特高壓換流站站用電系統(tǒng)備自投可靠性提升研究

王應(yīng)坤，劉順意，黃晨， 李倩如，楊江濤

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司超高壓變電公司，湖南 長沙 410004；2.變電智能運(yùn)檢國網(wǎng)湖南省電力有限公司實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙 410004)

0 引言

特高壓換流站站用電系統(tǒng)(以下簡稱“站用電”)主要包括站用變壓器(以下簡稱“站用變”)、開關(guān)柜及控制保護(hù)系統(tǒng)等。相較于傳統(tǒng)交流變電站而言，換流站的生產(chǎn)系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)更復(fù)雜[1]。換流站內(nèi)的閥冷卻系統(tǒng)、換流變冷卻系統(tǒng)以及直流保護(hù)、極控等二次系統(tǒng)需不間斷運(yùn)行，因此換流站對站用電源的可靠性有極高的要求[2]。換流站的站用電系統(tǒng)大多采用了三回電源，并配置了備自投功能，以保證特高壓直流輸電系統(tǒng)及其所連接的交流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

本文以±800 kV某換流站的交流站用電系統(tǒng)為例，介紹站用電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，站用電備自投的動作邏輯以及備自投邏輯存在的問題，為站用電系統(tǒng)可靠性提升提出建議。

1 站用電系統(tǒng)備自投邏輯

1.1 站用電系統(tǒng)

特高壓±800 kV某換流站站用電系統(tǒng)采用三回電源供電，其中第一、二回主用電源分別取自站內(nèi)的500 kV/35 kV站用變壓器511B和512B，第三回備用電源取自站外的110 kV麥換線。對應(yīng)10 kV 1號、2號、3號段分別接于相應(yīng)的35 kV 31B、35 kV 32B、110 kV 33B站用降壓變壓器，三段母線間設(shè)置131、132兩個(gè)母聯(lián)開關(guān)。同時(shí)，經(jīng)10 kV/400 V干式變壓器降壓為6套400 V配電系統(tǒng)供電，400 V兩段母線間均設(shè)置400 V母聯(lián)開關(guān)，主接線如圖1所示。

圖1 換流站站用電主接線

1.2 備自投邏輯

換流站站用電10 kV、400 V系統(tǒng)均雙重化配置備自投邏輯，分別在SPCA/SPCB控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。兩級備自投相互配合，最大限度的保證換流站內(nèi)交流站用電源的可靠供電[4]。

1.2.1 10 kV備自投邏輯

10 kV備自投功能程序邏輯包含電壓判斷邏輯、備自投動作邏輯，接線圖(程序設(shè)計(jì))如圖2所示。

圖2 換流站10 kV站用電接線

1)備自投電壓判斷邏輯

備自投電壓檢測判斷采用10 kV進(jìn)線開關(guān)的分合狀態(tài)、“工作/試驗(yàn)”位置及電壓的復(fù)合判據(jù)方式。①進(jìn)線開關(guān)(如圖2中B101.JX)在合位且開關(guān)手車在“工作”位置時(shí)，站用變低壓側(cè)電壓(即10 kV進(jìn)線電壓)或母線電壓三相最小值大于定值0.8 p.u.時(shí)判為電壓正常，否則判為失壓，以保證當(dāng)某一組測點(diǎn)回路異常導(dǎo)致電壓跌落不會引起備自投邏輯的誤動[5]。②進(jìn)線開關(guān)在分位或開關(guān)手車在“試驗(yàn)”位置時(shí)，程序僅判斷站用變低壓側(cè)電壓三相最小值，當(dāng)其值大于0.8 p.u.時(shí)判為電壓正常，否則判為失壓，以確保當(dāng)電源供電恢復(fù)時(shí)動作恢復(fù)正常工作方式；將進(jìn)線開關(guān)手車“工作/試驗(yàn)”位置作為判據(jù)輔助條件是為了防止進(jìn)線開關(guān)手車在“試驗(yàn)”狀態(tài)下引起備自投誤動作[6]。如當(dāng)母聯(lián)開關(guān)運(yùn)行且進(jìn)線開關(guān)合閘時(shí)，若不考慮“試驗(yàn)”位置，將因母線電壓正常誤判該回電源電壓正常，造成備自投誤動作、母聯(lián)開關(guān)分閘，導(dǎo)致母線失電，降低了站用電的可靠性。10 kV電壓判斷程序邏輯如圖3所示。

圖3 10 kV電壓判斷邏輯

2)備自投動作邏輯

根據(jù)10 kV 3段母線有壓或失壓的組合情況，共有8種不同的狀態(tài)。備自投邏輯則根據(jù)這8種不同的狀態(tài)分別完成對應(yīng)的動作，其動作邏輯真值見表1，表中“√”表示有壓，“×”表示失壓。

表1 10 kV動作邏輯真值

當(dāng)站用電主機(jī)程序監(jiān)測到10 kV三個(gè)工作段電壓發(fā)生變化(如失壓)時(shí)，會根據(jù)變化后的電壓情況，對五個(gè)備自投所涉及的開關(guān)(110/120/130/131/132)判斷當(dāng)前位置無條件發(fā)出斷開或者合上的指令。斷開與合上開關(guān)的指令時(shí)考慮指令執(zhí)行及一次機(jī)構(gòu)動作時(shí)間，分別設(shè)置不同的延時(shí)以確保不會發(fā)生合環(huán)(t10kV.分＝0.02 s，t10kV.合＝0.6 s)。另外，為避免暫態(tài)電壓異常引起備自投頻繁動作，失壓條件也增加延時(shí)環(huán)節(jié)(t失壓延時(shí)＝1 s)[7]。

1.2.2 400 V備自投邏輯

400 V備自投功能程序邏輯包含電壓判斷邏輯、備自投動作邏輯，接線圖(程序設(shè)計(jì))如圖4所示。

圖4 換流站400 V站用電接線

1)電壓判斷邏輯

備自投電壓判斷采用400 V進(jìn)線開關(guān)的分合狀態(tài)、開關(guān)“工作/試驗(yàn)”位置及電壓的復(fù)合判據(jù)方式。當(dāng)進(jìn)線開關(guān)處于合位時(shí)，程序需同時(shí)判斷站用變低壓側(cè)電壓或母線電壓，當(dāng)其三相電壓最小值大于0.8 p.u.時(shí)判為電壓正常，否則判為失壓[8]，以保證當(dāng)某一組測點(diǎn)回路異常導(dǎo)致電壓跌落不會引起備自投邏輯的誤動。當(dāng)進(jìn)線開關(guān)處于分位時(shí)，程序僅判斷站用變低壓側(cè)三相電壓最小值，當(dāng)其值大于0.8 p.u.時(shí)判為電壓正常，否則判為失壓，以確保當(dāng)電源供電恢復(fù)時(shí)動作恢復(fù)正常工作方式。400 V備自投電壓判斷邏輯也采取進(jìn)線開關(guān)手車“工作/試驗(yàn)”位置作為開關(guān)分合閘狀態(tài)的輔助條件，防止備自投誤動作[8]。電壓判斷邏輯如圖5所示。

圖5 400 V電壓判斷邏輯

2)備自投動作邏輯

根據(jù)兩段400 V母線有壓或失壓的組合情況，共有4種不同的狀態(tài)。備自投邏輯則根據(jù)這4種不同的狀態(tài)分別完成對應(yīng)的操作，其動作邏輯真值見表2，表中“√”表示有壓，“×”表示失壓。

表2 400 V動作邏輯真值

當(dāng)站用電主機(jī)程序監(jiān)測到400 V兩個(gè)工作段電壓發(fā)生變化時(shí)，會根據(jù)變化后的電壓情況，對三個(gè)備自投涉及的開關(guān)，判斷當(dāng)前位置無條件發(fā)出斷開或者合上的指令[8]。斷開與合上開關(guān)的指令考慮與10 kV備自投邏輯的配合關(guān)系設(shè)置延時(shí)，保證在10 kV備自投失效或退出后能夠正確動作，并考慮指令執(zhí)行及一次機(jī)構(gòu)動作時(shí)間，分別設(shè)置不同的延時(shí)以確保不會發(fā)生合環(huán) (t400V.分＝3 s，t400V.合＝4 s)。由于400 V備自投動作時(shí)間延時(shí)較長，不存在暫態(tài)異常引起的備自投頻繁動作，失壓條件不再增加延時(shí)環(huán)節(jié)。

2 站用電備自投可靠性提升

2.1 保護(hù)閉鎖備自投

進(jìn)線開關(guān)、母聯(lián)開關(guān)保護(hù)、站用變低壓側(cè)后備保護(hù)等反映母線故障的保護(hù)動作時(shí)，應(yīng)可靠閉鎖備自投動作，防止備自投合閘于故障母線，造成事故擴(kuò)大。變壓器差動保護(hù)、非電量保護(hù)等反映變壓器本體故障的保護(hù)，不應(yīng)閉鎖備自投，跳閘失電后備自投可以動作。

2.1.1 存在問題及分析

對于10 kV側(cè)，保護(hù)動作閉鎖的備自投功能由110 kV及35 kV站用變保護(hù)裝置的動作矩陣生成閉鎖低壓側(cè)備自投信號，通過硬接線的方式傳至SPC主機(jī)來實(shí)現(xiàn)閉鎖備自投。站用變低壓側(cè)后備復(fù)壓過流保護(hù)均會閉鎖該支路備自投，同時(shí)，母聯(lián)開關(guān)自身內(nèi)部保護(hù)(如過流保護(hù)而跳閘)時(shí)，均會導(dǎo)致該母聯(lián)開關(guān)閉鎖而閉鎖備自投。站用變非電量保護(hù)等反映變壓器本體故障的保護(hù)動作均不閉鎖備自投，不存在非電量保護(hù)動作閉鎖備自投的隱患。

對于400 V側(cè)，10 kV干式變壓器低壓側(cè)開關(guān)柜提供開關(guān)故障閉鎖備自投信號，送至站用電接口屏內(nèi)相關(guān)IO裝置后傳至SPC主機(jī)實(shí)現(xiàn)閉鎖備自投。若400 V進(jìn)線開關(guān)過流保護(hù)動作，其對應(yīng)的閉鎖信號將會閉鎖母聯(lián)開關(guān)。

分析發(fā)現(xiàn)，10 kV進(jìn)線開關(guān)保護(hù)并未設(shè)置閉鎖備自投的相關(guān)信號，即10 kV母線故障的10 kV進(jìn)線開關(guān)保護(hù)動作時(shí)，未設(shè)置閉鎖備自投功能邏輯及報(bào)警事件。若無其他聯(lián)鎖，此時(shí)進(jìn)線開關(guān)保護(hù)動作將合母聯(lián)開關(guān)，致正常母線故障，導(dǎo)致事故擴(kuò)大，存在嚴(yán)重隱患。

2.1.2 可靠性提升措施

10 kV進(jìn)線開關(guān)保護(hù)動作時(shí)，增加閉鎖備自投功能邏輯(圖6)，在后臺增加相應(yīng)報(bào)警事件，便于運(yùn)維人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

圖6 10 kV進(jìn)線開關(guān)軟件修改邏輯

2.2 備自投閉鎖方式

10 kV、400 V備自投宜采用按開關(guān)分別閉鎖的方式，應(yīng)具備完善的開關(guān)保護(hù)動作閉鎖相鄰開關(guān)功能。當(dāng)任一開關(guān)存在閉鎖備自投信號時(shí)，僅閉鎖相關(guān)開關(guān)備自投功能，保證其他開關(guān)備自投功能仍有效。

2.2.1 存在問題及分析

400 V備自投閉鎖為整體退出，即當(dāng)任一開關(guān)存在閉鎖備自投信號時(shí)，備自投功能全部退出。如圖7所示，400 V任意開關(guān)出現(xiàn)閉鎖信號后，均會導(dǎo)致400 V備自投功能整體退出，此時(shí)備自投相關(guān)分、合開關(guān)邏輯均無效。

圖7 400 V備自投閉鎖信號邏輯

以極Ⅰ高端閥組400 V為例(圖8)來說明400 V備自投閉鎖方式為整體退出時(shí)對站用電系統(tǒng)可靠性的影響。400 V母線P1.H1段和P1.H2段為極Ⅰ高端閥組交流配電室。正常情況下，400 V進(jìn)線開關(guān)411、412為合上位置，400 V母聯(lián)開關(guān)410為拉開位置。

圖8 極Ⅰ高端閥組400 V站用電接線

當(dāng)進(jìn)線411開關(guān)、母線410合閘運(yùn)行時(shí)，412分位；若411進(jìn)線開關(guān)故障跳閘并發(fā)出閉鎖備自投信號、極Ⅰ高端閥組400 V備自投功能整體退出時(shí)，進(jìn)線412開關(guān)復(fù)電，因備自投退出，無法自動合上。存在兩路400 V母線同時(shí)較長時(shí)間失電，導(dǎo)致閥水冷保護(hù)動作閉鎖閥組的風(fēng)險(xiǎn)。

通過上述分析可知，400 V備自投為整體退出的閉鎖方式降低了站用電系統(tǒng)可靠性的結(jié)論。

2.2.2 可靠性提升措施

將400 V備自投閉鎖改為按開關(guān)分別閉鎖的方式，即當(dāng)單一開關(guān)存在閉鎖備自投信號時(shí)，僅閉鎖相關(guān)開關(guān)備自投功能，保證其他開關(guān)備自投功能仍有效。

2.3 備自投電壓判斷邏輯

10 kV備自投失壓判據(jù)應(yīng)為:當(dāng)進(jìn)線開關(guān)合位時(shí)，進(jìn)線或母線線電壓三相最小值大于0.8 p.u.判定為進(jìn)線正常；當(dāng)進(jìn)線開關(guān)不在合位時(shí)，進(jìn)線線電壓三相最小值大于0.8 p.u.判定為進(jìn)線正常。

2.3.1 存在問題及分析

備自投檢測失壓邏輯采用進(jìn)線和母線電壓模擬量作為動作判據(jù)，備自投失壓判據(jù)為進(jìn)線或母線相電壓，如圖9所示。當(dāng)10 kV發(fā)生單相接地故障時(shí)，采用相電壓作為檢測失壓判據(jù)，備自投會出現(xiàn)誤動作，不滿足可靠性要求。

圖9 10 kV相電壓取量邏輯

2.3.2 可靠性提升措施

10 kV站用電為不接地系統(tǒng)，當(dāng)10 kV發(fā)生單相接地故障時(shí)，采用相電壓作為檢測失壓判據(jù)，備自投會出現(xiàn)誤動作[9]。單相接地故障時(shí)可滿足故障運(yùn)行2 h，此時(shí)備自投不應(yīng)動作，選取進(jìn)線和母線線電壓模擬量判據(jù)可以準(zhǔn)確檢測10 kV站用電失壓。進(jìn)線電壓恢復(fù)回切時(shí)，選取三相線電壓最小值作為備自投回切判據(jù)，提高進(jìn)線電壓正常判據(jù)的準(zhǔn)確性[10]，提高10 kV備自投可靠性。

10 kV備自投的電壓采樣方式由目前的“偽線電壓”值:

通過軟件修改為線電壓值:

3 結(jié)語

站用電系統(tǒng)備自投功能對換流站直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有著非常重要的作用，本文介紹了±800 kV某換流站的站用電系統(tǒng)組成和備自投功能邏輯，通過備自投邏輯、判據(jù)等分析，發(fā)現(xiàn)其嚴(yán)重隱患，提出改進(jìn)建議，為換流站站用電備自投邏輯優(yōu)化提供借鑒，對特高壓換流站站用電系統(tǒng)的可靠性提升有著重要意義。