保護和欠電壓保護是保護安裝處所測電壓值為參考量的兩種方法，即電壓保護的兩種方法。

2.2.1 過壓保護

過電壓是指工程中對電氣設(shè)備造成損害的危險電壓，設(shè)電路正常運轉(zhuǎn)時穩(wěn)定電壓峰值為UN，當(dāng)前電壓為U，U＞UN即當(dāng)前電壓大于電壓峰值時，開斷斷路器保護電路稱為過電壓保護。

2.2.2 欠電壓保護

欠電壓保護是指電源電壓低到一定值甚至消失，此時斷路器自動開斷電路進行的保護，在低電壓時電流會增大保證用電功率，此時電氣設(shè)備會因急劇發(fā)熱而損壞，另一方面電壓復(fù)原時電氣設(shè)備突然啟動也會損壞，欠電壓保護會避免這兩種情況的發(fā)生。

2.3 聯(lián)鎖保護

保護技術(shù)不能在選擇性、準(zhǔn)確性、快速性方面同時滿足解決過載電流和電壓問題，需要在電流選擇性、時間選擇性方面配合工作實現(xiàn)保護，聯(lián)鎖保護技術(shù)較好地解決了這個問題，聯(lián)鎖保護在配電線路短路時，上級斷路器接收到下級斷路器的閉鎖信號后啟動延時保護，若未收到信號，則跳過短延時即刻開斷電路。

3 小型配電系統(tǒng)智能化保護策略

3.1 層級保護策略

為了全選擇保護配電系統(tǒng)的安全，小型配電系統(tǒng)智能化首先要考慮斷路器智能化，智能化控制器具有邏輯判斷功能，能夠通過判斷信號處理后的電流及電壓大小實施相應(yīng)的保護。本研究應(yīng)用層級配電系統(tǒng)保護策略設(shè)計智能控制器執(zhí)行智能化斷路，多層級配電系統(tǒng)包括Dupline總線通信和配電保護系統(tǒng)兩部分。

3.1.1 Dupline總線通信

應(yīng)用Dupline總線傳遞上下級斷路器間的電流過載、短路信號，Dupline采用分時多通道的方法在雙絞線中傳送同步的開關(guān)信號和模擬信號，因此應(yīng)用Dupline總線的斷路器在配電系統(tǒng)中具備通信功能，在上下級斷路器間傳遞控制信號，從而實現(xiàn)配電系統(tǒng)的智能化。

Dupline采用雙向分時傳輸，應(yīng)用全浮空技術(shù)與雙絞線連接，可以傳輸數(shù)字與模擬信號，傳輸過程不需協(xié)議，不需要主機、不用編程、不需軟件即可連接輸入與輸出設(shè)備，且布線路徑優(yōu)化，節(jié)省成本。在抗干擾方面，具有遠距離傳輸?shù)膬?yōu)勢，幾乎所有的現(xiàn)場設(shè)備都適用且8 km以內(nèi)不用放大器與轉(zhuǎn)發(fā)器。

Dupline的安裝不需要安裝技術(shù)人員參加技術(shù)培訓(xùn)，利用現(xiàn)有的線纜即可直接連接開關(guān)、顯示設(shè)備、傳感器等設(shè)備。調(diào)試時不需要中央監(jiān)控，可以在任意地方通過便攜調(diào)試器對一對雙絞線操作即可，雙絞線任意點均能夠讀取傳輸信號，也不需要中央處理單元及軟件。

3.1.2 配電保護系統(tǒng)

本設(shè)計的智能配電保護系統(tǒng)如圖2所示，該系統(tǒng)由電流保護、電壓保護和溫度保護三部分組成。采用本文所述的兩種電壓保護方式，同時應(yīng)用三段式電流保護的三種方法。溫度保護采用低溫報警、超溫報警兩種技術(shù)。

圖2 智能配電保護系統(tǒng)

由圖2可知，智能配電保護系統(tǒng)采用聯(lián)鎖保護技術(shù)，上下級斷路器通過Dupline總線連接，系統(tǒng)的原理是連接上下級智能控制器為一個組合，在過載時通過相互配合實施保護，也在斷路器故障時實現(xiàn)后備保護，解決了斷路器本級故障無法切斷電路、上級斷路器越級跳閘等問題。線路出現(xiàn)故障時，同一組合中的斷路器通過總線傳遞信息保障斷路器不拒動，得到全選擇保護；信息交互中斷時，各斷路器也能夠各自獨立工作完成故障處理[4]。

這種智能配電保護系統(tǒng)策略因信息的交互只需在同一組的斷路器之間傳遞，因此大大降低了數(shù)據(jù)冗余量，因此在單片機處理數(shù)據(jù)的能力方面也降低了要求。

3.2 配電系統(tǒng)仿真策略

3.2.1 短路故障仿真

本仿真系統(tǒng)通過建立模型模擬短路故障發(fā)生時電壓及電流情況，三層級短路模型可以模擬斷路器的入口處電壓與電流，該三相系統(tǒng)在出現(xiàn)故障短路時，對單相接地短路、兩相接地短路及相間短路和三相短路等短路故障均能夠模擬呈現(xiàn)斷路器在各層級之間傳遞的電流情況，從仿真波形能夠判斷短路電壓值變化的幅度，模擬系統(tǒng)電壓為380V，三相配電系統(tǒng)相間電壓為220V[5]。

3.2.2 過載故障仿真

發(fā)生過載時通常情況下電壓的值不會變化，因此仿真系統(tǒng)搭建了三層級配電網(wǎng)絡(luò)過載模型，每個層級分別設(shè)置保護各個負載的斷路器，該層級網(wǎng)絡(luò)模型能夠較好地還原各負載處保障在任意時刻出現(xiàn)過載事故時各層級斷路器的過載電流情況。

3.2.3 斷路器保護仿真

在仿真系統(tǒng)中搭建了智能斷路器，采用三段式智能保護策略，當(dāng)電流過載倍數(shù)為1.5時，在0.75s內(nèi)迅速切斷電路，啟動過載長延時保護；當(dāng)在0.15s系統(tǒng)出現(xiàn)短路時，短路延時保護啟動0.1s的延時短路保護；當(dāng)在0.15s系統(tǒng)出現(xiàn)短路且短路電流瞬間達到最大值，系統(tǒng)的短路瞬時保護仿真模式會將短路保護時間延長為10ms。

本仿真模型采用智能斷路器為物理裝置，在此基礎(chǔ)上進行軟件程序的設(shè)計，這種軟、硬結(jié)合的設(shè)計是智能配電系統(tǒng)最關(guān)鍵的保護策略，是實現(xiàn)智能保護的首要條件。同時在硬件中還要重視電路控制模塊的工作精度、抗干擾能力、安全及可靠性，要使整個系統(tǒng)具有強大的應(yīng)用性，設(shè)計的控制模塊要足夠小，這樣一方面可以保障經(jīng)濟效益，降低價格，另一方面使整個系統(tǒng)的設(shè)備裝置簡單、方便、易操作，以此滿足小型配電系統(tǒng)智能化保護的需求。

4 結(jié)語

本研究在查閱相關(guān)文獻基礎(chǔ)上，分析了配電系統(tǒng)智能化技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，分析了傳統(tǒng)電壓與電流保護方法的弊端?；谛⌒团潆娤到y(tǒng)智能化發(fā)展的需要，圍繞過載保護開展研究，設(shè)計了Dupline總線結(jié)構(gòu)的智能配電保護系統(tǒng)，該保護策略通過上下級斷路器協(xié)調(diào)配合、相互保護，有效解決配電線路過載保護時出現(xiàn)的線路故障問題。