地方小电源对备自投控制策略的影响研究

周 晨

安庆供电公司运维检修部，安徽省 安庆市 246000

地方小电源对备自投控制策略的影响研究

周 晨

安庆供电公司运维检修部，安徽省 安庆市 246000

备用电源自动投入是保证供电可靠性的重要措施，但是变电站备自投控制策略易受地方小电源干扰，特别是在有大量小水电上网的地区电网中情况尤为严重。本文通过对皖南某地区电网进行详细数字仿真，针对小水电对110kV变电站备自投控制策略的影响进行了深入研究，进而给出了一般性的变电站备自投控制策略。

备自投；地方小电源；数字仿真

引言

近年来，随着电网规模的不断扩大，电力系统网络结构日益复杂，为保证供电可靠性，系统中一般多采用环形电网供电。但是，大量的电磁环网结构，对电力系统的安全稳定运行又造成了一定威胁。《3～110kV电网继电保护装置运行整定规程》明确指出：对于该类电压等级的电网，宜采用环网布置、开环运行方式，并以自动重合闸和备用电源自动投入来增加供电可靠性。

备自投装置，也常简称为“备自投”或“BZT”是当工作电源故障和其它原因被断开后，能迅速自动地将备用电源或其它正常工作电源投入工作，使正常工作电源被断开的用户不至于停电的一种自动装置。现有的备自投控制逻辑中最基本的原则是：只有当工作电源确实被断开后，备用电源才能被投入，故障不能由备自投切除。

然而，目前备自投的故障掉电检测信号一般是电压，检测信号单一往往易导致备自投的误动和拒动现象的发生，对于存在大量地方小电源的地区，由于地方小电源对系统电压的支撑作用，该问题尤为突出。本文以皖南某地区电网为实例，该地区存在大量的小水电，通过模拟仿真，针对地方小电源(小水电)对备自投控制策略的影响做了深入的研究分析。

1 仿真模型的建立

运用MATLAB/Simulink软件包建立仿真模型，模型如下图1。

图1 小水电对备自投装置影响的仿真模型

参数设置：

（1）小水电的变压器参数设置

容量：100MVA；电压：13.8/110kV；接线组别：Y/△11；绕组电阻：0.002pu；绕组电感：0.08pu；激磁电阻：500pu；激磁电抗：500pu。

（2）线路参数的设置

线路L和L1的参数设置：线路长度：103.9km；单位长度电阻：0.131Ω/k；单位电抗：0.401Ω/km；线路L2的，参数与L相同，线路长度：8.22km。

（3）备自投装置用两个断路器模拟，断路器B2在3秒钟断开，断路器B1在18秒合闸，即备自投装置延时15秒动作。

（4）水电机组用下面的模型仿真。包括异步电机、原动机、励磁系统、电机测量模块。

（5）测量模块。用来测量联络线和备用侧线路的电流和母线电压。电压和电流均是幅值的标幺值,以100MVA为基准值进行标幺化的。

2 小水电对备自投控制策略影响的仿真研究

2.1 不同出力情况下小水电对备自投的影响

这里研究小水电不同出力下，带小水电投切对备自投装置的影响。参数设置：

a) 备用侧电源负荷水平：70%；

b) 主电源与备用侧电源的相角差：1度；

c) 备投负荷：25MVA。

下面的图2、图3、图4、图5分别绘制了当小水电出力由小到大，四种典型情况下，影响备自投控制策略的4大指标相应的变化情况，这4大指标分别是发电机转速曲线，备自投动作前后的母线电压，备自投动作前后联络线上电流，备自投动作前后备用侧线路上电流。

（1）小水电发电机组转速

图2 小水电不同出力下的转速曲线

从图2的2组数据和其余8组实验结果数据中可以看出，当小水电的出力小于15MVA时，水电机组的转速会迅速下降，在备自投动作前，转速均会将至0.1pu以下，当小水电出力为40MVA时，由于小水电的出力能够满足负荷需求，转速波动不大，最大转速不会超过1.06pu，能够稳定运行。

（2）备自投动作前后的母线电压

图3 小水电不同出力下的备自投动作前后的母线电压

从图3和其余8组实验数据中可知，由于小水电的支撑作用，在主电源中断供电后，母线会保持一定的残压，这个电压随着小水电的出力增加而增大，当小水电的出力为15MVA时，残压达到了0.75pu，已经高于备自投装置的整定值。

（3）备自投动作前后联络线上电流

图4 小水电不同出力下的备自投动作前后的联络线电流

从图4和其余的8组实验数据中可知, 备自投动作后，联络线上的电流也随着小水电出力的增大而增大。当小水电出力为1MVA时，备自投动作后联络线上的电流已经达到361A（0.48pu）。当小水电出力分别为2MVA联络线上的电流分别为496A（0.66pu）已是正常负荷电流的2.64倍。

(4) 备自投动作前后备用侧线路上电流

从图5和其余的8组实验数据中可知，备用侧线路上的电流也随着小水电出力的增加而增大。当小水电的出力为1MVA时，备自投动作后备用侧线路上的电流为1707A（2.27pu），达到变压器容量的75%,当小水电的出力为5MVA时，备自投动作后备用侧线路上的电流为2233A（2.97pu），达到变压器额定容量的99%。当小水电的处理超过5MVA备用侧线路会过载。

图5 小水电不同出力下的备自投动作前后的备用侧电流

10组实验数据的统计的仿真结果如下表1所示：

表1 仿真试验结果Tab.1 simulation results

小结：综合考虑各种因素，可以得出备自投带小水电投切对与常规备自投投切前后的电网关键信息指标的影响非常大。

2.2 不带小水电的备自投装置的投切方案研究

由于是不带小水电的备自投装置投切策略，所以只需要分析备自投动作前后联络线上的电流和备用侧线路上的电流变化情况即可，仿真图如图6。

图6 不带小水电情况下备自投动作前后电流变化情况

从图6可以看出，联络线上的电流就是备投负荷的正常负荷电流188A(0.25pu)，备用侧线路上的电流是备用侧原来所带负荷和备投负荷的负荷电流1564A(2.08pu)，两个指标参数均正常。

3 结语

（a）备自投装置的整定值是否需要修改?

在主电源中断供电时，由于小水电的支撑作用，使母线电压不会降为零，且母线电压随着小水电出力的增加而增大，当小水电出力≥15MVA时，母线电压会达到≥0.75pu，超过了备自投装置的整定值，使备自投装置拒动。从仿真结果来看，可以适当提高备自投装置的整定值。

（b）联络线的保护定值是否需要修改？

备自投装置带小水电投切，会导致联络线上的电流增大，并且电流的增幅比较大，且会随着小水电出力的增加而增大，当小水电出力为10MVA时，联络线上的电流已达到1429A(1.9pu)。从而使得联络线上的保护动作。由于当小水电出力为1MVA时，电流达到了正常负荷电流的1.92倍，出力增加时联络线上的电流会更大。因此，单纯修改联络线上的保护定值是没有实际价值，应该参照具体的实际情况，在主线路中断供电期间，退出小水电运行。

（c）备用侧线路和变压器是否会过载？

由于联络线上的电流随小水电出力的增加而增大，同时备用侧线路的电流随着负荷水平增大而增大。当小水电出力较大且备用侧负荷水平较高时，都会引起备用侧线路过载，参照、结合结论（b），非正常运行状态，可考虑切除小水电运行。

（d）是否可以先切一部分负荷，再带小水电投切备自投装置？

当切除一部分负荷后，仍然不能满足负荷需求时，小水电的转速仍然会下降，且在备自投动作之间转速会降至0.1pu以下；当切除一部分负荷后，能够满足负荷需求时，会使母线电压维持在较高的水平，使得备自投装置拒动。因此，先切一部分负荷，再带小水电投切备自投装置是不合理的。

综合考虑小水电转速、母线电压、联络线上保护装置和备用侧线路和变压器的容量等因素，建议存在小水电的备自投装置采用先切小水电，再投备自投。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.23.006