基于架空線與海纜供電的海島電網(wǎng)變電站備自投實現(xiàn)方式

劉會勇

（浙江舟山電力局, 浙江 舟山 316000）

舟山，地處我國東部沿海，擁有1390個島嶼，舟山電網(wǎng)是浙江省惟一的海島電網(wǎng)，受自然條件及海上架空線跨越技術不成熟的制約，原來各主要島嶼的供電電源主要通過與本島電網(wǎng)相連的海底電纜實現(xiàn)，但是海底電纜輸電容量相對較小，運行工況惡劣、維護難度大，容易遭受外來力量主要是船錨的損害，供電可靠性較低。近年來隨著舟山社會用電量的增大，并且對供電可靠性的要求越來越高，依托舟山220kV大陸聯(lián)網(wǎng)工程海上架空線跨越技術的突破，現(xiàn)在主要島嶼多通過架空線與本島電網(wǎng)互聯(lián)，架空線與海底電纜相比，電壓等級更高，容量更大，供電可靠性更高，但是由于舟山地處海上易受臺風、雷擊等自然災害的影響，尤其夏季臺風期間架空線極易發(fā)生全停事故，而海底電纜受此類災害影響相對較小。為了更好地保證供電的可靠性，我們提出了以架空線為輸電的主電源，以原來的電壓等級較低的海底電纜作為輸電備用電源，正常時由主電源供電，當輸電架空線路因自然災害損壞或其他原因同時跳閘時，則通過備用海底電纜確保重要負荷的供電避免出現(xiàn)全島停電的情況，于是形成了“高電壓等級架空線+低電壓等級海底電纜”供電海島電網(wǎng)的模式。

常規(guī)單一動作邏輯的備自投裝置已經(jīng)不能滿足此種供電模式的要求，研制一種既能在正常運行方式下發(fā)揮作用又能實現(xiàn)在高一級電壓主供電源同時失去的情況下快速投入低一級電壓備用電源的備自投動作策略成為一個課題擺在我們面前。經(jīng)過仔細的研究論證，我們認為通過改造現(xiàn)有備自投裝置來達到要求在技術上是可行的，于是一種適應海島電網(wǎng)供電需求的新型備自投動作策略在舟山電網(wǎng)得到了應用。

1 設計思路

220kV PL變電站為地區(qū)樞紐變，主供電源均由本島電網(wǎng)通過跨海線路提供，其中110kV母線采用單母分段形式接有3個110kV變電站并裝有110kV母線保護。當該變電站主供電源因故失去全站停電時會導致眾多島嶼失去電源，為避免此種情況發(fā)生，該變電站利用電網(wǎng)升壓前的海底電纜作為備用電源，以“架空線+海底電纜”的混合供電模式來提高供電可靠性。

“架空線+海底電纜”的混合供電的典型運行方式如圖所示，1DL、2DL為主變中壓側或者低壓側開關，3DL為母線分段開關，4DL為備用電源開關。備用電源線路接在主變中壓側或低壓側任一段母線上。

圖1 220kV PL變電站一次系統(tǒng)接線示意圖

針對此變電站一次系統(tǒng)的運行特點，綜合分析了各種特殊運行情況，將備自投裝置的動作邏輯分為兩類：一是主變中壓側或低壓側兩段母線任一段母線有壓，稱之為“正常運行方式”；二是主變中壓側或低壓側所連兩段母線同時失去電壓，稱之為“特殊運行式”。根據(jù)這兩種運行方式下的備自投裝置動作要求，計出了一套跨電壓的備自投裝置，該裝置能適應一次系統(tǒng)運行方式的變化，既能在正常運行方式下發(fā)揮備自投作用將備用電源投入，又能在主變高壓側電源因故失去導致中、低壓側母線失去電壓時，快速投入低一級的備用電源保證主變中壓側或者低壓側母線不失壓，從而避免出現(xiàn)全站失電情況的出現(xiàn)。

在現(xiàn)有備自投裝置的基礎上，對廠方軟件設計提出改進要求，在充分考慮海島電網(wǎng)運行方式、跳閘線路、備自投裝置閉鎖邏輯等的基礎上，通過裝置相關回路改造對 220kV PL變電站的備自投裝置進行了改造。經(jīng)過運行檢驗，改造后的備自投裝置運行良好，證明該備自投動作邏輯原理可靠。

2 裝置動作原理分析

2.1 裝置端子接線分析

1）交流模擬量輸入端子

（1）Ⅰ段母線電壓輸入端子 U1：接Ⅰ段母線電壓，Ua1，Ub1，Uc1。

（2）Ⅱ段母線電壓輸入端子 U2：接Ⅱ段母線電壓，Ua1，Ub1，Uc1。

（3）備用電源進線電流輸入端子 I1：接備用4DL進線線電流。

（4）備用電源進線電壓輸入端子 U3：接備用4DL進線電壓。

（5）#1主變中壓側或低壓側相電流輸入端子I2：接1DL經(jīng)過的電流。

（6）#2主變中壓側或低壓側相電流輸入端子I3：接2DL經(jīng)過的電流。

（7）母分開關電流輸入端子I4－I6：接被保護3DL開關電流Ia；Ib；Ic。便于實現(xiàn)母分開關保護及手合加速保護等功能。

2）開關量輸入端子

（1）“備自投方式1投入”輸入端子1：開入高電平時，方式1投入。

（2）“備自投方式2投入”輸入端子2：開入高電平時，方式2投入。

（3）“進線電源1開關位置”輸入端子3：接1DL跳位TWJ常開觸點。

（4）“進線電源2開關位置”輸入端子4：接2DL跳位TWJ常開觸點。

（5）“母分開關位置”輸入端子5：接3DL跳位TWJ常開觸點。

（6）“備用電源進線開關位置”輸入端子6：接4DL跳位TWJ常開觸點。

（7）開關量輸入端子7：接1DL的母差保護跳閘開入回來中間繼電器常開觸點。

（8）開關量輸入端子8：接2DL的母差保護跳閘開入回來中間繼電器常開觸點。

（9）開關量輸入端子9：接 #1主變后備保護動作信號常開觸點。

（10）開關量輸入端子10：接 #2主變后備保護動作信號常開觸點。

（11）開關量輸入端子11：備自投總閉鎖。

3）跳閘輸出端子

（1）輸出端子1：接至3DL操作箱跳閘輸入（保護跳閘）。

（2）輸出端子2：接至3DL操作箱合閘輸入（備投合閘）。

（3）輸出端子3：接至1DL操作箱跳閘輸入（備投跳閘）。

（4）輸出端子4：接至2DL操作箱跳閘輸入（備投跳閘）。

（5）輸出端子5：接至4DL操作箱合閘輸入（備投合閘）。

2.2 裝置動作邏輯分析

為了防止母線 PT斷線時備自投裝置誤動作，取#1、#2主變中壓或低壓側相電流作為對應母線失壓后的閉鎖判據(jù)。若某段母線 PT斷線，但裝置判斷對應的DL有流，則備自投不放電，在此狀態(tài)下，若另一段母線失壓或 DL偷跳后，則仍可以保證備自投裝置動作合上分段開關。

對于站內(nèi)中低壓母線裝有母線保護的樞紐變電站，裝置設有母線保護跳1DL、2DL動作接點開入7、開入 8。若任意一個動作開入并且對應的 1DL或者2DL開關處在分位，表明存在母線故障導致母線保護動作則閉鎖正常運行方式下的母分備自投，這樣做可以防止母線發(fā)生故障跳開所接主變開關時，備自投裝置動作合上母分開關，避免系統(tǒng)再次遭受沖擊或故障擴大。當兩個同時開入或者任意一個開入且 1DL、2DL開關同時分位時表明兩段母線均存在故障則應同時閉鎖特殊運行方式下的線路備自投。

另外，裝置設有#1、#2主變后備保護動作接點開入9、開入10，主要是因為大多數(shù)變電站內(nèi)中低壓母線不裝設母線保護，而通常情況下主變中低壓側后備保護方向指向母線，可以反應主變所連接的母線故障，從而起到中低壓側母線保護的作用。開入 9、開入 10的閉鎖功能同開入7、開入8，缺點是當主變中低壓保護不投入方向或者方向指向變壓器時，若非母線故障導致主變后備保護動作跳開主變開關，會造成備自投裝置被閉鎖而拒動。

同時充分考慮了備用電源進線的輸電容量，為了防止備用電源進線過負荷，跳閘回路接入了兩組重動繼電器聯(lián)切站內(nèi)一部分負荷。其中，220kV PL變聯(lián)切兩臺主變的35kV負荷開關和相關110kV線路，同時對于所連接的相關110kV變電站投入具有負荷聯(lián)切功能的母聯(lián)備自投方式，當110kV進線過載時聯(lián)切部分負荷，來確保整個110kV系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2.3 動作邏輯的實現(xiàn)

該原理的備自投動作邏輯主要考慮兩母線任一母線有壓和兩母線同時失壓時的動作情況，故可分為兩套獨立的動作邏輯方式：

方式1：1DL 2DL 3DL構成常規(guī)原理的母分備投邏輯，該方式主要應用于兩段母線任一段母線有壓的運行情況。

方式2：由1DL 2DL 3DL 4DL構成的，在兩段母同時失壓的情況下，合4DL 和合3DL的線路備投邏輯。

對于方式 1和方式 2，設計可通過各自切換把手實現(xiàn)“分段開關備投方式”和“進線備投方式”投退，當兩切換把手同時投入時，兩種備投均投入。

1）母分備投方式動作邏輯

正常運行時，進線1開關1DL、進線2開關2DL在合閘供電狀態(tài)，分段開關3DL在熱備用狀態(tài)，當某一進線開關偷跳或者某段母線失壓時，備自投裝置檢測到對應段母線失壓且該進線滿足無流閉鎖條件后動作，以T1或T2延時跳開該條進線開關，在確定開關分閘位置后以T3延時合上分段開關3DL。此方式下備自投裝置具有“跳#1主變中、低壓側開關1DL”、“跳#2主變中、低壓側開關 2DL開關”和“合分段開關3DL”的出口功能，在跳 1DL、2DL開關時要考慮同上一級備自投裝置相配合，合理制定T1、T2定值。

2）線路備投方式動作邏輯

該方式主要應用于當變電站兩條主供電源線路因自然災害同時跳閘，或者一條線路停電檢修另一條線路因外力損壞也跳閘時主變高壓側電源消失導致主變中低壓側母線失去電壓的情況。

動作邏輯1：以Ⅰ、Ⅱ段母線電壓均失壓、電源進線1電流小于電流定值Idz1、電源進線2電流小于電流定值Idz2、備用電纜進線線路有壓（此功能由控制字選擇）作為啟動條件，1DL和2DL同時都在跳閘位置作為閉鎖條件，以T7延時跳開1DL，2DL。

動作邏輯 2：以備用電纜進線線路有壓、進線開關1DL和2DL均在跳閘位置、兩段母線均失壓作為啟動條件，4DL在合閘位置、1DL或2DL所在線路有流作為閉鎖條件，以T8延時合4DL。

動作邏輯3：以4DL合位、Ⅰ母失壓、Ⅱ母線有壓為啟動條件，3DL在合閘位置作為閉鎖條件，以T3延時合3DL。 若3DL開關已經(jīng)在合位，則不進行3DL合閘的動作邏輯3，若1DL或2DL開關只要任一個在合位，則裝置均出口同時跳1DL和2DL開關。因此，對于 3DL無論是分位或合位，均不影響線路備投方式的動作邏輯1、動作邏輯2的進行。

當母分備投方式1和線路備投方式2同時投入均起作用時，該動作邏輯可根據(jù)各個斷路器的位置自動適應一次系統(tǒng)運行方式，哪種方式的動作條件滿足則該方式的動作邏輯開始延時。對于母分備投方式1其動作的必要條件為：必須一段母線有壓，另一段母線失壓；而線路備投方式2的必要動作條件為：必須兩段母線均失壓；所以，方式1和方式2可通過不同的動作條件區(qū)分不會相混淆。

3 備自投裝置的閉鎖(放電)邏輯

當出現(xiàn)以下任何一種情況時，則閉鎖備自投裝置，防止誤動作或合閘于故障母線。

1）1DL、2DL手動分閘位置開入，則備自投裝置立即放電(接入備自投總閉鎖)。

2）任意一母線差動保護動作開入。

3）4DL的母線刀閘和線路刀閘位置均為分位或者4DL手車在試驗位置，則閉鎖備投方式2。

4）#1、#2變壓器后備保護動作同時開入。

4 基于該策略的備自投裝置在電網(wǎng)中的應用情況

4.1 裝置在舟山電網(wǎng)220kV PL變電站的應用情況

220kV PL變電站接線方式如圖 1所示，為提高220kV PL變電站的供電可靠性，降低主變110kV側失壓時，將會造成本站110kV母線及母線上所接的110kV變電站全停的風險，安裝了基于該策略的備自投裝置。

該備自投裝置按前文所述的策略要求接入所需的各電氣量和開入量，具有常規(guī)母分備自投和雙母失壓時合備用電源進線開關的線路備投兩套獨立的動作邏輯。正常方式下， #1、#2主變中壓側110kV系統(tǒng)分裂運行，110kV備用電源通過電網(wǎng)升級前的海纜進線和舟山本島110kV系統(tǒng)連接，但是不與220kV PL變電站的110kV母線合環(huán)運行，此時常規(guī)母分備自投邏輯動作。在雙母失壓的情況下，合4DL、3DL的線路備投動作。目前，該備自投裝置已經(jīng)投產(chǎn)運行一年多的時間，經(jīng)歷了迎峰度夏、臺風頻發(fā)期和鐵塔檢修線路輪停等各種考驗，運行狀況良好，220kV PL變電站沒有發(fā)生因天氣等外力原因導致的全島停電事故。

4.2 裝置在單變單線變電站應用情況的分析

在電網(wǎng)升級改造和建設中，由于技術、資金等原因在地區(qū)終端負荷供電變電站內(nèi)常存在單臺變壓器單條進線電源供電的情況。單變單線運行的變電站的典型接線方式如圖2所示，1DL為#1主變中壓側斷路器，2DL為備用線路斷路器，3DL為母分（聯(lián)）斷路器。

圖2 單變單線變電站典型接線示意圖

單變單線的運行變電站，由于主變高壓側系統(tǒng)通常是環(huán)網(wǎng)運行，為避免形成電磁環(huán)網(wǎng)該主變的中壓側系統(tǒng)就不能實現(xiàn)兩個電源點的環(huán)網(wǎng)運行。則在正常運行運行方式下，只能由本變電站的主變高壓側單電源供電，因此，當某種原因引起#1主變中壓側失壓時，將會造成本站中壓側兩段母線及母線上所接的地區(qū)變電站全停。

針對這類單變單線變電站的運行特點，為避免變電站全停事故，可以應用基于該策略的備自投裝置。按照策略要求接入電壓、電流等交流電氣量，接入1DL跳閘回路，接入2DL、3DL合閘回路，裝置可通過判別#1主變中壓側兩段母線有無電壓和相關斷路器的分合接點來決定是否啟動備自投邏輯。當判別#1主變中壓側兩段母線任一母線有電，且1DL合閘位置，2DL分閘位置時，則備自投裝置充電；當某種原因引起#1主變中壓側兩段母線均失壓時，則起動備自投裝置的線路備投邏輯，經(jīng)T7延時跳開1DL，經(jīng)T8延時合上2DL、3DL，通過#1主變中壓側備用線路對主變中壓側母線進行供電，避免全站停電事故，可以極大地提高單變單線變電站的供電可靠性。

5 結論

海島電網(wǎng)由于其自然環(huán)境的原因，電力系統(tǒng)主接線運行方式有其獨特的特點，而繼電保護和自動裝置通過回路設計和軟件設計均可以實現(xiàn)這些復雜多變的需要，但是備自投的動作邏輯必須與電網(wǎng)運行相適應，只有通過實踐積累備自投的運行經(jīng)驗，并對其不斷加以修正改進，才能達到并保證電網(wǎng)安全可靠運行的目的。本文提出的備自投動作策略除可滿足海島變電站供電可靠運行的需求外，還可應用于分期建設的單變單線供電狀態(tài)下電網(wǎng)的可靠運行管理，具有比較廣泛的應用前景。

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