基于網荷終端的用戶低壓負荷緊急控制

陸玉軍, 李 澄, 江紅成,劉海波, 陳 顥, 葛永高, 王伏亮

(1. 江蘇方天電力技術有限公司,江蘇 南京 211102;2. 國網南通供電公司,江蘇 南通 226001;3. 東南大學電氣工程學院,江蘇 南京 210096)

0 引言

特高壓直流發生雙極閉鎖故障時引起的受端電網功率缺額、頻率穩定問題更為突出,采用調控緊急切負荷仍是確保電網安全運行的重要手段,但以110 kV線路為控制對象的安全穩定控制系統集中切負荷方式,易觸發企業生產事故,造成大面積的用戶損失和不利的社會影響[1-5]。

針對這一問題,江蘇電網根據大用戶負荷控制和需求響應的實施經驗,結合專變用戶負控終端升級、負荷精細化采集、能效監控和負荷快速控制的多重需求,率先開展了大規模用戶、電網、電源友好互動系統的研究和建設,通過在大型電力用戶側安裝網荷終端,采用光纖以太網通信,實現了用戶負荷的精細化采集和可切負荷快速精準控制[6-13]。首期在全省實施了1000多戶大型用戶負荷分路快速控制,監測可控負荷達到了3500 MW,主要集中于用戶廠內的35 kV/20 kV/10 kV電壓等級。

對于用戶低壓負荷中有重要生產負荷,如果被切除,會造成一定的損失或不利影響。為減少緊急切負荷對用戶的影響和實現負荷精準采集控制,本文提出了一種以用戶400 V低壓可切負荷為對象的負荷緊急控制方案,即基于用戶已安裝網荷終端,通過與低壓側網荷子單元通信,實現低壓負荷分散采集與精準可切。

1 網荷終端負荷緊急控制

網荷終端是在大型用戶專變終端基礎上開發的新型用戶終端,安裝于用戶變電所或配電房。支持用戶8～12路負荷出線電流和多段電壓接入,實現用戶可切負荷實時采集監測;終端同時具有豐富的通信接口,支持與主站實時通信上傳用戶實時負荷和精準可切負荷;終端不僅具備常規的負荷管理功能,同時可接受主站的切負荷指令,支持實現電網應急響應控制要求的毫秒級緊急負荷控制和秒級快速負荷控制。終端與主站控制結構如圖1。

圖1 網荷終端控制示意圖Fig.1 Grid-load terminal control diagram

目前現場接入終端的用戶側可切負荷分路大多集中在35 kV/20 kV/10 kV中壓側,這類負荷采用通過電纜直接采集、終端開出跳閘的方式,使終端跳閘出口延遲最小。當發生電網故障時,可確保從調度主站發出控制指令,經集中切負荷中心站,到網荷終端出口跳開負荷開關的整組時間在450 ms內完成,滿足了毫秒級緊急切負荷的要求[11]。但在這些被控負荷線路下仍帶了若干個400 V負荷,由于未進一步細分,快切時部分重要的低壓負荷也一并被切除了,選擇對用戶低壓負荷直接控制,可以減少此種負荷快速控制對用戶造成的不利影響。

2 用戶低壓負荷特點及控制實現要求

用戶400 V負荷數量眾多且分散分布于廠區內,現場實現這些支路的負荷精細化采集和快速切除控制難度非常大。用戶廠區內低壓負荷由配電房內400 V支路供電,這些支路安裝相對集中、實施方便,實現這些負荷支路采集與控制仍是可行的。

2.1 用戶低壓負荷特點

2.1.1 分散式與集中式400 V負荷

用戶低壓負荷可分為兩類:一類是入戶電壓等級在35 kV以上總降變電所和配電房用戶,有一個變電所和多個配電房,終端安裝在變電所,變電所與配電房間的物理距離一般在數百米甚至上千米,400 V負荷線路分布在不同的配電房內,這類低壓負荷稱分散式400 V負荷。另一類是入戶電壓等級在35 kV以下的配電房用戶,終端安裝在配電房,低壓400 V負荷線路與終端在同一配電房內,物理距離不過百米,這類低壓負荷稱集中式400 V負荷。

2.1.2 400 V負荷性質及可切量

用戶配電房內有400 V支路少則30～40條,多則達百條,各支路實現了負荷細分,但用戶廠區內400 V負荷受設計施工、生產管理、建造成本等眾多因素制約,多數支路在車間或用電設備側還設有下一級配電箱。這些支路的負荷,仍是輔助生產負荷(照明、空調、電梯、通風、供水)與主生產設備負荷(加熱、冷卻、變頻、水泵)的混合[14-15]。這些支路開關的額定電流在50～630 A不等,負荷支路額定電流與功率關系如表1所示。

表1 400 V支路額定電流與功率Tab.1 Rated current and power of 400 V branch

2.1.3 400 V負荷支路設備

400 V負荷支路開關設備安裝于低壓開關柜內,可為兩種:

(1) 抽屜柜式。低壓中小電流支路采用,每面柜由3～10個左右的抽屜組成,每個支路占用1個抽屜,抽屜內采用塑殼空氣開關,支路一般不帶電動操作機構,多數配一個B相電流互感器(CT)用于運行監視、無開關位置輔助接點,實現遠程監視控制不便。

(2) 固定柜式。400 V主變低壓總開關支路,或少數容量達到250 kV·A(或額定電流達400 A)以上的支路采用,配備框架式低壓萬能開關,支路CT配置完整、開關位置有輔助觸點,部分支路甚至還配有智能儀表,實現遠程監視控制方便。

2.2 實現低壓負荷控制的設備要求

實現400 V支路負荷控制,仍需具備實現采集和開關控制的條件基礎。固定柜安裝的支路設備已滿足這一要求,但多數抽屜柜安裝、塑殼空氣開關的負荷支路設備則需進行下述改造才能滿足。

2.2.1 開關改造

塑殼開關改造有:配置相應型號電動操作機構或分勵脫扣器(MX)兩種方式,前者施工量較大、實施復雜、成本高,后者施工量小、實施簡單、成本低,選擇改造方式需結合現場實際情況進行。

2.2.2 負荷采集

負荷采集首先需為改造的支路配備三相完整的CT(或AC相CT),采集有兩種方式:一種是通過電纜直接接入支路CT回路,另一種是加裝智能儀表采集,通過串口通信上傳數據。前者實施簡單,后者需進行儀表裝配接線,實施較復雜。

3 低壓負荷采集控制方案及比較

3.1 低壓負荷采集控制方案

在前述控制條件基礎上,根據集中式和分散式400 V兩類負荷的特點,結合現場實施的工程量、控制的可行性、實現的經濟性等因素,低壓負荷控制可以采用下述的3種采集控制方案。

3.1.1 電纜直采直跳方案

電纜直接采集電流電壓,終端跳閘出口經電纜跳低壓開關,該方案與目前接入網荷終端的中壓側負荷基本一致。對于集中式400 V負荷,終端與低壓負荷出線都位于一個配電房內,400 V負荷與終端間距離較近,一般采用該方案。

3.1.2 主從終端方案

對于終端位于變電所內,400 V負荷則位于另外的某個配電房內的分散式400 V負荷,400 V負荷與終端間電纜距離會長達數百米甚至上千米,且可能會分布在多個配電房內,考慮采用如下圖所示的主從終端通信控制方案,在用戶每個配電房內增加1臺終端,400 V負荷線路通過電纜接入從終端實現采集與控制,主終端與從終端間經光纖通信實現負荷功率采集和跳閘命令傳輸。

圖2 主從終端方案Fig.2 Master-slave terminal scheme

3.1.3 網荷子單元方案

面向通用對象的變電站事件通信(GOOSE)是IEC 61850標準中定義的用于滿足變電站自動化系統快速報文通信傳輸,是具有嚴格時間指標、重發機制和有效性檢查的通信協議,其訂閱發布機制、高效的數據傳輸、功能分布化的特征,使其在變電站繼電保護領域中得到應用普遍[16-19]。

考慮終端通信標準化和采集數據及命令快速傳輸,開發了一種基于GOOSE規約通信的網荷子單元裝置。網荷子單元與終端間采用GOOSE通信傳輸負荷采樣數據和跳閘命令,與現場智能儀表間采用串口通信傳輸采樣的功率負荷數據和跳閘命令。

為實現低壓負荷的控制,需為每個接入低壓負荷的配電房配1個網荷子單元,同時配電房內每個受控400V支路配1個智能儀表,如圖3所示。網荷子單元與智能儀表通信,采集數據上傳給終端,終端的跳閘命令通過網荷子單元下發至智能儀表,實現400 V負荷控制。

圖3 網荷子單元方案Fig.3 Grid-load sub-terminal scheme

3.2 控制方案分析比較

上述3種實現低壓可切負荷控制的方案各有利弊。電纜直采直跳方案簡單、但只適用于電纜長度較短的現場,分散式低壓負荷環境不適用;主從終端方案由于增加終端、安裝麻煩、實施成本高不適用于集中式低壓負荷,只適用于分散式現場。

表2從適用范圍、施工量、增加設備、施放光纜、終端程序升級、調試工作量、控制時延、靈活性、實施成本等方面進行了比較。

表2 控制方案比較Tab.2 Control scheme comparison

從表2中可以看出,網荷子單元方案可以適用于上述兩種用戶的各種現場,方案較靈活,可接入的用戶低壓負荷支路數擴展容易。如用戶已具備智能儀表,現場施工工作量可進一步減少,該方案僅在串口通信方面存在相應的延時。

4 低壓切負荷實現與改進

根據前述方案,采樣網荷子單元,終端GOOSE報文可在終端發出開關跳閘命令后立即傳輸,使跳閘命令的傳輸整體延遲達到最小,保證了命令傳輸的快速性[16]。

4.1 低壓切負荷試點

在蘇州地區挑選了2個典型用戶,利用網荷子單元實施了400 V負荷快速控制改造。

4.1.1 某10 kV配電房用戶

用戶實現400 V負荷快切的支路有4條,且配有智能儀表。通過升級終端程序,增加1個網荷子單元(裝于終端屏內),建立與各智能儀表和終端通信,最終實現400 V負荷數據采集和開關控制。

現場采用該方案的優勢是僅增加1個網荷子單元就實現了多個400 V負荷分路的控制,利用用戶設備減少了很多現場施工和調試工作量。

4.1.2 某35 kV變電所用戶

用戶有4條可切400 V負荷位于獨立的配電房內,與終端距離超過800 m。通過在用戶廠區內敷設光纜,升級終端程序,在配電房內增加1個網荷子單元和4個智能儀表,建立了網荷子單元與智能儀表、終端間通信,最終實現400 V負荷的數據采集和開關控制。

現場采用該方案的優勢是省去了在用戶廠區內的大量電纜敷設施工,且能靈活適應今后可切負荷支路的擴充。

4.2 低壓緊急控負荷改進

4.2.1 前述方案不足

網荷子單元方案雖在用戶進行了試點,但在緊急切負荷方面,仍存在如下不足:

智能儀表只支持串口RS 485半雙工通信,采用波特率為9600通信時,報文的傳輸和程序處理延遲約100～200 ms,當一個網荷子單元帶有n個支路的智能儀表時,由此導致的最大切負荷時延將達到200nms(加上前述固定時間,累計時間會超出1 s),已難以滿足毫秒級緊急切負荷的時限要求[11]。

現場用戶配備的設備,由于不需控制,部分用戶安裝的智能儀表不帶開出接口(或無出口模件),通過通信無法實現對負荷開關的控制。

4.2.2 網荷子單元直接跳閘

鑒于前述方案仍難以滿足毫秒級緊急切負荷系統嚴苛的時限要求,且網荷子單元與智能儀表間安裝在同一個配電房內,兩者之間距離較近,將網荷子單元作如下改進:配置獨立開出接口4～8路,通過電纜實現網荷子單元的直接跳閘控制。

改進后方案如圖4所示,支路負荷仍通過串口采集,開關控制則是當終端接收到主站切負荷命令后發出GOOSE跳閘報文,網荷子單元接收報文后直接發出開出跳閘命令,控制開關跳閘。改進后的控制時延由GOOSE通信的報文傳輸和處理延遲決定,與接入控制的負荷支路數量無關。

圖4 網荷子單元跳閘方案Fig.4 Grid-Load sub-terminal trip scheme

網荷子單元兩種控制方式比對試驗測試結果如圖5所示,當接入支路從1個增加到6個時,串口控制的延時增加明顯,而直接跳閘控制的延時基本沒有增加,且多路負荷全部跳閘時由網荷子單元產生的延遲總時間最大不超過30 ms[16-17]。因此采用此改進的低壓負荷控制方案可確保400 V負荷毫秒級緊急控制的實現,同時現場的施工工作量增加不多。

圖5 網荷子單元串口與跳閘控制延時對比Fig.5 Delay comparison between serial control mode and trip control mode

5 結語

本文針對現場實現400 V可切負荷快速控制的需要,結合已安裝于用戶的網荷終端,提出了適應集中式和分散式400 V負荷的幾種實現解決方案。利用GOOSE通信快速傳輸機制,現場試點實現了網荷子單元的控制方案,并針對串口通信的多支路延時積累效應問題,提出了一種改進的帶跳閘出口的網荷子單元方案,該方案具有延時小、動作快的特點,可滿足現場所有用戶400 V負荷快速控制的要求,具有較好的實用性和經濟性。

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