基于最小負(fù)荷損失的自適應(yīng)備自投策略研究

陳 績(jī)，甄 威

(1.成都電業(yè)局繼電保護(hù)所，四川 成都 610021;2.四川電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

0 引言

近年來(lái)，結(jié)合國(guó)家電網(wǎng)公司系統(tǒng)內(nèi)大批老舊變電站的改造升級(jí)，新一代微機(jī)保護(hù)得到了廣泛運(yùn)用，智能化變電站技術(shù)也日趨成熟。高性能、開放的硬件平臺(tái)為通過優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)來(lái)完善保護(hù)功能及提升保護(hù)性能提供了良好條件。相比于硬件升級(jí)，改善軟件邏輯設(shè)計(jì)具有周期短、成本低、靈活性強(qiáng)的顯著優(yōu)勢(shì)。而為設(shè)備廠商改進(jìn)產(chǎn)品提供直接依據(jù)的正是廣大電力系統(tǒng)工程技術(shù)人員在大量的技術(shù)實(shí)踐中所發(fā)現(xiàn)問題和找到的有益思路，而問題的解決對(duì)于作為設(shè)備用戶的電網(wǎng)企業(yè)來(lái)說(shuō)，無(wú)疑具有重要意義。

目前，作為增強(qiáng)電網(wǎng)供電可靠性的主要設(shè)備和手段之一，備用電源自動(dòng)投入裝置(即備自投)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［1－4］。它的主要作用是在主供電源因故障或其他原因中斷的情況下迅速自動(dòng)投入后備電源，恢復(fù)電力供應(yīng)，從而提高電網(wǎng)供電可靠性。文獻(xiàn)［5－8］對(duì)備自投裝置的設(shè)計(jì)、安裝規(guī)范及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等作了明確的要求。

針對(duì)部分變電站在擴(kuò)容改造為3 臺(tái)主變壓器接線方式后，傳統(tǒng)備自投存在的邏輯缺陷，提出了采用暫態(tài)過程自適應(yīng)邏輯與分段自投加速邏輯相結(jié)合的新型備自投方案。該方案只需對(duì)現(xiàn)有分段備自投裝置程序進(jìn)行升級(jí)，在基本不對(duì)二次回路進(jìn)行改動(dòng)的情況下，即能適應(yīng)目前大多數(shù)變電站擴(kuò)容改造后新的主接線方式，提高終端負(fù)荷變電站的供電可靠性。

1 經(jīng)典備自投動(dòng)作邏輯和局限性

1.1 經(jīng)典備自投邏動(dòng)作邏輯

經(jīng)典備自投動(dòng)作邏輯主要有進(jìn)線備自投與分段(橋)備自投方式［9］，以及近年來(lái)逐漸開始提出和應(yīng)用的負(fù)荷均分備自投方式［10］，以圖1 所示的某變電站主接線圖為例，動(dòng)作邏輯見表1。

表1 經(jīng)典備自投動(dòng)作邏輯

圖1 變電站典型接線

1.2 局限性

文獻(xiàn)［11－15］對(duì)多種技術(shù)條件和運(yùn)行方式下的備自投邏輯作了較深入的研究，但主要是針對(duì)2臺(tái)主變壓器或單主變壓器運(yùn)行、雙母線接線、擴(kuò)大內(nèi)橋等常見運(yùn)行方式下備自投邏輯的探討［11－13］，或者是對(duì)網(wǎng)絡(luò)化、智能化等新技術(shù)條件下備自投裝置設(shè)計(jì)、應(yīng)用中一般性問題的討論［14－15］。到目前為止，針對(duì)多臺(tái)主變壓器運(yùn)行方式下備自投邏輯的研究也多止于以2 臺(tái)主變壓器為基礎(chǔ)進(jìn)行有限擴(kuò)充，靈活性受到很大限制。對(duì)多臺(tái)主變壓器非常規(guī)接線方式下的備自投動(dòng)作研究，更是鮮有涉及。

目前，成都地區(qū)大部分雙臺(tái)主變壓器配置的110 kV 負(fù)荷變電站通常采用表1 所示的備自投運(yùn)行方式。考慮到將來(lái)負(fù)荷增長(zhǎng)后擴(kuò)容，它們中的大部分又是按照3 臺(tái)主變壓器配置的遠(yuǎn)期規(guī)劃設(shè)計(jì)的。在擴(kuò)建第3 臺(tái)主變壓器時(shí)，除圖1 虛線部分所示的主接線方式外，還根據(jù)主變壓器容量和網(wǎng)架情況采取其他的一些主接線方式。比如2011年完成增容改造后的成都110 kV 板橋變電站就采用了如圖2 所示的主接線，采用類似主接線方式的還有成都官渡、洪河等變電站。

圖2 110 kV 板橋變電站主接線

在新的主接線方式下，若以“1”表示開關(guān)合位，“0”表示開關(guān)分位，該變電站常用的3種運(yùn)行方式及不同的故障后各開關(guān)的動(dòng)作情況如表2、表3 和表4 所示。

1.2.1 運(yùn)行方式1

若該站以方式1 運(yùn)行，當(dāng)發(fā)生不同類型故障時(shí)，常規(guī)備自投邏輯均可以正確動(dòng)作，不會(huì)損失負(fù)荷。具體動(dòng)作情況見表2。

表2 板橋站運(yùn)行方式1

表3 板橋站運(yùn)行方式2

表4 板橋站運(yùn)行方式3

1.2.2 運(yùn)行方式2

若該站以方式2 運(yùn)行，在順板線發(fā)生故障時(shí)，線路保護(hù)動(dòng)作將156、157 開關(guān)跳開，全站失壓，此時(shí)，35 kV 備自投將因兩段母線失壓而放電，在110 kV進(jìn)線備自投動(dòng)作，合上155 開關(guān)后，110 kVⅠ、Ⅱ母，35 kV Ⅰ母，10 kVⅠ、Ⅱ母均恢復(fù)供電，而35 kV Ⅲ母卻因35 kV 備自投提前放電而無(wú)法恢復(fù)。

同一運(yùn)行方式下，若2 號(hào)主變壓器發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，2 號(hào)主變壓器保護(hù)動(dòng)作跳開156、130、902 開關(guān)后，110 kV 進(jìn)線備自投動(dòng)作合上155 開關(guān)，110 kVⅠ母、35 kV Ⅰ母和10 kVⅠ母均恢復(fù)供電，而10 kVⅡ母也將因10kV 備自投提前放電而無(wú)法恢復(fù)。具體動(dòng)作情況見表3(無(wú)法正確恢復(fù)的動(dòng)作邏輯在表3中以黑框標(biāo)示)。

1.2.3 運(yùn)行方式3

若該站以方式3 運(yùn)行，在157 線路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)35 kV 分段備自投動(dòng)作跳開303 開關(guān)后，10 kV Ⅲ母無(wú)法恢復(fù)的問題，因該段母線上均為電容器出線，為防止非同期合閘導(dǎo)致電容器組過電壓損壞，故不可再恢復(fù)。

同一運(yùn)行方式下，若1 號(hào)主變壓器發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，1 號(hào)主變壓器保護(hù)動(dòng)作跳開155、130、301、901開關(guān)后，110 kV 進(jìn)線備自投動(dòng)作合上156 開關(guān)，35 kV 備自投動(dòng)作合上330 開關(guān)，110 kVⅡ母、35 kV Ⅰ母和10 kVⅡ母均恢復(fù)供電，10 kVⅠ母卻因10 kV備自投提前放電而無(wú)法恢復(fù)。具體動(dòng)作情況見表4(無(wú)法正確恢復(fù)的動(dòng)作邏輯在表4 中以黑框標(biāo)示)。

由此可見，在新的主接線方式下，傳統(tǒng)備自投動(dòng)作邏輯存在明顯缺陷。

2 基本思路

根據(jù)前面分析可知，導(dǎo)致?lián)p失負(fù)荷的主要原因是傳統(tǒng)的分段備自投邏輯里，沒有考慮全站失壓后，在部分無(wú)故障設(shè)備自動(dòng)恢復(fù)供電的暫態(tài)過程中，相關(guān)電氣量條件的變化。如果在設(shè)計(jì)備自投邏輯時(shí)，不僅考慮與相關(guān)設(shè)備的配合關(guān)系，還將中間暫態(tài)過程也考慮進(jìn)去，改瞬時(shí)放電為延時(shí)放電，若在整定的延時(shí)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，備自投裝置感受到暫態(tài)過程電氣量變化滿足設(shè)定前提，則繼續(xù)執(zhí)行備自投邏輯。由此可實(shí)現(xiàn)全站無(wú)故障設(shè)備的全部自動(dòng)恢復(fù)供電。

另外，由于中間暫態(tài)過程是多個(gè)繼電保護(hù)及自動(dòng)化設(shè)備動(dòng)作時(shí)間的順序疊加，若自適應(yīng)備自投仍按整定的分段備投邏輯時(shí)間動(dòng)作，則將使用戶掉電的時(shí)間延長(zhǎng)，可能造成更大的損失，故考慮在自適應(yīng)備自投中插入分段加速動(dòng)作邏輯，以提高系統(tǒng)的快速恢復(fù)供電能力。

3 帶加速的新型自適應(yīng)備自投動(dòng)作邏輯設(shè)計(jì)

帶分段加速功能的暫態(tài)自適應(yīng)備自投動(dòng)作邏輯見圖3。虛線外部分為常規(guī)分段備自投邏輯，虛線內(nèi)部分即所提出并新增的邏輯框圖。

圖3 以10 kV 分段備自投及對(duì)應(yīng)開關(guān)編號(hào)為例進(jìn)行說(shuō)明。對(duì)35 kV 分段備自投，對(duì)應(yīng)替換相應(yīng)開關(guān)及母線編號(hào)即可。

在所設(shè)計(jì)的備自投動(dòng)作邏輯下，對(duì)于圖2 所示的接線方式，若以前述方式2 運(yùn)行，順板線線路上發(fā)生故障，線路保護(hù)動(dòng)作將156、157 開關(guān)跳開，全站失去主供電源。此時(shí)，35 kV 兩段母線失壓，301、303 開關(guān)無(wú)電流，35 kV 備自投裝置進(jìn)入虛線部分邏輯:35 kV 備自投改瞬時(shí)放電為延時(shí)放電(延時(shí)時(shí)長(zhǎng)可整定，但需大于110 kV 備自投動(dòng)作時(shí)間定值)，當(dāng)110 kV 進(jìn)線備自投動(dòng)作合上155 開關(guān)后，110 kVⅠ、Ⅱ母，35 kV I 母，10 kVⅠ、Ⅱ母均恢復(fù)供電，此時(shí)，35 kV 自適應(yīng)備自投感受到Ⅰ母電壓恢復(fù)，同時(shí)確認(rèn)303 開關(guān)無(wú)電流后，不帶延時(shí)加速動(dòng)作，跳開303 開關(guān)，合上330 開關(guān)，全站無(wú)故障設(shè)備全部恢復(fù)供電。

同一運(yùn)行方式下，若2 號(hào)主變壓器發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，主變壓器保護(hù)動(dòng)作跳開2 號(hào)主變壓器各側(cè)開關(guān)后，110 kV 進(jìn)線備自投動(dòng)作合上155 開關(guān)，110 kVⅠ母、35 kV Ⅰ母和10 kVⅠ母均恢復(fù)供電，10 kV 自適應(yīng)備自投延時(shí)放電過程中感受到10 kVⅠ母電壓恢復(fù)，同時(shí)902 開關(guān)無(wú)電流后，加速動(dòng)作，跟跳一次902 開關(guān)，合上930 開關(guān)，全站無(wú)故障設(shè)備全部恢復(fù)供電。

若該站以方式3 運(yùn)行，在1 號(hào)主變壓器發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，主變壓器保護(hù)動(dòng)作跳開1 號(hào)主變壓器各側(cè)開關(guān)后，全站失壓。110 kV 進(jìn)線備自投延時(shí)動(dòng)作合上156 開關(guān)，35 kV 備自投動(dòng)作合上330 開關(guān)，110 kV Ⅱ母，35 kVⅠ母，10 kVⅡ母均恢復(fù)供電，10 kV 自適應(yīng)備自投延時(shí)放電過程中感受到10 kVⅡ母電壓恢復(fù)，同時(shí)901 開關(guān)無(wú)電流后，加速動(dòng)作，跟跳一次901 開關(guān)，合上930 開關(guān)，全站無(wú)故障設(shè)備全部恢復(fù)供電。

由此可見，所提出的暫態(tài)自適應(yīng)備自投邏輯下，前述3種因傳統(tǒng)備自投拒動(dòng)而導(dǎo)致?lián)p失負(fù)荷的情況全部得以解決。

值得一提的是，考慮到絕大多數(shù)情況下，兩母同時(shí)失壓都是由于高一級(jí)的電源故障引起，比如前面所提到的因主供線路故障或主變壓器故障跳進(jìn)線等，中低壓側(cè)備自投動(dòng)作不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成二次沖擊。故針對(duì)中低壓側(cè)兩段母線同時(shí)失壓的情況，特別設(shè)計(jì)了經(jīng)壓板控制的短延時(shí)合分段開關(guān)邏輯。在此邏輯下，若中低壓側(cè)自適應(yīng)備自投感受到兩段母線同時(shí)失壓，可經(jīng)短延時(shí)無(wú)選擇性的合上分段開關(guān)，在高壓側(cè)進(jìn)線備自投動(dòng)作后，全站無(wú)故障部分即可全部恢復(fù)供電，整個(gè)過程動(dòng)作時(shí)間將再次被縮短。至于是否投此功能，可由調(diào)度部門根據(jù)變電站的主接線方式、負(fù)荷類型、電網(wǎng)潮流情況以及系統(tǒng)穩(wěn)定性等因素綜合考慮后下達(dá)。

圖3 帶加速的新型自適應(yīng)備自投動(dòng)作邏輯框圖

4 模擬量及開關(guān)量入口

帶加速的新型自適應(yīng)備自投需采集的模擬量見表5，開關(guān)量見表6。表5 中TW、HH 分別表示斷路器操作板跳位開關(guān)量和合后開關(guān)量。

表5 自適應(yīng)備自投模擬量采集列表

表6 自適應(yīng)備自投開關(guān)量采集列表

5 自適應(yīng)備自投與繼電保護(hù)的配合

5.1 概述

為保證所述自適應(yīng)備自投正確動(dòng)作，避免因備自投誤動(dòng)造成故障對(duì)系統(tǒng)的二次沖擊，就需要對(duì)自適應(yīng)備自投與繼電保護(hù)的配合問題進(jìn)行分析。

5.2 閉鎖邏輯

5.2.1 自適應(yīng)備自投與線路保護(hù)的配合

因線路故障，故障點(diǎn)不在站內(nèi)，備自投動(dòng)作不可能對(duì)故障線路進(jìn)行二次沖擊，故線路保護(hù)動(dòng)作均不閉鎖備自投。

5.2.2 自適應(yīng)備自投與主變壓器保護(hù)的配合

主變壓器保護(hù)閉鎖備自投邏輯比較復(fù)雜，需要考慮的因素較多。

目前，成都地區(qū)的110 kV 主變壓器保護(hù)典型配置見表7。以10 kV 自適應(yīng)備自投為例進(jìn)行說(shuō)明如下。

10 kV 母線分列運(yùn)行，造成10 kVⅠ母失壓且901 開關(guān)無(wú)電流的情況有以下幾種。

1)故障發(fā)生在10 kVⅠ段母線上，1 號(hào)主變壓器低后備保護(hù)動(dòng)作跳開901 開關(guān)后導(dǎo)致母線失壓。這種情況下10 kV 自適應(yīng)備自投不應(yīng)動(dòng)作，否則將合閘于故障母線。

2)故障發(fā)生在1 號(hào)主變壓器差動(dòng)范圍內(nèi)或變壓器油箱內(nèi)，由差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作或非電量保護(hù)動(dòng)作全切主變壓器三側(cè)后導(dǎo)致10 kVⅠ段母線失壓。這種情況下10 kV 自適應(yīng)備自投應(yīng)該動(dòng)作。

3)故障點(diǎn)發(fā)生在10 kV 母線上而低后備保護(hù)拒動(dòng)后，越級(jí)至高后備保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致10 kVⅠ母失壓。這種情況下10 kV 自適應(yīng)分段備自投不應(yīng)動(dòng)作，否則將合閘于故障母線。

4)故障點(diǎn)發(fā)生在主變壓器差動(dòng)范圍內(nèi)而差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)，高后備保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致10 kVⅠ母失壓。這種情況下10 kV 分段備自投應(yīng)該動(dòng)作。

對(duì)10 kV Ⅱ母失壓且902 開關(guān)無(wú)電流的情況分析類似。

在10 kV 母線分列運(yùn)行，造成10 kVⅠ、Ⅱ母同時(shí)失壓且901、902 開關(guān)無(wú)電流的情況有以下幾種。

表3 所列運(yùn)行方式下，1B 區(qū)內(nèi)故障和表4 所列運(yùn)行方式下2B 區(qū)內(nèi)故障的情況，在這兩種情況下，母線本身并無(wú)故障，自適應(yīng)備自投動(dòng)作于恢復(fù)10 kV 母線供電。因此，雙母同時(shí)失壓時(shí)，均不能閉鎖自適應(yīng)備自投動(dòng)作。

綜上所述，主變壓器中低壓側(cè)后備保護(hù)動(dòng)作應(yīng)該閉鎖相應(yīng)的自適應(yīng)備自投，且閉鎖接點(diǎn)應(yīng)采用導(dǎo)致備自投誤動(dòng)的段別，即復(fù)壓過流2 段;主變壓器差動(dòng)和非電量保護(hù)動(dòng)作不應(yīng)閉鎖自適應(yīng)備自投。至于主變壓器高后備動(dòng)作是否閉鎖自適應(yīng)備自投，如果從保證供電可靠性的角度出發(fā)，應(yīng)選擇不閉鎖分段備自投;如果從防止合閘于故障，減少對(duì)系統(tǒng)二次沖擊的角度出發(fā)，應(yīng)選擇閉鎖分段備自投。因此，高后備是否閉鎖自適應(yīng)備自投，各有利弊。綜合分析各種故障的可能性，通常來(lái)講，高后備動(dòng)作閉鎖自適應(yīng)備自投是弊大于利。因此高后備閉鎖自適應(yīng)備自投的出口回路應(yīng)通過壓板控制，投退與否由調(diào)度單位繼電保護(hù)歸口管理部門根據(jù)實(shí)際需要綜合考慮后下達(dá)。

表7 110 kV 主變壓器保護(hù)典型配置

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)變電站擴(kuò)容改造為多臺(tái)主變壓器接線方式后，傳統(tǒng)備自投動(dòng)作邏輯不能正確動(dòng)作所帶來(lái)的供電可靠性降低問題，提出了采用暫態(tài)過程自適應(yīng)邏輯與分段自投加速邏輯相結(jié)合的新型備自投方案，同時(shí)設(shè)計(jì)了經(jīng)壓板控制的無(wú)延時(shí)合分段開關(guān)邏輯。所提出的方案只需要對(duì)現(xiàn)有備自投動(dòng)作邏輯進(jìn)行程序升級(jí)，在基本不對(duì)二次回路進(jìn)行改動(dòng)的情況下，即能適應(yīng)目前大多數(shù)變電站擴(kuò)容改造后新的主接線方式，全面提高供電靈活性和可靠性。

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