220kV終端變電站負荷轉供策略研究

戚 峰，陳 剛，錢碧甫，陳 立

（國網浙江省電力公司溫州供電公司，浙江 溫州 325000）

220kV終端變電站負荷轉供策略研究

戚 峰，陳 剛，錢碧甫，陳 立

（國網浙江省電力公司溫州供電公司，浙江 溫州 325000）

介紹了浙江電網220kV終端變電站典型接線和負荷轉供方式，總結其在實際運行中存在的不足。深入探討局部小電源對負荷轉供控制策略的影響，并采用捕捉同期合閘方案，通過精確捕捉最佳“合閘時機”，實現了差頻轉供。另外，針對雙母線中一條母線檢修時常規負荷轉供功能停用的缺陷，增設了相應的負荷轉供方式，降低保護功能頻繁投退帶來的風險。改進后的裝置顯著提高系統的供電可靠性，且適用性強。

負荷轉供；捕捉同期合閘技術；差頻轉供；供電可靠性

0 引言

隨著電力系統由原先的集中方式向分布方式發展，系統的調度和控制變得越來越復雜。尤其是在電網發生故障時，大量的遙測、遙信及保護信息往往使調度員難以在短時間內做出正確及時的處理。保證供電可靠性的重要手段之一是在變電站內配置負荷轉供裝置。國內負荷轉供裝置雖然在中低壓電網中得到廣泛應用，但在220kV及以上高壓電網中卻極少應用[1]。浙江省電力公司所管轄的少數220kV終端變電站使用了負荷轉供裝置，雖然積累了一定的運行經驗，但實際使用情況卻并不令人十分滿意，因此，對220kV負荷轉供的研究十分迫切。為此，結合常規負荷轉供邏輯，具體分析其在運行中存在的問題并提出了解決方案。

1 220kV典型負荷轉供方式和存在的問題

浙江省220kV電網終端變電站220kV側多采用4路電源進線雙母線供電方式，部分變電站的中低壓側通過聯絡線與附近的地方小電源或中小型熱電廠相連[2]，系統典型接線如圖1所示。

1.1 常規負荷轉供方式

浙江省220kV常規負荷轉供裝置大多采用CSS-100BE數字式安全穩定控制裝置（適用于雙母線接線方式的終端變電站）。線路按2組雙回線配置，假定L1和L2為一電源進線組，L3和L4為一電源進線組，不考慮倒閘時的運行方式，簡化后的系統一次接線如圖2所示。

常規負荷轉供裝置有線路備供和母聯備供2種方式。

（1）線路備供1（方式1）：母線并列運行，進線L1接正母運行，進線L2接副母運行，進線L3、進線L4雙線熱備。充電條件為：母聯開關合位，且至少有一條線路滿足可備供條件。當所有主供線路故障或上級變電站故障時，裝置動作跳開所有主供線路開關，合上可備供線路開關，為母線恢復供電。

圖1 系統典型接線

圖2 系統簡化接線

（2）線路備供2（方式2）：母線并列運行，進線L3接正母運行，進線L4接副母運行，進線L1、進線L2雙線熱備。充電及動作邏輯與方式1類似。

（3）母聯備供（方式3）：母線分列運行，進線L1、進線L2雙線接正母線運行，進線L3、進線L4雙線接副母運行。充電條件為：母聯開關在分位，且正母、副母三相均有壓。當正母上所有主供線路故障或其上級變電站故障時，裝置動作跳開其所有無流線路開關，合上220kV母聯開關為正母恢復供電。反之，當副母上所有主供線路失電時，裝置動作跳開其所有無流線路開關，合上220kV母聯開關為副母恢復供電。

對于主供線路故障后，啟動負荷轉供流程跳開故障線路的時限問題，通常對于母線無壓、主供線路無流的判別邏輯，其動作時限必須躲過線路整定的單相重合閘或三相重合閘時間。

1.2 運行中存的在問題

1.2.1 孤島運行對負荷轉供策略的影響

孤島現象是指電網失壓時，地區小電源仍保持為電網中一部分線路繼續供電的狀態。常規負荷轉供裝置采用母線無壓、主供線路無流作為隔離故障線路、啟動負荷轉供的條件，如果此時系統的中低壓側存在局部小電源供電，那么上述動作條件顯然無法成立[3]。

以圖1系統為例，當所有主供線路失電時，由于110kV側存在發電廠聯絡線和地區小電源，在一定條件下支撐起了母線電壓，使220kV母線殘壓很高甚至接近系統額定電壓，此時若采用常規負荷轉供方式，無壓條件無法滿足，裝置動作的成功率將大大降低。

1.2.2 母線檢修時轉供功能停用的問題

雙母線接線形式下，當其中一條母線停電檢修，主供線路、備供線路同在一條母線運行時，常規負荷轉供功能退出運行。

以圖1系統為例，當220kV正母運行，副母檢修，倒閘后4條進線都運行于正母，如果此時主供線路發生故障或上級電源失電，備供電源將無法實現正常轉供，系統的供電可靠性無法得到保障。另外，單母運行時檢修母線無電壓且母聯開關在分位，不滿足備供線路“正母、副母三相均有電壓”的充電必要條件，裝置無法進行充電。

2 負荷轉供策略探討

為解決運行中存在的上述問題，在全省電網220kV變電站增設負荷轉供裝置時，需要尋求一種更為靈活、可靠的轉供策略。通過分析不難發現，局部小電源或備供電源都可以單獨對母線進行供電[4]，以下分別就這2種供電策略展開詳細探討。

2.1 小電源供電策略探討

通常狀態下，母線通過主供線路與系統大電網相連接時，負荷轉供裝置檢測母線的頻率即為主系統頻率。當系統發生孤島現象時，一旦孤立系統的有功功率失去平衡，其母線頻率必然與主系統頻率產生偏差Δf。因此，可以借鑒系統低頻解列原理[5]，在負荷轉供啟動邏輯中增設頻率異常檢測功能。

假設小電源通過發電機的自動調速裝置或低頻解列裝置切除部分負荷將系統有功功率調至平衡，此時頻差Δf穩定在允許范圍內，且正母、副母電壓迅速提升至“檢母線無壓”定值以上。因此，這種趨向平衡的孤立子電網系統，短時間內仍能繼續保證穩定供電，無需通過負荷轉供來完成備供電源的切換，電網調度員有充足的時間，通過遙控操作改變系統運行方式，將電網子系統重新并入主網系統。當地區小電源裝機規模較小或自動調速后并網電量還不能夠保持孤立系統的有功功率平衡，將發生以下2種情況：

（1）小電源被迅速切除或子系統原本就無小電源，此時母線電壓迅速跌落至“檢母線電壓”以下，滿足負荷轉供裝置啟動條件，跳開主供線路開關后，進入備供電源轉供流程。

（2）子系統有功缺額較大或小電源自動調速失控造成頻率異常，頻差Δf超過了允許值ΔF，此時負荷轉供裝置可通過檢測母線頻差越限且主供線路無流條件來啟動，跳開主供線路開關后，進入備供電源轉供流程。

2.2 備供電源轉供策略探討

通過進線開關位置輔助觸點變位來判斷故障線路已被切除，經短延時后啟動備供電源轉供邏輯。備供電源的投入可以借鑒線路檢無壓或檢同期重合閘的方式，執行無壓轉供或檢同期轉供[6]。

（1）無壓轉供邏輯相對簡單，當裝置檢測到母線無壓且備供線路電壓正常時，就可啟動負荷轉供流程（合母聯開關或備供線路開關），通過檢測開關位置輔助觸點變位來判斷是否合閘成功。

（2）由于地區小電源的存在，220kV終端變電站一旦出現孤島現象，電網子系統的有功缺額往往比較大，且負荷轉供動作時限還需要躲過線路整定的單相重合閘或三相重合閘時間，此時，孤立系統頻率與主系統頻率偏差已經很大，傳統的檢同期合閘會給系統帶來較大的沖擊，甚至無法實現合閘功能[7]。為適應這種特殊運行方式，可采用捕捉同期合閘方案。

由于頻率偏差Δf的存在，使得相角差φ隨時間變化。備供電源與母線的電壓矢量差波形如圖3所示。其中，考慮到合閘回路動作有一定的延時tDC，為了能在點B時刻合閘，必須提前在點A時刻發出合閘命令[8]。

圖3 電壓滑差

捕捉同期技術原理就是裝置通過實時檢測母線與備供電源的頻差以及頻差的變化量，根據已知的導前時間tDC，提前推算出合閘到零相角差的導前角。理想合閘導前角φd計算如下式：

式中：Δf為備供電源與母線平均頻差；dΔf/dt為頻差變化率；t為導前時間。當時（根據負荷轉供要求，ε一般控制在3°以內），立即向開關發送合閘脈沖；φe為當前測量到的相角差。

理論上捕捉同期合閘技術適用允許條件為：電壓幅值差ΔU≤（5%～10%）Ue；頻率差Δf≤3.5Hz；合閘瞬間，相角差φ≤10°。

當相角差或頻率差超過了允許值時，式（1）中用頻率差的二階導數d2Δf/dt2來模擬相角差的變化曲線誤差會很大，而且孤島運行時的負荷特性在低頻時存在不完全連續性和較大離散性，此時捕捉同期合閘方案已不再適用。這種情況下，孤立系統可以通過發電機自動調速增加有功輸出或由低頻減載裝置切除一部分負荷，直到系統頻率提升至頻差允許值以上，再通過捕捉同期實現合閘。但采用這種方法使負荷轉供功能一直處于一個較長的等待過程，一方面增加了系統故障存在的時間，另一方面將造成更大的負荷損失[9]。因此，可以選擇在低頻減載切負荷前，立即切除小電源線路，確認斷路器跳開且母線無壓，再通過檢無壓轉供邏輯，恢復母線供電。

3 負荷轉供軟件改進設計

文中所介紹的220kV終端變電站負荷轉供裝置在具備原有常規負荷轉供功能的基礎上，對功能邏輯進行了改進和完善，使其在小電源參與系統供電和單母線運行方式下，具有普遍適用性。

3.1 捕捉同期合閘功能設計

正常運行時，負荷轉供裝置實時監測主供線路的電流幅值、母線與備供線路的電壓與頻率，根據負荷轉供運行方式完成充電準備（對線路備供，檢查備供線電壓；對母聯備供，檢測另一段母線電壓）。當裝置檢測到母差保護動作、開關TWJ異常、手跳主供線路開關等開入量時，立即放電閉鎖負荷轉供功能。負荷轉供軟件流程如圖4所示。

圖4 負荷轉供流程

（1）當檢測到所有主供線路無流，但母線電壓、頻率都處于正常范圍內時，很可能是小電源支撐起了母線電壓，此時無需啟動負荷轉供邏輯；當檢測到所有主供線路無流，且母線電壓迅速跌落至“檢無壓”定值以下，裝置經躲重合閘延時后跳開所有主供線路開關，待檢測到線路開關確認已跳開，啟動檢無壓轉供邏輯，立即合上備供線路開關（線路備供）或母聯開關（母聯備供）。

（2）當檢測到母線與備供線路的頻率與電壓出現偏差，且偏差量均不超過設定的上限值，裝置經躲重合閘延時后跳開所有主供線路開關，待檢測到線路開關確認已跳開，啟動差頻轉供邏輯，推算出理想合閘導前角，一旦捕捉到最佳合閘時機（當前相位差與導前角基本一致），立即合上備供線路開關（線路備供）或母聯開關（母聯備供）。

（3）當檢測到母線與備供線路的頻率與電壓的偏差量超出了設定的上限值，待主供線路開關跳開后，立即聯跳中低壓側小電源線路開關。確認線路開關已跳開且母線無壓后，啟動檢無壓轉供邏輯，立即合上備供線路開關（線路備供）或母聯開關（母聯備供）。

3.2 單母線運行時轉供功能設計

針對雙母線中一條母線檢修時常規負荷轉供功能退出運行的問題，解決方案為：增設如下4種單母線運行時的線路備供方式。

方式4：副母檢修，進線L1、進線L2主供運行于正母，進線L3、進線L4熱備于正母。

方式5：副母檢修，進線L3、進線L4主供運行于正母，進線L1、進線L2熱備于正母。

方式6：正母檢修，進線L1、進線L2主供運行于副母，進線L3、進線L4熱備于副母。

方式7：正母檢修，進線L3、進線L4主供運行于副母，進線L1、進線L2熱備于副母。

增設上述備供方式后，保證主供線路、備供線路同在一條母線運行時，仍能靈活、可靠地實現負荷轉供功能。

針對雙母線中一條母線檢修時常規負荷轉供裝置不滿足“正母、副母三相均有壓”充電必要條件的問題，解決方案為：接入4條線路的正、副母閘刀位置輔助節點用于判別系統運行方式，并將“檢正母、副母三相均有壓”改為“檢正母有壓”或“檢副母有壓”，且母聯開關分位不參與放電條件。以方式4為例，其充電邏輯如圖5所示。

4 結語

針對浙江省電網220kV終端變電站的負荷轉供裝置在實際運行中存在的問題進行了分析，深入探討了小電源供電對負荷轉供控制策略的影響，將捕捉同期合閘技術運用到其中，大大提升了系統供電的安全性、可靠性。通過增設線路備供方式，保證了裝置在單母線運行時仍能投入使用，降低了保護功能頻繁投退帶來的風險。該裝置已成功應用到溫州某220kV變電站，實際運行效果證明該裝置負荷轉供功能配置靈活、可靠，具有一定的推廣價值。

圖5充電邏輯框圖

[1]潘凱巖，劉仲堯，宋學清，等.自動負荷控制系統在佛山電網中的應用[J].電力系統自動化，2009，33（22）:94-97.

[2]劉金官，王展，汪獻忠.220kV微機型備用電源自動投入裝置研究[J].電力自動化設備，2005，25（1）:95-100.

[3]楊建勛.光伏電站功率控制孤島檢測方法[J].河北理工大學學報（自然科學版），2010，32（4）:65-69.

[4]王維檢.電氣主設備繼電保護原理與應用[M].北京：中國電力出版社，1996.

[5]王楊，萬凌云，胡博，等.基于孤島運行特性的微電網可靠性分析[J].電網技術，2014，38（9）:2379-2385.

[6]周曉寧，徐偉，胥傳普，等.計及負荷轉供措施的電網設備過載輔助決策[J].電力系統保護與控制，2013，41（23）:61-66.

[7]郗來君.變電站自動化系統中安全自動裝置的幾個問題[J].黑龍江科技信息，2011（27）:28.

[8]韓晉，黃健.同期捕捉算法的改進及實現[J].電力自動化設備，2013，33（9）:108-112.

[9]曾鋒.AP1000核電廠廠用電切換方式探討[J].電氣應用，2013，31（12）:87-91.

（本文編輯：方明霞）

Research on Load Transfer Strategy of220kV Terminal Substation

QI Feng，CHEN Gang，QIAN Bifu，CHEN Li
（State Grid Wenzhou Power Supply Company，Wenzhou Zhejiang325000，China）

This paper introduces the typical connection and load transfer mode of220kV terminal substation in Zhejiang power grid and summarizes the problems in the actual operation.The influence of local small power supply on load transfer control strategy is profoundly discussed，and the programme of capturing synchronous switching is adopted，which realizes the transfer in difference frequency by accurately capturing the best″reclosing time″.In addition，a load transfer mode is added due to malfunctioning of normal load transfer during maintenance of one bus to reduce the risk from frequent protective function switching.The improved device can significantly enhance the power supply reliability of the system and is of great applicability.

load transfer；capturing synchronous switching technology；transfer in different frequencies；power supply reliability

TM732

：B

：1007-1881（2016）09-0015-05

2016-02-29

戚 峰（1989），男，工程師，主要從事繼電保護及自動化專業技術管理工作。