高渗透率水电接入的变电站备自投逻辑优化研究_陈志峰.pdf

第51 卷 第4 期 电力系统保护与控制 Vol.51 No.4 2023年2月16日 Power System Protection and Control Feb.16,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.220522 高渗透率水电接入的变电站备自投逻辑优化研究 陈志峰1，沈 娜1，王 玕1，张紫凡1，毕浩然2，梁海锋2(1.广州城市理工学院电气工程学院，广东 广州 510801；2.华南理工大学电力学院，广东 广州 510655)摘要：首先分析了含高渗透率水电区域电网的孤网运行频率特性，指出水电残压造成变电站备自投动作时间长、正确动作率低的问题，提出了含高渗透率水电区域电网的快速同期并网功能的方案，并指出了增加频率变化率作为快速同期并网判据以及水电机组高频保护判据的必要性。提出了基于扩展卡尔曼滤波的快速频率及频率变化率计算方法，给出了电网基波频率快速跟踪算法流程。在此基础上，根据小水电孤网初期频率不能突变的特征，提出了改进的备自投及水电机组高频保护逻辑。通过 PSCAD 仿真验证了对含高渗透率水电区域电网的孤网运行频率特性分析的正确性，并在自主研发的备自投装置中实现并验证了所提算法。通过实际工程验证了所提备自投方案的有效性。所提备自投方案可显著降低含高渗透率水电区域电网的备自投时间，提升电网的供电可靠性。关键词：高渗透率水电；备自投；自动同期；扩展卡尔曼；高频保护 Logic optimization of a transformer substation busbar automatic transfer switch with high penetration of hydropower CHEN Zhifeng1,SHEN Na1,WANG Gan1,ZHANG Zifan1,BI Haoran2,LIANG Haifeng2(1.School of Electrical Engineering,Guangzhou City University of Technology,Guangzhou 510801,China;2.School of Power,South China University of Technology,Guangzhou 510655,China)Abstract:An analysis is made of the frequency characteristics of isolated grid operation of a regional power grid with high permeability of hydropower,and points out the problems of long operation time and low correct operation rate of substation standby automatic switching caused by hydropower residual voltage.It puts forward a scheme of a fast synchronous grid connection function of the regional power grid with high permeability hydropower,and points out the necessity of having increasing frequency change rate as the criterion of fast synchronous grid connection and the criterion of high-frequency protection of hydropower units.A calculation method of fast frequency and frequency change rate based on extended Kalman filter is proposed,and the algorithm flow of fast tracking fundamental frequency of power grid is given.From the knowledge that the initial frequency of a small hydropower isolated network cannot change suddenly,an improved standby automatic switching and high-frequency protection logic of hydropower units are proposed.PSCAD simulation is used to verify the analysis of the frequency characteristics of isolated network operation of a regional power grid with high permeability hydropower,and the proposed algorithm is implemented and verified in the self-developed standby automatic switching device.The effectiveness of the proposed automatic switching scheme is verified by practical engineering.The scheme proposed in this paper can significantly reduce the standby automatic switching time of a regional power grid with high permeability of hydropower and improve the power supply reliability of the power grid.This work is supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51477057).Key words:high penetration hydropower;busbar automatic transfer switch(BATS);automatic synchronization;extended Kalman;high frequency protection 基金项目：国家自然科学基金项目资助(51477057)；南方电网公司科技项目“美丽乡村建设背景下的农村电网用电质量改善综合技术研究”资助(GDKJXM20185764)；广州城市理工学院杰出青年教师科研项目“多能互补的微电网能量管理系统及控制策略研究”资助(KY200110)；广东省科技创新战略专项资金拟资助立项项目“风光储微电网能量控制策略研究”资助(pdjh2021a0669)-158-电力系统保护与控制 0 引言 中国水利资源丰富，中小型电站是水利资源开发利用的重要组成部分，小水电具有就地开发、就近接入等特点，主要通过 10 kV 线路接入 110 kV 变电站。110 kV 电网多采用环网建设、开环运行方式1-2，并通过备自投装置对主、备供电线路自动切换。常规的备自投装置均以母线失压为动作条件，对于小水电高渗透率接入的变电站，若主供线路跳闸，将形成孤网运行状态，需所有小水电解列后才能动作，等待时间长达数十秒甚至数分钟，易破坏稳控装置与备自投装置间的协调性3-4，并造成备自投拒动5-7。为了减少小水电接入对 110 kV 备自投的影响，已进行了一些研究及工程应用。文献8-9通过解列小水电，变电站能在较短延时满足母线无压条件，使备自投可以及时动作；文献10-12提出在备自投增加自动同期并网功能，配合高频解列水电方式，实现变电站孤网运行期间自动并入主网；文献13-15采用区域稳控技术，通过实时计算断面生成控制策略，在变电站孤网运行后快速切机，避免出现高频状态，再进行同期并网，提高了并网的成功率。文献16以在断路器合闸回路中并联电阻的方式抑制冲击电流，进而减少小水电切除数量。但并联电阻会极大地限制联络线的传输容量17，加剧小水电侧系统的功率不平衡。自动同期并网的备自投可避免变电站短时停电，优于传统的解列小水电后检无压合闸。从现有的研究成果来看，对于大量小水电接入的变电站，其备自投仍存在并网时间长、正确动作率低的问题。因此，为保证高渗透率水电接入的变电站供电可靠性，很有必要对目前的备自投动作逻辑进行优化。1 小水电区域电网备自投分析 1.1 孤网运行分析 含小水电 110 kV 变电站示意图如图 1 所示。变电站主供线路跳闸发生孤网运行后，小水电与本地负荷形成的孤网由于功率不平衡，频率与电压会发生变化，系统的频率变化影响因素包括两方面18-19：一方面与水电机组不平衡功率有关，另一方面与孤网系统容量及惯性有关。memejjd11()()dTTPPtTT=-(1)式中：为发电机的转速；mT为输入机械转矩；eT为输出电磁转矩；jT为发电机惯性时间常数；mP为机械功率；eP为电磁功率。图 1 含小水电的 110 kV 变电站示意图 Fig.1 Schematic diagram of 110 kV substation with small hydropower 小水电机组转速的变化来源于机组的电磁转矩、机械转矩的不平衡。对于送端型小水电区域电网与主网因故障解列后，机组调速器将降低机械功率以适应当地负荷需要，而当前小水电普遍存在调速器调节能力差、自动控制程度低的问题，因此孤网运行后必将造成频率快速上升。此时，部分定值较灵敏的小水电机组因超速保护而动作切机，剩余机组将继续支撑孤网运行，而这期间存在较大频率波动。综上，含高渗透率小水电的区域电网，孤网运行后频率将逐渐变高，在机组保护和调速器的作用下，频率再降至工频继续运行，或降至低频而失压。在孤网运行期间，根据水电机组调节能力及负荷变化情况，变电站将出现短时或长期孤网运行状态。若此时备自投以母线无压为启动和动作判据，受水电的影响，变电站进线备自投存在动作时间较长及可能拒动的问题。1.2 备自投逻辑分析 常规备自投以母线无压为动作判据(见表 1)，由于多数水电站采用T接方式接入公用线与用电负荷共线，若小水电机组投入高频解列，虽然满足备自投的动作条件，但导致水电利用率较低、本地负荷失压时间长。并且若小水电较多，多轮解列时间长，母线残压较高，还会造成备自投长时间拒动。表 1 常规备自投动作判据 Table 1 Routine automatic switch operation criteria 启动条件 逻辑条件 判断依据 母线无压 母线无压 MN30%UU 进线无流 AN10%II 备用线有压 BN70%UU 进入孤网运行的变电站，可采用同期方式再次并入电网，改进后的备自投动作判据如表 2 所示。同期方式的备自投，启动条件除了保留母线无压外，陈志峰，等 高渗透率水电接入的变电站备自投逻辑优化研究 -159-还增加了母线频率越限；动作条件则增加了同期并网的主要判据。该判据使备自投装置在变电站失压或孤网运行时均可动作，缩短了变电站恢复供电的时间。根据该逻辑研制的改进型备自投装置已由笔者组织开发并投入运行，详细动作逻辑可见文献10。表 2 改进后备自投动作逻辑 Table 2 Improved back-up automatic switch-in action criteria 启动条件 逻辑条件 判断依据 母线无压/母线频率越限 母线无压/频差、压差、角差符合并网条件 MN30%UU OR se