電力系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)控制技術(shù)研究

李本瑜，翟海燕，趙 明，石恒初，游 昊，方 毅，羅 吉，沈 雨

(云南電力調(diào)度控制中心，云南 昆明 650011)

電力系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)控制技術(shù)研究

李本瑜，翟海燕，趙 明，石恒初，游 昊，方 毅，羅 吉，沈 雨

(云南電力調(diào)度控制中心，云南 昆明 650011)

電力系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性直接影響到繼電保護(hù)定值的靈敏性和選擇性，是繼電保護(hù)安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。電力系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)主要由輸電線(xiàn)路和中性點(diǎn)直接接地的變壓器兩類(lèi)設(shè)備構(gòu)成。研究提出了綜合運(yùn)用輸電線(xiàn)路的自動(dòng)重合閘技術(shù)和變壓器中性點(diǎn)接地刀閘的自動(dòng)切換控制技術(shù)，可以確保設(shè)備跳閘后以最快的速度恢復(fù)電力系統(tǒng)的零序網(wǎng)絡(luò)，是電力系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)控制技術(shù)。分析總結(jié)了輸電線(xiàn)路的自動(dòng)重合閘技術(shù)，研究開(kāi)發(fā)了變壓器中性點(diǎn)接地刀閘的自動(dòng)切換控制裝置，其性能已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中得到檢驗(yàn)和驗(yàn)證，具備推廣應(yīng)用的條件。

繼電保護(hù)；零序網(wǎng)絡(luò)；最優(yōu)控制；自動(dòng)重合閘；變壓器中性點(diǎn)刀閘；自動(dòng)切換

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，我國(guó)電網(wǎng)在超(特)高壓、大容量、遠(yuǎn)距離、交直流混聯(lián)等復(fù)雜大電網(wǎng)的特征日益凸顯，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，各種相繼、連鎖故障等復(fù)雜電網(wǎng)事故頻發(fā)，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行控制也提出了更嚴(yán)更高的要求。

繼電保護(hù)作為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的“第一道防線(xiàn)”，是防范電網(wǎng)事故擴(kuò)大、失穩(wěn)和大面積停電事故的首要保障措施，因此，要求電網(wǎng)發(fā)生各種異常和事故期間，繼電保護(hù)裝置均能夠安全可靠動(dòng)作。電力系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性直接影響到繼電保護(hù)定值的靈敏性和選擇性，按繼電保護(hù)整定規(guī)程的規(guī)定，繼電保護(hù)定值僅考慮設(shè)備 N-1 檢修的常見(jiàn)運(yùn)行方式，因此，除正常的 N-1 檢修方式外，在其余故障跳閘的情況下，要求跳閘設(shè)備盡可能快速地恢復(fù)運(yùn)行，進(jìn)而保證零序網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和繼電保護(hù)運(yùn)行的可靠性。

長(zhǎng)期以來(lái)，繼電保護(hù)專(zhuān)業(yè)人員在開(kāi)展零序保護(hù)的整定計(jì)算時(shí)，主要精力集中在分析計(jì)算常見(jiàn)運(yùn)行方式下零序網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)變化對(duì)保護(hù)定值的影響方面，對(duì)電網(wǎng)設(shè)備跳閘引起零序網(wǎng)絡(luò)突變的動(dòng)態(tài)過(guò)程，以及如何將突變的零序網(wǎng)絡(luò)快速恢復(fù)至跳閘前狀態(tài)的研究還不夠深入。縱觀歷年的電網(wǎng)事故事件，不難發(fā)現(xiàn)由于設(shè)備跳閘特別是變壓器跳閘后引起零序網(wǎng)絡(luò)突變，在尚未來(lái)得及切換變壓器中性點(diǎn)接地刀閘期間又有設(shè)備相繼發(fā)生故障時(shí)，由于繼電保護(hù)定值的不適應(yīng)進(jìn)而造成事故范圍擴(kuò)大的事故時(shí)有發(fā)生，因此，研究電力系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的控制技術(shù)具有非常重要的意義。

1 零序網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性對(duì)繼電保護(hù)的影響分析

零序分量是電力系統(tǒng)發(fā)生故障的重要特征之一，因此，由零序分量構(gòu)成的保護(hù)原理一直是 110 kV及以上大電流接地系統(tǒng)中非常重要的保護(hù)原理，如零序方向過(guò)流保護(hù)、縱聯(lián)零序方向保護(hù)、縱聯(lián)零序差動(dòng)保護(hù)等。由于零序電流電壓的大小與零序網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)，因此，零序網(wǎng)絡(luò)是否穩(wěn)定，將直接影響到零序保護(hù)功能的正常發(fā)揮[1-8]。

在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示的系統(tǒng)中，S1、S2、S3三個(gè)廠站分別有兩臺(tái)變壓器運(yùn)行，正常運(yùn)行方式下每個(gè)廠站均按一臺(tái)變壓器的中性點(diǎn)直接接地、另一臺(tái)變壓器的中性點(diǎn)經(jīng)間隙接地的方式考慮，當(dāng)接地運(yùn)行的變壓器停運(yùn)時(shí)，將另外一臺(tái)變壓器的中性點(diǎn)接地刀閘合上，從而達(dá)到零序網(wǎng)絡(luò)基本穩(wěn)定的要求。因此，在開(kāi)展繼電保護(hù)整定計(jì)算時(shí)，均不考慮各廠站變壓器零序阻抗隨運(yùn)行方式的變化，圖2為圖1所示系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的零序網(wǎng)絡(luò)圖。

圖1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of electrical power network

圖2 零序網(wǎng)絡(luò)圖Fig. 2 Zero sequence network diagram

在圖1所示的系統(tǒng)運(yùn)行期間，假設(shè) S2站中性點(diǎn)直接接地的 B21 變壓器跳閘后，沒(méi)有及時(shí)將 S2站 B22變壓器的中性點(diǎn)接地刀閘合上，則在圖2所示零序網(wǎng)絡(luò)中 S2 站 N 母線(xiàn)的變壓器零序阻抗 ZB210變?yōu)闊o(wú)窮大，帶來(lái)的影響是 S2站 N 母線(xiàn)兩回出線(xiàn)L1和 L2對(duì)應(yīng)的 BK2和BK3保護(hù)裝置的零序方向過(guò)流保護(hù)定值靈敏度降低，BK2和 BK3保護(hù)裝置存在拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，而 S1站 L1出線(xiàn)對(duì)應(yīng)的 BK1和S3 站 L2 出線(xiàn)對(duì)應(yīng)的 BK4 保護(hù)裝置的零序方向過(guò)流保護(hù)定值靈敏度增大，BK1和 BK4保護(hù)裝置存在區(qū)外故障越級(jí)跳閘的風(fēng)險(xiǎn)。另外，S1 站 L1 出線(xiàn)對(duì)應(yīng)的 BK1 保護(hù)裝置與 S2 站 L2 出線(xiàn)對(duì)應(yīng)的BK3 保護(hù)裝置的定值間存在相互配合，S3 站 L2出線(xiàn)對(duì)應(yīng)的 BK4保護(hù)裝置與 S2站 L1出線(xiàn)對(duì)應(yīng)的BK2 保護(hù)裝置的定值間也存在相互配合，由于繼電保護(hù)整定計(jì)算時(shí)不考慮S2站N母線(xiàn)變壓器零序阻抗的變化，在計(jì)算相鄰線(xiàn)路 L1 和 L2 兩側(cè)的BK1~BK4 保護(hù)裝置間相互配合的零序方向過(guò)流保護(hù)定值的最大分支系數(shù)時(shí)自然也不會(huì)考慮這種運(yùn)行方式，導(dǎo)致上述運(yùn)行方式下保護(hù)定值間存在失配的問(wèn)題。S2 站中性點(diǎn)直接接地的 B21 變壓器跳閘后，必須盡快將 S2 站 B22 變壓器的中性點(diǎn)接地刀閘合上，方可避免出現(xiàn)上述保護(hù)定值的靈敏性和選擇性問(wèn)題。另外，如果線(xiàn)路 L1或 L2跳閘，對(duì)相鄰設(shè)備零序保護(hù)的影響和上述分析的中性點(diǎn)直接接地變壓器跳閘后的影響類(lèi)似，均將對(duì)保護(hù)定值的靈敏性和選擇性造成影響，特別是線(xiàn)路 N-1 檢修方式下，運(yùn)行線(xiàn)路再發(fā)生跳閘時(shí)，將超出繼電保護(hù)定值的適應(yīng)范圍。

圖3 電氣主接線(xiàn)圖Fig. 3 Electrical main wiring diagram

在如圖3 所示的 220 kV 變電站中，#1B 中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行，#2B 中性點(diǎn)經(jīng)間隙接地運(yùn)行，若#1B跳閘后沒(méi)有快速將#2B 的中性點(diǎn)接地刀閘合上，則該變電站的 110 kV 系統(tǒng)將變?yōu)椴唤拥叵到y(tǒng)，此間若110 kV 出線(xiàn)或母線(xiàn)再發(fā)生單相接地故障，110 kV 線(xiàn)路保護(hù)或母線(xiàn)保護(hù)均不能動(dòng)作，只能由#2B 的間隙零序過(guò)壓或間隙零序過(guò)流保護(hù)動(dòng)作隔離故障，最終將導(dǎo)致該變電站的 110 kV 和 35 kV 母線(xiàn)全部失壓事故，后果極其嚴(yán)重。若#1B 跳閘后能夠快速將#2B的中性點(diǎn)接地刀閘合上，則 110 kV 出線(xiàn)或母線(xiàn)再發(fā)生單相接地故障時(shí)，110 kV 線(xiàn)路保護(hù)或母線(xiàn)保護(hù)仍然可以正確動(dòng)作保證選擇性，不會(huì)造成事故范圍的擴(kuò)大。造成此后果的原因，本質(zhì)上也是由于零序網(wǎng)絡(luò)變化引起相關(guān)繼電保護(hù)功能失效導(dǎo)致的。

從上述分析可知，電力系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性是保障繼電保護(hù)安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，繼電保護(hù)專(zhuān)業(yè)人員必須給予高度重視，特別是線(xiàn)路或變壓器異常跳閘后對(duì)零序網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的動(dòng)態(tài)影響應(yīng)分析評(píng)估到位，這對(duì)電網(wǎng)設(shè)備相繼發(fā)生故障的復(fù)雜電網(wǎng)事故期間，確保繼電保護(hù)安全可靠動(dòng)作至關(guān)重要，對(duì)防范重大電網(wǎng)事故的發(fā)生意義重大。

2 輸電線(xiàn)路自動(dòng)重合閘技術(shù)

由于架空輸電線(xiàn)路需要穿越各種地形地貌和氣象條件的野外區(qū)域，與站內(nèi)元件設(shè)備相比，其運(yùn)行環(huán)境最差，電力系統(tǒng)的所有設(shè)備故障中，線(xiàn)路故障的占比在 90%以上，其中 80%以上的線(xiàn)路故障又為瞬時(shí)性故障。

輸電線(xiàn)路的自動(dòng)重合閘技術(shù)一直伴隨著繼電保護(hù)技術(shù)同步發(fā)展，并且在電力系統(tǒng)中得到大規(guī)模的成熟應(yīng)用，為提升電力系統(tǒng)的供電可靠性和安全穩(wěn)定性發(fā)揮了重要的作用[9-10]。

電力系統(tǒng)中輸電線(xiàn)路的自動(dòng)重合閘一般采用單相、三相和綜合重合閘等方式，為了避免非同期合閘，重合閘檢定方式又分為檢無(wú)壓和檢同期兩種模式，輸電線(xiàn)路大電源側(cè)斷路器的重合閘一般投檢無(wú)壓方式、小電源側(cè)斷路器的重合閘一般投檢同期方式。輸電線(xiàn)路跳閘后，投入檢無(wú)壓方式的大電源側(cè)斷路器先合閘成功后，小電源側(cè)的斷路器通過(guò)檢同期方式重合，從而避免非同期合閘的問(wèn)題。斷路器偷跳后為了利用重合閘的補(bǔ)救措施，重合閘檢定方式中還增加了“檢無(wú)壓自動(dòng)轉(zhuǎn)檢同期”的邏輯功能。

傳統(tǒng)的重合閘檢無(wú)壓以“母線(xiàn)有壓線(xiàn)路無(wú)壓”的方式進(jìn)行判別，這種重合閘檢定方式用于有小電源并網(wǎng)的送出線(xiàn)路時(shí)，存在小電源側(cè)檢同期條件一直不滿(mǎn)足而造成重合閘失敗，進(jìn)而引起地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)最終失壓的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。為此，在傳統(tǒng)的“母線(xiàn)有壓線(xiàn)路無(wú)壓”的重合閘檢無(wú)壓方式基礎(chǔ)之上，又增加了“線(xiàn)路有壓母線(xiàn)無(wú)壓”的另外一種檢無(wú)壓方式，在線(xiàn)路大電源側(cè)的斷路器重合成功后，小電源側(cè)的斷路器若檢同期條件不滿(mǎn)足，則自動(dòng)轉(zhuǎn)“線(xiàn)路有壓母線(xiàn)無(wú)壓”的檢無(wú)壓重合方式，確保在小電解列后，并網(wǎng)線(xiàn)路仍能重合成功，避免地區(qū)電網(wǎng)失壓事件。

為了適應(yīng)電力系統(tǒng)飛速發(fā)展對(duì)重合閘技術(shù)的新要求，近年來(lái)還研究提出了在斷路器重合前就能夠識(shí)別線(xiàn)路發(fā)生了永久性還是瞬時(shí)性故障的自適應(yīng)重合閘技術(shù)[11-13]，另外從系統(tǒng)穩(wěn)定的角度出發(fā)，還研究提出了最佳重合閘時(shí)間整定的相關(guān)技術(shù)[14]。

輸電線(xiàn)路自動(dòng)重合閘技術(shù)的應(yīng)用，在提升電力系統(tǒng)供電可靠性和安全穩(wěn)定性的同時(shí)，還發(fā)揮著快速恢復(fù)跳閘線(xiàn)路進(jìn)而保持零序網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的作用。因此，輸電線(xiàn)路的自動(dòng)重合閘技術(shù)是控制電力系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的重要技術(shù)措施之一。

3 變壓器中性點(diǎn)接地刀閘自動(dòng)切換技術(shù)

變壓器作為電力系統(tǒng)中最重要的變電設(shè)備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，電力系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)程規(guī)定，變壓器跳閘后必須對(duì)其保護(hù)動(dòng)作行為、外觀、油色譜等進(jìn)行全面的檢查分析，確認(rèn)變壓器沒(méi)有故障后，才能對(duì)變壓器進(jìn)行送電，因此，變壓器跳閘后不能和輸電線(xiàn)路跳閘一樣，采用自動(dòng)重合閘技術(shù)讓變壓器快速?gòu)?fù)電，存在中性點(diǎn)直接接地的變壓器跳閘后，零序網(wǎng)絡(luò)發(fā)生較大變化，進(jìn)而引起保護(hù)不正確動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)。雖然變壓器不能采用自動(dòng)重合閘技術(shù)，但變壓器的中性點(diǎn)接地刀閘可以采用自動(dòng)切換控制技術(shù)，在中性點(diǎn)直接接地的變壓器跳閘后，如果能夠?qū)⒔?jīng)間隙接地變壓器的中性點(diǎn)接地刀閘快速合上，即可保證零序網(wǎng)絡(luò)快速恢復(fù)至變壓器跳閘之前的狀態(tài)。

長(zhǎng)期以來(lái)，變壓器中性點(diǎn)接地刀閘的切換控制一直由人工在就地操作完成，這種傳統(tǒng)的管理模式存在操作流程復(fù)雜、操作持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、危及人身安全等問(wèn)題。特別是變壓器事故跳閘的緊急情況下，由于調(diào)度員和廠站值班人員對(duì)事故關(guān)注的重心往往都集中在對(duì)變壓器跳閘原因的分析上面，顧不上甚至遺忘對(duì)運(yùn)行變壓器中性點(diǎn)接地刀閘的切換操作，這將導(dǎo)致零序網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)時(shí)間不能恢復(fù)至跳閘前的狀態(tài)，導(dǎo)致局部電網(wǎng)由大電流接地系統(tǒng)變?yōu)樾‰娏鹘拥叵到y(tǒng)，給系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成極大威脅。顯然，這種傳統(tǒng)的變壓器中性點(diǎn)接地刀閘切換控制的管理模式，已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代復(fù)雜大電網(wǎng)運(yùn)行控制的要求，研究變壓器中性點(diǎn)接地刀閘的自動(dòng)切換控制技術(shù)已經(jīng)迫在眉睫。

變壓器中性點(diǎn)接地刀閘的自動(dòng)切換控制技術(shù)，是解決變壓器跳閘后快速恢復(fù)零序網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)措施，其技術(shù)方案是通過(guò)采集廠站變壓器高、中壓側(cè)斷路器、中性點(diǎn)接地刀閘和母聯(lián)斷路器的開(kāi)關(guān)量位置信號(hào)實(shí)時(shí)識(shí)別變壓器的運(yùn)行方式和運(yùn)行狀態(tài)，采集變壓器高、中壓側(cè)母線(xiàn)的 3U0電壓模擬量作為閉鎖判據(jù)，在中性點(diǎn)直接接地的變壓器或母聯(lián)斷路器跳閘后，裝置能夠快速將中性點(diǎn)經(jīng)間隙接接地變壓器的中性點(diǎn)接地刀閘自動(dòng)合上，確保該廠站零序網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性[15]。

根據(jù)上述技術(shù)方案，在繼電保護(hù)級(jí)的硬件平臺(tái)上成功研究開(kāi)發(fā)了變壓器中性點(diǎn)接地刀閘自動(dòng)切換控制裝置，具體邏輯框圖如圖4所示。

圖4 變壓器中性點(diǎn)接地刀閘自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)邏輯框圖Fig. 4 Logic diagram of transformer neutral ground switch automatic switching

裝置的邏輯判據(jù)清晰明了、所需的開(kāi)入開(kāi)出量較少，保護(hù)級(jí)的硬件平臺(tái)確保了裝置的抗干擾能力，從軟、硬件兩個(gè)層面保障了所研發(fā)的變壓器中性點(diǎn)接地刀閘自動(dòng)切換控制裝置具有較高的安全性和可靠性，目前該控制裝置已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)成功投入運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期的效果。結(jié)合系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)工作，成功申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利“變壓器中性點(diǎn)接地刀閘自動(dòng)切換方法(CN201410647852.X)”和實(shí)用新型專(zhuān)利“變電站變壓器中性點(diǎn)接地刀閘智能切換裝置(ZL201420843718.2)”。

變壓器中性點(diǎn)接地刀閘的自動(dòng)切換控制技術(shù)是控制電力系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的又一重要技術(shù)措施，該技術(shù)的成功應(yīng)用還大幅減少了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員的操作量和誤操作的風(fēng)險(xiǎn)，具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合運(yùn)用輸電線(xiàn)路的自動(dòng)重合閘技術(shù)和變壓器中性點(diǎn)接地刀閘的自動(dòng)切換控制技術(shù)，可以確保以最快的速度恢復(fù)電力系統(tǒng)的零序網(wǎng)絡(luò)，是電力系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)控制技術(shù)。輸電線(xiàn)路的自動(dòng)重合閘技術(shù)已經(jīng)成熟應(yīng)用，但變壓器中性點(diǎn)接地刀閘自動(dòng)切換控制技術(shù)的應(yīng)用才剛剛起步，需要引起廣大繼電保護(hù)專(zhuān)業(yè)人員的高度重視，并加大推廣應(yīng)用的力度，為保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行盡早發(fā)揮其功效。

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(編輯 姜新麗)

Research on optimal control technology of zero sequence network power system

LI Benyu, ZHAI Haiyan, ZHAO Ming, SHI Hengchu, YOU Hao, FANG Yi, LUO Ji, SHEN Yu
(Yunnan Electric Power Dispatching and Control Center, Kunming 650011, China)

The sensitivity and selectivity of electronic protection relay’s constant value is directly influenced by the power system zero-sequence network’s stability, which is the foundation of safe and reliable operation of the relay protection. Zero sequence network topology is formed by transmission line and directly-grounding neutral point of transformer. Analysis shows that the integrated use of automatic reclosing of the transmission line and automatically switching grounding neutral point of transformer will ensure the equipment after tripping can resume the zero sequence power system networks as soon as possible. This technology is the optimal control technology of the zero sequence power system networks. In the following, it summarizes the automatic reclosing technology of transmission lines, researches the technology of automatic switching the grounding neutral point of transformer, and develops the corresponding control device. Device performance has been tested in actual operation and verification, which meets the application requirements.

relay protection; zero-sequence network; optimal control; automatic reclosing; transformer neutral point knife switches; automatically switching

10.7667/PSPC151700

：2015-12-23

李本瑜(1975-)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)管理工作；E-mail: jkjdk@163.com

翟海燕(1965-)，女，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)管理工作；

趙 明(1973-)，男，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)管理工作。