含小水電上網配網線路孤網分析及故障后復電方案

鄺皆欣　陳志峰

摘要：小水電因地制宜，零散分布，就地上網，對配網線路管理帶來挑戰。文章分析了目前含小水電上網的配網線路在實現自動復電過程中存在的難題和線路跳閘后孤網運行的特性，提出了針對性的自動復電解決方案，能夠實現小水電可靠快速解列和線路自動檢無壓重合閘。

關鍵詞：配網線路；小水電；孤網運行；重合閘；解列 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM73 文章編號：1009-2374（2016）28-0117-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.059

韶關地區水電資源非常豐富，有大量的小型水電站上網。但由于丘陵地形限制，上網小水電的建設比較分散，設施通常位于負荷附近，在配電網的末端或者中間接入系統。隨著小水電在配電網的大量接入，傳統的配電網由單電源輻射型網絡逐步發展成復雜的雙電源甚至是多電源網絡。多電源網絡的繼電保護比單一電源復雜得多，需要線路過流保護、重合閘裝置、水電解列裝置配合作用，才能在線路發生瞬時非永久性故障后快速與主電源側恢復連接。由于配網線路沒有電壓抽取裝置，重合閘不能實現檢無壓或檢同期，直接重合將面臨非同期并網對上網水電的發電機組造成沖擊的風險。因此目前的繼電保護方案中，含水電上網線路不投重合閘，線路跳閘后待水電解列裝置全部動作、機組與線路解列后，才合上線路的主電源側開關。水電解列裝置動作于水電機組開關，以電壓為主判據，一定時限內過壓或低壓將動作。該工作方式下，裝置容易受系統電壓波動影響發生誤動，為減少對機組正常運行的影響，最大化發電收益，廠站運維人員大多采用退出解列裝置動作出口，一旦線路與變電站10kV母線解列，發生過壓工況時，過電壓無法及時消除，很可能會大面積燒壞用戶設備。針對上述問題，本文旨在探討一種解決方案，通過增加頻率判據提高水電解列裝置的可靠性，同時增加配網線路檢無壓重合閘功能，最終實現快速復電。

1 含小水電配網線路跳閘后運行分析

配網線路跳閘大多為瞬時故障，線路跳閘后短時間內上網水電與用戶短時間內還將保持孤網運行。下面將對孤網的電壓和頻率特性進行分析：

1.1 孤網過電壓分析

如圖1所示為含小水電地區電網的等值簡化模型圖，根據戴維南定理，將線路上全部小水電等值為單電源來分析。

雷雨多發的豐水期，小水電向主網輸送有功和無功，即%e5%9b%be%e5%83%8f1658840.PNG、%e5%9b%be%e5%83%8f1658858.PNG。從式（1）可知，當孤網運行時，一旦線路跳閘，與主網解列，%e5%9b%be%e5%83%8f1658875.PNG與%e5%9b%be%e5%83%8f1658891.PNG迅速降至0，同時功角%e5%9b%be%e5%83%8f1658910.PNG減小，因此電壓增大。

在仿真軟件DIgSILENT/PowerFatory中按照圖1搭建模型進行分析驗證豐水期配網線路中大量水電上網、跳閘后孤網中不平衡功率將較大引起電壓大幅波動的工況。設置小水電額定視在功率1658924.png為0.32MVA，機端額定電壓1658931.png為0.4kV，額定功率因數0.8。變壓器高壓側額定電壓為10kV。輸電線路參數1658938.png=0.3321658948.png，1658957.png=0.3561658965.png。在t=30s時斷開與外網連接的斷路器，得到孤網運行仿真結果如圖2：

由圖2仿真結果中可以看到，孤網形成后，bus1和bus2電壓均從1.014p.u.上升至1.207p.u.，遠遠超出電壓允許范圍，導致嚴重過電壓。仿真結果與理論分析結論一致，可驗證豐水期孤網將產生嚴重過壓。

1.2 孤網頻率分析

并網穩態運行時，水輪機組和系統同步運行，轉速與頻率的關系滿足：

我們從式（4）中可知，%e5%9b%be%e5%83%8f1659141.PNG由出水量（汽輪機由蒸汽量）決定，%e5%9b%be%e5%83%8f1659156.PNG則由電磁功率決定，即電機轉速變化取決于電機出力和用電功率的平衡情況。并網運行時，整個大電網是一個整體，有功功率供需處于動態平衡狀態，局部負荷的波動對大容量電網的干擾可以忽略。但在孤網狀態下，水電機組成為了主要電源，線路上機組轉速直接決定了孤網的頻率。孤網中負荷的變化造成%e5%9b%be%e5%83%8f1659175.PNG的改變。小水電機組沒有安裝自動調頻裝置，即%e5%9b%be%e5%83%8f1659194.PNG不能進行實時調節，因此負荷變化基本決定了不平衡力矩的產生，造成機組轉速變化。

豐水期水電機組向主供線路輸出大量有功，當主供線路跳閘后，負荷大幅度減少，使得電磁功率減少，此時%e5%9b%be%e5%83%8f1659208.PNG為正，轉子角速度增大，孤網頻率隨之增大。若在枯水期間，與主供線路解列后水電有功出力小于用電需求，由于%e5%9b%be%e5%83%8f1659225.PNG，轉子減速運動，孤網頻率降低。

主供線路跳閘后，孤網中水電出力長期用電負荷的幾率極低，而且負荷必會隨時間變化，轉動慣量不可能一直保持為零，因此可以判斷的是，孤網運行時頻率一定會偏離工頻。

綜上所述，孤網運行的配電線路其電壓和頻率均發生變化。當水電出力大于用電負荷時，容易出現高壓、高頻的工況；出力小于負荷時，孤網將出現低頻、低壓工況；出力與負荷大致平衡時，負荷的波動將引起頻率的變化，由于小水電機組無自動調頻裝置，頻率將逐漸偏離工頻。

2 新型發電機解列裝置研發

2.1 常規過電壓保護解列裝置局限性

目前韶關地區大部分小水電機組安裝的水電解列裝置只有單一過電壓保護，運行中過壓啟動條件具備時將動作，將機組從系統上切開。這種裝置的不足之處在于：

2.1.1 在長距離線路上網的特殊運行方式下，機端電壓偏高，裝置容易誤動。由于配網線路的阻抗的影響，在轉供電特殊運行方式下，線路被加長，線路阻抗增加導致總阻抗增加，機端電壓會被抬高，位于線路末端的機組電壓抬升幅度最大。同時在轉供電期間，多個小水電站紛紛抬高勵磁以增大無功輸出、滿足功率因數考核要求，導致惡性循環，電壓被進一步抬高。多個因素綜合影響，很可能使電壓幅值超過解列裝置過壓啟動條件的整定值，引起裝置動作切機。

如圖3所示為某水電站在轉供電期間機端電壓的實測數據，可見該特殊運行方式下電壓升高的幅度較大，電壓由230V升至接近300V，接近甚至超過了部分線路孤網運行電壓上升的幅度，足以驗證上述分析。

2.1.2 線路與主電源解列后，若保持孤網運行，水電機組和負荷大致平衡，電壓偏離幅度不滿足解列裝置過電壓保護整定要求，機組和用戶保持上網運行，遲遲不能解列，延誤了復電時間。

上述兩種工況的可能性使得單一電壓判據的發電機解列裝置電壓整定值難以確定：若降低動作電壓整定值，在小水電長線路上網的運行方式下則容易誤動；若提高該整定值，則在線路瞬時故障跳閘后孤網運行情況下裝置可能拒動，即降低了裝置靈敏度。

2.2 新型發電機解列裝置的特點

考慮到此種現況，研制一種新型小水電解列裝置，增設頻率判據，解列裝置持續采集機組出口母線電壓幅值和頻率值并對其進行監測和判斷，具備以下功能：（1）孤網下不平衡功率較大引起嚴重過電壓時，解列裝置應立即響應，第一時間將機組從系統切開；（2）在特殊運行方式電壓波動而非線路故障跳閘的工況下，解列裝置應不發生誤動；（3）當孤網中不平衡功率較小，電壓變化較小時，應能根據頻率、電壓復合判據準確識別孤網工況，快速切開機組。

設計的新裝置能夠實現過頻過壓保護、過頻保護、過壓保護滿足以上要求，還具備低壓告警和低頻告警功能。過壓保護、過頻保護的整定值較高、動作時間較短；過頻過壓保護分為兩段式保護，Ⅰ段電壓整定值較Ⅱ段高，頻率整定值較Ⅱ段低。各保護動作區間如圖4所示：

（1）當孤網嚴重不平衡而發生大幅過壓工況，裝置過壓保護應立即動作切開機組，保護用戶設備安全；（2）在小水電長線路上網的特殊運行方式下，若發生電壓波動，由于高壓保護整定值較高、動作時間較長，此情況下保護不易誤動，且線路保持并網運行，頻率穩定，過頻過壓保護可靠不動作。待電壓恢復至正常值后，線路繼續正常運行，因此新裝置的保護整定可有效避免該方式下裝置誤動跳機；（3）當孤網時出力與負荷大致平衡時，頻率或電壓的偏離沒有達到高頻保護、過壓保護的整定值，而兩段式過頻過壓保護靈敏度高，能快速識別孤網過頻過壓工況，使機組快速解列。

3 全新10kV線路間隔電壓互感器研發

過去10kV配網線路中沒有電壓抽取裝置，并沒有檢無壓或檢同期功能，直接進行重合閘。典型的配網線路為單電源供電，直接重合閘方式既經濟又高效。但對于含小水電上網的分布式電源配網線路，若直接進行重合閘，將發生非同期并網，在并網瞬間的高壓對發電機組產生強烈的沖擊，也可能對用戶設備造成破壞。為了降低該種工況發生的可能性，現有的解決措施是，對于含水電上網的配網線路不投入重合閘，若線路跳閘，只能靜待一段時間，預估水電全部或大部分解列后強送線路。該措施耗時太長，影響供電，且仍有非同期合閘的風險。考慮在配網線路的主電源饋線開關側安裝電壓抽取裝置，實現對線路電壓監測，能夠在無壓條件滿足后迅速合上線路開關，減少復電耗時。現研發一種新型的10kV電子式電壓互感器，結構如圖5所示。互感器主要由電阻分壓器、傳輸系統和信號處理單元組成。電阻分壓器由高壓臂電阻R1、低壓臂電阻R2和過電壓保護的氣體放電管S構成，低壓臂電阻R2的下端與帶螺紋的接地嵌件連接，從而通過接地嵌件實現可靠接地。電阻分壓器作為傳感器頭，主要將一次母線電壓成比例轉換為小電壓信號輸出；傳輸單元由雙層屏蔽絞線和連接端子構成，主要將分壓器輸出信號傳遞到信號處理單元，同時實現外界電磁干擾屏蔽功能；信號處理單元主要由電壓跟隨、相位補償和比例調節電路組成，實現電壓互感器的阻抗變換、相位補償和幅值調節功能，使得互感器輸出信號滿足準確度要求。

目前韶關供電局已經成功研制出此電壓互感器，其最大直徑為81mm，高222mm，體積小，可安裝在10kV饋線柜中，經過實測，能在此環境下正常工作，采集線路電壓給保護裝置，豐富了配網線路重合閘的檢定方式。

4 優化方案分析

針對上文提到現含小水電上網的配網線路在瞬間故障跳閘后不投重合閘、小水電不能及時解列的問題，提出一種復電解決方案：（1）在10kV饋線開關處安裝新型電子式電壓互感器用于抽取線路電壓，投入檢線路無壓重合閘；（2）在小水電上網線路中用新型小水電解列裝置代替原有裝置。

下面將討論配網線路發生瞬間故障跳閘后，該優化方案的工作過程，假設該配網線路上除水電機組上網，用戶側均無電源上網，水電解列裝置全部正常工作、動作出口壓板合上。分三種情況討論：（1）該線路上水電出力小于用電負荷。線路與主供線路解列后，由于水電機組仍在運轉，線路仍帶電，重合閘并沒有動作。根據上文結論，將出現低頻工況，線路上各機組的小水電解列裝置低頻保護陸續啟動，將水電機組與上網線路解列。待全部機組解列，線路無壓條件滿足，重合閘動作，線路合閘成功；（2）該線路上水電出力大于用電負荷。在天氣惡劣、事故頻發的豐水期，該線路上水電充盈，大于該線路用電負荷，并向主電源送電。跳閘后出現高壓高頻工況，不符合饋線檢無壓重合閘條件。水電解列裝置過壓過頻保護快速啟動，將水電機組陸續跳開。待全部機組解列，線路無壓條件滿足，重合閘動作，線路合閘成功；（3）該線路水電出力與用電負荷大致相等。跳閘后線路上機組和用戶形成孤網運行，機組無調頻功能，孤網頻率不能穩定，當滿足過頻過壓Ⅰ段或Ⅱ段保護的整定條件，裝置迅速動作，將機組跳開，配網主線路無壓條件滿足，饋線開關重合閘啟動，線路合閘成功。

從圖6可以直觀地看到10kV F11大橋線上小水電和用戶的分布情況。線路上小水電上網數量多，分布較零散，在旱巖一級、二級電站、白石角電站處局部集中。變電站側投入線路檢無壓重合閘，各機組上網線路裝設新型小水電解列裝置。豐水期該線路向變電站側供電，瞬時故障跳閘后變電站側負荷消失，孤網頻率增大，末端小水電上網集中處過電壓最為嚴重，小水電解列裝置率先動作。該區域水電跳開后，出力大幅減少，孤網過渡到低頻低壓狀態，源九塘電站、陳家排電站、溫山電站的水電解列裝置低頻低壓保護啟動跳開機組。至此F11大橋線上分布電源全部跳開，大橋變電站饋線開關側檢無壓重合閘啟動，經整定時間t后合閘成功。枯水期各電站出力不足以滿足該線路負荷需要，線路跳閘后無主電源供電，孤網直接往低頻低壓狀態過渡，各機組陸續跳開，線路無壓條件滿足后重合閘啟動。

5 結語

（1）新型小水電解列裝置彌補了原小水電解列裝置特殊運行方式誤動的不足，提高了可靠性，減少電站經濟損失，投入使用后能夠有效防止過電壓燒壞用戶電器，提高小水電上網線路的供電的安全穩定性，有較好的經濟效益和社會效益，能夠在線路孤網運行時準確判斷工況和及時將機組解列，成為配網線路實現檢無壓重合閘的有效前提；（2）全新10kV間隔電壓互感器的研發與使用，為實現配網線路檢無壓重合閘提供了有力的數據支撐，且成本低廉，安裝難度小，環境適應性好，具有良好的經濟適用性，可實現性強；（3）配網線路檢無壓重合閘方案有效解決了目前含小水電上網的配網線路無法實現自動重合閘的問題，實現了配網線路檢無壓和自動復電，減少經濟損失，加強了電網的安全穩定，為韶關地區未來解決配網饋線自動化課題提供了條件。

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作者簡介：鄺皆欣（1991-），女，廣東韶關人，廣東電網公司韶關供電局電力調度員，研究方向：電力系統自動化；陳志峰（1974-），男，廣東韶關人，廣東電網公司韶關供電局副主任，工程師，碩士，研究方向：電力系統保護與控制。

（責任編輯：小 燕）