基于分布式保护的网络式馈线配电自动化系统-

1、第27卷第4期2010年8月供 用 电基于分布式保护的网络式馈线配电自动化系统栾文鹏(加拿大卑诗省水电公司,加拿大卑诗省V3N1Y9摘 要:介绍了2010年配电远景规划(DV2010科研合作工业联盟所倡导的4级配电自动化(DA方案,并着重介绍了加拿大卑诗省水电公司在其中第二级DA方案的一个实际应用。这一模块化的网络式馈线D A系统,以分布式保护为基础、以独特的并行双馈线网络式拓扑连接向重要用户提供不间断、高可靠性的供电。从实际应用的角度,详细介绍了这一网络式馈线DA方案的选址、设计、保护逻辑和通信系统。关键词:配电自动化;高速差动保护;网络式馈线;分布式保护中图分类号:T M77 文献标识码:

2、A 文章编号:1006-6357(201004-5Networked Feeders Distribution Automation System Based on Distributed ProtectionL UA N W enp eng(BC H y dr o,BC,Canada,V3N1Y9Abstract:T his paper intro duces the4-t ier dist ribution auto mation(DAscheme adv ocated by Distr ibution V-i sio n2010(DV2010ut ility research and d

3、evelopment alliance.A tier-tw o DA scheme applicat ion in BC H ydro of Canada is descr ibed in deta ils.Based on distr ibuted pro tect ion,this modular DA sy stem prov ides co nt inu-o us,highly reliable pow er to import ant customers,throug h its unique parallel netw or ked feeder topolog y.Its sit

4、e selection,desig n,pr otectio n log ics and communication system are o ut lined.Key w ords:distributio n automat ion;hig h speed differentiate pro tect ion;netwo rked feeders;distr ibuted pr otectio n数字化经济的发展对供电可靠性和电能质量都提出了很高的要求。高级配电自动化1 (ADA作为智能电网的基础功能2,3之一,是提高供电可靠性最有效的途径4。本文介绍一个独特的模块化的配电自动化(DA系统方

5、案,它以分布式保护为基础、以并行双馈线网络式的拓扑连接向重要用户提供不间断、高可靠性的供电5,6。1 DV2010科研合作工业联盟及其提出的4级DA方案1.1 DV2010科研合作工业联盟介绍2010年配电远景规划(DV20107科研合作工业联盟(下称DV2010成立于2001年,目的是为了开发和推广DA产品和解决方案,以使电力公司摆脱以往的 被动 模式而转成以 主动 模式,向用户提供高度可靠的供电服务。同时,通过合作研发,其会员可以有效地共享知识、经验和利用所开发的产品,节约知识产权成本。DV2010所定义的配电自动化(DA,是指故障后的第一时间,馈线终端利用本身的智能装置对故障进行隔离并恢

6、复供电,无需人为干预。因此,由控制中心的操作员人为遥控的故障恢复不属于这一范畴。DV2010定义了优质运行区(Premium Oper-ating District,POD这一新的名词。POD的定义是:在已具备网络式拓扑的配电网馈线上的一个能够依靠界定它的自动开关设备,完全开断隔离的馈线分段。每个POD都有两个或多个供电来源。当故障发生时,故障所处的POD将被自动隔离,而其他的POD将不受影响或自动转供到其他电源。因此,POD越小,故障影响越小,则系统可靠性就越高。1.2 DV2010提出的4级DA方案结合智能电子单元(IED、通信技术和先进的保护算法,DV2010提出了4个级别或层次的DA方

7、案7。5栾文鹏:基于分布式保护的网络式馈线配电自动化系统第一级:基于高速方向过流保护的自动保护方案。它是传统过流保护的增强版,依靠双向限时过流保护的局部智能以及与其他保护设备的配合,对POD 进行自动隔离和操作,无需通信。 第二级:分布式的自动控制逻辑。通过高速通信网络,把界定POD 的IED 或保护装置相连。在故障时,信息广播传递到相邻的保护装置,保护装置根据自身已有的控制逻辑自动切断故障,从而无需保护装置的相互配合。这一方案可以在0 060 10s(35个周波内隔离故障,而使其他用户不受影响。第三级:变电站局部控制。依靠一个处于变电站里的超级IED 来监控和协调下游的智能设备,并和控制中心

8、相连,可以实现网络重构和供电恢复。第四级:广域范围内的控制。一个广域控制器可以连接和协调多个变电站里的局域控制器,实现大范围的自动控制和优化。每一级的DA 方案都独立实现配电自动化功能,而智能化水平随着级的升高而增加。电力公司实施的DA 系统可以是某一个级别的自动化,也可以是结合几个或全部级别的自动化,以定制系统性能并使用户的可靠性达到最优化。本文介绍了加拿大卑诗省水电公司基于分布式保护功能的网络式馈线配电自动化系统的运行,属于第二级DA 解决方案,是DV2010最早成功完成的示范项目之一。2 系统示范项目选址这一示范项目的目的是为地处市区和郊区的关键工商业客户(如购物中心和工业开发区负荷提供

9、模块化的可靠供电解决方案。同时,也是为了向加拿大温哥华2010冬奥会会场的供电提供一种可靠选择。该示范项目实施的地点是位于西温哥华市的一个大型购物中心。该购物中心的峰值负荷为5.0M VA,以前由来自不同变电站的两条12.5kV 的馈线供电,并在两条馈线之间设有常开联络开关(在购物中心南区和北区之间,如图1所示。供电网络呈双馈线手拉手开环运行拓扑,每条馈线各供应购物中心的部分负荷(南区或北区,并有一定的专用可靠储备容量。如果任何一路馈线停止供电,或任何一个变电站的电源出现断电事故,则可利用手动转换装置将负荷转换到另一条馈线上。图1 购物中心原供电网络的接线示意图当时,示范项目地点确定的几个理由

10、如下。1电网已具有双馈线手拉手网络拓扑。2购物中心负荷比较集中,易于把它以及其他全部负荷进行分段,组成POD 。3负荷比较具有代表性,成功的经验可以很容易地应用于其他类似的重要负荷上。4两个供电变电站相邻地接在同一条69kV 电力线路上,并且距离较近,易于电压控制。5馈线较短(各1.5km 左右,供电网络比较紧凑,故障水平在可控的范围内。6购物中心在2002年12月圣诞节之前经历了一次严重的断电事故,两条供电馈线上同时出现了断电,公众和购物中心都有改进供电可靠性的愿望。3 网络式馈线配电自动化系统的网络构成传统的配电系统以放射状馈线为负荷供电。馈线之间多设有常开联络开关,可在其中的一条馈线断路

11、器跳闸时提供备用电源,传统配电系统在故障定位、故障隔离和供电恢复(通常需要手动操作开关的过程中,会导致用户发生时间不等的供电中断。DV2010示范项目所演示的概念是不间断的网络化馈线配电自动化系统。该系统可用邻近变电站的两条馈线并行向关键用户供电(见图2。在图2中,这一网络化供电解决方案是在购物中心受电处安装了两套库珀(Coo per箱式环路分接开关(Loop T ap Sw itch,LT S,每套LT S 内含3个真空故障断路器(Vacuum Fault Inter rupter,VFI,这6个各自具有独立切断故障电流能力的6栾文鹏:基于分布式保护的网络式馈线配电自动化系统开关设备以常闭状

12、态运行、并呈 H 形拓扑把两条馈线和购物中心相连。 图2 购物中心的网络式馈线配电自动化系统图3 环路分接开关配置图环路分接开关设备的详细配置如图3所示。图3中的供电网络正常运行时,由于6个VFI 都是常闭带电状态,这使得两条馈线以高可靠性的并行方式向购物中心供电,中间的配电环路连接始终有电流通过。由于任何一条馈线都保持足够的备用容量,可以对全部购物中心的全部负荷供电,通过这种环网连接,由变电站馈线断路器(QF 和两个LTS 中的VFI 开关设备将两条馈线分成了3个POD,包括两个LTS 装置的上游馈线部分POD 和购物中心POD 。在任何一个POD 内发生故障时,保护都可将它自动隔离,而不影

13、响其他POD 的运行。其他具体的供电网络改进如下。1变电站A 的变压器具有负荷分接头(LTC,供电网络正常运行时以它来调整电压。变电站B 没有LT C,因此在馈线B 上安装了一个调压器,调整发端电压。在供电网络正常运行时,调压器固定;当两条馈线中间的连接断开时,调压器转入自动调压状态。2由于变压器并行运行的故障水平较高,因此安装了限流电抗器以限制下游故障水平。3在馈线断路器、关键的3个VFI 和调压器上增设安全监控和数据采集(SCADA 系统的遥测、遥控功能,以使控制中心可以及时对用电网络进行监控。7栾文鹏:基于分布式保护的网络式馈线配电自动化系统4 网络式馈线配电自动化系统的保护逻辑设计网络

14、式馈线DA 系统方案的通信系统的示意图如图4所示。 图4 通信系统示意图由图4可知,每个LT S 装置上的进线VFI 由Co oper Idea TM 继电器控制,这些继电器使用方向元件并通过光纤电缆以PeerCo mm 协议对等通信,利用交换故障方向、断路器状态、容许的跳闸值和跳闸闭锁信息等关键数据,以对故障进行反应。此外,Coo per Idea TM 继电器通过双绞线与一个SEL 2100逻辑处理器相连,并通过它和变电站馈线断路器处的SEL -351S 馈线保护以专用电话线通过低速M ir rored Bits 协议通信,通过光纤电缆和现场的GE D25数据集中器连接并用DNP3.0协议

15、和它通信;GE D25与SCADA 系统相连,转发现场设备的监控数据。整个网络式馈线配电自动化系统的核心是一个复杂的基于软件的ProViewTM保护与Peer -Com m 高速通信。PeerCom m 不间断的以4ms的周期在Co oper Idea TM 继电器间广播关键的系统信息,使VFI 能以比传统的时间过流曲线快得多的速度对电力系统扰动作出反应。网络式馈线配电自动化系统的整体保护逻辑设计如下。1当故障出现在变电站和LT S 之间:当任何一条馈线发生故障时,相应的LTS 受电端VFI 处的Co oper Idea TM 继电器检测到逆向电流(从LT S 流向上游馈线,启动相应的VFI

16、在0 060 10s(35个周波内迅速将故障隔离,购物中心负荷则继续由另一条馈线供电。而变电站馈线保护SEL -351S 也检测到故障电流,通常在0 160 20s(810个周波内跳开馈线断路器,实现故障隔离。购物中心仅会经受短暂(23个周波的电压骤降,而不会出现断电。2当故障出现在LTS 下游和常开联络开关之间:LTS 末端的VFI 根据时间过流保护整定隔离故障,并对控制中心报警。这时购物中心的这部分负荷需要人工恢复供电。由于LTS 的下游馈线部分(在购物中心内较短且为崭新的地下电缆,因此预计这种情形不可能发生。3当故障出现在两个LTS 间的连线之间:Cooper Idea TM继电器在两个

17、LTS 的受电端检测到过电流,而在馈线端没有。此时,继电器迅速开断两个LTS 连线处的两个VFI,切断变电站间的配电网环路,馈线B 的调压器转入自动调压状态。此时购物中心由两条辐射馈线供电,而不会出现断电。4当故障出现在LT S 内部:Cooper Idea TM继电器在两个LT S 的受电端检测到过电流,而在馈线端没有。此时,继电器迅速开断两个LT S 相连处的两个VFI,切断变电站间的配电网环路,馈线B 的调压器转入自动调压状态。此时,故障所8栾文鹏:基于分布式保护的网络式馈线配电自动化系统在的LT S的受电端VFI仍然感知过电流,则动作切除故障。假如此时故障还是没有被切除,变电站馈线断路

18、器将动作跳闸。故障侧的LTS下游的购物中心负荷需要人工恢复供电,另一侧不受影响。5当故障出现在两个变电站的电力连线上:如果在两个相邻的变电站间的69kV电力线路上发生故障,相关的保护会把这条电力线路跳开,则两个变电站将通过上一级220kV电力线路形成环网。考虑到变电站间(此时,两个变电站的电气距离比直接相连大了许多流经馈线环网的循环电流,最初的保护设计是保护自动断开LT S相连处的VFI,即断开配电网环路,使购物中心以两条辐射馈线从两个变电站供电。而由2006年12月的一场台风所造成的双重故障(故障同时出现在两个变电站的电力连线上和其中的一条馈线上使得这一保护逻辑得到提高。修改后的保护方法为:

19、(1当两个变电站的电力连线发生故障时,不马上断开配电网馈线环路,而是监视馈线环网的循环电流。(2如果在任一个变电站馈线断路器处监测到逆向电流(馈线流入变电站,则立即断开LT S 相连处的VFI,即断开配电环路。5 应用效果该项目在2003年3月启动,在2006年3月投入运行。与之前采用的组合式馈线方式相比,网络式馈线配电自动化方式为这个购物中心提供了优异、可靠的供电,平均停电时间(SA IDI由3 42h减少到了0.12h,而平均供电可用时间指数(ASAI由99.94%提高到了99.99%。在这个项目上取得的经验,将使卑诗省水电公司能够向其他商业用户提供类似水平的服务。6 结语1本文介绍了所应

20、用的基于分布式保护的网络式馈线配电自动化系统。它通过高速通信网络,把界定POD的IED或保护装置相连,利用信息广播将故障信息传递到相邻的保护装置,再根据保护装置自身已有的控制逻辑自动切断故障,可在0.060.10s内隔离故障,而使其他用户不受影响。2网络式馈线配电自动化系统中的Cooper Idea TM继电器为供电网络的区域控制中心提供了远方操作、控制、指示和遥感技术。如果任何一个LTS需要断电,负荷可以安全地转换到其他装置上。通过系统整体保护逻辑设计,在多种故障发生的情况下,可实现向重要用户提供不间断、高可靠性的供电。3加拿大卑诗省水电公司在该示范项目上取得的成功经验,将使其能够利用网络式馈线配电自动化系统向其他商业用户提供类似水平的服务。参考文献1 EP RI Repo rt.T echnical and System R equirementsf or A dv anced D istributio n A ut omatio n,1010915R.P alo Alto,CA:EPRI,2004.2 余贻鑫,栾文鹏.智能电网J.电网与清洁能源,2009(1:1-7.3 余贻鑫,栾文鹏.智能电网述评J.中国电机工程学报,2009,29