配网用环网控制器的分析和仿真.pdf

0引言现有中压配电网多采用“闭环设计、开环运行”方式1-2。考虑到配电网的经济安全运行以及线路设备的定期检修维护、事故处理、过载转负荷等问题，配电线路运行方式经常会发生变化，需要进行倒负荷操作3。先拉开分段开关后合上联络开关的“冷倒”方式造成的停电问题已不能忽视。合环倒负荷也称为“热倒”3，能显著提高供电可靠性。但是，目前，调度人员进行合环转供电操作时，只能依靠以往经验，很难把握，存在不少技术风险4，由此，合环操作时有将合环两侧电压偏差调整至最小、继电保护和安全自动化装置应适应环网运行方式等诸多注意事项5。如合环两侧电压偏差较大，能造成较大环流冲击时，可选择改变无功补偿容量、调节变压器分接头等对策6，但受系统运行方式等因素限制，合环两侧电压偏差仍然较大。限流电抗器7确实DOI：10.14044/j.1674-1757.pcrpc.2023.03.011 收稿日期：20220602配网用环网控制器的分析和仿真戴朝波1，张永征1，邓占锋1，顾黎强2（1.国网智能电网研究院有限公司，北京102209；2.国网上海市电力公司浦东供电公司，上海200120）摘要：现有配电网都采用闭环设计、开环运行。合环倒负荷存在不少技术风险，甚至会影响配电网的安全稳定运行。配电网的传统电压调节手段和能力都有限，已有的基于电力电子方案较多，但都过于复杂、不经济。本文提出了采用晶闸管、避雷器等部件的环网控制器的新方案及其相应的控制逻辑，并搭建了基于实际配电网适当简化而来的等值系统，在此基础上进行了仿真分析。研究结果表明：所提出的环网控制器方案结构简单、易于实现，对现有保护影响小，能有效限制合环倒负荷过程中的冲击，也能合理应对预期发生的系统故障，为提高配电网可靠性提供了新方案、新思路。关键词：环网控制器；柔性开关；避雷器；合解环操作Analysis and Simulation on Ring Main Controller for Distribution NetworkDAI Chaobo1，ZHANG Yongzheng1，DENG Zhanfeng1，GU Liqiang2（1.State Grid Smart Grid Research Institute，Co.，Ltd.，Beijing 102209，China；2.Pudong PowerSupply Company of State Grid Shanghai Electric Power Company，Shanghai 200120，China）Abstract：The existing distribution grid usually adopts closed loop design and open loop operation.Theloop back loading has many technical risks and even affects safe and stable operation of the distributiongrid.The the regulation measures and capability of traditional voltage of distribution grid is limited and theexisted various schemes based on power electronic technology are complicated and uneconomical.In thispaper，the novel scheme of a ring main controller using such components as thyristors and arrestors，etc andits corresponding control logic is proposed.An equivalent system，which is obtained by simplifying an actualdistribution grid，is set up and，on this basis，the simulation and analysis are performed.The study resultsshow that the proposed ring main controller scheme is simple，easy to implement，and has negligible impacton the existing protection，which can not only limit the impact during the closed loop back loading，but alsodeal with the fault to be occurred.Therefore，this scheme provides new scheme and idea for improving reliability of distribution grid.Keywords：looped network controller；flexible switch；arrester；open/close loop operation第44卷第3期：0082-00882023年6月电力电容器与无功补偿Power Capacitor&Reactive Power CompensationVol.44，No.3：0082-0088Jun.2023 822023年第3期（总第207期）戴朝波，等配网用环网控制器的分析和仿真能降低合环冲击，但存在设备占地大、成本增加多等诸多问题。显然，适当调整合环点两侧的负荷8来减少合环两侧电压偏差应作为比较靠后的选择。需要指出的是，0.4 kV 低压系统采用合环倒负荷还非常少见，当低压配电变压器停电时，通常采用发电车来转供负荷9。软开关（soft open point，SOP）10及其近似设备，如软常开开关（soft normally open point，SNOP）11-13、环网平衡控制器（loop balance controller，LBC）14、智能节点（intelligent nodes）15、环网功率控制器（looppower controller，LPC）16、柔性环网开关17、柔性多状态开关（flexible multistate switch）18-19、柔性环网控制器20、电力电子三端柔性环网控制装置21等主要用于实现配电网互联线路之间的负荷均衡，减少配电网系统线损，增加分布式发电的渗透率，延缓配电网层面升级改造时间，提升配电网综合性经济收益。统一潮流控制器（united power flow controller，UPFC）22-23主要用于提高输电网输电能力与系统稳定性。从理论上讲，上述这些装置确实都可以解决合环倒负荷过程中冲击过大等问题，但解决方案本身都包括 AC/DC/AC 换流器，主电路及其控制保护过于复杂。因此，如何在保证限制合环冲击电流功能的同时，简化其结构，有效降低环网控制器成本24-25，使环网控制器更便于推广，具有重要的现实意义。本文提出了环网控制器的新方案，详细阐述了主电路拓扑、安装位置、功能要求、控制逻辑及动作时序等，基于从实际配电网简化而来的等值系统，通过仿真分析论证了该方案的功能及其可行性。1环网控制器方案本文所提出的环网控制器方案不会显著增加配电网的短路电流，基本上不需要改变配电线路的现有保护及其整定值，也不需要远方信号。可以说对现有配电网的改造要求较少，影响程度也较小，便于推广应用。1.1主电路拓扑配电网用的环网控制器由避雷器、反并联晶闸管或双向可控硅（Triac）、机械开关、测量和控制保护等组成，见图 1，其中，避雷器、反并联晶闸管和机械开关这三者并联后串联接入配网线路中。环网控制器各个组成部件的作用简单介绍如下：1）避雷器用于保护反并联晶闸管或双向可控硅，防止其因过电压而损坏；2）机械开关、反并联晶闸管或双向可控硅在线路合环时构造断点，并承担相应的电压差；3）机械开关在线路正常开环时承担相应的线路电流，有功功率损耗比晶闸管等电力电子器件的要小；在线路故障时耐受相应的短路电流，过载能力强；4）测量设备用来测量线路电流 i、线路侧电压 u和避雷器电压 u2；5）控制保护根据测量设备的测量值计算线路侧有功功率 P 和线路侧电压 u 的有效值，并按预先设定的动作逻辑来控制反并联晶闸管或双向可控硅和机械开关。与功能强大的软开关、柔性多状态开关等方案相比较，新方案没有 AC/DC/AC 换流器，主电路及其控制保护都大为简化。在此需要补充说明的是：线路侧电压 u 可以是线路对地的相电压，也可以是线路对线路的线电压，宜根据工程实际情况来确定。图1环网控制器的主电路拓扑Fig.1Main circuit topology of ring main controller1.2安装位置示意图 2 所示为环网控制器安装位置，在一个 10 kV环网中，通常需要安装两台环网控制器，即环网控制器 A 和环网控制器 B，分别安装在环网的两侧10 kV 母线的出线处。尽管如图 1 所示的环网控制器已经比较简单，但是整个装置的体积及占用面积要做得小也不是一件容易的事情，因此，环网控制器的具体安装位置应根据装置本身情况、现场场地条件等各项限制因素进行选择。在图 2 中，对环网控制器的示意图进行了简化处理，略去了控制保护，并采用双向可控硅的符号来代替反并联晶闸管。832023年第3期电力电容器与无功补偿第44卷1.3整体功能要求图 2 所示的两个环网控制器和相应的控制逻辑设计应能满足以下两个功能要求：1）线路合环后，通常会产生相应的合环冲击。如果合环冲击比较大的话，仅一个环网控制器动作，产生断点，环网内所有负荷暂由环网控制器没有动作的一侧母线来提供；2）线路重新解环后，产生断点的环网控制器应快速合闸，消除断点，线路快速恢复到正常开环运行状态。1.4控制逻辑环网控制器分别安装在环网两侧母线出线处时，每个环网控制器需要的电气输入量如图 1 所示，分别为线路侧电压 u、避雷器电压 u2、线路电流 i和环网控制器线路侧的有功功率 P。约定环网控制器控制保护采用下列 3 个整定值：1）线路电压整定值 UL，有效值；2）避雷器电压整定值 uthr，瞬时值；3）有功功率整定值 P0，有效值，通常为零。机械开关在合位时，环网控制器分闸的判据应该满足下面两个逻辑的与：1）线路侧有功功率 PUL。机械开关在分位时，合闸的判据应满足：避雷器电压 u2的绝对值|u2|uthr。为应对各种干扰，实际装置设计时通常会引入相应的定时，为突出本文主题，在仿真分析中作了适当的简化，忽略了逻辑判断时相应的延时。1.5动作时序按线路正常运行和线路发生故障这两种工况来分别阐述。1.5.1线路正常运行时在线路正常运行时，环网控制器机械开关 SA和SB都处于合位，环网控制器晶闸管 TA和 TB截止，环网控制器避雷器 ArA和 ArB呈开路状态，如图 2 所示。在并解操作期间，如线路合环后，没有显著的合环冲击，则环网控制器 A 和环网控制器 B 都不会动作。如合环后存在较为显著的合环冲击，不妨约定合环后，有功功率流向由变电站母线 B 流向变电站母线 A。此时，环网控制器 A 附近测量的有功功率PA应该是负值，即有 PAUL。环网控制器 B 附近测量的有功功率PB应该为正值，即有功功率未倒送。动作时序如下：1）环网控制器 B 不动作。环网控制器 A 控制保护判定 PAUL，向机械开关 SA发分闸指令，SA分闸后形成断点。此时，避雷器 ArA两端电压应低于其持续运行电压，即 ArA不会动作限压。环网内所有负荷均由变电站母线 B 供电，见图 3。在此需要补充说明的是：可利用晶闸管 TA来辅助机械开关SA的分闸，即环网控制器 A 控制保护向机械开关 SA发出分闸指令的同时，也向晶闸管 TA发触发信号，当机械开关 SA分闸后，再闭锁晶闸管 TA的触发信号。图2环网控制器安装位置示意Fig.2Schematic diagram of installation position of ring main controller图3环网控制器限流Fig.3Current limiting of ring main controller2）新解环点解环后，环网控制器 A 附近测量的电压 UA会快速下降，避雷器两端的电压 u2A会快速增加，当电压增加到相应数值后，避雷器 ArA就会动作限压，见图 4。3）环网控制器 A 控制保护检测到环网控制器两端电压，即电压 u2A的绝对值大于 uthr，则快速触发晶闸管 TA。晶闸管 TA导通后，避雷器 ArA两端电压快速下降，再次呈开路状态，见图 5。在此需要补充 842023年第3期（总第207期）戴朝波，等配网用环网控制器的分析和仿真说明的是：环网控制器 A 控制保护在触发晶闸管 TA的时候，也会发出合机械开关 SA的指令，但由于机械开关 SA的响应时间相对于晶闸管 TA来说要慢许多，因此，晶闸管导通图如图 5 所示，有晶闸管 TA导通、避雷器 ArA开路、机械开关 SA还没有合闸的状态。4）机械开关 SA合闸，经过相应的延时后，停止触发晶闸管 TA，并解操作过程结束。1.5.2线路发生故障时环网控制器在运行和操作过程中会遇到各种各样的故障，装置研制过程中需要充分考虑可能发生的各种故障，还要一一进行分析和讨论。为行文简洁起见，在此仅给出一个示例。若环网控制器已形成断点，约定此时发生如图 6 所示区内故障或区外故障。图4避雷器限压Fig.4Voltage limiting of arrester图5晶闸管导通Fig.5Conduction of thyristors图6区内和区外故障Fig.6Internal fault and external fault无论是区内故障还是区外故障，环网控制器 B都不存在有功功率倒送的情况，因此，按照 1.4 中的控制逻辑，机械开关 SB不应动作产生断点；环网控制器 A 两端电压迅速增加，避雷器 ArA会快速动作限压，按照 1.4 中的控制逻辑，晶闸管 TA应快速导通，最后，机械开关 SA也应合闸。在此需要补充的是，环网控制器本身都不负责切除故障电流，配网短路故障仍由线路保护和断路器配合切除。2仿真等值系统国网上海市电力公司某供电公司提供一个实际配电网的接线图、参数表和相当详细的运行情况介绍。对于环网控制器的概念性研究，没有必要采用详实的实际系统，毕竟搭建和计算的工作量都非常大。可以对该配电网进行适当的简化，得到较为通用的、简化的等值系统，见图 7。图7仿真分析用的等值系统Fig.7Equivalent system for simulation analysis 852023年第3期电力电容器与无功补偿第44卷其中，C 区域的负载数可以根据被等值的配电网实际负载情况进行增减。当没有特殊要求时，C区域的负载可按等电气距离、平均分配。根据国网上海市电力公司浦东供电公司提供的数据，设定两个 220 kV 母线电压的相位差为 0.4。所有电缆均根据其等效电阻和容、感抗值，用贝瑞隆（Bergeron）等效线路模型进行仿真。考虑到避雷器的伏安特性比较关键，根据现有金属氧化物避雷器阀片的能量吸收能力及其伏安特性曲线，估算出后续仿真分析所用的避雷器阀片的能量吸收能力为 12 kJ/片，相应的伏安特性曲线见图 8。由于晶闸管能快速动作，对避雷器能量吸收能力的要求确实不高。图8避雷器的伏安曲线Fig.8U-I curve of the arrester3仿真分析3.1正常工况仿真在图 7 所示的仿真等值系统中进行一次正常的并解操作来验证环网控制器的控制逻辑。并解操作前的解环点在 Brk1 处，并解操作后的解环点在Brk2 处。在并解操作仿真分析中，约定 0.15 s 时，Brk1 合闸，0.35 s 时，Brk2 分闸。环网控制器 A 线路侧的电流 iA如图 9 中所示，可清楚地看到一次并解操作的动作时序过程。1）0.15 s 时，并解操作开始，机械开关 Brk1 合闸，出现合环冲击电流，即线路电流 iA显著增加；2）机械开关 Brk1 动作完毕，环网控制器 A 的 SA分闸，形成断点，环网控制器 A 线路侧电流 iA迅速减为 0；3）0.35 s 时，Brk2 分闸；4）环网控制器 A 两端压降超过整定值，环网控制器合闸，环网控制器线路侧电流恢复正常，由于所带的负荷增加，线路电流 iA的幅值也有显著增加。Brk1 合闸后，环网控制器 A 线路侧电流 iA、环网控制器 A 线路侧三相有功功率 PA（PAa、PAb、PAc）、环网控制器发出的机械开关 SA分闸指令、晶闸管 TA状态（0 为截止，1 为导通）和机械开关 SA状态（0 为合位，1 为分位）见图 10。可以看到：1）0.15 s 系统合环后，线路电流 iA开始上升；2）0.156 s 时有功功率 PA的一相数值下降至 0；3）0.166 s 环网控制器判定存在有功功率倒送，按照动作逻辑发出机械开关 SA分闸指令；此后，晶闸管 TA和机械开关 SA相互配合进行分闸，表现为：4）0.196 s 时晶闸管 TA经过延时后被触发导通，0.206 s 时机械开关 SA分闸；5）0.211 s 时晶闸管 TA的触发信号经过延时后被闭锁；6）0.217 s 机械开关 SA中不再流过相应的电流，分闸完毕。图9并解操作过程环网控制器线路侧电流Fig.9Current at the grid side of ring main controllerduring the open/close operations图10线路合环操作过程中的相关波形Fig.10Related waveform during the closing operation ofline解环后，避雷器电压 u2A、环网控制器 A 线路侧三相电压有效值 UA、避雷器电流 i2A、环网控制器发出的保护动作信号、晶闸管 TA状态（0 为截止，1 为导通）和机械开关 SA状态（0 为合位，1 为分位）见图 11。0.35 s 系统解环后，环网控制器 A 线路侧电压有效值 UA迅速下降，导致避雷器电压 u2A快速增加，可以看出：1）0.353 s 时，避雷器 u2A的幅值大于整定值 uthr，避雷器动作限制电压，i2A快速上升，同一时刻环网控制器保护动作，向机械开关 SA发出合闸指令，并触发晶闸管 TA；晶闸管导通，则避雷器被旁 862023年第3期（总第207期）戴朝波，等配网用环网控制器的分析和仿真路，避雷器 i2A降为 0，UA停止下降；2）0.378 s 时，机械开关 SA合闸完毕；3）0.384 s 时，晶闸管 TA的触发信号经过延时后被闭锁。图11线路解环操作过程中的相关波形Fig.11Related waveform during the opening operationof line从图 11 中还可以看到，从解环时刻到晶闸管TA导通，环网控制器 A 线路侧相电压 UA跌落最多的为 A 相，由 6.00 kV 跌落到 5.98 kV，即从 1.039 p.u.跌落至 1.015 p.u.。GB/T 301372013电能质量电压暂降与短时中断中是这样定义电压暂降的：电力系统中某点工频电压方均根值突然降低到0.1 p.u.0.9 p.u.，并在短暂持续 10 ms 1 min 后恢复正常的现象。图 11 中的仿真结果表明：工频电压方均根值还没有降落到 5.196 kV，即 0.9 p.u.，不需要讨论持续时间的事情，因此，在现有控制策略下，由于避雷器的限压作用和后续的晶闸管及机械开关的配合，环网控制器并解操作是不会造成电压暂降的。3.2故障工况仿真约定在 0.15 s 时系统合环，如在 0.28 s 时，环网发生区内接地故障，按照环网控制器的动作逻辑，环网控制器 A 控制保护判断出线路发生故障后，应快速合闸。从线路合环后至区内故障发生期间，避雷器电压 u2A、避雷器电流 i2A、环网控制器 A 线路侧电流 iA、晶闸管 TA状态（0 为截止，1 为导通）和机械开关 SA状态（0 为合位，1 为分位）见图 12。图12区内故障的相关波形Fig.12Related waveform during a internal fault不难看出：1）在 0.280 s 时，发生区内故障，环网控制器避雷器电压 u2A快速增加，然后避雷器动作限制电压，避雷器电流 i2A开始快速上升；2）在0.281 s 时，晶闸管 TA迅速导通，避雷器电流 i2A立刻降为 0；机械开关 SA合闸之后晶闸管 TA截止。可见，环网控制器应对线路故障的动作逻辑可以延用并解操作时的动作逻辑，这也就简化了环网控制器的复杂性，即不需要控制器判断是否发生短路故障，这将有助于降低环网控制器的研制难度。4结语在不增加或者不显著增加短路电流水平、不改变或少改变线路的现有保护及其整定值、不需要远方信号的前提条件下，在限制合环冲击电流的同时，如何有效简化环网控制器结构、降低成本是比较具有挑战性的，也具有重要的现实意义。本文提出了环网控制器的新方案，详细阐述了主电路拓扑、安装位置、功能要求、控制逻辑及动作时序等，搭建了由实际配电网简化的等值系统，并进行了仿真分析。仿真和分析的结果表明：所提出的环网控制器方案不会显著增加短路电流水平，即通常不需要改造已有断路器，基本上不需要改变线路的现有保护及其整定值，也不需要远方信号。所提出的环网控制器方案能辅助合环倒负荷，也能应对预期发生的系统故障，872023年第3期电力电容器与无功补偿第44卷为提高配电网可靠性提供了新方案、新思路。参考文献1王松，王海燕，朱晨光.配电网不停电倒负荷技术研究与实现J.电力科学与工程，2016，32（7）：2025.WANG Song，WANG Haiyan，ZHU Chenguang.Researchand implementation of reverse load operation without power outagein distribution networkJ.Electric Power Scienceand Engineering，2016，32（7）：2025.2张永征，戴朝波.配网用环网控制器研究方案R.北京：全球能源互联网研究院有限公司，2020.3郭雪丽，齐昌宵，史洪彬.关于城市配网合环操作的研究J.电气应用，2012，31（23）：1824.GUO Xueli，QI Changxiao，SHI Hongbin.Research on theclosed loop operation of urban distribution networkJ.Electrotechnical Application，2012，31（23）：1824.4欧昌岑.中山电网10 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戴朝波，张永征，邓占锋，等.一种含有通讯设备的环网控制器及控制方法 P.中国专利：CN201910711798.320190802.作者简介：戴朝波（1972），男，教授级高级工程师，研究方向为串联电容补偿装置、故障电流限制器、半波长交流输电、电力电容器应用等。Email:。张永征（1992），女，工程师，从事交流柔性输电、雷电过电压保护等。邓占锋（1976），男，教授级高级工程师，主要研究方向为电力电子技术、储能技术等在电力系统中的应用。顾黎强（1979），男，高级工程师，从事电网运行工作。96