分布式發(fā)電（distributed generation, DG）通常指光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、燃料電池發(fā)電、小水電發(fā)電等相對(duì)分散的發(fā)電方式，是滿(mǎn)足社會(huì)對(duì)能源的需求量和穩(wěn)定性要求的產(chǎn)物。分布式發(fā)電與常規(guī)的集中式發(fā)電形成互補(bǔ)，有其自身的優(yōu)勢(shì)，如提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性、提高資源利用效率減少污染、節(jié)約建設(shè)及安裝的投入，是21世紀(jì)電力工業(yè)的發(fā)展方向。但是，由于配電網(wǎng)接入了分布式發(fā)電，改變了電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，給配電網(wǎng)重合閘的協(xié)調(diào)配合帶來(lái)較大的影響。

現(xiàn)有變電站10kV饋線開(kāi)關(guān)柜無(wú)線路電壓抽取裝置，重合閘無(wú)法實(shí)現(xiàn)檢無(wú)壓或檢同期功能，直接重合將對(duì)分布式發(fā)電的發(fā)電機(jī)組造成較大的沖擊；同時(shí)，由于分布電源的作用故障點(diǎn)并沒(méi)有消除，斷路器重合可能引起故障電流躍變，造成故障點(diǎn)電弧重燃，擴(kuò)大故障范圍。傳統(tǒng)的電壓互感器體積大，變電站10kV母線電壓的采集需要有獨(dú)立的電壓互感器開(kāi)關(guān)柜，因此無(wú)法適用于10kV饋線開(kāi)關(guān)柜。

本文以小水電站混供線路為例，通過(guò)研究一種適用于10kV開(kāi)關(guān)柜的線路電壓采集判斷裝置，旨在為配網(wǎng)線路重合閘檢無(wú)壓功能提供電壓依據(jù)，配合線路保護(hù)重合閘，實(shí)現(xiàn)快速?gòu)?fù)電，保障電網(wǎng)的供電可靠性及安全穩(wěn)定性。

1 分布式小水電上網(wǎng)對(duì)重合閘的影響

山區(qū)電網(wǎng)水電資源豐富，大量變電站有水電上網(wǎng)，小水電站主要通過(guò)10kV線路上網(wǎng)，且大部分T接于10kV饋線，已經(jīng)形成遠(yuǎn)距離水電逐級(jí)匯集，通過(guò)集中升壓，實(shí)現(xiàn)大功率遠(yuǎn)距離外送的發(fā)展模式，如圖1所示。這種模式下的送端系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)串接入變電站，10kV饋線輸送功率減少或功率上送以及小水電輸出無(wú)功的支持，使得沿饋線上各個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處電壓被抬高（UA＜UB＜UC )。

圖1 小水電并網(wǎng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

配電架空線路超過(guò)80%的短路故障是瞬時(shí)性故障。當(dāng)線路發(fā)生故障，斷路器因保護(hù)裝置動(dòng)作而跳閘，經(jīng)短延時(shí)后重合閘動(dòng)作，恢復(fù)線路正常供電。在單電源供電的配電網(wǎng)系統(tǒng)中，瞬時(shí)性短路故障電弧可自行熄滅，短路點(diǎn)處的絕緣可自動(dòng)恢復(fù)，采用重合閘方式恢復(fù)線路供電，不會(huì)對(duì)配電系統(tǒng)產(chǎn)生任何沖擊和破壞，有利于提高配電系統(tǒng)的供電可靠性。

若是永久性故障，重合閘動(dòng)作后仍然檢測(cè)到故障電流，保護(hù)裝置再次動(dòng)作，閉鎖重合閘，不再重合，從而影響供電可靠性。

圖2 線路中段接入DG的配電網(wǎng)

當(dāng)線路保護(hù)動(dòng)作跳閘后，如果分布式發(fā)電未能及時(shí)解列，此時(shí)重合閘動(dòng)作可能產(chǎn)生非同期重合閘和故障點(diǎn)電弧重燃的潛在威脅，增加與配網(wǎng)自動(dòng)化開(kāi)關(guān)配合難度，造成重合閘不成功。

1）導(dǎo)致非同期重合閘

如圖2所示，若F1處為瞬時(shí)性故障，并且在K1的保護(hù)范圍內(nèi)，則K1保護(hù)動(dòng)作斷開(kāi)后，DG形成的電力孤島很難與電網(wǎng)繼續(xù)保持完全同步，DG的發(fā)電機(jī)組將快速失去穩(wěn)定性，電網(wǎng)系統(tǒng)與DG的電壓相角差可能是0°～360°范圍內(nèi)的任意值。

如果此時(shí)重合閘動(dòng)作，將導(dǎo)致非同期合閘，此時(shí)保護(hù)裝置將檢測(cè)到?jīng)_擊電流，K1保護(hù)可能后加速動(dòng)作，閉鎖重合閘不再重合。當(dāng)DG容量較大時(shí)，非同期合閘產(chǎn)生的沖擊電流可能超過(guò)發(fā)電機(jī)組允許的最大沖擊電流，甚至燒壞發(fā)電機(jī)組。

2）導(dǎo)致故障點(diǎn)電弧重燃

配電網(wǎng)線路成功重合的必要條件是故障點(diǎn)電弧完全熄滅。若F1處為永久性的故障，K1保護(hù)動(dòng)作斷開(kāi)后，未解列的DG仍向故障點(diǎn)處供電，故障點(diǎn)處電弧未熄滅。此時(shí)饋線保護(hù)若重合閘動(dòng)作，由于電網(wǎng)電源的影響，使得故障點(diǎn)電流躍變，引起故障點(diǎn)電弧重燃，電弧長(zhǎng)時(shí)間燃燒，導(dǎo)致絕緣擊穿，進(jìn)一步擴(kuò)大事故，影響停電范圍。

3）導(dǎo)致重合閘不成功

接入DG的配電網(wǎng)線路，無(wú)論線路發(fā)生何種形式的故障，如果DG未能快速切除，重合閘動(dòng)作可能產(chǎn)生非同期重合閘和故障點(diǎn)電弧重燃的潛在威脅，將降低重合閘的成功率。由于站內(nèi)重合閘不成功，一方面停電區(qū)域?qū)⒃龃螅绊懹脩?hù)的生產(chǎn)、生活需求，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失；另一方面DG形成的孤島只能夠滿(mǎn)足小范圍的用電需求，相比系統(tǒng)電網(wǎng)有明顯的電壓波動(dòng)，影響電壓質(zhì)量。

綜上所述，無(wú)論線路出現(xiàn)何種形式的故障，都需要將分布式發(fā)電電源快速切除。一方面是利用分布式小水電的低周低壓解列裝置，在線路發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)切除DG；另一方面是依靠線路保護(hù)重合閘檢無(wú)壓或檢同期功能，避免非同期合閘。

但現(xiàn)實(shí)情況是，安裝在DG的低周低壓解列裝置存在被人為拆除的可能，無(wú)法確保低周低壓解列裝置在故障發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)動(dòng)作。因此，考慮到DG側(cè)解列及重合閘功能的可靠性及成本，如果站內(nèi)線路保護(hù)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)重合閘檢無(wú)壓或檢同期功能，那么就能夠避免非同期合閘及故障點(diǎn)電弧重燃，提高重合閘的成功率。

2 小型線路電壓采集判斷裝置的技術(shù)原理及方法

現(xiàn)有變電站10kV饋線開(kāi)關(guān)柜線路缺少一種電壓抽取裝置，作為判斷線路是否有電壓的裝置。針對(duì)分布式電源接入的10kV線路開(kāi)關(guān)跳閘之后，缺少相關(guān)的檢測(cè)線路是否有電壓的裝置。因此，實(shí)現(xiàn)重合閘檢無(wú)壓或檢同期功能的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何提供重合閘檢無(wú)壓或檢同期的電壓依據(jù)。

針對(duì)當(dāng)前的線路保護(hù)裝置具備“檢無(wú)壓”重合閘功能；同時(shí)，10kV線路保護(hù)裝置具備“有壓”開(kāi)入的功能，也具備接入線路電壓UXL的功能，但是沒(méi)有相關(guān)的電壓采集判斷裝置，從而影響10kV開(kāi)關(guān)柜線路保護(hù)重合閘。

針對(duì)上述情況，本文提供一種適用于10kV開(kāi)關(guān)柜的線路電壓采集判斷裝置及方法，主要實(shí)施步驟是采用電阻分壓后的電壓輸入到信號(hào)處理裝置，然后經(jīng)整流電路驅(qū)動(dòng)光耦、再經(jīng)過(guò)電壓比較后驅(qū)動(dòng)繼電器輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路電壓的采集判斷的功能，從而實(shí)現(xiàn)10kV線路電壓的輸出電壓或有壓接點(diǎn)閉合開(kāi)入到保護(hù)裝置。

本文提出的一種適用于10kV開(kāi)關(guān)柜的線路電壓采集判斷裝置包括3個(gè)電路，即電阻分壓電路、電壓比較電路和繼電器驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)裝置配合重合閘。

2.1 電阻分壓電路

電阻分壓電路是采用電阻分配電壓的原則，當(dāng)10kV系統(tǒng)電壓正常時(shí)，相電壓經(jīng)電阻分壓。如圖3所示為電阻分壓信號(hào)處理電路，其中Rf、Rb為壓敏分壓電阻，分別保護(hù)分壓電路和繼電器不受過(guò)電壓損壞。輸出的電壓U1輸入至電阻分壓信號(hào)處理，將分壓電阻分配的電壓經(jīng)電壓比較等方式處理后，再驅(qū)動(dòng)繼電器輸出有壓/無(wú)壓信號(hào)。根據(jù)信號(hào)處理電路的電壓輸入范圍，電阻分壓Rf/Rb設(shè)計(jì)比值為m。

由于信號(hào)處理單元、繼電器驅(qū)動(dòng)單元均采用外部電源，因此，采用電阻的方式，分壓電路可以選取阻值較大、功率較小的電阻器，這樣既使電阻發(fā)熱較小，可以長(zhǎng)期運(yùn)行，又使相對(duì)地絕緣電阻足夠大、相對(duì)地電流足夠小，不影響系統(tǒng)狀態(tài)。

圖3 電阻分壓信號(hào)處理電路

在電阻分壓電路中，Rb分壓所得的電壓為U1，輸出到電壓比較電路內(nèi)。

2.2 電壓比較電路

電壓比較電路具備工作電源，包括電源處理模塊、采集模塊、放大模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、微機(jī)處理模塊、定值整定模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊，如圖4所示。

圖4 電壓比較電路的結(jié)構(gòu)示意圖

電源模塊，采用外部接入的220VDC/AC電源，作為電壓比較電路及繼電器驅(qū)動(dòng)電路的工作電源。

采集模塊將輸入模擬量電壓值進(jìn)行信號(hào)處理，將干擾量、多次諧波去除，然后將電壓輸入到放大模塊中，通過(guò)兩級(jí)放大電路進(jìn)行電壓放大，第一次運(yùn)算放大器和第二次運(yùn)算放大器均采用運(yùn)算放大器芯片實(shí)現(xiàn)，將兩級(jí)運(yùn)算放大電路放大后的電壓輸入到A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將放大后的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并輸入到微機(jī)處理器。

A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊是將Rb電阻分壓獲得的電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入到微機(jī)處理器，微機(jī)處理器具備邏輯分析、判斷的功能。

定值整定模塊，應(yīng)用于可整定的繼電器，作為判斷線路是否存在電壓的功能。

2.3 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

繼電器驅(qū)動(dòng)電壓采用外部接入的220VDC/AC電源，與一個(gè)特定電壓信號(hào)進(jìn)行比較。分壓電壓較大時(shí)，輸出的信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，繼電器輸出引腳閉合，發(fā)出有壓信號(hào)；當(dāng)線路電壓降到某一值以下時(shí)，相電壓經(jīng)電阻分壓后將小于比較電壓，輸出信號(hào)令繼電器線圈失電，繼電器的輸出引腳斷開(kāi)，發(fā)出無(wú)壓信號(hào)。

在標(biāo)稱(chēng)電壓為10kV系統(tǒng)中，正常時(shí)刻的線路單相電壓為6kV。當(dāng)線路相電壓高于某固定值時(shí)，通過(guò)電阻分壓后繼電器得到較高的電壓，該電壓可以驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，使其輸出引腳閉合。當(dāng)線路電壓低于某固定值時(shí)，通過(guò)電阻分壓后繼電器得到較低的電壓，此時(shí)電壓不足以驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，其輸出引腳斷開(kāi)。

通過(guò)電壓比較電路輸出的數(shù)據(jù)，輸入到繼電器驅(qū)動(dòng)電路中，其驅(qū)動(dòng)器工作示意圖，如圖5所示。

圖5 繼電器驅(qū)動(dòng)電路示意圖

一種適用于10kV開(kāi)關(guān)柜的線路電壓采集判斷裝置及方法的控制工作原理為，經(jīng)過(guò)電阻分壓電路，其中Rb采集的10kV線路電壓，輸入采集模塊將輸入模擬量電壓值進(jìn)行信號(hào)處理，將干擾量去除，處理后輸入放大模塊，經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大電路后輸入到A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，通過(guò)A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后輸入到微機(jī)處理器，微處理器進(jìn)行邏輯判斷。

當(dāng)采集電壓超過(guò)微機(jī)處理模塊整定定值USET，經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)后觸發(fā)繼電器K1，繼電器K1動(dòng)作，常開(kāi)的3對(duì)接點(diǎn)①、②，③、④，⑤、⑥均閉合，其中①、②接點(diǎn)閉合輸入至10kV饋線保護(hù)裝置的保護(hù)功能開(kāi)入模塊，作為“線路有壓”的開(kāi)入功能；③、④接點(diǎn)串聯(lián)10kV饋線開(kāi)關(guān)柜母線二次電壓UA，輸入至10kV饋線保護(hù)裝置的采樣模塊，作為采集線路電壓的方法；⑤、⑥接點(diǎn)閉合，線路有壓帶電指示燈點(diǎn)亮。復(fù)位按鈕S動(dòng)作，觸發(fā)繼電器K2，裝置復(fù)位信號(hào)告警與繼電器K1，裝置恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

同時(shí)，具備自動(dòng)復(fù)位功能，復(fù)位模塊是通過(guò)復(fù)位繼電器、有壓指示燈復(fù)位單元、電源及相關(guān)保護(hù)電阻組成，如圖5所示。進(jìn)一步說(shuō)明圖5繼電器驅(qū)動(dòng)電路的控制回路示意圖，其中R1、R2、R3為控制回路的相關(guān)保護(hù)元件（電阻、電感、電容），K1、K2為繼電器，L為電壓顯示指示燈，S為復(fù)歸按鈕。

綜上所述，本文提供的一種適用于10kV開(kāi)關(guān)柜的線路電壓采集判斷裝置及方法的實(shí)施步驟為，電阻分壓后的電壓輸入到信號(hào)處理裝置后，經(jīng)整流電路驅(qū)動(dòng)光耦、再經(jīng)過(guò)電壓比較后驅(qū)動(dòng)繼電器輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路電壓的采集判斷的功能，從而實(shí)現(xiàn)10kV線路電壓的輸出電壓或有壓接點(diǎn)閉合開(kāi)入到保護(hù) 裝置。

2.4 保護(hù)裝置重合閘配合的方法

具體實(shí)施步驟：

1）10kV高壓線路通過(guò)一種電阻分壓電路，將10kV線路電壓分壓，輸出U1的電壓至線路電壓比較電路。

2）電壓比較電路將采集的電壓進(jìn)行信號(hào)處理，將干擾量去除，再經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大電路后輸入到A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過(guò)A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后輸入到微機(jī)處理器，微機(jī)處理器進(jìn)行邏輯判斷，當(dāng)采集電壓超過(guò)微機(jī)處理模塊整定定值USET，經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)后觸發(fā)繼電器K1，繼電器K1動(dòng)作，10kV線路有壓。

3）線路電壓輸入U(xiǎn)1經(jīng)過(guò)電壓比較電路輸入到微機(jī)處理模塊，轉(zhuǎn)換為電壓值U，當(dāng)U大于等于有壓值Uy時(shí)，Uy取70%UN的額定電壓（70%×57.7V），電壓比較電路輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)繼電器K1動(dòng)作，從而繼電器K1的3對(duì)常開(kāi)接點(diǎn)閉合，則10kV線路有壓。

①、②接點(diǎn)閉合引入到10kV線路保護(hù)的保護(hù)功能開(kāi)入模塊，作為“線路有壓”的開(kāi)入功能，如圖6所示。

圖6 線路保護(hù)裝置有壓開(kāi)入采集示意圖

③、④接點(diǎn)串聯(lián)10kV饋線開(kāi)關(guān)柜母線二次電壓UA，輸入至10kV饋線保護(hù)裝置的采樣模塊，作為采集線路電壓的方法，如圖7所示。

圖7 線路保護(hù)裝置UXL電壓采集示意圖

4）U電壓小于無(wú)壓值Uw時(shí)，Uw取30%UN的額定電壓（30%×57.7V），電壓比較電路不輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)繼電器K1不動(dòng)作，繼電器K1的3對(duì)常開(kāi)接點(diǎn)斷開(kāi)，10kV線路在充電的情況下，10kV線路無(wú)壓，t時(shí)間內(nèi)，無(wú)外部閉鎖重合閘開(kāi)入，此時(shí)，10kV線路保護(hù)進(jìn)行檢無(wú)壓重合閘。

圖8 10kV開(kāi)關(guān)柜線路電壓采集判斷裝置邏輯流程圖

本文提出的一種適用于10kV開(kāi)關(guān)柜的線路電壓采集判斷裝置及方法，實(shí)現(xiàn)當(dāng)線路有壓時(shí)，輸出電壓到保護(hù)裝置采樣板，同時(shí)，具備有壓接點(diǎn)閉合，實(shí)現(xiàn)有壓開(kāi)入到保護(hù)裝置的功能，作為判斷線路電壓狀態(tài)的依據(jù)，從而配合重合閘裝置實(shí)現(xiàn)檢無(wú)壓的功能，其邏輯流程如圖8所示。

3 技術(shù)效果及應(yīng)用效果

3.1 技術(shù)效果

• 1）實(shí)現(xiàn)了一種適用于10kV饋線開(kāi)關(guān)柜的線路電壓采集判斷裝置及方法。
• 2）實(shí)現(xiàn)了分布式電源接入的10kV線路，變電站10kV開(kāi)關(guān)柜跳閘之后，具有相關(guān)的檢測(cè)線路是否有電壓的裝置，來(lái)配合線路保護(hù)裝置“檢無(wú)壓”重合閘功能。
• 3）10kV線路保護(hù)裝置具備“有壓”開(kāi)入的功能，同時(shí)，采樣板具備接入線路電壓UXL的功能，可以實(shí)現(xiàn)“有壓”開(kāi)入的功能、也可以實(shí)現(xiàn)采集有壓接入線路電壓UXL的功能。
• 4）采集的10kV線路有壓，繼電器動(dòng)作接點(diǎn)閉合，開(kāi)入至10kV線路保護(hù)的開(kāi)入板，作為“線路有壓”的開(kāi)入功能。
• 5）采集的10kV線路有壓，繼電器動(dòng)作接點(diǎn)閉合，串聯(lián)10kV饋線開(kāi)關(guān)柜母線二次電壓UA，輸入至10kV饋線保護(hù)裝置的采樣模塊，作為采集線路電壓的方法。
• 6）采集的10kV線路有壓，繼電器動(dòng)作接點(diǎn)閉合，線路有壓帶電指示燈點(diǎn)亮。

綜上所述，一種適用于10kV開(kāi)關(guān)柜的線路電壓采集判斷裝置及方法，配合重合閘裝置實(shí)現(xiàn)檢無(wú)壓功能，能夠提高10kV開(kāi)關(guān)柜線路保護(hù)重合閘率，使電網(wǎng)供電更加可靠。

3.2 應(yīng)用效果

研制的一種適用于10kV開(kāi)關(guān)柜的線路電壓采集判斷裝置，如圖9所示，有以下3個(gè)方面的應(yīng)用效果。

圖9 線路電壓采集判斷裝置實(shí)物圖

1）增加線路重合閘的電壓依據(jù)

小型線路電壓采集判斷裝置能夠準(zhǔn)確采集線路電壓，從硬件方面彌補(bǔ)了站內(nèi)10kV饋線開(kāi)關(guān)柜無(wú)線路電壓抽取裝置的缺陷，為實(shí)現(xiàn)線路重合閘檢無(wú)壓或檢同期增加了電壓依據(jù)。

2）減少重合閘對(duì)電網(wǎng)的負(fù)效應(yīng)

線路能夠?qū)崿F(xiàn)重合閘檢無(wú)壓，能夠避免非同期合閘和重燃故障點(diǎn)電弧，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外還能避免與配網(wǎng)自動(dòng)化開(kāi)關(guān)的失配問(wèn)題，增加配網(wǎng)自動(dòng)化開(kāi)關(guān)故障定位的成功率。

3）提高供電可靠性

由于線路重合閘具備檢無(wú)壓或檢同期功能，合理的與重合閘相結(jié)合的孤島模式能夠提高原配電網(wǎng)的供電可靠性，在保障用戶(hù)不停電的情況下為安排停電檢修提供備選方案，但是對(duì)DG的快速起動(dòng)能力和快速帶負(fù)荷能力要求很高，運(yùn)行方式也相對(duì)復(fù)雜。

4 結(jié)論

本文開(kāi)頭分析了分布式小水電對(duì)10kV饋線保護(hù)線路重合閘的影響，可能產(chǎn)生非同期重合閘和故障點(diǎn)電弧重燃的潛在威脅，增加與配網(wǎng)自動(dòng)化開(kāi)關(guān)配合難度。為避免DG的接入給重合閘帶來(lái)的不利影響，不論線路出現(xiàn)何種形式的故障，均應(yīng)快速切除DG。

本文針對(duì)性地提出一種適用于10kV開(kāi)關(guān)柜的線路電壓采集判斷裝置及方法，為重合閘檢無(wú)壓提供了電壓依據(jù)，減少重合閘對(duì)電網(wǎng)的負(fù)效應(yīng)，滿(mǎn)足了山區(qū)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行的需要，保證了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及供電可靠性。