鄺皆欣　陳志峰

摘要：小水電因地制宜，零散分布，就地上網(wǎng)，對配網(wǎng)線路管理帶來挑戰(zhàn)。文章分析了目前含小水電上網(wǎng)的配網(wǎng)線路在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)電過程中存在的難題和線路跳閘后孤網(wǎng)運(yùn)行的特性，提出了針對性的自動(dòng)復(fù)電解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)小水電可靠快速解列和線路自動(dòng)檢無壓重合閘。

關(guān)鍵詞：配網(wǎng)線路；小水電；孤網(wǎng)運(yùn)行；重合閘；解列 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guān)地區(qū)水電資源非常豐富，有大量的小型水電站上網(wǎng)。但由于丘陵地形限制，上網(wǎng)小水電的建設(shè)比較分散，設(shè)施通常位于負(fù)荷附近，在配電網(wǎng)的末端或者中間接入系統(tǒng)。隨著小水電在配電網(wǎng)的大量接入，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)由單電源輻射型網(wǎng)絡(luò)逐步發(fā)展成復(fù)雜的雙電源甚至是多電源網(wǎng)絡(luò)。多電源網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)比單一電源復(fù)雜得多，需要線路過流保護(hù)、重合閘裝置、水電解列裝置配合作用，才能在線路發(fā)生瞬時(shí)非永久性故障后快速與主電源側(cè)恢復(fù)連接。由于配網(wǎng)線路沒有電壓抽取裝置，重合閘不能實(shí)現(xiàn)檢無壓或檢同期，直接重合將面臨非同期并網(wǎng)對上網(wǎng)水電的發(fā)電機(jī)組造成沖擊的風(fēng)險(xiǎn)。因此目前的繼電保護(hù)方案中，含水電上網(wǎng)線路不投重合閘，線路跳閘后待水電解列裝置全部動(dòng)作、機(jī)組與線路解列后，才合上線路的主電源側(cè)開關(guān)。水電解列裝置動(dòng)作于水電機(jī)組開關(guān)，以電壓為主判據(jù)，一定時(shí)限內(nèi)過壓或低壓將動(dòng)作。該工作方式下，裝置容易受系統(tǒng)電壓波動(dòng)影響發(fā)生誤動(dòng)，為減少對機(jī)組正常運(yùn)行的影響，最大化發(fā)電收益，廠站運(yùn)維人員大多采用退出解列裝置動(dòng)作出口，一旦線路與變電站10kV母線解列，發(fā)生過壓工況時(shí)，過電壓無法及時(shí)消除，很可能會(huì)大面積燒壞用戶設(shè)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(jù)提高水電解列裝置的可靠性，同時(shí)增加配網(wǎng)線路檢無壓重合閘功能，最終實(shí)現(xiàn)快速復(fù)電。

1 含小水電配網(wǎng)線路跳閘后運(yùn)行分析

配網(wǎng)線路跳閘大多為瞬時(shí)故障，線路跳閘后短時(shí)間內(nèi)上網(wǎng)水電與用戶短時(shí)間內(nèi)還將保持孤網(wǎng)運(yùn)行。下面將對孤網(wǎng)的電壓和頻率特性進(jìn)行分析：

1.1 孤網(wǎng)過電壓分析

如圖1所示為含小水電地區(qū)電網(wǎng)的等值簡化模型圖，根據(jù)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(fā)的豐水期，小水電向主網(wǎng)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(dāng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，一旦線路跳閘，與主網(wǎng)解列，%e5%9b%be%e5%83%8f1658875.PNG與%e5%9b%be%e5%83%8f1658891.PNG迅速降至0，同時(shí)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(jìn)行分析驗(yàn)證豐水期配網(wǎng)線路中大量水電上網(wǎng)、跳閘后孤網(wǎng)中不平衡功率將較大引起電壓大幅波動(dòng)的工況。設(shè)置小水電額定視在功率1658924.png為0.32MVA，機(jī)端額定電壓1658931.png為0.4kV，額定功率因數(shù)0.8。變壓器高壓側(cè)額定電壓為10kV。輸電線路參數(shù)1658938.png=0.3321658948.png，1658957.png=0.3561658965.png。在t=30s時(shí)斷開與外網(wǎng)連接的斷路器，得到孤網(wǎng)運(yùn)行仿真結(jié)果如圖2：

由圖2仿真結(jié)果中可以看到，孤網(wǎng)形成后，bus1和bus2電壓均從1.014p.u.上升至1.207p.u.，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出電壓允許范圍，導(dǎo)致嚴(yán)重過電壓。仿真結(jié)果與理論分析結(jié)論一致，可驗(yàn)證豐水期孤網(wǎng)將產(chǎn)生嚴(yán)重過壓。

1.2 孤網(wǎng)頻率分析

并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)組和系統(tǒng)同步運(yùn)行，轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)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(jī)由蒸汽量）決定，%e5%9b%be%e5%83%8f1659156.PNG則由電磁功率決定，即電機(jī)轉(zhuǎn)速變化取決于電機(jī)出力和用電功率的平衡情況。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，整個(gè)大電網(wǎng)是一個(gè)整體，有功功率供需處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，局部負(fù)荷的波動(dòng)對大容量電網(wǎng)的干擾可以忽略。但在孤網(wǎng)狀態(tài)下，水電機(jī)組成為了主要電源，線路上機(jī)組轉(zhuǎn)速直接決定了孤網(wǎng)的頻率。孤網(wǎng)中負(fù)荷的變化造成%e5%9b%be%e5%83%8f1659175.PNG的改變。小水電機(jī)組沒有安裝自動(dòng)調(diào)頻裝置，即%e5%9b%be%e5%83%8f1659194.PNG不能進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，因此負(fù)荷變化基本決定了不平衡力矩的產(chǎn)生，造成機(jī)組轉(zhuǎn)速變化。

豐水期水電機(jī)組向主供線路輸出大量有功，當(dāng)主供線路跳閘后，負(fù)荷大幅度減少，使得電磁功率減少，此時(shí)%e5%9b%be%e5%83%8f1659208.PNG為正，轉(zhuǎn)子角速度增大，孤網(wǎng)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(zhuǎn)子減速運(yùn)動(dòng)，孤網(wǎng)頻率降低。

主供線路跳閘后，孤網(wǎng)中水電出力長期用電負(fù)荷的幾率極低，而且負(fù)荷必會(huì)隨時(shí)間變化，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不可能一直保持為零，因此可以判斷的是，孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)頻率一定會(huì)偏離工頻。

綜上所述，孤網(wǎng)運(yùn)行的配電線路其電壓和頻率均發(fā)生變化。當(dāng)水電出力大于用電負(fù)荷時(shí)，容易出現(xiàn)高壓、高頻的工況；出力小于負(fù)荷時(shí)，孤網(wǎng)將出現(xiàn)低頻、低壓工況；出力與負(fù)荷大致平衡時(shí)，負(fù)荷的波動(dòng)將引起頻率的變化，由于小水電機(jī)組無自動(dòng)調(diào)頻裝置，頻率將逐漸偏離工頻。

2 新型發(fā)電機(jī)解列裝置研發(fā)

2.1 常規(guī)過電壓保護(hù)解列裝置局限性

目前韶關(guān)地區(qū)大部分小水電機(jī)組安裝的水電解列裝置只有單一過電壓保護(hù)，運(yùn)行中過壓啟動(dòng)條件具備時(shí)將動(dòng)作，將機(jī)組從系統(tǒng)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(wǎng)的特殊運(yùn)行方式下，機(jī)端電壓偏高，裝置容易誤動(dòng)。由于配網(wǎng)線路的阻抗的影響，在轉(zhuǎn)供電特殊運(yùn)行方式下，線路被加長，線路阻抗增加導(dǎo)致總阻抗增加，機(jī)端電壓會(huì)被抬高，位于線路末端的機(jī)組電壓抬升幅度最大。同時(shí)在轉(zhuǎn)供電期間，多個(gè)小水電站紛紛抬高勵(lì)磁以增大無功輸出、滿足功率因數(shù)考核要求，導(dǎo)致惡性循環(huán)，電壓被進(jìn)一步抬高。多個(gè)因素綜合影響，很可能使電壓幅值超過解列裝置過壓啟動(dòng)條件的整定值，引起裝置動(dòng)作切機(jī)。

如圖3所示為某水電站在轉(zhuǎn)供電期間機(jī)端電壓的實(shí)測數(shù)據(jù)，可見該特殊運(yùn)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(wǎng)運(yùn)行電壓上升的幅度，足以驗(yàn)證上述分析。

2.1.2 線路與主電源解列后，若保持孤網(wǎng)運(yùn)行，水電機(jī)組和負(fù)荷大致平衡，電壓偏離幅度不滿足解列裝置過電壓保護(hù)整定要求，機(jī)組和用戶保持上網(wǎng)運(yùn)行，遲遲不能解列，延誤了復(fù)電時(shí)間。

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

2.2 新型發(fā)電機(jī)解列裝置的特點(diǎn)

考慮到此種現(xiàn)況，研制一種新型小水電解列裝置，增設(shè)頻率判據(jù)，解列裝置持續(xù)采集機(jī)組出口母線電壓幅值和頻率值并對其進(jìn)行監(jiān)測和判斷，具備以下功能：（1）孤網(wǎng)下不平衡功率較大引起嚴(yán)重過電壓時(shí)，解列裝置應(yīng)立即響應(yīng)，第一時(shí)間將機(jī)組從系統(tǒng)切開；（2）在特殊運(yùn)行方式電壓波動(dòng)而非線路故障跳閘的工況下，解列裝置應(yīng)不發(fā)生誤動(dòng)；（3）當(dāng)孤網(wǎng)中不平衡功率較小，電壓變化較小時(shí)，應(yīng)能根據(jù)頻率、電壓復(fù)合判據(jù)準(zhǔn)確識(shí)別孤網(wǎng)工況，快速切開機(jī)組。

設(shè)計(jì)的新裝置能夠?qū)崿F(xiàn)過頻過壓保護(hù)、過頻保護(hù)、過壓保護(hù)滿足以上要求，還具備低壓告警和低頻告警功能。過壓保護(hù)、過頻保護(hù)的整定值較高、動(dòng)作時(shí)間較短；過頻過壓保護(hù)分為兩段式保護(hù)，Ⅰ段電壓整定值較Ⅱ段高，頻率整定值較Ⅱ段低。各保護(hù)動(dòng)作區(qū)間如圖4所示：

（1）當(dāng)孤網(wǎng)嚴(yán)重不平衡而發(fā)生大幅過壓工況，裝置過壓保護(hù)應(yīng)立即動(dòng)作切開機(jī)組，保護(hù)用戶設(shè)備安全；（2）在小水電長線路上網(wǎng)的特殊運(yùn)行方式下，若發(fā)生電壓波動(dòng)，由于高壓保護(hù)整定值較高、動(dòng)作時(shí)間較長，此情況下保護(hù)不易誤動(dòng)，且線路保持并網(wǎng)運(yùn)行，頻率穩(wěn)定，過頻過壓保護(hù)可靠不動(dòng)作。待電壓恢復(fù)至正常值后，線路繼續(xù)正常運(yùn)行，因此新裝置的保護(hù)整定可有效避免該方式下裝置誤動(dòng)跳機(jī)；（3）當(dāng)孤網(wǎng)時(shí)出力與負(fù)荷大致平衡時(shí)，頻率或電壓的偏離沒有達(dá)到高頻保護(hù)、過壓保護(hù)的整定值，而兩段式過頻過壓保護(hù)靈敏度高，能快速識(shí)別孤網(wǎng)過頻過壓工況，使機(jī)組快速解列。

3 全新10kV線路間隔電壓互感器研發(fā)

過去10kV配網(wǎng)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(jìn)行重合閘。典型的配網(wǎng)線路為單電源供電，直接重合閘方式既經(jīng)濟(jì)又高效。但對于含小水電上網(wǎng)的分布式電源配網(wǎng)線路，若直接進(jìn)行重合閘，將發(fā)生非同期并網(wǎng)，在并網(wǎng)瞬間的高壓對發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，也可能對用戶設(shè)備造成破壞。為了降低該種工況發(fā)生的可能性，現(xiàn)有的解決措施是，對于含水電上網(wǎng)的配網(wǎng)線路不投入重合閘，若線路跳閘，只能靜待一段時(shí)間，預(yù)估水電全部或大部分解列后強(qiáng)送線路。該措施耗時(shí)太長，影響供電，且仍有非同期合閘的風(fēng)險(xiǎn)?？紤]在配網(wǎng)線路的主電源饋線開關(guān)側(cè)安裝電壓抽取裝置，實(shí)現(xiàn)對線路電壓監(jiān)測，能夠在無壓條件滿足后迅速合上線路開關(guān)，減少復(fù)電耗時(shí)?，F(xiàn)研發(fā)一種新型的10kV電子式電壓互感器，結(jié)構(gòu)如圖5所示?；ジ衅髦饕呻娮璺謮浩?、傳輸系統(tǒng)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(hù)的氣體放電管S構(gòu)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(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)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(gòu)成，主要將分壓器輸出信號傳遞到信號處理單元，同時(shí)實(shí)現(xiàn)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(bǔ)償和比例調(diào)節(jié)電路組成，實(shí)現(xiàn)電壓互感器的阻抗變換、相位補(bǔ)償和幅值調(diào)節(jié)功能，使得互感器輸出信號滿足準(zhǔn)確度要求。

目前韶關(guān)供電局已經(jīng)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(jīng)過實(shí)測，能在此環(huán)境下正常工作，采集線路電壓給保護(hù)裝置，豐富了配網(wǎng)線路重合閘的檢定方式。

4 優(yōu)化方案分析

針對上文提到現(xiàn)含小水電上網(wǎng)的配網(wǎng)線路在瞬間故障跳閘后不投重合閘、小水電不能及時(shí)解列的問題，提出一種復(fù)電解決方案：（1）在10kV饋線開關(guān)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(wǎng)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(wǎng)線路發(fā)生瞬間故障跳閘后，該優(yōu)化方案的工作過程，假設(shè)該配網(wǎng)線路上除水電機(jī)組上網(wǎng)，用戶側(cè)均無電源上網(wǎng)，水電解列裝置全部正常工作、動(dòng)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(fù)荷。線路與主供線路解列后，由于水電機(jī)組仍在運(yùn)轉(zhuǎn)，線路仍帶電，重合閘并沒有動(dòng)作。根據(jù)上文結(jié)論，將出現(xiàn)低頻工況，線路上各機(jī)組的小水電解列裝置低頻保護(hù)陸續(xù)啟動(dòng)，將水電機(jī)組與上網(wǎng)線路解列。待全部機(jī)組解列，線路無壓條件滿足，重合閘動(dòng)作，線路合閘成功；（2）該線路上水電出力大于用電負(fù)荷。在天氣惡劣、事故頻發(fā)的豐水期，該線路上水電充盈，大于該線路用電負(fù)荷，并向主電源送電。跳閘后出現(xiàn)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(hù)快速啟動(dòng)，將水電機(jī)組陸續(xù)跳開。待全部機(jī)組解列，線路無壓條件滿足，重合閘動(dòng)作，線路合閘成功；（3）該線路水電出力與用電負(fù)荷大致相等。跳閘后線路上機(jī)組和用戶形成孤網(wǎng)運(yùn)行，機(jī)組無調(diào)頻功能，孤網(wǎng)頻率不能穩(wěn)定，當(dāng)滿足過頻過壓Ⅰ段或Ⅱ段保護(hù)的整定條件，裝置迅速動(dòng)作，將機(jī)組跳開，配網(wǎng)主線路無壓條件滿足，饋線開關(guān)重合閘啟動(dòng)，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(wǎng)數(shù)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(cè)投入線路檢無壓重合閘，各機(jī)組上網(wǎng)線路裝設(shè)新型小水電解列裝置。豐水期該線路向變電站側(cè)供電，瞬時(shí)故障跳閘后變電站側(cè)負(fù)荷消失，孤網(wǎng)頻率增大，末端小水電上網(wǎng)集中處過電壓最為嚴(yán)重，小水電解列裝置率先動(dòng)作。該區(qū)域水電跳開后，出力大幅減少，孤網(wǎng)過渡到低頻低壓狀態(tài)，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(hù)啟動(dòng)跳開機(jī)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(guān)側(cè)檢無壓重合閘啟動(dòng)，經(jīng)整定時(shí)間t后合閘成功?？菟诟麟娬境隽Σ蛔阋詽M足該線路負(fù)荷需要，線路跳閘后無主電源供電，孤網(wǎng)直接往低頻低壓狀態(tài)過渡，各機(jī)組陸續(xù)跳開，線路無壓條件滿足后重合閘啟動(dòng)。

5 結(jié)語

（1）新型小水電解列裝置彌補(bǔ)了原小水電解列裝置特殊運(yùn)行方式誤動(dòng)的不足，提高了可靠性，減少電站經(jīng)濟(jì)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(wǎng)線路的供電的安全穩(wěn)定性，有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，能夠在線路孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)準(zhǔn)確判斷工況和及時(shí)將機(jī)組解列，成為配網(wǎng)線路實(shí)現(xiàn)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(fā)與使用，為實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)線路檢無壓重合閘提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，且成本低廉，安裝難度小，環(huán)境適應(yīng)性好，具有良好的經(jīng)濟(jì)適用性，可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)；（3）配網(wǎng)線路檢無壓重合閘方案有效解決了目前含小水電上網(wǎng)的配網(wǎng)線路無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重合閘的問題，實(shí)現(xiàn)了配網(wǎng)線路檢無壓和自動(dòng)復(fù)電，減少經(jīng)濟(jì)損失，加強(qiáng)了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，為韶關(guān)地區(qū)未來解決配網(wǎng)饋線自動(dòng)化課題提供了條件。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳志峰，陳娟，李海峰，等.含小水電地區(qū)電網(wǎng)過電壓分析及抑制措施[J].電力建設(shè)，2015，36（4）.

[2] 張健銘，畢天姝，劉輝，等.孤網(wǎng)運(yùn)行與頻率穩(wěn)定研究綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（11）.

[3] 邰能靈，馮希科.分布式電源對配電網(wǎng)自動(dòng)重合閘的影響研究[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，（3）.

[4] 王海鵬，袁榮湘，等.小水電集中上網(wǎng)地區(qū)無功電壓影響與分析[J].中國農(nóng)村水利水電，2010，（5）.

[5] 王麗莉.小水電引起配電網(wǎng)高電壓問題的解決方案

[J].浙江電力，2011，（7）.

[6] 張勇軍，石輝，許亮.配電網(wǎng)節(jié)能潛力評估系統(tǒng)開發(fā)方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35（2）.

[7] 郭劍峰，彭春華.含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)規(guī)劃研究

[J].電力科學(xué)與工程，2009，25（8）.

[8] 林霞，陸于平，王聯(lián)合，等.含分布式電源的配電網(wǎng)智能電流保護(hù)策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（6）.

[9] 王君，王曉茹，謝大鵬，等.孤島系統(tǒng)的低頻減載方案研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（3）.

[10] 唐捷，石怡理，歐陽森，等.富含小水電的10kV配電網(wǎng)電壓質(zhì)量治理策略研究[J].華北電力技術(shù)，2014，（5）.

作者簡介：鄺皆欣（1991-），女，廣東韶關(guān)人，廣東電網(wǎng)公司韶關(guān)供電局電力調(diào)度員，研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化；陳志峰（1974-），男，廣東韶關(guān)人，廣東電網(wǎng)公司韶關(guān)供電局副主任，工程師，碩士，研究方向：電力系統(tǒng)保護(hù)與控制。

（責(zé)任編輯：小 燕）