一种含有小水电并网的智能型馈线自动化系统研究

宋振跃

（北京水木源华电气股份有限公司，北京100094）

0 引言

水力发电作为清洁能源、可再生能源，越来越被国家重视，开发与使用绿色能源是我国实施可持续发展战略不可缺少的组成部分。近年来，在国家各项优惠政策的鼓励下，农村小水电事业逐渐发展起来[1-3]。“十二五”期间，水利部大力实施“民生、平安、绿色、和谐”水电建设。我国已建成农村小水电站47 000多座，装机容量7 500多万kW，相当于3个三峡电站的装机容量，年发电量2 300多亿kW·h时，约占全国水电装机和年发电量的1/4。

我国“十三五”期间将新增农村水电装机600万kW，对2000年前建成、符合条件的3 000多座老旧电站进行增效扩容改造，并组织开展“十三五”农村小水电扶贫工程建设。

这些小水电站大部分建在偏远山区，远离高电压变电站，一般都采取就近T接并入农村10 kV配电网，与用户配电变压器混合、交叉运行于10 kV配电线路中。

我国农村配电网采用单电源供电辐射状的网架结构，配电网继电保护也基于此种网架结构设计运行。小水电接入配电网后，配电网由原单电源辐射型网架结构变成了多电源网架结构，成为一种遍布电源和用户的互联网架，潮流不再是单向从变电站流向负荷[4-12]。配电网的这种根本性变化改变了配电线路、分布电源接入点和附近节点的故障水平，也使配电网继电保护的机理和各保护定值发生了根本性的改变，继而造成继电保护装置出现误动、拒动、灵敏度减小和重合闸失效等问题。同时，馈线上各个自动化装置也会受到影响[13-15]。

因此，针对一条馈线线路上存在多个小水电并网的10 kV配电线路，提出一种快速自愈的智能型馈线自动化系统，意在快速进行馈线的故障识别，自动隔离故障并恢复供电。

1 多个小水电并网配电网的模型

典型的多个小水电直接T接并入10 kV配电线路的模型如图1所示。

图1 多个小水电并网配电网的模型

图1中10 kV配电网开关可划分为4种情况：电源侧有小水电接入点的开关、负荷侧有小水电接入点的开关、电源侧和负荷侧均有小水电接入点的开关、两侧无小水电接入点的开关。

2 智能型馈线自动化系统的技术要求

（1）变电站出线开关、馈线线路上的分段开关、大分支的分段开关和用户分界开关均为断路器。

（2）变电站出线开关（CB）至少配置一次重合闸，并配有限时速断保护、限时过流保护功能的智能装置。

（3）小水电在10 kV配电网接入点的前端开关至少配置一次重合闸，并配有速断保护、限时过流保护功能的智能装置。

（4）在无小水电接入配电网情形下，通过原网架结构的供电电流方向，判定馈线各个开关的电源侧、负荷侧。

（5）变电站出线的首个分段开关，仅在其电源侧配置一个三相零序一体电压互感器（PT）。

（6）负荷侧有小水电接入点的开关、电源侧和负荷侧均有小水电接入点的开关，在其电源侧配置一个三相零序一体PT、在其负荷侧配置一个单电源PT。

（7）电源侧有小水电接入点的开关、两侧无小水电接入点的开关，仅在其电源侧配置一个三相零序一体PT。

（8）馈线开关配置具有本文第3部分所描述的智能型快速自愈控制功能的馈线终端（FTU）。

（9）智能型FTU可与主站系统设备进行通信，并实现对各终端数据采集与远程控制功能。

（10）可通过主站系统的远程方式对馈线上各智能型FTU进行保护定值设置或调整。

3 智能控制的工作原理

本智能型馈线自动化系统的工作原理是以潮流方向、故障电流为特征判据，通过检测到故障电流决策开关“速断跳闸”；结合已处于断开状态开关的负荷侧电压状态决策开关是否进行“一次重合闸”，实现多个小水电接入10 kV配电网的故障隔离、非故障区段正常供电。一次跳闸故障区间定位，一次重合闸瞬时性故障处理，两次跳闸永久性故障区间隔离和非故障区间正常供电。

智能型FTU有两种FA工作模式：一种是普通就地FA模式，另一种是小水电接入FA模式。同时，智能型FTU具有检同期、馈线过压保护和PT断线监测功能。

3.1 小水电接入FA模式的工作机制

负荷侧有小水电接入点的开关、电源侧和负荷侧均有小水电接入点的开关，其配套智能型FTU设置为小水电接入FA模式。

3.1.1 短路故障的处理机制

（1）若某一个开关配套智能型FTU检测到超过整定值的短路故障电流，启动速断保护延时ta计时。

（2）ta计时时间到，智能型FTU对配套开关进行跳闸操作，同时，启动重合闸放电延时To计时。

（3）To计时时间到，若开关两侧处于有电状态，智能型FTU闭锁一次重合闸功能，启动故障的告警与上报功能，记录故障事件与动作信息。

（4）To计时时间到，若开关处于单侧有电状态，智能型FTU启动一次重合闸功能，对开关进行重合闸操作。

（5）若为瞬时性故障，开关一次重合闸成功，故障排除、恢复供电，智能型FTU记录故障事件与动作信息，并上报主站。

（6）若为永久性故障，智能型FTU再次检查到短路故障电流，启动重合闸后加速保护功能，对开关进行快速跳闸操作，启动故障的告警与上报功能，记录故障事件与动作信息。

3.1.2 接地故障的处理机制

（1）若某一个开关配套智能型FTU检测到超过整定值的接地故障电流，启动速断保护延时tb计时。

（2）tb计时时间到，智能型FTU对配套开关进行跳闸操作，同时，启动重合闸放电延时To计时。

（3）To计时时间到，若开关两侧处于有电状态，智能型FTU闭锁一次重合闸功能，启动故障的告警与上报功能，记录故障事件与动作信息。

（4）To计时时间到，若开关处于单侧有电状态，智能型FTU启动一次重合闸功能，对开关进行重合闸操作。

（5）若为瞬时性故障，开关一次重合闸成功，故障排除、恢复供电，智能型FTU记录故障事件与动作信息，并上报主站。

（6）若为永久性故障，智能型FTU检测到零序电压突变并再次检查到接地故障电流，启动重合闸后加速保护功能，对开关进行快速跳闸操作。同时，启动故障的告警与上报功能，记录故障事件与动作信息。

3.2 普通就地FA模式的工作机制

电源侧有小水电接入点的开关、电源侧和负荷侧均无小水电接入点的开关，其配套智能型FTU设置为普通就地FA模式。

3.2.1 短路故障的处理机制

（1）若某一个开关配套智能型FTU检测到超过整定值的短路故障电流，启动速断保护延时ta计时。

（2）ta计时时间到，智能型FTU对配套开关进行跳闸操作，启动一次重合闸延时Tk计时。

（3）Tk计时时间到，智能型FTU对配套开关进行一次重合闸操作。

（4）若为瞬时性故障，开关一次重合闸成功，故障排除、恢复供电，智能型FTU记录故障事件与动作信息，并上报主站。

（5）若为永久性故障，智能型FTU再次检查到短路故障电流，启动重合闸后加速保护功能，对开关进行快速跳闸操作，启动故障的告警与上报功能，记录故障事件与动作信息。

3.2.2 接地故障的处理机制

（1）若某一个开关配套智能型FTU检测到超过整定值的接地故障电流，启动速断保护延时ta计时。

（2）ta计时时间到，智能型FTU对配套开关进行跳闸操作，启动一次重合闸延时Tk计时。

（3）Tk计时时间到，智能型FTU对配套开关进行一次重合闸操作。

（4）若为瞬时性故障，开关一次重合闸成功，故障排除、恢复供电，智能型FTU记录故障事件与动作信息，并上报主站。

（5）若为永久性故障，智能型FTU检测到零序电压突变并再次检查到接地故障电流，启动重合闸后加速保护功能，对开关进行快速跳闸操作。同时，启动故障的告警与上报功能，记录故障事件与动作信息。

3.3 检同期的工作机制

检同期功能仅在小水电接入FA模式下有效，其具体工作机制如下：

（1）开关处于断开状态，智能型FTU在对开关进行合闸操作前，启动对开关两侧电压的幅值判定、电压的相位关系判定和频率检测功能。

（2）若开关的两侧电压幅值差未超过整定值、电压相位关系正确、频率偏差未超过整定值，智能型FTU对开关进行合闸操作，记录动作信息，并上报主站。

（3）若开关的两侧电压幅值差超过整定值或电压相位关系不正确或频率偏差超过整定值，智能型FTU闭锁对开关的合闸操作，启动故障的告警与上报功能，记录故障事件信息。

3.4 馈线过压保护的工作机制

由于小水电站在丰水期满发并向10 kV配电网供电，导致配电线路的电压水平过高。因此，智能型FTU增加了馈线过压保护功能，该功能在小水电接入FA模式、普通就地FA模式下均有效，其具体工作机制如下：

（1）智能型FTU检测到PT电压值超过馈线过压保护的整定值，启动馈线过压保护功能Tm计时。

（2）Tm计时时间到，若开关处于合闸状态，智能型FTU对开关进行跳闸操作，启动故障的告警与上报功能，记录故障事件与动作信息。

（3）Tm计时时间到，若开关处于分闸状态，智能型FTU启动故障的就地告警功能，记录故障事件信息，并上报主站。

3.5 PT断线监测的工作机制

由于大多数径流型小水电站在枯水期不发电，而且农村配电网的供电半径大，从而导致配电线路的末端电压水平过低。因此，智能型FTU增加了PT断线监测功能，该功能在小水电接入FA模式、普通就地FA模式下均有效，其具体工作机制如下：

（1）某一个开关处于合闸状态下，其配套智能型FTU检测到PT电压值跌落到整定值、配套开关的相电流值不为零，启动PT断线功能Tn计时。

（2）Tn计时时间到，启动PT断线故障的告警与上报功能，记录故障事件信息。

4 结语

采用本文所提出的控制策略的智能型馈线自动化系统，有效地克服了多个小水电接入10 kV配电网后所带来的影响，当有多个小水电接入的10 kV配电网发生故障时，能够自动定位故障，迅速地将故障隔离在最小供电区间，并确保非故障区间正常供电。

在故障处理过程中，智能型FTU不会出现误动、拒动、灵敏度减小和重合闸失效等问题，而是使故障隔离和非故障区间正常供电一次性到位。因此，显著加快了故障处理速度并减少了故障造成的影响，达到了用户对供电可靠性要求高的需求。

该系统已在实验室完成了全面的模拟测试工作，实验结果证明了其可行性。目前，该系统已经应用于“福建省南平供电公司10 kV配网线路故障自愈式控制策略”项目的试点工程。

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