基于HSR环网的“花瓣”型配电网区域备自投系统研究及应用.pdf

基于HSR环网的“花瓣”型配电网区域备自投系统研究及应用李正红1，丁晓兵1，冯宝成2，金震2，侯炜21. 中国南方电网有限责任公司，广东 广州 510663；2. 南京南瑞继保工程技术有限公司，江苏 南京 211102摘 要针对配网“花瓣”型区域配电网，传统备自投无法实现发生故障后“花瓣”中非开环点开关房的快速恢复供电，采用实时采样、实时交换数据、实时判别、实时控制的技术手段，基于高可靠性无缝冗余环网（HSR），提出一种可以适用于多种复杂区域配电网主接线形式的区域备自投系统。介绍了区域备自投系统的构成、通信架构、逻辑控制策略等。开发出的区域备自投装置现场应用结果表明，能有效实现“花瓣”型区域配电网发生故障后的快速恢复供电。关键词区域配电网；区域备自投；高可靠性无缝冗余环网；快速恢复供电中图分类号 TM774 文献标志码 A DOI 10.11930/j.issn.1004-9649.2018100440 引言完善的配电网是城市快速发展的坚实基础，随着城市基础设施建设力度的不断加大，配电网也得以快速发展。配电网直接面向用户，供电的可靠性直接影响到人民的生产生活。文献[1-3]提出了基于GOOSE的馈线自动化和基于负荷均衡的自愈控制技术，文献[4-7]提出了基于调度主站的自愈控制技术，但是这些控制策略难于适用于多电源并列供电的“花瓣”型配电网。南网某区域配电网借鉴国外的先进经验，采用“花瓣”型主接线方式，花瓣内合环运行，花瓣间通过联络线作为备用线路。由于传统备自投要求所在开关房必须设置热备用开关[8-14]，而“花瓣”型主接线形式的区域配电网运行时只有联络开关房（联络线所在的开关房）设置热备用开关，其他非联络开关房因为没有热备用开关而导致传统备自投无法工作。因此，使用传统备自投无法解决“花瓣”型主接线形式的区域配电网发生故障时非联络开关房的快速恢复供电。IEC 62439-3规定的高可用性无缝环网冗余协议（HSR）通过链路层上的数据冗余实现了网络报文的无缝恢复，具有很高的可靠性[15-19]。目前，HSR环网主要应用于智能变电站通信网络设计及分布式母线保护实现方案。文献[16]提到了HSR环网技术在数字化通信网络中的应用，应用此技术能够保证重要的GOOSE（面向通用对象的变电站事件）报文传输满足保护装置的实时性和网络传输可靠性要求。文献[20]提出了基于HSR环网通信的就地化分布式母线保护方案，通过HSR环网实现各子机互联和各子机采集数据的共享。文献[21]提出了一种基于并行冗余协议/高可用性无缝环网冗余（PRP /HSR）的智能变电站三网合一网络实现方案，解决了三网合一网络通信的可靠性问题。本文采用实时采样、实时交换数据、实时判别、实时控制的技术手段，基于HSR，提出一种可以适用于区域配电网多种复杂主接线的备自投系统。根据接收到的全景信息，当花瓣发生故障时，通过综合逻辑判断进行故障定位和隔离故障，并快速合上“花瓣”间备用的联络线开关，使失电的开关房快速恢复供电。1 配电网“花瓣”型主接线南网某区域的配电网采用“花瓣”型主接线收稿日期2018−10−16； 修回日期2019−04−25。基金项目南方电网公司科技项目ZDKJXM20160007。第 52 卷 第 8 期中国电力Vol. 52, No. 82019 年 8 月ELECTRIC POWER Aug. 201964形式，如图1所示。图1中a、b、c、d开关房通过环线手拉手串联起来，形似“花瓣”，故称“花瓣”。每个花瓣与来自另一个有源变电站的其中一片“花瓣”通过联络线进行连接。配电网“花瓣”型主接线方式的特点是“花瓣”内合环运行，所有的开关房都是两路电源供电，提高了供电的可靠性；“花瓣”间开环运行，通过一条正常运行时开断的联络线连接。当变电站主变故障、母线故障，或者“花瓣”两侧环线均发生故障时，都会导致整个“花瓣”失电，为提高供电可靠性，故需要配置区域备自投控制系统。2 区域备自投控制系统2.1 区域备自投控制系统构成区域备自投控制系统如图2所示。区域备自投控制系统由非联络开关房的一体化配电终端、联络开关房的一体化配电终端和环网线路配置的线路光纤纵差保护装置组成。“花瓣”内非联络开关房配置的一体化配电终端，其集成了母线保护、多个间隔的过流保护，并且具有一块HSR插件，与其他开关房一体化配电终端上的HSR插件、变电站侧的HSR插件手拉手连接组成HSR环网，用于交换“花瓣”内有源变电站 Y电网开断电网开断电网开断电网开断µ÷MÈ_
X电网开断HJIbbccdqpaaA B CDG F Eron jklmaabbccddeegg ff eegghhiijjkk开关房；电缆；联络线去其他的有源变电站去其他的有源变电站图 1 “花瓣”型配电网主接线Fig. 1 The main electrical connection of petal-shapedistribution networks专用光纤去对侧联络线配电房光差保护一体化配电终端SWITCHMONHSR一体化配电终端SWITCHMONHSR一体化配电终端SWITCHMONHSR光纤插件光纤插件光纤插件HSR 环网104；GOOSE；专用光纤；光纤纵差保护装置光纤纵差保护装置CPUCPU光纤纵差保护装置CPU联络开关房非联络开关房变电站HSRHSRHSRHSR光纤纵差保护装置CPU光纤插件光纤纵差保护装置CPU光纤插件非联络开关房第二个花瓣HSR装置104 信息上送配网主站光纤纵差保护装置CPU光纤纵差保护装置CPU光纤纵差保护装置CPU光纤纵差保护装置CPU图 2 区域备自投控制系统架构示意Fig. 2 The structure of regional power grid auto transfer system第 8 期 李正红等基 于 HSR环网的“花瓣”型配电网区域备自投系统研究及应用65的全景信息。“花瓣”内联络开关房（花瓣间联络线所在的开关房）配置的一体化配电终端在非联络开关房一体化配电终端的基础上增加集成了区域备自投保护控制功能；区域备自投通过HSR环网实时接收花瓣内的全景信息，根据控制策略隔离故障并快速恢复供电。变电站侧配置了含有HSR插件的HSR装置，每块HSR插件与各开关房一体化配电终端上的HSR插件通过光纤手拉手连接组成HSR环网，一体化配电终端间通过HSR环网交互信息。2.2 区域备自投控制系统通信架构由图2区域备自投控制系统架构可以清晰地看出系统通信架构，其主要由HSR实现，HSR环网中GOOSE报文沿2个方向同时传播，当环网某一处发送故障时，只会影响此方向报文的发送与接收，另一个方向不受影响，网络自愈时间为零，保证了通信的可靠性。联络房通信连接为线路光纤纵差保护装置和一体化配电终端的自动化信息通过交换机插件送入HSR环网；一体化配电终端的光纤插件通过光纤连接到HSR插件，从HSR环网获取整个花瓣的母线电压状态、开关位置状态等区域全景信息用于综合逻辑判断，并且将光纤插件输出的跳合闸GOOSE信号通过HSR环网送达到首个非联络房一体化配电终端；一体化配电终端的光纤插件通过光纤连到对侧联络房一体化配电终端的光纤插件，以便区域备自投获取到对侧联络房的母线电压及联络线对侧开关的开关位置等，供备自投逻辑控制策略使用。非联络房通信连接为线路光纤纵差保护装置和一体化配电终端的自动化信息通过交换机插件送入HSR环网；一体化配电终端的光纤插件通过光纤连到HSR插件上，将本站的母线电压状态、开关位置状态等信息送入HSR环网。变电站侧通信连接为变电站侧线路光纤纵差保护装置的光纤插件通过光纤连到HSR插件，将变电站侧环网线路的开关位置状态等信息送入HSR环网，供区域备自投逻辑控制策略使用；线路光纤纵差保护装置和HSR环网插件连接到对上通信交换机，将整个花瓣的自动化信息送达配网主站。2.3 区域备自投逻辑控制策略根据“花瓣”型配电网的结构可知，因“花瓣”型主接线只有联络开关房存在热备用开关，其他非联络开关房不存在热备用开关，故传统备自投无法解决“花瓣”型主接线形式的区域配电网发生故障后非联络开关房的快速恢复供电。为了解决此问题，采用实时采样、实时交换数据、实时判别、实时控制的技术手段，基于HSR，提出了一种可以适用于多种复杂主接线形式的区域备自投逻辑控制策略。根据接收到的全景信息，当“花瓣”发生故障时，通过综合逻辑判断进行故障定位和隔离故障，并合上“花瓣”间备用的联络线开关，使失电的“花瓣”快速恢复供电。区域备自投充电条件为本侧联络房母线有压；对侧联络房母线有电压；联络线开关在分位。区域备自投放电条件为任一配电房环线开关后备保护动作；手分上侧串任一环线开关和下侧串任一环线开关；对侧联络房母线不满足有压条件，经延时放电；自投退出（控制字、软压板、硬压板任一退出）；开关拒动；联络房母线保护动作；上侧串任一环线开关检修并且下侧串任一环线开关检修。满足充电条件并且不满足放电条件，区域备自投经延时充电完成。区域备自投充电完成后，对侧联络房母线有电压，本侧联络房母线无电压，本侧联络房两侧环线开关无电流，自投启动。（1）如果收到上侧环线首个开关房的母线无电压、环线无电流信号或收到下侧环线首个开关房的母线无电压、环线无电流信号，则经动作延时跳相应的上侧环线或下侧环线首个开关房中靠近变电站侧环线开关，确认开关跳开后，并且联络线所在母线无电压，经100 ms固定延时合联络线开关。（2）上侧环线首个开关房的母线无电压、环线无电流信号及下侧环线首个开关房的母线无电压、环线无电流信号均不满足，则不跳闸、直接经动作延时合联络线开关。若变电站侧母线故障，则备自投经动作延时跳上侧环线和下侧环线首个开关房中靠近变电站侧环线开关，确认跳开后，再合联络线开关；若非源端故障，依靠线路光纤纵差保护和母线保护隔离故障，备自投不跳闸，则直接经动作延时合闸。中国电力第 52 卷66花瓣内环网线路（包括变电站出线）的后备保护动作需要闭锁区域备自投，首端开关房无电压无电流后跳相应首端开关房靠近变电站侧环线开关，则变电站侧出线的后备保护动作无须再闭锁区域备自投，有利于减少变电站与开关房之间的通信连接。2.4 区域备自投动作逻辑说明本文提出的区域备自投逻辑控制策略可以适用于多种主接线的区域配电网，现举例说明。图3为花瓣内合环运行时的主接线。下面列举几种导致联络房K失电的故障发生时，区域备自投的动作行为。（1）花瓣环线发生2处故障，如图3中故障点K1和K2。则由此2条线路的纵差保护动作隔离故障，区域备自投检测到联络线开关房失电（判断母线无电压与L4、L5无电流）、并且收到开关房E的母线无电压环线无电流信号后，经动作延时跳线路L7靠近开关房E侧开关，确认跳开后，经固定100 ms延时合联络线开关。如果纵差保护拒动或其跳闸开关拒动，则由后备保护动作隔离故障，用此后备保护动作信号闭锁区域备自投。（2）花瓣源端甲站20 kV母线失电，如图3中故障点K6，此时花瓣内的其他保护配置不会动作，区域备自投检测到联络线开关房失电，同时接收到花瓣离甲站最近的2个开关房A、E的母线无电压环线无电流信号，则区域备自投经动作延时跳这两个开关房主供环线开关，确认跳开后，经固定100 ms延时合联络线开关。（3）花瓣环线发生2处故障，如图3中故障点K1和K7。则由此2条线路的线路光纤电流纵差保护动作隔离故障，区域备自投检测到联络线开关房失电并且未收到开关房A、E的母线无电压、进线无电流信号，经动作延时直接合联络线开关。若纵差保护拒动或其跳闸开关拒动，则由后备保护动作隔离故障，用此后备保护动作信号闭锁区域备自投。图4为花瓣内开环运行时的主接线。下面列举几种导致联络房K失电的故障发生时，区域备自投的动作行为。（1）花瓣环线发生故障，如图4中故障点K2。则由此线路的纵差保护动作隔离故障，区域备自投检测到联络线开关房失电，并且收到开关房E的母线无电压、环线无电流信号后，经动作延时跳线路L7靠近开关房E侧开关，确认跳开后，经固定100 ms延时合联络线开关。若纵差保护拒动或其跳闸开关拒动，则由后备保护动作隔离故障，用此后备保护动作信号闭锁区域备自投。（2）花瓣源端甲站20 kV母线失电，如图4中故障点K6，此时花瓣内的其他保护配置不会动作，区域备自投检测到联络线开关房失电，同时接收到离甲站最近2个开关房A、E的母线无电压、环线无电流信号，则区域备自投经动作延时跳这两个开关房主供环线开关，确认跳开后，经固定100 ms延时合联络线开关。（3）花瓣环线发生故障，如图4中故障点K7。由此线路的纵差保护动作隔离故障，区域备自投检测到联络线开关房失电，并且未收到开关房A、E的母线无电压、环线无电流信号，经动作延时直接合联络线开关。如果纵差保护拒动或其跳闸开关拒动，则由后备保护动作隔离故障，用此后备保护动作信号闭锁区域备自投。装置可以适用于某些特殊场景，如当2个花瓣不是以联络线而是以分段开关互为备用时，如开关房 A乙站母线开关房 B 开关房 E开关房 D开关房 C开关房 I开关房 G开关房 J开关房 K开关房 H开关房 F开关房 L花瓣间联络线；花瓣内其他线路；L8L9L10L11L12 L13 L14L1L2L3 L4L5L6L7L15K1K2K3K4K5甲站母线K6合位；分位K7 图 3 花瓣内合环运行主接线Fig. 3 The main electrical connection of the loop closingpetal-shape distribution network开关房 A乙站母线开关房 B开关房 E开关房 D开关房 C开关房 I开关房 G开关房 J开关房 K开关房 H开关房 F开关房 L花瓣间联络线；花瓣内解环线路；花瓣内其他线路；L8L9L10L11L12 L13 L14L1 L2 L3 L4L5L6L7L15K1K2K3K4K5甲站母线K6合位；分位K7 图 4 花瓣内开环运行主接线Fig. 4 The main electrical connection of the loopopening petal-shape distribution network第 8 期 李正红等基 于 HSR环网的“花瓣”型配电网区域备自投系统研究及应用67图5所示，此时在开关房K的两段母线各配置一台一体化配电终端，把分段开关位置只接入其中一台配电终端，另一台在接线时模拟分段开关始终在合位，相当于联络线开关一侧在分位，一侧在合位。3 现场应用根据本文提出的逻辑控制策略开发出的适用于“花瓣”型区域配电网的备自投系统已在国内多个20 kV“花瓣”型区域配电网中使用并投运，下面以典型“花瓣”型区域配电网为例进行说明，其主接线如图6所示，开关房A、B、C、D组成一个花瓣，开关房E单独组成一个花瓣，开关房各配置一台一体化配电终端（集成有母线保护），电源环线及联络线两侧均配置线路光纤纵差保护装置。试验项目及结果如下。正常运行时，开关房C的20DL开关在分位，其他开关均在合位，区域备自投动作延时整定为2 s。现场重点进行了如下试验项目，当花瓣发生N–1或者N–2故障时，区域备自投的动作行为考核。（1）线路L1、L4同时故障时，区域备自投动作波形如图7所示。从图7中可以看出，区域备自投在满足开关房C无电压、8DL无电流、10DL无电流、开关房A无电压、2DL无电流条件后启动，经整定的动作延时于2 001 ms跳2DL开关（图中C线），确认2DL跳开后，经固化延时100 ms于2 162 ms合联络开关房C的20DL开关（图中R线），开关房A、B、C于2 243 ms恢复有电压。（2）甲站母线故障时，区域备自投动作波形如图8所示。从图8中可以看出，区域备自投在满足开关房C无电压、8DL无电流、10DL无电流、开关房A无电压、2DL无电流、开关房D无电压、13DL无电流条件后启动，经整定的动作延时于2 001 ms跳2DL和13DL开关（图中C线），确认都跳开后，经固化延时100 ms于2 169 ms合联络开关房C的20DL开关（图8中R线），开关房A、B、C、D于2 250 ms恢复有电压。（3）线路L2、开关房D的Ⅱ母同时故障时，区域备自投动作波形如图9所示，从图9中可以看出，区域备自投在满足联络开关房C无电压、8DL无电流、10DL无电流条件后启动，经整定的动作延时于2 001 ms合联络开关房C的20DL开关（图9中C线），开关房B、C于2 093 ms恢复有电压。现场试验结果表明，本文提出的区域备自投开关房 A甲站母线乙站母线开关房 B开关房 E开关房 D开关房 C开关房 I开关房 G开关房 J开关房 K开关房 H开关房 F花瓣间联络线；花瓣内其他线路；L8L9L10L11L12 L13 L14L1 L2 L3 L4L5L6L7分段I 母II 母合位；分位图 5 2个花瓣以分段开关作为联络的主接线Fig. 5 The main electrical connection of two petal-shapedistribution networks sharing the same section switch asthe linking stand-by switch开关房 A乙站母线开关房 B花瓣间联络线 ; 花瓣内其他线路 ;L7L1L4L5甲站母线K1合位 ; 分位L2 L6L8K2 K3K4K5K61DL2DL3DL4DL 5DL6DL7DL 8DL9DL10DL11DL12DL16DL15DL19DL20DL 21DL14DL13DL17DL18DL开关房 D开关房 C 开关房 EI母 Ⅱ母I母 Ⅱ母 I母 Ⅱ母 I母 Ⅱ母图 6 现场区域配电网主接线Fig. 6 The main electrical connection of aregional power gridC 线R 线模拟量及开关量状态1.C 开关房 I 母电压 A 相 [V] [0.003] [02.C 开关房 I 母电压 B 相 [V] [0.001] [03.C 开关房 I 母电压 C 相 [V] [0.002] [04.C 开关房 II 母电压 A 相 [V] [0.004] [05.C 开关房 II 母电压 B 相 [V] [0.002] [06.C 开关房 II 母电压 C 相 [V] [0.003] [01.自投启动2.自投跳 A 开关房 2DL 开关4.自投合 C 开关房 20DL 开关5.A 开关房 2DL 开关 TWJ8.D 开关房 13DL 开关 TWJ6.A 开关房母线无电压9.D 开关房母线无电压15.C 开关房 I 母有电压16.C 开关房 II 母有电压11.C 开关房 I 母线无电压12.C 开关房 II 母线无电压7.A 开关 2DL 开关无电流10.D 开关房 13DL 开关无电流13.C 开关房 8DL 开关无电流14.C 开关房 10DL 开关无电流3.自投跳 D 开关房 13DL 开关C 线点号474, 绝对时标2001.7 msR 线点号667, 绝对时标2162.5 ms −600 2′′000 5′′000 12′′200C R11111111图 7 线路L1、L4同时故障，区域备自投动作波形Fig. 7 The action wave of regional power grid autotransfer system when line L1 and L4 get out of ordersimultaneously中国电力第 52 卷68系统能够有效实现“花瓣”型区域配电网发生故障后的快速恢复供电。4 结论在国内外缺乏应用经验的背景下，结合南网某区域配电网的建设，研究提出了基于高可靠性无缝冗余环网（HSR）适用于“花瓣”型配电网的区域备自投系统，目前此系统已在南网某区域配电网中应用，现场应用结果表明，能够有效实现“花瓣”型区域配电网发生故障后的快速恢复供电，对其他新型区域配电网快速恢复供电控制技术的研究具有良好的借鉴价值。参考文献刘健, 贠保记, 崔琪, 等. 一种快速自愈的分布智能馈线自动化系统[J]. 电力系统自动化, 2010, 3410 62–66.LIU Jian, YUN Baoji, CUI Qi, et al. 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