基于頻率偏差和試探偏差的選相合閘閉鎖邏輯

楊遠航 解 良 陳 鵬 錢 兵 殷懷統(tǒng)

（1.云南電力調(diào)度控制中心，昆明 650011； 2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文山供電局，云南 文山 663000）

0 引言

選相合閘是一種可實現(xiàn)“選擇交流電壓相位分合閘”的斷路器智能控制技術(shù)[1-2]。變壓器、交流濾波器投切時刻的交流電壓相位直接決定了投切的暫態(tài)過程[3-5]。應(yīng)用于高壓直流輸電工程的變壓器和交流濾波器電壓等級高、容量大，在理想相位分合閘對設(shè)備安全和系統(tǒng)穩(wěn)定運行都有重要意義[6-8]。

當(dāng)前選相合閘技術(shù)研究主要集中在過零點檢測、分合閘策略、斷路器動作特性等方面且成果豐碩，但對選相合閘動作命令本身的正確性校驗卻缺少關(guān)注[9-14]。目前相關(guān)技術(shù)規(guī)范也尚未對動作風(fēng)險的辨識和處理提出明確要求[15]，主流選相合閘裝置大多缺少相應(yīng)的功能，僅部分廠家采用交流電壓頻率越限閉鎖動作命令的策略[16-18]。實際上，選相合閘裝置參數(shù)設(shè)置不當(dāng)、算法缺陷、元件老化等，以及交流電壓的異常波動都有可能造成選相合閘動作命令錯誤，直接威脅設(shè)備和系統(tǒng)安全運行，實際運行過程中相關(guān)案例并不鮮見。

1 選相合閘技術(shù)簡介

1.1 選相合閘原理

選相合閘技術(shù)即通過選擇理想的電壓相位角投入無功設(shè)備或變壓器，使投入瞬間的沖擊電流最小，保證設(shè)備及系統(tǒng)運行安全。測控后臺發(fā)出斷路器分合閘命令至選相合閘裝置，選相合閘裝置接到分合閘命令后，根據(jù)采集的交流電壓信息選擇合適的時機對斷路器發(fā)出動作命令，使斷路器恰好在理想相位分合閘。

選相合閘裝置程序處理流程大致相同，SID—3YL微機涌流抑制器帶有交流電壓頻率越限閉鎖邏輯，以該裝置為例介紹選相合閘的動作時序。

設(shè)合閘目標為電壓過零點，選相合閘動作時序如圖1所示。

圖1 選相合閘動作時序

圖1中：t1時刻，接到測控后臺發(fā)出的合閘命令；t2時刻，檢測出交流電壓過零點；t3時刻，檢測出當(dāng)前電壓頻率、進行閉鎖邏輯判斷、計算選相合閘動作命令延時Td；T為交流電壓u的周期；tz為影響合閘角度的偏差值。

1）電壓頻率

2）閉鎖邏輯判斷

計算電壓頻率偏差Δf為

設(shè)置“轉(zhuǎn)隨機”控制字及頻率越限定值Δfset。當(dāng)Δf＞Δfset時，“轉(zhuǎn)隨機”控制字退出，則閉鎖本次合閘命令，“轉(zhuǎn)隨機”控制字投入，則隨機發(fā)出合閘命令；當(dāng)Δf＜Δfset時，發(fā)出選相合閘動作命令。

3）動作命令延時Td

設(shè)斷路器固有動作時間為tc，考慮溫度、歷史動作數(shù)據(jù)、預(yù)擊穿等因素對斷路器動作時間進行修正，修正量Δt，利用取余函數(shù)mod(·)計算選相合閘動作命令發(fā)出延時Td為

若裝置未設(shè)置閉鎖邏輯，則在t3時刻只進行選相合閘動作命令延時計算。

圖1中t4時刻，對斷路器發(fā)出合閘動作命令。

圖1中，t5時刻為斷路器預(yù)計合閘時刻。若斷路器實際動作時間與修正后的固有動作時間完全一致，則預(yù)計合閘時刻即實際合閘時刻。

1.2 閉鎖邏輯問題分析

結(jié)合實際運行中的3起選相合閘裝置典型異常動作案例，分析閉鎖邏輯的相關(guān)問題。異常動作案例見表1。

表1 選相合閘典型異常動作案例

綜上可知：

1）實際運行中選相合閘裝置發(fā)出的動作命令有可能出現(xiàn)錯誤而存在較大動作風(fēng)險，故有必要設(shè)置閉鎖邏輯。閉鎖邏輯應(yīng)具備一定的動作風(fēng)險辨識能力，并能根據(jù)現(xiàn)場實際需求閉鎖選相合閘。

2）僅靠頻率偏差越限來辨識動作風(fēng)險，存在頻率測量結(jié)果不可靠、偏差允許范圍難整定的問題，且不能有效反映頻率波動帶來的動作風(fēng)險。

3）變壓器合閘偏差過大將對設(shè)備和系統(tǒng)造成較大沖擊，而交流濾波器閉鎖合閘將無法滿足系統(tǒng)運行的無功匹配要求。因此，閉鎖邏輯應(yīng)能兼顧變壓器投切和交流濾波器投切的不同需求。

2 試探偏差及頻率偏差

2.1 試探偏差

為反映頻率波動對分合閘的影響，并在動作命令出口前進行安全性校核，提出試探偏差ΔYc。試探偏差ΔYc的物理意義為：若執(zhí)行本次動作命令，實際分合閘相位與理想分合閘相位的偏差。

以理想分合閘相位為交流電壓過零點為例，試探偏差如圖2所示。圖2中t5時刻為斷路器預(yù)計分合閘時刻，此時刻對應(yīng)的交流電壓實測相位即執(zhí)行本次動作命令的實際分合閘相位，該相位與理想相位的偏差即試探偏差。

圖2 試探偏差示意圖

為便于計算，可用預(yù)計分合閘時刻交流電壓實測瞬時值作為試探偏差，即

設(shè)系統(tǒng)安全運行允許偏差范圍為δs，設(shè)備安全投切允許偏差范圍為δe，則試探偏差越限判據(jù)為

試探偏差允許范圍如圖3所示。

圖3中，陰影區(qū)為由系統(tǒng)安全運行允許偏差范圍δs和設(shè)備安全投切允許偏差范圍δe共同界定的安全投切區(qū)域。若試探偏差超出該區(qū)域，則說明本次分合閘存在風(fēng)險。

圖3 試探偏差允許范圍

在交流電壓峰值處分合閘的情況與之類似，不再贅述。

2.2 頻率偏差

以工頻50Hz為標準值，設(shè)實測電壓頻率為f，則頻率偏差可由式（2）計算得出。

根據(jù)式（3）、式（4）可以看出，在斷路器合閘動作時間不變的情況下，頻率偏差越大，實際合閘相位角偏離理想合閘相位角越大，設(shè)備合閘風(fēng)險越高。因此，頻率偏差可以作為選相合閘動作風(fēng)險的判據(jù)之一，其反映的是當(dāng)前系統(tǒng)運行頻率下的合閘風(fēng)險，而試探偏差則預(yù)測合閘風(fēng)險，利用試探偏差和頻率偏差可綜合評估選相合閘動作風(fēng)險。

3 閉鎖邏輯設(shè)計

閉鎖邏輯要解決兩個問題：①有效辨識選相合閘動作風(fēng)險；②合理平衡動作命令出口與閉鎖的矛盾。

變壓器投切不頻繁，投切時變壓器處于空載狀態(tài)，其投切速度和成功率對系統(tǒng)穩(wěn)定運行影響較小，但變壓器造價昂貴，且勵磁涌流會嚴重影響并列運行設(shè)備。因此，應(yīng)優(yōu)先考慮保證投切的安全性，靈敏辨識動作風(fēng)險，存在動作風(fēng)險立即閉鎖動作命令。

交流濾波器投切頻繁，通常是配合系統(tǒng)運行的無功需要而投切，其投切成功率對系統(tǒng)穩(wěn)定運行影響較大。因此，應(yīng)優(yōu)先考慮保證投切的成功率，可靠辨識動作風(fēng)險，不存在動作風(fēng)險則開放動作命令。

定值設(shè)置：頻率越限定值Δfset，系統(tǒng)安全運行允許偏差范圍δs，設(shè)備安全投切允許偏差范圍δe。

元件設(shè)置：頻率偏差越限，試探偏差越限，動作風(fēng)險。

頻率偏差越限為“1”的條件為Δf＞Δfset，試探偏差越限為“1”的條件為ΔYc?δs∩δe。

設(shè)置動作風(fēng)險辨識時間窗，如圖4所示。

圖4中，t3時刻為頻率偏差越限判別時刻，t5時刻為試探偏差越限判別時刻，由二者構(gòu)成動作風(fēng)險辨識時間窗。

圖4 動作風(fēng)險辨識時間窗

動作風(fēng)險為“1”的條件為：在一個動作風(fēng)險辨識時間窗內(nèi)，頻率偏差或試探偏差越限。

3.1 適用于變壓器投切的閉鎖邏輯

1）頻率越限定值Δfset宜設(shè)置較小，以提高動作風(fēng)險辨識靈敏度。正常運行工況下，交流電壓頻率偏差一般不超過0.2Hz，設(shè)置頻率越限定值Δfset= 0.5～1Hz即可滿足正常運行工況要求。

2）“動作風(fēng)險”為“1”即閉鎖選相合閘動作命令。

變壓器投切選相合閘動作流程如圖5所示。

圖5 變壓器投切選相合閘動作流程

3.2 適用于交流濾波器投切的閉鎖邏輯

1）異常運行工況下，電壓頻率波動較大，且往往需要配合交流濾波器投切。因此，頻率越限定值Δfset宜適當(dāng)放大，可取Δfset=4～5Hz。

2）連續(xù)兩個動作風(fēng)險辨識窗內(nèi)的“動作風(fēng)險”判別結(jié)果均為“1”，則閉鎖選相分合閘。

適當(dāng)放寬閉鎖條件，以提高風(fēng)險辨識可靠性和投切成功率。

交流濾波器投切選相合閘動作流程如圖6所示。

圖6 交流濾波器投切選相合閘動作流程

3.3 閉鎖邏輯對選相分合閘性能影響

1）采用試探偏差進行風(fēng)險辨識后，在正常工況下，選相合閘動作時間增加了動作風(fēng)險辨識帶來的 延時。動作風(fēng)險辨識時間窗長度即斷路器固有動作時間，一般為30～50ms。對變壓器投切工況，僅進行一次動作風(fēng)險辨識，增加延時大約為30～50ms，對交流濾波器投切工況，可能涉及二次動作風(fēng)險辨識，增加延時大約為30～100ms。

2）變壓器選相合閘投切條件更為嚴格，提升了投切的安全性，交流濾波器投切條件適當(dāng)放寬，增加了投切的成功率。

為適應(yīng)閉鎖邏輯帶來分合閘動作延時的影響，測控后臺（如直流換流站站控系統(tǒng)）在監(jiān)視變壓器或交流濾波器投切結(jié)果時應(yīng)計及該延時。

3.4 閉鎖邏輯有效性分析

以表1中的兩個實際案例分別對適用于變壓器投切的閉鎖邏輯和適用于交流濾波器投切的閉鎖邏輯進行驗證。

1）在案例3中，某直流背靠背工程在系統(tǒng)正常運行時后臺操作投入一換流變，由于該換流變的選相合閘裝置合閘策略設(shè)置錯誤，導(dǎo)致?lián)Q流變投入時出現(xiàn)較大勵磁涌流，造成并列運行的所有B型交流濾波器跳閘，并導(dǎo)致直流閉鎖。根據(jù)現(xiàn)場實測電壓錄波，對適用于變壓器投切的閉鎖邏輯案例驗證如圖7所示。

圖7中，采用本文所提閉鎖邏輯的換流變選相合閘裝置在t0時刻接到測控后臺發(fā)出的合閘啟動命令，根據(jù)t1和t2兩個過零點時刻檢測出當(dāng)前電壓頻率，并進行閉鎖邏輯判斷。斷路器經(jīng)修正的固有動作時間為34.3ms，根據(jù)選相合閘策略計算得到t3時刻發(fā)出合閘命令，推算出斷路器將在t4時刻合閘。在t4時刻檢測到交流電壓處于過零點處，落在試探偏差允許范圍之外，于是“動作風(fēng)險”判為“1”， 閉鎖選相合閘裝置，避免了換流變遭受涌流沖擊及直流閉鎖事件。

圖7 適用于變壓器投切的閉鎖邏輯案例驗證

2）在案例2中，某逆變站一小組交流濾波器跳閘后，備用交流濾波器因選相合閘裝置閉鎖而投入失敗，造成直流降功率運行。根據(jù)現(xiàn)場實測電壓錄波，對適用于交流濾波器投切的閉鎖邏輯案例驗證如圖8所示。

圖8中，采用本文所提閉鎖邏輯的交流濾波器選相合閘裝置（設(shè)置頻率越限定值為5Hz）在t0時刻接到測控后臺發(fā)出的合閘啟動命令，根據(jù)t1和t2兩個過零點時刻檢測出當(dāng)前電壓頻率為53.8Hz，未超過頻率越限定值。斷路器經(jīng)修正的固有動作時間為34.3ms，根據(jù)選相合閘策略計算得到t3時刻發(fā)出 合閘命令，推算出斷路器將在t4時刻合閘。在t4時刻檢測到交流電壓位于試探偏差允許范圍之內(nèi)，于是“動作風(fēng)險”判為“0”，接下來計算出t5時刻發(fā)出合閘命令并發(fā)出實際命令，最終將在t6時刻成功合閘，提升了交流濾波器選相合閘的投切成功率。

圖8 適用于交流濾波器投切的閉鎖邏輯案例驗證

4 結(jié)論

本文結(jié)合實際運行中出現(xiàn)的選相合閘異常動作案例，分析了當(dāng)前現(xiàn)場運行的選相合閘閉鎖邏輯存在的問題，提出了利用試探偏差判斷選相合閘動作風(fēng)險的方法，通過結(jié)合頻率偏差和試探偏差可以更全面地評估設(shè)備選相合閘風(fēng)險。相應(yīng)地，針對變壓器投切和交流濾波器投切的不同運行需求，提出了適用于二者投切工況的閉鎖邏輯。