基于測控的遠方同期并網(wǎng)高級應用研究

楊云翠　李成文　胡建明　張穎

摘 要：通過對測控裝置同期功能、同期合閘模式、同期觸發(fā)條件、變電運行模式、調(diào)控端遠方同期并網(wǎng)五個現(xiàn)狀的深入分析，提出測控裝置同期功能不滿足調(diào)控端遠方同期并網(wǎng)的要求，需對測控裝置的同期功能進行改進，文中介紹了包含同期閉鎖情況反饋調(diào)控端和自動遠方同期并網(wǎng)預估功能的測控同期高級應用，并重點對自動遠方并網(wǎng)同期預估功能的原理及數(shù)學模型進行了介紹，通過應用分析，研究內(nèi)容能提高調(diào)控端遠方并網(wǎng)成功幾率，提升事故處置速度。

關鍵詞：測控；遠方；同期并網(wǎng)；閉鎖反饋；預估

中圖分類號：TM76 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）32-0161-03

Abstract： Through the in-depth analysis of five current situations， the synchronous function of the measurement and control device， the synchronous closing mode， the synchronous triggering condition， the operation mode of the substation， and the synchronous power grid connection at the remote control end， it is pointed out that the synchronization function of the measurement and control device can not meet the requirements of the remote synchronization of the regulating end， and the synchronization function of the measurement and control device needs to be improved. This paper introduces the advanced application of measurement and control synchronization， which includes feedback control end and automatic remote synchronization prediction function， and focuses on the principle and mathematical model of automatic remote synchronization prediction function. Through application analysis， the research content can improve the success probability of remote connection of regulatory end as well as the speed of accident disposal.

Keywords： measurement and control； distance； synchronization； locked feedback； prediction

前言

測控裝置是用來實現(xiàn)對處于正常運行狀態(tài)的電力系統(tǒng)開展實時測量、監(jiān)視和控制等功能的綜合性裝置[5]，變電站測控裝置除了包含基本的遙測、遙信、遙控和遙調(diào)功能外，還包含了同期功能，測控裝置的同期功能主要應用于斷路器合閘方式的出口判斷。隨著變電站無人值班改造及調(diào)控一體化工作的大力推廣應用，變電站現(xiàn)場已實現(xiàn)運行工作無人值守，變電站監(jiān)視控制業(yè)務轉(zhuǎn)移至調(diào)控端開展，電網(wǎng)正常的操作及事故處理均由調(diào)控端直接下發(fā)控制命令完成，測控裝置的同期執(zhí)行結(jié)果不具備調(diào)控端的遠方查詢和調(diào)閱，在同期閉鎖引起遙控并網(wǎng)不成功時，將嚴重影響調(diào)控員的操作和事故處置速度，由于小電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時間過長，甚至可能引發(fā)更大的電網(wǎng)事故，開展測控同期功能與調(diào)控運行模式相匹配將迫在眉睫。本研究通過對測控裝置同期功能進行改進，實現(xiàn)同期執(zhí)行閉鎖情況反饋遠方，針對差頻并網(wǎng)合閘角度難于捕捉和運行監(jiān)視處于遠方的的現(xiàn)狀，開展針對調(diào)控模式下的自動遠方同期并網(wǎng)預估功能的開發(fā)，滿足調(diào)控員遠方同期并網(wǎng)的要求。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 測控同期功能

同期作為測控裝置的一個基本功能，在測控裝置的預試定檢中均作為一個必檢項目，已實現(xiàn)調(diào)控一體運行的廠站，在測控定檢時，還要配合調(diào)控端開展遙控同期功能驗證。同期執(zhí)行情況以報告的形式記錄在測控裝置內(nèi)，只支持本地化查詢。測控裝置具備同期方式的自適應判斷，由于測控自適應判斷模式存在電壓采集回路異常導致非同期并網(wǎng)的風險，所以要求調(diào)控端具備同期判斷方式的手動選擇。

大部分測控只具備外送斷路器兩側(cè)電壓、頻率，不具備實時角度的外送，外加信號傳輸?shù)秸{(diào)控端傳送時間長、環(huán)節(jié)多，調(diào)度端的顯示值與電網(wǎng)實際運行值相差較大，調(diào)度端顯示的同期相關遙測值只能對同期模式選擇起作用，事故處理中，調(diào)控員無法實時監(jiān)控到并網(wǎng)兩端電網(wǎng)的準確運行數(shù)據(jù)。

1.2 同期合閘模式

同期合閘模式分為檢同期、檢無壓、強制合閘方式，并要求測控裝置收到對應的合閘命令不能自動轉(zhuǎn)化合閘方式[1]。

1.2.1 檢同期

檢同期合閘又分為同期合和合環(huán)合，其中，同期合也稱為并網(wǎng)或并列，一般用于兩個系統(tǒng)之間的斷路器同期合閘，特點是斷路器兩端的系統(tǒng)頻率不相同，如果頻率差大于0.2Hz時或者電網(wǎng)兩側(cè)相角差3秒鐘發(fā)生轉(zhuǎn)動超過5度被認為是頻差并網(wǎng)，需要捕捉同期[5]，當頻差在0Hz～0.5Hz內(nèi)變化時，合閘相位角不超過3.6°[1]，在差頻并網(wǎng)過程中，必須嚴加控制“相角差”這一指標，否則將對系統(tǒng)造成極大的沖擊[2]。合環(huán)合，一般用于同一個系統(tǒng)的聯(lián)絡斷路器合閘，特點是斷路器兩端的系統(tǒng)頻率基本相同（頻差小于0.02Hz），不需要捕捉同期，只要壓差和角差滿足即可同期出口合閘。同期合與合環(huán)合的區(qū)別是同期合需要捕捉最小合閘相角差。

1.2.2 檢無壓和強制合閘

當兩側(cè)或任一側(cè)電壓幅值低于無壓定值，同期按照檢無壓出口合閘。強制合閘就是不經(jīng)同期檢測直接合閘出口，一般在試驗定檢中會用到，設備正常運行時，不允許選擇強制合閘的方式，都要經(jīng)過同期模塊的檢無壓或檢同期檢測后才能出口合閘。

1.3 同期觸發(fā)條件

變電站測控的同期功能一般用于斷路器的合閘，所以同期功能的啟動依賴以合閘命令的觸發(fā)，在合閘命令有限期內(nèi)，根據(jù)裝置當時的運行工況選用不同的合閘判據(jù)，執(zhí)行相應的控制[4]。測控的合閘分為遙控合和就地合，就地合通過一對硬節(jié)點遙信觸發(fā)同期功能的啟動，遙控合通過內(nèi)部邏輯觸發(fā)同期功能的啟動。

1.4 變電運行模式

隨著變電運行設備可靠性、穩(wěn)定性的提高，變電站運行模式已從有人向少人、無人轉(zhuǎn)變，監(jiān)控端也已將監(jiān)控業(yè)務和調(diào)度業(yè)務進行了有效融合，整個電網(wǎng)設備的監(jiān)控形成了調(diào)控+巡維的運行模式。

1.5 調(diào)控端遠方并網(wǎng)

調(diào)控一體運行后，正常設備的操作及事故處理均由調(diào)控端下發(fā)控制命令。調(diào)控端遠方并網(wǎng)前，需要先核對兩側(cè)的電壓值、頻率，采用遙控投入檢無壓或檢同期壓板的方式實現(xiàn)同期方式的人工選擇，再進行斷路器的遙控合閘，測控即可按照選定的模式開展同期檢測判斷。對于不具備同期方式選擇的，調(diào)控端直接下發(fā)斷路器遙控合閘命令，由測控自動判斷合閘方式。在調(diào)度端設定的遙控響應時間內(nèi)未收到斷路器的合閘位置，即認為測控出現(xiàn)了同期條件不滿足而閉鎖的情況，具體閉鎖原因需要巡維人員到測控上調(diào)取同期報告方能知曉，在緊急事故處理需要盡快并網(wǎng)的情況，需要調(diào)控員不斷下發(fā)遙控合閘命令進行最小合閘相角差的捕捉。

2 調(diào)控運行模式對測控同期的需求

隨著調(diào)控一體化逐步推進，測控裝置同期閉鎖情況無法反饋調(diào)控端，調(diào)控人員進行同期并網(wǎng)時，需要多次遙控操作進行最小合閘相角差的盲目捕捉等問題，暴露出測控裝置同期功能已不滿足調(diào)控運行模式的要求，需要對測控的同期功能進行改進。

3 測控同期高級應用研究內(nèi)容

3.1 同期閉鎖情況反饋遠方

同期合閘時，運行人員更關注同期閉鎖的原因，《變電站測控裝置技術規(guī)范》（DL/T 1512-2016）規(guī)定的測控裝置處理檢同期、檢無壓、強制合閘方式的流程圖中已明確了同期閉鎖操作時應上送閉鎖原因，目前，閉鎖原因僅以同期報告的形式上送在測控裝置內(nèi)，不具備閉鎖原因外送遠方的功能，對于已實現(xiàn)調(diào)控一體化且電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱的廠站，具備“同期閉鎖原因外送遠方”的功能顯得更加急迫。

調(diào)控端顯示的電壓幅值和頻率，僅能在同期模式選擇環(huán)節(jié)輔助調(diào)控員進行直觀判斷，針對調(diào)控員更加關注的遠方同期并網(wǎng)過程中的壓差、角差、頻差、滑差，為不增加通道傳輸開銷，將壓差、角差、頻差、滑差四個遙測轉(zhuǎn)換為更加直觀的遙信，采用將同期報告中壓差、角差、頻差、滑差與同期定值進行比較的方式得到相應的虛擬信號，如壓差大于定值合成“同期壓差大”的虛擬遙信、角差大于定值合成“同期角差大”的虛擬遙信，頻差大于定值合成“同期頻差大”的虛擬遙信，滑差大于定值合成 “同期滑差大”的虛擬遙信，再將這些虛擬信號上送給調(diào)控端，調(diào)控員根據(jù)這些虛擬信號可以知道具體的同期閉鎖原因，然后對電網(wǎng)做出相應的調(diào)整和處置，提高下一次遠方同期并網(wǎng)成功幾率。

3.2 自動遠方同期并網(wǎng)預估功能研究

自動遠方并網(wǎng)同期點預估功能，是在測控上開展的最主要的同期高級應用開發(fā)，主要針對調(diào)控端遠方并網(wǎng)的現(xiàn)狀，在頻差并網(wǎng)需要捕捉最小合閘相位角的情況下應用。

3.2.1 所處環(huán)節(jié)及啟動條件

自動遠方并網(wǎng)同期點預估功能是嵌入在檢同期合閘模式中進行應用的，其所處的流程環(huán)節(jié)如圖1所示。它在第一次同期捕捉失敗后自動啟動，取代調(diào)控端不斷下發(fā)遙控命令進行同期捕捉的過程，與測控裝置原有的依賴合閘命令觸發(fā)同期檢測并不矛盾，有第一次合閘命令觸發(fā)同期進行同期捕捉失敗后，才有自動遠方并網(wǎng)同期點預估功能的開始，一旦出現(xiàn)與預估相關的信號就說明裝置在設定時間內(nèi)未捕捉到同期點。

3.2.2 原理

調(diào)控端遠方同期并網(wǎng)，一般應用于一側(cè)是系統(tǒng)側(cè)，頻率穩(wěn)定在50Hz，一側(cè)是孤網(wǎng)側(cè)，頻率不固定，孤網(wǎng)側(cè)能運行成功，說明孤網(wǎng)側(cè)發(fā)電機組與負荷的一次調(diào)頻特性能滿足要求，孤網(wǎng)側(cè)頻率總體是往標準的50Hz靠近的一個過程，機組與負荷的一次調(diào)頻所用的時間為秒級，不是一個突變量。根據(jù)該過程，自動遠方同期點預報功能基于斷路器兩側(cè)系統(tǒng)在并網(wǎng)前運行較為穩(wěn)定不會出現(xiàn)大的波動，兩側(cè)系統(tǒng)頻率分布點比較集中，以系統(tǒng)兩側(cè)電壓頻率差的歷史值作為樣本參數(shù)導入預估并網(wǎng)的數(shù)學模型中，在一個固定的時間長度的中尋找下次合適并網(wǎng)的預估時間點。

預估時間點的尋找基于越前時間的同期原理，充分利用裝置測量信息對斷路器兩側(cè)電壓的相位差的變化建立數(shù)學模型，根據(jù)模型進行同期點預報[3]。相位差的產(chǎn)生是由于頻率的不一致引起，直接用頻率差來取代相位差建立數(shù)學模型，每個周波對斷路器兩側(cè)的相角差進行測量計算，取最新的n點的頻率差？駐fi，按先后順序，形成n點頻率差序列？駐f=[？駐f0，？駐f1，…？駐fn-1]，其中？駐fn-1為根據(jù)最新接收的采樣值數(shù)據(jù)測量出的斷路器兩側(cè)頻率差，為保證預估的準確性又不大額增加測控裝置的硬件開銷，對頻率差序列？駐f進行排序去掉兩個最大、最小的頻差，再對剩余的有效頻差序列求取算術平均值得到式（1）？駐f，最后將式（1）轉(zhuǎn)換為時間即可得到預估功能的相對時間式（2）

在當前時間的基礎上加上預估相對時間？駐T，即可得到遠方并網(wǎng)同期點的絕對預估時間，所以遠方并網(wǎng)同期點的預估時間是一個未來的計劃時間。根據(jù)公式（2），平均頻差？駐f越小，捕捉最小合閘角所需時間越長。

3.2.3 預估程序運轉(zhuǎn)的數(shù)學模型

根據(jù)調(diào)控端遠方同期并網(wǎng)需要考慮信號的傳輸及人員的操作時延，設計自動遠方同期點預估功能運轉(zhuǎn)的數(shù)學模型如圖2所示：

預估功能在t0時間開始啟動，t0～tp為預估功能的運行周期，t1為預估到有并網(wǎng)點（最小合閘角）的時間，t1～t2為預留給調(diào)控員的操作時間Td1，Td1是一個固定時間，即t2=t1+Td1；t2～t3為預估并網(wǎng)點靶區(qū)Td2，也是調(diào)控員允許一個并網(wǎng)點最長的并網(wǎng)時間。預估的同期點必須落在Td2期間內(nèi)，若落在Td1期間內(nèi)則放棄并繼續(xù)預估，調(diào)控員的操作時間Td1和預估并網(wǎng)點靶區(qū)Td2隨每次預估到有并網(wǎng)點的t1時間而進行位移。

4 應用前景展望

需要遠方同期并網(wǎng)的時候，調(diào)控員下發(fā)斷路器遙控合閘命令，測控進行同期捕捉，同期捕捉失敗后自動進入遠方并網(wǎng)同期點預估功能，預估到有并網(wǎng)點時，向調(diào)控端上送“預估下次同期并網(wǎng)時間”的變位遙信和預估的并網(wǎng)點SOE（未來時間），調(diào)控員根據(jù)SOE的時間提示，在一個合適的時間下發(fā)遙控命令。根據(jù)遠方并網(wǎng)同期點預估功能的原理分析，頻差越小，同期捕捉時間越長，為了調(diào)控端與測控的有效配合，提高遠方同期并網(wǎng)的成功幾率，可以適當延長同期捕捉的時間定置，如果測控在圖2中的tp時間到達前都未找到并網(wǎng)點則向調(diào)控端返回“預估下次同期并網(wǎng)失敗”變位遙信。

本次研究內(nèi)容提供的同期閉鎖情況反饋遠方功能，能提醒調(diào)控員進行相應的電網(wǎng)運行參數(shù)調(diào)整，便于下一次同期并網(wǎng)的成功。遠方并網(wǎng)同期預估功能對于小頻差的差頻并網(wǎng)合閘角度難于捕捉的問題，能間接的協(xié)助調(diào)控員進行同期捕捉，預估結(jié)果的提供能使調(diào)控員的操作更具有針對性，從根本上解決調(diào)控員盲目合閘進行同期捕捉的情況。

隨著用戶對供電可靠性要求不斷提升，電力系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的日趨緊湊，在并網(wǎng)過程中斷路器同期合閘操作越來越多[4]。隨著集約化管理要求的提出，調(diào)控一體化的運行模式將逐步從220kV高電壓等級覆蓋到35kV低電壓等級，容量小的水電機組均通過35kV線路進行送出，高電壓等級的變電站由于供電方式靈活、可靠性高，使用同期高級應用進行遠方同期并網(wǎng)的幾率較小，對于低電壓等級的變電站或水電豐富、分散，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱的地區(qū)，雨季線路跳閘頻繁，常需要調(diào)控員進行遠方同期并網(wǎng)，本次的研究成果可以大量的應用在低電壓等級的調(diào)控廠站，將使調(diào)控員遠方并網(wǎng)成功率得到提高，事故處置速度得到提升。

5 結(jié)束語

通過測控裝置同期功能、同期模式、變電站運行模式及調(diào)控員遠方同期并網(wǎng)的現(xiàn)狀分析，得出現(xiàn)有測控裝置同期功能與調(diào)控一體運行模式不匹配的問題，提出一種包含同期閉鎖反饋調(diào)控及遠方并網(wǎng)同期預估功能的測控遠方同期并網(wǎng)高級應用研究，能提高調(diào)控端的同期并網(wǎng)成功率，提高調(diào)控員的事故處置速度。

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