帶有小電的備自投裝置邏輯改進探討

楊橋偉，蔣陳根，朱曉麗

（云南電網有限責任公司楚雄供電局，楚雄 675000）

0 前言

某電網清潔能源豐富，電網中大部分小電源就近接入110 kV及220 kV變電站。清潔能源受季節性影響較大，且楚雄地區負荷不大，大量小電的接入給備自投裝置運行帶來了新的問題，存在當變電站主供電源消失后，由于小電的支撐使得變電站可能形成孤網運行、緩慢失壓以及其他電壓、頻率問題的復雜變化，導致常規備自投的母線無壓條件無法滿足而難以適用。

本文將結合該網內備自投裝置的運行狀況按照小電源對于變電站電壓支撐作用進行分類，對各類應用情況下備自投方案進行探討，提出解決措施和建議。

1 問題分析

1.1 站內主供電源消失的情況

1）系統側失壓且主供線路無故障，此時主供線路保護及重合閘不動作；

2）主供線路故障，線路保護跳閘而重合閘未動作或動作不成功；

3）正常運行過程中主供電源斷路器偷跳而重合閘未動作。

1.2 小電源和負荷的匹配情況

由于水、風、光三種清潔能源均存在，且均受季節影響較大，因此在帶有小電上網的變電站，站內主供線路跳閘后因小電源和負荷的匹配情況也因地域、季節等因素而存在不同。根據實際運行情況，目前大體分為以下三種情況。

1）變電站所接小電源出力大于或接近于負荷，電力送出或接近平衡，主供電源線路消失后小電的支撐作用可維持孤網在一定時間內穩定運行，但孤網過程中電壓、頻率不穩定，最終會導致系統崩潰[1]。

2）變電站所接小電源接近或略低于負荷，電力接近平衡或下網，主供電源線路消失后變電站母線由于小電支撐使得母線電壓不會快速跌落，但又不足以維持片區電網在一定時間內孤網運行。

3）變電站所接小電源出力遠小于本站負荷，主供電源跳開后小電源雖對母線電壓有一定支撐作用，但會很快跌落。

綜合分析，采用主供電源消失后變電站母線電壓的頻率、電壓、相角變化作為區別上述三種情況的判據。

2 解決思路

考慮到備自投裝置動作的目的在于快速恢復局部電網供電，減少負荷損失，降低系統運行風險，并基于盡量精簡回路的原則，下面將對于上述三種情況提出備自投裝置的解決方案。

對于前兩種情況，當母線電壓大于一定值且頻率亦穩定于一定值時，說明小電源有能力維持孤網系統平衡，只是時間長短的問題，最典型的情況為本地上網小電能夠帶本地、本側全部負荷實現穩定的孤網運行。該運行方式下主要是盡快恢復孤網站點與大系統的聯網。這種運行工況下由于母線電壓處于較高電壓水平，對于僅投入了母線無壓啟動、主供線路斷路器分位位置啟動條件的備自投來說可能不會啟動或啟動后由于電壓長時間未降至無壓值以下而放電。因此，考慮增加孤島判別啟動備自投的方式，啟動后備自投裝置通過檢同期合閘的恢復與系統聯網。

對于第二種情況，可適當降低自投裝置無壓啟動的條件、設置延時放電等方式增加自投裝置的等待時間，提高自投裝置的成功率。

對于第三種情況，可通過加快聯切小電源措施來創造條件使備自投快速動作來恢復供電。考慮到備自投裝置的啟動及動作條件（無壓、孤島、主供斷路器分位等條件），降低現場運維的難度，提高裝置的可靠性，不建議設置備自投裝置直接聯切小電回路，通過僅電源點的頻率、電壓保護來切除機組。

3 解決方法

3.1 孤島判別啟動

目前常規備自投裝置的啟動方式主要有兩種：

1）工作母線無電壓且主供電源無電流；

2）主供電源斷路器分位且無電流。

這兩種方式對于系統側失壓且主供線路無故障（主供線路保護及重合閘不動作），又有小電支撐的情況下運行于第一種、第二種方式時可能無法啟動。為充分利用形成孤網時母線電壓幅值、頻率以及相位的變化情況，引入孤島判別方式作為自投裝置啟動另一條件。同時，結合成本、可靠性以及盡量不增加回路的原則考慮，建議主要引入被動式檢測方法來作為孤島判據，主要是通過檢測母線與備用電源的電壓或頻率的異常來檢測孤島效應，包括過/欠壓和過/欠頻保護、相位跳變、電壓諧波檢測[2-4]等方法；其中，過/欠壓和過/欠頻檢測法（OUV/OUF )、頻率變化率法（ROCOF）、電壓相位突變法（VS）是其中的典型代表。然而各站方法均存在不同的優缺點，通過OUV /OUF，ROCOF，VS的相互配合[5]，快速檢測變電站的運行狀態，判別出母線運行于孤島方式時，啟動自投裝置進入備自投邏輯判斷。

3.2 準同期合閘

考慮備投區域內機組對系統同期并列的影響，按照《南方電網備自投裝置配置與技術功能規范》[6]的要求：對于檢同期自投的裝置，應至少分別滿足電壓相角差和幅值差兩個同期條件才可投入備用電源。

鑒于目前備自投裝置已采集了母線電壓以及備供電源的電壓，且合閘回路直接接于相關斷路器的操作箱手合回路中，在不增加外部回路的同時，通過在軟件邏輯上增加自投裝置準同期合閘功能。準同期合閘的條件為：待并側與參考側兩側電壓均大于定值；兩側的壓差和頻差均小于定值；滑差小于定值。

在以上條件均滿足的情況下，裝置將根據當前的角差、頻差、滑差及合閘導前時間來計算該時刻發合閘令后開關合閘時的角差，其計算公式為：

其中：Δδ為兩側電壓角度差；Δf為兩側電壓頻率差；dΔf/td為頻差變化率；Tdq為導前時間（裝置出口繼電器動作到斷路器合閘所需的時間）。（裝置自動判斷兩矢量之間的變化過程，在兩矢量相互接近的過程中作預期發令）如果在捕捉同期的時間范圍（可通過定值整定）內，捕捉到預期合閘到零角差的時機，裝置向斷路器發合閘脈沖[7]。

3.3 延時放電

為防止由于主供電源線路跳開，由于小電源發電機的強勵磁裝置動作，使變電站母線電壓迅速抬高到“無壓定值”之以上，使得備自投起動后又迅速返回，導致備自投放電或錯過備投至系統備用電源的機會。

對備自投邏輯應進行優化，當出現主供電源跳開、母線電壓保持時，應經一定延時放電（具體延時應和小電源解列裝置配合），待小電源解列后母線失壓時可啟動自投一次[1]。

3.4 聯切方式設置

為充分利用變電站站內出線間隔、降低投資，變電站內不可避免的存在小電和負荷混接的情況，若設置備自投裝置聯切回路，首先是增加了設備運行過程中發生誤動、拒動的風險；其次聯切后可能造成大量的負荷損失。

在不設置備自投裝置直接聯切小電回路的前提下，為防止不設置聯切回路后備自投裝置動作過程中對小電造成沖擊，完善小電源側的低頻、低壓解列裝置配置或投入小電涉網保護中投入頻率、電壓保護，確保其在母線電壓不滿足自投裝置準同期合閘時盡量在靠近小電側快速解列小電源，加快電壓降低至無壓定值以內，滿足無壓合閘條件。

4 結束語

近年來隨著電網的不斷發展與電源的大力建設，備自投的應用情況日益增多，常規備自投在小電源豐富地區的不足之處也逐步凸顯出來。針對常規備自投動作邏輯不能完全適用，實際運維過程易發生的拒動、誤動的問題，在不增加二次回路、減少聯跳回路的同時，有針對性的提出了6種改進措施，在提高備自投動作的成功率的同時，最大程度的減少負荷損失。