基于快速分闸的开关和智能控制器的故障隔离

1技术方案提出的背景

配网是城市和农村供电的载体,只有采用质量合格的配网,才能确保用户的供电安全,具有重要的经济价值和社会意义。在早期电网建设时,更加重视发电和输电,而配电和用电环节往往被轻视。经过几轮的城、农网改造,国家先后投入了几百亿的资金,主要用来完善配网系统,完善配网的硬件升级。不过,配网自动化的建设还处于启动阶段,到2016年国家电网公司有一个统计:其配电自动化覆盖率为18.9%,其中城网配电自动化覆盖率为38.3%。城网的配电自动化水平稍高一些,但依然处于较低的水平。当前,为了保障经济社会的快速发展,加上人民对用电可靠性的要求越来越高,国家能源局于2015年7月印发了配电网建设的方案,提出:到2020年,将逐步完善中心城市(区）智能化建设,进而保障供电可靠率为99.99%,以及所有居民和企业年均停电时间小于1h,从而使得我国供电质量处于一流的水平:将进一步完善城镇地区供电能力,供电可靠率超过99.88%,以及所有居民和企业年均停电时间不超过10h:到2020年配电自动化覆盖率要达到90%。为达到并实现上述目标,就对配网自动化技术方案提出了更高要求,需要有更多的技术解决方案来满足不同条件下的配网自动化需求。本文提出了一种基于快速分闸的开关和智能控制器的故障隔离配网自动化技术方案,文中把它简称为"配电防火墙"方案(就像一道墙一样,把故障隔离在"墙"内,而不波及"墙"外的供电用户）。

2"配电防火墙"技术方案

2.1方案原理描述

10kV架空线路用户或电缆线路T接用户的界内出现故障时,如故障在其进线段,或故障虽发生在用户进线开关内侧但其保护动作时限与变电站出线开关保护配合不当时,均会造成变电站出线开关保护掉闸。如果此故障性质是长期的,就会导致它的变电站出线开关重合失败,那么,此次单个用户界内的故障会造成整条配电线路停电。此类配电网中常见的波及停电事故,会带来供电可靠性和稳定性的极大降低,对供电公司供电可靠性的考核及用电用户都带来很大的影响,也会影响电网公司在用户中的声誉。

"配电防火墙"技术方案是应用一种能快速分闸的开关和能迅速检测并算出故障的智能控制器配合,在极短的时间内快速反应,并先于变电站出线开关动作反应时间切除隔离故障,不使本条线路上的出线开关跳闸,因此不影响本线路上其他非故障用户的供电,把单个用户界内的故障限制在了很小的供电范围内,从而提高了供电可靠率。

2.2方案组成及实现的技术条件

要实现此"配电防火墙"方案,必备的基本条件如下:

(1）能快速分闸的开关(断路器或环网箱）:因为一个变电站的出线开关,按电网公司的规程规定,其对故障作出判断的反应时间一般为60～80ms之间,一旦变电站出线开关的微机保护完成故障判断,并输出分闸信号,该信号就是不可收回的,所以"配电防火墙"开关必须在60ms以前把故障切除并隔离。而现在电网公司大量使用的弹簧操动机构的户外架空线柱上开关或者弹簧操动机构的环网箱,均不能满足这一条件。因为它们的分闸时间基本都比较长,都在50～120ms之间,且每一次分闸的时间分散性比较大,不具备实现快速切除并隔离故障的能力。这个技术方案里要用到一种新型的永磁操动机构开关,此类型开关其操动机构采用电磁线圈驱动开关的合分闸,并使用永磁铁的吸力来保持开关合或分的状态。永磁机构组成零件非常少,只有同类型弹簧操动机构的10%,且其动铁芯直接和开关动作端连接,减少了中间的传动环节,这些因素保证了永磁操动机构开关能将分闸时间控制在很小的范围内。本文探讨的技术方案要求开关分闸时间不超过26ms。

(2）高精度电流电压传感器:因为是否存在故障的判断是在智能控制器上作出的,而其计算的基础数据来源于高精度的采样数据。本文探讨的技术方案要求其电压电流传感器精度达到0.5级及以上。要求开关配套高精度电流电压传感器,而非传统的电磁式电流电压互感器,主要也是为了保证采样数据的精度,同时能过滤掉传统电磁式电流电压互感器所具有的高频谐波分量,避免对智能控制器算法程序产生干扰量。

(3）具备快速算法的智能控制器:因为开关的分闸时间已经占去了约26ms时间,所以智能控制器的故障判断算法不能按常规采用全波算法,原因是50Hz的系统一个完整波需要20ms时间,再作出分闸信号输出,并让开关完成分闸,其时间会在46ms以上,这样时间会太长。所以本技术方案需要智能控制器处理器在故障出现的首半波即能快速算出故障并输出分闸信号,并对内部的信号输出采用IGBT而非继电器方式,以保证从采样到判断输出分闸信号的时间不超过10ms。

2.3方案动作时间的实现

图1显示了"配电防火墙"开关的动作时间和变电站出线开关动作时间之间的配合设定关系。通常按配网自动化规程要求,变电站出线开关的全断开时间可设定为72=120ms,故障判断及输出分闸信号的时间设定在60～80ms之间。因变电站出线开关若已输出分闸信号将会是不可收回的,所以"配电防火墙"开关必须在≤60ms的时间内完成全断开,以隔离故障,才不会导致出线开关分闸造成整条线路停电。所以,设定"配电防火墙"开关在≤36ms内完成分闸,并在经最长10ms燃弧后完成全开断,切除界内故障并隔离,使本条线上其他用户正常供电不受影响,从而提高供电的可靠性。

以上动作时间图,可作为"配电防火墙"技术方案的时间设定参考图。

2.4"配电防火墙"方案应用举例

以架空线路为类,"配电防火墙"技术方案可根据应用场合分为分段型和分界型。

2.4.1分段型

如图2所示,安装于配网馈线主干线路,可采用集中式控制,也可采用分布式智能管理。

可实现的具体功能如下:可实现集中控制,安装于馈线的各分段开关与配网自动化主站实时通信,将二遥信息与故障s0E实时上报主站,主站通过馈线自动化拓扑算法将故障隔离最优方案通过遥控命令下发,集中式控制适合负荷密集的中心城区,通信方式建议采用光纤。

2.4.2分界型

如图3所示,用于安装在用户分界点上,起到线路故障快速跳闸保护主干网的作用。

具体可实现的功能如下:

(1）相间保护:区别于传统的分界相间保护需配合变电站重合闸来完成隔离故障,可直接通过过流方向判断故障的界内、界外,从而选择是否保护跳闸,以避免变电站重合闸对线路带来的不必要冲击。

(2）接地保护:在传统零序保护基础上增加方向性判定,对于界内故障做到有选择的跳闸。

(3）过负荷保护:根据界内变压器容量算出总负荷,对过负荷给变压器以及用户带来的潜在危险进行保护。

3结语

当前,国家提出了建设智能电网的宏伟规划,对于配电网而言,国家能源局也提出了提升配网自动化覆盖率的要求,这促使了配网自动化技术方案百花齐放。选择怎样的技术方案,跟各大、小配电网络的实际运行情况相关。文中所论述的"配电防火墙"自动化方案具有组成结构简单、逻辑清楚、可靠性高、易实现等特点,特别适合区域性的县级或城镇级配电网络使用:其投入比较小,但可靠性高,值得配网用户应用推广。