配电系统动态模型设计与应用

张凤鸽, 杨德先, 程利军, 黄光林, 苗世洪, 王 丹

(1. 强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学), 湖北省武汉市 430074;2. 南京磐能电力科技股份有限公司, 江苏省南京市 210061)

0 引言

现代配电网是一个结构复杂、规模庞大、诸多因素交互影响的系统。目前中国全社会用电量稳居世界首位,但配电网供电可靠性与发达国家仍有较大差距。2016年国家电网公司户均停电时间为917.7 min,而美国、德国等发达国家的户均停电时间均小于100 min,其中日本户均停电时间仅仅为20 min。中国配电网自动化总体覆盖率偏低、建设的程度比较落后。国外发达国家经过长期的应用而比较成熟,其中法国、日本的配电自动化覆盖率分别达到90%和100%[1-4]。

为加快推进配电网建设改造,国家能源局印发了《配电网建设改造行动计划(2015—2020 年)》(国能电力〔2015〕290 号)。中国计划在“十三五”期间全面提升配电自动化覆盖范围,2020年总体覆盖率达到90%。国家电网公司非常重视配电网存在的问题,准备在中国电科院武汉分院建设国家级的重点实验室,针对智能配电设备开展试验研究[5-6]。中国电机工程学会已颁布T/CSEE 0027—2017《配电系统继电保护及自动化产品动模试验技术规范》。

配电自动化系统等产品在全国大面积推广,但成效却不尽人意,馈线自动化正确跳闸率不高,故障在线监测及定位系统的选线准确率很低,针对产品的整体功能和性能缺乏全面和完备的试验检测方法和手段。目前国内外陆续有一些与之相应的物理模拟方法被提出来,如文献[7]设计了一种配电线路故障指示器测试仪,文献[8]提出了一种可以实现自动检测配电网馈线故障指示器功能的检测平台设计方案, 文献[9-10]利用故障指示器综合测试仪和其他相关设备对故障指示器进行静态检测,文献[11]利用暂态行波保护测试仪、宽频功率放大器搭建测试平台,文献[12]提出了一种利用实时数字仿真装置检测配电网控制算法的闭环测试方案。文献[13]是在户外采用容量为315 kVA,变比为0.4 kV/10 kV的变压器将市电电压升压到真实的10 kV电压,电流是通过控制器产生模拟故障电流信号,经功率放大器放大后施加于10 kV系统中完全隔离开的短路电流环形电缆上,虽然这些方法能够满足故障指示器的静态功能和性能测试,但对于配电网系统各种运行工况(正常运行、异常运行、故障等)无法模拟,而这些工况对于衡量故障指示器安全、可靠运行特别重要。数字仿真在暂态故障还原、故障指示器试验、弧光接地模拟、系统级测试方面存在很大不足,因此需要建设一个能真实反映原型系统特性的配电系统物理模拟实验平台,开展小电流系统接地故障判断和故障点定位研究、馈线自动化模式研究、主动配电网系统下配电终端继电保护原理研究、故障指示器等新设备研究,加强配电系统继电保护及自动化产品的入网检测[14-16]。

1 模型元件设计

电力系统动态模拟实验室是根据相似原理建立起来的物理模型,配电系统动态模拟试验平台是在传统电力系统动态模型基础上,凭借模拟无穷大电源、模拟输电线路、模拟变压器、模拟断路器、模拟各种负荷、模拟各种互感器、模拟小电源机组、各类电气回路结构,以及硬(软)件匹配而构建的模拟试验系统[17]。配电系统有其特殊性,包含配电网中性点接地方式、配电线路模型、小电源机组模型等[18-19]。

1.1 中性点接地方式

模型配电系统应能模拟原型系统各种各样的接地方式,并且包含采用接地变等方式如下。

1)模拟中性点直接接地系统。

2)模拟中性点不接地的系统。

3)模拟中性点通过电阻或者消弧线圈等阻抗接地,以限制接地故障电流的阻抗接地方式,要求电阻值或者消弧线圈补偿度可根据动模试验需要进行灵活调整[20-21]。

1.2 架空和电缆线路

模拟架空或者电缆线路均由等效链形电路组成,可采用“Π”型或“Γ”型电路,其电路参数特性应与相同配电网电压等级的原型线路相符[22-23]。附录A表A1和表A2分别列出了原型系统10 kV和35 kV架空和电缆线路的典型参数。

模型线路参数设计是针对原型系统,根据阻抗模拟比进行计算,要求所有模型线路元件,在通过额定或者故障工频电流时,其电压与所通过的电流值成正比(阻抗值恒定),因此模拟线路电抗器均采用空心线圈绕制方式。

1.3 小电源机组

随着新能源的高速发展,光电、风电、小水电等可再生能源均接入配电网系统,容易改变配电网的结构和电流的分布,改变配电网的故障特性。

模拟小水电机组,其频率范围应能在48～52 Hz可调整。模拟小电源机组的容量可根据实际情况按照模拟比选择,一般10 kV电压等级在400 kW～6 MW范围,35 kV电压等级在6～20 MW范围。在配电系统的动态模型中,要根据整个配电模型的功率模拟比,配置小容量的光伏、风电或者水电机组。

1.4 配电变压器

原型配电变压器以双绕组变压器为主,10 kV配电变压器的短路阻抗为4%～ 6%,35 kV配电变压器的短路阻抗为6.5%～8%,也有一些特殊变压器的短路阻抗特别大,因此模拟配电变压器短路阻抗要求能在4%～20%范围内可以调整,模拟变压器最大分接头为±10%UN,建模时要求模拟变压器短路阻抗的标幺值与原型变压器相等。

为了继电保护试验方便,模拟变压器高压侧和低压侧绕组应有匝间短路设置,匝间短路匝数与总匝数之比应在1%～10%间可选择。并且模拟变压器在空投时其励磁涌流应足够大,三相中最大涌流峰值应不小于4倍额定电流峰值。

2 特殊设备研制

针对故障指示器产品试验检测而研制了特殊的升流器、升压器;为开展小电流接地选线装置试验而研制了特殊的零序电流互感器;为了满足短路试验而研制了短路时刻合闸角程序控制器。

2.1 升流器和升压器

故障指示器动模试验时需要模型系统提供与原型系统一样的稳态300～600 A大电流、10 kV高电压,动模试验一般是检测自动化装置、继电保护装置等二次设备,而故障指示器相当于是一次设备,因此在动模实验室对故障指示器进行试验时,要采用特殊研制的升流器和升压器,升流器、升压器试验接线如图1所示。图中,TA为电流互感器,TV为电压互感器,FU为熔断器。

图1 升压器、升流器试验接线图Fig.1 Test wiring diagram of voltage booster and current riser

升流器是将模型线路电流值,升到与实际系统中的原型线路电流值相等,确保故障指示器通过升流器所测到的负荷和故障电流与原型实际系统中所测到的负荷和故障电流的大小相等、相位相同,暂态特性一致。国内动模实验室模型的一次额定电流值一般是10～20 A,而故障指示器像钳形表一样是通过磁钳卡在导线上来感应导线电流,因此将线径一致的导线环绕30匝,钳在上面的故障指示器感应的导线电流就是额定电流10～20 A的30倍,即300～600 A电流值。图1中的故障指示器是钳在30匝架空线路升流器上,如需不同的额定值,可以采用不同匝数的升流器,安装时注意电流的方向。

升压器是将模型线路的相对地电压值,升到原型实际系统中各相线路对地电压值,确保故障指示器对升压器极板所感应的静态和动态电压与在原型实际系统中所感应的静态和动态电压特性一致。国内动模实验室模型的一次额定线电压值一般是800～1 200 V,即额定相电压是462～693 V(对应的变压器为462～693 V/57.7 V),而故障指示器检测的是所挂导线对大地之间电压的感应电压,针对10 kV架空线路,每相故障指示器所感应的额定电压是5.77 kV,因此做一个容量10 VA、变比为57.7 V/5 770 V的升压器,图1所示的升压器原方绕组接电压互感器的副方,升压器副方绕组一端连接模型的一次导线、另一端接升压器顶部的金属极板(实物地),故障指示器下端对着升压器的金属极板,额定时感应到5.77 kV电压,如果模拟不同电压等级的线路,可以采用不同变比的升压器,同时也要注意同名端的极性。

2.2 零序电流互感器

模型电流与原型电流是按照电流模拟比来设计的,当原型配电系统运行在中性点不接地或者经消弧线圈接地方式下,单相接地故障时所产生的零序电流很小,如果采用传统穿心式零序电流互感器在动模实验室进行测量,故障电流仅仅只有几毫安或者更小,即使是采用最小变比的零序电流互感器,也无法启动继电保护装置和故障录波装置,不能开展配电系统动态模拟试验研究,因此要特殊研制一种如图2所示的零序电流互感器。

图2 零序电流互感器试验接线图Fig.2 Test wiring diagram of zero sequence current transformer

磁平衡法绕线式零序电流互感器,是将三相线路和副方绕组绕在同一个环形铁芯上,原方绕组为三个相线路并绕,副方绕组为零序电流互感器的二次输出,可以接保护装置和故障录波仪,可以根据要求调整原副方匝数比,使单相接地故障时产生的零序电流在0.1～10 A范围,从而通过磁平衡原理提高零序电流互感器的二次电流值、负载能力和测量精度,满足了继电保护装置和故障录波装置测量要求,是开展配电网故障试验研究的重要检测方法。

2.3 合闸角程序控制器

为了满足动模试验中短路时刻精确控制、变压器励磁涌流控制和故障转换控制等,研制了具有多路参考电压的短路合闸时间控制和开关逻辑控制的合闸角程序控制器。

合闸角程序控制器有12路输出脉冲信号,每路输出信号的脉宽从10～5 000 ms可调,精度能够达到0.1 ms,能够自动判断波形情况,输出脉冲可实现编程控制,该可调的脉冲信号再去控制合闸继电器完成断路器合闸控制,实现合闸时刻的精确控制。考虑了现场外部断路器的固有动作延时,可以通过设置“导前角”参数进行补偿。

3 接地选线试验模型

中国3～66 kV配电网的中性点一般采用不接地、经消弧线圈或者电阻接地方式,据国家电网公司2016年统计,国网公司配电网中性点接地方式是:不接地方式占68.5%、经消弧线圈接地方式占28.2%、经低电阻接地方式占3.3%。实际系统发生单相接地故障占小电流接地系统故障的80%以上,因稳态故障电流幅值小,故障选线装置不易判别,到目前为止,小电流接地系统单相接地故障选线装置的选线准确率不到50%,故障线路可靠识别一直没有得到圆满解决,因此显得动模实验研究尤其重要。

3.1 试验模型

接地选线试验模型要模拟中性点不接地系统、经消弧线圈或电阻接地系统,模型线路型式要求模拟架空线路、电缆线路或架空电缆混合线路。接地选线试验要求小电流接地系统单相接地故障选线装置在各种运行工况下系统发生单相接地故障时,能够识别故障线路并不受线路型式的影响[24]。

典型模型系统采用图3的接线方式,其中L1至L7,L9为架空线路,L8和L10为电缆线路。L1为50 km线路,L2和L3为20 km线路,L4,L5,L8及L10为10 km线路,L7和L9为5 km线路,L6为2 km线路。模拟单相接地时,过渡电阻值应在0～20 kΩ范围。

3.2 试验内容

针对不接地系统、经电阻接地系统、在90%～+95%补偿度及105%～+110%补偿度工况下的经消弧线圈接地系统进行试验如下。

1)在各个故障点分别模拟各种金属性单相接地故障,包含间歇性故障。

2)在各个故障点分别模拟各种经过渡电阻单相接地故障或者弧光接地故障。

3)某一个故障点发生单相接地故障经不同时间发展成另一个故障点同名相单相接地故障。

图3 小电流接地故障选线试验模型Fig.3 Test model of fault line selection for small-current grounding system

3.3 试验波形图

针对图3模型进行上述各种试验,零序电流互感器TA1至TA6分别接在变电站的6条出线上,电压互感器接在变电站母线上,故障录波仪接母线三相电压和零序电压3U0,6条出线的零序电流3I0以及分布式终端单元(DTU)接地故障告警信号,试验录波图见附录B图B1。

附录B图B1为中性点不接地工况下试验,D12故障点发生A相90°接地故障时波形,故障持续时间为120.5 ms,DTU接地故障装置发告警信号时间为48.2 ms。附录B图B2为中性点经消弧线圈接地系统工况下试验,其消弧线圈补偿度为+110%,D12故障点发生A相0°接地故障时波形,故障持续时间为123.8 ms,DTU接地故障装置发告警信号时间为58.7 ms。

4 故障指示器试验模型

配电网线路分支多、运行工况复杂,发生短路故障时,故障位置难以确定。故障指示器根据故障点前后故障指示器所检测的故障信息来确定故障区段。因此,试验模型要考虑多分支,要有全电缆线路、全架空线路和电缆架空混合线路三种方案,并且要同时设置多个故障指示器,分别测试在不同点故障时装置的动作情况。

4.1 试验模型

故障指示器试验模型如附录B图B3所示,在各模拟电缆线路、模拟架空线路上为故障指示器加装升压器、升流器,通过改变变压器各种接地方式模拟配电网各种运行工况,通过匹配升流器、升压器参数,保证电缆线路、架空线路的模型参数和原型参数对应,为动态测试故障指示器提供试验平台,测试模型能够模拟10 kV线路感应电场和不小于610 A线路电流,应能考核主干馈线、边界馈线下故障指示器产品性能。

动模试验应能模拟金属性故障、弧光接地故障、发展性故障、区内外经过渡电阻短路故障、线路突合负载涌流试验、非故障相重合闸涌流、负荷瞬时突变、人工投切大负荷、空载合闸励磁涌流、最小不动作电流试验的需要。

4.2 试验内容

1)模拟线路正常运行时,投切大负荷,包含启动电动机负荷。

2)模拟线路空载和正常运行下,空投负荷变压器产生的励磁涌流试验。

3)在各个故障点分别模拟瞬时性或者永久性单相接地、两相短路接地、两相相间短路、三相短路以及三相短路接地金属性故障。

4)模拟在线路发生单相接地故障时,在同一故障点或者不同故障点经过不同时间发展为两相短路接地故障或三相接地故障。

5)模拟经过渡电阻发生各种类型故障,过渡电阻可以调整,相间故障经最大电阻短路时,故障点相间剩余电压不大于额定电压的5%。

5 配电系统通用试验模型

试验模型要考虑多分支,要有全电缆、全架空和电缆架空混合线路三种方案。试验模型要模拟中性点不接地、经消弧线圈接地、经电阻接地等各种接地方式。具有灵活故障点设置和丰富接口,支持智能配电自动化系统的运行,支持各种配电网的继电保护装置和各种配电网故障监测及定位系统的试验。

由于新能源发电系统和储能元件快速发展,给配电网结构带来了深刻变化,原来单电源的辐射型配电网变成了双电源或多电源配电网,并且潮流方向也可能随着风、光的变化而改变,容易导致继电保护出现拒动、误动、失灵等现象的发生,给配电网继电保护技术带来了挑战,因此现代配电网试验模型一定要含新能源和储能系统,如附录B图B4所示,该模型可以开展因随机性波动性新能源的接入,将配电系统从单一电源结构变为复杂多电源结构,系统潮流的大小和方向发生巨大改变的配电网的规划、系统运行、故障分析等试验研究;还可以开展因不同类型和容量的分布式电源和储能系统在系统中的位置不同而引起的配电网双向潮流、电压不平衡、电能质量及继电保护等一系列问题的试验研究。

5.1 模块化

对通用试验模型进行开放性、实时性、可持续发展性设计,模拟设备采用模块化结构,整个通用试验模型体现灵活性、便捷性和模块化的架构特点,各个模块之间可以任意组合,每个单元均有测控装置,模块组如下。

1)无穷大模块—无穷大电源、变压器和开关组。

2)电源模块—小电源机组(含新能源)、变压器和并网开关组。

3)储能模块—储能单元、变流器和开关组。

4)负荷模块—负荷开关、变压器和负荷组。

5)开关模块—线路开关、电流电压互感器组。

6)线路模块—各种模拟线路元件组。

5.2 通用性

参数标幺值一致且物理特性相同的模型系统具有直观性、灵活性和系统性等优点,配电网通用试验模型如附录B图B4所示,该通用模型模拟了三个电压等级,即110 kV高压配电网、10 kV中压配电网、0.4 kV低压配电网,三绕组联络变压器的三侧分别连接高、中、低压配电网。

在高压配电网中,模拟水力发电机01G通过110 kV双回路100 km线路,经联络变压器与无穷大系统09W相连,可以开展GB/T 26864—2011《电力系统继电保护产品动模试验》标准中的线路保护、变压器保护、母线保护的全部试验内容。

在中压配电网中,无穷大系统08W经多段10 kV线路与无穷大系统09W相连,通过调整的调压器09W或者移相器可以调整输电线路的无功功率或者有功功率,模拟线路类型可以通过线路模块更换成电缆线路或者架空线路,各段母线上有各种负荷、风机、光伏、功率型和能量型储能设备,11～17 km为模拟环网柜等。

模型的一次系统采用搭积木方式,二次系统采用组态方式,这样试验模型灵活多变,试验过程方便快捷,具有可持续发展性。通过各种开关的组合,可以模拟单电源的辐射型、双电源手拉手式、多电源井字形等典型拓扑结构的配电网进行模拟,也可以组合成图3及附录B图B3的模型,可以完成T/CSEE 0027—2017《配电系统继电保护及自动化产品动模试验技术规范》要求的全部试验内容。

5.3 多功能

可模拟配电系统中的各种故障特性,如各种短路故障、单相接地、弧光接地、配电变压器匝间故障等,并具有相应的一次、二次侧的输出接口,方便故障特征分析,检测配电网的各种继电保护和自动化设备。

1)针对配电线路短路故障和异常运行的线路保护装置测试,包括纵联保护、电流速断保护、距离保护、过电流保护等。

2)针对配电变压器短路故障和异常运行的变压器保护装置测试,包括纵联差动保护、电流速断保护、过流保护、阻抗保护等。

3)针对配电网在各种运行工况下系统发生单相接地故障时,小电流接地系统单相接地故障选线产品测试,在不同的接地方式下,能够识别故障线路且不受线路型式的影响。

4)针对配电线路各种类型的短路故障,对馈线自动化系统进行检测,在不同的接线方式下,能及时诊断出故障区间并将故障区间隔离,恢复对非故障区间的供电。

6 结语

本文设计和研制了含新能源和储能的配电系统动态模拟试验平台,能模拟电网的各种运行状态与故障特征,为配电网的规划设计、运行、科学研究与检测等多个环节提供技术支持。能够进一步指导配电网继电保护及自动化产品的开发与应用。该平台已经为国内外科研院所开展了大量科学试验,包括SIEMENS公司的10 kV小电流接地检测实验、GE公司的35 kV复杂配电网故障定位实验等。

下一步的工作重点和难点是要进一步研制弧光接地试验装置,使其能准确模拟电弧非线性电阻的特性,真实反映配电线路故障的燃弧、拉弧和熄弧的过程,更适用于谐振接地系统单相弧光接地故障的模拟。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。