一种实现母线自愈功能的备用电源自投装置

时建锋, 孙建华

(云南电网有限责任公司曲靖供电局，云南 曲靖 655000)

0 引 言

自愈性[1-2]是指无需或以尽量少的人工干预，实现故障检测、隔离和恢复，最大限度地减少或消除故障对系统的影响，避免发生大面积停电。当前电网为了提高供电可靠性，多采取500/220 kV电磁环网运行，一般以220 kV为电源支撑点向下级电网辐射供电，包括220 kV变电站间的110 kV联络线也多以开环运行。由于系统解环、电网检修、网架改造、分期建设等原因，220 kV变电站可能出现220 kV单线、单母线、或单主变运行等薄弱的运行方式，一旦失压将造成大面积的停电。

传统的备用电源自投装置由于其原理简单，定值易于整定在电网中获得了广泛的应用[3-6]。

其主要是利用本级备用线路、备用主变或备用母线实现进线、主变、分段备投功能。但还存在以下一些局限性：

(1)当220 kV变电站由于上级220 kV电源消失(包括220 kV线路、母线、主变等任一故障因素)引起变电站全站失电时，如何利用下级110 kV备用电源恢复供电，装置无能为力。

(2)装置没有考虑备用电源线路热稳定极限，可能造成线路过载，甚至跳闸。虽然过载控制在稳定控制装置中应用广泛，但在备用电源自投装置中还无应用。

基于上述问题，由于上级电源而非110 kV母线设备原因造成全站失压的情况，传统备用电源自投装置不能满足要求。因此本文提出基于稳定控制原理，扩展现有备用电源自投装置使用范围，实现母线自愈功能：用110 kV联络线恢复110 kV母线和重要线路运行的同时，又可避免因过载引起线路跳闸。

1 备用电源自投装置母线自愈功能介绍

1.1 变电站母线自愈功能

图1 220 kV GT变电站主接线图(正常运行方式)

在变电站中，如图1所示，一般配置传统备用电源自投装置[7-10]，实现以下3种功能：(1)变压器备投：如#1主变供全站负荷，#2主变备用，在运行主变故障时，备用电源自投装置恢复备用主变运行供全站负荷；(2)母联备投：如#1、#2主变各供一段母线，母联热备用，当一台主变故障时，备用电源自投装置断开主变失压侧断路器，恢复母联运行，从而恢复失压母线负荷。(3)进线备投：变电站主供线路一回主供，一回备用，当主供线路故障时，备用电源自投装置断开故障线路进线断路器，恢复备用线路进线断路器供变电站负荷。

图2 220 kV GT变电站主接线图(特殊运行方式)

220 kV变电站大多设置110 kV联络线(如110 kV D5线)，确保事故情况下有电源支援，如图1、2所示(白色代表分位，黑色代表合位)。由于上级220 kV线路、母线、主变等非110 kV母线设备原因造成110 kV母线失压和特殊方式下(#2主变检修，110 kV联络线D5线供一段母线负荷，#1主变供另一段母线负荷， 110 kV母联热备用)，运行主变所供母线失压情况，这些由于上级电源而非110 kV母线设备原因造成全站失压，传统备用电源自投装置无能为力，本文主要解决此问题。在传统备用电源自投基础上，引入稳定控制原理，进行失稳判别和过载判别，形成变电站母线自愈功能，其原理是：

(1)在正常运行方式下(如图1所示)，220 kV GT变由#1、#2主变并列运行供电，110 kV联络线D5断路器热备用。当发生GT站全站失压时，母线自愈功能通过判稳定(见式1)，若系统失稳，断开#11DL、#2主变2DL，用110 kV联络线D5恢复110 kV母线运行；若过载(见式2)，按设定定值切除部分出线负荷，从而保证恢复重要线路负荷，保障供电的连续。

(2)在特殊运行方式下(如图2所示)，220 kV GT变110 kV联络线D5线供一段母线负荷，#1主变供另一段母线负荷，110 kV母联热备用。当发生GT站运行主变供电母线失压时，母线自愈功能通过判稳定，若系统失稳，断开#1主变1DL，用110 kV母联3DL恢复失压母线运行；若过载，按设定定值切除部分出线负荷，保障供电的连续可靠。母线自愈功能原理不依赖站间通信网络，在单个变电站内就能实现。

1.2 失稳判别和过载判别

失稳判别：在变电站发生电源故障时，母线自愈功能对母线进行稳定判别(见式1)。判别逻辑是：110 kV母线电压在电压高定值Uhset之下，电压低定值Ulset之上且母线频率在高频定值fhset之下，低频定值flset之上，则系统稳定。反之，电压、频率任一条件不满足，则认为系统不稳定，快速解列小电源，加快母线自愈过程。

(1)

式中Uhset为电压高定值；Ulset 为电压低定值；fhset为高频定值；flset为低频定值。

过载判别：当母线自愈功能动作后，110 kV联络线供全站负荷，进行过载判别(见式2)。当检测到110 kV联络线实时载流I≤备用线路热稳限值Iset，则认为线路不过载；否则认为系统过载，需切除部分负荷，确保供电稳定。

I≤Iset

(2)

式中I为实时载流值；Iset为线路热稳限值。

1.3 母线自愈动作及自愈策略

装置上电，满足充电条件后进入运行状态，并适时进行失压判据。监测到母线失压且上级母线有压，无外部闭锁条件，闭锁自愈功能，自动实施变压器或母联备自投功能；监测到母线失压且上级母线无压，无外部闭锁条件，闭锁备自投功能，自动实施母线自愈功能；外部闭锁条件选择母差及变差动作闭锁备自投功能，母差动作闭锁自愈功能。其中母线自愈动作原理如图3所示。

图3 母线自愈动作原理图

图4 母线自愈策略

变电站110 kV母线发生失压后，分两步实施：一是若220 kV母线有压，按变压器或母联备自投功能完成110 kV母线复电，二是若220 kV母线无压，则按自愈策略是实现母线自愈复电，自愈原理与逻辑如图4所示。在220 kV变电站正常运行方式下(110 kV联络线热备用)，发生220 kV母线失压，判断110 kV系统是否稳定，若110 kV母线电压及频率稳定，则装置不动作。若失稳，则加速切除母线上的全部小电源、主变110 kV侧所有开关。若母联开关在分位则合上母联开关，合上110 kV联络线开关。然后进行过载判断，依据110 kV联络线热稳极限、实际负荷线路负载等信息，计算出110 kV实际负荷是否超出110 kV联络线路热稳极限要求。若不过载，则至结束。若过载，则计算需切除的容量；同时依据线路重要性及负荷情况，计算需断开的线路，并延时后执行最终切负荷顺序。

对于220 kV变电站特殊方式(110 kV联络线已供110 kV一段母线，主变向另一段母线供电，母联开关在热备用)也适用。只是动作情况不同，同样进行失稳和过载判断。

2 备用电源自投装置母线自愈功能实现

本文以图1 220 kV GT变正常运行方式进行功能实现说明。备用电源自投母线自愈通过采集220 kV GT变110 kVⅠ母、Ⅱ母的母线三相电压，#1主变中压侧1DL、#2主变中压侧2DL开关位置信号及任一相电流，110 kV母联3DL开关位置信号， 110 kVⅠ母、Ⅱ母的全部110 kV线路间隔开关信号及电压信息等进行逻辑判断。

当装置采集到220 kV进线一回检修另一故障等原因导致110 kV双母线失压或失稳情况时，启动母线自愈功能。

母线自愈过程：稳定判断：220 kV GT变全站失压，判定110 kV母线失稳，加速切除110 kV出线4、出线6线路所有并网小电源。

过载判断：根据当时110 kV出线5热稳极限为116 MW和110 kV母线各出线负荷及重要用户分布情况，母线自愈功能需切除16 MW。220 kV GT变110 kV负荷情况如表1所示。

表1 负荷及重要用户情况分布

切负荷策略形成：在母线自愈策略中充分考虑重要用户因素，非重要用户负荷优先级相同，并以切除线路条数最少为目标，最终形成自愈动作策略1(如表2所示)。

动作过程如下：当充电完成后，全站失压或失稳动作条件满足，执行策略1，跳开1DL、2DL断路器，延时后合110 kV出线5开关，并经延时跳开出线6开关。此情况下，实现了110 kV母线自愈，并恢复了110 kV部分出线负荷供电，110 kV出线5也无过载情况。

220 kV GT站在特殊运行方式下执行过程类同。

表2 母线自愈功能策略

3 使用方法

母线自愈功能可为备用电源自投装置的一种特殊投入方式，不依赖于特定的电压等级，适用性广，能在不同应用情况中，根据实际情况进行设定。使用中需注意的是,若系统存在小电源，则根据稳定判别，可先解列小电源；各间隔定值需要在下定值的同时确定一张表：即各个间隔的组态配置顺序要和保护定值表中的间隔顺序完全一致；此方式下若联络断路器检修或测控装置退出运行时，则退出此方式运行。

4 结束语

本文在传统备用传统备用电源自投装置中引入失稳判据、过载判据，实现了变电站全站失压情况下的故障检测、并在动作策略中予以隔离；在恢复110 kV母线及出线负荷后，又切除了过负荷线路，在线实现了母线自愈功能，有效解决了上级电源消失而非本级母线设备原因引起的变电站全站失压问题。装置已在我局220 kV终端变电站中实际使用，取得了良好效果。

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