基于信息分布收集集中決策的預(yù)制艙變電站綜合保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張連超

(中國電建集團(tuán)貴州工程有限公司，貴州 貴陽)

使用預(yù)制艙變電站能夠在短時(shí)間內(nèi)，使用較小的占地面積完成建設(shè)，而且能滿足一定范圍內(nèi)的變電需求，所以具有比較高的性價(jià)比。同時(shí)，預(yù)制艙變電站也具有高度集成的特性，所以對(duì)變電站的控制、保護(hù)，需要結(jié)合其高度集成的特點(diǎn)，進(jìn)行信息收集和控制，使得目前信息分布收集集中決策的綜合保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為預(yù)制艙變電站的主要發(fā)展方向。

1 預(yù)制艙變電站綜合保護(hù)系統(tǒng)基本功能和設(shè)計(jì)分析

1.1 預(yù)制艙變電站綜合保護(hù)系統(tǒng)功能

1.1.1 實(shí)現(xiàn)預(yù)制艙變電站內(nèi)各個(gè)間隔的全部保護(hù)

110 kV 線路需要進(jìn)行變電站建立聯(lián)機(jī)保護(hù)，很多變壓器設(shè)備已經(jīng)配置了非電量保護(hù)，在制定保護(hù)策略時(shí)，可以結(jié)合采氣量、開關(guān)量制定保護(hù)策略，完成保護(hù)工作[1]。通過使用信息集中的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)策略的優(yōu)化，有效改善保護(hù)機(jī)制。

1.1.2 整合集成控制

在集成化綜合設(shè)計(jì)的前提下，能讓變電站結(jié)構(gòu)簡化，減少系統(tǒng)二次設(shè)備數(shù)量，提升變電站的變電效率，也進(jìn)一步降低預(yù)制艙變電站對(duì)空間的占用。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，使用IEC61850 協(xié)議建立GOOSE 網(wǎng)和SV 網(wǎng)，在系統(tǒng)線路中，GIS 艙、變壓器倉、10 kV 線路倉的信息會(huì)被發(fā)送到綜合保護(hù)系統(tǒng)，為了達(dá)到簡化目的，可以直接取消10 kV 線路倉，利用系統(tǒng)的綜合保護(hù)達(dá)到控制安全的目的[2]。各個(gè)單元和終端都和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相連，使用綜合保護(hù)系統(tǒng)對(duì)整個(gè)變電站的運(yùn)行信息進(jìn)行收集，并根據(jù)情況對(duì)負(fù)荷等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站的保護(hù)控制[2]。

圖1 綜合保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 基于信息集中決策的變壓器過負(fù)荷保護(hù)策略

2.1 常見變壓器過負(fù)荷保護(hù)方法原理

對(duì)于無人看守的變電站，符合保護(hù)可以通過出口跳閘保護(hù)變電站的安全。令過負(fù)荷保護(hù)電流整定值為Iset，應(yīng)躲過變壓器的額定電流為IN，有：

式中：Krel是可靠系數(shù)，一般為1.05；Kre為返回系數(shù)，一般為0.85，過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間需要大于同間隔的電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，一般為8～10 s。

2.2 變壓器過負(fù)荷保護(hù)改進(jìn)原理和實(shí)現(xiàn)路徑

利用饋線的開關(guān)狀態(tài)和饋線電流大小，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器運(yùn)行狀態(tài)的判斷，之后可以將各個(gè)饋線的重要級(jí)別進(jìn)行排序，以及針對(duì)饋線的運(yùn)行負(fù)荷進(jìn)行排序，確定重要的高級(jí)別饋線，制定保障重要符合運(yùn)行的控制策略，之后選擇中等重要的饋線，并確定切除負(fù)荷的最合理組合，計(jì)算分析所選組合能否滿足切除負(fù)荷后達(dá)到保護(hù)目的的要求[3]。

圖2 是某110 kV 變電站的示意，在該變電站中，變壓器的容量為SN，圖中的DL104 和DL201 是主變高壓側(cè)斷路器和主變低壓側(cè)斷路器。L1-L7 是7 個(gè)10 kV 饋線，其實(shí)施負(fù)荷量和重要性級(jí)別如表1 所示。

表1 饋線實(shí)時(shí)負(fù)荷量和重要性級(jí)別

圖2 110 kV 變電站連接示意

結(jié)合過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作定值按照電流整定，保護(hù)定值Sset整定為電容進(jìn)行計(jì)算，以降低判斷難度，則：

試驗(yàn)中將負(fù)荷一次投入，之后7 條饋線逐漸達(dá)到滿載運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)行過程中，系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生過負(fù)荷，

3 低頻減載改進(jìn)策略

3.1 減載線路選擇方法

目前的低頻減載方案并不能滿足實(shí)時(shí)負(fù)荷的需求，會(huì)造成負(fù)荷出現(xiàn)過切或者欠切的情況，為了避免這類問題，應(yīng)該針對(duì)傳統(tǒng)低頻減載策略進(jìn)行改進(jìn)[4]。為了能更好地選擇線路，并避免重要線路切斷，可以從保留線路的角度進(jìn)行選擇，選擇過程中以負(fù)荷量為基礎(chǔ)進(jìn)行選擇，如以下公式，保留負(fù)荷量Ph的計(jì)算方法為：

式中：Pij是饋線的實(shí)時(shí)負(fù)荷；Pxq為需要切除的負(fù)荷量。結(jié)合管理需要，切除和保留負(fù)荷量時(shí)應(yīng)該遵從切除低重要性負(fù)荷，保留高重要性負(fù)荷的基本原則，然后繼續(xù)對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化，以P*h為進(jìn)一步調(diào)整的負(fù)荷量，則計(jì)算方法為：

式中：Psj是j 重要程度所有負(fù)荷的總負(fù)荷量，計(jì)算結(jié)果作為調(diào)整后的保留負(fù)荷，并以此為基礎(chǔ)繼續(xù)計(jì)算下一個(gè)重要性等級(jí)所需要保留的負(fù)荷，最后進(jìn)一步調(diào)整的負(fù)荷量為零，或者全部等級(jí)的負(fù)荷都完成了調(diào)整，完成所有計(jì)算。

3.2 低頻減載方案

為了確保低頻減載的過程中保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于負(fù)荷具有一定的自身調(diào)節(jié)能力，可以跟隨系統(tǒng)狀況開展調(diào)節(jié)工作[5]，可以將負(fù)荷的調(diào)節(jié)特性表示為：

式中：P 為頻率為f 時(shí)系統(tǒng)的有功負(fù)荷；PDN是頻率fN狀態(tài)下系統(tǒng)的有功負(fù)荷，即額定負(fù)荷；α0、α1、α2、...αn是頻率在0，1，2，...n 次方程正比的負(fù)荷占PDN的百分?jǐn)?shù)。系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在額定范圍內(nèi)時(shí)，負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)特性曲線接近直線，可以用以此函數(shù)表示，計(jì)算方法為：

結(jié)合頻率調(diào)節(jié)特性因素，系統(tǒng)可以進(jìn)行低頻減載方案的優(yōu)化調(diào)整。系統(tǒng)中，重要程度為j 的第i 條饋線負(fù)荷量為Pij，并且系統(tǒng)頻率為f。在低頻減載的過程中，系統(tǒng)會(huì)利用減載機(jī)制使系統(tǒng)的頻率恢復(fù)到fres，負(fù)荷會(huì)受到系統(tǒng)的影響，轉(zhuǎn)變有功頻率，變?yōu)镻*ij，計(jì)算方法為：

通過將上述虛擬有功頻率帶入到前文的Ph中，就可以得到經(jīng)過調(diào)整的Ph，通過該方案進(jìn)行修復(fù)，會(huì)通過改變負(fù)荷量恢復(fù)核定頻率，經(jīng)過低頻減載后，能夠獲得更接近額定頻率的調(diào)整后頻率，并且可以避免過切超調(diào)的問題，提升預(yù)制艙變壓器的穩(wěn)定性。

4 預(yù)制艙變電站綜合保護(hù)系統(tǒng)性能仿真驗(yàn)證

4.1 過負(fù)荷保護(hù)方案驗(yàn)證

改進(jìn)前的負(fù)荷保護(hù)策略如圖2 所示，在保護(hù)調(diào)節(jié)過程中，其整定值為0.259 kA，圖3 中，實(shí)線是高壓側(cè)電流，1 s 開始線路運(yùn)行，經(jīng)過20 ms 后，電流高出整定值，系統(tǒng)采用傳統(tǒng)變壓器過負(fù)荷保護(hù)模式，轉(zhuǎn)變側(cè)開關(guān)會(huì)在一定延時(shí)之后跳開。

圖3 傳統(tǒng)模式下過負(fù)荷保護(hù)電流的變化

預(yù)制艙變壓器具有信息集中的特點(diǎn)，采用經(jīng)過改進(jìn)后的過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作，并進(jìn)行模擬，在負(fù)荷達(dá)到線路保護(hù)的整定值Iset后，開始啟動(dòng)過負(fù)荷保護(hù)策略，進(jìn)行個(gè)條饋線實(shí)時(shí)負(fù)荷、重要性的排序，計(jì)算出整體過負(fù)荷保護(hù)量為0.579 MVA，綜合負(fù)荷的大小和重要性程度，需要從3 級(jí)饋線開始計(jì)算是否切除，由于L5 負(fù)荷為1.4 MVA，單獨(dú)切除L5 就可以滿足保護(hù)要求，因此采用了切除L5 的策略，改進(jìn)后的電流變化如圖4所示。

圖4 綜合保護(hù)模式下過負(fù)荷保護(hù)電流的變化

4.2 低頻減載方案驗(yàn)證

圖5 是傳統(tǒng)低頻減載方案和利用綜合保護(hù)系統(tǒng)下，模擬出的頻率曲線變化。通過進(jìn)行改進(jìn)，能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成對(duì)頻率的恢復(fù)，與傳統(tǒng)方法相比，相同耗時(shí)的情況下更為穩(wěn)定，避免了由于使用傳統(tǒng)方法出現(xiàn)的超調(diào)問題，可以避免對(duì)負(fù)荷切除的選擇不合理，出現(xiàn)了負(fù)荷過切的問題，最終使頻率恢復(fù)到50.2 Hz。適用綜合保護(hù)系統(tǒng)后，能夠避免由于過切導(dǎo)致頻率超調(diào)的情況，而且重要性較高的負(fù)荷也能保持運(yùn)行，頻率恢復(fù)效果相對(duì)也更好，更接近50 Hz 的額定頻率。與傳統(tǒng)保護(hù)方法相比，通過信息集中決策綜合保護(hù)可以獲得更好的低頻減載效果，能避免過切超調(diào)的情況，可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且恢復(fù)的頻率更接近額定頻率。

圖5 綜合保護(hù)系統(tǒng)和傳統(tǒng)模式下的低頻減載效果

結(jié)束語

預(yù)制艙變電站具有信息集中的特點(diǎn)，能夠綜合利用信息實(shí)現(xiàn)對(duì)變電系統(tǒng)的保護(hù)，在設(shè)計(jì)變電站綜合保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該充分結(jié)合這一特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站保護(hù)的優(yōu)化，也能進(jìn)一步提升變電站的集成性，滿足保護(hù)需求。針對(duì)變壓器過負(fù)荷保護(hù)和低頻減載策略的設(shè)計(jì)，應(yīng)充分考慮變電站的特點(diǎn)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并發(fā)揮負(fù)荷自身的調(diào)節(jié)特性，形成更為有效的綜合保護(hù)機(jī)制，滿足變電站的綜合保護(hù)需要。