地方小電源對備自投控制策略的影響研究

周 晨

安慶供電公司運維檢修部，安徽省 安慶市 246000

地方小電源對備自投控制策略的影響研究

周 晨

安慶供電公司運維檢修部，安徽省 安慶市 246000

備用電源自動投入是保證供電可靠性的重要措施，但是變電站備自投控制策略易受地方小電源干擾，特別是在有大量小水電上網的地區(qū)電網中情況尤為嚴重。本文通過對皖南某地區(qū)電網進行詳細數(shù)字仿真，針對小水電對110kV變電站備自投控制策略的影響進行了深入研究，進而給出了一般性的變電站備自投控制策略。

備自投；地方小電源；數(shù)字仿真

引言

近年來，隨著電網規(guī)模的不斷擴大，電力系統(tǒng)網絡結構日益復雜，為保證供電可靠性，系統(tǒng)中一般多采用環(huán)形電網供電。但是，大量的電磁環(huán)網結構，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行又造成了一定威脅。《3～110kV電網繼電保護裝置運行整定規(guī)程》明確指出：對于該類電壓等級的電網，宜采用環(huán)網布置、開環(huán)運行方式，并以自動重合閘和備用電源自動投入來增加供電可靠性。

備自投裝置，也常簡稱為“備自投”或“BZT”是當工作電源故障和其它原因被斷開后，能迅速自動地將備用電源或其它正常工作電源投入工作，使正常工作電源被斷開的用戶不至于停電的一種自動裝置。現(xiàn)有的備自投控制邏輯中最基本的原則是：只有當工作電源確實被斷開后，備用電源才能被投入，故障不能由備自投切除。

然而，目前備自投的故障掉電檢測信號一般是電壓，檢測信號單一往往易導致備自投的誤動和拒動現(xiàn)象的發(fā)生，對于存在大量地方小電源的地區(qū)，由于地方小電源對系統(tǒng)電壓的支撐作用，該問題尤為突出。本文以皖南某地區(qū)電網為實例，該地區(qū)存在大量的小水電，通過模擬仿真，針對地方小電源(小水電)對備自投控制策略的影響做了深入的研究分析。

1 仿真模型的建立

運用MATLAB/Simulink軟件包建立仿真模型，模型如下圖1。

圖1 小水電對備自投裝置影響的仿真模型

參數(shù)設置：

（1）小水電的變壓器參數(shù)設置

容量：100MVA；電壓：13.8/110kV；接線組別：Y/△11；繞組電阻：0.002pu；繞組電感：0.08pu；激磁電阻：500pu；激磁電抗：500pu。

（2）線路參數(shù)的設置

線路L和L1的參數(shù)設置：線路長度：103.9km；單位長度電阻：0.131Ω/k；單位電抗：0.401Ω/km；線路L2的，參數(shù)與L相同，線路長度：8.22km。

（3）備自投裝置用兩個斷路器模擬，斷路器B2在3秒鐘斷開，斷路器B1在18秒合閘，即備自投裝置延時15秒動作。

（4）水電機組用下面的模型仿真。包括異步電機、原動機、勵磁系統(tǒng)、電機測量模塊。

（5）測量模塊。用來測量聯(lián)絡線和備用側線路的電流和母線電壓。電壓和電流均是幅值的標幺值,以100MVA為基準值進行標幺化的。

2 小水電對備自投控制策略影響的仿真研究

2.1 不同出力情況下小水電對備自投的影響

這里研究小水電不同出力下，帶小水電投切對備自投裝置的影響。參數(shù)設置：

a) 備用側電源負荷水平：70%；

b) 主電源與備用側電源的相角差：1度；

c) 備投負荷：25MVA。

下面的圖2、圖3、圖4、圖5分別繪制了當小水電出力由小到大，四種典型情況下，影響備自投控制策略的4大指標相應的變化情況，這4大指標分別是發(fā)電機轉速曲線，備自投動作前后的母線電壓，備自投動作前后聯(lián)絡線上電流，備自投動作前后備用側線路上電流。

（1）小水電發(fā)電機組轉速

圖2 小水電不同出力下的轉速曲線

從圖2的2組數(shù)據和其余8組實驗結果數(shù)據中可以看出，當小水電的出力小于15MVA時，水電機組的轉速會迅速下降，在備自投動作前，轉速均會將至0.1pu以下，當小水電出力為40MVA時，由于小水電的出力能夠滿足負荷需求，轉速波動不大，最大轉速不會超過1.06pu，能夠穩(wěn)定運行。

（2）備自投動作前后的母線電壓

圖3 小水電不同出力下的備自投動作前后的母線電壓

從圖3和其余8組實驗數(shù)據中可知，由于小水電的支撐作用，在主電源中斷供電后，母線會保持一定的殘壓，這個電壓隨著小水電的出力增加而增大，當小水電的出力為15MVA時，殘壓達到了0.75pu，已經高于備自投裝置的整定值。

（3）備自投動作前后聯(lián)絡線上電流

圖4 小水電不同出力下的備自投動作前后的聯(lián)絡線電流

從圖4和其余的8組實驗數(shù)據中可知, 備自投動作后，聯(lián)絡線上的電流也隨著小水電出力的增大而增大。當小水電出力為1MVA時，備自投動作后聯(lián)絡線上的電流已經達到361A（0.48pu）。當小水電出力分別為2MVA聯(lián)絡線上的電流分別為496A（0.66pu）已是正常負荷電流的2.64倍。

(4) 備自投動作前后備用側線路上電流

從圖5和其余的8組實驗數(shù)據中可知，備用側線路上的電流也隨著小水電出力的增加而增大。當小水電的出力為1MVA時，備自投動作后備用側線路上的電流為1707A（2.27pu），達到變壓器容量的75%,當小水電的出力為5MVA時，備自投動作后備用側線路上的電流為2233A（2.97pu），達到變壓器額定容量的99%。當小水電的處理超過5MVA備用側線路會過載。

圖5 小水電不同出力下的備自投動作前后的備用側電流

10組實驗數(shù)據的統(tǒng)計的仿真結果如下表1所示：

表1 仿真試驗結果Tab.1 simulation results

小結：綜合考慮各種因素，可以得出備自投帶小水電投切對與常規(guī)備自投投切前后的電網關鍵信息指標的影響非常大。

2.2 不帶小水電的備自投裝置的投切方案研究

由于是不帶小水電的備自投裝置投切策略，所以只需要分析備自投動作前后聯(lián)絡線上的電流和備用側線路上的電流變化情況即可，仿真圖如圖6。

圖6 不帶小水電情況下備自投動作前后電流變化情況

從圖6可以看出，聯(lián)絡線上的電流就是備投負荷的正常負荷電流188A(0.25pu)，備用側線路上的電流是備用側原來所帶負荷和備投負荷的負荷電流1564A(2.08pu)，兩個指標參數(shù)均正常。

3 結語

（a）備自投裝置的整定值是否需要修改?

在主電源中斷供電時，由于小水電的支撐作用，使母線電壓不會降為零，且母線電壓隨著小水電出力的增加而增大，當小水電出力≥15MVA時，母線電壓會達到≥0.75pu，超過了備自投裝置的整定值，使備自投裝置拒動。從仿真結果來看，可以適當提高備自投裝置的整定值。

（b）聯(lián)絡線的保護定值是否需要修改？

備自投裝置帶小水電投切，會導致聯(lián)絡線上的電流增大，并且電流的增幅比較大，且會隨著小水電出力的增加而增大，當小水電出力為10MVA時，聯(lián)絡線上的電流已達到1429A(1.9pu)。從而使得聯(lián)絡線上的保護動作。由于當小水電出力為1MVA時，電流達到了正常負荷電流的1.92倍，出力增加時聯(lián)絡線上的電流會更大。因此，單純修改聯(lián)絡線上的保護定值是沒有實際價值，應該參照具體的實際情況，在主線路中斷供電期間，退出小水電運行。

（c）備用側線路和變壓器是否會過載？

由于聯(lián)絡線上的電流隨小水電出力的增加而增大，同時備用側線路的電流隨著負荷水平增大而增大。當小水電出力較大且備用側負荷水平較高時，都會引起備用側線路過載，參照、結合結論（b），非正常運行狀態(tài)，可考慮切除小水電運行。

（d）是否可以先切一部分負荷，再帶小水電投切備自投裝置？

當切除一部分負荷后，仍然不能滿足負荷需求時，小水電的轉速仍然會下降，且在備自投動作之間轉速會降至0.1pu以下；當切除一部分負荷后，能夠滿足負荷需求時，會使母線電壓維持在較高的水平，使得備自投裝置拒動。因此，先切一部分負荷，再帶小水電投切備自投裝置是不合理的。

綜合考慮小水電轉速、母線電壓、聯(lián)絡線上保護裝置和備用側線路和變壓器的容量等因素，建議存在小水電的備自投裝置采用先切小水電，再投備自投。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.23.006