含小水电上网配网线路孤网分析及故障后复电方案

摘要：小水电因地制宜，零散分布，就地上网，对配网线路管理带来挑战。文章分析了目前含小水电上网的配网线路在实现自动复电过程中存在的难题和线路跳闸后孤网运行的特性，提出了针对性的自动复电解决方案，能够实现小水电可靠快速解列和线路自动检无压重合闸。

关键词：配网线路；小水电；孤网运行；重合闸；解列 文献标识码：A

中图分类号：TM73 文章编号：1009-2374（2016）28-0117-03 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.28.059

韶关地区水电资源非常丰富，有大量的小型水电站上网。但由于丘陵地形限制，上网小水电的建设比较分散，设施通常位于负荷附近，在配电网的末端或者中间接入系统。随着小水电在配电网的大量接入，传统的配电网由单电源辐射型网络逐步发展成复杂的双电源甚至是多电源网络。多电源网络的继电保护比单一电源复杂得多，需要线路过流保护、重合闸装置、水电解列装置配合作用，才能在线路发生瞬时非永久性故障后快速与主电源侧恢复连接。由于配网线路没有电压抽取装置，重合闸不能实现检无压或检同期，直接重合将面临非同期并网对上网水电的发电机组造成冲击的风险。因此目前的继电保护方案中，含水电上网线路不投重合闸，线路跳闸后待水电解列装置全部动作、机组与线路解列后，才合上线路的主电源侧开关。水电解列装置动作于水电机组开关，以电压为主判据，一定时限内过压或低压将动作。该工作方式下，装置容易受系统电压波动影响发生误动，为减少对机组正常运行的影响，最大化发电收益，厂站运维人员大多采用退出解列装置动作出口，一旦线路与变电站10kV母线解列，发生过压工况时，过电压无法及时消除，很可能会大面积烧坏用户设备。针对上述问题，本文旨在探讨一种解决方案，通过增加频率判据提高水电解列装置的可靠性，同时增加配网线路检无压重合闸功能，最终实现快速复电。

1 含小水电配网线路跳闸后运行分析

配网线路跳闸大多为瞬时故障，线路跳闸后短时间内上网水电与用户短时间内还将保持孤网运行。下面将对孤网的电压和频率特性进行分析：

1.1 孤网过电压分析

如图1所示为含小水电地区电网的等值简化模型图，根据戴维南定理，将线路上全部小水电等值为单电源来分析。

雷雨多发的丰水期，小水电向主网输送有功和无功，即%e5%9b%be%e5%83%8f1658840.PNG、%e5%9b%be%e5%83%8f1658858.PNG。从式（1）可知，当孤网运行时，一旦线路跳闸，与主网解列，%e5%9b%be%e5%83%8f1658875.PNG与%e5%9b%be%e5%83%8f1658891.PNG迅速降至0，同时功角%e5%9b%be%e5%83%8f1658910.PNG减小，因此电压增大。

在仿真软件DIgSILENT/PowerFatory中按照图1搭建模型进行分析验证丰水期配网线路中大量水电上网、跳闸后孤网中不平衡功率将较大引起电压大幅波动的工况。设置小水电额定视在功率1658924.png为0.32MVA，机端额定电压1658931.png为0.4kV，额定功率因数0.8。变压器高压侧额定电压为10kV。输电线路参数1658938.png=0.3321658948.png，1658957.png=0.3561658965.png。在t=30s时断开与外网连接的断路器，得到孤网运行仿真结果如图2：

由图2仿真结果中可以看到，孤网形成后，bus1和bus2电压均从1.014p.u.上升至1.207p.u.，远远超出电压允许范围，导致严重过电压。仿真结果与理论分析结论一致，可验证丰水期孤网将产生严重过压。

1.2 孤网频率分析

并网稳态运行时，水轮机组和系统同步运行，转速与频率的关系满足：

我们从式（4）中可知，%e5%9b%be%e5%83%8f1659141.PNG由出水量（汽轮机由蒸汽量）决定，%e5%9b%be%e5%83%8f1659156.PNG则由电磁功率决定，即电机转速变化取决于电机出力和用电功率的平衡情况。并网运行时，整个大电网是一个整体，有功功率供需处于动态平衡状态，局部负荷的波动对大容量电网的干扰可以忽略。但在孤网状态下，水电机组成为了主要电源，线路上机组转速直接决定了孤网的频率。孤网中负荷的变化造成%e5%9b%be%e5%83%8f1659175.PNG的改变。小水电机组没有安装自动调频装置，即%e5%9b%be%e5%83%8f1659194.PNG不能进行实时调节，因此负荷变化基本决定了不平衡力矩的产生，造成机组转速变化。

丰水期水电机组向主供线路输出大量有功，当主供线路跳闸后，负荷大幅度减少，使得电磁功率减少，此时%e5%9b%be%e5%83%8f1659208.PNG为正，转子角速度增大，孤网频率随之增大。若在枯水期间，与主供线路解列后水电有功出力小于用电需求，由于%e5%9b%be%e5%83%8f1659225.PNG，转子减速运动，孤网频率降低。

主供线路跳闸后，孤网中水电出力长期用电负荷的几率极低，而且负荷必会随时间变化，转动惯量不可能一直保持为零，因此可以判断的是，孤网运行时频率一定会偏离工频。

综上所述，孤网运行的配电线路其电压和频率均发生变化。当水电出力大于用电负荷时，容易出现高压、高频的工况；出力小于负荷时，孤网将出现低频、低压工况；出力与负荷大致平衡时，负荷的波动将引起频率的变化，由于小水电机组无自动调频装置，频率将逐渐偏离工频。

2 新型发电机解列装置研发

2.1 常规过电压保护解列装置局限性

目前韶关地区大部分小水电机组安装的水电解列装置只有单一过电压保护，运行中过压启动条件具备时将动作，将机组从系统上切开。这种装置的不足之处在于：

2.1.1 在长距离线路上网的特殊运行方式下，机端电压偏高，装置容易误动。由于配网线路的阻抗的影响，在转供电特殊运行方式下，线路被加长，线路阻抗增加导致总阻抗增加，机端电压会被抬高，位于线路末端的机组电压抬升幅度最大。同时在转供电期间，多个小水电站纷纷抬高励磁以增大无功输出、满足功率因数考核要求，导致恶性循环，电压被进一步抬高。多个因素综合影响，很可能使电压幅值超过解列装置过压启动条件的整定值，引起装置动作切机。

如图3所示为某水电站在转供电期间机端电压的实测数据，可见该特殊运行方式下电压升高的幅度较大，电压由230V升至接近300V，接近甚至超过了部分线路孤网运行电压上升的幅度，足以验证上述分析。

2.1.2 线路与主电源解列后，若保持孤网运行，水电机组和负荷大致平衡，电压偏离幅度不满足解列装置过电压保护整定要求，机组和用户保持上网运行，迟迟不能解列，延误了复电时间。

上述两种工况的可能性使得单一电压判据的发电机解列装置电压整定值难以确定：若降低动作电压整定值，在小水电长线路上网的运行方式下则容易误动；若提高该整定值，则在线路瞬时故障跳闸后孤网运行情况下装置可能拒动，即降低了装置灵敏度。

2.2 新型发电机解列装置的特点

考虑到此种现况，研制一种新型小水电解列装置，增设频率判据，解列装置持续采集机组出口母线电压幅值和频率值并对其进行监测和判断，具备以下功能：（1）孤网下不平衡功率较大引起严重过电压时，解列装置应立即响应，第一时间将机组从系统切开；（2）在特殊运行方式电压波动而非线路故障跳闸的工况下，解列装置应不发生误动；（3）当孤网中不平衡功率较小，电压变化较小时，应能根据频率、电压复合判据准确识别孤网工况，快速切开机组。

设计的新装置能够实现过频过压保护、过频保护、过压保护满足以上要求，还具备低压告警和低频告警功能。过压保护、过频保护的整定值较高、动作时间较短；过频过压保护分为两段式保护，Ⅰ段电压整定值较Ⅱ段高，频率整定值较Ⅱ段低。各保护动作区间如图4所示：

（1）当孤网严重不平衡而发生大幅过压工况，装置过压保护应立即动作切开机组，保护用户设备安全；（2）在小水电长线路上网的特殊运行方式下，若发生电压波动，由于高压保护整定值较高、动作时间较长，此情况下保护不易误动，且线路保持并网运行，频率稳定，过频过压保护可靠不动作。待电压恢复至正常值后，线路继续正常运行，因此新装置的保护整定可有效避免该方式下装置误动跳机；（3）当孤网时出力与负荷大致平衡时，频率或电压的偏离没有达到高频保护、过压保护的整定值，而两段式过频过压保护灵敏度高，能快速识别孤网过频过压工况，使机组快速解列。

3 全新10kV线路间隔电压互感器研发

过去10kV配网线路中没有电压抽取装置，并没有检无压或检同期功能，直接进行重合闸。典型的配网线路为单电源供电，直接重合闸方式既经济又高效。但对于含小水电上网的分布式电源配网线路，若直接进行重合闸，将发生非同期并网，在并网瞬间的高压对发电机组产生强烈的冲击，也可能对用户设备造成破坏。为了降低该种工况发生的可能性，现有的解决措施是，对于含水电上网的配网线路不投入重合闸，若线路跳闸，只能静待一段时间，预估水电全部或大部分解列后强送线路。该措施耗时太长，影响供电，且仍有非同期合闸的风险。考虑在配网线路的主电源馈线开关侧安装电压抽取装置，实现对线路电压监测，能够在无压条件满足后迅速合上线路开关，减少复电耗时。现研发一种新型的10kV电子式电压互感器，结构如图5所示。互感器主要由电阻分压器、传输系统和信号处理单元组成。电阻分压器由高压臂电阻R1、低压臂电阻R2和过电压保护的气体放电管S构成，低压臂电阻R2的下端与带螺纹的接地嵌件连接，从而通过接地嵌件实现可靠接地。电阻分压器作为传感器头，主要将一次母线电压成比例转换为小电压信号输出；传输单元由双层屏蔽绞线和连接端子构成，主要将分压器输出信号传递到信号处理单元，同时实现外界电磁干扰屏蔽功能；信号处理单元主要由电压跟随、相位补偿和比例调节电路组成，实现电压互感器的阻抗变换、相位补偿和幅值调节功能，使得互感器输出信号满足准确度要求。

目前韶关供电局已经成功研制出此电压互感器，其最大直径为81mm，高222mm，体积小，可安装在10kV馈线柜中，经过实测，能在此环境下正常工作，采集线路电压给保护装置，丰富了配网线路重合闸的检定方式。

4 优化方案分析

针对上文提到现含小水电上网的配网线路在瞬间故障跳闸后不投重合闸、小水电不能及时解列的问题，提出一种复电解决方案：（1）在10kV馈线开关处安装新型电子式电压互感器用于抽取线路电压，投入检线路无压重合闸；（2）在小水电上网线路中用新型小水电解列装置代替原有装置。

下面将讨论配网线路发生瞬间故障跳闸后，该优化方案的工作过程，假设该配网线路上除水电机组上网，用户侧均无电源上网，水电解列装置全部正常工作、动作出口压板合上。分三种情况讨论：（1）该线路上水电出力小于用电负荷。线路与主供线路解列后，由于水电机组仍在运转，线路仍带电，重合闸并没有动作。根据上文结论，将出现低频工况，线路上各机组的小水电解列装置低频保护陆续启动，将水电机组与上网线路解列。待全部机组解列，线路无压条件满足，重合闸动作，线路合闸成功；（2）该线路上水电出力大于用电负荷。在天气恶劣、事故频发的丰水期，该线路上水电充盈，大于该线路用电负荷，并向主电源送电。跳闸后出现高压高频工况，不符合馈线检无压重合闸条件。水电解列装置过压过频保护快速启动，将水电机组陆续跳开。待全部机组解列，线路无压条件满足，重合闸动作，线路合闸成功；（3）该线路水电出力与用电负荷大致相等。跳闸后线路上机组和用户形成孤网运行，机组无调频功能，孤网频率不能稳定，当满足过频过压Ⅰ段或Ⅱ段保护的整定条件，装置迅速动作，将机组跳开，配网主线路无压条件满足，馈线开关重合闸启动，线路合闸成功。

从图6可以直观地看到10kV F11大桥线上小水电和用户的分布情况。线路上小水电上网数量多，分布较零散，在旱岩一级、二级电站、白石角电站处局部集中。变电站侧投入线路检无压重合闸，各机组上网线路装设新型小水电解列装置。丰水期该线路向变电站侧供电，瞬时故障跳闸后变电站侧负荷消失，孤网频率增大，末端小水电上网集中处过电压最为严重，小水电解列装置率先动作。该区域水电跳开后，出力大幅减少，孤网过渡到低频低压状态，源九塘电站、陈家排电站、温山电站的水电解列装置低频低压保护启动跳开机组。至此F11大桥线上分布电源全部跳开，大桥变电站馈线开关侧检无压重合闸启动，经整定时间t后合闸成功。枯水期各电站出力不足以满足该线路负荷需要，线路跳闸后无主电源供电，孤网直接往低频低压状态过渡，各机组陆续跳开，线路无压条件满足后重合闸启动。

5 结语

（1）新型小水电解列装置弥补了原小水电解列装置特殊运行方式误动的不足，提高了可靠性，减少电站经济损失，投入使用后能够有效防止过电压烧坏用户电器，提高小水电上网线路的供电的安全稳定性，有较好的经济效益和社会效益，能够在线路孤网运行时准确判断工况和及时将机组解列，成为配网线路实现检无压重合闸的有效前提；（2）全新10kV间隔电压互感器的研发与使用，为实现配网线路检无压重合闸提供了有力的数据支撑，且成本低廉，安装难度小，环境适应性好，具有良好的经济适用性，可实现性强；（3）配网线路检无压重合闸方案有效解决了目前含小水电上网的配网线路无法实现自动重合闸的问题，实现了配网线路检无压和自动复电，减少经济损失，加强了电网的安全稳定，为韶关地区未来解决配网馈线自动化课题提供了条件。

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作者简介：邝皆欣（1991-），女，广东韶关人，广东电网公司韶关供电局电力调度员，研究方向：电力系统自动化；陈志峰（1974-），男，广东韶关人，广东电网公司韶关供电局副主任，工程师，硕士，研究方向：电力系统保护与控制。