快速投切電容電抗器暫態(tài)無功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用

文/劉雍

隨著直流輸電工程在電力系統(tǒng)中的比重不斷上升，交流受端電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的電壓跌落導(dǎo)致的換流閥換相失敗甚至直流輸電線路閉鎖日益成為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重大隱患。為進(jìn)一步提高受端電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功支撐能力，提高電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性，需要在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行暫態(tài)無功補(bǔ)償。本文中的快速投切電容電抗器自動(dòng)裝置是一種新型的暫態(tài)無功補(bǔ)償方案，這種方法可以利用站內(nèi)既有電容器、電抗器，實(shí)現(xiàn)毫秒級的無功補(bǔ)償響應(yīng)，從而在交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)根據(jù)軟件邏輯策略快速響應(yīng)出口投切電容器、電抗器，實(shí)現(xiàn)暫態(tài)無功補(bǔ)償，提高電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性。

1 工程背景

隨著一系列國家西電東送重點(diǎn)工程的相繼投產(chǎn)，南方電網(wǎng)廣東珠三角地區(qū)電網(wǎng)已成為典型的多回直流集中饋入重負(fù)荷受端電網(wǎng)，直流輸電輸送容量約占最大負(fù)荷比例的39%。為提高電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，在交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能快速發(fā)出無功支撐電壓，提高直流輸電系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)行暫態(tài)無功補(bǔ)償對保障電網(wǎng)安全運(yùn)行、提高供電可靠性有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)的在直流換流站接入交流電網(wǎng)站點(diǎn)加裝STATCOM等裝置的就近補(bǔ)償方法補(bǔ)償效果好，但存在設(shè)備投資大、補(bǔ)償容量小的缺點(diǎn)。220kV 某變電站地處珠三角西北地區(qū)，距多個(gè)超高壓直流輸電饋入點(diǎn)電氣距離較近，站內(nèi)有三臺(tái)主變，各帶三段10kV母線，每條10kV母線裝設(shè)4臺(tái)8000kvar容量電容器，考慮該站綜合條件，利用站內(nèi)既有無功備用容量，節(jié)省投資，決定在該站加裝快速投切電容器裝置。

圖1：裝置硬件原理圖

2 快速投切電容電抗器裝置硬件原理

快速投切電容電抗器裝置（PCS998S）為由微機(jī)實(shí)現(xiàn)的集中式網(wǎng)絡(luò)智能保護(hù)裝置，主要用于220kV及以下電壓等級變電站，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)和站間的保護(hù)和控制功能，實(shí)現(xiàn)對動(dòng)態(tài)無功的綜合調(diào)用，在系統(tǒng)故障時(shí)起到一定的電壓支撐作用。

PCS998S基于數(shù)字化變電站技術(shù)，裝置支持IEC60044-8IEC61850-9-1/2采樣值傳輸協(xié)議，支持新一代變電站通訊標(biāo)準(zhǔn)IEC61850,支持GOOSE功能。裝置支持電子式互感器和常規(guī)互感器。

裝置實(shí)現(xiàn)了智能判別系統(tǒng)電壓跌落并快速選擇性切除電抗器、投入電容器的功能，解決了常規(guī)AVC、VQC裝置投入電容器時(shí)間長的問題，可有效提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性；適用于任意母線接線方式和母線運(yùn)行方式的變電站，為在負(fù)荷中心地區(qū)推廣應(yīng)用、加強(qiáng)南網(wǎng)受端電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功支撐能力具有重要意義。

裝置硬件結(jié)構(gòu)硬件上采用PCS-998S平臺(tái)+PCS-222智能終端相配合的方案，兼顧智能化變電站、常規(guī)變電站的通用性。具備與遠(yuǎn)方站點(diǎn)通信能力，實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)控制。如圖1所示。

3 快速投切電容電抗器裝置軟件原理及補(bǔ)償策略

3.1 軟件工作原理

有故障或無故障情況下，裝置監(jiān)測到系統(tǒng)電壓跌落幅值和持續(xù)時(shí)間超過門檻值時(shí)，分輪次切除電抗器、投入電容器；系統(tǒng)恢復(fù)后，若電壓升高幅值和持續(xù)時(shí)間超過門檻值時(shí)，分輪次切除前期投入的電容器。如圖2所示。

故障低壓動(dòng)作：檢測到系統(tǒng)故障發(fā)生后啟動(dòng)，監(jiān)測正序電壓持續(xù)低于門檻值（如0.9Un）超過一定時(shí)間（如0.12s）分輪次切除電抗器、投入電容器；

非故障低壓動(dòng)作：監(jiān)測正序電壓持續(xù)低于門檻值（如0.88Un）超過一定時(shí)間（如5s）分輪次切除電抗器、投入電容器。

過壓動(dòng)作：系統(tǒng)電壓恢復(fù)后，若出現(xiàn)電壓偏高（如正序電壓高于1.07Un）超過一定時(shí)間（如0.5s）分輪次切除前期投入的電容器。

針對每臺(tái)主變，裝置接入各個(gè)主變變高電壓，設(shè)有獨(dú)立的低壓啟動(dòng)元件，啟動(dòng)后開放出口正電源。啟動(dòng)元件利用裝置正序電壓低于低壓啟動(dòng)定值判斷低壓啟動(dòng)。

裝置動(dòng)作元件有：

（1）故障低壓動(dòng)作元件：利用裝置正序電壓滑差變化率判斷系統(tǒng)故障；

（2）非故障低壓動(dòng)作元件：利用裝置正序電壓判斷低壓動(dòng)作；

（3）恢復(fù)過壓動(dòng)作元件。

3.2 裝置補(bǔ)償策略

系統(tǒng)故障識(shí)別邏輯：當(dāng)采集電壓中任何一相電壓變化率大于故障判別滑差定值，經(jīng)10ms確認(rèn)延時(shí)后若此時(shí)正序電壓低于低壓啟動(dòng)返回定值，則該系統(tǒng)故障標(biāo)志一直保持，當(dāng)電壓高于低壓啟動(dòng)返回定值后延時(shí)50ms返回；

故障情況下低壓投切電容器電抗器策略：故障低壓邏輯過程中，當(dāng)系統(tǒng)電壓回升過程中，若回升滑差大于電壓回升滑差定值時(shí)計(jì)數(shù)器遞減（躲系統(tǒng)振蕩）；裝置內(nèi)部設(shè)置有“協(xié)同動(dòng)作時(shí)間”定值，固定取20ms。當(dāng)某臺(tái)主變判低壓出口后，若20ms以內(nèi)同時(shí)有其余主變判低壓出口，則判斷為同區(qū)域內(nèi)多主變同時(shí)低壓，將采取統(tǒng)一的協(xié)調(diào)控制措施，切除電抗器、投入電容器。即將動(dòng)作的主變可投切的電容電抗器列在一起按優(yōu)先級順序參與按輪次投入個(gè)數(shù)的投切動(dòng)作過程。

為使裝置正確動(dòng)作，裝置需接入主變閉鎖開入（主變區(qū)內(nèi)故障導(dǎo)致的故障低壓）、母差閉鎖開入（母差保護(hù)動(dòng)作，閉鎖全部主變判別功能）、電容器閉鎖開入（包括電容器保護(hù)動(dòng)作、電容器保護(hù)裝置報(bào)警、電容器保護(hù)裝置閉鎖(或失電)、電容器控制回路斷線）等閉鎖信號。當(dāng)主變功能壓板或電容器允切壓板退出時(shí)不進(jìn)行相應(yīng)邏輯和告警判別，已發(fā)生的相應(yīng)告警信號自動(dòng)復(fù)歸。

4 快速投切電容電抗器裝置的運(yùn)維

4.1 快投裝置的投入和退出

快投裝置的投退必須按照以下順序進(jìn)行：

（1）快投裝置的退出：退出跳閘、合閘出口壓板、退出允許投切功能壓板、退出總功能投入壓板。

（2）快投裝置的投入：投入總功能投入壓板、投入允許投切功能壓板、投入跳閘、合閘出口壓板。

4.2 快投裝置的定檢

通常采取狀態(tài)檢修模式。定檢時(shí)將裝置退出；退出跳閘出口壓板，投入檢修狀態(tài)壓板；檢查裝置采樣（電流、電壓、頻率及相關(guān)開入量）；檢查裝置中央信號的準(zhǔn)確性；利用裝置的試驗(yàn)定值功能進(jìn)行裝置單站測試，檢查裝置出口信號的正確性；檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)插件不正常，要及時(shí)更換備用插件，或通知廠家處理。

圖2：裝置軟件工作原理圖

4.3 日常維護(hù)注意事項(xiàng)

裝置指示燈是否處于運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有異常信號時(shí)，及時(shí)查清異常的現(xiàn)象和原因或上報(bào)。快投裝置與在其它保護(hù)共用PT回路，其它保護(hù)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)考慮快投裝置有無誤動(dòng)作的可能，必要時(shí)退出相應(yīng)的快投裝置。保護(hù)裝置的硬件回路和軟件工作條件始終在系統(tǒng)的監(jiān)視下，一旦有任何異常情況發(fā)生，相應(yīng)的報(bào)警信息將被顯示。某些異常報(bào)警可能會(huì)閉鎖一些保護(hù)功能，一些嚴(yán)重的硬件故障和異常報(bào)警可能會(huì)閉鎖保護(hù)裝置。此時(shí)運(yùn)行燈將會(huì)熄滅。同時(shí)開出信號的裝置閉鎖接點(diǎn)將會(huì)閉合，保護(hù)裝置必須退出運(yùn)行，需要檢修以排除故障。

5 結(jié)語

快速投切電容電抗器裝置能夠在受端電網(wǎng)發(fā)生故障，電壓出現(xiàn)跌落時(shí)，充分利用變電站既有電容電抗器的備用無功容量，快速響應(yīng)發(fā)出無功，實(shí)現(xiàn)暫態(tài)無功補(bǔ)償，起到電壓支撐作用，對于電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性、電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。快速投切電容電抗器裝置為新型裝置，為保證設(shè)備正常運(yùn)行，需加強(qiáng)運(yùn)維人員的技能培訓(xùn)，明確其運(yùn)維策略。隨著直流輸電等電力技術(shù)的發(fā)展，無功補(bǔ)償新技術(shù)裝置的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛，在實(shí)際調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)中需要越來越多的對無功補(bǔ)償新技術(shù)裝置精通的專業(yè)技術(shù)人員，熟練其運(yùn)維方法，才能確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。