不同變電站高漏抗式消弧線圈并列運行的研究

劉味果，吳水峰，袁培，由凱

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007)

不同變電站高漏抗式消弧線圈并列運行的研究

劉味果，吳水峰，袁培，由凱

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007)

文章首先闡述了消弧線圈站站并列存在的技術(shù)問題，然后通過理論計算和軟件仿真對站站并列問題進行了分析，并提出了基于過程分析的高漏抗式消弧線圈解決站站并列的技術(shù)方案，并通過試驗室的試驗驗證了該方案的可行性。

高漏抗式消弧線圈；環(huán)網(wǎng)供電；諧振接地；并列運行

隨著城市供電網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，以及對供電可靠性要求的提高，原來的T型輻射式配電網(wǎng)絡(luò)越來越不適應(yīng)電網(wǎng)的發(fā)展，近年來大力發(fā)展了城市電網(wǎng)手拉手的環(huán)網(wǎng)供電方式〔1，2〕。環(huán)網(wǎng)供電方式的增加，在某些情況下 (如檢修、負(fù)荷轉(zhuǎn)移等)會導(dǎo)致出現(xiàn)不同變電站的消弧裝置并列運行。配電網(wǎng)發(fā)生單相接地時，無論是采用單臺消弧線圈補償還是多臺消弧線圈分散補償，對于補償流過接地點的電容電流效果是一樣的〔3，4〕。而實現(xiàn)消弧線圈站站并列運行的控制裝置應(yīng)具有以下2個功能:首先，裝置應(yīng)具備辨識不同變電站的消弧線圈是否處于并列運行狀態(tài)的功能；其次，在確定消弧線圈站站并列運行后，裝置應(yīng)具備協(xié)調(diào)消弧線圈測量系統(tǒng)電容電流的功能，并能自動分配補償容量〔5〕。

站站并列的第1項關(guān)鍵技術(shù)在于辨識消弧線圈是否處于并列運行狀態(tài)，同一個變電站內(nèi)的 “辨識”可以通過采集母聯(lián)開關(guān)的輔助節(jié)點即可識別該變電站內(nèi)的消弧線圈是否并列。而不同變電站的母線并列往往是通過站間聯(lián)絡(luò)線連接，有時可能是通過變電站之間的開關(guān)站連接，此時 “并列辨識”可以通過調(diào)度控制法或載波通信法來實現(xiàn)，或者消弧線圈控制裝置具有過程分析功能，自動辨識消弧線圈并列運行的狀態(tài)。

站站并列的第2項關(guān)鍵技術(shù)在于協(xié)調(diào)測量系統(tǒng)電容電流，不同站的消弧線圈并列后，對任意1臺消弧線圈來說，其測量時零序回路中不僅包括系統(tǒng)對地電容，還包括另1個變電站消弧線圈本體參數(shù)，因而消弧線圈之間應(yīng)具有通信功能以獲得對方的型號參數(shù)，另外2臺消弧線圈需具備良好的協(xié)調(diào)控制功能，以避免相互測量影響。

文中以高漏抗式消弧線圈為例〔6〕，提出了基于過程分析的消弧線圈站站并列技術(shù)，并通過試驗室的試驗驗證了該技術(shù)方案的可行性。

1 基于過程分析的站站并列辨識及實現(xiàn)

1.1 過程分析辨識方法

高漏抗式消弧線圈測量配電網(wǎng)系統(tǒng)電容電流通常采用位移電壓法，即在系統(tǒng)正常運行時改變晶閘管觸發(fā)角調(diào)節(jié)消弧線圈電感，計算調(diào)節(jié)前后消弧線圈的電壓電流變化得到系統(tǒng)對地容抗。假定消弧線圈調(diào)節(jié)的前后其電壓、電流分別為U1，I1和U2，I2，由于消弧線圈的電感調(diào)節(jié)時間很短，可以認(rèn)為調(diào)節(jié)前后系統(tǒng)是不變的，則系統(tǒng)三相對地容抗Xc為

為了研究高漏抗式消弧線圈測量配電網(wǎng)系統(tǒng)電容電流時零序電壓波形特征，用PSCAD仿真工具對電容電流測量過程進行了仿真分析。圖1是仿真位移電壓法測量時，調(diào)節(jié)消弧線圈電感引起零序電壓變化的典型波形圖。仿真試驗中，在0.5 s時改變晶閘管觸發(fā)角，引起零序電壓上升，電壓上升并經(jīng)過短時振蕩后波形趨于穩(wěn)定。在1.0 s時停止觸發(fā)晶閘管，電容電流測量時間為500 ms，隨之零序電壓振蕩衰減恢復(fù)至測量前電壓。圖2是根據(jù)圖1零序電壓波形計算得到的零序電壓有效值，該圖中有效值曲線更為清晰地說明了測量電容電流時電壓從U1到U2的變化過程。由于高漏抗式消弧線圈具備快速動態(tài)調(diào)節(jié)的特性，因而可以通過控制器任意改變電壓幅值和測量跟蹤時間，這一特征是實現(xiàn)消弧線圈站站并列的技術(shù)基礎(chǔ)。

圖1 零序電壓 (測量電容電流時)

圖2 零序電壓有效值 (測量電容電流時)

通過監(jiān)測零序電壓并識別其它消弧線圈測量時引起零序電壓的變化，從而有效地解決消弧線圈站站并列問題，按照上述設(shè)想文中提出了基于過程分析的消弧線圈站站并列技術(shù)。

為說明過程分析方法，給出了下面2個定義:

跟蹤時間Tg:消弧線圈觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通到停止觸發(fā)的時間間隔；

跟蹤電壓Ug:消弧線圈調(diào)節(jié)電感后引起零序電壓升高的有效值，計算跟蹤時間內(nèi)的電壓平均值獲得。

跟蹤電壓和跟蹤時間是消弧線圈測量系統(tǒng)電容電流時，零序電壓變化過程中最基本的2個參數(shù)。消弧線圈控制器采用定時測量系統(tǒng)電容電流的方法并實時監(jiān)測零序電壓的變化，當(dāng)本身未測量電容電流時而零序電壓出現(xiàn)波動，并符合特定規(guī)律的跟蹤電壓和跟蹤時間，則可以判斷此時零序電壓變化是由配電網(wǎng)中其它并列的消弧線圈測量電容電流引起的，因此該過程分析方法能夠辨識消弧線圈狀態(tài)。不同容量的消弧線圈設(shè)定不同的跟蹤時間，如表1所示。通過監(jiān)測零序電壓的跟蹤時間可以方便獲得與之并列的消弧線圈容量參數(shù)，由于相同容量消弧線圈其內(nèi)部參數(shù)是一樣的，通過識別容量即能獲得并列的消弧線圈基本參數(shù)。因而，可以基于識別跟蹤時間，以一種簡單的方式實現(xiàn)消弧線圈型號參數(shù)信息的相互通信。

表1 跟蹤時間設(shè)定表

1.2 系統(tǒng)電容電流的協(xié)調(diào)測量

上一節(jié)介紹了基于過程分析的消弧線圈站站并列辨識方法，通過分析并列的消弧線圈測量電容電流引起的零序電壓變化來進行并列狀態(tài)識別，在并列的2臺消弧線圈都識別出并列狀態(tài)后，都采用一致的定時間隔測量系統(tǒng)電容電流，即保證任何時間只有其中1臺消弧線圈在測量電容電流。定時間隔測量電容電流方式有2個作用:1)避免2臺消弧線圈同時測量電容電流的相互干擾；2)作為2臺消弧線圈并列狀態(tài)解除的判據(jù)，即一旦在一定時間隔內(nèi)沒有監(jiān)測到并列的消弧線圈跟蹤電壓變化，則判斷并列狀態(tài)解除。

在2臺消弧線圈站站并列后，如從其中1臺消弧線圈A1的高壓端看入，根據(jù)戴維南定律系統(tǒng)零序回路可以用圖 3表示。位移電壓法測量公式(1)仍然適用，只是此時A1測量得到的容抗為系統(tǒng)對地容抗與消弧線圈A2阻抗的并聯(lián)值。由于高漏抗式消弧線圈在晶閘管不導(dǎo)通時其基波阻抗呈現(xiàn)容性，通過跟蹤時間可以獲知并列消弧線圈的容量。一定容量消弧線圈的基波等效電容是確定的，所以A1測量的電容值減去A2等效電容值即得到系統(tǒng)三相對地電容值。通過測量得到系統(tǒng)電容電流后，可以按照其各自容量成正比分配補償2臺消弧線圈電流大小。

圖3 站站并列時零序回路等效圖

1.3 跟蹤電壓混疊及識別方法

在識別2臺消弧線圈并列狀態(tài)前，如果1臺消弧線圈正在測量系統(tǒng)電容電流，此時并列的另1臺消弧線圈也進行跟蹤測量，則會造成跟蹤電壓混疊現(xiàn)象。圖4為跟蹤電壓混疊時的典型仿真波形。如圖所示，A1，A2消弧線圈在同一配網(wǎng)并列運行，在0.5 s時A1消弧線圈改變晶閘管導(dǎo)通角測量電容電流，使得零序電壓升高；0.7 s時A2消弧線圈也觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，使得A1和A2消弧線圈的跟蹤電壓疊加在一起，1.0 s時A1消弧線圈停止觸發(fā)晶閘管，零序電壓降低，1.2 s時A2消弧線圈也停止觸發(fā)晶閘管，零序電壓振蕩衰減后恢復(fù)測量前電壓。電壓混疊后，無法準(zhǔn)確測量系統(tǒng)電容電流，此外也使得零序電壓波動不符合特定的跟蹤電壓和跟蹤時間規(guī)律，需要采取措施進行識別。

圖4 跟蹤電壓混疊仿真波形

圖5 中顯示了跟蹤電壓混疊時零序電壓的有效值，可以看出該電壓有效值呈臺階式增加，且恢復(fù)到測量前電壓的時間延長；而比較圖2在沒有出現(xiàn)跟蹤電壓混疊時，消弧線圈調(diào)節(jié)電感3—4周波后零序電壓幅值變化很小并趨于穩(wěn)定。根據(jù)零序電壓這一特征可以識別出跟蹤電壓混疊情況。

圖5 零序電壓有效值 (跟蹤電壓混疊時)

如果并列的2臺消弧線圈在同一時間測量電容電流，則此時僅從零序電壓波形上很難區(qū)分出是由電壓混疊引起的，還是由單臺消弧線圈測量電容電流造成的。為了避免電壓混疊現(xiàn)象對并列狀態(tài)辨識以及測量電容電流的影響，可以對2臺可能出現(xiàn)并列的消弧線圈設(shè)置不同的測量電容電流的定時間隔。這樣即使某一時刻出現(xiàn)了電壓混疊，由于各自定時間隔的不同，則下一次測量電容電流時可避免同時測量。

2 軟件控制流程

在配電網(wǎng)正常運行時，消弧線圈控制器實時采樣零序電壓波形，間隔半個工頻周波計算一次零序電壓的有效值，從而得到間隔10 ms的零序電壓有效值序列?；谶^程分析的消弧線圈站站并列技術(shù)是通過識別有效值序列的變化規(guī)律來實現(xiàn)的，基本軟件控制流程示意圖如圖6所示，軟件控制流程可分為3個階段。

圖6 軟件流程圖

階段一:并列辨識?？刂破鲗崟r監(jiān)測零序電壓，在本臺消弧線圈不測量電容電流時監(jiān)測到零序電壓有效值序列變化規(guī)律符合特定波形特征，則判斷與對方消弧線圈并列運行，并由跟蹤時間Tg確定對方容量。符合特定波形的特征判據(jù)有2點:跟蹤時間符合表1設(shè)定的時間；根據(jù)跟蹤時間內(nèi)的電壓平均值得到跟蹤電壓Ug，且跟蹤時間內(nèi)電壓與Ug的誤差小于10%Ug。如出現(xiàn)電壓混疊情況，則本次跟蹤電容電流結(jié)果無效。

階段二:并列運行控制。確定站站并列后，2臺消弧線圈按規(guī)定時間間隔交替測量電容電流，根據(jù)容量大小分配補償容量。

階段三:并列解除。規(guī)定時間間隔內(nèi)無法檢測到并列消弧線圈的跟蹤變化，則確定站站并列解除，消弧線圈恢復(fù)單獨運行控制。

3 試驗研究

為了研究基于過程分析的消弧線圈站站并列技術(shù)的可行性，在高壓試驗室進行模擬試驗，試驗接線圖如圖7所示。由于試驗室只有一段母線，為模擬站站并列試驗，1臺10 kV/500 kVA的消弧線圈A1直接接入模擬電網(wǎng)，另外1臺同容量的消弧線圈A2通過高壓開關(guān)K接入電網(wǎng)，通過開關(guān)K的分合來模擬站站并列的解除與發(fā)生。

試驗中的消弧線圈測量電容電流過程的典型零序電壓波形如圖8所示，圖9是零序電壓有效值波形，圖中▲表示每隔10 ms計算得到的零序電壓有效值，可以看到試驗波形與仿真結(jié)果是一致的。

由于變電站的消弧線圈測量電容電流間隔時間一般為數(shù)分鐘，為了試驗方便，設(shè)定消弧線圈A1測量電容電流間隔時間為10 s，設(shè)定A2跟蹤電容電流間隔時間為11 s，它們的跟蹤時間Tg都為500 ms，A1與A2并列運行時設(shè)定相互間隔6 s測量電容電流。圖10是試驗室模擬消弧線圈站站并列試驗波形，該圖是根據(jù)錄波器記錄的零序電壓計算得到的電壓有效值波形。從圖10中可以看出，在消弧線圈未并列運行時，A1每隔10 s測量一次系統(tǒng)電容電流；在閉合開關(guān)K投入A2后2臺消弧線圈并列運行，在T0時刻A2測量系統(tǒng)電容電流，A1根據(jù)零序電壓波形特征識別出與A2并列，在下一次測量時改變了跟蹤電容電流的時間間隔；隨后A2也識別出并列運行狀態(tài)，可以看到A1與A2識別出并列運行后它們間隔測量電容電流的時間變?yōu)? s。從多次試驗結(jié)果來看，基于過程分析的控制算法能夠準(zhǔn)確識別消弧線圈站站并列狀態(tài)的發(fā)生和解除，能有效地實現(xiàn)2臺消弧線圈站站并列運行。

4 結(jié)論

1)零序電壓波形能夠反映消弧線圈運行狀態(tài)，通過對測量電容電流時零序電壓的變化過程分析可以識別出消弧線圈并列運行。文中設(shè)計了基于消弧線圈跟蹤時間來傳遞其容量參數(shù)的方法，仿真試驗都驗證其具有可行性。

2)通過試驗，驗證了基于過程分析的控制算法能夠準(zhǔn)確識別消弧線圈站站并列狀態(tài)，應(yīng)用該方法能夠解決2臺高漏抗式消弧線圈站站并列問題。

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Study on parallel operation of high-leakage impedance arc suppression coils in different power substations

LIU Wei-guo，WU Shui-feng，YUAN Pei，YOU Kai
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

The parallel operation technology of arc suppression coils is discussed in the paper，and the key issues concerning parallel operation are pointed out by theoretical calculation and software simulation.Based on process analysis，the method for parallel operation of arc suppression coils in different substations is introduced and analyzed.Also it is validated through laboratory tests.

high-leakage impedance arc suppression coil；ring network power supply；resonance grounding；parallel operation

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.02.001

TM86

A

1008-0198(2015)02-0001-04

2014-10-14