分布式發(fā)電（distributed generation, DG）通常指光伏發(fā)電、風能發(fā)電、燃料電池發(fā)電、小水電發(fā)電等相對分散的發(fā)電方式，是滿足社會對能源的需求量和穩(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，有其自身的優(yōu)勢，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)配合帶來較大的影響。

現(xiàn)有變電站10kV饋線開關(guān)柜無線路電壓抽取裝置，重合閘無法實現(xiàn)檢無壓或檢同期功能，直接重合將對分布式發(fā)電的發(fā)電機組造成較大的沖擊；同時，由于分布電源的作用故障點并沒有消除，斷路器重合可能引起故障電流躍變，造成故障點電弧重燃，擴大故障范圍。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立的電壓互感器開關(guān)柜，因此無法適用于10kV饋線開關(guān)柜。

本文以小水電站混供線路為例，通過研究一種適用于10kV開關(guān)柜的線路電壓采集判斷裝置，旨在為配網(wǎng)線路重合閘檢無壓功能提供電壓依據(jù)，配合線路保護重合閘，實現(xiàn)快速復電，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10kV線路上網(wǎng)，且大部分T接于10kV饋線，已經(jīng)形成遠距離水電逐級匯集，通過集中升壓，實現(xiàn)大功率遠距離外送的發(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功的支持，使得沿饋線上各個負荷節(jié)點處電壓被抬高（UA＜UB＜UC )。

圖1 小水電并網(wǎng)系統(tǒng)簡化模型

配電架空線路超過80%的短路故障是瞬時性故障。當線路發(fā)生故障，斷路器因保護裝置動作而跳閘，經(jīng)短延時后重合閘動作，恢復線路正常供電。在單電源供電的配電網(wǎng)系統(tǒng)中，瞬時性短路故障電弧可自行熄滅，短路點處的絕緣可自動恢復，采用重合閘方式恢復線路供電，不會對配電系統(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，重合閘動作后仍然檢測到故障電流，保護裝置再次動作，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)

當線路保護動作跳閘后，如果分布式發(fā)電未能及時解列，此時重合閘動作可能產(chǎn)生非同期重合閘和故障點電弧重燃的潛在威脅，增加與配網(wǎng)自動化開關(guān)配合難度，造成重合閘不成功。

1）導致非同期重合閘

如圖2所示，若F1處為瞬時性故障，并且在K1的保護范圍內(nèi)，則K1保護動作斷開后，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。

如果此時重合閘動作，將導致非同期合閘，此時保護裝置將檢測到?jīng)_擊電流，K1保護可能后加速動作，閉鎖重合閘不再重合。當DG容量較大時，非同期合閘產(chǎn)生的沖擊電流可能超過發(fā)電機組允許的最大沖擊電流，甚至燒壞發(fā)電機組。

2）導致故障點電弧重燃

配電網(wǎng)線路成功重合的必要條件是故障點電弧完全熄滅。若F1處為永久性的故障，K1保護動作斷開后，未解列的DG仍向故障點處供電，故障點處電弧未熄滅。此時饋線保護若重合閘動作，由于電網(wǎng)電源的影響，使得故障點電流躍變，引起故障點電弧重燃，電弧長時間燃燒，導致絕緣擊穿，進一步擴大事故，影響停電范圍。

3）導致重合閘不成功

接入DG的配電網(wǎng)線路，無論線路發(fā)生何種形式的故障，如果DG未能快速切除，重合閘動作可能產(chǎn)生非同期重合閘和故障點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?，影響用戶的生產(chǎn)、生活需求，造成較大的經(jīng)濟損失；另一方面DG形成的孤島只能夠滿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，影響電壓質(zhì)量。

綜上所述，無論線路出現(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)生故障時能夠及時切除DG；另一方面是依靠線路保護重合閘檢無壓或檢同期功能，避免非同期合閘。

但現(xiàn)實情況是，安裝在DG的低周低壓解列裝置存在被人為拆除的可能，無法確保低周低壓解列裝置在故障發(fā)生時能夠及時動作。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)線路保護裝置能夠?qū)崿F(xiàn)重合閘檢無壓或檢同期功能，那么就能夠避免非同期合閘及故障點電弧重燃，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。針對分布式電源接入的10kV線路開關(guān)跳閘之后，缺少相關(guān)的檢測線路是否有電壓的裝置。因此，實現(xiàn)重合閘檢無壓或檢同期功能的關(guān)鍵點在于如何提供重合閘檢無壓或檢同期的電壓依據(jù)。

針對當前的線路保護裝置具備“檢無壓”重合閘功能；同時，10kV線路保護裝置具備“有壓”開入的功能，也具備接入線路電壓UXL的功能，但是沒有相關(guān)的電壓采集判斷裝置，從而影響10kV開關(guān)柜線路保護重合閘。

針對上述情況，本文提供一種適用于10kV開關(guān)柜的線路電壓采集判斷裝置及方法，主要實施步驟是采用電阻分壓后的電壓輸入到信號處理裝置，然后經(jīng)整流電路驅(qū)動光耦、再經(jīng)過電壓比較后驅(qū)動繼電器輸出，實現(xiàn)對線路電壓的采集判斷的功能，從而實現(xiàn)10kV線路電壓的輸出電壓或有壓接點閉合開入到保護裝置。

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

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10kV系統(tǒng)電壓正常時，相電壓經(jīng)電阻分壓。如圖3所示為電阻分壓信號處理電路，其中Rf、Rb為壓敏分壓電阻，分別保護分壓電路和繼電器不受過電壓損壞。輸出的電壓U1輸入至電阻分壓信號處理，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)動繼電器輸出有壓/無壓信號。根據(jù)信號處理電路的電壓輸入范圍，電阻分壓Rf/Rb設(shè)計比值為m。

由于信號處理單元、繼電器驅(qū)動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，可以長期運行，又使相對地絕緣電阻足夠大、相對地電流足夠小，不影響系統(tǒng)狀態(tài)。

圖3 電阻分壓信號處理電路

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)動電路的工作電源。

采集模塊將輸入模擬量電壓值進行信號處理，將干擾量、多次諧波去除，然后將電壓輸入到放大模塊中，通過兩級放大電路進行電壓放大，第一次運算放大器和第二次運算放大器均采用運算放大器芯片實現(xiàn)，將兩級運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，并輸入到微機處理器。

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)字量輸入到微機處理器，微機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)動電路

繼電器驅(qū)動電壓采用外部接入的220VDC/AC電源，與一個特定電壓信號進行比較。分壓電壓較大時，輸出的信號驅(qū)動繼電器動作，繼電器輸出引腳閉合，發(fā)出有壓信號；當線路電壓降到某一值以下時，相電壓經(jīng)電阻分壓后將小于比較電壓，輸出信號令繼電器線圈失電，繼電器的輸出引腳斷開，發(fā)出無壓信號。

在標稱電壓為10kV系統(tǒng)中，正常時刻的線路單相電壓為6kV。當線路相電壓高于某固定值時，通過電阻分壓后繼電器得到較高的電壓，該電壓可以驅(qū)動繼電器動作，使其輸出引腳閉合。當線路電壓低于某固定值時，通過電阻分壓后繼電器得到較低的電壓，此時電壓不足以驅(qū)動繼電器動作，其輸出引腳斷開。

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

圖5 繼電器驅(qū)動電路示意圖

一種適用于10kV開關(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行信號處理，將干擾量去除，處理后輸入放大模塊，經(jīng)過兩級放大電路后輸入到A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，通過A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后輸入到微機處理器，微處理器進行邏輯判斷。

當采集電壓超過微機處理模塊整定定值USET，經(jīng)過一定的延時后觸發(fā)繼電器K1，繼電器K1動作，常開的3對接點①、②，③、④，⑤、⑥均閉合，其中①、②接點閉合輸入至10kV饋線保護裝置的保護功能開入模塊，作為“線路有壓”的開入功能；③、④接點串聯(lián)10kV饋線開關(guān)柜母線二次電壓UA，輸入至10kV饋線保護裝置的采樣模塊，作為采集線路電壓的方法；⑤、⑥接點閉合，線路有壓帶電指示燈點亮。復位按鈕S動作，觸發(fā)繼電器K2，裝置復位信號告警與繼電器K1，裝置恢復正常工作狀態(tài)。

同時，具備自動復位功能，復位模塊是通過復位繼電器、有壓指示燈復位單元、電源及相關(guān)保護電阻組成，如圖5所示。進一步說明圖5繼電器驅(qū)動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為復歸按鈕。

綜上所述，本文提供的一種適用于10kV開關(guān)柜的線路電壓采集判斷裝置及方法的實施步驟為，電阻分壓后的電壓輸入到信號處理裝置后，經(jīng)整流電路驅(qū)動光耦、再經(jīng)過電壓比較后驅(qū)動繼電器輸出，實現(xiàn)對線路電壓的采集判斷的功能，從而實現(xiàn)10kV線路電壓的輸出電壓或有壓接點閉合開入到保護 裝置。

2.4 保護裝置重合閘配合的方法

具體實施步驟：

1）10kV高壓線路通過一種電阻分壓電路，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行信號處理，將干擾量去除，再經(jīng)過兩級放大電路后輸入到A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后輸入到微機處理器，微機處理器進行邏輯判斷，當采集電壓超過微機處理模塊整定定值USET，經(jīng)過一定的延時后觸發(fā)繼電器K1，繼電器K1動作，10kV線路有壓。

3）線路電壓輸入U1經(jīng)過電壓比較電路輸入到微機處理模塊，轉(zhuǎn)換為電壓值U，當U大于等于有壓值Uy時，Uy取70%UN的額定電壓（70%×57.7V），電壓比較電路輸出信號，驅(qū)動繼電器K1動作，從而繼電器K1的3對常開接點閉合，則10kV線路有壓。

①、②接點閉合引入到10kV線路保護的保護功能開入模塊，作為“線路有壓”的開入功能，如圖6所示。

圖6 線路保護裝置有壓開入采集示意圖

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

圖7 線路保護裝置UXL電壓采集示意圖

4）U電壓小于無壓值Uw時，Uw取30%UN的額定電壓（30%×57.7V），電壓比較電路不輸出信號，驅(qū)動繼電器K1不動作，繼電器K1的3對常開接點斷開，10kV線路在充電的情況下，10kV線路無壓，t時間內(nèi)，無外部閉鎖重合閘開入，此時，10kV線路保護進行檢無壓重合閘。

圖8 10kV開關(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開關(guān)柜的線路電壓采集判斷裝置及方法，實現(xiàn)當線路有壓時，輸出電壓到保護裝置采樣板，同時，具備有壓接點閉合，實現(xiàn)有壓開入到保護裝置的功能，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現(xiàn)檢無壓的功能，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）實現(xiàn)了一種適用于10kV饋線開關(guān)柜的線路電壓采集判斷裝置及方法。
• 2）實現(xiàn)了分布式電源接入的10kV線路，變電站10kV開關(guān)柜跳閘之后，具有相關(guān)的檢測線路是否有電壓的裝置，來配合線路保護裝置“檢無壓”重合閘功能。
• 3）10kV線路保護裝置具備“有壓”開入的功能，同時，采樣板具備接入線路電壓UXL的功能，可以實現(xiàn)“有壓”開入的功能、也可以實現(xiàn)采集有壓接入線路電壓UXL的功能。
• 4）采集的10kV線路有壓，繼電器動作接點閉合，開入至10kV線路保護的開入板，作為“線路有壓”的開入功能。
• 5）采集的10kV線路有壓，繼電器動作接點閉合，串聯(lián)10kV饋線開關(guān)柜母線二次電壓UA，輸入至10kV饋線保護裝置的采樣模塊，作為采集線路電壓的方法。
• 6）采集的10kV線路有壓，繼電器動作接點閉合，線路有壓帶電指示燈點亮。

綜上所述，一種適用于10kV開關(guān)柜的線路電壓采集判斷裝置及方法，配合重合閘裝置實現(xiàn)檢無壓功能，能夠提高10kV開關(guān)柜線路保護重合閘率，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開關(guān)柜的線路電壓采集判斷裝置，如圖9所示，有以下3個方面的應(yīng)用效果。

圖9 線路電壓采集判斷裝置實物圖

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確采集線路電壓，從硬件方面彌補了站內(nèi)10kV饋線開關(guān)柜無線路電壓抽取裝置的缺陷，為實現(xiàn)線路重合閘檢無壓或檢同期增加了電壓依據(jù)。

2）減少重合閘對電網(wǎng)的負效應(yīng)

線路能夠?qū)崿F(xiàn)重合閘檢無壓，能夠避免非同期合閘和重燃故障點電弧，減少對電網(wǎng)的沖擊，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外還能避免與配網(wǎng)自動化開關(guān)的失配問題，增加配網(wǎng)自動化開關(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，在保障用戶不停電的情況下為安排停電檢修提供備選方案，但是對DG的快速起動能力和快速帶負荷能力要求很高，運行方式也相對復雜。

4 結(jié)論

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

本文針對性地提出一種適用于10kV開關(guān)柜的線路電壓采集判斷裝置及方法，為重合閘檢無壓提供了電壓依據(jù)，減少重合閘對電網(wǎng)的負效應(yīng)，滿足了山區(qū)電網(wǎng)實際運行的需要，保證了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行以及供電可靠性。