云南富寧換流站交流500 kV電氣主接線可靠性研究

張 濤，方 靜，運志濤，王偉剛

(電力規劃設計總院，北京 100120)

電氣主接線是變電站設計的重要方面，對設備選擇、配電裝置平面布置及控制保護方式均有較大的影響。根據富寧±500 kV換流站(以下簡稱“本站”)的工程定位和地區電網規劃，本站采用與變電站合建方案，交流500 kV進出線元件達20個，并要求靈活實現三種運行方式：直流雙極全部送云南電網；直流雙極全部送廣西電網；直流雙極分送廣西電網和云南電網。因此，不僅有必要對本站電氣主接線可靠性進行定性分析，更需要通過建立設備模型，開展可靠性定量計算分析。

1 工程條件

1.1 換流站概述

富寧±500 kV換流站是金沙江觀音巖水電站直流送出工程的受端換流站，額定容量3000 MW。為節約投資、簡化電網結構、改善換流站系統條件，本站采用與變電站合建方案，接入系統方案見圖1。

圖1 富寧±500 kV換流站接入系統圖

根據系統規劃，站內交流500 kV遠期規模為：2回換流變進線、2回靖西出線(至廣西電網)、2回硯山出線(至云南電網)、4回備用出線(至云南電網)、4回500 kV交流聯絡變出線、2回500 kV降壓變進線及4回交流濾波器大組進線，共20個進出線元件。

1.2 運行方式要求

根據近、遠期云南硯山側、廣西靖西側的系統受電規劃，受端換流站應實現如下運行方式。

(1)運行方式1：直流電力全部送云南硯山側，且換流站交流母線與廣西靖西側電氣開斷。

(2)運行方式2：直流電力全部送廣西靖西側，且換流站交流母線與云南硯山側電氣開斷。

(3)運行方式3：直流電力按單極分別送電廣西和云南，且兩個單極所在交流母線電氣開斷。

三種運行方式的地理接線示意圖見圖2。

圖2 三種直流運行方式地理接線示意圖

綜上所述，本站交流500 kV多達20個進出線元件，并有分區運行的三種特殊運行方式要求，接線方式的選擇直接影響著系統運行的安全可靠。因此，需對主接線可靠性進行深入分析研究。

1.3 電氣主接線方案

我國330 kV及以上電壓等級常用的接線有橋接線、角形接線、雙母線接線、一個半斷路器接線等。其中，當進出線元件為4個及以下時，多采用橋接線和角形接線；進出線元件大于4個時，多采用一個半斷路器接線。

本站500 kV進出線元件達20個，不適合橋接線和角形接線；考慮到投資及占地面積的問題，不推薦采用雙斷路器接線；國內超高壓變電站中從未采用過三分之四斷路器接線，缺乏運行經驗，亦不推薦采用。

根據以上分析，500 kV交流電氣接線擬選擇一個半斷路器接線(詳見圖3)與雙母線接線方案(詳見圖4)進行對比分析。為實現三種運行方式，兩種接線方案均采用母線三分段形式，通過操作分段斷路器可實現不同運行方式的切換。

圖3 交流500 kV一個半斷路器接線方案

圖4 交流500 kV雙母線接線方案

2 電氣主接線可靠性評估分析模型

2.1 分析方法

當前電力系統可靠性分析理論主要沿著兩個方向發展，即網絡方法和狀態空間方法。前者偏重于研究電力系統是否連通，解析效率較高，但其計算分析結果中沒有包含連通的詳細狀態；而后者分析方法可以較詳細地計算解析電力系統各種運行狀態，但計算量大、算法復雜，并且隨著系統元件數量增加，系統復雜性加大，計算效率相應顯著降低。

目前，電氣主接線可靠性計算分析研究廣泛采用網絡方法，在網絡連通性基本模型的基礎上，考慮各種設備可靠性屬性以滿足實際系統的精度要求。

2.2 元件的可靠性模型

主接線可靠性評估中，涉及變壓器、斷路器、隔離開關、母線、電壓互感器及電流互感器等多種設備，其中，斷路器模型結構最為復雜，需要考慮的因素較多。斷路器模型中主要定義了七種工況：N(正常工作模式)、M(計劃檢修模式)、m(強迫檢修模式)、f(誤動模式)、i(接地或絕緣故障模式)、st(拒動模式)、r(故障后修復模式)。工況狀態轉換參數λ、μ分別為不可用率、修復率。圖5為電力系統斷路器模型的狀態空間模擬圖。

圖5 斷路器模型狀態空間圖

由圖5可以看出，設備元件模型考慮的因素比較多，使問題更加復雜化，因此，需要對元件模型進行必要的簡化。

從設備元件故障后的結果來分析，可以將st狀態模式和i狀態模式歸一等效為S狀態，m、f和r模式簡化合并為R狀態。通過邏輯分析，可以得出S狀態模式將使保護范圍內的所有開關跳閘，是一種相關故障；而R狀態模式只將故障的斷路器跳閘，涉及范圍有限。考慮到故障情況下繼電保護的誤動影響，需進一步修正相關狀態模型。實際運行中，繼電保護誤動后的斷路器狀態結果和S狀態度斷路器處的后果一樣，因此，可以等效為一種狀態。繼電保護拒動后，將引起變電站相關設備退出運行，因此，也是一種擴大影響范圍的相關故障，其后果等同于在故障斷路器保護區內的各斷路器均處于S狀態，進而導致下一級的斷路器跳閘，因此，可將這種工況模式單獨分類，即F狀態。

考慮到S、F狀態度中的操作時間很短，進一步歸一等效這兩個狀態，并入R狀態，最終簡化得到斷路器3狀態模式可靠性模型見圖6。

圖6 斷路器模型簡化空間狀態圖

模型中，N為正常狀態模式，R為故障檢修模式，M為計劃檢修模式，λR為年故障率，μR為年故障修復率，λM為年計劃檢修率，μM為年計劃檢修的修復率。

2.3 電力系統故障搜索與概率、頻率分析

本文通過分析電氣主接線圖，梳理致使各線路停電的故障事件，進一步分析該故障事件下的相關影響，統計得到該狀態下的故障概率、故障頻率。

電力系統故障搜索中，首先劃分任一回出線到源點的最小割集，根據故障重疊的情況分類，可分為一階(重)故障、二階(重)故障、三階(重)故障這三種情況。針對不同割集，可靠性指標可按以下原則分析計算：

(1)一階故障中，故障率、故障恢復時間分別設定為單個設備元件強迫停運的故障率、單個設備元件強迫停運時的故障恢復時間；如果系統中配置了備用設備，則停電時間為備用設備就位、投運的操作時間。

(2)二階故障中，考慮設備強迫停運與單一設備計劃檢修重疊的情況。兩個設備元件強迫停運故障率分別設為λ1、λ2，相應強迫停運后的故障恢復時間分別設為r1、r2，設備元件計劃檢修停運率分別設為λm1、λm2，相應計劃檢修停運時間設為rm1、rm2，則二階故障持續強迫停運的時間rp為：

計劃檢修停運和強迫停運主要在兩種情況發生重疊，即：一種情況為設備1已處檢修狀態，設備2發生強迫停運；另一種情況是設備2已處檢修狀態，設備1發生強迫停運。這兩種情況的等效停運率λsm為：

相應等效停運時間rsm為：

(3)三階故障中，主要考慮強迫停運與計劃檢修停運的重疊情況。在工程實際中，基本不會同時對兩個設備元件進行檢修，因此，只需考慮兩個設備元件強迫停運與另一個設備元件發生檢修停運重疊的情況。三階段故障的分析計算方法和計算公式與二階故障類似，將兩個強迫停運元件等效為一個強迫停運元件，代入上述等效停運率、等效停運時間計算公式即可。

系統運行中，三階以上故障發生的概率極小，因此，在以下計算分析中不考慮三階故障情況。

3 電氣主接線可靠性綜合分析

3.1 電氣主接線綜合評估方法與主要性能指標

變電站設計中，電氣主接線的選擇涉及系統安全可靠性、工程投資、運行便利性等多方面因素，因此，其綜合評估主要從可靠性、經濟性和靈活性三方面考慮，綜合評估流程見圖7。

圖7 電氣主接線綜合評估流程圖

本文采用清華大學開發的“發電廠/變電站電氣主接線可靠性評估軟件”，針對可靠性方面對電氣主接線做重點定量分析，主要包括連續性、安全性和充裕度三個方面。

3.2 元件可靠性參數

主接線可靠性評估主要涉及母線、隔離開關、斷路器、架空線等，參考中電聯電力可靠性管理中心發布的輸變電設備可靠性統計參數，500 kV主要設備元件可靠性參數統計均值見表1。

表1 500 kV主要設備元件可靠性參數統計表

3.3 定量可靠性評估計算條件、判據和指標說明

電氣主接線方案的可靠性判據主要包括：任意一回進出線回路發生故障停電；任意兩回進出線回路發生故障停電；任意指定三階及以上進出回路組合停電事件；全站發生故障停電。以一個半斷路器接線方案的可靠性分析為例，按前述整理的可靠性參數，經計算，富寧±500 kV換流站在前述三種運行方式下，一個半斷路器接線方案的連續性、充裕度、安全性指標的計算結果分別見表2～表4。

同理，可得富寧±500 kV換流站雙母線接線方案各項指標見表5～表7。

3.4 基本可靠性結果分析

針對兩種接線方案的各項指標，通過歸一化處理，兩方案的可靠性指標對比情況見圖8～圖10?？梢?，一個半斷路器接線方案的各個可靠性指標均優于雙母線接線方案。

3.5 其他因素分析

電氣主接線除可靠性分析外，還要考慮主接線方案的經濟性、靈活性等因素。

經測算，按工程遠期規模，相比雙母線接線方案，一個半斷路器接線方案多6臺斷路器和6組接地開關，但少了14組隔離開關，經與國內主要設備供應商詢價，設備費用約高出980萬元，相較本工程整體投資，增加費用有限。

靈活性方面，首先一個半斷路器和雙母線接線方案均采用母線三分段的形式，滿足系統三種運行方式間靈活切換的要求；其次，當出線斷路器故障時，兩種接線方案均需較長時間停電；最后，除4回備用出線外，其他500 kV進出線元件本期一次上齊，并且采用氣體絕緣金屬封閉開關設備(Gas Insulated Switchgear,GIS)，備用間隔的母線側隔離開關本期采購，后期擴建工作量較少。因此，兩種接線方式的運行、檢修、擴建靈活性基本相當。

表2 一個半斷路器接線方案連續性指標

表3 一個半斷路器接線方案安全性指標

表4 一個半斷路器接線方案充裕度指標

表5 雙母線接線方案連續性指標

表6 雙母線接線方案安全性指標

表7 雙母線接線方案充裕度指標

圖8 500 kV主接線方案的連續性指標比較

圖9 500 kV主接線方案的安全性指標比較

圖10 500 kV主接線方案的充裕性指標比較

4 結語

金沙江觀音巖水電站直流送出工程在南方電網中具有十分重要的地位和作用，其受端富寧±500 kV換流站安全運行的可靠性，不僅影響到云南電網、廣西電網的用電，而且直接關系到整個南方電網的安全穩定運行，本文通過對一個半斷路器接線和雙母線接線可靠性的分析研究，并結合經濟性、靈活性的綜合評估，推薦采用一個半斷路器、母線三分段接線方案，不僅滿足了本站設備選型、平面布置、工程經濟性等方面的要求，而且保障了換流站的運行可靠性。

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