鏈式網(wǎng)絡中區(qū)域備用電源自動投入的風險控制及策略優(yōu)化

殷攀程，劉 鑫，袁明哲，鄭茜元，陳 翔

(國網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司,四川 成都 610041)

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)可靠性要求的提高，接線簡單、可靠性高的備用電源自動投入(以下簡稱備自投)裝置得到了廣泛應用。備自投裝置是指當電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，能夠和其他保護相配合，迅速切除故障且將備用電源投入或將運行線路投入到備用電源上，以減少失電時間的裝置。

常規(guī)備自投可以保證多電源變電站的可靠性，然而，在不少地區(qū)由于山地地形或系統(tǒng)短路容量的限制，往往系統(tǒng)中需要有開環(huán)點，從而形成鏈式網(wǎng)絡、輻射網(wǎng)絡或者兩個特征都具備的鏈式輻射網(wǎng)絡。區(qū)域備自投憑借在鏈式結構串供變電站電源點故障時能快速恢復供電的優(yōu)勢逐漸廣泛在現(xiàn)場應用，技術也日益成熟[1-2]。

下面分析常規(guī)備自投的局限性，介紹了區(qū)域備自投的動作邏輯、工程運用中的風險和控制措施以及判據(jù)優(yōu)化。同時結合110 kV草池—十里壩鏈式網(wǎng)絡搭建了RTDS仿真系統(tǒng)，對典型的故障進行了測試分析。

1 常規(guī)備自投的局限性

傳統(tǒng)常規(guī)備自投裝置受到電網(wǎng)結構和方式的局限較大，通常適用于非開環(huán)站點變電站。在鏈式電網(wǎng)實際運行中，一旦出現(xiàn)故障，常規(guī)備自投難以準確識別當前運行方式、定位故障、聯(lián)調(diào)遠方備自投裝置進行動作，難以及時投入備用電源，減少停電時間[3-7]。

以圖 1鏈式網(wǎng)絡為例，開環(huán)點設在D變電站處，僅可實現(xiàn)該站的進線備自投功能。如果此時在AB變電站中間發(fā)生K1故障，該條線路保護將動作，跳開A1、B1斷路器，導致B、C變電站失電，而有常規(guī)備自投功能的D變電站檢測到本站母線電壓正常不會動作，D1斷路器不會動作，那么B、C變電站將繼續(xù)失電，傳統(tǒng)備自投裝置只能在D、E變電站中間發(fā)生K2故障時，才能準確動作，跳開E1斷路器和D2斷路器，合閘D1斷路器，恢復供電。從此案例可以得出，在電網(wǎng)以鏈式結構運行和發(fā)生故障時，傳統(tǒng)備自投裝置有概率不準確動作，難以恢復供電[8]。

圖1 鏈式網(wǎng)絡

2 區(qū)域備自投邏輯及風險控制

2.1 區(qū)域備自投動作邏輯

備自投裝置邏輯原理見圖 2。動作邏輯的控制條件包括：充電條件、閉鎖條件和啟動條件。當所有充電條件都得到滿足，所有閉鎖條件都不滿足時，如果有放電情況，備自投裝置將無法動作；如果滿足啟動條件，即備用有壓，母線無壓，主供線路無流，則裝置出口動作[9-12]。

圖2 備自投裝置動作邏輯

常規(guī)備自投分為4種工作方式：線路備投(包含自投方式1和方式2)、分段(橋)自投(包含自投方式3和方式4)。

而區(qū)域備自投的工作原理是根據(jù)本側變電站和遠方變電站的連接方式，識別電網(wǎng)的網(wǎng)架結構、運行方式以及開環(huán)點位置，當該區(qū)域內(nèi)發(fā)生任何故障時，均能準確及時跳開失壓線路或變電站的主供電源斷路器，合上鏈式網(wǎng)絡中開環(huán)點的備用電源，恢復供電。以常見的某區(qū)域備自投裝置為例，其工作方式有6種，除上述的自投方式1～4外，還有聯(lián)絡線開環(huán)點處備投(方式5)和聯(lián)絡線合環(huán)點處無壓跳閘(方式6)兩種，對應的系統(tǒng)運行方式如圖 3所示。

圖3 某區(qū)域備自投運行方式(方式5、方式6)

方式5的充電條件為：

1)Ⅰ母、Ⅱ母均三相有壓，U×2有壓或者通道正常時，對側站Ⅱ母有壓并且對側2DL斷路器在合位；

2)1DL斷路器在合位，2DL斷路器在分位，3DL斷路器在合位，經(jīng)備自投充電時間后充電完成。

其動作過程為：當充電完成后，2DL斷路器所在的Ⅱ母有壓，通道正常并且對側站Ⅱ母無壓，U×2無壓，收到“對側啟動遠方自投”信號，則備自投啟動，經(jīng)整定延時后合2DL斷路器。

方式6的充電條件為：

1)Ⅰ母、Ⅱ母均三相有壓；

2)1DL、2DL、3DL斷路器在合位，經(jīng)備自投充電時間后充電完成。

其動作過程為：

1)Ⅰ母、Ⅱ母均無壓，I1無流，4DL斷路器或1DL斷路器在分位。

2)Ⅰ母、Ⅱ母均無壓(三線電壓均小于無壓啟動定值)，I1無流，4DL、1DL斷路器均在合位并且U×1無壓。

滿足上述兩個條件中任一條件，則啟動，經(jīng)延時跳開1DL斷路器。確認1DL斷路器跳開，并且Ⅰ母、Ⅱ母均無壓后，給對側發(fā)啟動遠方自投信號。

3)若分段斷路器偷跳，即3DL斷路器跳開，Ⅱ母無壓，則啟動，經(jīng)延時跟跳分段3DL斷路器。確認3DL跳開后且Ⅱ母無壓，給對側發(fā)啟動遠方自投信號。

2.2 區(qū)域備自投工程運用中的風險及控制措施

區(qū)域備自投相較于常規(guī)備自投，有更復雜的邏輯原理，其風險存在于安裝調(diào)試、整定計算、運行維護3個方面，需要對其重點研究分析，實現(xiàn)區(qū)域備自投裝置的可靠運行[13-14]。

2.2.1 安裝調(diào)試風險

1)區(qū)域備自投裝置可以接合后位置繼電器(KKJ)，也可以接手跳繼電器(STJ)，但如果采用后者的接線方式，手分本站斷路器時，本站備自投裝置不會向對側發(fā)送“閉鎖遠方備自投”信號，可能會造成對側站備自投誤動作。因此需要對側站提前退出備自投相應功能，這既增加了運行維護人員工作量，又增加了安全風險，因此建議兩側都采用接入KKJ的方式。

2)現(xiàn)場進線電源PT二次額定值可能不同，如進線1為57.7 V，進線2為100 V。若裝置有壓定值按線電壓整定且可以根據(jù)PT二次額定電壓自適應調(diào)整，則進線電壓按實際接線即可；若無法自適應調(diào)整，則應該改變PT抽頭，將2條進線電壓接為一致。

3)普通備自投聯(lián)切小電源是通過跳主供電源的備用出口進行聯(lián)切。但區(qū)域備自投在方式4充電時(如圖4所示)，當滿足Ⅱ母無壓、I2無流，Ⅰ母有壓，2DL斷路器在合位并且U×2無壓時，同時收到對側站“對側起動遠方自投”開入，則本站不會動作跳2DL斷路器，因而也不聯(lián)切小電源。此時區(qū)域備自投會直接動作合3DL斷路器，造成小電源與系統(tǒng)電源的非同期合閘，所以安裝調(diào)試時需要啟用“聯(lián)跳Ⅰ母開關出口”“聯(lián)跳Ⅱ母開關出口”功能，完善相應的接線，保證一旦有母線失壓的情況，立即聯(lián)切小電源開關，避免非同期合閘。

圖4 某區(qū)域備自投工作方式(方式3、方式4、方式6)

4)備自投裝置投運前需要進行完整的帶斷路器傳動試驗，常規(guī)備自投傳動時可以通過遙跳對側站主供電源的方式進行。但是如果在區(qū)域備自投中傳動時如果遙跳聯(lián)絡線對側斷路器，則對側站會向本站發(fā)送“閉鎖遠方備自投”信號從而導致區(qū)域備自投動作閉鎖，傳動試驗失敗。因此在制定區(qū)域備自投裝置帶斷路器傳動方案時應注意方案的正確性和合理性，盡量減少傳動次數(shù)，減輕對一次設備尤其是變壓器的沖擊。

2.2.2 整定計算風險

1)電壓取值整定。區(qū)域備自投裝置需要按照線電壓值對其有壓定值、無壓啟動定值、無壓合閘定值進行整定[13]。

2)跳閘時間整定。裝置要實現(xiàn)遠方備自投功能，則區(qū)域備自投方式6中跳主供電源時間應小于方式2、方式4中的跳閘時間，并考慮一定裕度。保證對側站失壓時通過遠方備自投邏輯直接合上開環(huán)點斷路器，讓失壓變電站迅速恢復供電。若不區(qū)分區(qū)域備自投不同方式的動作時間，就地備自投可能先于遠方備自投動作，鏈式網(wǎng)絡中的變電站發(fā)生故障時可能會長時間失壓。

3)合閘后加速定值整定。合閘后加速邏輯是為了讓備自投合閘于故障時能加速跳閘。對于廣泛采用進線斷路器三相電流進行判斷的裝置，其后加速電流整定值應分情況考慮。

方式4中合3DL斷路器于故障時，由于Ⅰ母有壓，電源1后加速邏輯(如圖5所示)中復壓閉鎖功能生效，其過流加速段定值可以整定為較小值。方式5中合2DL斷路器于故障時，由于Ⅱ母無壓，電源2后加速邏輯中復壓閉鎖功能失效，同時考慮躲過對側站兩臺變壓器勵磁涌流的影響，其過流加速段定值可以整定值不能太小。

圖5 合閘后加速邏輯

由于過流加速段定值一般只有一個值，因此在該定值整定時需要進行綜合考慮，盡量減小合閘后加速誤動或拒動的風險。

2.2.3 運行維護風險

若本站區(qū)域備自投裝置接STJ，本站進行倒閘操作前，變電運行維護人員應將對側變電站裝置閉鎖備自投方式2、方式4的功能壓板投入，防止本站倒閘時對側站區(qū)域備自投誤跳運行斷路器，誤合備用電源或備用分段斷路器，造成繼電保護事故。

3 區(qū)域備自投邏輯控制策略優(yōu)化

3.1 邏輯控制策略的不足

區(qū)域備自投動作邏輯中將母線無壓且主供線路無流作為判斷變電站失電及備自投裝置動作的判據(jù)。變電站投運初期時負荷較輕，存在線路電流小于無流定值的情況。如果發(fā)生母線PT斷線，區(qū)域備自投子站會將母線無壓標志上送到區(qū)域備自投主站，主站接收到母線無壓和線路無流標志后，根據(jù)邏輯控制策略的計算會認為這些變電站失電，從而導致區(qū)域備自投誤動作。

3.2 邏輯控制策略的優(yōu)化

針對輕負荷運行時區(qū)域備自投可能誤動作的問題，通過在邏輯控制策略中加入“本側開關位置”“聯(lián)絡線對側有壓”兩個邏輯判據(jù)，對區(qū)域備自投邏輯控制策略進行了優(yōu)化。具體邏輯控制策略如下：

母線失壓動作判據(jù)：1)母線無壓、主供線路無流、主供線路無壓并且主供線路斷路器在合位；2)母線無壓、主供線路無流、主供線路斷路器在分位。滿足以上任一條件，區(qū)域備自投認為母線失壓，區(qū)域備自投跳失壓變電站的主供電源，合備用的開環(huán)點斷路器[15]。

母線失壓閉鎖判據(jù)：開環(huán)點不在聯(lián)絡線斷路器上，且聯(lián)絡線本側母線無壓、聯(lián)絡線無流、聯(lián)絡線本側斷路器合位和對側有壓。此時認為母線PT斷線，不是母線失壓，區(qū)域備自投閉鎖。

優(yōu)化后的動作邏輯如圖6所示(紅框內(nèi)為增加邏輯)。

圖6 優(yōu)化后備自投動作邏輯

4 案例分析

基于鏈式結構的區(qū)域備自投，對成都110 kV草池—十里壩變電站鏈式供電網(wǎng)搭建RTDS仿真環(huán)境進行案例分析[16-17]。

如圖7所示，仿真試驗系統(tǒng)依照實際情況共設置4個變電站：220 kV海鳴站和棉豐站、110 kV草池站和十里壩站。其中海鳴站和棉豐站為電源點，此次仿真未配置裝置，默認其一直有壓。鏈式供電結構的草十線斷路器152為開環(huán)點，110 kV十里壩站10 kV Ⅱ母有小電源接入。

圖7 成都110 kV草池—十里壩變電站鏈式供電網(wǎng)RTDS仿真系統(tǒng)

仿真主要測試當系統(tǒng)在k1、k2和k3處故障，發(fā)生海草線、草十線、棉十線線路斷路器偷跳以及在判據(jù)優(yōu)化前后發(fā)生母線PT斷線時，區(qū)域備自投的相應動作行為。此種運行方式下的測試結果見表1。

表1 RTDS仿真測試結果

RTDS仿真測試結果表明：

1)區(qū)域備自投可以正確定位故障點，快速傳輸信號至對側變電站，跳主供電源，合備用電源，快速恢復供電；

2)區(qū)域備自投可通過“聯(lián)跳Ⅰ母開關出口”“聯(lián)跳Ⅱ母開關出口”功能及時聯(lián)切饋線小電源，避免非同期合閘；

3)判據(jù)優(yōu)化有效地規(guī)避了變電站輕負荷運行時，母線PT斷線導致的區(qū)域備自投誤動作。

5 結 論

在鏈式供電結構中，常規(guī)備自投無法適應供電可靠性的要求，存在很大的局限性。區(qū)域備自投裝置的引入較好地解決了這一問題，它可以在鏈式網(wǎng)絡故障時準確地合上開環(huán)點斷路器，快速恢復供電。所提出區(qū)域備自投裝置在工程運用中存在的三大風險和相應的控制措施，對工程實踐有較強的指導意義，同時優(yōu)化區(qū)域備自投的邏輯控制策略解決了其誤動的可能性，增強了區(qū)域電網(wǎng)的供電可靠性。