影響B(tài)ZT裝置正確動(dòng)作的原因分析及自適應(yīng)改進(jìn)措施

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(新疆電力調(diào)度控制中心，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引 言

備用電源自動(dòng)投入裝置(簡(jiǎn)稱(chēng)備自投或BZT)是電力系統(tǒng)中為了提高供電可靠性而裝設(shè)的自動(dòng)裝置[1]。目前，中國(guó)110 kV及以下電壓等級(jí)電網(wǎng)多為開(kāi)環(huán)運(yùn)行[2-4]。對(duì)處于電網(wǎng)終端的變電站，為了提高供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性，其進(jìn)線多為兩路——互為備用或一備一用。近年來(lái)，隨著能源需求和新能源技術(shù)的發(fā)展，以風(fēng)電、光電為代表的分布式電源(distributed generation，簡(jiǎn)稱(chēng)DG)接入電網(wǎng)以及系統(tǒng)接線和運(yùn)行方式等因素的影響，BZT常常不能正確動(dòng)作[5-10]。

首先介紹了BZT裝置基本工作原理及其分類(lèi)；其次分析了影響B(tài)ZT裝置正確動(dòng)作的主要因素——分布式電源的接入與安自裝置功能沖突以及備投后主變壓器過(guò)負(fù)荷等。最后，針對(duì)DG接入問(wèn)題提出了主供電源跳開(kāi)時(shí)聯(lián)切DG的方案、針對(duì)安自裝置與BZT功能沖突問(wèn)題提出了電壓不平衡啟動(dòng)判據(jù)、針對(duì)主變壓器過(guò)負(fù)荷問(wèn)題提出了基于功率負(fù)荷的自適應(yīng)BZT方案，得出一些有益結(jié)論。

1 備自投裝置的原理及分類(lèi)

備自投裝置是一種當(dāng)工作電源因故障斷開(kāi)后，能自動(dòng)且迅速地將備用電源投入到工作，保證對(duì)用戶(hù)不間斷供電的一種自動(dòng)裝置。BZT采用交流不間斷采樣方式采集信號(hào)并實(shí)時(shí)進(jìn)行傅里葉法變換，進(jìn)而準(zhǔn)確判斷電源狀態(tài)，并經(jīng)一定延時(shí)來(lái)切換電源進(jìn)線。

目前，中國(guó)電網(wǎng)中BZT常用方式主要有進(jìn)線BZT方式和母聯(lián)分段BZT方式以及主變壓器BZT方式，且均以微機(jī)型BZT為主，以圖1為例來(lái)說(shuō)明。

圖1 典型備自投接線方式

1)進(jìn)線BZT方式

進(jìn)線BZT方式中，圖1中DL2、DL8斷開(kāi)，其他斷路器合上。正常運(yùn)行方式下，進(jìn)線1處于工作狀態(tài)，進(jìn)線2備用。當(dāng)BZT檢測(cè)到變電站110 kVⅠ母失壓且主供開(kāi)關(guān)DL1無(wú)電流，在整定時(shí)間內(nèi)，主供電源進(jìn)線對(duì)側(cè)重合閘重合不成功。此時(shí)，若進(jìn)線2有壓，則備自投裝置啟動(dòng)，迅速跳開(kāi)DL1，合上DL2。

2)母聯(lián)分段BZT方式

母聯(lián)分段BZT方式下一般無(wú)備用進(jìn)線2。圖1中，DL8斷開(kāi)，其他斷路器合上。即正常工作時(shí)2臺(tái)變壓器各母線均投入，分段斷路器斷開(kāi)，10 kV的兩段母線互為備用。當(dāng)10 kV母線的某一進(jìn)線電源因故障斷開(kāi)后且重合不成功，則BZT啟動(dòng)，跳開(kāi)故障線路且DL8自動(dòng)投入。

3)主變壓器BZT方式

主變壓器備自投方式下T1工作，T2備用。DL1、DL3、DL4、DL6、DL8合上，其他斷路器斷開(kāi)。當(dāng)變壓器T1發(fā)生故障，10 kVⅠ母失壓，則BZT啟動(dòng)，跳開(kāi)DL4、DL6，合上DL5、DL7。

2 影響備自投正確動(dòng)作的主要因素

2.1 DG接入對(duì)BZT的影響

如圖2所示，以110 kV終端變電站為例，進(jìn)線L1運(yùn)行，L2備用，即DL1、DL3、DL4、DL6、DL8、DL9在合位，DL2在分位。DG從110 kV母線側(cè)接入變電站，以下分兩種情況討論，當(dāng)變電站主供電源線路故障時(shí)DG對(duì)BZT的影響。

(1)DL1對(duì)側(cè)開(kāi)關(guān)無(wú)重合閘功能

當(dāng)電源進(jìn)線L1發(fā)生故障，DL1對(duì)端保護(hù)動(dòng)作跳閘且不重合，在沒(méi)有DG情況下，此時(shí)110 kVⅠ母失壓，備自投滿足啟動(dòng)條件，迅速啟動(dòng)跳開(kāi)DL1，合上DL2，恢復(fù)對(duì)負(fù)荷供電。但當(dāng)DG接入時(shí)，在電源進(jìn)線消失后，DG繼續(xù)與電網(wǎng)連在一起對(duì)負(fù)荷送電，將形成一個(gè)單獨(dú)供電的短時(shí)孤島。導(dǎo)致110 kVⅠ母、Ⅱ母上仍有電壓且高于備自投檢無(wú)壓定值(一般為0.3Ue)，備自投不啟動(dòng)。

圖2 含DG的變電站接線圖

(2)DL1對(duì)側(cè)開(kāi)關(guān)有重合閘功能

當(dāng)DG未接入時(shí)，進(jìn)線L1發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)，DL1對(duì)側(cè)跳開(kāi)后，經(jīng)一段時(shí)間延時(shí)重合閘檢無(wú)壓重合，恢復(fù)供電，備自投不投運(yùn)。若進(jìn)線發(fā)生永久性故障，DL1跳開(kāi)后重合不成功，此時(shí)備自投檢無(wú)壓?jiǎn)?dòng)，跳開(kāi)DL1，合上DL2。在這個(gè)過(guò)程中，備自投時(shí)間整定必須躲過(guò)重合閘動(dòng)作時(shí)間。當(dāng)DG接入時(shí)，瞬時(shí)性和永久性故障下，備自投檢無(wú)壓均失效，從而不啟動(dòng)，即備用電源無(wú)法可靠供電。

2.2 BZT與安自裝置的功能沖突的影響

電網(wǎng)中安自裝置主要有低頻、低壓解列裝置、振蕩(失步)解列裝置、切負(fù)荷裝置、自動(dòng)低頻、低壓減負(fù)荷裝置、大小電流聯(lián)切裝置等。當(dāng)系統(tǒng)中頻率或電壓低于電網(wǎng)下限時(shí)，即系統(tǒng)有功或無(wú)功不足時(shí)，其將可靠切除部分負(fù)荷，使系統(tǒng)頻率或電壓恢復(fù)穩(wěn)定。為了保證電網(wǎng)的穩(wěn)定，中國(guó)220 kV變電站內(nèi)開(kāi)始大量安裝安自裝置，其對(duì)110 kV線路BZT的投退將產(chǎn)生影響。

如圖3，220 kV站Ⅰ安裝有低周減載裝置，同時(shí)A站內(nèi)安裝有進(jìn)線BZT裝置。當(dāng)系統(tǒng)有功不足時(shí)，要求220 kV站Ⅰ處低周減載裝置動(dòng)作以切除負(fù)荷線路1，此時(shí)A站處BZT裝置檢測(cè)到母線無(wú)壓且主供開(kāi)關(guān)無(wú)電流，滿足啟動(dòng)條件，BZT裝置將會(huì)誤動(dòng)，即BZT與低周減載裝置之間發(fā)生了功能沖突。在實(shí)際運(yùn)行中，BZT裝置應(yīng)能區(qū)分線路是因故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)，還是因安自裝置動(dòng)作跳開(kāi)。

2.3 過(guò)負(fù)荷對(duì)BZT裝置的影響

如圖4所示為典型的兩線路主變壓器組運(yùn)行方式，配置主變壓器BZT或分段BZT。若系統(tǒng)中兩臺(tái)主變壓器容量大小不同或單臺(tái)主變壓器容量小于全站負(fù)荷，此時(shí)，其中1臺(tái)主變壓器發(fā)生故障時(shí)，BZT的動(dòng)作將全部負(fù)荷切換到另1臺(tái)主變壓器上，易造成單臺(tái)主變壓器過(guò)負(fù)荷。同時(shí)，此時(shí)若閉鎖BZT會(huì)產(chǎn)生甩掉一半負(fù)荷的問(wèn)題。

圖3 典型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 兩線路主變壓器組接線圖

1)分段BZT過(guò)負(fù)荷問(wèn)題

如圖4(a)所示，當(dāng)主變壓器1(或2)斷電時(shí)，BZT投入跳開(kāi)1DL(或2DL)，主變壓器2(或1)將承擔(dān)2臺(tái)主變壓器的負(fù)荷，將出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷問(wèn)題，過(guò)負(fù)荷保護(hù)裝置可能會(huì)動(dòng)作，造成全站失電。若此時(shí)，BZT閉鎖則將甩掉一半負(fù)荷。

2)進(jìn)線BZT過(guò)負(fù)荷問(wèn)題

如圖4(b)所示，若故障前由進(jìn)線1帶全站負(fù)荷，且進(jìn)線1出自1臺(tái)大容量變壓器。當(dāng)進(jìn)線1失電時(shí)，BZT將跳開(kāi)1DL投入2DL，若線路2出自1臺(tái)小容量變壓器，則將出現(xiàn)小容量主變壓器過(guò)負(fù)荷。此時(shí)，若閉鎖BZT則會(huì)產(chǎn)生全站失電問(wèn)題。

3 備自投自適應(yīng)運(yùn)行方式邏輯策略

3.1 適應(yīng)DG接入的備自投邏輯改進(jìn)

當(dāng)電源進(jìn)線故障時(shí)，為快速可靠地切除DG，選取以下兩種解決方案。

1)主供電源進(jìn)線安裝光纖縱差保護(hù)。當(dāng)主供電源進(jìn)線發(fā)生故障時(shí)，線路兩側(cè)保護(hù)跳閘的同時(shí)，聯(lián)跳DG，BZT檢無(wú)壓?jiǎn)?dòng)，這樣可以縮短BZT的投入時(shí)間。

2)在進(jìn)線斷路器(即圖2中DL1)處加裝具有檢電壓、電流以及功率方向等功能的裝置。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，DL1的功率流向?yàn)榫€路到母線。當(dāng)主供電源故障時(shí)，DG將向故障點(diǎn)提供一定短路電流，DL1上功率流向?qū)l(fā)生變化。當(dāng)主供電源線路因斷線等其他原因使DL1對(duì)側(cè)開(kāi)關(guān)跳開(kāi)，DL1上有電壓但無(wú)電流。所以，若DL1處功率流向發(fā)生變化或110 kV母線有壓但DL1上無(wú)電流，則迅速跳開(kāi)DL1，同時(shí)聯(lián)切DG。

上述兩種方法的思路都是故障時(shí)聯(lián)跳DG，具體實(shí)現(xiàn)方法如下。

為確定DG在DL2閉合前已經(jīng)切除。這里是基于南瑞繼保RCS-9653BZT中的動(dòng)作邏輯來(lái)改進(jìn)。

圖5 基于RCS-9653的部分邏輯改進(jìn)

邏輯框圖如圖5所示，在BZT出口動(dòng)作與門(mén)處加一輸入條件——DG出口斷路器DL9跳位。在此條件下，經(jīng)延時(shí)繼電器一定時(shí)間延時(shí)后為DL2。若故障清除，母線電壓恢復(fù)，DL9經(jīng)檢同期合閘。

3.2 適應(yīng)安自裝置的備自投邏輯改進(jìn)

當(dāng)進(jìn)線兩端變電站同時(shí)裝有安自裝置和BZT時(shí)，若線路因低周減載跳開(kāi)，則BZT應(yīng)該閉鎖，保證負(fù)荷可靠切除。

通過(guò)比較變電站母線電壓數(shù)值大小的對(duì)稱(chēng)性，來(lái)區(qū)分線路切除是因?yàn)楸旧砉收线€是因?yàn)榘沧匝b置動(dòng)作。

具體實(shí)現(xiàn)方法如下。

令則uφmax=max(|Ua|,|Ub|,|Uc|)則

uφmin=min(|Ua|,|Ub|,|Uc|)

(1)

uφφmax=max(|Uab|,|Ubc|,|Uca|)

(2)

uφφmin=min(|Uab|,|Ubc|,|Uca|)

(3)

k1=uφmin/uφmax,k2=uφφmin/uφφmax

(4)

BZT是否投入的判據(jù)如下：若k1

圖6 BZT電壓不平衡啟動(dòng)判據(jù)邏輯

3.3 適應(yīng)負(fù)荷情況的備自投邏輯改進(jìn)

當(dāng)主供電源進(jìn)線因故障而跳開(kāi)時(shí)，BZT將工作母線接于備用電源上，此時(shí)可能出現(xiàn)負(fù)荷超出備用電源容量的情況，備用電源或設(shè)備可能會(huì)因過(guò)負(fù)荷而使繼電保護(hù)裝置動(dòng)作，進(jìn)而擴(kuò)大停電范圍。這與使用BZT的初衷相違背。針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種基于功率負(fù)荷自適應(yīng)的BZT方案。

圖7所示為基于功率負(fù)荷自適應(yīng)的BZT方案流程。

圖7 基于功率負(fù)荷的自適應(yīng)BZT方案

2臺(tái)主變壓器的負(fù)荷功率及遙測(cè)信息通過(guò)變電站二次側(cè)采樣接口來(lái)采集并轉(zhuǎn)換成一次側(cè)有功功率(P1、P2)及無(wú)功功率(Q1、Q2)。

故總視載功率為

(5)

為使BZT動(dòng)作后，主變壓器在規(guī)定負(fù)荷容量?jī)?nèi)運(yùn)行。需要根據(jù)BZT投入前的負(fù)荷分布情況，選擇性地切除部分負(fù)荷，直到主變壓器容量不過(guò)載。

若減載次數(shù)為n次，則各出線的負(fù)荷功率按n輪減載順序逐次減負(fù)荷，直到滿足要求。

第一輪減載后，系統(tǒng)所?？傌?fù)荷為

Pt1=P1+P2-Pj1

(6)

Qt1=Q1+Q2-Qj1

(7)

(8)

第n輪減載后，系統(tǒng)所剩總負(fù)荷為

Ptn=P1+P2-(Pj1+Pj2+…Pjn)

(9)

Qtn=Q1+Q2-(Qj1+Qj2+…Qjn)

(10)

其中,第n輪需要減去的有功、無(wú)功如下。

(11)

其中，lx和m分別為被減載線路間隔、每次減載所選低壓出線間隔數(shù)。

已知備用主變壓器容量為S1，分別將每一輪負(fù)荷減載后的總視載功率與主變壓器容量分別作比較。

BZT投入運(yùn)行的邏輯條件如下。

1)若總負(fù)荷S

2)若總負(fù)荷且S>S1且St(n-1)>S1,Stn

4 結(jié)論與展望

分析研究了DG接入、安自裝置與BZT功能沖突、過(guò)負(fù)荷等多種情況下BZT裝置的不足之處。針對(duì)DG接入問(wèn)題提出了主供電源跳開(kāi)時(shí)聯(lián)切DG的方案，針對(duì)安自裝置與BZT功能沖突問(wèn)題提出了電壓不平衡啟動(dòng)判據(jù)，針對(duì)主變壓器過(guò)負(fù)荷問(wèn)題提出了基于功率負(fù)荷的自適應(yīng)BZT方案。上述方案提高了BZT裝置的可靠性，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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