集成式變電站的10 kV備自投負(fù)荷均分功能自動(dòng)選擇方法研究

葉雪映，賴天德，李元開

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

由于集成式變電站的電氣距離被大量壓縮，電氣設(shè)備空氣流通受到阻礙，被動(dòng)式散熱性能大大降低，因此防止變電站超負(fù)荷運(yùn)行或長期過負(fù)荷運(yùn)行是集成式變電站安全可靠運(yùn)行的重點(diǎn)要求。10 kV供電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其直接面對(duì)廣大用戶，當(dāng)一段10 kV母線失壓時(shí)，可能會(huì)造成區(qū)域性停電，因此10 kV系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行將直接關(guān)系到萬千用戶的切身利益。10 kV備自投裝置能夠在工作電源斷開后迅速投入備用電源，恢復(fù)正常供電。備自投負(fù)荷均分功能（下稱負(fù)荷均分）的實(shí)現(xiàn)可以有效避免因裝置動(dòng)作造成主變過載，對(duì)于保證供電的連續(xù)性和可靠性起著重要作用。目前10 kV備自投裝置是否需要負(fù)荷均分功能通過投退壓板來實(shí)現(xiàn)，其動(dòng)作模式單一且增加運(yùn)行人員的操作步驟，同時(shí)存在負(fù)荷均分后低壓母線合環(huán)運(yùn)行影響變壓器的輸出問題。針對(duì)此類問題改進(jìn)負(fù)荷均分功能，優(yōu)化當(dāng)前的備自投邏輯，使裝置可自行判別并決定是否負(fù)荷均分。本文提出一種通過備自投實(shí)現(xiàn)變壓器負(fù)荷自動(dòng)均分的方法，目的是可以避免變壓器負(fù)荷過重，同時(shí)無須運(yùn)行人員趕赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作調(diào)整運(yùn)行方式[1-3]。

1 10 kV備自投裝置負(fù)荷均分

典型的110 kV變電站接線方式由3臺(tái)主變帶著4條10 kV母線運(yùn)行，#1主變壓器帶10 kV 1M母線，#2主變壓器帶10 kV 2AM母線和2BM母線，#3主變壓器帶10 kV 3M母線，如圖1所示。當(dāng)10 kV供電電源因故障失誤導(dǎo)致10 kV母線失壓時(shí)，通過合上10 kV分段開關(guān)投入其他供電電源可實(shí)現(xiàn)分段備自投功能，使10 kV母線恢復(fù)供電。

圖1 典型的110 kV變電站接線方式圖

正常運(yùn)行情況下，當(dāng)#1主變壓器上級(jí)電源系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，上級(jí)開關(guān)跳開，10 kV 1M母線失壓，此時(shí)母線無壓、進(jìn)線無流，備自投充電完成，滿足動(dòng)作條件，裝置延時(shí)跳開#1主變變低501開關(guān)，確認(rèn)501開關(guān)在分位后，延時(shí)投入分段521開關(guān)。此時(shí)#2主變壓器供10 kV 1M母線、2AM母線以及2BM母線負(fù)荷，負(fù)荷較大的情況下#2主變壓器將過負(fù)荷運(yùn)行，長時(shí)間運(yùn)行會(huì)對(duì)變壓器造成危害，不利于變壓器的安全運(yùn)行[4]。

1.1 典型負(fù)荷均分邏輯

為了避免主變過載運(yùn)行，10 kV備自投裝置增加負(fù)荷均分邏輯，備自投充電條件增加負(fù)荷均分壓板投入。當(dāng)#1主變壓器上級(jí)電源系統(tǒng)發(fā)生故障，上級(jí)開關(guān)跳開，10 kV 1M母線失壓，此時(shí)母線無壓、進(jìn)線無流，備自投充電完成且滿足動(dòng)作條件，裝置延時(shí)跳開#1主變變低501開關(guān)，確認(rèn)501開關(guān)在分位后，延時(shí)投入分段532開關(guān)，確認(rèn)532開關(guān)在合位后，延時(shí)投入分段521開關(guān)。此時(shí)#2主變壓器和#3主變壓器帶著4條10 kV母線的負(fù)荷，這種負(fù)荷均分方式的備自投方式可以避免單一主變壓器過載。#3主變發(fā)生故障時(shí)同理。

典型負(fù)荷均分邏輯只針對(duì)#1主變和#3主變，#2主變上級(jí)電源系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)10 kV備自投動(dòng)作不存在主變過載問題，所以不實(shí)現(xiàn)負(fù)荷均分功能。常用的10 kV備自投裝置有6種運(yùn)行方式，4段10 kV母線失壓情況各對(duì)應(yīng)一種，另外兩種為10 kV 1M和3M母線失壓情況加入負(fù)荷均分邏輯。

1.2 典型負(fù)荷均分邏輯優(yōu)缺點(diǎn)

10 kV備自投裝置加入負(fù)荷均分邏輯能夠有效避免變壓器過載，提高供電可靠性。變壓器長時(shí)間過載運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致其溫度升高，絕緣性能降低，從而影響使用壽命。

但負(fù)荷均分邏輯單一，裝置投入壓板后將不考慮主變所帶負(fù)荷高低強(qiáng)制均分負(fù)荷，靈活性較低。并且加入壓板投退邏輯將增加運(yùn)行人員操作步驟，也不利于日常運(yùn)維。

按照電氣運(yùn)行規(guī)程，低壓側(cè)并列前需高壓側(cè)先并列。若變壓器高壓側(cè)未并列，而低壓側(cè)因備自投負(fù)荷均分動(dòng)作合上分段開關(guān)后并列，兩臺(tái)主變將通過10 kV母線合環(huán)運(yùn)行，即低壓母線合環(huán)。此時(shí)在兩臺(tái)主變高壓側(cè)電壓有偏差情況下系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流，環(huán)流嚴(yán)重將導(dǎo)致變壓器過載或燒毀設(shè)備。為避免此類問題同時(shí)更好地達(dá)到負(fù)荷均分效果，運(yùn)行人員需斷開一個(gè)#2主變變低開關(guān)使兩臺(tái)變壓器解環(huán)[5]。

2 10 kV備自投裝置負(fù)荷均分功能優(yōu)化

為更好地解決負(fù)荷均分邏輯單一和低壓母線合環(huán)運(yùn)行問題，本文通過增加電氣量判據(jù)優(yōu)化10 kV備自投裝置負(fù)荷功能，以實(shí)現(xiàn)裝置負(fù)荷均分自動(dòng)選擇和自主判別變壓器能否合環(huán)運(yùn)行，利于集成式變電站實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制及分析決策功能。

2.1 負(fù)荷均分自動(dòng)選擇

由上文可知，10 kV備自投裝置動(dòng)作可能導(dǎo)致#2主變過載，主變過載產(chǎn)生的熱量將對(duì)主變壓器造成破壞。為更靈活實(shí)現(xiàn)負(fù)荷均分功能，本文引用功率電氣量，在裝置中取消負(fù)荷均分壓板，在啟動(dòng)條件中增加功率判據(jù)，確認(rèn)#2主變過載情況，以此判定裝置是否采取負(fù)荷均分邏輯。

2.1.1 自動(dòng)選擇邏輯

裝置采集#2主變功率P，并整定功率過載定值PGZ。當(dāng)#2主變出現(xiàn)過載現(xiàn)象，其功率大于過載定值，即|P|≥PGZ時(shí)，經(jīng)過延時(shí)定值TGZ后發(fā)出確認(rèn)負(fù)荷均分命令。裝置根據(jù)負(fù)荷均分命令判定按哪種運(yùn)行方式來動(dòng)作，以此實(shí)現(xiàn)10 kV備自投負(fù)荷均分自動(dòng)選擇功能。負(fù)荷均分命令邏輯示意如圖2所示。

圖2 負(fù)荷均分命令邏輯示意圖

備自投裝置根據(jù)是否投入負(fù)荷均分功能分為兩種運(yùn)行方式，以10 kV 1M母線失壓的兩種運(yùn)行方式為例。

運(yùn)行方式一（投入負(fù)荷均分功能），裝置充電條件為4條10 kV母線均三相有壓、4個(gè)主變變低開關(guān)在合位、兩個(gè)10 kV分段開關(guān)在分位以及備自投功能投入，滿足以上條件經(jīng)延時(shí)時(shí)間完成該運(yùn)行方式充電。裝置動(dòng)作條件為檢測(cè)10 kV 1M母線無電壓，#1主變變低開關(guān)501無電流。裝置動(dòng)作過程滿足充電條件和動(dòng)作條件后經(jīng)延時(shí)跳開501開關(guān)，確認(rèn)變低501開關(guān)在分位后，延時(shí)投入分段532開關(guān)，確認(rèn)分段532開關(guān)在合位后延時(shí)投入分段521開關(guān)[6]。

運(yùn)行方式二（不投入負(fù)荷均分功能），裝置充電條件為10 kV 1M和2AM母線均三相有壓，#1和#2主變變低，501與502A開關(guān)在合位，分段開關(guān)521在分位和備自投功能投入。裝置動(dòng)作條件為檢測(cè)10 kV 1M母線無電壓，#1主變變低開關(guān)501無電流。裝置動(dòng)作過程滿足充電條件和動(dòng)作條件后經(jīng)延時(shí)跳開501開關(guān)，確認(rèn)變低501開關(guān)在分位后，延時(shí)投入分段521開關(guān)。

由上可知，兩種運(yùn)行方式中裝置充電條件和動(dòng)作過程不同，動(dòng)作條件相同。為實(shí)現(xiàn)10 kV備自投負(fù)荷均分自動(dòng)選擇功能，在裝置動(dòng)作條件中加入負(fù)荷均分判據(jù)，根據(jù)負(fù)荷均分判斷選擇對(duì)應(yīng)的運(yùn)行方式動(dòng)作過程。

正常情況下運(yùn)行方式一和二滿足充電條件后裝置充電，當(dāng)裝置檢測(cè)到10 kV 1M母線無電壓和#1主變變低開關(guān)501無電流后，加入“負(fù)荷均分命令”判定邏輯，確認(rèn)負(fù)荷均分則按運(yùn)行方式一動(dòng)作，否則按運(yùn)行方式二動(dòng)作。改進(jìn)后的運(yùn)行方式動(dòng)作邏輯如圖3所示。

圖3 運(yùn)行方式動(dòng)作邏輯示意圖

2.1.2 功率臨界問題

改進(jìn)后的運(yùn)行方式動(dòng)作邏輯存在運(yùn)行方式一和運(yùn)行方式二動(dòng)作沖突問題。若采集的功率在過載定值PGZ上下浮動(dòng)，則可能會(huì)出現(xiàn)以下情況。在滿足“負(fù)荷均分命令”邏輯后運(yùn)行方式一動(dòng)作時(shí)，功率P抖動(dòng)低于過載定值PGZ，此時(shí)運(yùn)行方式二滿足動(dòng)作條件動(dòng)作。由于運(yùn)行方式一和運(yùn)行方式二動(dòng)作過程不同，同時(shí)動(dòng)作將會(huì)導(dǎo)致開關(guān)動(dòng)作沖突[7]。

正常情況下運(yùn)行方式一與運(yùn)行方式二不該同時(shí)動(dòng)作。但若在裝置加入條件，在一種運(yùn)行方式動(dòng)作時(shí)另一種運(yùn)行方式放電，會(huì)提高裝置誤動(dòng)的概率。所以為保證裝置更合理可靠動(dòng)作，在“負(fù)荷均分命令”邏輯中優(yōu)化延時(shí)定值TGZ。設(shè)定TGZ大于運(yùn)行方式一動(dòng)作時(shí)間，避免了兩個(gè)運(yùn)行方式同時(shí)動(dòng)作的可能。

2.2 合環(huán)運(yùn)行自動(dòng)判定

若兩臺(tái)主變隸屬不同電源系統(tǒng)，其低壓母線合環(huán)運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致高壓側(cè)電流通過主變和分段開關(guān)流向另外一臺(tái)主變。典型10 kV備自投裝置采集的電氣量為各個(gè)主變變低開關(guān)電流和其對(duì)應(yīng)的10 kV母線電壓，由于負(fù)荷的大小會(huì)改變電流值，因此將電壓電氣量作為判據(jù)來判定兩臺(tái)主變能否合環(huán)運(yùn)行[8-10]。

考慮到只有10 kV備自投裝置執(zhí)行負(fù)荷均分后才有低壓母線合環(huán)運(yùn)行問題，為避免此類問題，在裝置中應(yīng)引入電壓電氣量進(jìn)行合環(huán)運(yùn)行自動(dòng)判定，采集#2主變其中一個(gè)分支對(duì)應(yīng)10 kV母線電壓和其相鄰的10 kV母線電壓（非#2主變另一分支）進(jìn)行比較。本文需要采集的兩段10 kV母線電壓幅值UX和UY與矢量角度θX和θY，比較其幅值差U合環(huán)和矢量角度差θ合環(huán)，以判斷兩段母線能否合環(huán)運(yùn)行。計(jì)算為：

兩臺(tái)主變變高側(cè)隸屬于同一電源系統(tǒng)時(shí)，矢量角度差θ合環(huán)=0。將電壓的幅值差和矢量角度差與條件作為合環(huán)運(yùn)行的判據(jù)。在備自投負(fù)荷均分運(yùn)行方式邏輯執(zhí)行結(jié)束后，裝置根據(jù)電壓的幅值差和矢量角度差與條件判定兩段母線是否滿足合環(huán)運(yùn)行條件。若判定不能合環(huán)運(yùn)行，則跳開該2M母線對(duì)應(yīng)的#2主變變低開關(guān)，若判定可以合環(huán)運(yùn)行，則裝置返回。

3 結(jié) 論

集成式變電站能夠自動(dòng)采集信息、實(shí)行分析并采取措施控制。為了使集成式變電站更合理可靠地完成10 kV備自投功能，本文針對(duì)10 kV備自投裝置負(fù)荷均分邏輯單一和均分后低壓母線合環(huán)問題對(duì)功能進(jìn)行優(yōu)化。通過增加功率電氣量判據(jù)可實(shí)現(xiàn)裝置負(fù)荷均分自動(dòng)選擇功能，增加電壓幅值和矢量角度電氣量判據(jù)裝置可自行判定低壓母線能否合環(huán)運(yùn)行。優(yōu)化后的10 kV備自投裝置可以自主分析決定是否實(shí)現(xiàn)負(fù)荷均分，減少運(yùn)維人員工作量的同時(shí)提高了供電可靠性和連續(xù)性。