基于光纖通信的10 kV聯(lián)絡(luò)線備自投裝置應(yīng)用

江宇明，吳堅，黃鎮(zhèn)，曾曉

（國網(wǎng)浙江省電力公司臺州供電公司，浙江臺州317000）

基于光纖通信的10 kV聯(lián)絡(luò)線備自投裝置應(yīng)用

江宇明，吳堅，黃鎮(zhèn)，曾曉

（國網(wǎng)浙江省電力公司臺州供電公司，浙江臺州317000）

目前備用電源投入裝置主要用于110 kV及以下變電站的進線、母線、變壓器等設(shè)備的備用自投。隨著用戶對用電質(zhì)量要求越來越高，面向用戶的10 kV聯(lián)絡(luò)線也需要安裝備自投裝置。為此，合作研發(fā)了基于光纖通信的聯(lián)絡(luò)線備自投裝置，驗證了該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)2條10 kV聯(lián)絡(luò)線的相互備用、快速投切功能。該裝置的投入使用，提高了電網(wǎng)供電的可靠性，同時取得了顯著的社會與經(jīng)濟效益。

備自投裝置；聯(lián)絡(luò)線；光纖通信

一些重要用戶，如政府、醫(yī)院、學(xué)校、高科技企業(yè)等，對供電的質(zhì)量、連續(xù)性、可靠性提出了很高的要求。對于這些重要負荷往往采用了雙回10 kV線路供電或由環(huán)網(wǎng)柜將2條10 kV線路“手拉手”以保證用戶的供電可靠性。

然而現(xiàn)有的聯(lián)絡(luò)線路投切方式，往往是在工作線路跳閘以后，監(jiān)控中心值班員對備用線路發(fā)出合閘指令，供電才得以恢復(fù)。國網(wǎng)臺州供電公司現(xiàn)有的110 kV變電站以無人值守站為主，一般采取監(jiān)控中心遠方操作。一旦發(fā)生通信中斷，遠動裝置或備用線路的保護測控裝置故障，無法實施遙控合閘，則需要值班員前往該變電站進行就地操作。若采用環(huán)網(wǎng)柜的10 kV聯(lián)絡(luò)線“手拉手”方式，則還需增加環(huán)網(wǎng)柜開關(guān)的操作時間。這樣勢必延誤更多的時間，造成用戶更大的損失。

備用電源自動投入裝置（簡稱備自投裝置）在工作電源被斷開后，能迅速將備用電源自動投入，使用戶迅速恢復(fù)供電[1，2]，縮短停電時間。

但10 kV終端出線備自投裝置的研究，卻尚未深入。針對現(xiàn)有的雙回聯(lián)絡(luò)線投切方式的缺點，引入了備自投概念對雙回配電線路進行控制，并論證聯(lián)絡(luò)線備自投的可行性。

1 傳統(tǒng)備自投原理

現(xiàn)有典型的傳統(tǒng)備自投，一般采用獨立的微機裝置或組合在變電站綜合自動化系統(tǒng)中。對于備自投裝置應(yīng)有以下基本要求[3]：

（1）失去供電電源后，備自投裝置只允許備用電源的斷路器動作1次；

（2）若因設(shè)備故障（如母線故障），保護動作或保護拒動而引起相鄰后備保護（如變壓器后備保護）動作切除工作電源時，應(yīng)閉鎖備自投；

（3）備用電源不滿足有壓條件，備自投裝置不應(yīng)動作；

（4）由人工切除工作電源；當(dāng)發(fā)生工作電源電壓互感器二次側(cè)熔斷器熔絲熔斷或回路斷線等情況時，備自投裝置應(yīng)可靠不動作。

如圖1所示的二進線互備，母聯(lián)開關(guān)在合位，一條線路工作，帶兩條母線的負荷，另一條線路備用，線路備自投的2種方式如下：

方式一：進線一運行，進線二備用：即1DL在合位，2DL在分位；當(dāng)進線一電源因故障等原因被斷開；進線二備用電源自動投入，且只允許動作1次。為了滿足這個要求，設(shè)計了進線二自投的充電過程，只有在充電完成后才允許自投。

方式二：進線二運行，進線一備用：即2DL在合位，1DL在分位；當(dāng)進線二電源因故障等原因被斷開；進線一備用電源自動投入，且只允許動作1次。為了滿足這個要求，設(shè)計了進線一自投的充電過程，只有在充電完成后才允許自投。

圖1 二進線備自投

如圖2所示的備自投動作邏輯，左側(cè)是備自投充電邏輯，在判斷1DL，2DL，3DL的位置以及Ⅰ母，Ⅱ母有壓，備自投延時T充電完成。只有在備自投充電以后，備自投才能實現(xiàn)。

圖2 進線備自投動作邏輯

2 聯(lián)絡(luò)線備自投的功能設(shè)置

2.1 聯(lián)絡(luò)線備自投的適用范圍

對于重要的負荷，需要引入備自投來保證其供電可靠性。為一個負荷供電的2條線路，可引自同一變電站，如圖1所示，也可引自不同變電站，如圖3所示。

對于2種接線方式，備自投裝置的功能設(shè)置與動作邏輯并無不同。但是對于同一變電站出線的裝置，數(shù)據(jù)的采集和信號的傳送可采用傳統(tǒng)的電纜方式；當(dāng)2條線路引自不同的變電站時，電纜的方式顯然不適合，這時就需要選定一種合理的通信方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和信號的傳送。

2.2 聯(lián)絡(luò)線備自投的動作邏輯

如圖3所示的進線方式為例，為某重要負荷供電的2條出線，掛在變電站一的10 kVⅡ母上的出線一為負荷進行正常供電，另一條掛在變電站二的10 kVⅠ母上的出線二作為備用。當(dāng)線路發(fā)生故障跳開時，備自投需要將出線二自動投上。其動作的邏輯框架如圖4所示。

圖3 不同變電站聯(lián)絡(luò)線的備自投接線方式

圖4 聯(lián)絡(luò)線備自投動作邏輯

比較傳統(tǒng)的進線備自投與聯(lián)絡(luò)線備自投的邏輯，如圖2、圖4所示，顯然聯(lián)絡(luò)線備自投的功能與線路備自投比較接近。其差別僅為，聯(lián)絡(luò)線備自投充電條件無需判定10 kV母聯(lián)開關(guān)3DL，4DL的位置，普通備自投裝置的硬件完全符合聯(lián)絡(luò)線備自投的要求，只需通過升級軟件的方式實現(xiàn)。

聯(lián)絡(luò)線備自投的2種方式如下：

方式一：出線一運行，進線二備用：即1DL在合位，2DL在分位；當(dāng)出線一電源因故障等原因被斷開；備自投裝置出口跳1DL，進線二備用電源自動投入，且只允許動作1次。

方式二：出線二運行，進線一備用：即2DL在合位，1DL在分位；當(dāng)出線二電源因故障等原因被斷開；備自投裝置出口跳2DL，進線一備用電源自動投入，且只允許動作1次。

2.3 聯(lián)絡(luò)線備自投通信方式比較與選用

傳統(tǒng)備自投所取的開關(guān)位置、電流電壓模擬量等數(shù)據(jù)都來自同一個站內(nèi)，可由電纜直接接入備自投屏內(nèi)。跳合閘出口命令也可由電纜傳送。然而聯(lián)絡(luò)線備自投的2條出線可能位于不同的2個變電站，需要將2條出線及相應(yīng)母線的數(shù)據(jù)送至一處，并將跳合閘命令發(fā)送到不同變電站。所以聯(lián)絡(luò)線備自投裝置的開發(fā)需要考慮備自投通信方式的選擇。現(xiàn)有的站間通信方式有公用網(wǎng)絡(luò)模式，無線傳輸模式以及專用光纖模式等。

（1）采用有線公用網(wǎng)絡(luò)模式的備自投方案，應(yīng)用計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，以IP協(xié)議為基礎(chǔ)建立裝置間的數(shù)據(jù)通信，組建局域網(wǎng)實現(xiàn)備自投裝置的互相通信。為每套裝置分配靜態(tài)IP地址。這種方式的缺點是：需組建站間局域網(wǎng)，要研制專用的發(fā)送與接收端裝置和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器；通信不可靠，執(zhí)行反饋時間較長，編程復(fù)雜，安全防護難度大[4]。

（2）利用無線傳輸模式，即通過GPRS無線IP連接方式，數(shù)據(jù)通過GSM系統(tǒng)的空中信道傳遞方式，實現(xiàn)點對點、中心對多點以及多點之間實時對等的數(shù)據(jù)傳輸。優(yōu)點是覆蓋面廣、速率高，永遠在線；缺點是安全性能不高，信號易受干擾，安全防護難度大，終端設(shè)備投資大，通信信道利用率低[5]。

（3）現(xiàn)階段通信網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展壯大，以臺州電網(wǎng)為例，各個110 kV變電站之間基本實現(xiàn)了光纖通信，利用光纖通信傳輸控制及繼電保護信息，具有傳輸質(zhì)量高，誤碼率低，傳輸容量大，接口方便靈活，抗干擾能力強等優(yōu)勢[6]。為實現(xiàn)聯(lián)絡(luò)線備自投所要求的站間數(shù)據(jù)交換及跳合閘命令的傳輸提供了良好的基礎(chǔ)。

如表1所示，基于對以上幾種通信方式的可行性、安全性、經(jīng)濟性的比較，以及對臺州地區(qū)現(xiàn)有110 kV站的站間通信方式的統(tǒng)計分析，決定選用光纖通信方式作為聯(lián)絡(luò)線備自投裝置的站間通信方式。

3 聯(lián)絡(luò)線備自投硬件及組屏

選擇許繼PMF700系列備自投裝置，如圖5所示，具有運行速度快、可靠性高，采樣測量精度高，能在惡劣環(huán)境（如強電磁場、低溫、潮濕、多灰塵等）下可靠運行等優(yōu)點。

CPU插件具有11組開入，電源及出口插件具有9組開出，分別為保護繼電器1—4、信號繼電器5和面板信號1—4。AC交流插件可采集2組單相交流電流和2組三相交流電壓，完全滿足聯(lián)絡(luò)線備自投的采樣及出口的要求。

聯(lián)絡(luò)線備自投的組屏應(yīng)遵循國家電網(wǎng)公司Q/GDW 421-2010《電網(wǎng)安全穩(wěn)定自動裝置技術(shù)規(guī)范化》[7]的規(guī)定，根據(jù)需配置聯(lián)絡(luò)線備自投間隔的多少，可與110 kV進線與10 kV母線備自投同屏，或單獨組屏。

表1 不同通信方式對比

圖5 PMF700系列備自投裝置

4 備自投裝置應(yīng)用的經(jīng)濟效益分析

4.1 減少操作時間

聯(lián)絡(luò)線備自投裝置投入運行后，相比原有的手動投入操作方式，操作時間大大縮短，如表2所示。聯(lián)絡(luò)線備自投動作整定時間為7.0 s；而手動操作在不考慮通信中斷的最優(yōu)情況下，其平均操作時間也需要121.4 s。每次操作所能節(jié)省的時間為114.4 s。

4.2 減少社會停電損失

社會停電損失是指由于電力供應(yīng)不足或電力系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致供電中斷，從而對用戶造成的經(jīng)濟和社會損失[7]。本文介紹的停電損失分析采用文獻[7]中提出的產(chǎn)電比法進行。產(chǎn)電比是某一時期（年）某一地區(qū)內(nèi)GDP（國內(nèi)生產(chǎn)總值）與消耗電能量之比，單位是元/kWh。產(chǎn)電比描述了某年某一地區(qū)單位電能創(chuàng)造的經(jīng)濟效益，是對電能貨幣價值的一種社會度量。表3為臺州地區(qū)2011年至今的產(chǎn)電比統(tǒng)計數(shù)據(jù)。一年中停電帶來的GDP損失計算公式如式（1）所示。

表2 操作時間對比s

式中：CostGDP_anni為年社會停電損失；t為停電時間；P為10 kV線路供電有功功率；ratio為產(chǎn)電比；n為聯(lián)絡(luò)線路數(shù)量；times為每條聯(lián)絡(luò)線年故障操作次數(shù)。

表3 臺州地區(qū)產(chǎn)電比

臺州地區(qū)共有聯(lián)絡(luò)線路526條，平均每條聯(lián)絡(luò)線一年產(chǎn)生故障操作11次。假設(shè)一條10 kV線路的供電有功功率為5 000 kW，產(chǎn)電比取13.00元/kWh。停電損失計算結(jié)果如表4所示。

表4 年社會停電損失比較

4.3 減少運營損失

除社會停電損失外，線路停電還帶來售電量的損失以及操作的人員工資成本的上升。

售電量損失的公式如式（2）所示：

式中：Costsale_anni為售電量損失；Price為電價。

一年售電量損失的計算結(jié)果如表5所示。采用聯(lián)絡(luò)線備自投裝置后，在裝置正常運行的情況下，能夠減少人力投入，節(jié)約了人員工資成本。人員工資成本如式（3）所示：

表5 售電量損失

式中：Costwages為1年人員工資成本；people為每次操作人數(shù)，一般為2人；wage為人均小時工資。

由于采用聯(lián)絡(luò)線備自投后，無需支出人員工資成本，所以一年中節(jié)約的人員工資成本Costop_anni為4 877.92元。

綜上分析，供電公司年運營損失對比如表6所示。顯然，聯(lián)絡(luò)線備自投裝置的投入，可以縮短用戶停電的時間，不僅減少了公司自身的運營損失，還顯著減少了社會停電損失，能帶來很大的社會效益和經(jīng)濟效益。

表6 年運營損失對比

5 結(jié)語

開展對10 kV聯(lián)絡(luò)線備自投裝置的研究對提高供電可靠性有著十分重要的意義。10 kV聯(lián)絡(luò)線備自投裝置的研制成功，進一步完善了備自投裝置的系列產(chǎn)品，能滿足10 kV終端的重要用戶對電能質(zhì)量與供電可靠性的需求，投入使用后能顯著縮短操作時間，縮短用戶的停電時間，減少社會經(jīng)濟損失，對供電公司也有著十分顯著的經(jīng)濟效益。同時，為解決電網(wǎng)薄弱、供電可靠性低等問題，提供了一種快速有效、安全可靠的解決方案。

[1]賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護原理[M].北京：中國電力出版社，1994.

[2]3～100 kV電網(wǎng)繼電保護裝置運行整定規(guī)程[S]．北京：中國電力出版社，2007．

[3]李曼嶺，黃芳．備用電源自動投入裝置在電網(wǎng)中的多元化應(yīng)用[J]．電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37（18）∶147－150．

[4]程亮．基于TCP/IP以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)字式變電站備用電源自投裝置的研制[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2004，22（11）∶81－83．

[5]崔秀玉．GPRS技術(shù)在電力系統(tǒng)通信中的應(yīng)用[J]．電力系統(tǒng)通信，2004，25（8）∶3－4．

[6]谷昕．利用光纖通信網(wǎng)絡(luò)傳送繼電保護信號[J]．電力系統(tǒng)通信，2004，257∶34－37．

[7]Q/GDW 421－2010電網(wǎng)安全穩(wěn)定自動裝置技術(shù)規(guī)范[S]．北京：中國電力出版社，2010．

[8]唐海軍．基于光纖通信的遠方備自投設(shè)計與實現(xiàn)[J]．繼電器，2006，34（4）∶80－82．

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（本文編輯：楊勇）

Application of Spare Power Automatic Switching Device for 10 kV Tieline Based on Optical Fiber Communication

JIANG Yuming，WU Jian，HUANG Zhen，ZHEN Xiao
（State Grid Taizhou Power Supply Company，Taizhou Zhejiang 317000，China）

Spare power automatic switching device is mainly used for the incoming line，bus and transformer in substations of 110 kV and below.With the increasingly higher requirements of users on power quality，the user-oriented 10 kV tieline also needs spare power automatic switching device.Thus，spare power automatic switching device for tieline based on optical fiber communication is developed through cooperation.It is verified that the equipment can realize mutual backup and quick switching between two 10 kV tielines.The utilization of this equipment improves the reliability of grid power supply and in the meantime achieves significant social and economical benefit.

spare power automatic switching device；tieline；optical fiber communication

TM762.1

：B

：1007-1881（2014）07-0037-04

2014-03-27

江宇明（1963-），男，浙江溫嶺人，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)保護與控制。