源网荷用户400 V紧急切负荷控制的实现

陆玉军，李 澄，王 宁，陈 颢，葛永高

（江苏方天电力技术有限公司，南京 211102）

源网荷用户400 V紧急切负荷控制的实现

陆玉军，李 澄，王 宁，陈 颢，葛永高

（江苏方天电力技术有限公司，南京 211102）

目前源网荷用户的可切负荷集中在10 kV以上，在紧急切除用户中压侧负荷的同时也把很多重要的低压400 V负荷切除了，对用户生产仍造成了一些不利的影响。为此，根据现场400 V负荷设备的采集控制要求，提出了符合现场用户特点的设备改造负荷接入方案。针对400 V负荷精细化采集和快速控制的需求，兼顾工程实施的可行性和经济性，设计开发了一种基于GOOSE通讯的网荷子单元的400 V负荷快切方案，并完成了现场用户试点实施。根据应用效果，对网荷子单元进行了改进，使400 V负荷的切除延时减少到最小，满足了切负荷的快速性要求。

紧急切负荷；源网荷；电力用户；负荷控制

源网荷紧急切负荷系统是针对特高压电网故障时受端电网频率稳定出现异常的一个负荷快速控制、保证系统频率稳定的手段，在系统频率降低时，要求数百毫秒内完成负荷的快速切除，亦称毫秒级切负荷[1-5]。首期建设在苏州地区实施了700户毫秒级快速切负荷，实现了100万kW可切负荷的目标。这些被快速切除的负荷大多集中于用户厂区内的35 kV/20 kV/10 kV电压等级，在这些接入的可切负荷线路下仍带了多个低压负荷，由于无法彻底细分，快切时也一并被切除了。对有些用户，这部分被切除的低压负荷，仍是相对重要的生产负荷，由此导致的生产中断或工艺次品仍会对用户造成一定的损失或不利影响[6-7]。

如果对用户400 V负荷直接控制，可以减少当前这种直接快速切除中压侧负荷造成的不利影响，但用户400 V负荷数量众多且分散分布于厂区内，实现这些支路的负荷精细化采集和快速切除控制难度很大。通过负荷调研发现，用户厂区内低压负荷由配电房内400 V支路供电，这些支路安装相对集中，实现这些支路负荷采集与控制基本是可行的[8-11]。因此，提出了以用户已安装的快速切负荷终端为中心，通过其与子单元通信，实现低压负荷分散采集与控制的方案，可有效地解决用户400 V负荷快速精细化控制。

1 400 V负荷设备及采集控制要求

专用变压器（以下简称专变）用户都配有专用的电房，根据生产规模、用电容量、电压等级主要分为总降变电所用户和配电房用户，前者有1个（或多个）变电所和若干个配电房，400 V负荷数量相对较多；后者仅有1个配电房，400 V负荷数量相对较少。这2类用户的400 V负荷线路都集中于配电房内。

1.1 400 V负荷设备类型

400 V负荷线路的开关设备安装于配电房的低压开关柜内，现场在用的开关设备有抽屉柜式和固定柜式2种。

抽屉柜式：低压小电流支路采用，每面柜由3～10个抽屉组成，每个支路占用1个抽屉，抽屉内采用塑壳空气开关，支路一般不带电动操作机构，多数配1个B相TA（电流互感器）用于运行监视、无开关位置辅助接点，不经改造无法实现远程控制。

固定柜式：400 V主变压器（以下简称主变）低压总开关支路，或少数容量达到250 kVA（或额定电流达400 A）以上的支路采用，配备框架式低压万能开关，与此对应的是支路TA配置完整、开关位置有辅助触点，部分支路甚至还配有智能仪表，实现远程监视控制方便。

1.2 400 V负荷采集控制

低压负荷电压等级低、负荷电流小，支路负荷功率相对较小；抽屉柜安装并采用塑壳空气开关的用户400 V负荷线路基本不能满足远程监视及控制需要，需要进行负荷采集和控制改造。

数据采集方面：需为改造的支路配备三相完整的TA（或AC相TA），确保可通过TA实现负荷功率采集。负荷接入可采用电缆或用智能仪表采集，后者是在抽屉柜内配备1只智能仪表，将TA二次输出和电压接入智能仪表，然后通过其采集后，经串口通信上传数据。

开关改造方面，可通过2种方式实现远程控制：一是为塑壳开关配置相应的电动操作机构，此类机构是开关厂家提供的同类型设备配套附件，需要针对不同厂家、不同型号规格的开关定制；二是为塑壳开关配备MX（分励脱扣器），分励脱扣是目前实行塑壳开关远程跳闸控制的一个简单实现方式，需在塑壳开关内安装一个脱扣配件。

2 400 V负荷采集控制方案

2.1 网荷终端

网荷终端是在大型用户专变终端基础上开发的新型用户终端，安装于用户变电所或配电房。终端支持用户8～12路负荷出线电流和多段电压接入，实现用户可切负荷实时采集监测；终端同时具有丰富的通信接口，支持与主站实时通信上传用户实时负荷和精准可切负荷；终端不仅具备常规的负荷管理功能，同时可接受主站的切负荷指令，支持实现电网应急响应控制要求的毫秒级紧急负荷控制和秒级快速负荷控制[6-7]。网荷终端板件结构如图1所示。

图1 网荷终端板件结构

安装在变电所控制室或配电房开关室的网荷终端，一般通过电缆接入负荷线路的电压、电流和开关位置信息，输出控制开关。安装于变电所的终端接入的负荷线路都是6 kV以上电压等级的负荷，而安装于配电房的终端可以接入少部分400 V低压负荷。

考虑快速负荷控制的要求，一般不采用与用户监控系统通信的方式采集负荷数据和实现分路开关控制，因为此方式有较大的通信延迟，不同监控系统通信规约不统一、难以实现标准化。

2.2 400 V负荷采集控制方案

对于配电房内安装的网荷终端，400 V负荷线路与终端在同一配电房内，物理距离不过百米，采用电缆将400 V负荷接入仍是可行的。但对于变电所安装的网荷终端而言，与配电房间的物理距离在数百米或上千米，此时采用电缆控制主要存在以下问题：现场施工量大、接线复杂；控制电缆过长导致采集的电流存在一定的偏差影响功率采集的精确性；控制开关跳闸的电缆过长也会导致开关控制失效，甚至引起开关误动。

对于变电所安装的网荷终端，与400 V负荷距离远，可考虑采用多终端的光纤通信方案，但该方案需要为每个实现400 V负荷控制的配电房增加1台终端，同时还要求配电房有相应的安装空间，需完成终端程序的升级等工作，实现的难度较大，且难以实现标准化。

鉴于上述问题，考虑在用户的每个配电房内增加1个网荷子单元，配电房内的每个受控400 V支路增加1个智能仪表。网荷子单元与智能仪表通信，采集数据后通过网荷子单元上传给终端，终端的跳闸命令通过网荷子单元下发至智能仪表，实现400 V负荷采集与控制。方案如图2所示。

图2 网荷子单元方案

该方案适用于上述变电所和配电房2种类型用户，网荷子单元由于体积小，无需额外安装空间，可实现终端通信的标准化和采集数据及命令快速传输。利用GOOSE（面向通用对象的变电站事件）通信实现报文的快速传输，其订阅发布机制、高效的数据传输、功能分布化的特征，可以实现若干条400 V负荷的采集和控制，同时还可实现网荷终端与任意个网荷子单元之间的通信连接和标准化配置。

该方案的核心是开发网荷子单元使其同时支持GOOSE通信及RS485通信，同时实现终端程序支持GOOSE通信，方案灵活可扩展，接入的负荷线路不受限制，适用于各种用户现场，涉及的施工安装工作量、通信调试和成本都较小。如果接入的用户负荷线路已具备智能仪表，现场施工工作量可进一步减少。

2.3 网荷子单元设计

GOOSE是IEC 61850标准中定义的快速报文服务，以高速P2P通信为基础，建立在网络化通信基础上的发布端到订阅端的机制，定义了非常严格的时间指标，保证了通信传输的实时性能，而具有的重发和检查机制确保了P2P通信的可靠性[12-13]。

网荷子单元作为负荷采集的通信设备，主要承担终端的负荷精细化控制的扩展功能，要求其具有快速的通信机制和适应现场要求的标准通信和配置，因此选择GOOSE服务作为与终端间的通信服务。网荷子单元与智能仪表通信采集400 V负荷线路的功率后，通过GOOSE将400 V负荷的采集数据上传到网荷终端；接收终端的GOOSE低压负荷线路控制命令，再以RS485通信传到智能仪表，实现开关设备的跳闸控制。

网荷子单元结构如图3所示。

图3 网荷子单元结构与模块

图3左侧为硬件板件框图，由1块ARM芯片（自带1ETH、2串口外设）和相关的电源及辅助电路组成，为适应光纤通信，子单元配单模或多模光纤接口，结构简洁，为了减少串口通信发送开出控制报文的延时，预留开出控制接口。

图3右侧为子单元程序结构，由以下模块组成：GOOSE通信：由接收和发送2个独立的任务构成；串口通信：每个串口作为1个独立的任务，有2个串口任务；配置管理：主要实现串口配置、网络地址及GOOSE订阅发布配置；数据缓存：实现串口采集数的暂存或GOOSE接收跳闸指令的存储。为保证GOOSE跳闸命令能得到快速处理，GOOSE接收任务优先级最高，优先响应处理，同时在有跳闸命令待出口时，串口中止当前的数据召测，立即执行输出控制。

网荷子单元采用GOOSE通信，可以与任一支持GOOSE通信的厂家终端设备通信，同时控制的400 V负荷支路的数量可多达十多条，具有较强的适应性和控制灵活性。

3 400 V切负荷实现与改进

根据前述方案，开发了一种基于GOOSE规约通信的专用网荷子单元，与终端间采用GOOSE通信，与现场智能仪表间采用串口通信。采用GOOSE规约通信可极大地减少网荷子单元通信处理的延时，400 V负荷的控制延时基本由串口通信延时决定。GOOSE报文可在终端发出开关跳闸命令后立即传输，使跳闸命令的传输整体延迟达到最小，保证了命令传输的快速性[13-15]。

3.1 400 V切负荷实施

在苏州地区挑选了2个典型用户，利用网荷子单元实施了400 V负荷快速控制改造。

3.1.1 某10 kV配电房用户

用户实现400 V负荷快切的支路有4条，且都已配有智能仪表。通过升级终端程序，增加1个网荷子单元（装于终端屏内），建立与各智能仪表和终端通信，最终实现400 V负荷数据采集和开关控制。

现场采用该方案的优势是仅通过增加1个网荷子单元就实现了多个400 V负荷的控制，充分利用了用户的设备，同时也减少了很多现场的电缆施工和回路调试工作量。

3.1.2 某35 kV变电所用户

该用户有4条可切400 V负荷位于独立的配电房内，与终端距离超过800 m。通过在用户厂区内敷设光缆，升级终端程序，在配电房内增加1个网荷子单元和4个智能仪表，建立网荷子单元与智能仪表、终端间通信，最终实现400 V负荷的数据采集和开关控制。

现场采用该方案的优势是增加了1个网荷子单元和4个智能仪表，相应增加了智能仪表的安装和内部配线等现场工作，省去了在用户厂区内变电所与配电房间的大量电缆施工，以及用户配电房内大量电缆的施工工作量，同时以后扩接负荷也较容易。

3.2 快速切负荷控制改进

3.2.1 前述方案的不足

前述方案虽已在用户进行了试点实施，但在快速切负荷方面，仍存在一定的不足。

串口通信延迟大：智能仪表只支持串口RS485半双工通信，采用波特率为9 600 bit/s通信时，报文的传输处理延迟约80～150 ms，当一个网荷子单元带有4个以上的智能仪表时，会产生数百毫秒的切负荷延迟，难以满足毫秒级快速切负荷的时限要求。

部分智能仪表不带开出：为实现开关控制，智能仪表均需要带开出接口，从现场用户设备看，部分用户安装的智能仪表不带开出接口，无法通过其实现对开关的控制。

3.2.2 子单元直接跳闸方案

鉴于前述方案在快速切负荷方面仍难以满足现有的切负荷系统严苛的时限要求，且网荷子单元与智能仪表间安装在同一个配电房内，两者之间距离不过100 m，将现场的网荷子单元设计进行改进，增加网荷子单元开出接口8路，如图4所示。通过电缆将其开出接入每个400 V负荷支路的开关跳闸回路中，实现网荷子单元的直接跳闸控制。

改进后方案如图4所示，由于负荷在数百毫秒内变化不明显，负荷线路功率采用串口采集负荷数据对实时功率影响不大。开关控制则是当接收到终端发出的跳闸命令报文后，由子单元直接输出控制开关跳闸。因此，整个控制环节的延时由GOOSE通信的延迟机制决定，其输出延迟非常小，经现场实测验证，开发的网荷子单元的控制延迟不超过20 ms（包括报文的发送、接收、处理、输出）。采用此改进方案可确保400 V负荷快速控制的实现，同时现场的施工工作量增加不多。

图4 网荷子单元跳闸方案

4 结语

针对现场实现400 V负荷快速控制的需要，结合已安装于用户的网荷终端，提出了适应400 V用户负荷快速控制的实现方案。利用GOOSE的快速通信机制，现场试点实现了网荷子单元的控制方案，并针对串口通信的延时问题，提出了一种改进跳闸出口的方案，该方案具有延时小、动作快的特点，可满足现场所有用户400 V负荷快速控制的要求，具有较好的实用性和经济性。

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2017-06-02

陆玉军（1972），男，高级工程师，从事电力自动化二次系统相关的研究开发与应用工作。

（本文编辑：张 彩）

Control Realization of Emergency Load Shedding of 400 V for Source-Network-Load Users

LU Yujun， LICheng， WANG Ning， CHEN Hao， GE Yonggao
（Jiangsu Frontier Electric Power Technology Co.， Ltd.， Nanjing 211102， China）

At present loads that can be shed for source-network-load users are generally of 10 kV or above.During emergency load shedding at medium voltage side，many important loads of 400 V are injected in the meantime，which brings adverse effect on production of users.According to the requirements on acquisition and control of field equipment with load of 400 V，the paper proposes a load access scheme for equipment transformation that fits field users.According to the needs of refined acquisition and fast control over loads of 400 V and giving attention to the construction feasibility and economy of the project，a fast shedding scheme for 400 V loads of network load subunit based on GOOSE communication is developed and trial implementation in field users is completed.On the basis of application effect，the network load subunit is improved to minimize shedding time delay of the load of 400 V to meet the requirement of fast load shedding.

emergency load shedding； source-grid-load； power user； load control

10.19585/j.zjdl.201710013

1007-1881（2017）10-0063-05

TM732

B