500 kV仲洋變站域失靈保護(hù)技術(shù)方案與實(shí)現(xiàn)

魯東海，宗 柳，婁 悅，顧心田

(1. 中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司,江蘇 南京 211102；2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司,江蘇 南京 211102)

1 概述

500 kV敞開式變電站3/2開關(guān)接線方式中的電流互感器通常安裝于開關(guān)一側(cè),當(dāng)兩者之間出現(xiàn)故障時(shí),開關(guān)跳開之后無法使故障徹底從電網(wǎng)中切除,造成了保護(hù)死區(qū)的存在,須借助失靈保護(hù)及所在間隔后備保護(hù)動(dòng)作使相關(guān)的開關(guān)跳開,進(jìn)而達(dá)到徹底切除故障的目的,這種做法會(huì)使得開關(guān)死區(qū)故障切除時(shí)間延長。

強(qiáng)直弱交是指超特高壓交直流電網(wǎng)中,交流與直流兩種輸電形態(tài)在其結(jié)構(gòu)發(fā)展不均衡的特定階段。隨著特高壓交、直流互聯(lián)大電網(wǎng)的發(fā)展,作為核心受端的華東電網(wǎng)“強(qiáng)直弱交”特征進(jìn)一步突出。有分析表明：當(dāng)交流電網(wǎng)發(fā)生N－1故障時(shí),若交流故障切除時(shí)間超過400 ms,直流系統(tǒng)可能發(fā)生連續(xù)2次以上換相失敗,對直流送、受端造成連續(xù)沖擊,容易引發(fā)送、受端電網(wǎng)穩(wěn)定破壞?？赡茉斐晒收锨谐龝r(shí)間超過400 ms的情況；一是故障發(fā)生于開關(guān)死區(qū),二是開關(guān)失靈。

由此可見,采用傳統(tǒng)的斷路器失靈保護(hù)及所在間隔后備保護(hù)切除開關(guān)死區(qū)(失靈)故障的方法已不滿足“強(qiáng)直弱交”電網(wǎng)的穩(wěn)定要求,亟需采用新的系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)快速隔離開關(guān)死區(qū)(失靈)故障。目前,電網(wǎng)系統(tǒng)保護(hù)領(lǐng)域的工作者們提出了多種開關(guān)失靈保護(hù)優(yōu)化方案,在一定程度上降低了開關(guān)死區(qū)(失靈)故障保護(hù)動(dòng)作延時(shí)可能帶來的風(fēng)險(xiǎn)。其中,基于站域信息的死區(qū)(失靈)保護(hù)通過采集全站信息綜合判斷死區(qū)(失靈)故障,可在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確、迅速識別死區(qū)(失靈)故障,跳開本站相關(guān)開關(guān)同時(shí)向?qū)?cè)站點(diǎn)站域失靈保護(hù)發(fā)送故障跳閘信息,驅(qū)動(dòng)對側(cè)保護(hù)跳開相關(guān)開關(guān),最終達(dá)到快速隔離故障的目的,便是一種全新的系統(tǒng)保護(hù)理念。

為驗(yàn)證站域失靈保護(hù)的可行性,國家電網(wǎng)公司于2017年上半年選擇華東500 kV仲洋變等多個(gè)敞開式500 kV變電站,進(jìn)行了站域失靈保護(hù)掛網(wǎng)試運(yùn)行試點(diǎn)工作。文章對華東500 kV仲洋變站域失靈保護(hù)試點(diǎn)(以下簡稱“本試點(diǎn)”)中的技術(shù)方案和實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了詳細(xì)闡述,并對運(yùn)行情況進(jìn)行了分析。

2 試點(diǎn)工程概況

華東500 kV仲洋變位于江蘇省南通市海安縣境內(nèi),是南通地區(qū)的樞紐變電站,對南通西北部電網(wǎng)安全供電和沿海風(fēng)電送出具有重要作用。仲洋變地理接線圖見圖1。

圖1 華東500 kV仲洋變地理接線圖

仲洋變遠(yuǎn)景500 kV主變4臺,500 kV出線8回。該站現(xiàn)有主變進(jìn)線2回(#5、#7主變),出線4回(東洲2回、雙草2回),采用一個(gè)半斷路器接線,組串現(xiàn)狀見圖2。500 kV配電裝置為敞開式配電設(shè)備。

圖2 仲洋變500 kV現(xiàn)狀組串圖

3 站域失靈保護(hù)技術(shù)方案

3.1 500 kV站域失靈保護(hù)構(gòu)架

目前,500 kV站域失靈保護(hù)整體上采用雙端架構(gòu),在需要判斷死區(qū)(失靈)故障的站點(diǎn)和線路對側(cè)站點(diǎn)裝設(shè)保護(hù)裝置,并通過站間通信通道建立通信聯(lián)系。

對單個(gè)站點(diǎn)有兩種構(gòu)架方案：

(1)按串配置站域失靈保護(hù)(詳見圖3),當(dāng)發(fā)生開關(guān)死區(qū)(失靈)故障時(shí),保護(hù)直接跳本串相關(guān)開關(guān),采用雙端通信架構(gòu)直跳對側(cè)開關(guān),達(dá)到快速切除死區(qū)故障的目的。

圖3 按串配置的站域失靈保護(hù)構(gòu)架圖

(2)采用主子機(jī)架構(gòu)(詳見圖4),主機(jī)負(fù)責(zé)站域信息的收集和死區(qū)(失靈)故障的快速識別,并向子機(jī)發(fā)出控制命令；子機(jī)負(fù)責(zé)站內(nèi)模擬量、狀態(tài)量的采集以及跳閘命令的執(zhí)行。

圖4 主子機(jī)構(gòu)架的站域失靈保護(hù)構(gòu)架圖

3.2 站域失靈保護(hù)技術(shù)方案

站域失靈保護(hù)技術(shù)方案根據(jù)上述構(gòu)架,主要有以下兩種技術(shù)方案。

(1)方案一：按串配置的站域失靈保護(hù)技術(shù)方案

按串配置的站域失靈保護(hù),當(dāng)某一臺斷路器的站域失靈保護(hù)動(dòng)作后,聯(lián)跳相鄰斷路器,并通過光纖通道向?qū)?cè)發(fā)聯(lián)跳信號。如果是邊斷路器失靈,還通過面向通用對象的變電站事件(Generic Object Oriented Substation Event,GOOSE)向其它串的保護(hù)裝置發(fā)出失靈聯(lián)跳邊斷路器的信號,其它串收到此GOOSE信號后立即向本串內(nèi)相應(yīng)的邊斷路器發(fā)出跳閘命令,實(shí)現(xiàn)快速切除故障。

對側(cè)站域失靈保護(hù)動(dòng)作后,通過光纖通道向線路本側(cè)的保護(hù)發(fā)遠(yuǎn)跳信號。本側(cè)保護(hù)裝置收到遠(yuǎn)跳信號后,采用線路的電壓、Ⅰ母邊斷路器與中斷路器的“和電流”,進(jìn)行就地判據(jù)的計(jì)算,結(jié)合就地判據(jù)跳本側(cè)Ⅰ母邊斷路器和中斷路器。

各串配置的裝置實(shí)現(xiàn)綜合判別、數(shù)據(jù)采集和跳閘等功能,每個(gè)裝置之間進(jìn)行必要信息交互,全站組一個(gè)GOOSE網(wǎng)絡(luò)。對側(cè)變電站也需配置相應(yīng)裝置。

(2)方案二：主子機(jī)構(gòu)架的站域失靈保護(hù)技術(shù)方案

基于主子機(jī)構(gòu)架的站域失靈保護(hù)通過采集全站信息綜合判斷死區(qū)(失靈)故障。死區(qū)(失靈)故障發(fā)生后,可在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確、迅速識別,跳開本站相關(guān)斷路器,同時(shí)向?qū)?cè)站點(diǎn)保護(hù)發(fā)送故障跳閘信息,驅(qū)動(dòng)對側(cè)保護(hù)跳開相關(guān)斷路器,最終達(dá)到快速隔離故障的目的。

采用主子機(jī)結(jié)構(gòu),主機(jī)集中判別,子機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行跳閘指令,主機(jī)與子機(jī)之間采用點(diǎn)對點(diǎn)光纖方式進(jìn)行連接。對側(cè)變電站也需配置相應(yīng)裝置。

3.3 技術(shù)方案比選

方案一不配置站域主機(jī),保護(hù)判別在各串的保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn),各串之間通過GOOSE網(wǎng)實(shí)現(xiàn)邊斷路器失靈時(shí)向其他串的保護(hù)裝置發(fā)出失靈聯(lián)跳邊斷路器的信號；當(dāng)死區(qū)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后,直接由本側(cè)死區(qū)保護(hù)通過光纖通道向?qū)?cè)發(fā)聯(lián)跳信號。

方案二配置站域主機(jī),保護(hù)判別在主機(jī)實(shí)現(xiàn),主機(jī)與子機(jī)之間采用點(diǎn)對點(diǎn)光纖方式進(jìn)行連接；當(dāng)死區(qū)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后,由本側(cè)主機(jī)通過光纖通道向?qū)?cè)主機(jī)發(fā)聯(lián)跳信號。

兩種方案比較：方案一不需要配置主機(jī)但要組GOOSE網(wǎng),不同串間的GOOSE跳閘信號通過GOOSE交換機(jī)；方案二不需要組GOOSE網(wǎng)但需要配置站域主機(jī),主機(jī)與子機(jī)之間采用點(diǎn)對點(diǎn)光纖方式進(jìn)行連接。

綜上所述,在500 kV仲洋變站域失靈保護(hù)試點(diǎn)中按照雙重化站域失靈保護(hù)配置,應(yīng)用上述兩種技術(shù)方案并進(jìn)行比較。

4 站域失靈保護(hù)的實(shí)現(xiàn)

4.1 配置方案

500 kV仲洋變站域失靈保護(hù)雙重化配置：

(1)按串配置的站域失靈保護(hù)作為第一套保護(hù),根據(jù)仲洋變500 kV現(xiàn)有規(guī)模,第二、三、五、六串每串配置一臺站域失靈保護(hù),全站配置一臺GOOSE網(wǎng)交換機(jī),由于站域失靈保護(hù)動(dòng)作后,需通過光纖通道向?qū)?cè)發(fā)聯(lián)跳信號,因此,每回500 kV線路需配置一臺通信接口裝置；對側(cè)500 kV雙草變、東洲變也需要配置相應(yīng)裝置,考慮到本試點(diǎn)僅試驗(yàn)仲洋變側(cè)站域失靈保護(hù),因此,僅在雙草變、東洲變500 kV仲洋線所在串配置站域失靈保護(hù)裝置,詳見圖5。

4.2 模擬量采樣實(shí)現(xiàn)方案

按串配置的站域失靈保護(hù)裝置和主子機(jī)構(gòu)架的保護(hù)子機(jī)模擬量輸入相同：

(1)邊1開關(guān)三相電流(IA/IB/IC)。

(2)中開關(guān)三相電流(IA/IB/IC)。

(3)邊2開關(guān)三相電流(IA/IB/IC)。

(4)支路1三相電壓(UA/UB/UC)。

(5)支路2三相電壓(UA/UB/UC)。

根據(jù)500 kV仲洋變3/2接線電流、電壓互感器配置現(xiàn)狀,新配置的站域失靈保護(hù)與原有斷路器保護(hù)電流采樣共用1個(gè)電流互感器的5P次級；新配置的站域失靈保護(hù)電壓采樣與支路1、2的線路或主變保護(hù)共用電壓互感器的3P次級,詳見圖6。

4.3 開關(guān)量輸入實(shí)現(xiàn)方案

按串配置的站域失靈保護(hù)裝置和主子機(jī)構(gòu)架的保護(hù)子機(jī)開關(guān)量輸入不盡相同,其中相同部分如下：

(1)邊1開關(guān)分相跳閘位置信號。

(2)中開關(guān)分相跳閘位置信號。

(3)邊2開關(guān)分相跳閘位置信號。

圖5 500 kV仲洋變站域失靈保護(hù)配置方案

圖6 模擬量采樣實(shí)現(xiàn)方案

(4)支路1保護(hù)跳A、B、C、三跳。

(5)支路2保護(hù)跳A、B、C、三跳。

需要說明的是,當(dāng)支路1、2中有一個(gè)為主變支路時(shí),僅有三跳。

按串配置的站域失靈保護(hù)裝置還需接入500 kV Ⅰ、Ⅱ母保護(hù)動(dòng)作接點(diǎn)；主子機(jī)構(gòu)架的站域保護(hù),對于不完整串子機(jī)需接入不完整側(cè)母線保護(hù)動(dòng)作接點(diǎn),對于完整串子機(jī)無需接入母線保護(hù)動(dòng)作接點(diǎn),僅全站主機(jī)接入一副500 kV Ⅰ、Ⅱ母保護(hù)動(dòng)作接點(diǎn)。

4.4 開關(guān)量輸出實(shí)現(xiàn)方案

按串配置的站域失靈保護(hù)裝置和主子機(jī)構(gòu)架的保護(hù)子機(jī)開關(guān)量輸出雷同：

(1)分相跳A、B、C(邊1開關(guān))。

(2)分相跳A、B、C(中開關(guān))。

(3)分相跳A、B、C(邊2開關(guān))。

(4)三跳主變壓器中開關(guān)。

(5)三跳主變壓器低開關(guān)。

需要說明的是,當(dāng)支路1、2中有一個(gè)為主變支路時(shí),同時(shí)切除主變中低壓側(cè)開關(guān)。

4.5 遠(yuǎn)跳對側(cè)實(shí)現(xiàn)方案

仲洋變現(xiàn)有4回500 kV線路,按串配置的站域失靈保護(hù)每回500 kV線路配置一臺通信接口裝置并采用1個(gè)2 M復(fù)用通道與對側(cè)互聯(lián),500 kV雙草變、東洲變相應(yīng)配置,仲洋變死區(qū)故障或者是開關(guān)失靈時(shí),站域失靈保護(hù)動(dòng)作跳相鄰開關(guān)并遠(yuǎn)跳對側(cè)(雙草變或東洲變)相關(guān)開關(guān),對側(cè)收站到遠(yuǎn)跳信號同時(shí)就地判據(jù)持續(xù)滿足時(shí),則經(jīng)延時(shí)確認(rèn)為仲洋變死區(qū)故障或者開關(guān)失靈,跳相應(yīng)開關(guān)。

按主子機(jī)構(gòu)架配置的站域失靈保護(hù)遠(yuǎn)跳對側(cè)實(shí)現(xiàn)方案(見圖7)與按串配置的站域失靈保護(hù)類似,區(qū)別在于主子機(jī)構(gòu)架的站域失靈保護(hù)是站間主機(jī)通信方式,因此,只需仲洋、雙草、東洲每站全站配置一臺通信接口裝置并采用1個(gè)2 M復(fù)用通道與對側(cè)互聯(lián)。

圖7 遠(yuǎn)跳對側(cè)實(shí)現(xiàn)方案

5 站域失靈保護(hù)運(yùn)行分析

以仲洋變第五串F1點(diǎn)故障為例(見圖6),原失靈保護(hù)主要應(yīng)用5053斷路器的電流元件判別,站域失靈保護(hù)可以利用綜合判別提高可靠性,同時(shí)減少判別時(shí)間。

按以下條件倒推：

(1)對側(cè)開關(guān)動(dòng)作速度為60 ms。

(2)出口接點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間5 ms。

(3)通道延時(shí)5 ms以及通道收信確認(rèn)延時(shí)5 ms,共計(jì)10 ms。

本側(cè)通道需在故障后200 ms－(60+5+10)ms=125 ms即開始向?qū)?cè)發(fā)遠(yuǎn)跳令,按200 ms跳開對側(cè)開關(guān),則本側(cè)需在故障后125 ms即向?qū)?cè)發(fā)遠(yuǎn)跳令,即失靈或者死區(qū)站域失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不得高于125 ms。站域保護(hù)切除死區(qū)故障動(dòng)作時(shí)序詳見圖8。

圖8 站域保護(hù)切除死區(qū)故障動(dòng)作時(shí)序圖

6 結(jié)語

華東500 kV仲洋變站域失靈保護(hù)已于2017年6月30日掛網(wǎng)試運(yùn)行。本試點(diǎn)技術(shù)方案充分考慮了仲洋變設(shè)備現(xiàn)狀及站域失靈保護(hù)的實(shí)現(xiàn)需求,在最大限度減少對試點(diǎn)站現(xiàn)有保護(hù)影響的情況下,實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有系統(tǒng)保護(hù)維持不變、同時(shí)新增加的雙重化站域失靈保護(hù)掛網(wǎng)試運(yùn)行。工程實(shí)踐表明,這些技術(shù)方案及實(shí)現(xiàn)方式既滿足500 kV仲洋變安全可靠運(yùn)行要求,又實(shí)現(xiàn)了站域失靈保護(hù)試點(diǎn)的目的,為今后華東電網(wǎng)乃至全國站域失靈保護(hù)推廣提供了技術(shù)參考。