基于“六統(tǒng)一”規(guī)范的500kV輸電線路二次重合閘改進方案研究
在電網(wǎng)中的某些超高壓輸電線路上實施二次自動重合閘能夠提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。目前華北電網(wǎng)已有部分500kV輸電線路試點運行了具備二次自動重合閘功能的繼電保護裝置，但該裝置的推廣應(yīng)用還存在一些障礙。為促進二次自動重合閘在國家電網(wǎng)公司范圍內(nèi)的應(yīng)用，南京南瑞繼保電氣有限公司、華北電網(wǎng)有限公司的研究人員劉奎、杜鵑、陸金鳳、戴光武、楊慧敏，在2020年第6期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，分析了當前華北電網(wǎng)試點運行的二次自動重合閘裝置在國網(wǎng)公司“六統(tǒng)一”規(guī)范下的適應(yīng)性，指出了存在的問題，提出了解決方案。在此基礎(chǔ)上，還提出了基于“六統(tǒng)一”規(guī)范的500kV輸電線路二次自動重合閘方案和裝置設(shè)計。在輸電線路發(fā)生故障后采用自動重合閘裝置進行快速重合，是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的一項重要措施。自動重合閘對于提高瞬時性故障時供電的連續(xù)性、雙側(cè)電源線路系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性以及糾正由于斷路器或繼電保護誤動作引起的誤跳閘，都發(fā)揮了巨大的作用。為提高自動重合閘的成功率，國內(nèi)外學者進行了大量研究，提出了自適應(yīng)重合閘、最佳重合閘時刻等概念和方法。按照重合閘動作的次數(shù)，可將自動重合閘分為一次自動重合閘和二次（多次）自動重合閘。在220～1000kV的架空線路上，多采用單相一次自動重合閘；在110kV電網(wǎng)，多采用三相一次自動重合閘方式。目前在我國二次自動重合閘僅在配電網(wǎng)饋線上有一定應(yīng)用，配電網(wǎng)饋線上的二次重合閘主要用于快速隔離故障點，以恢復對非故障饋線支路的供電。有學者研究了在超高壓輸電線路上使用二次自動重合閘的可行性，其研究結(jié)果顯示，在某些超高壓輸電線路上實施二次自動重合閘用來代替人工試合閘，只要將重合閘等待時間設(shè)置合理，就可充分利用二次重合閘成功對系統(tǒng)產(chǎn)生有利影響，且二次重合閘失敗對系統(tǒng)的不利影響與人工合閘相比沒有顯著變化，有利于電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。同時，還提出了在500kV輸電線路上應(yīng)用二次自動重合閘的實施方案，包括總體方案和具體的重合閘裝置設(shè)計?；谠撗芯砍晒_發(fā)的二次重合閘裝置自2014年起在華北電網(wǎng)500kV試點線路上試運行至今，運行效果良好。目前欲將試運行的二次重合閘方案進一步推廣，需要面臨一些新的挑戰(zhàn)。首先，近年來國家電網(wǎng)公司對繼電保護裝置的功能和信息提出了更高的要求，推出了一系列“六統(tǒng)一”技術(shù)規(guī)范，如《Q/GDW 1161—2014 線路保護及輔助裝置標準化設(shè)計規(guī)范》《Q/GDW 11010—2015 繼電保護信息規(guī)范》等。目前試運行的二次重合閘裝置是在“六統(tǒng)一”規(guī)范提出之前開發(fā)的，一方面裝置本身不符合“六統(tǒng)一”的規(guī)范要求，另一方面與基于“六統(tǒng)一”規(guī)范線路保護裝置的配合可能存在問題。其次，目前我國智能變電站的應(yīng)用越來越多，在傳統(tǒng)變電站中，500kV線路的重合閘裝置為單套配置，而智能變電站中一般都為雙套配置，由此帶來的兩套重合閘裝置之間互相配合的問題也是需要考慮的。為使二次重合閘技術(shù)能夠得到進一步推廣應(yīng)用，本文針對上述問題進行研究并提出相應(yīng)的解決措施。1 華北電網(wǎng)試運行的二次重合閘方案介紹對目前在華北電網(wǎng)500kV輸電線路上試運行的二次重合閘功能的具體方案，結(jié)合圖1所示系統(tǒng)介紹如下：1）我國500kV線路普遍采用3/2接線，每臺斷路器都配置有獨立的斷路器保護裝置，該裝置負責本斷路器的失靈保護和第一次重合閘?？紤]到對原有保護功能影響最小、二次回路修改最少等因素，對第二次重合閘功能也選擇由斷路器保護裝置實現(xiàn)，而對線路保護裝置的邏輯不進行修改。斷路器保護裝置已有的第一次重合閘功能不變，增加第二次重合閘功能。2）參考第一次重合閘的充放電邏輯，設(shè)置獨立的第二次重合閘充放電邏輯，只有在第二次重合閘充電完成的情況下，第二次重合閘才有可能起動和動作。3）第一次重合閘只考慮單重方式，第二次重合閘為三重方式。4）斷路器保護裝置增加“二次重合閘時間”、“檢同期最長等待時間”定值，前者用于設(shè)置第二次重合閘延時，后者用于設(shè)置第二次重合閘延時滿足后等待同期條件滿足的最長時間。5）線路的重合閘操作涉及兩側(cè)的共4臺斷路器，如圖1中CB1—CB4。為了減少合于故障對系統(tǒng)和設(shè)備不必要的沖擊，其中1臺斷路器被設(shè)置為檢無壓方式，其余3臺斷路器被整定為檢同期方式（利用裝置已有的檢同期、檢無壓控制字）。圖1中CB2投入檢無壓控制字，其他3臺投入檢同期控制字。第二次重合閘由CB2先進行檢無壓重合，若合閘成功，則其余3臺斷路器檢同期條件滿足，經(jīng)固定延時合閘；若CB2合閘失敗，則其余3臺斷路器檢同期條件不滿足，經(jīng)“檢同期最長等待時間”延時，二次重合閘放電，不再重合。6）閉鎖第二次重合閘的外部信號通過保護裝置原有的閉鎖重合閘開入端子輸入，即兩次重合閘共用外部閉鎖重合閘輸入端口。為了防止第一次重合故障時線路保護的閉重輸出信號導致第二次重合閘放電，取消線路保護閉重輸出信號至斷路器保護閉重輸入端子之間的接線。7）第二次重合閘的起動邏輯如下：第二次重合閘處于充電完成狀態(tài)，且第一次重合閘處于未充電狀態(tài)，保護裝置先收到線路保護三相跳閘信號，待此跳閘信號返回后，第二次重合閘起動，開始計時。8）第二次重合閘起動后的動作邏輯如下：第二次重合閘起動計時大于“二次重合閘時間”定值，則檢查同期條件或無壓條件是否滿足：若滿足，則合閘命令發(fā)出并使第二次重合閘放電；若不滿足，則繼續(xù)等待，等待時間大于“檢同期最長等待時間”后，第二次重合閘放電，不再重合。9）若發(fā)生多相故障則閉鎖二次重合閘。為此，裝置增加故障選相邏輯，此選相用于區(qū)分單相故障和多相故障；若判別為多相故障，則給第二次重合閘放電，不再重合。此處的多相故障包含兩種情況：一種情況是初始故障為多相故障，線路保護直接三跳；另一種情況是初始故障為單相故障，但第一次重合閘時變?yōu)槎嘞喙收?。發(fā)生多相故障時，選相邏輯只要使CB2的二次重合閘放電，即可保證4個斷路器均不進行二次重合，因此方案要保證CB2的斷路器保護能夠正確選相。10）必須將CB2的第一次重合閘設(shè)置為先合。這是由于CB2需要根據(jù)第一次重合閘時的電氣量判斷是否合于多相故障，若CB2設(shè)置為后合斷路器，則CB1先進行第一次重合閘，重合于故障后線路保護三跳CB1和CB2，CB2不會進行第一次重合閘。11）對于初始故障為多相故障的情況，二次重合閘放電邏輯如圖2所示。本斷路器為第一次先合的斷路器（根據(jù)裝置的先合壓板狀態(tài)判斷），且第一次重合閘處于充電完成狀態(tài)（說明線路本側(cè)未發(fā)生第一次重合閘），且收到線路保護三相跳閘開入，則認為三跳是由于線路保護故障選相為多相，給第二次重合閘放電。該判據(jù)是利用了線路保護的故障選相結(jié)果，由于線路保護選相功能完善，所以該判據(jù)準確度較高。由上文可知，CB2第一次重合閘為先合，此邏輯可以使CB2的二次重合閘功能在初始故障為多相故障時放電。12）對于初始為單相故障但第一次重合閘時變?yōu)槎嘞喙收系那闆r，由斷路器保護裝置根據(jù)電流和電壓特征進行判別，二次重合閘放電邏輯如圖3所示。本斷路器為第一次重合閘先合的斷路器，電氣量判據(jù)選相為多相，且收到線路保護三相跳閘信號，則認為是多相故障，給二次重合閘放電。由于斷路器保護獲取的故障電氣量沒有線路保護完整，且缺少線路參數(shù)，因此電氣量判據(jù)較簡單，主要保證在較嚴重的多相故障時能夠閉鎖二次重合閘。2 二次重合閘方案在“六統(tǒng)一”原則下的適用性問題目前在華北電網(wǎng)試運行的二次重合閘功能，其斷路器保護裝置是在早期斷路器保護裝置的基礎(chǔ)上開發(fā)的，裝置本身不滿足“六統(tǒng)一”規(guī)范的要求。為滿足最新規(guī)范要求，需要在“六統(tǒng)一”斷路器保護裝置的基礎(chǔ)上重新開發(fā)二次重合閘功能，新裝置符合“六統(tǒng)一”規(guī)范要求，但第一次重合閘邏輯與早期裝置存在一定差異，需要考慮其對二次重合閘方案的影響，其影響分析如下。早期斷路器保護裝置有先合壓板，邊斷路器和中斷路器的第一次重合閘順序由該壓板控制，先合的投入此壓板，后合的不投；“六統(tǒng)一”斷路器保護無先合壓板，邊斷路器和中斷路重合閘的先后順序依靠重合閘時間整定值的級差來保證。圖2、圖3中多相故障二次重合閘放電的邏輯使用了先合壓板的狀態(tài)，用于判斷本斷路器是否為先合斷路器；“六統(tǒng)一”斷路器保護由于沒有先合壓板，所以需要考慮采用其他方法判斷本斷路器是否為先合。解決方法如下。由上文二次重合閘方案可知，CB2為先合斷路器，且多相故障發(fā)生后只要CB2的二次重合閘放電，就可以保證所有斷路器不進行第二次重合閘；4個斷路器中，只有CB2的斷路器保護投入檢無壓控制字，因此可以根據(jù)檢無壓控制字狀態(tài)來判斷本斷路器是否為CB2，將圖2和圖3中的[先合壓板投入]條件改為[重合閘檢無壓控制字投入]，修改后如圖4所示。2.2 斷路器保護與“六統(tǒng)一”線路保護配合的問題重合閘功能與線路保護密切相關(guān)，線路保護裝置從早期非“六統(tǒng)一”型號更換為“六統(tǒng)一”型號后，需要考慮原有的二次重合閘方案是否適應(yīng)。通過對保護功能對比發(fā)現(xiàn)，雖然CB2第一次重合閘設(shè)置為先合，但仍存在單相故障時CB2不進行第一次重合閘的可能性，由上文分析可知，這會導致CB2不能正確判斷第一次重合閘是否合于多相故障。下面仍以圖1所示系統(tǒng)為例進行具體原因分析。“六統(tǒng)一”線路保護有聯(lián)跳對側(cè)功能，在一側(cè)合于故障加速跳閘后，會發(fā)送聯(lián)跳信號去跳對側(cè)三相。如果N側(cè)線路保護跳閘比M側(cè)早很多，CB4就最先重合，重合于故障后加速聯(lián)跳M側(cè)三相，使得CB2第一次重合閘放電，直接起動CB2的第二次重合閘。CB2沒有進行第一次重合閘，不能判斷第一次重合是否合于多相故障，因此無法實現(xiàn)多相故障閉鎖第二次重合閘。為解決此問題，對二次重合閘方案進行修改。CB3、CB4的斷路器保護裝置投入“單重檢線路有壓”控制字，投入此控制字后，CB3和CB4需要檢測到線路三相均有壓后才會發(fā)第一次重合閘命令，即需要CB1或CB2第一次重合閘成功后才能重合；同時已知CB2比CB1先進行第一次重合閘。綜上可以看出，采用此設(shè)置后，可以保證CB2先進行第一次重合閘，從而使CB2在第一次重合于多相故障時給第二次重合閘放電。CB3和CB4投入“單重檢線路有壓”控制字會導致N側(cè)第一次重合閘時間較晚；如果不考慮上述N側(cè)第一次重合較早導致CB2不能進行第一次重合閘的情況（此情況出現(xiàn)概率很低），CB3和CB4就可不投入“單重檢線路有壓”控制字。根據(jù)“六統(tǒng)一”規(guī)范要求，3/2接線斷路器的斷路器保護裝置，在常規(guī)站為單套配置，在智能站為雙套配置。目前試運行的二次重合閘裝置只適用于常規(guī)變電站，其重合閘功能只考慮單套配置的情況；隨著智能變電站的推廣應(yīng)用，二次重合閘功能必須要考慮應(yīng)用于智能變電站時雙套配置的情況，此時可能兩套保護的重合閘功能均投入，需要考慮兩套保護之間重合閘功能的配合。若兩套保護的重合閘功能均投入，則兩套保護的第一次重合閘動作時間可能有差異，此差異正常情況下應(yīng)該很小，但需要考慮極端情況下的差異可能較大，進而影響到二次重合閘的情況，影響分析如下。假設(shè)圖1中CB1—CB4的斷路器保護均雙套配置，線路單相故障后，CB2的A套保護第一次重合閘動作時間較早，重合于單相故障后線路保護又跳閘，此時B套保護的第一次重合閘還未動作，B套保護的重合閘處于充電完成狀態(tài)，且收到線路保護三跳信號，按照上文所述邏輯，B套保護認為初始故障為多相，B套保護的二次重合閘誤放電。造成此問題的原因，是由于原方案只考慮了斷路器保護單套配置，若本斷路器為先合且第一次重合閘未動作，則可以認為線路本側(cè)未進行第一次重合閘；斷路器保護雙套配置后，上述邏輯不成立了，因為可能同一斷路器的另一套保護先發(fā)了重合閘命令。在圖2的第二次重合閘放電邏輯中，增加閉鎖條件“第一次重合閘起動超過200ms”（如圖5所示）。因為第一次重合閘時間整定值遠大于200ms，即使A套保護比B套保護的一次重合閘起動早，在B套保護第一次重合閘起動200ms內(nèi)，A套保護應(yīng)該也未達到重合閘動作時間。此時如果收到線路保護三跳信號，就可以認為不是由于A套保護先發(fā)重合閘命令引起的線路保護三跳，而是由于初始故障為多相故障導致的線路保護三跳；反之，如果在B套保護第一次重合閘起動超過200ms后收到線路保護三跳信號，此時就認為是A套保護先重合閘導致的線路保護三跳，不給二次重合閘放電。3 基于國網(wǎng)“六統(tǒng)一”原則的二次重合閘方案通過上述分析，對原有二次重合閘方案進行修改，提出新的二次重合閘總體方案如下：1）在“六統(tǒng)一”斷路器保護裝置上增加二次重合閘功能，線路保護裝置的邏輯不進行修改。2）設(shè)置獨立的第二次重合閘充放電邏輯，只有在第二次重合閘充電完成的情況下，第二次重合閘才有可能起動和動作。3）第一次重合閘只考慮單重方式，第二次重合閘為三重方式。4）斷路器保護裝置增加“二次重合閘時間”、“檢同期最長等待時間”定值，前者用于設(shè)置第二次重合閘延時，后者用于設(shè)置第二次重合閘延時滿足后等待同期條件滿足的最長時間。5）線路兩側(cè)的共4臺斷路器，其中將一臺斷路器設(shè)置為重合閘檢無壓方式（圖1中CB2），其余3臺斷路器設(shè)置為重合閘檢同期方式，CB2先進行第二次重合閘。6）閉鎖第二次重合閘的外部信號通過保護裝置原有的閉鎖重合閘接收端口輸入（GOOSE虛端子或光耦開入端子），并取消線路保護閉重輸出信號至斷路器保護閉重輸入端子之間的接線。7）第二次重合閘的起動邏輯和動作邏輯同華北電網(wǎng)當前試運行的二次重合閘功能邏輯，分別如圖6和圖7所示。8）斷路器保護裝置增加故障選相邏輯，用于區(qū)分單相故障和多相故障；若選相邏輯被判別為多相故障，則第二次重合閘放電，不再重合。此處的多相故障包含兩種情況：①初始故障為多相故障； ②初始為單相故障，第一次重合閘時變?yōu)楹嫌诙嘞喙收稀?/section>9）將圖1中CB2的第一次重合閘設(shè)置為先合（第一次重合閘時間定值整定較CB1小一個級差）；CB3和CB4投入“單重檢線路有壓”控制字（若不考慮上文所述CB2不能進行第一次重合閘的情況，則也可不投）。10）對于初始故障為多相故障的情況，二次重合閘放電邏輯如圖5所示，本斷路器重合閘檢無壓控制字投入，第一次重合閘處于充電完成狀態(tài)，收到線路保護三相跳閘信號，且本斷路器第一次重合閘未起動超過200ms，則認為三跳是由于線路保護故障選相為多相，給第二次重合閘放電。11）對于初始為單相故障但第一次重合閘時變?yōu)槎嘞喙收系那闆r，由斷路器保護裝置根據(jù)電流電壓特征進行判別，二次重合閘放電邏輯為，本斷路器重合閘檢無壓控制字投入，電氣量判據(jù)選相為多相，且收到線路保護三相跳閘信號，則認為是多相故障，給二次重合閘放電，如圖4所示。采用上述改進方案后，500kV輸電線路二次重合閘功能可適用于采用國網(wǎng)“六統(tǒng)一”規(guī)范的場合。此改進方案已在滿足“六統(tǒng)一”規(guī)范的保護裝置上實現(xiàn)，并通過實時數(shù)字仿真測試驗證了其可行性。本文分析了目前華北電網(wǎng)500kV輸電線路試運行的二次重合閘方案在國網(wǎng)“六統(tǒng)一”規(guī)范下存在的適應(yīng)性問題，包括線路保護聯(lián)跳對側(cè)功能帶來的問題、斷路器保護取消先合壓板帶來的問題、斷路器保護雙套配置帶來的問題等，并對上述問題提出了相應(yīng)的改進措施，使二次重合閘方案能夠適應(yīng)采用“六統(tǒng)一”規(guī)范的場合，對二次重合閘功能的推廣應(yīng)用具有積極意義。
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