基于BPA外網靜態等值的福貢串補自動重投仿真分析

徐志

（云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217）

0 前言

高壓超高壓線路加裝串聯電容補償裝置，主要是為了降低線路電抗，提高輸電線路動態及穩態的穩定裕度，為大功率傳輸創造了有利條件。自動重投功能是串補區內故障后快速投入串補的一種自動控制策略，有效的保證了系統的穩定和線路功率的傳輸。然而，受串補MOV 制造工藝水平（MOV 閥片的一致性）和試驗手段的限制，MOV 已成為串補成套裝置比較容易損壞的設備。特別是，區內短路故障引起的工頻過電壓和能量可能造成MOV 閥片損壞，為了保護設備，南網目前禁止了串補的自動重投。云南電網220 kV 福貢串補，兼顧了怒江地區輸電通道的限制和怒江汛期電力外送的壓力，串補的快速投入能很好的抑制怒江電網的功率振蕩問題，保證了怒江電力的送出，特別是在豐水期。為此，迫切需要研究一種福貢串補故障后快速投入的方案。基于此，本文將依據福貢串補系統設計和設備參數進行串補故障后自動重投及其對MOV 影響的仿真分析，探究福貢串補啟用自動重投功能的可行性和方案。

本文用到的仿真計算工具主要是電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC 和BPA 程序。包含福貢串補保護邏輯和控制策略及相鄰線路保護邏輯的詳細電磁模型在PSCAD/EMTDC 建模，考慮到PSCAD/EMTDC 能建立的變電站節點有限，必須對云南主網和怒江電網進行靜態等值，保留研究區域及其與外部區域的邊界節點，最大限度反應福貢串補區內故障時云南主網和怒江電網對短路點的短路電流貢獻水平。

1 福貢串補外網等值

1.1 基于BPA外網靜態等值

電力系統等值可以分為靜態等值和動態等值，靜態等值不考慮元件的動態特性，而動態等值需要考慮元件的動態特性。本文完成基于短路電流計算的MOV 過電壓和能量校核，與系統電壓和等值阻抗強相關，不需要考慮系統元件的動態特性，故采用系統靜態等值方法。

BPA 短路程序SCCP 提供了多點網絡等值計算模塊，該模塊是一種基于阻抗等值的多端口有源網絡等值。等效方法是，將全網按照仿真研究重點分為內網和外網（外網可以是一個或幾個），內網是需要建立詳細電磁暫態模型，進行重點關注的，外網是需要等效的網絡，內網與外網之間的連接線路是邊界線路，連接節點為邊界節點，網絡連接情況如下圖1 所示。

圖1 網絡劃分示意圖

圖2 斷開聯絡線后的多端口外網

BPA 網絡阻抗等值的原則與戴維南等值類似，首先等效網絡與內網之間保持開路，即斷開內網與外網的連接線路。于是外網就成了多個含獨立源的多端口網絡。如圖2 所示。

然后運用電網絡理論關于多端口網絡等效的計算方法，對每個獨立的外網進行多端口網絡阻抗等值計算。這里假設含獨立源的n 端口網絡N 是線性，利用線性電路的疊加原理，將網絡分成不含獨立源，僅有外部激勵作用的網絡N1，和外部短路，僅由獨立源作用的網絡N2。于是，對于多端口網絡N 有：

N 中全部獨立源不作用時，

N 中所有獨立源單獨作用時，

由線性電路疊加原理有：

式(3)是等效網絡的諾頓電路模型，根據電路等效原理，將其話成戴維南電路模型為：

BPA 短路程序SCCP 的多點網絡等值與阻抗計算模塊支持該項計算，可以將外網從線進行戴維南等效。

1.2 220 kV福貢串補簡介

福貢串補站共有2 套固定串補裝置，分別安裝在220 kV 蘭福線和220 kV 福劍線上，串補度均為60%，設備額定電流均為1.42 kArms/相，MOV 額定容量（含熱備用容量）分別為68.2 MJ/ 相和45.1 MJ/ 相，由南瑞繼保公司成套供貨，系統接入如圖3 所示。

按系統設計方案要求，福貢串補投入運行時，福貢變220 kV 母線分列運行。

圖3 福貢串補系統接入

1.3 福貢串補外網等值

SCCP 多點網絡靜態等值的方式是：將交流網絡中變電站和線路分為內部網絡和外部網絡，連接外部網絡與與內部網絡之間的節點為邊界節點，連接線路為邊界線路。進行等值計算時首先在BPA 潮流數據文件中將邊界線路斷開，然后分別在斷開線路形成的網絡中用出力和負荷來代替相應的線路潮流，接著在新生成的交流系統中添加對應的平衡節點，重新進行潮流計算，最后將修改后的潮流計算數據文件放到SCCP 中完成邊界節點母線的等效。

圖4 福貢串補仿真外網等值圖

表1 外網等值結果

如圖3 所示為2018 年汛期豐大方式云南電網主網網架結構圖，將要重點研究的福貢串補和線路及強相關變電站作為內部網絡，內部網絡即是要完全保留的網絡，其余部分為外部網絡。于是，形成的內網包括：220 kV 福貢串補、蘭坪變220 kV 母線、劍川變220 kV 母線、洱源變220 kV 母線以及這些節點之間的線路。邊界節點包括：福貢變220 kV 母線、維西變220 kV 母線、黃坪變220 kV 母線、大理變220 kV 母線以及劍川變、洱源變、蘭坪變的110 kV、35 kV 等值系統。需要斷開線路包括：220 kV 福貢變至福貢串補雙回線，220 kV 維西到劍川單回線，220 kV 劍川至黃坪雙回線，220 kV 洱源至黃坪單回線，220 kV 洱源至大理單回線，220 kV 洱源至洱源110 kV、35 kV 等值系統單回線、220 kV 蘭坪至蘭坪110 kV、35 kV 等值系統單回線。

BPA 等值后的系統接線圖如圖4 所示。

靜態等值后，一共有7 個等效電源，等值結果見表1 所示。

2 福貢串補MOV過電壓及能量校核

2.1 PSCAD電磁暫態建模

基于上面的外網等值結果在PSCAD 中搭建對應的仿真模型，如圖5 所示。鑒于蘭福線串補和福劍線串補的設計容量等參數幾乎相同，故本次建模仿真主要針對福劍線串補進行，蘭福線串補用等容量的固定電容器來代替。

圖5 福貢串補仿真模型

火花間隙除了能通過大電壓自觸發外，更多的時候需要通過串補保護進行強制觸發，這就要求間隙具有程序可控功能。本模型中的間隙采用斷路器模型進行模擬。

模型考慮線路故障聯跳串補，但不考慮串補旁路開關失靈啟遠跳。串補自動重投策略采用的目前南網要求的先投串補后投線路的重投方式，即串補旁路后，考慮間隙去游離時間，延時500ms 后，串補自動重投。

模型保護定值參考目前調度下達的定值，其中，福劍線串補MOV 能量低定值25.86MJ，MOV 能量高定值28.94MJ，MOV 高電流旁路定值6610A，間隙觸發回路電容器電壓使能值99.2 kV。

2.2 MOV過電壓及能量校核仿真

按照MOV 招標規范，對不同運行工況下的MOV 過電壓和能量進行校核?？紤]的故障類型主要有：區內單相瞬時故障、區內單相永久故障、區內單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動、區外單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動。

區內單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動時，MOV 吸收能量和過電壓情況相對區內單相瞬時故障、區內單相永久故障要嚴重，區內故障對MOV 的校核以區內單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動為主。

圖6 為福劍線串補區內單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動時的波形圖。圖6從上到下分別為故障相（A 相）線路電流波形、非故障相（BC 相）線路電流波形、故障相電容器電流波形、故障相MOV 電流波形、故障相MOV 電壓波形、故障相間隙電流和MOV 保護動作開關量、故障相MOV 能量波形。

串補旁路刀閘在1.0s 是分開，串補投入。由圖可知：福劍線串補在福貢變220 kV 母線分列運行，發生區內單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動時，MOV 最大電流約為80A，過電壓最大為102.3 kV（約1.8p.u），MOV 吸收能量最大為7 KJ。整個過程中串補保護沒有動作，僅由線路保護聯動串補。

對照福劍線串補MOV 設計保護水平，1.8p.u 的過電壓和7 KJ 的能量，MOV 是可以承受的。

圖6 福劍線串補區內單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動時的波形圖

串補區外故障時，要求串補不能旁路，短路電流完全由MOV 承受，對MOV 考驗也比較嚴格。

圖7 為福劍線串補區外單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動時的波形圖。圖7從上到下分別為故障相（A 相）線路電流波形、非故障相（BC 相）線路電流波形、故障相電容器電流波形、故障相MOV 電流波形、故障相MOV 電壓波形、故障相間隙電流和MOV 保護動作開關量、故障相MOV 能量波形。

串補旁路刀閘在1.0 s 是分開，串補投入。由圖可知：福劍線串補在福貢變220 kV 母線分列運行，發生區外單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動時，MOV 最大電流約為70 A，過電壓最大為102.1 kV（約1.8p.u），MOV 吸收能量最大為25 KJ。整個過程中串補保護沒有動作，也沒有線路保護旁路串補，串補一直處于運行狀態。

同理，劍線串補區外單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動時，串補MOV 是可以承受的。

圖7 福劍線串補區外單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動時的波形圖

福劍線串補區內外單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動，這兩種故障時串補MOV 將承受最嚴重的沖擊，此兩種工況下進行的串補MOV 過電壓和能量校核完全可以說明MOV 承受故障沖擊能力。

對比分析兩種故障時的波形圖可以發現，MOV 流過的最大電流和承受最大電壓基本相同，相對都較小。串補區外單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動時，由于串補不能旁路，MOV 吸收能量相對較大達25KJ，但未到MOV 能量保護定值，故兩種情況下MOV 保護都未動作。

3 結束語

本文主要完成了基于BPA 外網靜態等值的福貢串補自動重投仿真分析，利用BPA 進行了外網靜態等值，利用PSCAD/EMTDC 搭建了福貢串補及相鄰線路的詳細電磁暫態模型，并基于模型進行了福貢串補正常運行模式（投串補時要求福貢變220 kV 母線分列運行）下故障時的MOV 過電壓和能量校核。得出以下結論：

1）福貢串補MOV 設計容量較大，可以承受現階段常見嚴重故障對其造成的沖擊。

2）現階段，串補在福貢變220 kV 母線分列運行時投入運行，啟用串補自動重投有較好的可行性。

3）現階段，按現在的自動重投策略，即先投串補后投線路的方式啟用串補自動重投可行性也較好。