基于頻率偏差和試探偏差的選相合閘閉鎖邏輯

楊遠(yuǎn)航 解 良 陳 鵬 錢 兵 殷懷統(tǒng)

（1.云南電力調(diào)度控制中心，昆明 650011； 2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文山供電局，云南 文山 663000）

0 引言

選相合閘是一種可實(shí)現(xiàn)“選擇交流電壓相位分合閘”的斷路器智能控制技術(shù)[1-2]。變壓器、交流濾波器投切時(shí)刻的交流電壓相位直接決定了投切的暫態(tài)過程[3-5]。應(yīng)用于高壓直流輸電工程的變壓器和交流濾波器電壓等級高、容量大，在理想相位分合閘對設(shè)備安全和系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行都有重要意義[6-8]。

當(dāng)前選相合閘技術(shù)研究主要集中在過零點(diǎn)檢測、分合閘策略、斷路器動(dòng)作特性等方面且成果豐碩，但對選相合閘動(dòng)作命令本身的正確性校驗(yàn)卻缺少關(guān)注[9-14]。目前相關(guān)技術(shù)規(guī)范也尚未對動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)的辨識和處理提出明確要求[15]，主流選相合閘裝置大多缺少相應(yīng)的功能，僅部分廠家采用交流電壓頻率越限閉鎖動(dòng)作命令的策略[16-18]。實(shí)際上，選相合閘裝置參數(shù)設(shè)置不當(dāng)、算法缺陷、元件老化等，以及交流電壓的異常波動(dòng)都有可能造成選相合閘動(dòng)作命令錯(cuò)誤，直接威脅設(shè)備和系統(tǒng)安全運(yùn)行，實(shí)際運(yùn)行過程中相關(guān)案例并不鮮見。

1 選相合閘技術(shù)簡介

1.1 選相合閘原理

選相合閘技術(shù)即通過選擇理想的電壓相位角投入無功設(shè)備或變壓器，使投入瞬間的沖擊電流最小，保證設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行安全。測控后臺發(fā)出斷路器分合閘命令至選相合閘裝置，選相合閘裝置接到分合閘命令后，根據(jù)采集的交流電壓信息選擇合適的時(shí)機(jī)對斷路器發(fā)出動(dòng)作命令，使斷路器恰好在理想相位分合閘。

選相合閘裝置程序處理流程大致相同，SID—3YL微機(jī)涌流抑制器帶有交流電壓頻率越限閉鎖邏輯，以該裝置為例介紹選相合閘的動(dòng)作時(shí)序。

設(shè)合閘目標(biāo)為電壓過零點(diǎn)，選相合閘動(dòng)作時(shí)序如圖1所示。

圖1 選相合閘動(dòng)作時(shí)序

圖1中：t1時(shí)刻，接到測控后臺發(fā)出的合閘命令；t2時(shí)刻，檢測出交流電壓過零點(diǎn)；t3時(shí)刻，檢測出當(dāng)前電壓頻率、進(jìn)行閉鎖邏輯判斷、計(jì)算選相合閘動(dòng)作命令延時(shí)Td；T為交流電壓u的周期；tz為影響合閘角度的偏差值。

1）電壓頻率

2）閉鎖邏輯判斷

計(jì)算電壓頻率偏差Δf為

設(shè)置“轉(zhuǎn)隨機(jī)”控制字及頻率越限定值Δfset。當(dāng)Δf＞Δfset時(shí)，“轉(zhuǎn)隨機(jī)”控制字退出，則閉鎖本次合閘命令，“轉(zhuǎn)隨機(jī)”控制字投入，則隨機(jī)發(fā)出合閘命令；當(dāng)Δf＜Δfset時(shí)，發(fā)出選相合閘動(dòng)作命令。

3）動(dòng)作命令延時(shí)Td

設(shè)斷路器固有動(dòng)作時(shí)間為tc，考慮溫度、歷史動(dòng)作數(shù)據(jù)、預(yù)擊穿等因素對斷路器動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行修正，修正量Δt，利用取余函數(shù)mod(·)計(jì)算選相合閘動(dòng)作命令發(fā)出延時(shí)Td為

若裝置未設(shè)置閉鎖邏輯，則在t3時(shí)刻只進(jìn)行選相合閘動(dòng)作命令延時(shí)計(jì)算。

圖1中t4時(shí)刻，對斷路器發(fā)出合閘動(dòng)作命令。

圖1中，t5時(shí)刻為斷路器預(yù)計(jì)合閘時(shí)刻。若斷路器實(shí)際動(dòng)作時(shí)間與修正后的固有動(dòng)作時(shí)間完全一致，則預(yù)計(jì)合閘時(shí)刻即實(shí)際合閘時(shí)刻。

1.2 閉鎖邏輯問題分析

結(jié)合實(shí)際運(yùn)行中的3起選相合閘裝置典型異常動(dòng)作案例，分析閉鎖邏輯的相關(guān)問題。異常動(dòng)作案例見表1。

表1 選相合閘典型異常動(dòng)作案例

綜上可知：

1）實(shí)際運(yùn)行中選相合閘裝置發(fā)出的動(dòng)作命令有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤而存在較大動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)，故有必要設(shè)置閉鎖邏輯。閉鎖邏輯應(yīng)具備一定的動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)辨識能力，并能根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求閉鎖選相合閘。

2）僅靠頻率偏差越限來辨識動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)，存在頻率測量結(jié)果不可靠、偏差允許范圍難整定的問題，且不能有效反映頻率波動(dòng)帶來的動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)。

3）變壓器合閘偏差過大將對設(shè)備和系統(tǒng)造成較大沖擊，而交流濾波器閉鎖合閘將無法滿足系統(tǒng)運(yùn)行的無功匹配要求。因此，閉鎖邏輯應(yīng)能兼顧變壓器投切和交流濾波器投切的不同需求。

2 試探偏差及頻率偏差

2.1 試探偏差

為反映頻率波動(dòng)對分合閘的影響，并在動(dòng)作命令出口前進(jìn)行安全性校核，提出試探偏差ΔYc。試探偏差ΔYc的物理意義為：若執(zhí)行本次動(dòng)作命令，實(shí)際分合閘相位與理想分合閘相位的偏差。

以理想分合閘相位為交流電壓過零點(diǎn)為例，試探偏差如圖2所示。圖2中t5時(shí)刻為斷路器預(yù)計(jì)分合閘時(shí)刻，此時(shí)刻對應(yīng)的交流電壓實(shí)測相位即執(zhí)行本次動(dòng)作命令的實(shí)際分合閘相位，該相位與理想相位的偏差即試探偏差。

圖2 試探偏差示意圖

為便于計(jì)算，可用預(yù)計(jì)分合閘時(shí)刻交流電壓實(shí)測瞬時(shí)值作為試探偏差，即

設(shè)系統(tǒng)安全運(yùn)行允許偏差范圍為δs，設(shè)備安全投切允許偏差范圍為δe，則試探偏差越限判據(jù)為

試探偏差允許范圍如圖3所示。

圖3中，陰影區(qū)為由系統(tǒng)安全運(yùn)行允許偏差范圍δs和設(shè)備安全投切允許偏差范圍δe共同界定的安全投切區(qū)域。若試探偏差超出該區(qū)域，則說明本次分合閘存在風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 試探偏差允許范圍

在交流電壓峰值處分合閘的情況與之類似，不再贅述。

2.2 頻率偏差

以工頻50Hz為標(biāo)準(zhǔn)值，設(shè)實(shí)測電壓頻率為f，則頻率偏差可由式（2）計(jì)算得出。

根據(jù)式（3）、式（4）可以看出，在斷路器合閘動(dòng)作時(shí)間不變的情況下，頻率偏差越大，實(shí)際合閘相位角偏離理想合閘相位角越大，設(shè)備合閘風(fēng)險(xiǎn)越高。因此，頻率偏差可以作為選相合閘動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)的判據(jù)之一，其反映的是當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行頻率下的合閘風(fēng)險(xiǎn)，而試探偏差則預(yù)測合閘風(fēng)險(xiǎn)，利用試探偏差和頻率偏差可綜合評估選相合閘動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)。

3 閉鎖邏輯設(shè)計(jì)

閉鎖邏輯要解決兩個(gè)問題：①有效辨識選相合閘動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)；②合理平衡動(dòng)作命令出口與閉鎖的矛盾。

變壓器投切不頻繁，投切時(shí)變壓器處于空載狀態(tài)，其投切速度和成功率對系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行影響較小，但變壓器造價(jià)昂貴，且勵(lì)磁涌流會嚴(yán)重影響并列運(yùn)行設(shè)備。因此，應(yīng)優(yōu)先考慮保證投切的安全性，靈敏辨識動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)，存在動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)立即閉鎖動(dòng)作命令。

交流濾波器投切頻繁，通常是配合系統(tǒng)運(yùn)行的無功需要而投切，其投切成功率對系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行影響較大。因此，應(yīng)優(yōu)先考慮保證投切的成功率，可靠辨識動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)，不存在動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)則開放動(dòng)作命令。

定值設(shè)置：頻率越限定值Δfset，系統(tǒng)安全運(yùn)行允許偏差范圍δs，設(shè)備安全投切允許偏差范圍δe。

元件設(shè)置：頻率偏差越限，試探偏差越限，動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)。

頻率偏差越限為“1”的條件為Δf＞Δfset，試探偏差越限為“1”的條件為ΔYc?δs∩δe。

設(shè)置動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)辨識時(shí)間窗，如圖4所示。

圖4中，t3時(shí)刻為頻率偏差越限判別時(shí)刻，t5時(shí)刻為試探偏差越限判別時(shí)刻，由二者構(gòu)成動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)辨識時(shí)間窗。

圖4 動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)辨識時(shí)間窗

動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)為“1”的條件為：在一個(gè)動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)辨識時(shí)間窗內(nèi)，頻率偏差或試探偏差越限。

3.1 適用于變壓器投切的閉鎖邏輯

1）頻率越限定值Δfset宜設(shè)置較小，以提高動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)辨識靈敏度。正常運(yùn)行工況下，交流電壓頻率偏差一般不超過0.2Hz，設(shè)置頻率越限定值Δfset= 0.5～1Hz即可滿足正常運(yùn)行工況要求。

2）“動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)”為“1”即閉鎖選相合閘動(dòng)作命令。

變壓器投切選相合閘動(dòng)作流程如圖5所示。

圖5 變壓器投切選相合閘動(dòng)作流程

3.2 適用于交流濾波器投切的閉鎖邏輯

1）異常運(yùn)行工況下，電壓頻率波動(dòng)較大，且往往需要配合交流濾波器投切。因此，頻率越限定值Δfset宜適當(dāng)放大，可取Δfset=4～5Hz。

2）連續(xù)兩個(gè)動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)辨識窗內(nèi)的“動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)”判別結(jié)果均為“1”，則閉鎖選相分合閘。

適當(dāng)放寬閉鎖條件，以提高風(fēng)險(xiǎn)辨識可靠性和投切成功率。

交流濾波器投切選相合閘動(dòng)作流程如圖6所示。

圖6 交流濾波器投切選相合閘動(dòng)作流程

3.3 閉鎖邏輯對選相分合閘性能影響

1）采用試探偏差進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識后，在正常工況下，選相合閘動(dòng)作時(shí)間增加了動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)辨識帶來的 延時(shí)。動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)辨識時(shí)間窗長度即斷路器固有動(dòng)作時(shí)間，一般為30～50ms。對變壓器投切工況，僅進(jìn)行一次動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)辨識，增加延時(shí)大約為30～50ms，對交流濾波器投切工況，可能涉及二次動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)辨識，增加延時(shí)大約為30～100ms。

2）變壓器選相合閘投切條件更為嚴(yán)格，提升了投切的安全性，交流濾波器投切條件適當(dāng)放寬，增加了投切的成功率。

為適應(yīng)閉鎖邏輯帶來分合閘動(dòng)作延時(shí)的影響，測控后臺（如直流換流站站控系統(tǒng)）在監(jiān)視變壓器或交流濾波器投切結(jié)果時(shí)應(yīng)計(jì)及該延時(shí)。

3.4 閉鎖邏輯有效性分析

以表1中的兩個(gè)實(shí)際案例分別對適用于變壓器投切的閉鎖邏輯和適用于交流濾波器投切的閉鎖邏輯進(jìn)行驗(yàn)證。

1）在案例3中，某直流背靠背工程在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)后臺操作投入一換流變，由于該換流變的選相合閘裝置合閘策略設(shè)置錯(cuò)誤，導(dǎo)致?lián)Q流變投入時(shí)出現(xiàn)較大勵(lì)磁涌流，造成并列運(yùn)行的所有B型交流濾波器跳閘，并導(dǎo)致直流閉鎖。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測電壓錄波，對適用于變壓器投切的閉鎖邏輯案例驗(yàn)證如圖7所示。

圖7中，采用本文所提閉鎖邏輯的換流變選相合閘裝置在t0時(shí)刻接到測控后臺發(fā)出的合閘啟動(dòng)命令，根據(jù)t1和t2兩個(gè)過零點(diǎn)時(shí)刻檢測出當(dāng)前電壓頻率，并進(jìn)行閉鎖邏輯判斷。斷路器經(jīng)修正的固有動(dòng)作時(shí)間為34.3ms，根據(jù)選相合閘策略計(jì)算得到t3時(shí)刻發(fā)出合閘命令，推算出斷路器將在t4時(shí)刻合閘。在t4時(shí)刻檢測到交流電壓處于過零點(diǎn)處，落在試探偏差允許范圍之外，于是“動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)”判為“1”， 閉鎖選相合閘裝置，避免了換流變遭受涌流沖擊及直流閉鎖事件。

圖7 適用于變壓器投切的閉鎖邏輯案例驗(yàn)證

2）在案例2中，某逆變站一小組交流濾波器跳閘后，備用交流濾波器因選相合閘裝置閉鎖而投入失敗，造成直流降功率運(yùn)行。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測電壓錄波，對適用于交流濾波器投切的閉鎖邏輯案例驗(yàn)證如圖8所示。

圖8中，采用本文所提閉鎖邏輯的交流濾波器選相合閘裝置（設(shè)置頻率越限定值為5Hz）在t0時(shí)刻接到測控后臺發(fā)出的合閘啟動(dòng)命令，根據(jù)t1和t2兩個(gè)過零點(diǎn)時(shí)刻檢測出當(dāng)前電壓頻率為53.8Hz，未超過頻率越限定值。斷路器經(jīng)修正的固有動(dòng)作時(shí)間為34.3ms，根據(jù)選相合閘策略計(jì)算得到t3時(shí)刻發(fā)出 合閘命令，推算出斷路器將在t4時(shí)刻合閘。在t4時(shí)刻檢測到交流電壓位于試探偏差允許范圍之內(nèi)，于是“動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)”判為“0”，接下來計(jì)算出t5時(shí)刻發(fā)出合閘命令并發(fā)出實(shí)際命令，最終將在t6時(shí)刻成功合閘，提升了交流濾波器選相合閘的投切成功率。

圖8 適用于交流濾波器投切的閉鎖邏輯案例驗(yàn)證

4 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的選相合閘異常動(dòng)作案例，分析了當(dāng)前現(xiàn)場運(yùn)行的選相合閘閉鎖邏輯存在的問題，提出了利用試探偏差判斷選相合閘動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)的方法，通過結(jié)合頻率偏差和試探偏差可以更全面地評估設(shè)備選相合閘風(fēng)險(xiǎn)。相應(yīng)地，針對變壓器投切和交流濾波器投切的不同運(yùn)行需求，提出了適用于二者投切工況的閉鎖邏輯。