云南富寧換流站交流500 kV電氣主接線(xiàn)可靠性研究

張 濤，方 靜，運(yùn)志濤，王偉剛

(電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

電氣主接線(xiàn)是變電站設(shè)計(jì)的重要方面，對(duì)設(shè)備選擇、配電裝置平面布置及控制保護(hù)方式均有較大的影響。根據(jù)富寧±500 kV換流站(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“本站”)的工程定位和地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃，本站采用與變電站合建方案，交流500 kV進(jìn)出線(xiàn)元件達(dá)20個(gè)，并要求靈活實(shí)現(xiàn)三種運(yùn)行方式：直流雙極全部送云南電網(wǎng)；直流雙極全部送廣西電網(wǎng)；直流雙極分送廣西電網(wǎng)和云南電網(wǎng)。因此，不僅有必要對(duì)本站電氣主接線(xiàn)可靠性進(jìn)行定性分析，更需要通過(guò)建立設(shè)備模型，開(kāi)展可靠性定量計(jì)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(guān)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(jié)約投資、簡(jiǎn)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、改善換流站系統(tǒng)條件，本站采用與變電站合建方案，接入系統(tǒng)方案見(jiàn)圖1。

圖1 富寧±500 kV換流站接入系統(tǒng)圖

根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃，站內(nèi)交流500 kV遠(yuǎn)期規(guī)模為：2回?fù)Q流變進(jìn)線(xiàn)、2回靖西出線(xiàn)(至廣西電網(wǎng))、2回硯山出線(xiàn)(至云南電網(wǎng))、4回備用出線(xiàn)(至云南電網(wǎng))、4回500 kV交流聯(lián)絡(luò)變出線(xiàn)、2回500 kV降壓變進(jìn)線(xiàn)及4回交流濾波器大組進(jìn)線(xiàn)，共20個(gè)進(jìn)出線(xiàn)元件。

1.2 運(yùn)行方式要求

根據(jù)近、遠(yuǎn)期云南硯山側(cè)、廣西靖西側(cè)的系統(tǒng)受電規(guī)劃，受端換流站應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下運(yùn)行方式。

(1)運(yùn)行方式1：直流電力全部送云南硯山側(cè)，且換流站交流母線(xiàn)與廣西靖西側(cè)電氣開(kāi)斷。

(2)運(yùn)行方式2：直流電力全部送廣西靖西側(cè)，且換流站交流母線(xiàn)與云南硯山側(cè)電氣開(kāi)斷。

(3)運(yùn)行方式3：直流電力按單極分別送電廣西和云南，且兩個(gè)單極所在交流母線(xiàn)電氣開(kāi)斷。

三種運(yùn)行方式的地理接線(xiàn)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 三種直流運(yùn)行方式地理接線(xiàn)示意圖

綜上所述，本站交流500 kV多達(dá)20個(gè)進(jìn)出線(xiàn)元件，并有分區(qū)運(yùn)行的三種特殊運(yùn)行方式要求，接線(xiàn)方式的選擇直接影響著系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠。因此，需對(duì)主接線(xiàn)可靠性進(jìn)行深入分析研究。

1.3 電氣主接線(xiàn)方案

我國(guó)330 kV及以上電壓等級(jí)常用的接線(xiàn)有橋接線(xiàn)、角形接線(xiàn)、雙母線(xiàn)接線(xiàn)、一個(gè)半斷路器接線(xiàn)等。其中，當(dāng)進(jìn)出線(xiàn)元件為4個(gè)及以下時(shí)，多采用橋接線(xiàn)和角形接線(xiàn)；進(jìn)出線(xiàn)元件大于4個(gè)時(shí)，多采用一個(gè)半斷路器接線(xiàn)。

本站500 kV進(jìn)出線(xiàn)元件達(dá)20個(gè)，不適合橋接線(xiàn)和角形接線(xiàn)；考慮到投資及占地面積的問(wèn)題，不推薦采用雙斷路器接線(xiàn)；國(guó)內(nèi)超高壓變電站中從未采用過(guò)三分之四斷路器接線(xiàn)，缺乏運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，亦不推薦采用。

根據(jù)以上分析，500 kV交流電氣接線(xiàn)擬選擇一個(gè)半斷路器接線(xiàn)(詳見(jiàn)圖3)與雙母線(xiàn)接線(xiàn)方案(詳見(jiàn)圖4)進(jìn)行對(duì)比分析。為實(shí)現(xiàn)三種運(yùn)行方式，兩種接線(xiàn)方案均采用母線(xiàn)三分段形式，通過(guò)操作分段斷路器可實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行方式的切換。

圖3 交流500 kV一個(gè)半斷路器接線(xiàn)方案

圖4 交流500 kV雙母線(xiàn)接線(xiàn)方案

2 電氣主接線(xiàn)可靠性評(píng)估分析模型

2.1 分析方法

當(dāng)前電力系統(tǒng)可靠性分析理論主要沿著兩個(gè)方向發(fā)展，即網(wǎng)絡(luò)方法和狀態(tài)空間方法。前者偏重于研究電力系統(tǒng)是否連通，解析效率較高，但其計(jì)算分析結(jié)果中沒(méi)有包含連通的詳細(xì)狀態(tài)；而后者分析方法可以較詳細(xì)地計(jì)算解析電力系統(tǒng)各種運(yùn)行狀態(tài)，但計(jì)算量大、算法復(fù)雜，并且隨著系統(tǒng)元件數(shù)量增加，系統(tǒng)復(fù)雜性加大，計(jì)算效率相應(yīng)顯著降低。

目前，電氣主接線(xiàn)可靠性計(jì)算分析研究廣泛采用網(wǎng)絡(luò)方法，在網(wǎng)絡(luò)連通性基本模型的基礎(chǔ)上，考慮各種設(shè)備可靠性屬性以滿(mǎn)足實(shí)際系統(tǒng)的精度要求。

2.2 元件的可靠性模型

主接線(xiàn)可靠性評(píng)估中，涉及變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、母線(xiàn)、電壓互感器及電流互感器等多種設(shè)備，其中，斷路器模型結(jié)構(gòu)最為復(fù)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(jì)劃?rùn)z修模式)、m(強(qiáng)迫檢修模式)、f(誤動(dòng)模式)、i(接地或絕緣故障模式)、st(拒動(dòng)模式)、r(故障后修復(fù)模式)。工況狀態(tài)轉(zhuǎn)換參數(shù)λ、μ分別為不可用率、修復(fù)率。圖5為電力系統(tǒng)斷路器模型的狀態(tài)空間模擬圖。

圖5 斷路器模型狀態(tài)空間圖

由圖5可以看出，設(shè)備元件模型考慮的因素比較多，使問(wèn)題更加復(fù)雜化，因此，需要對(duì)元件模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。

從設(shè)備元件故障后的結(jié)果來(lái)分析，可以將st狀態(tài)模式和i狀態(tài)模式歸一等效為S狀態(tài)，m、f和r模式簡(jiǎn)化合并為R狀態(tài)。通過(guò)邏輯分析，可以得出S狀態(tài)模式將使保護(hù)范圍內(nèi)的所有開(kāi)關(guān)跳閘，是一種相關(guān)故障；而R狀態(tài)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(hù)的誤動(dòng)影響，需進(jìn)一步修正相關(guān)狀態(tài)模型。實(shí)際運(yùn)行中，繼電保護(hù)誤動(dòng)后的斷路器狀態(tài)結(jié)果和S狀態(tài)度斷路器處的后果一樣，因此，可以等效為一種狀態(tài)。繼電保護(hù)拒動(dòng)后，將引起變電站相關(guān)設(shè)備退出運(yùn)行，因此，也是一種擴(kuò)大影響范圍的相關(guān)故障，其后果等同于在故障斷路器保護(hù)區(qū)內(nèi)的各斷路器均處于S狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致下一級(jí)的斷路器跳閘，因此，可將這種工況模式單獨(dú)分類(lèi)，即F狀態(tài)。

考慮到S、F狀態(tài)度中的操作時(shí)間很短，進(jìn)一步歸一等效這兩個(gè)狀態(tài)，并入R狀態(tài)，最終簡(jiǎn)化得到斷路器3狀態(tài)模式可靠性模型見(jiàn)圖6。

圖6 斷路器模型簡(jiǎn)化空間狀態(tài)圖

模型中，N為正常狀態(tài)模式，R為故障檢修模式，M為計(jì)劃?rùn)z修模式，λR為年故障率，μR為年故障修復(fù)率，λM為年計(jì)劃?rùn)z修率，μM為年計(jì)劃?rùn)z修的修復(fù)率。

2.3 電力系統(tǒng)故障搜索與概率、頻率分析

本文通過(guò)分析電氣主接線(xiàn)圖，梳理致使各線(xiàn)路停電的故障事件，進(jìn)一步分析該故障事件下的相關(guān)影響，統(tǒng)計(jì)得到該狀態(tài)下的故障概率、故障頻率。

電力系統(tǒng)故障搜索中，首先劃分任一回出線(xiàn)到源點(diǎn)的最小割集，根據(jù)故障重疊的情況分類(lèi)，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(duì)不同割集，可靠性指標(biāo)可按以下原則分析計(jì)算：

(1)一階故障中，故障率、故障恢復(fù)時(shí)間分別設(shè)定為單個(gè)設(shè)備元件強(qiáng)迫停運(yùn)的故障率、單個(gè)設(shè)備元件強(qiáng)迫停運(yùn)時(shí)的故障恢復(fù)時(shí)間；如果系統(tǒng)中配置了備用設(shè)備，則停電時(shí)間為備用設(shè)備就位、投運(yùn)的操作時(shí)間。

(2)二階故障中，考慮設(shè)備強(qiáng)迫停運(yùn)與單一設(shè)備計(jì)劃?rùn)z修重疊的情況。兩個(gè)設(shè)備元件強(qiáng)迫停運(yùn)故障率分別設(shè)為λ1、λ2，相應(yīng)強(qiáng)迫停運(yùn)后的故障恢復(fù)時(shí)間分別設(shè)為r1、r2，設(shè)備元件計(jì)劃?rùn)z修停運(yùn)率分別設(shè)為λm1、λm2，相應(yīng)計(jì)劃?rùn)z修停運(yùn)時(shí)間設(shè)為rm1、rm2，則二階故障持續(xù)強(qiáng)迫停運(yùn)的時(shí)間rp為：

計(jì)劃?rùn)z修停運(yùn)和強(qiáng)迫停運(yùn)主要在兩種情況發(fā)生重疊，即：一種情況為設(shè)備1已處檢修狀態(tài)，設(shè)備2發(fā)生強(qiáng)迫停運(yùn)；另一種情況是設(shè)備2已處檢修狀態(tài)，設(shè)備1發(fā)生強(qiáng)迫停運(yùn)。這兩種情況的等效停運(yùn)率λsm為：

相應(yīng)等效停運(yùn)時(shí)間rsm為：

(3)三階故障中，主要考慮強(qiáng)迫停運(yùn)與計(jì)劃?rùn)z修停運(yùn)的重疊情況。在工程實(shí)際中，基本不會(huì)同時(shí)對(duì)兩個(gè)設(shè)備元件進(jìn)行檢修，因此，只需考慮兩個(gè)設(shè)備元件強(qiáng)迫停運(yùn)與另一個(gè)設(shè)備元件發(fā)生檢修停運(yùn)重疊的情況。三階段故障的分析計(jì)算方法和計(jì)算公式與二階故障類(lèi)似，將兩個(gè)強(qiáng)迫停運(yùn)元件等效為一個(gè)強(qiáng)迫停運(yùn)元件，代入上述等效停運(yùn)率、等效停運(yùn)時(shí)間計(jì)算公式即可。

系統(tǒng)運(yùn)行中，三階以上故障發(fā)生的概率極小，因此，在以下計(jì)算分析中不考慮三階故障情況。

3 電氣主接線(xiàn)可靠性綜合分析

3.1 電氣主接線(xiàn)綜合評(píng)估方法與主要性能指標(biāo)

變電站設(shè)計(jì)中，電氣主接線(xiàn)的選擇涉及系統(tǒng)安全可靠性、工程投資、運(yùn)行便利性等多方面因素，因此，其綜合評(píng)估主要從可靠性、經(jīng)濟(jì)性和靈活性三方面考慮，綜合評(píng)估流程見(jiàn)圖7。

圖7 電氣主接線(xiàn)綜合評(píng)估流程圖

本文采用清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的“發(fā)電廠(chǎng)/變電站電氣主接線(xiàn)可靠性評(píng)估軟件”，針對(duì)可靠性方面對(duì)電氣主接線(xiàn)做重點(diǎn)定量分析，主要包括連續(xù)性、安全性和充裕度三個(gè)方面。

3.2 元件可靠性參數(shù)

主接線(xiàn)可靠性評(píng)估主要涉及母線(xiàn)、隔離開(kāi)關(guān)、斷路器、架空線(xiàn)等，參考中電聯(lián)電力可靠性管理中心發(fā)布的輸變電設(shè)備可靠性統(tǒng)計(jì)參數(shù)，500 kV主要設(shè)備元件可靠性參數(shù)統(tǒng)計(jì)均值見(jiàn)表1。

表1 500 kV主要設(shè)備元件可靠性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.3 定量可靠性評(píng)估計(jì)算條件、判據(jù)和指標(biāo)說(shuō)明

電氣主接線(xiàn)方案的可靠性判據(jù)主要包括：任意一回進(jìn)出線(xiàn)回路發(fā)生故障停電；任意兩回進(jìn)出線(xiàn)回路發(fā)生故障停電；任意指定三階及以上進(jìn)出回路組合停電事件；全站發(fā)生故障停電。以一個(gè)半斷路器接線(xiàn)方案的可靠性分析為例，按前述整理的可靠性參數(shù)，經(jīng)計(jì)算，富寧±500 kV換流站在前述三種運(yùn)行方式下，一個(gè)半斷路器接線(xiàn)方案的連續(xù)性、充裕度、安全性指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表2～表4。

同理，可得富寧±500 kV換流站雙母線(xiàn)接線(xiàn)方案各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表5～表7。

3.4 基本可靠性結(jié)果分析

針對(duì)兩種接線(xiàn)方案的各項(xiàng)指標(biāo)，通過(guò)歸一化處理，兩方案的可靠性指標(biāo)對(duì)比情況見(jiàn)圖8～圖10。可見(jiàn)，一個(gè)半斷路器接線(xiàn)方案的各個(gè)可靠性指標(biāo)均優(yōu)于雙母線(xiàn)接線(xiàn)方案。

3.5 其他因素分析

電氣主接線(xiàn)除可靠性分析外，還要考慮主接線(xiàn)方案的經(jīng)濟(jì)性、靈活性等因素。

經(jīng)測(cè)算，按工程遠(yuǎn)期規(guī)模，相比雙母線(xiàn)接線(xiàn)方案，一個(gè)半斷路器接線(xiàn)方案多6臺(tái)斷路器和6組接地開(kāi)關(guān)，但少了14組隔離開(kāi)關(guān)，經(jīng)與國(guó)內(nèi)主要設(shè)備供應(yīng)商詢(xún)價(jià)，設(shè)備費(fèi)用約高出980萬(wàn)元，相較本工程整體投資，增加費(fèi)用有限。

靈活性方面，首先一個(gè)半斷路器和雙母線(xiàn)接線(xiàn)方案均采用母線(xiàn)三分段的形式，滿(mǎn)足系統(tǒng)三種運(yùn)行方式間靈活切換的要求；其次，當(dāng)出線(xiàn)斷路器故障時(shí)，兩種接線(xiàn)方案均需較長(zhǎng)時(shí)間停電；最后，除4回備用出線(xiàn)外，其他500 kV進(jìn)出線(xiàn)元件本期一次上齊，并且采用氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備(Gas Insulated Switchgear,GIS)，備用間隔的母線(xiàn)側(cè)隔離開(kāi)關(guān)本期采購(gòu)，后期擴(kuò)建工作量較少。因此，兩種接線(xiàn)方式的運(yùn)行、檢修、擴(kuò)建靈活性基本相當(dāng)。

表2 一個(gè)半斷路器接線(xiàn)方案連續(xù)性指標(biāo)

表3 一個(gè)半斷路器接線(xiàn)方案安全性指標(biāo)

表4 一個(gè)半斷路器接線(xiàn)方案充裕度指標(biāo)

表5 雙母線(xiàn)接線(xiàn)方案連續(xù)性指標(biāo)

表6 雙母線(xiàn)接線(xiàn)方案安全性指標(biāo)

表7 雙母線(xiàn)接線(xiàn)方案充裕度指標(biāo)

圖8 500 kV主接線(xiàn)方案的連續(xù)性指標(biāo)比較

圖9 500 kV主接線(xiàn)方案的安全性指標(biāo)比較

圖10 500 kV主接線(xiàn)方案的充裕性指標(biāo)比較

4 結(jié)語(yǔ)

金沙江觀(guān)音巖水電站直流送出工程在南方電網(wǎng)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(yùn)行的可靠性，不僅影響到云南電網(wǎng)、廣西電網(wǎng)的用電，而且直接關(guān)系到整個(gè)南方電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文通過(guò)對(duì)一個(gè)半斷路器接線(xiàn)和雙母線(xiàn)接線(xiàn)可靠性的分析研究，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性、靈活性的綜合評(píng)估，推薦采用一個(gè)半斷路器、母線(xiàn)三分段接線(xiàn)方案，不僅滿(mǎn)足了本站設(shè)備選型、平面布置、工程經(jīng)濟(jì)性等方面的要求，而且保障了換流站的運(yùn)行可靠性。

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