含小電源的地方電網(wǎng)區(qū)域備自投的研究

楊金東, 肖　齊, 陶　曄, 李周龍, 李榮民, 李　佳, 冀婉舒, 郭鵬程, 余向陽

(1.云南電網(wǎng)有限責任公司 臨滄供電局, 云南 臨滄 677000; 2.西安理工大學 水利水電學院, 陜西 西安 710048)

電網(wǎng)智能化對供電可靠性的要求越來越高,電網(wǎng)結構日益復雜多變,而傳統(tǒng)的基于站內電氣信息量的備自投裝置僅作用于裝設有該備自投的單一變電站,對于鏈式網(wǎng)絡只能挽救開環(huán)點廠站的負荷[1]。為提高電網(wǎng)的安全性,區(qū)域備自投控制系統(tǒng)需要與站內備自投配合動作。

云南臨滄地區(qū)網(wǎng)架結構薄弱[2],水電資源豐富,存在較多單線單變鏈式供電,110 kV變電站有大量小電源上網(wǎng)的情況。當線路發(fā)生故障,由于小電源的支撐使得變電站孤網(wǎng)運行或母線緩慢失壓[3],可能導致備自投不動作,影響鏈式供電區(qū)域的供電可靠性,若動作,則犧牲了孤網(wǎng)運行的可能性。

目前國內研究的區(qū)域備自投控制系統(tǒng)大部分基于地區(qū)電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(EMS),通過各變電站遙測、遙信等相關信息[4-5]對備自投是否動作進行判斷。文獻[6]以具有特定連接的3個弱聯(lián)系變電站作為研究目標,介紹了一種廣域變電站備用電源自投方案,通過電網(wǎng)信息共享和遠程光纖通道信息技術實現(xiàn),并給出了邏輯功能建模流程。文獻[7]提出一種基于站域信息的備自投構建方法,用一套裝置實現(xiàn)一個變電站內的所有備自投功能。文獻[8-9]利用拓撲結構辨別提出了可自動生成動作邏輯的備自投自適應建模方法。但以上自適應建模仿真均未考慮分布式電源接入的情況。

本文提出了一種適用于大量小電源接入地方電網(wǎng)的區(qū)域備自投模型構建方法,說明了區(qū)域備自投與傳統(tǒng)站內備自投配合原則,通過電網(wǎng)運行實時信息進行判斷可自動生成控制指令,實現(xiàn)大量小電源接入地方電網(wǎng)的區(qū)域備自投自適應建模。最后,利用PSCAD模擬實際電網(wǎng)運行參數(shù)進行故障仿真。仿真結果表明,本文提出的區(qū)域備自投模型在小電源富集區(qū)域能夠更好地適應線路失去主供電源后備用電源的投入,更快地縮短故障時間、縮小失電范圍,也大大降低了備自投建模的人工維護工作量。

1　區(qū)域備自投的設計方案

1.1　傳統(tǒng)站內備自投控制策略

110 kV變電站站內典型接線方式包括:單母分段、單母分段帶旁母、雙母線接線。傳統(tǒng)站內備自投控制策略根據(jù)不同接線方式建立相應的備自投模型,備自投種類繁多[10-11],現(xiàn)就典型接線下的傳統(tǒng)站內備自投動作邏輯進行簡要說明。

以110 kV單母分段接線方式為例,如圖1所示,分別對站內備自投充電條件、放電條件、動作邏輯、閉鎖條件判據(jù)作出說明,其他三種接線方式與單母分段接線的邏輯判據(jù)相似[12],故不再贅述。

圖1　110 kV單母分段接線方式Fig.1　110 kV sectionalized single-bus configuration

充電邏輯如表1所示,表達式為:A&B&C& D&E&F,當同時滿足以上6個條件時備自投開始充電,把乙線作為甲線的備用供電線路,防止故障跳閘母線失壓的情況發(fā)生。

放電邏輯如表2所示,表達式為:A|B|C|D|E|F,當任一條件成立時備自投立即放電,不具備動作條件。

表1　充電條件判據(jù)Tab.1　Charging condition criterion

表2　放電邏輯判據(jù)Tab.2　Discharge logic criterion

動作邏輯見表3,表達式為:A&B&C&D &E。當故障跳閘后滿足動作邏輯條件時備自投動作,首先跳開甲線開關DL1,再合上乙線開關DL2,乙線則作為備用線路為變電站持續(xù)性供電。

表3　動作邏輯判據(jù)Tab.3　Action logic criterion

1.2　傳統(tǒng)站內備自投與區(qū)域備自投配合原則

當線路發(fā)生故障跳閘時,110 kV變電站站內原有備自投將動作,恢復鏈式網(wǎng)絡開環(huán)點站的供電?，F(xiàn)基于原有站內備自投,構建一種綜合遙測、遙信等電氣量信息可遠方分合斷路器的區(qū)域備自投控制策略。當電網(wǎng)中無小電源接入,站內備自投與區(qū)域備自投配合動作原則是:當?shù)胤诫娋W(wǎng)某一線路或母線發(fā)生故障,備自投動作條件滿足,判斷站內是否裝有備自投裝置,未安裝備自投裝置或動作失敗均啟動區(qū)域備自投[13]。若站內備自投動作成功,由區(qū)域備自投判斷是否需要后續(xù)動作,若已恢復所有失電母線電壓,則向區(qū)域備自投發(fā)送閉鎖指令,區(qū)域備自投根據(jù)閉鎖指令[14]不動作,具體流程圖見圖2。當電網(wǎng)中有小電源接入時,則直接切掉大量小電源,備自投雖然滿足動作條件,但卻犧牲了孤網(wǎng)運行的可能,造成了不必要的能源流失。

圖2　站內備自投與區(qū)域備自投配合動作邏輯Fig.2　Supply backup automatic switch and regional coordinated action logic in station

區(qū)域備自投的動作邏輯控制依靠遠程光纖通信技術實現(xiàn),在通信中斷的情況下,區(qū)域備自投自動閉鎖。此時原有站內備自投立即啟動動作,挽救開環(huán)點站負荷,避免大面積停電事故的發(fā)生。

1.3　考慮小電源接入對備自投的影響

未有小電源接入地方電網(wǎng)時,以圖1為例,線路甲線發(fā)生故障,保護動作開關DL1跳閘,母線M1電壓迅速下降,當M1電壓小于額定電壓的30%且甲線電流降至低于額定電流的30%時啟動備自投動作[15],經(jīng)延時合上開關DL2,恢復M1、M2的母線電壓。故障發(fā)生母線未失壓,實現(xiàn)了備自投功能。

當存在小電源接入電網(wǎng)時,線路甲線發(fā)生故障跳閘,母線M1因為有小電源的支撐電壓暫時不下降,不能降至30%的額定電壓以下,不滿足備自投動作條件,故導致備自投不動作。小電源與母線M1形成孤島,運行不穩(wěn)定且電能質量差[16]。

對于地方電網(wǎng)中小電源富集的情況,故障后區(qū)域內仍有電壓,會導致備自投不滿足動作條件投入失敗,同時如果小電源與母線孤島運行致使備自投誤動,可能造成整個區(qū)域電網(wǎng)失穩(wěn),潛在大面積停電的風險極高。因此,小電源接入地區(qū)的備自投控制策略具有重要的研究價值。

2　區(qū)域備自投模型的建立

區(qū)域備自投模型的建立仿照站內備自投動作邏輯方式,通過電網(wǎng)EMS系統(tǒng)實時運行狀態(tài)直接匹配一組工作斷路器和備用斷路器[17],當某一工作斷路器跳閘,另一備用斷路器閉合可以恢復工作斷路器斷開后連接的失壓母線電壓,則定義該工作斷路器和備用斷路器為一組匹配的備自投。

2.1　模型定義

假設系統(tǒng)已匹配到工作斷路器DL1,備用斷路器是DL2,S1、S2表示斷路器運行狀態(tài),0表示開關閉合,1表示關斷,BUS1、BUS2分別表示DL1和DL2所連母線電壓值,OPPBUS1、OPPBUS2分別表示DL1和DL2對端母線電壓值,IN1、IN2表示流過DL1和DL2的電流值。

充電條件:

S1=0 & S2=1 & BUS1≥70%×額定值 & BUS2≥70%×額定值 & OPPBUS2≥70%×額定值。

即:工作斷路器閉合,備用斷路器處于熱備用狀態(tài),工作斷路器所連母線電壓高于母線額定電壓的70%,定義為有壓,同時備用斷路器所連母線有壓,備用斷路器對端母線有壓,以上條件均滿足,區(qū)域備自投充電。

放電條件:

工作斷路器所連母線保護動作;工作斷路器處于檢修狀態(tài);安穩(wěn)裝置動作;手動分閘工作斷路器;S2=0|OPPBUS2≤30%×額定值。

即:當區(qū)域備自投動作成功,備用斷路器閉合,或備用斷路器對端母線電壓低于母線額定電壓的30%,定義為無壓,滿足以上任一條件,區(qū)域備自投放電。

動作條件:

IN1≤30%×正常運行電流有效值 & BUS1≤30%×額定值 & BUS2≤30%×額定值 & OPPBUS2≥70%×額定值。

即:流過工作斷路器的電流小于正常運行時流過斷路器電流的30%,定義為無流,且工作斷路器所連母線無壓、備用斷路器所連母線也無壓,同時備用斷路器對端母線有壓,滿足上述全部條件時,區(qū)域備自投接收到動作指令。

動作順序:

先跳開工作斷路器,后合上備用斷路器,動作時若重復匹斷不同的斷路器,仍按照該順序動作。

針對已判別出的斷路器類型定義為一組備自投,根據(jù)上述邏輯條件匹配對應狀態(tài),通過EMS系統(tǒng)實時采集的信息判斷是否滿足區(qū)域備自投動作條件,若滿足可自動執(zhí)行。此模型不需要識別出變壓器備自投、母聯(lián)備自投、線路備自投的備自投類型[7],只要匹配出一組可以使母線恢復供電的工作斷路器和備用斷路器,就滿足備自投動作組合關系。當電網(wǎng)運行方式發(fā)生變化時,可重新辨別工作斷路器和備用斷路器而再次組合,不需人工建模操作。

2.2　對接入小電源的處理方法

小電源作為備用電源可提高供電可靠性[18],應充分考慮小電源與所連負荷能形成孤網(wǎng)的可能性,盡可能使母線不失壓。文獻[19]采用將小電源“一刀切”方式,雖然滿足了備自投動作條件,但又喪失了準同期并網(wǎng)的可能,把母線失壓作為代價,反而不能提高供電可靠性。所以,當發(fā)生故障跳閘首先判斷是否存在小電源,若存在小電源帶負荷形成孤島獨立運行區(qū)域時,不滿足備用電源投入動作條件,則根據(jù)小電源數(shù)量和小電源出力情況,判斷獨立網(wǎng)和主網(wǎng)間的頻率差及合環(huán)點兩側的電壓差是否在并網(wǎng)條件允許范圍之內,若滿足則通過機組調速系統(tǒng)進行調整,并向智能準同期并網(wǎng)裝置下發(fā)準同期合閘指令,達到區(qū)域內所有能恢復母線可恢復并網(wǎng)或穩(wěn)定運行的目的。如果頻率和電壓波動較大,則選擇快速聯(lián)切小電源,加速變電站母線失壓,使其符合區(qū)域備自投動作條件,提高了供電可靠性和資源利用率。生成的相對應控制邏輯如圖3所示。

圖3　考慮接入小電源的控制邏輯Fig.3　Consider the control logic for small power supplies

3　仿真實驗

模擬云南臨滄地區(qū)電網(wǎng)實際運行情況,建立適用于該地區(qū)大量小電源接入的區(qū)域備自投模型,基于PSCAD平臺對其進行了仿真分析。以圖4所示110 kV鏈式網(wǎng)絡為例,相關小電站參數(shù)見表4,DL9為開環(huán)點,即開關DL9在分位作為備用斷路器。

圖4　臨滄電網(wǎng)110 kV鏈式網(wǎng)絡系統(tǒng)圖Fig.4　Systematic diagram of 110 kV chain network of Lincang power grid

小電源站編碼名稱容量/MWA仙人山變電站、南襪河變電站24+12B司崗里變電站189C仙人山變電站24

區(qū)域備自投充電條件是:

(S1～S8、S10～S12)=0 & S9=1 & BUS9≥70%×額定值 & OPPBUS9≥70%×額定值。

即:開關DL9在分位,其他開關(DL1、DL2、DL3、DL4、DL5、DL6、DL7、DL8、DL10、DL11、DL12)均在合位;110 kV E站M5母線三相有壓;DL9側有線路電壓互感器(即“DL9側線路PT”整定控制字為1)時UX9有壓;或者“DL9側線路PT”整定控制字為0時,M5有壓。

區(qū)域備自投動作條件:

故障點不同,動作邏輯不盡相同,具體故障設置情況見圖5。本文僅對典型故障(k1、k8)作詳細說明,其他故障情況與其相似,不再贅述。所有故障設定為t=0.5 s時發(fā)生單相接地故障。

1) 線路故障(含小電源接入,以k1點故障為例)。

模擬開關DL1和DL2之間的線路k1點發(fā)生故障,開關DL1跳閘,110 kV母線M2、M3、M4、M5均失壓,區(qū)域備自投識別出k1點發(fā)生故障,首先檢測故障點(k1)與開環(huán)點(DL9)之間是否有小電源,存在小電源A、B、C站,當故障發(fā)生后,因小電源的支撐作用母線不失壓,備自投不動作,此時電網(wǎng)頻率f、電壓v均有較大波動(見圖6),經(jīng)判斷切掉小電源并延時(用于躲過110 kV E站的站內備自投裝置動作時間)。

圖5　臨滄電網(wǎng)110 kV鏈式網(wǎng)絡故障點示意圖Fig.5　Schematic diagram of failure points in 110 kV chain network of Lincang power grid

圖6　含小電源網(wǎng)絡k1點故障后的頻率及電壓波形圖Fig.6　The waveform of frequency and voltage after failure at k1 point in network including small power source

區(qū)域備自投動作邏輯:

a) 如果110 kV E站站內備自投裝置動作成功,即開關DL8跳開、開關DL9合上,區(qū)域備自投檢測到工作斷路器和備用斷路器的開關狀態(tài),生成相應備自投,如果滿足以下動作條件:

S8=1 & BUS2≤30%×額定值 & BUS4≤30%×額定值 & BUS6≤30%×額定值 & BUS8≥70%×額定值

其中,BUS2表示M2(110 kV B站母線), BUS4表示M3(110 kV C站母線), BUS6表示M4(110 kV D站母線), BUS8表示M5(110 kV E站母線)。

則首先跳開開關DL6,后合上開關DL8,如果滿足條件:

S6=1 & BUS2≤30%×額定值 & BUS4≤30%×額定值 & BUS6≥70%×額定值

再跳開關DL4、合開關DL6,再滿足條件:

S4=1 & BUS2≤30%×額定值 & BUS4≥70%×額定值

再跳開關DL2、合開關DL4,隨后放電。

仿真結果:區(qū)域內所有能恢復母線(M2、M3、M4、M5)恢復供電情況仿真結果如圖7所示。

圖7　區(qū)域內各母線電壓有效值Fig.7　Effective values of various bus voltages within the range

b) 如果110 kV E站站內備自投裝置動作失敗或者該站內并未安裝備自投裝置,區(qū)域備自投檢測到工作斷路器和備用斷路器的開關狀態(tài),生成相應備自投,如果滿足以下動作條件:

BUS2≤30%×額定值& BUS4≤30%×額定值& BUS6≤30%×額定值 & BUS8≤30%×額定值 & OPPBUS9≥70%×額定值 & S10=0

則由區(qū)域備自投控制跳開開關DL8,后合上開關DL9。確認DL9閉合后,接下來邏輯同a)。

2) 母線故障(含小電源接入,以k8點故障為例)。

110 kV E站未裝設110 kV母差保護裝置,當k8點發(fā)生故障時,開關DL8保護不動作,只有DL7保護動作,區(qū)域備自投會誤識別為k7點故障。

首先檢測k7點和DL9之間是否有小電源,當k8點發(fā)生故障后,因小電源C站的存在使得M5緩慢失壓不滿足動作條件,且此時電網(wǎng)頻率f、電壓v波動較大(見圖8),因此選擇切斷小電源并延時(用于躲過110 kV E站的站內備自投裝置動作時間)。

區(qū)域備自投動作分以下兩種情況:

a) 如果110 kV E站站內備自投裝置動作成功,會合于故障,由DL10保護跳開,此時已不滿足有壓條件,區(qū)域備自投放電。

b) 如果110 kV E站站內備自投裝置動作失敗或者該站內并未安裝備自投裝置,區(qū)域備自投檢測到開關狀態(tài),滿足以下條件:

BUS8≤30%×額定值 & OPPBUS9≥70%×額定值 & S10=0

則由區(qū)域備自投控制跳開開關DL8,后合上開關DL9,之后放電,合于故障由DL10跳開。

區(qū)域內各母線電壓仿真結果如圖9所示。

圖8　含小電源網(wǎng)絡k8點故障后頻率及電壓波形圖Fig.8　The waveform of frequency and voltage after failure at k8 point in network including small power source

圖9　區(qū)域內各母線電壓有效值Fig.9　Effective values of various bus voltages within the range

此外,若保護區(qū)域外發(fā)生故障時導致串供出線失電,當220 kV A站保護動作,區(qū)域備自投動作邏輯同k1點故障邏輯;當220 kV G站保護裝置動作,動作邏輯同k11點故障時的動作邏輯。

從以上四種故障分析可以看出,本文提出的區(qū)域備自投方案簡單準確,可以適應電網(wǎng)多變的運行方式而快速建模,提高了工作效率和供電可靠性。

4　結　語

結合云南臨滄地區(qū)電網(wǎng)原有備自投需要人工設置邏輯,工作量大,且存在大量小電源致使備自投拒動或誤動的實際問題,本文提出一種與原有站內備自投配合投切,適用于含小電源的區(qū)域備自投方案。通過實時辨識斷路器狀態(tài)以判別工作斷路器和備用斷路器而生成一組備自投,根據(jù)動作邏輯條件自動生成控制指令,與站內備自投配合投切,節(jié)約了建設投資。同時,考慮到盡可能使母線不停電,提出了小電源帶負荷孤島運行時遠方同期并網(wǎng)的可能,若不滿足同期并網(wǎng)條件,再快速聯(lián)切小電源,加速母線失壓。解決了小電源接入時地方電網(wǎng)備自投拒動造成大面積失電的問題,縮短了小電源富集地區(qū)故障后恢復供電的時間,提高了電網(wǎng)的供電可靠性和資源利用率。

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