基于频率偏差和试探偏差的选相合闸闭锁逻辑

杨远航 解 良 陈 鹏 钱 兵 殷怀统

（1.云南电力调度控制中心，昆明 650011； 2.云南电网有限责任公司文山供电局，云南 文山 663000）

0 引言

选相合闸是一种可实现“选择交流电压相位分合闸”的断路器智能控制技术[1-2]。变压器、交流滤波器投切时刻的交流电压相位直接决定了投切的暂态过程[3-5]。应用于高压直流输电工程的变压器和交流滤波器电压等级高、容量大，在理想相位分合闸对设备安全和系统稳定运行都有重要意义[6-8]。

当前选相合闸技术研究主要集中在过零点检测、分合闸策略、断路器动作特性等方面且成果丰硕，但对选相合闸动作命令本身的正确性校验却缺少关注[9-14]。目前相关技术规范也尚未对动作风险的辨识和处理提出明确要求[15]，主流选相合闸装置大多缺少相应的功能，仅部分厂家采用交流电压频率越限闭锁动作命令的策略[16-18]。实际上，选相合闸装置参数设置不当、算法缺陷、元件老化等，以及交流电压的异常波动都有可能造成选相合闸动作命令错误，直接威胁设备和系统安全运行，实际运行过程中相关案例并不鲜见。

1 选相合闸技术简介

1.1 选相合闸原理

选相合闸技术即通过选择理想的电压相位角投入无功设备或变压器，使投入瞬间的冲击电流最小，保证设备及系统运行安全。测控后台发出断路器分合闸命令至选相合闸装置，选相合闸装置接到分合闸命令后，根据采集的交流电压信息选择合适的时机对断路器发出动作命令，使断路器恰好在理想相位分合闸。

选相合闸装置程序处理流程大致相同，SID—3YL微机涌流抑制器带有交流电压频率越限闭锁逻辑，以该装置为例介绍选相合闸的动作时序。

设合闸目标为电压过零点，选相合闸动作时序如图1所示。

图1 选相合闸动作时序

图1中：t1时刻，接到测控后台发出的合闸命令；t2时刻，检测出交流电压过零点；t3时刻，检测出当前电压频率、进行闭锁逻辑判断、计算选相合闸动作命令延时Td；T为交流电压u的周期；tz为影响合闸角度的偏差值。

1）电压频率

2）闭锁逻辑判断

计算电压频率偏差Δf为

设置“转随机”控制字及频率越限定值Δfset。当Δf＞Δfset时，“转随机”控制字退出，则闭锁本次合闸命令，“转随机”控制字投入，则随机发出合闸命令；当Δf＜Δfset时，发出选相合闸动作命令。

3）动作命令延时Td

设断路器固有动作时间为tc，考虑温度、历史动作数据、预击穿等因素对断路器动作时间进行修正，修正量Δt，利用取余函数mod(·)计算选相合闸动作命令发出延时Td为

若装置未设置闭锁逻辑，则在t3时刻只进行选相合闸动作命令延时计算。

图1中t4时刻，对断路器发出合闸动作命令。

图1中，t5时刻为断路器预计合闸时刻。若断路器实际动作时间与修正后的固有动作时间完全一致，则预计合闸时刻即实际合闸时刻。

1.2 闭锁逻辑问题分析

结合实际运行中的3起选相合闸装置典型异常动作案例，分析闭锁逻辑的相关问题。异常动作案例见表1。

表1 选相合闸典型异常动作案例

综上可知：

1）实际运行中选相合闸装置发出的动作命令有可能出现错误而存在较大动作风险，故有必要设置闭锁逻辑。闭锁逻辑应具备一定的动作风险辨识能力，并能根据现场实际需求闭锁选相合闸。

2）仅靠频率偏差越限来辨识动作风险，存在频率测量结果不可靠、偏差允许范围难整定的问题，且不能有效反映频率波动带来的动作风险。

3）变压器合闸偏差过大将对设备和系统造成较大冲击，而交流滤波器闭锁合闸将无法满足系统运行的无功匹配要求。因此，闭锁逻辑应能兼顾变压器投切和交流滤波器投切的不同需求。

2 试探偏差及频率偏差

2.1 试探偏差

为反映频率波动对分合闸的影响，并在动作命令出口前进行安全性校核，提出试探偏差ΔYc。试探偏差ΔYc的物理意义为：若执行本次动作命令，实际分合闸相位与理想分合闸相位的偏差。

以理想分合闸相位为交流电压过零点为例，试探偏差如图2所示。图2中t5时刻为断路器预计分合闸时刻，此时刻对应的交流电压实测相位即执行本次动作命令的实际分合闸相位，该相位与理想相位的偏差即试探偏差。

图2 试探偏差示意图

为便于计算，可用预计分合闸时刻交流电压实测瞬时值作为试探偏差，即

设系统安全运行允许偏差范围为δs，设备安全投切允许偏差范围为δe，则试探偏差越限判据为

试探偏差允许范围如图3所示。

图3中，阴影区为由系统安全运行允许偏差范围δs和设备安全投切允许偏差范围δe共同界定的安全投切区域。若试探偏差超出该区域，则说明本次分合闸存在风险。

图3 试探偏差允许范围

在交流电压峰值处分合闸的情况与之类似，不再赘述。

2.2 频率偏差

以工频50Hz为标准值，设实测电压频率为f，则频率偏差可由式（2）计算得出。

根据式（3）、式（4）可以看出，在断路器合闸动作时间不变的情况下，频率偏差越大，实际合闸相位角偏离理想合闸相位角越大，设备合闸风险越高。因此，频率偏差可以作为选相合闸动作风险的判据之一，其反映的是当前系统运行频率下的合闸风险，而试探偏差则预测合闸风险，利用试探偏差和频率偏差可综合评估选相合闸动作风险。

3 闭锁逻辑设计

闭锁逻辑要解决两个问题：①有效辨识选相合闸动作风险；②合理平衡动作命令出口与闭锁的矛盾。

变压器投切不频繁，投切时变压器处于空载状态，其投切速度和成功率对系统稳定运行影响较小，但变压器造价昂贵，且励磁涌流会严重影响并列运行设备。因此，应优先考虑保证投切的安全性，灵敏辨识动作风险，存在动作风险立即闭锁动作命令。

交流滤波器投切频繁，通常是配合系统运行的无功需要而投切，其投切成功率对系统稳定运行影响较大。因此，应优先考虑保证投切的成功率，可靠辨识动作风险，不存在动作风险则开放动作命令。

定值设置：频率越限定值Δfset，系统安全运行允许偏差范围δs，设备安全投切允许偏差范围δe。

元件设置：频率偏差越限，试探偏差越限，动作风险。

频率偏差越限为“1”的条件为Δf＞Δfset，试探偏差越限为“1”的条件为ΔYc∉δs∩δe。

设置动作风险辨识时间窗，如图4所示。

图4中，t3时刻为频率偏差越限判别时刻，t5时刻为试探偏差越限判别时刻，由二者构成动作风险辨识时间窗。

图4 动作风险辨识时间窗

动作风险为“1”的条件为：在一个动作风险辨识时间窗内，频率偏差或试探偏差越限。

3.1 适用于变压器投切的闭锁逻辑

1）频率越限定值Δfset宜设置较小，以提高动作风险辨识灵敏度。正常运行工况下，交流电压频率偏差一般不超过0.2Hz，设置频率越限定值Δfset= 0.5～1Hz即可满足正常运行工况要求。

2）“动作风险”为“1”即闭锁选相合闸动作命令。

变压器投切选相合闸动作流程如图5所示。

图5 变压器投切选相合闸动作流程

3.2 适用于交流滤波器投切的闭锁逻辑

1）异常运行工况下，电压频率波动较大，且往往需要配合交流滤波器投切。因此，频率越限定值Δfset宜适当放大，可取Δfset=4～5Hz。

2）连续两个动作风险辨识窗内的“动作风险”判别结果均为“1”，则闭锁选相分合闸。

适当放宽闭锁条件，以提高风险辨识可靠性和投切成功率。

交流滤波器投切选相合闸动作流程如图6所示。

图6 交流滤波器投切选相合闸动作流程

3.3 闭锁逻辑对选相分合闸性能影响

1）采用试探偏差进行风险辨识后，在正常工况下，选相合闸动作时间增加了动作风险辨识带来的 延时。动作风险辨识时间窗长度即断路器固有动作时间，一般为30～50ms。对变压器投切工况，仅进行一次动作风险辨识，增加延时大约为30～50ms，对交流滤波器投切工况，可能涉及二次动作风险辨识，增加延时大约为30～100ms。

2）变压器选相合闸投切条件更为严格，提升了投切的安全性，交流滤波器投切条件适当放宽，增加了投切的成功率。

为适应闭锁逻辑带来分合闸动作延时的影响，测控后台（如直流换流站站控系统）在监视变压器或交流滤波器投切结果时应计及该延时。

3.4 闭锁逻辑有效性分析

以表1中的两个实际案例分别对适用于变压器投切的闭锁逻辑和适用于交流滤波器投切的闭锁逻辑进行验证。

1）在案例3中，某直流背靠背工程在系统正常运行时后台操作投入一换流变，由于该换流变的选相合闸装置合闸策略设置错误，导致换流变投入时出现较大励磁涌流，造成并列运行的所有B型交流滤波器跳闸，并导致直流闭锁。根据现场实测电压录波，对适用于变压器投切的闭锁逻辑案例验证如图7所示。

图7中，采用本文所提闭锁逻辑的换流变选相合闸装置在t0时刻接到测控后台发出的合闸启动命令，根据t1和t2两个过零点时刻检测出当前电压频率，并进行闭锁逻辑判断。断路器经修正的固有动作时间为34.3ms，根据选相合闸策略计算得到t3时刻发出合闸命令，推算出断路器将在t4时刻合闸。在t4时刻检测到交流电压处于过零点处，落在试探偏差允许范围之外，于是“动作风险”判为“1”， 闭锁选相合闸装置，避免了换流变遭受涌流冲击及直流闭锁事件。

图7 适用于变压器投切的闭锁逻辑案例验证

2）在案例2中，某逆变站一小组交流滤波器跳闸后，备用交流滤波器因选相合闸装置闭锁而投入失败，造成直流降功率运行。根据现场实测电压录波，对适用于交流滤波器投切的闭锁逻辑案例验证如图8所示。

图8中，采用本文所提闭锁逻辑的交流滤波器选相合闸装置（设置频率越限定值为5Hz）在t0时刻接到测控后台发出的合闸启动命令，根据t1和t2两个过零点时刻检测出当前电压频率为53.8Hz，未超过频率越限定值。断路器经修正的固有动作时间为34.3ms，根据选相合闸策略计算得到t3时刻发出 合闸命令，推算出断路器将在t4时刻合闸。在t4时刻检测到交流电压位于试探偏差允许范围之内，于是“动作风险”判为“0”，接下来计算出t5时刻发出合闸命令并发出实际命令，最终将在t6时刻成功合闸，提升了交流滤波器选相合闸的投切成功率。

图8 适用于交流滤波器投切的闭锁逻辑案例验证

4 结论

本文结合实际运行中出现的选相合闸异常动作案例，分析了当前现场运行的选相合闸闭锁逻辑存在的问题，提出了利用试探偏差判断选相合闸动作风险的方法，通过结合频率偏差和试探偏差可以更全面地评估设备选相合闸风险。相应地，针对变压器投切和交流滤波器投切的不同运行需求，提出了适用于二者投切工况的闭锁逻辑。