電力自恢復(fù)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

鄭 睿，陳亞琳

(南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，江蘇 南京 211100)

0 引言

為提高供電可靠性，變電站常配置備用電源自動投入裝置(備自投裝置)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致母線失電后，備自投裝置跳閘并確認(rèn)隔離故障，通過快速投入備用電源恢復(fù)站內(nèi)母線供電[1-4]。

多路電源之間常串供多個變電站，此種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對于串供網(wǎng)絡(luò)中閉環(huán)運行的變電站來說，由于無開環(huán)點開關(guān)，常規(guī)備自投不會充電無法使用，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障后，串供電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中閉環(huán)運行的變電站會失電，只有開環(huán)運行的變電站由于存在開環(huán)點開關(guān)，可以使用常規(guī)備自投恢復(fù)供電[5-8]。

國內(nèi)外學(xué)者對串供型電網(wǎng)中變電站失電后快速恢復(fù)供電技術(shù)的研究較少，目前研究主要集中在使用調(diào)度主站恢復(fù)串供型電網(wǎng)供電，調(diào)度主站通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)接收區(qū)域電網(wǎng)的全景信息，包含各站母線電壓、電流、開關(guān)位置等，系統(tǒng)發(fā)生故障后，根據(jù)全景信息確定故障位置，跳合閘相應(yīng)開關(guān)恢復(fù)供電，此種通過調(diào)度主站恢復(fù)電網(wǎng)供電的方式由于通信網(wǎng)絡(luò)中信號傳輸存在延遲，容易發(fā)生通信堵塞，導(dǎo)致調(diào)度主站無法實時恢復(fù)系統(tǒng)供電。

針對上述情況，利用電力自恢復(fù)主站和子站間的實時信息交互，設(shè)計出一種可適用于多個變電站串供連接主接線形式的電力自恢復(fù)系統(tǒng)，實現(xiàn)發(fā)生故障后，串供電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中各變電站的快速恢復(fù)供電，極大提高系統(tǒng)供電的可靠性，對其他電網(wǎng)結(jié)構(gòu)自動恢復(fù)供電技術(shù)研究具有良好的借鑒意義。

1 多變電站串供型電網(wǎng)主接線

多變電站串供型電網(wǎng)主接線如圖1所示，兩側(cè)為電源變電站，中間串供A站、B站和C站(可以擴(kuò)展)，并通過光纖通道連接。正常運行時，串供的變電站中某站開環(huán)運行，其他變電站閉環(huán)運行，如圖1中B站開環(huán)運行，A站和C站閉環(huán)運行(常規(guī)備自投無法使用)。當(dāng)電源站1故障或者電源站1和A站之間的串供線路故障時，導(dǎo)致A站失電；當(dāng)電源站2故障或者電源站2和C站之間的串供線路故障時，都會導(dǎo)致C站和B站失電。

圖1 多變電站串供型電網(wǎng)典型主接線

2 電力自恢復(fù)系統(tǒng)總體架構(gòu)

電力自恢復(fù)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示，主要包括電力自恢復(fù)主站和電力自恢復(fù)子站，按照一個主站+多個子站的方式設(shè)置，每個串供變電站各設(shè)置一臺電力自恢復(fù)子站，電力自恢復(fù)主站可以設(shè)置在任一串供變電站或其他變電站。

圖2 電力自恢復(fù)系統(tǒng)總體架構(gòu)

電力自恢復(fù)系統(tǒng)分為區(qū)域控制層和變電站站域?qū)印^(qū)域控制層中的電力自恢復(fù)主站通過區(qū)域信息共享平臺獲取區(qū)域電網(wǎng)的全景信息，電力自恢復(fù)系統(tǒng)控制策略根據(jù)獲取到的全景信息進(jìn)行綜合邏輯判斷，確定故障定位，下發(fā)GOOSE跳合閘命令至區(qū)域信息共享平臺。變電站站域?qū)又械碾娏ψ曰謴?fù)子站采集站內(nèi)的母線電壓、線路電流和開關(guān)位置等信息，并將其轉(zhuǎn)換為GOOSE狀態(tài)開關(guān)量后上送至區(qū)域信息共享平臺，同時從區(qū)域信息共享平臺接收電力自恢復(fù)主站下發(fā)的GOOSE跳合閘命令，轉(zhuǎn)換為常規(guī)接點執(zhí)行跳合閘操作。

電力自恢復(fù)主站實現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)的電力自恢復(fù)功能；電力自恢復(fù)子站實現(xiàn)變電站內(nèi)的備自投功能，同時配合主站實現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)的電力自恢復(fù)功能。

3 電力自恢復(fù)系統(tǒng)通信架構(gòu)

電力自恢復(fù)系統(tǒng)通信架構(gòu)如圖3所示。主站和子站的通信設(shè)備通過光纖連接形成區(qū)域信息共享平臺，以實現(xiàn)信息的實時交互。平臺內(nèi)部傳輸GOOSE開關(guān)量信息，且雙向傳輸，任一處光纖斷鏈都不影響信息交互，增強(qiáng)了通信的可靠性。同時，主站和子站通過以太網(wǎng)接入站內(nèi)站控層通信網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)視各電力自恢復(fù)裝置運行狀態(tài)。

圖3 電力自恢復(fù)系統(tǒng)通信架構(gòu)

4 電力自恢復(fù)系統(tǒng)原理和控制策略

4.1 電力自恢復(fù)系統(tǒng)原理

電力自恢復(fù)主站根據(jù)區(qū)域信息共享平臺實時獲取區(qū)域電網(wǎng)的全景信息進(jìn)行綜合邏輯判斷。

(1) 確定故障定位。根據(jù)獲取的全景信息確定是源端故障、線路故障還是母線故障。

(2) 隔離故障。根據(jù)步驟(1)確定的故障元件，電力自恢復(fù)主站發(fā)送靠近開環(huán)點側(cè)開關(guān)的跳閘命令至區(qū)域信息共享平臺，電力自恢復(fù)子站從區(qū)域信息共享平臺接收GOOSE跳閘命令后執(zhí)行跳閘，隔離故障。

(3) 恢復(fù)供電。執(zhí)行步驟(2)隔離故障后，電力自恢復(fù)主站發(fā)送開環(huán)點開關(guān)合閘命令至區(qū)域信息共享平臺，電力自恢復(fù)子站從區(qū)域信息共享平臺接收GOOSE合閘命令后執(zhí)行合閘，合上開環(huán)點開關(guān)，恢復(fù)失電變電站供電。

4.2 電力自恢復(fù)系統(tǒng)控制策略

4.2.1 充電條件

(1) 串供電網(wǎng)中變電站母線均有壓。

(2) 串供電網(wǎng)中有且只有一個開環(huán)點開關(guān)。

4.2.2 放電條件

(1) 退出電力自恢復(fù)系統(tǒng)。

(2) 串供電網(wǎng)無開環(huán)點。

(3) 串供電網(wǎng)中任一開關(guān)位置異常。

(4) 開關(guān)拒跳。

(5) 手跳串供電網(wǎng)中任一開關(guān)。

(6) 開環(huán)點為分段開關(guān)時，開環(huán)點所在站母線保護(hù)動作。

(7) 開環(huán)點為線路開關(guān)時，開環(huán)點相鄰的兩個變電站母線保護(hù)動作或開環(huán)線路的線路保護(hù)動作。

滿足充電條件且不滿足任一放電條件經(jīng)延時電力自恢復(fù)系統(tǒng)充電完成。

4.2.3 啟動條件

電力自恢復(fù)系統(tǒng)充電完成后，滿足以下任一條件電力自恢復(fù)系統(tǒng)啟動。

(1) 串供電網(wǎng)中任一開關(guān)由合位或有流變?yōu)榉治磺覠o流。

(2) 串供電網(wǎng)源端變電站母線無壓且線路無流（上級電網(wǎng)故障）。

4.2.4 動作邏輯

(1) 如果串供電網(wǎng)中某一開關(guān)跳開，根據(jù)故障定位邏輯確定的故障元件進(jìn)行后續(xù)邏輯。

① 如果線路故障，電力自恢復(fù)系統(tǒng)經(jīng)延時跳開該線路靠近開環(huán)點側(cè)開關(guān)。

② 如果母線故障，電力自恢復(fù)系統(tǒng)經(jīng)延時跳開此站靠近開環(huán)點側(cè)相鄰變電站的進(jìn)線開關(guān)。電力自恢復(fù)系統(tǒng)確認(rèn)跳閘的開關(guān)跳開且中間串供的變電站無壓后，經(jīng)延時合上開環(huán)點開關(guān)恢復(fù)中間串供變電站供電。

(2) 如果上級電網(wǎng)故障，電力自恢復(fù)系統(tǒng)跳開源端串供變電站進(jìn)線開關(guān)，確認(rèn)跳開且中間串供的變電站無壓后，經(jīng)延時合上開環(huán)點開關(guān)恢復(fù)中間串供變電站供電。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

電力自恢復(fù)系統(tǒng)已在國內(nèi)某110 kV電網(wǎng)應(yīng)用并投運。圖4為現(xiàn)場應(yīng)用主接線，110 kV饋線XG線和SS線串供了三個變電站，分別是葛A站、云B站和長C站，正常運行時葛A站3DL開關(guān)在分位，其他開關(guān)在合位。葛A站、云B站和長C站各配置一臺電力自恢復(fù)子站裝置，云B站配置一臺電力自恢復(fù)主站裝置，電力自恢復(fù)主站裝置的跳閘時間定值為2 s，合閘時間定值為0.1 s。

圖4 現(xiàn)場應(yīng)用主接線

5.1 云B站YS線故障

現(xiàn)場試驗?zāi)M云B站YS線故障，葛A站Ⅰ母和云B站失壓，電力自恢復(fù)系統(tǒng)2 020 ms時刻發(fā)令跳云B站YS線6DL開關(guān)，2 060 ms時刻6DL開關(guān)跳開后，2 170 ms時刻電力自恢復(fù)系統(tǒng)發(fā)令合葛A站3DL開關(guān)，3DL開關(guān)合上后，葛A站Ⅰ母和云B站恢復(fù)供電。系統(tǒng)動作波形如圖5所示。

圖5 云B站YS線故障電力自恢復(fù)系統(tǒng)動作波形

5.2 長C站SS線故障

現(xiàn)場試驗?zāi)M長C站SS線故障，葛A站Ⅰ母、長C站和云B站失壓，電力自恢復(fù)系統(tǒng)2 030 ms時刻發(fā)令跳長C站SS線7DL開關(guān)，2 070 ms時刻7DL跳開后，2 180 ms時刻電力自恢復(fù)系統(tǒng)發(fā)令合葛A站3DL開關(guān)，3DL開關(guān)合上后，葛A站Ⅰ母、長C站和云B站恢復(fù)供電。系統(tǒng)動作波形如圖6所示。

圖6 長C站SS線故障電力自恢復(fù)系統(tǒng)動作波形

現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，電力自恢復(fù)系統(tǒng)能夠有效實現(xiàn)串供型區(qū)域電網(wǎng)發(fā)生故障后的快速恢復(fù)供電，電網(wǎng)運行的可靠性得到提升。

6 后續(xù)研究

電力自恢復(fù)系統(tǒng)利用的是主站和子站間的實時信息交互和協(xié)調(diào)配合，可實現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)生故障后串供電網(wǎng)中各變電站的快速恢復(fù)供電，在實際應(yīng)用中也面臨一些問題需進(jìn)一步研究。

(1) 當(dāng)發(fā)生通信故障導(dǎo)致主站和子站無法實時通信時，如何實現(xiàn)變電站的快速恢復(fù)供電。

(2) 多個變電站之間如果不是串供連接，如何實現(xiàn)多個變電站的快速恢復(fù)供電。

7 結(jié)束語

結(jié)合某區(qū)域電網(wǎng)，研究提出了適用于串供型區(qū)域電網(wǎng)的電力自恢復(fù)系統(tǒng)，通過電力自恢復(fù)主站和電力自恢復(fù)子站之間的協(xié)調(diào)配合，能夠有效實現(xiàn)串供型區(qū)域電網(wǎng)發(fā)生故障后各變電站的快速恢復(fù)供電。通過某區(qū)域電網(wǎng)中應(yīng)用，驗證了該系統(tǒng)對串供型電網(wǎng)恢復(fù)供電的有效性，對其他結(jié)構(gòu)電網(wǎng)自動恢復(fù)供電技術(shù)的研究具有一定的借鑒價值。