摘要：随着水电、光伏等绿色能源快速发展，导致诸多变电站存在异电源上网，而主网线路故障跳闸导致备自投、重合闸装置不能迅速恢复供电，存在小局部面积孤网运行风险，甚至会造成电压、频率大波动、机组出力不够，引起大面积停电，本文提出改进孤网运行环境下保护装置控制策略，优化控制方法，保障电网的安全稳定运行。
关键字：小水电、孤网运行、智能备自投、控制策略
1、绪论
小水电是国际公认的清洁可再生能源，开发小水电有利于改善农村能源结构，增加清洁能源供应，全面适用可再生能源的相关优惠政策。小水电可分散开发、就地成网，且发供电成本较低，多建在偏远山区，是大电网的有益补充，能在配电网发生故障时保障重要用户供电和提供电压支撑，并具有削峰填谷、平衡负荷、降低网损等积极作用。某地区处于粤东北山区，水电资源丰富，大部分变电站均有小水电上网，主要分布在东江流域，在丰水期当运行线路跳闸后，变电站不会马上失压，使备自投、重合闸装置不能迅速恢复供电。而孤网运行的过程中产生的现象一般有：电力系统的频率出现大幅度下降；随着电力系统的低压率减载装置以及低频率减载装置的动作，让电压逐步恢复以及电力系统频率恢复，可能产生高电压以及高频率现象；电力系统的电压瞬间出现大幅度的下降[2]。
2、孤网运行控制策略分析
2.1 常见孤网架构保护控制策略
（1）标准备自投的控制策略
备自投装置是一种对提高电网供电可靠性切实有效的安全自动装置。在地方区域采取解环、分区运行的供电方式下，备自投装置的作用尤为突出，目前大部分110kV变电站都采用了备自投，线路保护都配置了重合闸功能，传统备自投及目前广泛推广的标准备自投逻辑上有不同的优化，以110kV变电站两进线+分段接线方式为例，如图2-1所示
图2-1 水电上网变电站一次系统图
当线路发生永久性故障，主供线路跳闸，备自投满足条件启动，动作逻辑以一种备投方式为例，结合一次结构图，主要实现的步骤：检测到Ⅰ、Ⅱ母线失压，电源1和电源2线路无电流，延时电源1线1DL、合电源2线2DL开关，备投成功。
（2）线路重合闸的控制方法
在线路保护配置中，重合闸是线路故障快速回复供电的一项重要方式[4]，110kV线路保护重合闸为三相一次重合闸方式,可根据故障的严重程度引入闭锁重合闸的方式。其控制方法主要有：检线有压母无压、检线无压母有压或投重合闸不检方式。
2.2 常规控制策略存在的问题
虽然上述提高采取了一系列措施情况下可以提高重合闸成功率，提高备自投动作的灵活度，但是备自投、重合闸都需要在母线电压失压的情况下实现，对于水电上网线路多的站点，无法实现全面切除，存在以下问题，影响备自投及重合闸装置动作的成功率：
1、若小电源侧变电站投入检同期重合闸方式，由于小电源侧频率的不稳定性，不能长时间满足重合闸检同期条件，最终导致重合失败。
2、若小电源侧变电站投入检母线无压重合闸，当孤网运行的变电站小水电逐步解列后，变电站失压后满足母线无压条件，可实现重合成功。但这种重合闸方式过渡时间较长，从变电站孤网运行到完全失压时间长达数十秒至几分钟，其间孤网运行地区电能质量较差，容易造成用电设备的损坏。
3、若小电源侧变电站具备两路电源，可配置进线备自投装置，备自投装置对于快速恢复供电效果明显，但在有水电上网的变电站则效果不太理想。
3、孤网运行控制策略的改进方案
针对目前标准备自投和线路重合闸功能存在孤网运行变电站的运行效果不理想，在现有的备自投装置功能进行升级改造，增加捕捉同期合闸角、实现频率波动轮切水电，延长母线失压等待时间，快速将孤网运行与主网实现同步连接，降低冲击电流和对电网电压、频率波动的影响。工作原理主要是针对两机系统重合闸最后一次操作的最佳时刻是距离新的稳定平衡点最近的时刻，即角度最接近新的稳定平衡点、角速度接近零的时刻。相关文献给出了一种很成熟实用的在线算法，将送收端两侧等效为功率发送端M、接收端N两个系统，故障跳闸后实时采集两侧母线和线路三相电压、电流、测量出两侧的功角。连续计算可以得到d(t) 的离散值d(k)，角度的微分即是角速度。考虑到发出重合命令到断路器合闸操作完成的延时tB，利用公式(3.1)、(3.2)预测实测点k后tB时点P的角度和角速度；当预测值满足式(3.3)时；瞬时故障重合；满足式(3.4)时，永久故障闭锁重合。
（3.1）
（3.2）
（3.3）
（3.4）
此算法即可以补捉最佳同期频率值，也可以判别是否是瞬时故障还是永久故障。对于单电源供电的变电站，可发挥其自动准同期重合、快速联切水电后重合的功能。
3.1 智能备自投的控制原理
从图2-1水电上网的一次结构图来看，智能备自投在标准备自投的动作逻辑基础上，减少了“判断母线无压”的条件，采用了“低频启动”和“高频起动自投”功能，通过整组起动以后，确认主供开关已跳开(“自投跳主供”控制字投入时)，根据电压和频率是否可以进行准同期合闸进行下述联切过程：
（1）I母、II母三线电压均小于“低压联切定值”，并且不满足无压条件，或者双母均三相PT断线并且“三相PT断线自投”投入，则经“低压联切延时”，3轮联切出口和联切其余水电出口同时出口，切开所有水电上网线路。
（2）“低频起动自投”控制字投入时，如果II母电压频率低于“低频联切定值”，则经“低频联切延时”，3轮联切出口和其他联切出口同时出口，切开所有水电上网线路。
（3）“高频起动自投”投入时，如果II母电压频率高于“高频联切定值”，则经“高频联切一时限”延时，第一轮联切出口动作切开部分水电上网线路；第一轮联切动作以后，如果Ⅱ母电压频率仍然高于“高频联切定值”，则经“高频联切二时限”延时，第二轮联切出口动作切开部分水电上网线路；第二轮联切动作以后，如果II母电压频率仍然高于“高频联切定值”，则经“高频联切三时限”延时，第三轮联切出口动作切开部分水电上网线路。
（4）如果整组起动以后，母线电压高于“低压联切定值”并且频率在“低频联切定值”和“高频联切定值”之间则不进行联切，直接进入准同期合闸流程，实现快速与主网联网。
3.2 重合闸方式的优化
智能备自投设计原理不仅具备备自投功能，还集成了重合闸功能，主要是适用在双回线供电线路+水电上网变电站，如何在主供线路跳闸后能快速启动重合闸，实现频率、电压满足主网条件，迅速恢复主网连接，在原有的备自投中增加频率启动重合、检同期重合的功能，。控制策略如图3-2所示。考虑到接入备用进线电压的不同相别，设置有进线电压相位调整定值。计算压差时，如果线路电压PT二次值为100V时，Ux直接参与计算；如果线路电压PT二次值为57.74V时，使用线电压参与计算。检同期合闸具有频差闭锁，压差闭锁，频差加速度闭锁功能。参与检同期的两个电压的相角差
每个工频周期测量一次，同时根据频差
，频差加速度以及开关动作时间
算出断路器在合闸瞬间的相角差，确保断路器在合闸瞬间的相角差满足整定值。其计算公式如下：
在导前角满足该公式时发合闸脉冲，即可满足整定值要求。
4、相关运行实例与与分析
4.1 优化前运行现状
2016年7月某变电站110kV线路发生单相接地瞬时故障，保护差动动作，14884ms后重合成功，保护整定重合闸时间为1s，控制字检同期、检母无压线有压都投入，备自投不启动，由于水电处在正常发电阶段，跳开麻田线，母线不会失压，水电机组的运转变化，导致装置不能快速捕捉频率的波动，同期重合不能满足频差要求，当频率在14s后检侧到与主网电网频率满足要求，重合成功。
4.2 优化后运行情况
通过在标准备投的基础上增加判据和启动条件，测试成功，在原110kV变电站已进行改造升级，2017年3月，该线路永久性单相接地故障，两侧开关电流差动保护动作，重合闸未动作，40秒后自动准同期备自投装置动作，从而避免2个110kV变电站失压。
从实际运行案列中，通过优化孤网运行的控制策略，孤网运行，水电机组出力不足，电压波动明显，智能备自投装置成功检测到频率变化，补捉到最佳合闸角，智能备自投动作，切除110kV主供开关，合上110kV备供开关，实现主网与水电上网同步运行，实现了“一机双用”，提高孤网运行环境下供电可靠性。
5、结论
本文结合目前山区电网水电资源丰富，上网变电站存在孤网运行的风险提出了一种新型的自动控制装置。通过智能备自投采用的计算方法搭建仿真平台和实际现场闭环测试，通过运行案例显示能够实现捕捉同期重合或备自投动作成功。随着水电资源电源的发展以及运行条件的改善，结合电网控制设备的高速通信、快速计算，可以确定更为细致、实时的控制策略，并结合改善系统保护的速动性，可使分布式电网无论是否合闸成功均能过渡到良好运行状态，为电网带来可观的经济效益。
参考文献：
[1] 卢颖先，肖永辉. 带小电源的变电站全站失压解决方案[J]. 广东电力， 2007，20(9)：20-22.
[2] 刘继安, 王书杰, 江舰. 电网备自投稳控装置在电网中的研发应用[J].继电器， 2007，35(19) ：21-24.
[3] 郭海涛，通辽电网孤网运行的控制策略研究[D].华北电力大学硕士论文，2014.
[4] 王君，王晓茹，谢大鹏，等．孤岛系统的低频减载方案研究[J]．电力系统保护与控制，2010，38(3)：29．52
[5]龙霏．广东电网孤网运行机组动态特性研究与风险评估[D]．广州：华南理工大学，2011.
论文作者:邱翡翠
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/12
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