徐志

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217）

0 前言

高壓超高壓線路加裝串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置，主要是為了降低線路電抗，提高輸電線路動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)的穩(wěn)定裕度，為大功率傳輸創(chuàng)造了有利條件。自動(dòng)重投功能是串補(bǔ)區(qū)內(nèi)故障后快速投入串補(bǔ)的一種自動(dòng)控制策略，有效的保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定和線路功率的傳輸。然而，受串補(bǔ)MOV 制造工藝水平（MOV 閥片的一致性）和試驗(yàn)手段的限制，MOV 已成為串補(bǔ)成套裝置比較容易損壞的設(shè)備。特別是，區(qū)內(nèi)短路故障引起的工頻過電壓和能量可能造成MOV 閥片損壞，為了保護(hù)設(shè)備，南網(wǎng)目前禁止了串補(bǔ)的自動(dòng)重投。云南電網(wǎng)220 kV 福貢串補(bǔ)，兼顧了怒江地區(qū)輸電通道的限制和怒江汛期電力外送的壓力，串補(bǔ)的快速投入能很好的抑制怒江電網(wǎng)的功率振蕩問題，保證了怒江電力的送出，特別是在豐水期。為此，迫切需要研究一種福貢串補(bǔ)故障后快速投入的方案。基于此，本文將依據(jù)福貢串補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備參數(shù)進(jìn)行串補(bǔ)故障后自動(dòng)重投及其對(duì)MOV 影響的仿真分析，探究福貢串補(bǔ)啟用自動(dòng)重投功能的可行性和方案。

本文用到的仿真計(jì)算工具主要是電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC 和BPA 程序。包含福貢串補(bǔ)保護(hù)邏輯和控制策略及相鄰線路保護(hù)邏輯的詳細(xì)電磁模型在PSCAD/EMTDC 建模，考慮到PSCAD/EMTDC 能建立的變電站節(jié)點(diǎn)有限，必須對(duì)云南主網(wǎng)和怒江電網(wǎng)進(jìn)行靜態(tài)等值，保留研究區(qū)域及其與外部區(qū)域的邊界節(jié)點(diǎn)，最大限度反應(yīng)福貢串補(bǔ)區(qū)內(nèi)故障時(shí)云南主網(wǎng)和怒江電網(wǎng)對(duì)短路點(diǎn)的短路電流貢獻(xiàn)水平。

1 福貢串補(bǔ)外網(wǎng)等值

1.1 基于BPA外網(wǎng)靜態(tài)等值

電力系統(tǒng)等值可以分為靜態(tài)等值和動(dòng)態(tài)等值，靜態(tài)等值不考慮元件的動(dòng)態(tài)特性，而動(dòng)態(tài)等值需要考慮元件的動(dòng)態(tài)特性。本文完成基于短路電流計(jì)算的MOV 過電壓和能量校核，與系統(tǒng)電壓和等值阻抗強(qiáng)相關(guān)，不需要考慮系統(tǒng)元件的動(dòng)態(tài)特性，故采用系統(tǒng)靜態(tài)等值方法。

BPA 短路程序SCCP 提供了多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)等值計(jì)算模塊，該模塊是一種基于阻抗等值的多端口有源網(wǎng)絡(luò)等值。等效方法是，將全網(wǎng)按照仿真研究重點(diǎn)分為內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)（外網(wǎng)可以是一個(gè)或幾個(gè)），內(nèi)網(wǎng)是需要建立詳細(xì)電磁暫態(tài)模型，進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注的，外網(wǎng)是需要等效的網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)之間的連接線路是邊界線路，連接節(jié)點(diǎn)為邊界節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)連接情況如下圖1 所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)劃分示意圖

圖2 斷開聯(lián)絡(luò)線后的多端口外網(wǎng)

BPA 網(wǎng)絡(luò)阻抗等值的原則與戴維南等值類似，首先等效網(wǎng)絡(luò)與內(nèi)網(wǎng)之間保持開路，即斷開內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)的連接線路。于是外網(wǎng)就成了多個(gè)含獨(dú)立源的多端口網(wǎng)絡(luò)。如圖2 所示。

然后運(yùn)用電網(wǎng)絡(luò)理論關(guān)于多端口網(wǎng)絡(luò)等效的計(jì)算方法，對(duì)每個(gè)獨(dú)立的外網(wǎng)進(jìn)行多端口網(wǎng)絡(luò)阻抗等值計(jì)算。這里假設(shè)含獨(dú)立源的n 端口網(wǎng)絡(luò)N 是線性，利用線性電路的疊加原理，將網(wǎng)絡(luò)分成不含獨(dú)立源，僅有外部激勵(lì)作用的網(wǎng)絡(luò)N1，和外部短路，僅由獨(dú)立源作用的網(wǎng)絡(luò)N2。于是，對(duì)于多端口網(wǎng)絡(luò)N 有：

N 中全部獨(dú)立源不作用時(shí)，

N 中所有獨(dú)立源單獨(dú)作用時(shí)，

由線性電路疊加原理有：

式(3)是等效網(wǎng)絡(luò)的諾頓電路模型，根據(jù)電路等效原理，將其話成戴維南電路模型為：

BPA 短路程序SCCP 的多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)等值與阻抗計(jì)算模塊支持該項(xiàng)計(jì)算，可以將外網(wǎng)從線進(jìn)行戴維南等效。

1.2 220 kV福貢串補(bǔ)簡(jiǎn)介

福貢串補(bǔ)站共有2 套固定串補(bǔ)裝置，分別安裝在220 kV 蘭福線和220 kV 福劍線上，串補(bǔ)度均為60%，設(shè)備額定電流均為1.42 kArms/相，MOV 額定容量（含熱備用容量）分別為68.2 MJ/ 相和45.1 MJ/ 相，由南瑞繼保公司成套供貨，系統(tǒng)接入如圖3 所示。

按系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案要求，福貢串補(bǔ)投入運(yùn)行時(shí)，福貢變220 kV 母線分列運(yùn)行。

圖3 福貢串補(bǔ)系統(tǒng)接入

1.3 福貢串補(bǔ)外網(wǎng)等值

SCCP 多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)等值的方式是：將交流網(wǎng)絡(luò)中變電站和線路分為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)，連接外部網(wǎng)絡(luò)與與內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)之間的節(jié)點(diǎn)為邊界節(jié)點(diǎn)，連接線路為邊界線路。進(jìn)行等值計(jì)算時(shí)首先在BPA 潮流數(shù)據(jù)文件中將邊界線路斷開，然后分別在斷開線路形成的網(wǎng)絡(luò)中用出力和負(fù)荷來代替相應(yīng)的線路潮流，接著在新生成的交流系統(tǒng)中添加對(duì)應(yīng)的平衡節(jié)點(diǎn)，重新進(jìn)行潮流計(jì)算，最后將修改后的潮流計(jì)算數(shù)據(jù)文件放到SCCP 中完成邊界節(jié)點(diǎn)母線的等效。

圖4 福貢串補(bǔ)仿真外網(wǎng)等值圖

表1 外網(wǎng)等值結(jié)果

如圖3 所示為2018 年汛期豐大方式云南電網(wǎng)主網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖，將要重點(diǎn)研究的福貢串補(bǔ)和線路及強(qiáng)相關(guān)變電站作為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)即是要完全保留的網(wǎng)絡(luò)，其余部分為外部網(wǎng)絡(luò)。于是，形成的內(nèi)網(wǎng)包括：220 kV 福貢串補(bǔ)、蘭坪變220 kV 母線、劍川變220 kV 母線、洱源變220 kV 母線以及這些節(jié)點(diǎn)之間的線路。邊界節(jié)點(diǎn)包括：福貢變220 kV 母線、維西變220 kV 母線、黃坪變220 kV 母線、大理變220 kV 母線以及劍川變、洱源變、蘭坪變的110 kV、35 kV 等值系統(tǒng)。需要斷開線路包括：220 kV 福貢變至福貢串補(bǔ)雙回線，220 kV 維西到劍川單回線，220 kV 劍川至黃坪雙回線，220 kV 洱源至黃坪?jiǎn)位鼐€，220 kV 洱源至大理單回線，220 kV 洱源至洱源110 kV、35 kV 等值系統(tǒng)單回線、220 kV 蘭坪至蘭坪110 kV、35 kV 等值系統(tǒng)單回線。

BPA 等值后的系統(tǒng)接線圖如圖4 所示。

靜態(tài)等值后，一共有7 個(gè)等效電源，等值結(jié)果見表1 所示。

2 福貢串補(bǔ)MOV過電壓及能量校核

2.1 PSCAD電磁暫態(tài)建模

基于上面的外網(wǎng)等值結(jié)果在PSCAD 中搭建對(duì)應(yīng)的仿真模型，如圖5 所示。鑒于蘭福線串補(bǔ)和福劍線串補(bǔ)的設(shè)計(jì)容量等參數(shù)幾乎相同，故本次建模仿真主要針對(duì)福劍線串補(bǔ)進(jìn)行，蘭福線串補(bǔ)用等容量的固定電容器來代替。

圖5 福貢串補(bǔ)仿真模型

火花間隙除了能通過大電壓自觸發(fā)外，更多的時(shí)候需要通過串補(bǔ)保護(hù)進(jìn)行強(qiáng)制觸發(fā)，這就要求間隙具有程序可控功能。本模型中的間隙采用斷路器模型進(jìn)行模擬。

模型考慮線路故障聯(lián)跳串補(bǔ)，但不考慮串補(bǔ)旁路開關(guān)失靈啟遠(yuǎn)跳。串補(bǔ)自動(dòng)重投策略采用的目前南網(wǎng)要求的先投串補(bǔ)后投線路的重投方式，即串補(bǔ)旁路后，考慮間隙去游離時(shí)間，延時(shí)500ms 后，串補(bǔ)自動(dòng)重投。

模型保護(hù)定值參考目前調(diào)度下達(dá)的定值，其中，福劍線串補(bǔ)MOV 能量低定值25.86MJ，MOV 能量高定值28.94MJ，MOV 高電流旁路定值6610A，間隙觸發(fā)回路電容器電壓使能值99.2 kV。

2.2 MOV過電壓及能量校核仿真

按照MOV 招標(biāo)規(guī)范，對(duì)不同運(yùn)行工況下的MOV 過電壓和能量進(jìn)行校核?？紤]的故障類型主要有：區(qū)內(nèi)單相瞬時(shí)故障、區(qū)內(nèi)單相永久故障、區(qū)內(nèi)單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動(dòng)、區(qū)外單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動(dòng)。

區(qū)內(nèi)單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動(dòng)時(shí)，MOV 吸收能量和過電壓情況相對(duì)區(qū)內(nèi)單相瞬時(shí)故障、區(qū)內(nèi)單相永久故障要嚴(yán)重，區(qū)內(nèi)故障對(duì)MOV 的校核以區(qū)內(nèi)單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動(dòng)為主。

圖6 為福劍線串補(bǔ)區(qū)內(nèi)單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動(dòng)時(shí)的波形圖。圖6從上到下分別為故障相（A 相）線路電流波形、非故障相（BC 相）線路電流波形、故障相電容器電流波形、故障相MOV 電流波形、故障相MOV 電壓波形、故障相間隙電流和MOV 保護(hù)動(dòng)作開關(guān)量、故障相MOV 能量波形。

串補(bǔ)旁路刀閘在1.0s 是分開，串補(bǔ)投入。由圖可知：福劍線串補(bǔ)在福貢變220 kV 母線分列運(yùn)行，發(fā)生區(qū)內(nèi)單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動(dòng)時(shí)，MOV 最大電流約為80A，過電壓最大為102.3 kV（約1.8p.u），MOV 吸收能量最大為7 KJ。整個(gè)過程中串補(bǔ)保護(hù)沒有動(dòng)作，僅由線路保護(hù)聯(lián)動(dòng)串補(bǔ)。

對(duì)照福劍線串補(bǔ)MOV 設(shè)計(jì)保護(hù)水平，1.8p.u 的過電壓和7 KJ 的能量，MOV 是可以承受的。

圖6 福劍線串補(bǔ)區(qū)內(nèi)單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動(dòng)時(shí)的波形圖

串補(bǔ)區(qū)外故障時(shí)，要求串補(bǔ)不能旁路，短路電流完全由MOV 承受，對(duì)MOV 考驗(yàn)也比較嚴(yán)格。

圖7 為福劍線串補(bǔ)區(qū)外單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動(dòng)時(shí)的波形圖。圖7從上到下分別為故障相（A 相）線路電流波形、非故障相（BC 相）線路電流波形、故障相電容器電流波形、故障相MOV 電流波形、故障相MOV 電壓波形、故障相間隙電流和MOV 保護(hù)動(dòng)作開關(guān)量、故障相MOV 能量波形。

串補(bǔ)旁路刀閘在1.0 s 是分開，串補(bǔ)投入。由圖可知：福劍線串補(bǔ)在福貢變220 kV 母線分列運(yùn)行，發(fā)生區(qū)外單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動(dòng)時(shí)，MOV 最大電流約為70 A，過電壓最大為102.1 kV（約1.8p.u），MOV 吸收能量最大為25 KJ。整個(gè)過程中串補(bǔ)保護(hù)沒有動(dòng)作，也沒有線路保護(hù)旁路串補(bǔ)，串補(bǔ)一直處于運(yùn)行狀態(tài)。

同理，劍線串補(bǔ)區(qū)外單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動(dòng)時(shí)，串補(bǔ)MOV 是可以承受的。

圖7 福劍線串補(bǔ)區(qū)外單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動(dòng)時(shí)的波形圖

福劍線串補(bǔ)區(qū)內(nèi)外單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動(dòng)，這兩種故障時(shí)串補(bǔ)MOV 將承受最嚴(yán)重的沖擊，此兩種工況下進(jìn)行的串補(bǔ)MOV 過電壓和能量校核完全可以說明MOV 承受故障沖擊能力。

對(duì)比分析兩種故障時(shí)的波形圖可以發(fā)現(xiàn)，MOV 流過的最大電流和承受最大電壓基本相同，相對(duì)都較小。串補(bǔ)區(qū)外單相永久故障線路斷路器重合閘后故障相拒動(dòng)時(shí)，由于串補(bǔ)不能旁路，MOV 吸收能量相對(duì)較大達(dá)25KJ，但未到MOV 能量保護(hù)定值，故兩種情況下MOV 保護(hù)都未動(dòng)作。

3 結(jié)束語

本文主要完成了基于BPA 外網(wǎng)靜態(tài)等值的福貢串補(bǔ)自動(dòng)重投仿真分析，利用BPA 進(jìn)行了外網(wǎng)靜態(tài)等值，利用PSCAD/EMTDC 搭建了福貢串補(bǔ)及相鄰線路的詳細(xì)電磁暫態(tài)模型，并基于模型進(jìn)行了福貢串補(bǔ)正常運(yùn)行模式（投串補(bǔ)時(shí)要求福貢變220 kV 母線分列運(yùn)行）下故障時(shí)的MOV 過電壓和能量校核。得出以下結(jié)論：

1）福貢串補(bǔ)MOV 設(shè)計(jì)容量較大，可以承受現(xiàn)階段常見嚴(yán)重故障對(duì)其造成的沖擊。

2）現(xiàn)階段，串補(bǔ)在福貢變220 kV 母線分列運(yùn)行時(shí)投入運(yùn)行，啟用串補(bǔ)自動(dòng)重投有較好的可行性。

3）現(xiàn)階段，按現(xiàn)在的自動(dòng)重投策略，即先投串補(bǔ)后投線路的方式啟用串補(bǔ)自動(dòng)重投可行性也較好。