周啟文,朱炳銓,劉云飛,余 越,韓 彬,潘武略
(1.南京南瑞繼保電氣有限公司,南京 211102;2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司,杭州 310007;3.電網(wǎng)安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)電力科學(xué)研究院),北京 100192)
近年來(lái),隨著我國(guó)電力建設(shè)的持續(xù)發(fā)展、用電負(fù)荷的不斷增加以及各大區(qū)交直流電網(wǎng)的緊密互聯(lián),電力系統(tǒng)短路電流水平不斷升高,嚴(yán)重威脅斷路器開斷能力。目前短路電流超標(biāo)問(wèn)題已經(jīng)成為“長(zhǎng)三角”“珠三角”等負(fù)荷密集地區(qū)以及西北等電源密集地區(qū)的共性問(wèn)題[1-3],研究短路電流限制方法對(duì)保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。
從原理上講,限制短路電流主要是通過(guò)增大故障點(diǎn)等值短路阻抗來(lái)實(shí)現(xiàn)的,常規(guī)手段主要有3種。一是改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或運(yùn)行方式[4-6],但可能導(dǎo)致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化較大,犧牲了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的完整性,對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)負(fù)面影響。二是加裝限流電抗器[7],主要有串聯(lián)電抗器、分裂電抗器等。限流電抗器雖然可以有效降低短路電流水平,但可能導(dǎo)致潮流分布不均,影響電網(wǎng)高效運(yùn)行;同時(shí)高電壓等級(jí)限流電抗器占地面積較大、造價(jià)昂貴,對(duì)于負(fù)荷中心變電站,受場(chǎng)地限制改造困難,難以實(shí)施。三是采用故障限流器,故障限流器技術(shù)方案[8-11]有數(shù)十種之多,其中基于超導(dǎo)材料、固態(tài)器件、串聯(lián)諧振電路的故障限流器能較好地兼顧系統(tǒng)正常運(yùn)行和限制短路電流,但受技術(shù)成熟度、經(jīng)濟(jì)性等因素制約,工程應(yīng)用不多,特別是在220 kV 及以上高電壓等級(jí)電網(wǎng)應(yīng)用較少。目前基于電磁斥力操作機(jī)構(gòu)的高速開關(guān)技術(shù)成為故障限流器的研究熱點(diǎn)[12-15],高速開關(guān)可在數(shù)毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)分閘,采用高速開關(guān)動(dòng)態(tài)投退限流電抗器以限制短路電流的方法已有工程示范應(yīng)用[16-20],并取得了良好的限流效果,但因設(shè)備總體投資過(guò)高限制了其大規(guī)模推廣。文獻(xiàn)[21]采用斷線限流策略和高速開關(guān)技術(shù),提出了基于高速開關(guān)和拓?fù)鋭?dòng)態(tài)調(diào)整思想的短路電流限制方法,并分析了短路電流限制原理、對(duì)系統(tǒng)的影響以及高速開關(guān)關(guān)鍵技術(shù),為短路電流抑制問(wèn)題提供了新的解決方案,但并未對(duì)所述方法的核心設(shè)備之一的控制系統(tǒng)作進(jìn)一步研究。故障限流控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于其動(dòng)作的快速性,與常規(guī)繼電保護(hù)相比,其動(dòng)作時(shí)間必須足夠小且具備充分的裕量,這也意味著常規(guī)繼電保護(hù)裝置的軟硬件設(shè)計(jì)方案和基于傅氏變換的故障檢測(cè)識(shí)別方法不再適用。
針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)故障限流控制系統(tǒng)速動(dòng)性這一關(guān)鍵問(wèn)題,本文在分析分段接線拓?fù)鋭?dòng)態(tài)調(diào)整方法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于高速數(shù)據(jù)處理和FT3 通信方案的控制系統(tǒng)架構(gòu),解決了常規(guī)繼電保護(hù)裝置計(jì)算能力不足和通信延時(shí)大的問(wèn)題,并提出基于卡爾曼狀態(tài)估計(jì)的故障快速識(shí)別和相控開斷方法,縮短故障檢測(cè)時(shí)間和高速開關(guān)燃弧時(shí)間,最后通過(guò)RTDS(實(shí)時(shí)數(shù)字仿真)試驗(yàn)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。
基于拓?fù)鋭?dòng)態(tài)調(diào)整的故障限流方法基本原理是:在正常運(yùn)行期間系統(tǒng)保持正常拓?fù)洌l(fā)生故障后通過(guò)高速開關(guān)快速動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),增大系統(tǒng)聯(lián)系阻抗,從而降低故障點(diǎn)短路電流水平。
圖1給出了拓?fù)鋭?dòng)態(tài)調(diào)整方法的基本原理,其中z1和z2分別為電源S1和S2的等效阻抗,z3為節(jié)點(diǎn)p 和節(jié)點(diǎn)q 之間的直接連接阻抗,z4為節(jié)點(diǎn)p 和節(jié)點(diǎn)q 之間除z3外通過(guò)其他路徑合環(huán)的等效轉(zhuǎn)移阻抗,K為拓?fù)湔{(diào)整高速開關(guān)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)p和節(jié)點(diǎn)q分別為同一變電站的兩條分段母線時(shí),K 為分段開關(guān),z3=0;當(dāng)節(jié)點(diǎn)p和節(jié)點(diǎn)q分別為相鄰變電站母線時(shí),K為線路開關(guān),z3為聯(lián)絡(luò)線阻抗。
圖1 基于拓?fù)鋭?dòng)態(tài)調(diào)整的故障限流基本原理
正常運(yùn)行方式下高速開關(guān)K 閉合,系統(tǒng)合環(huán)運(yùn)行;當(dāng)節(jié)點(diǎn)p所聯(lián)線路出口發(fā)生短路故障時(shí),高速開關(guān)K 快速分?jǐn)喔淖兿到y(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),使電源S2對(duì)故障點(diǎn)的轉(zhuǎn)移阻抗從z2+z3||z4迅速增大至z2+z4,從而降低電源S2支路饋入故障點(diǎn)的短路電流,限流起效后由常規(guī)斷路器動(dòng)作切除故障。
本文主要研究分段接線場(chǎng)合采用拓?fù)鋭?dòng)態(tài)調(diào)整抑制短路電流的方法。當(dāng)p側(cè)母線、線路出口或者主變壓器低壓側(cè)任意點(diǎn)發(fā)生故障時(shí),分段電流(單分段接線)或其矢量和(雙分段接線)表征了q側(cè)電源及其部分支路對(duì)故障點(diǎn)短路電流的貢獻(xiàn);同樣地,q側(cè)故障時(shí)分段電流或其矢量和表征p側(cè)饋入故障點(diǎn)的短路電流。因此分段電流或其矢量和過(guò)流可作為高速開關(guān)解列動(dòng)作判據(jù)。
從提高電力系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化水平的角度,故障切除后拓?fù)湔{(diào)整開關(guān)需要自動(dòng)恢復(fù)到故障前狀態(tài)以確保系統(tǒng)供電可靠性。對(duì)于雙分段接線,由于同時(shí)控制多個(gè)拓?fù)湔{(diào)整開關(guān),各個(gè)開關(guān)之間需遵循一定的同期和順控流程,針對(duì)分段接線設(shè)計(jì)了高速開關(guān)的拓?fù)浠謴?fù)方案,具體流程如圖2所示。
圖2 單個(gè)拓?fù)湔{(diào)整開關(guān)自動(dòng)并列流程
故障限流時(shí)各個(gè)高速開關(guān)同時(shí)解列,然后分別按照各自設(shè)定的時(shí)序依次恢復(fù),在解列成功且重合充電完成的條件下啟動(dòng)并列程序,經(jīng)過(guò)設(shè)定延時(shí)后判斷前序開關(guān)已并列且檢同期成功時(shí),發(fā)出并列指令,若重合于故障則再次解列,若未重合于故障則并列完成。在整個(gè)流程中持續(xù)檢測(cè)其充電狀態(tài),當(dāng)出現(xiàn)保護(hù)閉鎖、重合于故障等放電條件時(shí)立即放電,以閉鎖并列流程。
拓?fù)鋭?dòng)態(tài)調(diào)整方法實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于高速開關(guān)與故障區(qū)域常規(guī)斷路器的時(shí)序配合,圖3給出了常規(guī)斷路器和高速開關(guān)的動(dòng)作時(shí)序示意,從故障發(fā)生到短路電流開斷的整體動(dòng)作時(shí)間均包括保護(hù)控制時(shí)間、分閘時(shí)間和燃弧時(shí)間3部分。
圖3 常規(guī)斷路器和高速開關(guān)的動(dòng)作時(shí)序
為達(dá)到限制常規(guī)斷路器開斷短路電流的目的,高速開關(guān)最晚必須在常規(guī)斷路器觸頭剛分之前完全開斷,同時(shí)拓?fù)渥詣?dòng)恢復(fù)時(shí)間應(yīng)躲過(guò)故障完全切除的最長(zhǎng)時(shí)間(考慮重合閘時(shí)間和后備保護(hù)時(shí)間),即滿足:
式中:trelay、topen、trecls分別為常規(guī)斷路器動(dòng)作時(shí)序的保護(hù)控制時(shí)間、分閘時(shí)間和重合閘時(shí)間;分別為高速開關(guān)動(dòng)作時(shí)序的保護(hù)控制時(shí)間、分閘時(shí)間、燃弧時(shí)間和重合閘時(shí)間。
目前常規(guī)高壓繼電保護(hù)和斷路器分閘時(shí)間之和一般在20~40 ms,因此要求拓?fù)鋭?dòng)態(tài)解列必須在短路電流的第一個(gè)周波內(nèi)完成。
為滿足故障限流控制速動(dòng)性要求,必須從降低鏈路傳輸延時(shí)和減小故障檢測(cè)時(shí)間兩方面實(shí)現(xiàn)動(dòng)作加速,與常規(guī)斷路器動(dòng)作時(shí)間拉開級(jí)差。
表1給出了保護(hù)控制系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)及其延時(shí)來(lái)源,對(duì)于常規(guī)交流繼電保護(hù)裝置,采樣率一般為1.2 kHz,中斷周期為833 μs,出口環(huán)節(jié)一般采用出口繼電器硬接線方式,響應(yīng)時(shí)間通常在數(shù)毫秒,數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸能力在一定程度上限制了其動(dòng)作速度。
表1 保護(hù)控制系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)及其延時(shí)來(lái)源
在現(xiàn)代電網(wǎng)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)下,針對(duì)常規(guī)交流繼電保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間慢的問(wèn)題,本文提出了滿足拓?fù)鋭?dòng)態(tài)調(diào)整方法的高實(shí)時(shí)性控制裝置技術(shù)方案。故障限流控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示,采用高性能DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)、大容量FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)和多信道高速總線技術(shù)提高裝置性能,其中采樣率為10 kHz,DSP 中斷執(zhí)行周期為100 μs,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速同步處理,降低采樣和計(jì)算環(huán)節(jié)的延時(shí)。同時(shí),為提高動(dòng)作出口速度,控制裝置與拓?fù)湔{(diào)整高速開關(guān)本體控制回路之間采用光纖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)FT3 協(xié)議通信,波特率為10 Mbps,下行高速開關(guān)分合閘指令,上行本體狀態(tài)監(jiān)視信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)作指令在100 μs 內(nèi)的可靠即時(shí)傳輸,大大縮短了鏈路傳輸延時(shí)。
圖4 故障限流控制系統(tǒng)架構(gòu)
對(duì)于高速開關(guān)本體控制回路,采用脈沖功率技術(shù)驅(qū)動(dòng)電磁斥力機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高速分閘,其中脈沖功率驅(qū)動(dòng)模塊同樣采用FPGA 實(shí)現(xiàn)FT3 動(dòng)作指令編解碼并控制儲(chǔ)能回路晶閘管開關(guān)快速放電。同時(shí)高速開關(guān)保留常規(guī)操作回路,作為保護(hù)、測(cè)控裝置的接口。
對(duì)于過(guò)流檢測(cè)判據(jù),本文采用快速啟動(dòng)的卡爾曼狀態(tài)估計(jì)算法進(jìn)行電流狀態(tài)估計(jì)??柭鼱顟B(tài)估計(jì)是一種基于一階馬爾科夫模型的貝葉斯估計(jì),包括預(yù)測(cè)和更新兩個(gè)過(guò)程。假設(shè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程表示為:
式中:下標(biāo)k為第k個(gè)計(jì)算時(shí)刻;Xk為n×1 維的狀態(tài)向量;Zk為m×1維的量測(cè)向量;Φk/k-1、Hk為已知的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù),分別為n×n維的狀態(tài)一步轉(zhuǎn)移矩陣、m×n維的量測(cè)矩陣;Wk為l×1維的過(guò)程噪聲向量;Vk為m×1維的量測(cè)噪聲向量,兩者都是零均值的高斯白噪聲向量序列,且它們之間互不相關(guān)。
線性卡爾曼估計(jì)由式(3)進(jìn)行遞推求解:
通過(guò)卡爾曼狀態(tài)估計(jì)方程可以遞推求解出短路電流基波分量幅值I1、初相角φ1、直流分量I0、衰減時(shí)間常數(shù)τ以及各次諧波含量,進(jìn)而通過(guò)基波分量幅值I1和過(guò)流判據(jù)快速識(shí)別故障。同時(shí)相控開斷技術(shù)通過(guò)預(yù)測(cè)故障電流過(guò)零點(diǎn)以控制高速開關(guān)動(dòng)作時(shí)刻,可有效控制燃弧時(shí)間,減小觸頭電侵蝕,提高開斷能力,并且對(duì)于提高高速開關(guān)的可靠性和延長(zhǎng)壽命具有十分重要的意義。因此,通過(guò)短路電流基波分量幅值I1、初相角φ1、直流分量I0、衰減時(shí)間常數(shù)τ以及各次諧波含量可以重構(gòu)短路電流波形,進(jìn)而預(yù)測(cè)過(guò)零點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)燃弧時(shí)間的精準(zhǔn)調(diào)控。
卡爾曼狀態(tài)估計(jì)中P0、Q、R等參數(shù)將對(duì)狀態(tài)估計(jì)性能產(chǎn)生影響。協(xié)方差矩陣P0表示系統(tǒng)對(duì)初始狀態(tài)X0的置信度,由于通常X0無(wú)法準(zhǔn)確獲取,P0取值應(yīng)盡量大,以加快狀態(tài)估計(jì)過(guò)程的收斂速度,取P0=κ×diag(a1,a2…an),其中κ為常數(shù)。協(xié)方差矩陣Q表示模型誤差,例如模型的線性化、離散化誤差等;協(xié)方差矩陣R為量測(cè)誤差,與傳感器的特性相關(guān)。這兩個(gè)參數(shù)通過(guò)影響卡爾曼增益K的值,進(jìn)而影響預(yù)測(cè)值和量測(cè)值的權(quán)重。在無(wú)法確切知道P0、Q、R的準(zhǔn)確值先驗(yàn)信息的情況下,應(yīng)適當(dāng)增大Q的取值,以增大對(duì)實(shí)時(shí)量測(cè)值的利用權(quán)重,進(jìn)而根據(jù)準(zhǔn)確度、動(dòng)態(tài)性能等要求進(jìn)行調(diào)整。
卡爾曼算法涉及矩陣運(yùn)算,在嵌入式系統(tǒng)中對(duì)硬件計(jì)算能力提出了很高的要求。然而,從卡爾曼狀態(tài)估計(jì)方程可以看到,在初始條件確定的情況下,式(3)中矩陣Pk/k-1、Kk、Pk的計(jì)算僅由系統(tǒng)參數(shù)Φk/k-1、Hk、Qk、Rk決定,與量測(cè)值Zk無(wú)關(guān),因此可以采用離線+在線的計(jì)算策略,預(yù)先對(duì)卡爾曼增益Kk和量測(cè)矩陣Hk進(jìn)行離線計(jì)算,計(jì)算結(jié)果作為宏參數(shù)保存在內(nèi)存中,當(dāng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)直接調(diào)用,不同通道的狀態(tài)計(jì)算過(guò)程可以復(fù)用參數(shù)。進(jìn)一步地,取狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Φk/k-1為單位矩陣,卡爾曼狀態(tài)估計(jì)方程的在線實(shí)時(shí)計(jì)算過(guò)程可以簡(jiǎn)化為僅對(duì)式(3)方程組中的方程4 進(jìn)行遞推求解。式(4)給出了電流狀態(tài)具體計(jì)算過(guò)程,根據(jù)式(4)可計(jì)算得到電流基波幅值和相位等特征量??梢钥吹?,電流每個(gè)狀態(tài)量計(jì)算平均僅需兩次加法和兩次乘法,大大減少了運(yùn)算量。
結(jié)合某500 kV變電站200 kV雙母雙分段接線場(chǎng)合示范應(yīng)用,通過(guò)RTDS 試驗(yàn)驗(yàn)證拓?fù)鋭?dòng)態(tài)調(diào)整方法的限流效果以及控制系統(tǒng)的有效性。試驗(yàn)?zāi)P腿鐖D5所示,拓?fù)湔{(diào)整高速開關(guān)布置于1號(hào)分段和2號(hào)分段位置,替換原常規(guī)分段斷路器,其中主變壓器(以下簡(jiǎn)稱為“主變”)容量3×750 MVA,1號(hào)主變連接Ⅰ母Ⅰ段,2號(hào)主變連接Ⅱ母Ⅰ段,3號(hào)主變連接Ⅰ母Ⅱ段。正常運(yùn)行時(shí),母聯(lián)分段開關(guān)均處于閉合狀態(tài),系統(tǒng)合環(huán)運(yùn)行,供電可靠性不受影響;分段電流之和過(guò)流后,作為拓?fù)鋭?dòng)態(tài)調(diào)整元件的分段高速開關(guān)迅速動(dòng)作,在故障區(qū)域常規(guī)斷路器分閘前可靠開斷,從而降低故障區(qū)域常規(guī)斷路器開斷短路電流水平。
圖5 220 kV雙母雙分段典型接線結(jié)構(gòu)
圖6展示了拓?fù)鋭?dòng)態(tài)調(diào)整前,后流經(jīng)各支路的短路電流??梢钥闯?,拓?fù)湔{(diào)整前,線路出口F1點(diǎn)和F2點(diǎn)故障時(shí)流經(jīng)相應(yīng)線路斷路器的短路電流最大達(dá)到了51.1 kA,超過(guò)所裝設(shè)斷路器的遮斷容量;主變低壓側(cè)F3 點(diǎn)和母線F4 點(diǎn)故障時(shí),對(duì)應(yīng)斷路器短路電流均在40 kA以下;兩組分段高速開關(guān)解列后將Ⅰ段和Ⅱ段母線隔離,F(xiàn)1點(diǎn)和F2點(diǎn)故障時(shí)流經(jīng)斷路器的短路電流均有不同程度的降低,分別降至41.0 kA 和15.3 kA。由于故障時(shí)流經(jīng)分段的短路電流僅由部分電源提供,其中F2故障時(shí)流經(jīng)1 分段的最大短路電流僅為24.1 kA,遠(yuǎn)低于拓?fù)湔{(diào)整開關(guān)開斷能力。
圖6 拓?fù)鋭?dòng)態(tài)調(diào)整前后流經(jīng)各支路的短路電流
由于故障合閘相位隨機(jī)發(fā)生,短路電流衰減直流分量不可預(yù)知,給定值整定帶來(lái)困難。根據(jù)短路電流仿真波形,對(duì)比分析了全波傅氏算法、半波傅氏算法和卡爾曼狀態(tài)估計(jì)算法3種故障識(shí)別算法的效果。圖7給出了原始短路電流采樣波形和3 種故障識(shí)別算法提取的短路電流交流分量幅值,其中短路電流首半波為小半波??梢钥闯觯喝ǜ凳纤惴ㄐ枰?個(gè)周波以上的時(shí)間才能計(jì)算出短路電流交流分量幅值,半波傅氏算法的響應(yīng)時(shí)間有所減小,最小可以達(dá)到10 ms,但兩種算法均無(wú)法消除衰減直流分量的影響,衰減直流分量越大,響應(yīng)時(shí)間相應(yīng)也越長(zhǎng)。對(duì)于卡爾曼狀態(tài)估計(jì)算法,計(jì)算結(jié)果不受衰減直流分量的影響,最大在3~5 ms之內(nèi)即可遞推求解出準(zhǔn)確的短路電流交流分量幅值。
圖7 短路電流及不同算法下的交流分量幅值波形
通過(guò)相控開斷算法控制高速開關(guān)燃弧時(shí)間,考慮控制高速開關(guān)燃弧時(shí)間為5 ms,檢測(cè)到相電流過(guò)流后控制裝置根據(jù)預(yù)測(cè)的短路電流過(guò)零點(diǎn)和預(yù)設(shè)的燃弧時(shí)間計(jì)算等待延時(shí),經(jīng)過(guò)等待延時(shí)后分別發(fā)出三相出口信號(hào),控制高速開關(guān)分閘。圖8為三相故障時(shí)的短路電流和控制裝置發(fā)出的三相高速開關(guān)動(dòng)作出口信號(hào)。可以看出:從動(dòng)作信號(hào)發(fā)出到實(shí)際短路電流開斷之間的時(shí)間間隔分別為4.8 ms、4.9 ms、4.9 ms,即最大相控誤差不超過(guò)0.2 ms,其中A相和B相首半波為大半波,高速開關(guān)在首半波過(guò)零點(diǎn)開斷,C 相首半波為小半波且不足5 ms,因此需要等待至故障發(fā)生后20 ms時(shí)刻開斷。此時(shí)若不采用相控開斷算法,C 相高速開關(guān)將遭受長(zhǎng)燃弧時(shí)間,對(duì)其可靠性和壽命會(huì)產(chǎn)生不利影響。
圖8 三相短路電流及其動(dòng)作信號(hào)
1)針對(duì)母線分段接線本文提出了基于拓?fù)鋭?dòng)態(tài)調(diào)整的短路電流抑制以及拓?fù)渥詣?dòng)恢復(fù)方案。
2)針對(duì)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)調(diào)整方法的速動(dòng)性約束,從控制回路的各個(gè)環(huán)節(jié)出發(fā)提出了高實(shí)時(shí)性控制技術(shù)方案,以及基于卡爾曼狀態(tài)估計(jì)的故障快速識(shí)別和相控開斷方法,有效提高了控制系統(tǒng)動(dòng)作速度,減小了高速開關(guān)燃弧時(shí)間。
3)通過(guò)RTDS 試驗(yàn)驗(yàn)證了基于拓?fù)鋭?dòng)態(tài)調(diào)整的限流方法以及控制系統(tǒng)速動(dòng)性和相控開斷算法的有效性。
4)基于拓?fù)鋭?dòng)態(tài)調(diào)整的故障限流方法在實(shí)際雙母雙分段接線下的短路試驗(yàn)驗(yàn)證有待開展,同時(shí)本文所提的方法在線路等其他場(chǎng)合中的應(yīng)用也有待進(jìn)一步研究。