基于N-0.1静态安全约束的配电网络自愈系统的研制

杨志强， 于德明， 张鹏宇

(1.国网睢宁县供电公司，江苏 徐州 221200；2.国网东北分部长甸发电厂，辽宁 丹东 118000；3.国网吉林省电力有限公司，长春 130021)

随着社会的快速发展，配电网是电力系统中非常重要的环节之一，其安全、优质地运行是用户切身利益的保障。在配电网自动化发展的过程中，配电网的智能化程度是其先进与否的重要衡量，而配网智能化的核心就是“自愈”[1-2]，配电网自愈的主要问题在于出现故障后最大限度地缩小停电范围和停电时间。针对现有电力系统中配电网故障范围影响大，负荷分配不灵活的问题，结合国网睢县供配电的现状，提出一种自愈式配电网络系统及其控制方法。该系统的最大特点是可以高效便捷地解决目前广泛存在的配电网领域中电网故障率高、影响范围大的问题。

1 装置设计

1.1 设计思想

自愈系统遵循N-1准则，电力系统的N个元件中的任一独立元件(变电站、配电线路、变压器等)发生故障而被切除后，应不造成其他线路因联络拉手过负荷跳闸而导致用户停电；不破坏系统的稳定性，不出现电压崩溃等事故，从而实现电网的高效运转。因此自愈式配电网络构建的指导思想，是将电力系统的安全性由N-1转变为N-0.1，即最大限度地缩小停电范围和停电时间。

配电网自愈的条件 ，一方面需要坚强的配电网网架结构做基础，增强网络的故障和风险抵抗能力；另一方面需要在故障发生后，采取有效的隔离方法隔离故障并且使故障自愈[3]。本文基于第二方面，对配电网故障自愈策略及优化进行了研究，并通过备用电源自动投入装置(以下简称备自投装置)的投退策略实现故障的自愈。

1.2 总体方案

a.故障点判断选择，顺序重合闸强隔离。电力系统安全性的提升就是高精度、分层次地判断故障发生点，从而实现配电线路顺序重合闸强隔离。根据现场运行方式，合理配置、安装智能柱上断路器，根据柱上断路器装位置，实行阶梯性定值整定，保证断路器有选择性的自动投切，有效隔离故障，彻底摆脱线路故障总出口开关跳闸的局面。

b.利用备自投原理，实现双向(多向)自愈式配电网建设。对于已具备两回线及以上的多回供电线路，安装备自投装置可以提高供电的可靠性、简化继电保护装置、限制短路电流并提高母线电压，是电力部门保障用户连续可靠供电的重要手段。

c.构筑基于“云”决策的自愈式配电网络。自愈式配电网是构筑坚强电网的重要基石，在进行电网规划之前，需要收集大量有关电网和电力系统发展的历史数据。完全依靠规划工作人员的经验开展规划工作，不仅会造成大量的时间和人力资源的浪费，而且传统的规划方法已经不能满足现代化建设的要求。为保证规划工作的科学性，迫切要求研究满足实际要求的电网规划理论，开发高效、方便、实用的具有智能决策功能的电网规划计算机辅助决策系统。所以为了更好地实现电网“自愈”，计划在配电自动化主站侧开发云决策模块，通过此模块可以实现配电网络全景智能决策、自愈恢复路径、一次触发、瞬时可靠隔离故障点、弹性恢复。

d.围绕可靠性配电网络，加强工程项目储备。睢宁配电网项目储备工作以地方经济建设发展为指导，以城镇规划为依据，按照《江苏省电力公司配电网管理规范实施细则》及《江苏省电力公司配电网技术导则》，为解决当年迎峰度夏配电网存在电网薄弱环节，解决配电网老旧设备存在隐患、故障率高等问题，依据年度投产资金和可靠性配电网络的建设需求合理开展项目储备。

1.3 智能控制装置的研制

根据以上方案的设定，研制一种自愈式配电网络系统应用的智能控制装置，此装置不仅可以实现配电网的自动化，并且可以通过智能逻辑判断，实现配电网中元器件顺序重合闸强隔离的目的。这种智能控制装置属于电力系统中，配电网故障自动隔离领域，涉及一种自愈式配电网络系统及其控制方法。 自愈式配电网络系统应用的智能控制装置示意图见图1。

图1 自愈式配电网络系统应用的智能控制装置示意图

系统总共包含7个单元，它们分别是中央处理器(CPU)处理单元、遥测单元、遥信单元、遥控单元、人机接口单元、通讯接口单元、就地无线控制单元。系统各部分的功能如下。

a.CPU处理单元：作为系统的运行中枢，主要包括遥测量数据、遥信量数据的采集和控制遥控输出单元执行分合闸操作，根据设置好的内部动作逻辑进行保护逻辑操作，实现重合闸的功能。

b.遥测单元：遥测单元由专用电压电流传感器和信号转换电路组成，外部电压电流信号进入装置后，接入遥测采集单元，遥测采集单元将输入的外部电压电流信号进行转换，转换为CPU处理单元可接受的信号，供CPU采集用；遥测单元具有转换效率高，输出信号稳定的特点，内部具有过范围保护，抗干扰处理等功能，为整个装置的可靠运行提供了有力保障。

c.遥信单元：遥信单元核心以光耦隔离电路和外扩信号处理电路组成，是整个系统的开关状态量的输入处理单元，将外部开关本体状态、储能状态等开关量转换为CPU处理单元可接受的信号，供CPU采集遥信量使用；遥信单元转换速度快，稳定，具有过范围保护，抗干扰处理等功能。

d.遥控单元：遥控单元由分闸和合闸两大部分组成，合闸采用晶闸管驱动继电器方式输出，分闸采用金属氧化物半导体(MOS)场效应晶体管 驱动方式输出，遥控单元是整个系统的核心控制单元，需要有绝对的输出可靠性和稳定性，CPU通过信号控制口输出弱控制信号，遥控单元将弱控制信号转换为可以控制外部开关本体动作的强信号来驱动外部开关本体的分合闸操作，从而达到对外部开关的可靠控制。

e.人机接口单元：人机接口是指人与计算机之间建立联系、交换信息的输入/输出设备的接口，这些设备包括键盘、显示器、打印机、鼠标器等。在本装置中人机接口单元由液晶屏和按键及状态指示灯组成，液晶显示采用汉字式显示方式，方便设置参数查看运行状态，按键提供了输入接口，可根据现场需要，方便简洁的配置控制装置参数，为系统的可靠运行提供简易的配置方式。

f.通讯接口单元：通讯接口单元采用CPU内部自带串口输出方式，具有实时性高，稳定可靠的优点，外部可连接通用分组无线服务(GPRS)模块，网口模块，光纤模块等，实现各种方式的通讯连接功能，方便系统的运行状态监视，控制等功能。

g.就地无线控制单元：就地无线控制单元采用专业无线遥控配件，具有信号稳定，遥控距离远的特点，使得装置在运行期间，无需通过装置按钮直接操作断路器本体的分合闸动作，可直接在遥控距离范围内，通过手持遥控器在杆下操作开关的分合闸动作，简化了操作的繁琐性，使得运行维护更加简单易行。

2 自愈控制策略

系统专用智能分段控制装置，配合出口重合断路器，通过故障判断逻辑，实现故障段隔离的目的，增强供电可靠性。

2.1 一次系统分析

模拟的睢宁县一次系统图见图2。图2中，QF为高压断路器，所谓自动重合闸装置，是将因故障跳开后的断路器按需要自动投入的一种自动装置。对断路器电流I实行阶梯性定值整定：

ΙzdQF4<ΙzdQF2(0.2倍)

ΙzdQF2<ΙzdQF1(0.2倍)

ΙzdQF3<ΙzdQF1(0.2倍)

ΙzdQF1<ΙzdQF2(0.2倍)

QF1、QF2、QF3、QF4重合闸充电时间大约为15 s，充电完成后，重合闸功能进行投入，此时断路器出口动作延时整定范围应不小于0～120 s。

图2 睢宁县一次系统图

2.2 QF重合闸动作要求

a.手动分闸和遥控分闸时，不启动断路器的重合闸功能。

b.断路器在保护跳闸时不闭锁重合闸功能。

c.断路器复电后，系统会检测在之前的3 min内最近的一次保护动作信息，当时的重合闸在允许状态，得电重合后经延时动作。

d.断路器本体装置不但具备动作电流整定的功能，还要同时具备时间整定的功能。

e.断路器本体装置具备加速跳的功能。

f.断路器本体保护装置运行温度必须大于45 ℃。

g.断路器的得电重合功能应自带延时20 s，以保证上级重合闸充电完成。

2.3 检验合格试验项目

验证重合闸充电时间及各段保护动作重合闸试验项目。

a.控制器检测到断路器的开关从分位到合位，经15 s延时后，重合闸充电完成，然后重合闸功能投入； 如果各段电流保护在重合闸充电未完成时动作，此时重合闸功能均没有启动，在重合闸充电完成后，各段保护才能启动重合闸； 断路器重合于永久性故障时，保护动作，重合闸功能没有启动。

b.手动分闸、遥控分闸时均不应启动重合闸功能，得电重合应带有延时以保证上级重合闸充电完成。

c.验证得电重合功能，装置从得电自检到得电自检之前的3 min内，其最近的一次保护动作且保护动作时重合闸处在充电的状态(重合闸允许状态)，则得电重合功能经固有延时(保证上级装置充电完成)动作后，开关将会合上。

3 重合闸试验

下面是模拟顺序重合闸运行环境，验证整组动作逻辑。针对本地区睢宁变电站下面的永安开闭所及丽晶小区配电室组成的配电线路，在线路上安装自愈式配电网络系统应用的智能控制装置，将3组断路器QF串联接入，从电源侧开始，分别为QF1、QF2、QF3。3个断路器重合闸时间分别整定为25、50、75 s，故障方式如下。

a.故障方式1：故障点在QF3后侧，发生瞬时性故障，仅QF3保护动作，重合成功。

b.故障方式2：故障点在QF3后侧，发生瞬时性故障，QF3、QF2同时进行保护动作，QF2装置带电，QF3装置失电；QF2经50 s延时，重合闸成功，然后QF3装置得电，得电后经得电重合固有延时，得电重合动作。

c.故障方式3：故障点在QF3后侧，发生瞬时性故障，QF3、QF2、QF1保护同时动作，QF1装置带电，QF2、QF3装置失电；QF1经25 s延时，重合闸成功，QF2装置得电，得电后经得电重合固有延时，得电重合动作，QF2重合成功，QF3装置得电，得电后经得电重合固有延时，得电重合动作，QF3重合成功。

d.故障方式4:故障点在QF3后侧，发生永久性故障，QF3、QF2、QF1、系统电源保护同时动作，QF1、QF2、QF3装置同时失电；模拟系统电源重合成功，QF1装置得电，得电后经得电重合固有延时，得电重合动作，QF2装置得电，得电后经得电重合固有延时，得电重合动作，QF2重合成功，QF3装置得电，得电后经得电重合固有延时，得电重合动作，QF3重合于永久性故障，系统电源、QF1、QF2、QF3再次同时动作，3台断路器同时失电，模拟系统电源重合成功，QF1装置得电，得电后经得电重合固有延时，得电重合动作，QF2装置得电，得电后经得电重合固有延时，得电重合动作，QF2重合成功，QF3装置得电，不满足得电重合条件，QF3得电重合闸不动作。

每种故障方式进行100次试验，所得数据见表1，故障自愈动作正确率为98%。

表1 QF动作次数 次

4 结束语

在深入研究分析国内外配电网自动化技术发展背景的基础上，采用一种结合N-0.1静态安全约束和备自投功能的自愈式配电网络系统智能控制装置，给出了故障点实行阶梯性定值整定的方法以及自愈系统的设计思想和总体方案，通过实际挂网运行表明，本装置能有效实现故障自愈，准确可靠，为解决配电网端因线路故障造成的停电影响范围大及影响结果严重等问题提供了一种全新、有效的解决模式。