超高壓交直流輸電系統(tǒng)隔離開關(guān)帶電接入模式研究

安超印　張玉玲

摘要：為了建立安全穩(wěn)定的智能化超高壓交直流輸電系統(tǒng)，基于超高壓直流分層的接入模式對影響交直流系統(tǒng)換相的因素進(jìn)行分析，提出換相失敗情況下的預(yù)防協(xié)調(diào)控制方法，提升非故障層閥組抵御換相失敗的能力。設(shè)計(jì)超高壓隔離開關(guān)智能控制方案，基于傳感器設(shè)計(jì)開關(guān)控制模塊并接入到超高壓開關(guān)智能組件柜中，設(shè)計(jì)的隔離開關(guān)具備監(jiān)測、診斷、控制以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。對設(shè)計(jì)的超高壓交直流輸電系統(tǒng)換相協(xié)調(diào)策略和智能化超高壓開關(guān)進(jìn)行測試，結(jié)果表明：采用換相協(xié)調(diào)策略后，線路1和線路2的總損耗分別降為0.013 7、0.013 0 pu，低于采用未改進(jìn)換相方式的損耗量。超高壓隔離開關(guān)系統(tǒng)對不同類型隔離開關(guān)狀態(tài)的檢測準(zhǔn)確率在80%以上，誤檢率為15%。

關(guān)鍵詞：超高壓隔離開關(guān); 交直流輸電系統(tǒng); 智能控制器; 輸電系統(tǒng)換相協(xié)調(diào)控制

中圖分類號：TM7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-5922（2022）06-0115-005

Electrifiedaccess mode of disconnector in extra high voltagealternating current/direct current transmission system

AN Chaoyin ZHANG Yuling

（1. State Grid Henan Electric Power Company， Zhengzhou 450032， China;

2. Henan Jiu Yu Bo Hui Ark Consulting Development Co.， Ltd.， Zhengzhou 450032， China

）

Abstract：The study aims to establish a safe and stable intelligent Extra High Voltage （EHV） Alternating Current/Direct Current （AC/DC） transmission system. First， based on the hierarchical access mode of EHV DC， the factors affecting the commutation of AC/DC system are analysed， and preventive and coordinated control method in case of commutation failure is proposed to enhance the ability of non-fault layer valve group to resist commutation failure. Second， the intelligent control scheme of EHV disconnector is designed. The switch control module is designed based on sensors and connected to the intelligent component cabinet of EHV switch. The designed disconnector has the functions of monitoring， diagnosis， control， and data transmission. Finally， the commutation coordination strategy and intelligent EHV switch of EHV AC/DC transmission system are tested. The experimental results show that the total loss of line 1 and line 2 is reduced to 0.013 7， 0.013 0 pu after adopting commutation coordination strategy， which is lower than that without improved commutation. The detection accuracy of different types of disconnectors is more than 80%， and the false detection rate is 15%.

Key words：extra high voltage disconnector; alternating current/direct current transmission system; intelligent controller; commutation coordinated control of transmission system

隨著超高壓自流輸電工程建設(shè)的加快，交流系統(tǒng)承載能力弱的特性逐漸暴露，因此超高壓交直流混聯(lián)系統(tǒng)具有強(qiáng)直弱交的特性，在這種模式下交直流系統(tǒng)相互依存和耦合。混聯(lián)電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)交流電系統(tǒng)為直流電電壓供應(yīng)的耦合關(guān)系，并確保電壓系統(tǒng)的正確換相，并且直流系統(tǒng)可以通過傳輸功率確?；炻?lián)電網(wǎng)系統(tǒng)交流電的穩(wěn)定性[1]。智能超高壓開關(guān)設(shè)備是智能電網(wǎng)和變電站建設(shè)的重要組成，得到了飛速的發(fā)展。超高壓隔離開關(guān)是配合超高壓斷路器使用的一次設(shè)備，而超高壓斷路器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)智能化控制，超高壓隔離開關(guān)還沒有實(shí)現(xiàn)智能化[2]。為了提升混聯(lián)電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，提升超高壓隔離開關(guān)的智能化設(shè)計(jì)，可以使其具有監(jiān)測、診斷和控制的能力，為超高壓電網(wǎng)的安全穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制提供技術(shù)支撐和設(shè)備保障。

通過對高電阻單線對地故障的識別，判斷超高壓輸電線路的安全穩(wěn)定性，并提出基于求和阻抗繼電器對雙端絕對值進(jìn)行設(shè)置閾值，實(shí)現(xiàn)繼電器實(shí)現(xiàn)跳閘故障的識別，在斷相條件下，求和阻抗繼電器具有足夠的高阻故障抵抗能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以提升超高壓輸電線路暴露的靈敏度和運(yùn)行速度 [3]。 雙回輸電線路的電磁耦合效應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電壓和電流的問題，為了降低高感應(yīng)電壓和電流的安全隱患問題，通過安裝放電接地開關(guān)的方法減小產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和電流，并對每個(gè)影響參數(shù)的敏感性進(jìn)行分析 [4]。對超高壓輸電線路的距離保護(hù)問題，在長距離傳輸過程中，具有明顯的網(wǎng)絡(luò)分布參數(shù)。當(dāng)故障發(fā)生在遠(yuǎn)離測量點(diǎn)的地方時(shí)，測得的阻抗可能與故障距離不成正比，距離保護(hù)的保護(hù)范圍將減小。通過研究表明，并聯(lián)電抗器的使用使得保護(hù)域的誤差大大降低?？紤]到不同的特性，不同的線路長度和補(bǔ)償程度，該方法對于阻抗繼電器是有效的 [5]。研究了500 kV超高壓輸電線路的維護(hù)問題，對可能存在的問題進(jìn)行分析，并對樹典型路中的故障進(jìn)行排查和維護(hù)，然后基于信息化技術(shù)對超高壓輸電線路的維護(hù)進(jìn)行強(qiáng)化[6]。4E78E0F6-38A2-47F4-9428-DECEEC72753A

現(xiàn)有的研究表明，超高壓輸電線路傳輸過程中存在故障問題，影響輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。因此，為了建立更加安全的超高壓輸電線路，對超高壓直流分層接入模式影響交直流系統(tǒng)換相的因素進(jìn)行分析，并提出按相應(yīng)的預(yù)防控制方法。其次，基于智能化控制的理念對超高壓輸電線路的隔離開關(guān)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其具備監(jiān)測、控制、診斷和通信功能。最后，對超高壓交直流輸電線路進(jìn)行測試。

1研究方法

1.1超高壓直流輸電系統(tǒng)換相協(xié)調(diào)控制策略

超高壓輸電是指對500～1 000 kV電壓等級的電能進(jìn)行輸送，隨著用電需求的增加，國家增加了水電站、火電站、風(fēng)電站和核電站的建設(shè)，但由于這些動力資源常常遠(yuǎn)離用電負(fù)荷中心，因此需要采用超高壓輸電的方式才可以進(jìn)行有效的將電能輸送到指定區(qū)域，并且電力系統(tǒng)的互聯(lián)也需要超高壓輸電來完成，因此超高壓輸電是發(fā)電容量增加、用電負(fù)荷增加以及輸電距離增加的必然要求。但隨著電壓等價(jià)的增加，超高壓輸電線路受到的影響也逐漸增多，對超高壓輸電線路做好繼電保護(hù)，及時(shí)將故障反映給控制中心，確保電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[7]。

隨著超高壓直流輸電工程的建設(shè)，直流輸電工程的電流饋入到交流網(wǎng)絡(luò)中，形成超高壓多饋入系統(tǒng)。并且超高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)中直流系統(tǒng)的輸電量逐漸增大，使得混聯(lián)電網(wǎng)中交流點(diǎn)系統(tǒng)的承受力下降，形成強(qiáng)直弱交的輸電電網(wǎng)格局[8]。為了提升交流電網(wǎng)的無功電壓支撐能力，采用超高壓直流分層接入方式提升受端短路比。但分層接入的方式高低壓閥組間到換相過程相互影響，并且在換相失敗時(shí)需要協(xié)調(diào)預(yù)防?；炻?lián)電網(wǎng)中，直流系統(tǒng)傳輸?shù)墓β瘦^大，但當(dāng)傳輸功率突降，交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性會受到?jīng)_擊。而直流系統(tǒng)電磁暫態(tài)過程與交流系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)過程，可以實(shí)現(xiàn)直流功率控制交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，超高壓直流多饋入系統(tǒng)換相識別的協(xié)調(diào)控制策略需要滿足：（1） 多饋入系統(tǒng)種直流擁有充足的換相裕度，控制器使逆變閥組的觸發(fā)延遲角增大，抑制直流系統(tǒng)換相失敗的反饋效果[9];（2） 直流換相裕度下降時(shí)，空盒子器的觸發(fā)延遲角觸發(fā)量減小，使直流系統(tǒng)不能受到控制器的影響引發(fā)換相失敗。

1.2智能超高壓開關(guān)設(shè)備

智能化變電站的建設(shè)需要以超高壓智能開關(guān)設(shè)備進(jìn)行信息的采集和轉(zhuǎn)換，采用獨(dú)立向外的數(shù)字通信智能斷路器、變壓器和電容器等設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)控制、采集、監(jiān)測、診斷和通信等功能。隔離開關(guān)作為直流輸電系統(tǒng)的重要元件，由于沒有滅弧室，所以只能斷開電源，不能開斷負(fù)荷電流[10]。高壓隔離開關(guān)具有分段間隙的功能，其作用相當(dāng)于電路中的斷路器，并且使用數(shù)量遠(yuǎn)大于斷路器的數(shù)量，并且由于長期暴露在環(huán)境中，隔離開關(guān)的傳動系統(tǒng)容易產(chǎn)生機(jī)械故障，導(dǎo)致停電事故的發(fā)生。近年來常高壓隔離開關(guān)逐漸向高電壓、大容量和高可靠性發(fā)展，并應(yīng)用新材料、新工藝和傳動結(jié)構(gòu)對隔離開關(guān)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

而隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，對隔離開關(guān)也提出了智能化的需求，隨著單片機(jī)微控制器、光纖通信和總線通信等在隔離開關(guān)智能化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，為隔離開關(guān)的智能化設(shè)計(jì)提供了可能。ARM （Advanced RISC Machines） 具有功耗低、處理速度快的特點(diǎn)，并且內(nèi)部設(shè)有寬范圍的串行通信接口。CPLD （Complex Programming logic device） 是一種可編程的邏輯器件，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的電路設(shè)計(jì)[11]。利用ARM和CPLD相結(jié)合的方式，可以設(shè)計(jì)局域隔離作用的開關(guān)控制系統(tǒng)，建立開關(guān)控制模塊 （Switch Control Module， SCM），用于超高壓輸電線路的隔離開關(guān)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的采集和信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，并對存在的故障進(jìn)行告警以及信號的通信過程。

智能化超高壓開關(guān)是數(shù)字化超高壓直流輸電系統(tǒng)重要的組成部分，可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的信息采集、傳輸、處理和輸出。并且智能化的高壓開關(guān)柜可以實(shí)現(xiàn)自保護(hù)、自診斷和自監(jiān)視，對運(yùn)行狀態(tài)、故障位置、功能和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備選擇、分閘、合閘以及運(yùn)行狀態(tài)切換等操作[12]。自保護(hù)功能可以實(shí)現(xiàn)限流、過電壓、欠電壓、過熱和接地故障等進(jìn)行實(shí)際組合。自診斷可以對電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并判斷可能存在問題的線路和開關(guān)壽命。高壓斷路器 （Circuit Breaker， CB） 會因?yàn)樵O(shè)備更滑、線路檢修等問題斷開，斷路器智能化電子設(shè)備 （Intelligent?Electronic Device， IED） 在控制超高壓斷路器斷開后，會將設(shè)備的狀態(tài)信息發(fā)送到隔離開關(guān)智能化電子設(shè)備，隔離開關(guān)和接地開關(guān)接收到指令后會進(jìn)行相應(yīng)操作，隔離支線和母線[13]。圖1為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖，每個(gè)隔離開關(guān)或接地開關(guān)都包含在開關(guān)控制模塊中，開關(guān)控制模塊和超高壓組件柜中的隔離開關(guān)通過光纖連接，通過把隔離開關(guān)進(jìn)行合、分和停等操作，改變輸電系統(tǒng)的狀態(tài)，將限位狀態(tài)和故障信息傳輸?shù)斤@示屏上。

開關(guān)控制模塊是實(shí)現(xiàn)采集、檢測、控制、通信和顯示等功能的電路模塊：（1） 采集功能可以收集電網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓，以及隔離開關(guān)和接地開關(guān)的狀態(tài)、互鎖閉鎖狀態(tài)以及動作信號和告警信號等[14]。（2） 檢測功能是對采集到的模擬量、開關(guān)量和狀態(tài)信號進(jìn)行監(jiān)控，對系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能存在的異常信號設(shè)定告警限位，保證子系統(tǒng)自動裝置的正常工作。（3） 控制功能可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制從變電站和操作中心，對電網(wǎng)系統(tǒng)中的斷路器、隔離開關(guān)和閉鎖系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行控制，或者就地實(shí)現(xiàn)分合閘的操作。（4） 通信功能和顯示是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流的基礎(chǔ)，操作員通過了解系統(tǒng)和模塊運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)命令控制相應(yīng)模塊，并進(jìn)行信息的調(diào)取，實(shí)現(xiàn)對各功能模塊和系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)。通過上述幾個(gè)功能模塊可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的檢測，提升系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，并將參數(shù)傳輸?shù)酵ㄐ沤涌谥校瑸橄到y(tǒng)的運(yùn)行提供保證，實(shí)現(xiàn)輸電系統(tǒng)的在線管理和控制。

基于ARM和CPLD設(shè)計(jì)的開關(guān)控制模塊可以保留機(jī)械傳動和驅(qū)動電機(jī)，而采用新的控制部分實(shí)現(xiàn)智能化控制。超高壓隔離開關(guān)的開、合、停的狀態(tài)是由3個(gè)異步電機(jī)來控制的，開關(guān)的位置信息由旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行收集，實(shí)現(xiàn)信息的數(shù)字轉(zhuǎn)換，并輸入到中央處理器中，對開關(guān)的角度和裝填進(jìn)行顯示。使用電子器件作為繼電器的控制部分，采用光耦器件作為驅(qū)動電路，并使用電流傳感器對電機(jī)的電流進(jìn)行檢測，當(dāng)電流超過限定值時(shí)電路斷開，防止電機(jī)發(fā)生損壞[15]。開關(guān)量有手動、聯(lián)鎖、限位和加熱器等，采用網(wǎng)絡(luò)通信的方式將指令傳輸?shù)诫娐繁Ｗo(hù)器件中，通過在電網(wǎng)系統(tǒng)中接受主單元的控制命令，實(shí)現(xiàn)超高壓隔離開關(guān)的智能化控制。LED燈 （Light Emitting?Diode） 和數(shù)碼顯示管可以對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、電源、門鎖和通信狀態(tài)進(jìn)行顯示。圖2為開關(guān)控制模塊的設(shè)計(jì)圖。4E78E0F6-38A2-47F4-9428-DECEEC72753A

ARM芯片具有32位的高性能內(nèi)核，內(nèi)置了寬大范圍的串行通信接口，可以提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力和電磁兼容性。CPLD可以根據(jù)需求構(gòu)建邏輯功能的數(shù)字集成電路，具有編程靈活、集成度高和制造成本低等特點(diǎn)。利用CPLD可以修改電路的內(nèi)在連接，實(shí)現(xiàn)對電路板邏輯功能的編程，因此具有較強(qiáng)的抗干擾能力。對于超高壓輸電線路軟件的程序設(shè)計(jì)控制著系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，將電源檢測、溫度和濕度檢測、開關(guān)量、中斷請求以及告警信息等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸和通信。因此設(shè)計(jì)時(shí)采用分層和模塊化的方式從室內(nèi)通道采集數(shù)據(jù)，并按照相應(yīng)的通信協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)，因此主程序的設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

2結(jié)果與討論

2.1換相性能分析

為了驗(yàn)證提出的交直流混聯(lián)輸電網(wǎng)絡(luò)的性能，對采用不同換相方式的線路1和線路2的換流站損耗量進(jìn)行對比，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，改進(jìn)后的換相方式對應(yīng)的換流站的總損耗較未改進(jìn)的總損耗有所下降，線路1中未改進(jìn)的總損耗為0.0142 pu，改進(jìn)后的總損耗為0.0137 pu;線路2未改進(jìn)的總損耗為0.0136 pu，改進(jìn)后的總損耗為0.0130 pu。因此采用換相協(xié)調(diào)控制策略可以降低線路的總體損耗。

2.2故障識別測試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的智能化超高壓開關(guān)模塊對電力系統(tǒng)中隔離開關(guān)狀態(tài)的檢測準(zhǔn)確率，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，超高壓隔離開關(guān)系統(tǒng)對單柱式、雙柱式和三柱式的隔離開關(guān)狀態(tài)檢測的正確率分別為92%、98%和80%，誤檢率均小于15%。因此，設(shè)計(jì)的智能化系統(tǒng)可以較準(zhǔn)確的識別電力系統(tǒng)中隔離開關(guān)的狀態(tài)。

3結(jié)語

為了建立具有智能化隔離開關(guān)的交直流輸電系統(tǒng)，并對超高壓電力系統(tǒng)中的隔離開關(guān)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過分析超高壓直流分層接入模式對電力系統(tǒng)的影響，提出換相協(xié)調(diào)控制策略，提升系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。其次，設(shè)計(jì)智能化的超高壓開關(guān)控制方案，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：提出的換相協(xié)調(diào)策略可以有效的降低電力系統(tǒng)的總損耗量;智能化超高壓開關(guān)模塊對隔離開關(guān)狀態(tài)的檢測率為80%以上，可以較為準(zhǔn)確地獲取系統(tǒng)狀態(tài)。但本文仍存在一些不足，設(shè)計(jì)的智能化超高壓開關(guān)模塊對不同類型隔離開關(guān)的狀態(tài)存在誤檢。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉彬， 劉國偉， 許元震， 等. 超多斷口500 kV快速隔離開關(guān)均壓設(shè)計(jì)及試驗(yàn)[J]. 高電壓技術(shù)， 2019， 45（8）：?23-31.

[2]國建寶， 崔鵬飛， 關(guān)勝利， 等. 高壓直流換流閥均壓電極的結(jié)垢機(jī)理研究[J]. 表面技術(shù)， 2019， 48（10）： 297-303.

[3][ZK（]LI Z， TONG N， LIN X， et al. Enhanced Summation Impedance Relay for EHV Transmission Lines[J]. IEEE [LL]Transactions on Power Delivery， 2019， 34（3）： 807-818.

[4]WU X， MEISNER D J， STECHSCHSCHULTE K D， et al.?Induced Voltage & Current Simulations， Safety Criterion， and Mitigations for EHV Transmission Lines in Close Proximity[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2019， 55（3）： 2 429-2 439.

[5]JIANG W， LU J， XIANG H， et al. Distance protection of EHV long transmission lines considering compensation degree of shunt reactor[J]. Global Energy Internet， 2019， 2（1）： 64-70.

[6]鄒東海. 關(guān)于500kV超高壓輸電線路的運(yùn)行維護(hù)管理分析[J]. 中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)， 2019（28）： 262-263.

[7]Balachander K， Balamurali V. MATLAB/Simulink Study and Implemetation Of Fault Identification of Ehv Lines Using?Wavelet Transform Based Flc[J]. International Journal of Psychosocial Rehabilitation， 2020， 23（4）：1 866.

[8]王振， 劉坤， 鞠偉. 高壓直流輸電工程電觸發(fā)換流閥TE板燒毀機(jī)理研究[J]. 中國電力， 2020， 53（5）： 56-62.

[9]LIU S， ZHANG L L， FU C， et al. A new two-port network model-based pilot protection for AC transmission lines[J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2020， 35（2）： 473-482.

[10]王宇航， 韋忠宇， 吳中瑤. 超高壓輸電線路架線施工帶電跨越技術(shù)研究[J]. 中外企業(yè)家， 2020， 680（18）： 150.

[11]劉子英， 張靖， 鄧芳明. 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高壓隔離開關(guān)分合閘監(jiān)測識別[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2020， 48（5）： 140-146.

[12]李德軍， 劉志民等. 一種先進(jìn)的±550 kV高壓直流GIS及其潛在應(yīng)用[J]. 高壓電器， 2020（6）： 32-41.

[13]張啟浩， 吳德貫， 馬正霖. ±800 kV特高壓直流輸電工程直流穿墻套管設(shè)計(jì)缺陷及其改進(jìn)方法[J]. 高壓電器， 2019， 55（4）： 244-249.

[14]Xie Y， Baina H E， Wang L， et al. Characteristics of Secondary Arc Current on UHV DC and EHV AC Transmission Lines Erected on the Same Tower[J]. International Journal of Emerging Electric Power Systems， 2019， 20（5）： 109-110.

[15]孫玉洲， 王巧紅， 李付永， 等. 雙柱折疊式直流隔離開關(guān)研究與開發(fā)[J]. 高壓電器， 2019， 55（5）：75-81.4E78E0F6-38A2-47F4-9428-DECEEC72753A