220kV终端变电站负荷转供策略研究

戚 峰，陈 刚，钱碧甫，陈 立

（国网浙江省电力公司温州供电公司，浙江 温州 325000）

220kV终端变电站负荷转供策略研究

戚 峰，陈 刚，钱碧甫，陈 立

（国网浙江省电力公司温州供电公司，浙江 温州 325000）

介绍了浙江电网220kV终端变电站典型接线和负荷转供方式，总结其在实际运行中存在的不足。深入探讨局部小电源对负荷转供控制策略的影响，并采用捕捉同期合闸方案，通过精确捕捉最佳“合闸时机”，实现了差频转供。另外，针对双母线中一条母线检修时常规负荷转供功能停用的缺陷，增设了相应的负荷转供方式，降低保护功能频繁投退带来的风险。改进后的装置显著提高系统的供电可靠性，且适用性强。

负荷转供；捕捉同期合闸技术；差频转供；供电可靠性

0 引言

随着电力系统由原先的集中方式向分布方式发展，系统的调度和控制变得越来越复杂。尤其是在电网发生故障时，大量的遥测、遥信及保护信息往往使调度员难以在短时间内做出正确及时的处理。保证供电可靠性的重要手段之一是在变电站内配置负荷转供装置。国内负荷转供装置虽然在中低压电网中得到广泛应用，但在220kV及以上高压电网中却极少应用[1]。浙江省电力公司所管辖的少数220kV终端变电站使用了负荷转供装置，虽然积累了一定的运行经验，但实际使用情况却并不令人十分满意，因此，对220kV负荷转供的研究十分迫切。为此，结合常规负荷转供逻辑，具体分析其在运行中存在的问题并提出了解决方案。

1 220kV典型负荷转供方式和存在的问题

浙江省220kV电网终端变电站220kV侧多采用4路电源进线双母线供电方式，部分变电站的中低压侧通过联络线与附近的地方小电源或中小型热电厂相连[2]，系统典型接线如图1所示。

1.1 常规负荷转供方式

浙江省220kV常规负荷转供装置大多采用CSS-100BE数字式安全稳定控制装置（适用于双母线接线方式的终端变电站）。线路按2组双回线配置，假定L1和L2为一电源进线组，L3和L4为一电源进线组，不考虑倒闸时的运行方式，简化后的系统一次接线如图2所示。

常规负荷转供装置有线路备供和母联备供2种方式。

（1）线路备供1（方式1）：母线并列运行，进线L1接正母运行，进线L2接副母运行，进线L3、进线L4双线热备。充电条件为：母联开关合位，且至少有一条线路满足可备供条件。当所有主供线路故障或上级变电站故障时，装置动作跳开所有主供线路开关，合上可备供线路开关，为母线恢复供电。

图1 系统典型接线

图2 系统简化接线

（2）线路备供2（方式2）：母线并列运行，进线L3接正母运行，进线L4接副母运行，进线L1、进线L2双线热备。充电及动作逻辑与方式1类似。

（3）母联备供（方式3）：母线分列运行，进线L1、进线L2双线接正母线运行，进线L3、进线L4双线接副母运行。充电条件为：母联开关在分位，且正母、副母三相均有压。当正母上所有主供线路故障或其上级变电站故障时，装置动作跳开其所有无流线路开关，合上220kV母联开关为正母恢复供电。反之，当副母上所有主供线路失电时，装置动作跳开其所有无流线路开关，合上220kV母联开关为副母恢复供电。

对于主供线路故障后，启动负荷转供流程跳开故障线路的时限问题，通常对于母线无压、主供线路无流的判别逻辑，其动作时限必须躲过线路整定的单相重合闸或三相重合闸时间。

1.2 运行中存的在问题

1.2.1 孤岛运行对负荷转供策略的影响

孤岛现象是指电网失压时，地区小电源仍保持为电网中一部分线路继续供电的状态。常规负荷转供装置采用母线无压、主供线路无流作为隔离故障线路、启动负荷转供的条件，如果此时系统的中低压侧存在局部小电源供电，那么上述动作条件显然无法成立[3]。

以图1系统为例，当所有主供线路失电时，由于110kV侧存在发电厂联络线和地区小电源，在一定条件下支撑起了母线电压，使220kV母线残压很高甚至接近系统额定电压，此时若采用常规负荷转供方式，无压条件无法满足，装置动作的成功率将大大降低。

1.2.2 母线检修时转供功能停用的问题

双母线接线形式下，当其中一条母线停电检修，主供线路、备供线路同在一条母线运行时，常规负荷转供功能退出运行。

以图1系统为例，当220kV正母运行，副母检修，倒闸后4条进线都运行于正母，如果此时主供线路发生故障或上级电源失电，备供电源将无法实现正常转供，系统的供电可靠性无法得到保障。另外，单母运行时检修母线无电压且母联开关在分位，不满足备供线路“正母、副母三相均有电压”的充电必要条件，装置无法进行充电。

2 负荷转供策略探讨

为解决运行中存在的上述问题，在全省电网220kV变电站增设负荷转供装置时，需要寻求一种更为灵活、可靠的转供策略。通过分析不难发现，局部小电源或备供电源都可以单独对母线进行供电[4]，以下分别就这2种供电策略展开详细探讨。

2.1 小电源供电策略探讨

通常状态下，母线通过主供线路与系统大电网相连接时，负荷转供装置检测母线的频率即为主系统频率。当系统发生孤岛现象时，一旦孤立系统的有功功率失去平衡，其母线频率必然与主系统频率产生偏差Δf。因此，可以借鉴系统低频解列原理[5]，在负荷转供启动逻辑中增设频率异常检测功能。

假设小电源通过发电机的自动调速装置或低频解列装置切除部分负荷将系统有功功率调至平衡，此时频差Δf稳定在允许范围内，且正母、副母电压迅速提升至“检母线无压”定值以上。因此，这种趋向平衡的孤立子电网系统，短时间内仍能继续保证稳定供电，无需通过负荷转供来完成备供电源的切换，电网调度员有充足的时间，通过遥控操作改变系统运行方式，将电网子系统重新并入主网系统。当地区小电源装机规模较小或自动调速后并网电量还不能够保持孤立系统的有功功率平衡，将发生以下2种情况：

（1）小电源被迅速切除或子系统原本就无小电源，此时母线电压迅速跌落至“检母线电压”以下，满足负荷转供装置启动条件，跳开主供线路开关后，进入备供电源转供流程。

（2）子系统有功缺额较大或小电源自动调速失控造成频率异常，频差Δf超过了允许值ΔF，此时负荷转供装置可通过检测母线频差越限且主供线路无流条件来启动，跳开主供线路开关后，进入备供电源转供流程。

2.2 备供电源转供策略探讨

通过进线开关位置辅助触点变位来判断故障线路已被切除，经短延时后启动备供电源转供逻辑。备供电源的投入可以借鉴线路检无压或检同期重合闸的方式，执行无压转供或检同期转供[6]。

（1）无压转供逻辑相对简单，当装置检测到母线无压且备供线路电压正常时，就可启动负荷转供流程（合母联开关或备供线路开关），通过检测开关位置辅助触点变位来判断是否合闸成功。

（2）由于地区小电源的存在，220kV终端变电站一旦出现孤岛现象，电网子系统的有功缺额往往比较大，且负荷转供动作时限还需要躲过线路整定的单相重合闸或三相重合闸时间，此时，孤立系统频率与主系统频率偏差已经很大，传统的检同期合闸会给系统带来较大的冲击，甚至无法实现合闸功能[7]。为适应这种特殊运行方式，可采用捕捉同期合闸方案。

由于频率偏差Δf的存在，使得相角差φ随时间变化。备供电源与母线的电压矢量差波形如图3所示。其中，考虑到合闸回路动作有一定的延时tDC，为了能在点B时刻合闸，必须提前在点A时刻发出合闸命令[8]。

图3 电压滑差

捕捉同期技术原理就是装置通过实时检测母线与备供电源的频差以及频差的变化量，根据已知的导前时间tDC，提前推算出合闸到零相角差的导前角。理想合闸导前角φd计算如下式：

式中：Δf为备供电源与母线平均频差；dΔf/dt为频差变化率；t为导前时间。当时（根据负荷转供要求，ε一般控制在3°以内），立即向开关发送合闸脉冲；φe为当前测量到的相角差。

理论上捕捉同期合闸技术适用允许条件为：电压幅值差ΔU≤（5%～10%）Ue；频率差Δf≤3.5Hz；合闸瞬间，相角差φ≤10°。

当相角差或频率差超过了允许值时，式（1）中用频率差的二阶导数d2Δf/dt2来模拟相角差的变化曲线误差会很大，而且孤岛运行时的负荷特性在低频时存在不完全连续性和较大离散性，此时捕捉同期合闸方案已不再适用。这种情况下，孤立系统可以通过发电机自动调速增加有功输出或由低频减载装置切除一部分负荷，直到系统频率提升至频差允许值以上，再通过捕捉同期实现合闸。但采用这种方法使负荷转供功能一直处于一个较长的等待过程，一方面增加了系统故障存在的时间，另一方面将造成更大的负荷损失[9]。因此，可以选择在低频减载切负荷前，立即切除小电源线路，确认断路器跳开且母线无压，再通过检无压转供逻辑，恢复母线供电。

3 负荷转供软件改进设计

文中所介绍的220kV终端变电站负荷转供装置在具备原有常规负荷转供功能的基础上，对功能逻辑进行了改进和完善，使其在小电源参与系统供电和单母线运行方式下，具有普遍适用性。

3.1 捕捉同期合闸功能设计

正常运行时，负荷转供装置实时监测主供线路的电流幅值、母线与备供线路的电压与频率，根据负荷转供运行方式完成充电准备（对线路备供，检查备供线电压；对母联备供，检测另一段母线电压）。当装置检测到母差保护动作、开关TWJ异常、手跳主供线路开关等开入量时，立即放电闭锁负荷转供功能。负荷转供软件流程如图4所示。

图4 负荷转供流程

（1）当检测到所有主供线路无流，但母线电压、频率都处于正常范围内时，很可能是小电源支撑起了母线电压，此时无需启动负荷转供逻辑；当检测到所有主供线路无流，且母线电压迅速跌落至“检无压”定值以下，装置经躲重合闸延时后跳开所有主供线路开关，待检测到线路开关确认已跳开，启动检无压转供逻辑，立即合上备供线路开关（线路备供）或母联开关（母联备供）。

（2）当检测到母线与备供线路的频率与电压出现偏差，且偏差量均不超过设定的上限值，装置经躲重合闸延时后跳开所有主供线路开关，待检测到线路开关确认已跳开，启动差频转供逻辑，推算出理想合闸导前角，一旦捕捉到最佳合闸时机（当前相位差与导前角基本一致），立即合上备供线路开关（线路备供）或母联开关（母联备供）。

（3）当检测到母线与备供线路的频率与电压的偏差量超出了设定的上限值，待主供线路开关跳开后，立即联跳中低压侧小电源线路开关。确认线路开关已跳开且母线无压后，启动检无压转供逻辑，立即合上备供线路开关（线路备供）或母联开关（母联备供）。

3.2 单母线运行时转供功能设计

针对双母线中一条母线检修时常规负荷转供功能退出运行的问题，解决方案为：增设如下4种单母线运行时的线路备供方式。

方式4：副母检修，进线L1、进线L2主供运行于正母，进线L3、进线L4热备于正母。

方式5：副母检修，进线L3、进线L4主供运行于正母，进线L1、进线L2热备于正母。

方式6：正母检修，进线L1、进线L2主供运行于副母，进线L3、进线L4热备于副母。

方式7：正母检修，进线L3、进线L4主供运行于副母，进线L1、进线L2热备于副母。

增设上述备供方式后，保证主供线路、备供线路同在一条母线运行时，仍能灵活、可靠地实现负荷转供功能。

针对双母线中一条母线检修时常规负荷转供装置不满足“正母、副母三相均有压”充电必要条件的问题，解决方案为：接入4条线路的正、副母闸刀位置辅助节点用于判别系统运行方式，并将“检正母、副母三相均有压”改为“检正母有压”或“检副母有压”，且母联开关分位不参与放电条件。以方式4为例，其充电逻辑如图5所示。

4 结语

针对浙江省电网220kV终端变电站的负荷转供装置在实际运行中存在的问题进行了分析，深入探讨了小电源供电对负荷转供控制策略的影响，将捕捉同期合闸技术运用到其中，大大提升了系统供电的安全性、可靠性。通过增设线路备供方式，保证了装置在单母线运行时仍能投入使用，降低了保护功能频繁投退带来的风险。该装置已成功应用到温州某220kV变电站，实际运行效果证明该装置负荷转供功能配置灵活、可靠，具有一定的推广价值。

图5充电逻辑框图

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[2]刘金官，王展，汪献忠.220kV微机型备用电源自动投入装置研究[J].电力自动化设备，2005，25（1）:95-100.

[3]杨建勋.光伏电站功率控制孤岛检测方法[J].河北理工大学学报（自然科学版），2010，32（4）:65-69.

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[5]王杨，万凌云，胡博，等.基于孤岛运行特性的微电网可靠性分析[J].电网技术，2014，38（9）:2379-2385.

[6]周晓宁，徐伟，胥传普，等.计及负荷转供措施的电网设备过载辅助决策[J].电力系统保护与控制，2013，41（23）:61-66.

[7]郗来君.变电站自动化系统中安全自动装置的几个问题[J].黑龙江科技信息，2011（27）:28.

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（本文编辑：方明霞）

Research on Load Transfer Strategy of220kV Terminal Substation

QI Feng，CHEN Gang，QIAN Bifu，CHEN Li
（State Grid Wenzhou Power Supply Company，Wenzhou Zhejiang325000，China）

This paper introduces the typical connection and load transfer mode of220kV terminal substation in Zhejiang power grid and summarizes the problems in the actual operation.The influence of local small power supply on load transfer control strategy is profoundly discussed，and the programme of capturing synchronous switching is adopted，which realizes the transfer in difference frequency by accurately capturing the best″reclosing time″.In addition，a load transfer mode is added due to malfunctioning of normal load transfer during maintenance of one bus to reduce the risk from frequent protective function switching.The improved device can significantly enhance the power supply reliability of the system and is of great applicability.

load transfer；capturing synchronous switching technology；transfer in different frequencies；power supply reliability

TM732

：B

：1007-1881（2016）09-0015-05

2016-02-29

戚 峰（1989），男，工程师，主要从事继电保护及自动化专业技术管理工作。