220kV終端變電站負(fù)荷轉(zhuǎn)供策略研究

戚 峰，陳 剛，錢碧甫，陳 立

（國網(wǎng)浙江省電力公司溫州供電公司，浙江 溫州 325000）

220kV終端變電站負(fù)荷轉(zhuǎn)供策略研究

戚 峰，陳 剛，錢碧甫，陳 立

（國網(wǎng)浙江省電力公司溫州供電公司，浙江 溫州 325000）

介紹了浙江電網(wǎng)220kV終端變電站典型接線和負(fù)荷轉(zhuǎn)供方式，總結(jié)其在實(shí)際運(yùn)行中存在的不足。深入探討局部小電源對(duì)負(fù)荷轉(zhuǎn)供控制策略的影響，并采用捕捉同期合閘方案，通過精確捕捉最佳“合閘時(shí)機(jī)”，實(shí)現(xiàn)了差頻轉(zhuǎn)供。另外，針對(duì)雙母線中一條母線檢修時(shí)常規(guī)負(fù)荷轉(zhuǎn)供功能停用的缺陷，增設(shè)了相應(yīng)的負(fù)荷轉(zhuǎn)供方式，降低保護(hù)功能頻繁投退帶來的風(fēng)險(xiǎn)。改進(jìn)后的裝置顯著提高系統(tǒng)的供電可靠性，且適用性強(qiáng)。

負(fù)荷轉(zhuǎn)供；捕捉同期合閘技術(shù)；差頻轉(zhuǎn)供；供電可靠性

0 引言

隨著電力系統(tǒng)由原先的集中方式向分布方式發(fā)展，系統(tǒng)的調(diào)度和控制變得越來越復(fù)雜。尤其是在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，大量的遙測、遙信及保護(hù)信息往往使調(diào)度員難以在短時(shí)間內(nèi)做出正確及時(shí)的處理。保證供電可靠性的重要手段之一是在變電站內(nèi)配置負(fù)荷轉(zhuǎn)供裝置。國內(nèi)負(fù)荷轉(zhuǎn)供裝置雖然在中低壓電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用，但在220kV及以上高壓電網(wǎng)中卻極少應(yīng)用[1]。浙江省電力公司所管轄的少數(shù)220kV終端變電站使用了負(fù)荷轉(zhuǎn)供裝置，雖然積累了一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，但實(shí)際使用情況卻并不令人十分滿意，因此，對(duì)220kV負(fù)荷轉(zhuǎn)供的研究十分迫切。為此，結(jié)合常規(guī)負(fù)荷轉(zhuǎn)供邏輯，具體分析其在運(yùn)行中存在的問題并提出了解決方案。

1 220kV典型負(fù)荷轉(zhuǎn)供方式和存在的問題

浙江省220kV電網(wǎng)終端變電站220kV側(cè)多采用4路電源進(jìn)線雙母線供電方式，部分變電站的中低壓側(cè)通過聯(lián)絡(luò)線與附近的地方小電源或中小型熱電廠相連[2]，系統(tǒng)典型接線如圖1所示。

1.1 常規(guī)負(fù)荷轉(zhuǎn)供方式

浙江省220kV常規(guī)負(fù)荷轉(zhuǎn)供裝置大多采用CSS-100BE數(shù)字式安全穩(wěn)定控制裝置（適用于雙母線接線方式的終端變電站）。線路按2組雙回線配置，假定L1和L2為一電源進(jìn)線組，L3和L4為一電源進(jìn)線組，不考慮倒閘時(shí)的運(yùn)行方式，簡化后的系統(tǒng)一次接線如圖2所示。

常規(guī)負(fù)荷轉(zhuǎn)供裝置有線路備供和母聯(lián)備供2種方式。

（1）線路備供1（方式1）：母線并列運(yùn)行，進(jìn)線L1接正母運(yùn)行，進(jìn)線L2接副母運(yùn)行，進(jìn)線L3、進(jìn)線L4雙線熱備。充電條件為：母聯(lián)開關(guān)合位，且至少有一條線路滿足可備供條件。當(dāng)所有主供線路故障或上級(jí)變電站故障時(shí)，裝置動(dòng)作跳開所有主供線路開關(guān)，合上可備供線路開關(guān)，為母線恢復(fù)供電。

圖1 系統(tǒng)典型接線

圖2 系統(tǒng)簡化接線

（2）線路備供2（方式2）：母線并列運(yùn)行，進(jìn)線L3接正母運(yùn)行，進(jìn)線L4接副母運(yùn)行，進(jìn)線L1、進(jìn)線L2雙線熱備。充電及動(dòng)作邏輯與方式1類似。

（3）母聯(lián)備供（方式3）：母線分列運(yùn)行，進(jìn)線L1、進(jìn)線L2雙線接正母線運(yùn)行，進(jìn)線L3、進(jìn)線L4雙線接副母運(yùn)行。充電條件為：母聯(lián)開關(guān)在分位，且正母、副母三相均有壓。當(dāng)正母上所有主供線路故障或其上級(jí)變電站故障時(shí)，裝置動(dòng)作跳開其所有無流線路開關(guān)，合上220kV母聯(lián)開關(guān)為正母恢復(fù)供電。反之，當(dāng)副母上所有主供線路失電時(shí)，裝置動(dòng)作跳開其所有無流線路開關(guān)，合上220kV母聯(lián)開關(guān)為副母恢復(fù)供電。

對(duì)于主供線路故障后，啟動(dòng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供流程跳開故障線路的時(shí)限問題，通常對(duì)于母線無壓、主供線路無流的判別邏輯，其動(dòng)作時(shí)限必須躲過線路整定的單相重合閘或三相重合閘時(shí)間。

1.2 運(yùn)行中存的在問題

1.2.1 孤島運(yùn)行對(duì)負(fù)荷轉(zhuǎn)供策略的影響

孤島現(xiàn)象是指電網(wǎng)失壓時(shí)，地區(qū)小電源仍保持為電網(wǎng)中一部分線路繼續(xù)供電的狀態(tài)。常規(guī)負(fù)荷轉(zhuǎn)供裝置采用母線無壓、主供線路無流作為隔離故障線路、啟動(dòng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供的條件，如果此時(shí)系統(tǒng)的中低壓側(cè)存在局部小電源供電，那么上述動(dòng)作條件顯然無法成立[3]。

以圖1系統(tǒng)為例，當(dāng)所有主供線路失電時(shí)，由于110kV側(cè)存在發(fā)電廠聯(lián)絡(luò)線和地區(qū)小電源，在一定條件下支撐起了母線電壓，使220kV母線殘壓很高甚至接近系統(tǒng)額定電壓，此時(shí)若采用常規(guī)負(fù)荷轉(zhuǎn)供方式，無壓條件無法滿足，裝置動(dòng)作的成功率將大大降低。

1.2.2 母線檢修時(shí)轉(zhuǎn)供功能停用的問題

雙母線接線形式下，當(dāng)其中一條母線停電檢修，主供線路、備供線路同在一條母線運(yùn)行時(shí)，常規(guī)負(fù)荷轉(zhuǎn)供功能退出運(yùn)行。

以圖1系統(tǒng)為例，當(dāng)220kV正母運(yùn)行，副母檢修，倒閘后4條進(jìn)線都運(yùn)行于正母，如果此時(shí)主供線路發(fā)生故障或上級(jí)電源失電，備供電源將無法實(shí)現(xiàn)正常轉(zhuǎn)供，系統(tǒng)的供電可靠性無法得到保障。另外，單母運(yùn)行時(shí)檢修母線無電壓且母聯(lián)開關(guān)在分位，不滿足備供線路“正母、副母三相均有電壓”的充電必要條件，裝置無法進(jìn)行充電。

2 負(fù)荷轉(zhuǎn)供策略探討

為解決運(yùn)行中存在的上述問題，在全省電網(wǎng)220kV變電站增設(shè)負(fù)荷轉(zhuǎn)供裝置時(shí)，需要尋求一種更為靈活、可靠的轉(zhuǎn)供策略。通過分析不難發(fā)現(xiàn)，局部小電源或備供電源都可以單獨(dú)對(duì)母線進(jìn)行供電[4]，以下分別就這2種供電策略展開詳細(xì)探討。

2.1 小電源供電策略探討

通常狀態(tài)下，母線通過主供線路與系統(tǒng)大電網(wǎng)相連接時(shí)，負(fù)荷轉(zhuǎn)供裝置檢測母線的頻率即為主系統(tǒng)頻率。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生孤島現(xiàn)象時(shí)，一旦孤立系統(tǒng)的有功功率失去平衡，其母線頻率必然與主系統(tǒng)頻率產(chǎn)生偏差Δf。因此，可以借鑒系統(tǒng)低頻解列原理[5]，在負(fù)荷轉(zhuǎn)供啟動(dòng)邏輯中增設(shè)頻率異常檢測功能。

假設(shè)小電源通過發(fā)電機(jī)的自動(dòng)調(diào)速裝置或低頻解列裝置切除部分負(fù)荷將系統(tǒng)有功功率調(diào)至平衡，此時(shí)頻差Δf穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)，且正母、副母電壓迅速提升至“檢母線無壓”定值以上。因此，這種趨向平衡的孤立子電網(wǎng)系統(tǒng)，短時(shí)間內(nèi)仍能繼續(xù)保證穩(wěn)定供電，無需通過負(fù)荷轉(zhuǎn)供來完成備供電源的切換，電網(wǎng)調(diào)度員有充足的時(shí)間，通過遙控操作改變系統(tǒng)運(yùn)行方式，將電網(wǎng)子系統(tǒng)重新并入主網(wǎng)系統(tǒng)。當(dāng)?shù)貐^(qū)小電源裝機(jī)規(guī)模較小或自動(dòng)調(diào)速后并網(wǎng)電量還不能夠保持孤立系統(tǒng)的有功功率平衡，將發(fā)生以下2種情況：

（1）小電源被迅速切除或子系統(tǒng)原本就無小電源，此時(shí)母線電壓迅速跌落至“檢母線電壓”以下，滿足負(fù)荷轉(zhuǎn)供裝置啟動(dòng)條件，跳開主供線路開關(guān)后，進(jìn)入備供電源轉(zhuǎn)供流程。

（2）子系統(tǒng)有功缺額較大或小電源自動(dòng)調(diào)速失控造成頻率異常，頻差Δf超過了允許值ΔF，此時(shí)負(fù)荷轉(zhuǎn)供裝置可通過檢測母線頻差越限且主供線路無流條件來啟動(dòng)，跳開主供線路開關(guān)后，進(jìn)入備供電源轉(zhuǎn)供流程。

2.2 備供電源轉(zhuǎn)供策略探討

通過進(jìn)線開關(guān)位置輔助觸點(diǎn)變位來判斷故障線路已被切除，經(jīng)短延時(shí)后啟動(dòng)備供電源轉(zhuǎn)供邏輯。備供電源的投入可以借鑒線路檢無壓或檢同期重合閘的方式，執(zhí)行無壓轉(zhuǎn)供或檢同期轉(zhuǎn)供[6]。

（1）無壓轉(zhuǎn)供邏輯相對(duì)簡單，當(dāng)裝置檢測到母線無壓且備供線路電壓正常時(shí)，就可啟動(dòng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供流程（合母聯(lián)開關(guān)或備供線路開關(guān)），通過檢測開關(guān)位置輔助觸點(diǎn)變位來判斷是否合閘成功。

（2）由于地區(qū)小電源的存在，220kV終端變電站一旦出現(xiàn)孤島現(xiàn)象，電網(wǎng)子系統(tǒng)的有功缺額往往比較大，且負(fù)荷轉(zhuǎn)供動(dòng)作時(shí)限還需要躲過線路整定的單相重合閘或三相重合閘時(shí)間，此時(shí)，孤立系統(tǒng)頻率與主系統(tǒng)頻率偏差已經(jīng)很大，傳統(tǒng)的檢同期合閘會(huì)給系統(tǒng)帶來較大的沖擊，甚至無法實(shí)現(xiàn)合閘功能[7]。為適應(yīng)這種特殊運(yùn)行方式，可采用捕捉同期合閘方案。

由于頻率偏差Δf的存在，使得相角差φ隨時(shí)間變化。備供電源與母線的電壓矢量差波形如圖3所示。其中，考慮到合閘回路動(dòng)作有一定的延時(shí)tDC，為了能在點(diǎn)B時(shí)刻合閘，必須提前在點(diǎn)A時(shí)刻發(fā)出合閘命令[8]。

圖3 電壓滑差

捕捉同期技術(shù)原理就是裝置通過實(shí)時(shí)檢測母線與備供電源的頻差以及頻差的變化量，根據(jù)已知的導(dǎo)前時(shí)間tDC，提前推算出合閘到零相角差的導(dǎo)前角。理想合閘導(dǎo)前角φd計(jì)算如下式：

式中：Δf為備供電源與母線平均頻差；dΔf/dt為頻差變化率；t為導(dǎo)前時(shí)間。當(dāng)時(shí)（根據(jù)負(fù)荷轉(zhuǎn)供要求，ε一般控制在3°以內(nèi)），立即向開關(guān)發(fā)送合閘脈沖；φe為當(dāng)前測量到的相角差。

理論上捕捉同期合閘技術(shù)適用允許條件為：電壓幅值差ΔU≤（5%～10%）Ue；頻率差Δf≤3.5Hz；合閘瞬間，相角差φ≤10°。

當(dāng)相角差或頻率差超過了允許值時(shí)，式（1）中用頻率差的二階導(dǎo)數(shù)d2Δf/dt2來模擬相角差的變化曲線誤差會(huì)很大，而且孤島運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷特性在低頻時(shí)存在不完全連續(xù)性和較大離散性，此時(shí)捕捉同期合閘方案已不再適用。這種情況下，孤立系統(tǒng)可以通過發(fā)電機(jī)自動(dòng)調(diào)速增加有功輸出或由低頻減載裝置切除一部分負(fù)荷，直到系統(tǒng)頻率提升至頻差允許值以上，再通過捕捉同期實(shí)現(xiàn)合閘。但采用這種方法使負(fù)荷轉(zhuǎn)供功能一直處于一個(gè)較長的等待過程，一方面增加了系統(tǒng)故障存在的時(shí)間，另一方面將造成更大的負(fù)荷損失[9]。因此，可以選擇在低頻減載切負(fù)荷前，立即切除小電源線路，確認(rèn)斷路器跳開且母線無壓，再通過檢無壓轉(zhuǎn)供邏輯，恢復(fù)母線供電。

3 負(fù)荷轉(zhuǎn)供軟件改進(jìn)設(shè)計(jì)

文中所介紹的220kV終端變電站負(fù)荷轉(zhuǎn)供裝置在具備原有常規(guī)負(fù)荷轉(zhuǎn)供功能的基礎(chǔ)上，對(duì)功能邏輯進(jìn)行了改進(jìn)和完善，使其在小電源參與系統(tǒng)供電和單母線運(yùn)行方式下，具有普遍適用性。

3.1 捕捉同期合閘功能設(shè)計(jì)

正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷轉(zhuǎn)供裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測主供線路的電流幅值、母線與備供線路的電壓與頻率，根據(jù)負(fù)荷轉(zhuǎn)供運(yùn)行方式完成充電準(zhǔn)備（對(duì)線路備供，檢查備供線電壓；對(duì)母聯(lián)備供，檢測另一段母線電壓）。當(dāng)裝置檢測到母差保護(hù)動(dòng)作、開關(guān)TWJ異常、手跳主供線路開關(guān)等開入量時(shí)，立即放電閉鎖負(fù)荷轉(zhuǎn)供功能。負(fù)荷轉(zhuǎn)供軟件流程如圖4所示。

圖4 負(fù)荷轉(zhuǎn)供流程

（1）當(dāng)檢測到所有主供線路無流，但母線電壓、頻率都處于正常范圍內(nèi)時(shí)，很可能是小電源支撐起了母線電壓，此時(shí)無需啟動(dòng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供邏輯；當(dāng)檢測到所有主供線路無流，且母線電壓迅速跌落至“檢無壓”定值以下，裝置經(jīng)躲重合閘延時(shí)后跳開所有主供線路開關(guān)，待檢測到線路開關(guān)確認(rèn)已跳開，啟動(dòng)檢無壓轉(zhuǎn)供邏輯，立即合上備供線路開關(guān)（線路備供）或母聯(lián)開關(guān)（母聯(lián)備供）。

（2）當(dāng)檢測到母線與備供線路的頻率與電壓出現(xiàn)偏差，且偏差量均不超過設(shè)定的上限值，裝置經(jīng)躲重合閘延時(shí)后跳開所有主供線路開關(guān)，待檢測到線路開關(guān)確認(rèn)已跳開，啟動(dòng)差頻轉(zhuǎn)供邏輯，推算出理想合閘導(dǎo)前角，一旦捕捉到最佳合閘時(shí)機(jī)（當(dāng)前相位差與導(dǎo)前角基本一致），立即合上備供線路開關(guān)（線路備供）或母聯(lián)開關(guān)（母聯(lián)備供）。

（3）當(dāng)檢測到母線與備供線路的頻率與電壓的偏差量超出了設(shè)定的上限值，待主供線路開關(guān)跳開后，立即聯(lián)跳中低壓側(cè)小電源線路開關(guān)。確認(rèn)線路開關(guān)已跳開且母線無壓后，啟動(dòng)檢無壓轉(zhuǎn)供邏輯，立即合上備供線路開關(guān)（線路備供）或母聯(lián)開關(guān)（母聯(lián)備供）。

3.2 單母線運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)供功能設(shè)計(jì)

針對(duì)雙母線中一條母線檢修時(shí)常規(guī)負(fù)荷轉(zhuǎn)供功能退出運(yùn)行的問題，解決方案為：增設(shè)如下4種單母線運(yùn)行時(shí)的線路備供方式。

方式4：副母檢修，進(jìn)線L1、進(jìn)線L2主供運(yùn)行于正母，進(jìn)線L3、進(jìn)線L4熱備于正母。

方式5：副母檢修，進(jìn)線L3、進(jìn)線L4主供運(yùn)行于正母，進(jìn)線L1、進(jìn)線L2熱備于正母。

方式6：正母檢修，進(jìn)線L1、進(jìn)線L2主供運(yùn)行于副母，進(jìn)線L3、進(jìn)線L4熱備于副母。

方式7：正母檢修，進(jìn)線L3、進(jìn)線L4主供運(yùn)行于副母，進(jìn)線L1、進(jìn)線L2熱備于副母。

增設(shè)上述備供方式后，保證主供線路、備供線路同在一條母線運(yùn)行時(shí)，仍能靈活、可靠地實(shí)現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)供功能。

針對(duì)雙母線中一條母線檢修時(shí)常規(guī)負(fù)荷轉(zhuǎn)供裝置不滿足“正母、副母三相均有壓”充電必要條件的問題，解決方案為：接入4條線路的正、副母閘刀位置輔助節(jié)點(diǎn)用于判別系統(tǒng)運(yùn)行方式，并將“檢正母、副母三相均有壓”改為“檢正母有壓”或“檢副母有壓”，且母聯(lián)開關(guān)分位不參與放電條件。以方式4為例，其充電邏輯如圖5所示。

4 結(jié)語

針對(duì)浙江省電網(wǎng)220kV終端變電站的負(fù)荷轉(zhuǎn)供裝置在實(shí)際運(yùn)行中存在的問題進(jìn)行了分析，深入探討了小電源供電對(duì)負(fù)荷轉(zhuǎn)供控制策略的影響，將捕捉同期合閘技術(shù)運(yùn)用到其中，大大提升了系統(tǒng)供電的安全性、可靠性。通過增設(shè)線路備供方式，保證了裝置在單母線運(yùn)行時(shí)仍能投入使用，降低了保護(hù)功能頻繁投退帶來的風(fēng)險(xiǎn)。該裝置已成功應(yīng)用到溫州某220kV變電站，實(shí)際運(yùn)行效果證明該裝置負(fù)荷轉(zhuǎn)供功能配置靈活、可靠，具有一定的推廣價(jià)值。

圖5充電邏輯框圖

[1]潘凱巖，劉仲堯，宋學(xué)清，等.自動(dòng)負(fù)荷控制系統(tǒng)在佛山電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（22）:94-97.

[2]劉金官，王展，汪獻(xiàn)忠.220kV微機(jī)型備用電源自動(dòng)投入裝置研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2005，25（1）:95-100.

[3]楊建勛.光伏電站功率控制孤島檢測方法[J].河北理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，32（4）:65-69.

[4]王維檢.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，1996.

[5]王楊，萬凌云，胡博，等.基于孤島運(yùn)行特性的微電網(wǎng)可靠性分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014，38（9）:2379-2385.

[6]周曉寧，徐偉，胥傳普，等.計(jì)及負(fù)荷轉(zhuǎn)供措施的電網(wǎng)設(shè)備過載輔助決策[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41（23）:61-66.

[7]郗來君.變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中安全自動(dòng)裝置的幾個(gè)問題[J].黑龍江科技信息，2011（27）:28.

[8]韓晉，黃健.同期捕捉算法的改進(jìn)及實(shí)現(xiàn)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，33（9）:108-112.

[9]曾鋒.AP1000核電廠廠用電切換方式探討[J].電氣應(yīng)用，2013，31（12）:87-91.

（本文編輯：方明霞）

Research on Load Transfer Strategy of220kV Terminal Substation

QI Feng，CHEN Gang，QIAN Bifu，CHEN Li
（State Grid Wenzhou Power Supply Company，Wenzhou Zhejiang325000，China）

This paper introduces the typical connection and load transfer mode of220kV terminal substation in Zhejiang power grid and summarizes the problems in the actual operation.The influence of local small power supply on load transfer control strategy is profoundly discussed，and the programme of capturing synchronous switching is adopted，which realizes the transfer in difference frequency by accurately capturing the best″reclosing time″.In addition，a load transfer mode is added due to malfunctioning of normal load transfer during maintenance of one bus to reduce the risk from frequent protective function switching.The improved device can significantly enhance the power supply reliability of the system and is of great applicability.

load transfer；capturing synchronous switching technology；transfer in different frequencies；power supply reliability

TM732

：B

：1007-1881（2016）09-0015-05

2016-02-29

戚 峰（1989），男，工程師，主要從事繼電保護(hù)及自動(dòng)化專業(yè)技術(shù)管理工作。