快速投切電容電抗器暫態(tài)無功補償?shù)膽?/h1>
2019-04-26 05:03:38劉雍
電子技術與軟件工程 2019年4期
文/劉雍
隨著直流輸電工程在電力系統(tǒng)中的比重不斷上升，交流受端電網(wǎng)發(fā)生故障時產(chǎn)生的電壓跌落導致的換流閥換相失敗甚至直流輸電線路閉鎖日益成為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重大隱患。為進一步提高受端電網(wǎng)動態(tài)無功支撐能力，提高電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性，需要在系統(tǒng)發(fā)生故障時進行暫態(tài)無功補償。本文中的快速投切電容電抗器自動裝置是一種新型的暫態(tài)無功補償方案，這種方法可以利用站內(nèi)既有電容器、電抗器，實現(xiàn)毫秒級的無功補償響應，從而在交流系統(tǒng)發(fā)生故障時根據(jù)軟件邏輯策略快速響應出口投切電容器、電抗器，實現(xiàn)暫態(tài)無功補償，提高電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性。
1 工程背景
隨著一系列國家西電東送重點工程的相繼投產(chǎn)，南方電網(wǎng)廣東珠三角地區(qū)電網(wǎng)已成為典型的多回直流集中饋入重負荷受端電網(wǎng)，直流輸電輸送容量約占最大負荷比例的39%。為提高電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，在交流系統(tǒng)發(fā)生故障時能快速發(fā)出無功支撐電壓，提高直流輸電系統(tǒng)的可靠性，進行暫態(tài)無功補償對保障電網(wǎng)安全運行、提高供電可靠性有著重要的現(xiàn)實意義。傳統(tǒng)的在直流換流站接入交流電網(wǎng)站點加裝STATCOM等裝置的就近補償方法補償效果好，但存在設備投資大、補償容量小的缺點。220kV 某變電站地處珠三角西北地區(qū)，距多個超高壓直流輸電饋入點電氣距離較近，站內(nèi)有三臺主變，各帶三段10kV母線，每條10kV母線裝設4臺8000kvar容量電容器，考慮該站綜合條件，利用站內(nèi)既有無功備用容量，節(jié)省投資，決定在該站加裝快速投切電容器裝置。
圖1：裝置硬件原理圖
2 快速投切電容電抗器裝置硬件原理
快速投切電容電抗器裝置（PCS998S）為由微機實現(xiàn)的集中式網(wǎng)絡智能保護裝置，主要用于220kV及以下電壓等級變電站，實現(xiàn)站內(nèi)和站間的保護和控制功能，實現(xiàn)對動態(tài)無功的綜合調(diào)用，在系統(tǒng)故障時起到一定的電壓支撐作用。
PCS998S基于數(shù)字化變電站技術，裝置支持IEC60044-8IEC61850-9-1/2采樣值傳輸協(xié)議，支持新一代變電站通訊標準IEC61850,支持GOOSE功能。裝置支持電子式互感器和常規(guī)互感器。
裝置實現(xiàn)了智能判別系統(tǒng)電壓跌落并快速選擇性切除電抗器、投入電容器的功能，解決了常規(guī)AVC、VQC裝置投入電容器時間長的問題，可有效提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性；適用于任意母線接線方式和母線運行方式的變電站，為在負荷中心地區(qū)推廣應用、加強南網(wǎng)受端電網(wǎng)動態(tài)無功支撐能力具有重要意義。
裝置硬件結構硬件上采用PCS-998S平臺+PCS-222智能終端相配合的方案，兼顧智能化變電站、常規(guī)變電站的通用性。具備與遠方站點通信能力，實現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)控制。如圖1所示。
3 快速投切電容電抗器裝置軟件原理及補償策略
3.1 軟件工作原理
有故障或無故障情況下，裝置監(jiān)測到系統(tǒng)電壓跌落幅值和持續(xù)時間超過門檻值時，分輪次切除電抗器、投入電容器；系統(tǒng)恢復后，若電壓升高幅值和持續(xù)時間超過門檻值時，分輪次切除前期投入的電容器。如圖2所示。
故障低壓動作：檢測到系統(tǒng)故障發(fā)生后啟動，監(jiān)測正序電壓持續(xù)低于門檻值（如0.9Un）超過一定時間（如0.12s）分輪次切除電抗器、投入電容器；
非故障低壓動作：監(jiān)測正序電壓持續(xù)低于門檻值（如0.88Un）超過一定時間（如5s）分輪次切除電抗器、投入電容器。
過壓動作：系統(tǒng)電壓恢復后，若出現(xiàn)電壓偏高（如正序電壓高于1.07Un）超過一定時間（如0.5s）分輪次切除前期投入的電容器。
針對每臺主變，裝置接入各個主變變高電壓，設有獨立的低壓啟動元件，啟動后開放出口正電源。啟動元件利用裝置正序電壓低于低壓啟動定值判斷低壓啟動。
裝置動作元件有：
（1）故障低壓動作元件：利用裝置正序電壓滑差變化率判斷系統(tǒng)故障；
（2）非故障低壓動作元件：利用裝置正序電壓判斷低壓動作；
（3）恢復過壓動作元件。
3.2 裝置補償策略
系統(tǒng)故障識別邏輯：當采集電壓中任何一相電壓變化率大于故障判別滑差定值，經(jīng)10ms確認延時后若此時正序電壓低于低壓啟動返回定值，則該系統(tǒng)故障標志一直保持，當電壓高于低壓啟動返回定值后延時50ms返回；
故障情況下低壓投切電容器電抗器策略：故障低壓邏輯過程中，當系統(tǒng)電壓回升過程中，若回升滑差大于電壓回升滑差定值時計數(shù)器遞減（躲系統(tǒng)振蕩）；裝置內(nèi)部設置有“協(xié)同動作時間”定值，固定取20ms。當某臺主變判低壓出口后，若20ms以內(nèi)同時有其余主變判低壓出口，則判斷為同區(qū)域內(nèi)多主變同時低壓，將采取統(tǒng)一的協(xié)調(diào)控制措施，切除電抗器、投入電容器。即將動作的主變可投切的電容電抗器列在一起按優(yōu)先級順序參與按輪次投入個數(shù)的投切動作過程。
為使裝置正確動作，裝置需接入主變閉鎖開入（主變區(qū)內(nèi)故障導致的故障低壓）、母差閉鎖開入（母差保護動作，閉鎖全部主變判別功能）、電容器閉鎖開入（包括電容器保護動作、電容器保護裝置報警、電容器保護裝置閉鎖(或失電)、電容器控制回路斷線）等閉鎖信號。當主變功能壓板或電容器允切壓板退出時不進行相應邏輯和告警判別，已發(fā)生的相應告警信號自動復歸。
4 快速投切電容電抗器裝置的運維
4.1 快投裝置的投入和退出
快投裝置的投退必須按照以下順序進行：
（1）快投裝置的退出：退出跳閘、合閘出口壓板、退出允許投切功能壓板、退出總功能投入壓板。
（2）快投裝置的投入：投入總功能投入壓板、投入允許投切功能壓板、投入跳閘、合閘出口壓板。
4.2 快投裝置的定檢
通常采取狀態(tài)檢修模式。定檢時將裝置退出；退出跳閘出口壓板，投入檢修狀態(tài)壓板；檢查裝置采樣（電流、電壓、頻率及相關開入量）；檢查裝置中央信號的準確性；利用裝置的試驗定值功能進行裝置單站測試，檢查裝置出口信號的正確性；檢驗中發(fā)現(xiàn)插件不正常，要及時更換備用插件，或通知廠家處理。
圖2：裝置軟件工作原理圖
4.3 日常維護注意事項
裝置指示燈是否處于運行狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)有異常信號時，及時查清異常的現(xiàn)象和原因或上報。快投裝置與在其它保護共用PT回路，其它保護試驗時，應考慮快投裝置有無誤動作的可能，必要時退出相應的快投裝置。保護裝置的硬件回路和軟件工作條件始終在系統(tǒng)的監(jiān)視下，一旦有任何異常情況發(fā)生，相應的報警信息將被顯示。某些異常報警可能會閉鎖一些保護功能，一些嚴重的硬件故障和異常報警可能會閉鎖保護裝置。此時運行燈將會熄滅。同時開出信號的裝置閉鎖接點將會閉合，保護裝置必須退出運行，需要檢修以排除故障。
5 結語
快速投切電容電抗器裝置能夠在受端電網(wǎng)發(fā)生故障，電壓出現(xiàn)跌落時，充分利用變電站既有電容電抗器的備用無功容量，快速響應發(fā)出無功，實現(xiàn)暫態(tài)無功補償，起到電壓支撐作用，對于電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性、電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有重要意義。快速投切電容電抗器裝置為新型裝置，為保證設備正常運行，需加強運維人員的技能培訓，明確其運維策略。隨著直流輸電等電力技術的發(fā)展，無功補償新技術裝置的應用將會越來越廣泛，在實際調(diào)試和運行維護中需要越來越多的對無功補償新技術裝置精通的專業(yè)技術人員，熟練其運維方法，才能確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。
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圖1：裝置硬件原理圖
2 快速投切電容電抗器裝置硬件原理
快速投切電容電抗器裝置（PCS998S）為由微機實現(xiàn)的集中式網(wǎng)絡智能保護裝置，主要用于220kV及以下電壓等級變電站，實現(xiàn)站內(nèi)和站間的保護和控制功能，實現(xiàn)對動態(tài)無功的綜合調(diào)用，在系統(tǒng)故障時起到一定的電壓支撐作用。
PCS998S基于數(shù)字化變電站技術，裝置支持IEC60044-8IEC61850-9-1/2采樣值傳輸協(xié)議，支持新一代變電站通訊標準IEC61850,支持GOOSE功能。裝置支持電子式互感器和常規(guī)互感器。
裝置實現(xiàn)了智能判別系統(tǒng)電壓跌落并快速選擇性切除電抗器、投入電容器的功能，解決了常規(guī)AVC、VQC裝置投入電容器時間長的問題，可有效提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性；適用于任意母線接線方式和母線運行方式的變電站，為在負荷中心地區(qū)推廣應用、加強南網(wǎng)受端電網(wǎng)動態(tài)無功支撐能力具有重要意義。
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3.1 軟件工作原理
有故障或無故障情況下，裝置監(jiān)測到系統(tǒng)電壓跌落幅值和持續(xù)時間超過門檻值時，分輪次切除電抗器、投入電容器；系統(tǒng)恢復后，若電壓升高幅值和持續(xù)時間超過門檻值時，分輪次切除前期投入的電容器。如圖2所示。
故障低壓動作：檢測到系統(tǒng)故障發(fā)生后啟動，監(jiān)測正序電壓持續(xù)低于門檻值（如0.9Un）超過一定時間（如0.12s）分輪次切除電抗器、投入電容器；
非故障低壓動作：監(jiān)測正序電壓持續(xù)低于門檻值（如0.88Un）超過一定時間（如5s）分輪次切除電抗器、投入電容器。
過壓動作：系統(tǒng)電壓恢復后，若出現(xiàn)電壓偏高（如正序電壓高于1.07Un）超過一定時間（如0.5s）分輪次切除前期投入的電容器。
針對每臺主變，裝置接入各個主變變高電壓，設有獨立的低壓啟動元件，啟動后開放出口正電源。啟動元件利用裝置正序電壓低于低壓啟動定值判斷低壓啟動。
裝置動作元件有：
（1）故障低壓動作元件：利用裝置正序電壓滑差變化率判斷系統(tǒng)故障；
（2）非故障低壓動作元件：利用裝置正序電壓判斷低壓動作；
（3）恢復過壓動作元件。
3.2 裝置補償策略
系統(tǒng)故障識別邏輯：當采集電壓中任何一相電壓變化率大于故障判別滑差定值，經(jīng)10ms確認延時后若此時正序電壓低于低壓啟動返回定值，則該系統(tǒng)故障標志一直保持，當電壓高于低壓啟動返回定值后延時50ms返回；
故障情況下低壓投切電容器電抗器策略：故障低壓邏輯過程中，當系統(tǒng)電壓回升過程中，若回升滑差大于電壓回升滑差定值時計數(shù)器遞減（躲系統(tǒng)振蕩）；裝置內(nèi)部設置有“協(xié)同動作時間”定值，固定取20ms。當某臺主變判低壓出口后，若20ms以內(nèi)同時有其余主變判低壓出口，則判斷為同區(qū)域內(nèi)多主變同時低壓，將采取統(tǒng)一的協(xié)調(diào)控制措施，切除電抗器、投入電容器。即將動作的主變可投切的電容電抗器列在一起按優(yōu)先級順序參與按輪次投入個數(shù)的投切動作過程。
為使裝置正確動作，裝置需接入主變閉鎖開入（主變區(qū)內(nèi)故障導致的故障低壓）、母差閉鎖開入（母差保護動作，閉鎖全部主變判別功能）、電容器閉鎖開入（包括電容器保護動作、電容器保護裝置報警、電容器保護裝置閉鎖(或失電)、電容器控制回路斷線）等閉鎖信號。當主變功能壓板或電容器允切壓板退出時不進行相應邏輯和告警判別，已發(fā)生的相應告警信號自動復歸。
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4.1 快投裝置的投入和退出
快投裝置的投退必須按照以下順序進行：
（1）快投裝置的退出：退出跳閘、合閘出口壓板、退出允許投切功能壓板、退出總功能投入壓板。
（2）快投裝置的投入：投入總功能投入壓板、投入允許投切功能壓板、投入跳閘、合閘出口壓板。
4.2 快投裝置的定檢
通常采取狀態(tài)檢修模式。定檢時將裝置退出；退出跳閘出口壓板，投入檢修狀態(tài)壓板；檢查裝置采樣（電流、電壓、頻率及相關開入量）；檢查裝置中央信號的準確性；利用裝置的試驗定值功能進行裝置單站測試，檢查裝置出口信號的正確性；檢驗中發(fā)現(xiàn)插件不正常，要及時更換備用插件，或通知廠家處理。
圖2：裝置軟件工作原理圖
4.3 日常維護注意事項
裝置指示燈是否處于運行狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)有異常信號時，及時查清異常的現(xiàn)象和原因或上報。快投裝置與在其它保護共用PT回路，其它保護試驗時，應考慮快投裝置有無誤動作的可能，必要時退出相應的快投裝置。保護裝置的硬件回路和軟件工作條件始終在系統(tǒng)的監(jiān)視下，一旦有任何異常情況發(fā)生，相應的報警信息將被顯示。某些異常報警可能會閉鎖一些保護功能，一些嚴重的硬件故障和異常報警可能會閉鎖保護裝置。此時運行燈將會熄滅。同時開出信號的裝置閉鎖接點將會閉合，保護裝置必須退出運行，需要檢修以排除故障。
5 結語
快速投切電容電抗器裝置能夠在受端電網(wǎng)發(fā)生故障，電壓出現(xiàn)跌落時，充分利用變電站既有電容電抗器的備用無功容量，快速響應發(fā)出無功，實現(xiàn)暫態(tài)無功補償，起到電壓支撐作用，對于電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性、電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有重要意義。快速投切電容電抗器裝置為新型裝置，為保證設備正常運行，需加強運維人員的技能培訓，明確其運維策略。隨著直流輸電等電力技術的發(fā)展，無功補償新技術裝置的應用將會越來越廣泛，在實際調(diào)試和運行維護中需要越來越多的對無功補償新技術裝置精通的專業(yè)技術人員，熟練其運維方法，才能確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。
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