王彥峰，雷翔勝，王流火，李 飛

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東廣州 510062；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東廣州 510020；3.三峽大學(xué)梯級(jí)水電站運(yùn)行與控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北宜昌 443002）

0 引言

隨著我國(guó)城市用電負(fù)荷不斷加大，出于經(jīng)濟(jì)和系統(tǒng)安全考慮，需要在城市中心設(shè)置大容量變電站，110 kV 甚至220 kV 預(yù)制艙變電站正逐步建設(shè)在商業(yè)區(qū)附近。預(yù)制艙變電站具有占地面積小，建設(shè)周期短，性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，在大城市甚至中心城市得到廣泛應(yīng)用[1-7]。預(yù)制艙變電站的一次設(shè)備和二次設(shè)備高度集成，基于信息分布采集集中決策的二次系統(tǒng)是預(yù)制艙變電站建設(shè)的主流方向。

傳統(tǒng)變電站的配置方式中主后備保護(hù)一般采用距離保護(hù)或電流保護(hù)，重要110 kV 線路通常配置縱聯(lián)保護(hù)作為主保護(hù)方式，35 kV 及以下的變電站則不安裝單獨(dú)的母線保護(hù)和斷路器失靈保護(hù)設(shè)備。傳統(tǒng)配置方式在實(shí)際應(yīng)用中存在保護(hù)可靠性較低、母線故障等切除速度慢、二次設(shè)備較多且成本高等問(wèn)題[8-14]。隨著技術(shù)及方法的革新，部分學(xué)者提出集成式保護(hù)、集中式保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)等概念。文獻(xiàn)[15-16]提出一種數(shù)字化集中式保護(hù)方案，集成了主變壓器的主保護(hù)和后備保護(hù)以及35 kV 線路保護(hù)、10 kV線路保護(hù)、10 kV 電容器保護(hù)、小電流接地選線等功能。文獻(xiàn)[17]提出一種基于數(shù)字化集成的保護(hù)與控制系統(tǒng)，主要由設(shè)備層智能終端、合并單元和系統(tǒng)層多功能保護(hù)控制器3 大核心部分構(gòu)成，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)具備節(jié)省資源、減少運(yùn)行和維護(hù)工作量等優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[18]針對(duì)常規(guī)變電站系統(tǒng)保護(hù)功能不完善的現(xiàn)狀，提出了使用間隔層智能設(shè)備的通信網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行信息交互，并通過(guò)智能設(shè)備之間的配合達(dá)到保護(hù)的性能。文獻(xiàn)[19-24]分析了針對(duì)網(wǎng)絡(luò)化的線路保護(hù)、母線保護(hù)、低頻減載等功能的實(shí)現(xiàn)形式。這些研究成果在一定形式下優(yōu)化了保護(hù)方案，但考慮到常規(guī)變電站并沒(méi)有實(shí)施信息集中的方式與條件，因此研究成果很少應(yīng)用于常規(guī)變電站中。

本文主要面向預(yù)制艙變電站條件下信息的集中，提出一種分布采集集中決策的綜合保護(hù)系統(tǒng)，優(yōu)化預(yù)制艙變電站的保護(hù)配置，改善常規(guī)保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方式和保護(hù)性能。使用Pscad/Emtdc 仿真驗(yàn)證了預(yù)制艙變電站綜合保護(hù)系統(tǒng)的有效性和可行性。

1 預(yù)制艙變電站綜合保護(hù)系統(tǒng)

傳統(tǒng)變電站按照間隔的方式進(jìn)行信息采集與保護(hù)配置，各個(gè)間隔之間沒(méi)有進(jìn)行信息交換，難以突破傳統(tǒng)的保護(hù)限制，如變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)、新型母線保護(hù)、低頻減載策略等。而預(yù)制艙變電站設(shè)備集中且空間有限，基于一、二次融合的分散采集可以通過(guò)電纜傳輸實(shí)現(xiàn)信息集中，也可以基于智能變電站模式進(jìn)行合并單元與交換機(jī)實(shí)現(xiàn)信息的集中。本文基于預(yù)制艙變電站信息集中的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)預(yù)制艙變電站綜合保護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)充分挖掘預(yù)制艙變電站設(shè)備故障與不正常運(yùn)行狀態(tài)下的特征，提出改進(jìn)的變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)策略與10 kV 饋線的低頻減載策略。

預(yù)制艙變電站綜合保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，針對(duì)常規(guī)變電站保護(hù)功能不足的問(wèn)題，以基本設(shè)計(jì)原則為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)構(gòu)建形式和功能配置進(jìn)行合理地規(guī)劃，保護(hù)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)3 個(gè)基本功能。

1）實(shí)現(xiàn)預(yù)制艙變電站內(nèi)各間隔的全部保護(hù)功能?？紤]到110 kV 線路的主保護(hù)一般與對(duì)側(cè)變電站構(gòu)成縱聯(lián)保護(hù)，變壓器配置有非電量保護(hù)，因此在保留就地保護(hù)的基礎(chǔ)上，將采集到的電氣量與開(kāi)關(guān)量上送至綜合保護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)構(gòu)建完整的集成化保護(hù)配置作為就地化保護(hù)的后備。進(jìn)一步利用信息集中的特點(diǎn)提高保護(hù)性能，例如通過(guò)變壓器與低壓饋線之間的信息交互來(lái)改善變壓器的過(guò)負(fù)荷保護(hù)性能等。

2）整合集成控制功能。通過(guò)集成化設(shè)計(jì)綜合保護(hù)與控制功能，簡(jiǎn)化變電站二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，精簡(jiǎn)二次設(shè)備數(shù)量，以此降低成本和占用空間，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

3）通過(guò)主備設(shè)計(jì)方案提高可靠性。預(yù)制艙變電站綜合保護(hù)系統(tǒng)集中實(shí)現(xiàn)各10 kV 饋線保護(hù)功能，取消就地保護(hù)配置，通過(guò)冗余設(shè)計(jì)綜合保護(hù)系統(tǒng)以保證供電可靠性。當(dāng)110 kV 線路或主變就地保護(hù)因異常等原因退出運(yùn)行或檢修時(shí)，綜合保護(hù)系統(tǒng)根據(jù)就地保護(hù)的配置，在不影響正常供電的情況下承擔(dān)相應(yīng)保護(hù)功能。

預(yù)制艙變電站綜合保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)建方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

以智能變電站為例，通過(guò)IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議構(gòu)建 的GOOSE（Generic Object-Oriented Substation Event）網(wǎng)與SV（Sample Value）網(wǎng)，將110 kV 線路GIS 艙、變壓器艙和10 kV 線路艙的信息傳輸至綜合保護(hù)系統(tǒng)中，10 kV 線路艙取消按間隔獨(dú)立配置的就地保護(hù)，由綜合保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原有的保護(hù)功能。將各間隔的合并單元和智能終端連接到SV 網(wǎng)和GOOSE 網(wǎng)，綜合保護(hù)系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)通信采集全站信息，并經(jīng)過(guò)集中決策后完成相應(yīng)的保護(hù)控制功能。在非智能變電站的情況下，這一模式也是可行的，可以采用其他通信協(xié)議構(gòu)建傳輸通道，例如IEC60870-5-103 協(xié)議、ModbusTCP 協(xié)議等，將各個(gè)艙室的信息上傳至綜合保護(hù)系統(tǒng)。

2 基于信息集中決策的變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)改進(jìn)策略

2.1 傳統(tǒng)變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)原理與問(wèn)題分析

當(dāng)變壓器長(zhǎng)期過(guò)載，繞組會(huì)因過(guò)熱而損壞，若多臺(tái)400 kVA 及以上的變壓器同時(shí)并列運(yùn)行時(shí)，在過(guò)負(fù)荷狀態(tài)下系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，需要通過(guò)安裝過(guò)負(fù)荷保護(hù)以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。在變壓器過(guò)載狀態(tài)下電流是三相對(duì)稱(chēng)的，因此只需要檢測(cè)其中的一相電流來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)負(fù)荷保護(hù)功能，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的延時(shí)后發(fā)出信號(hào)。在無(wú)人值守的變電站中，特殊情況下過(guò)負(fù)荷保護(hù)可出口跳閘以保證系統(tǒng)安全。過(guò)負(fù)荷保護(hù)的電流整定值Iset應(yīng)躲過(guò)變壓器的額定電流IN，即：

式中：Krel為可靠系數(shù)，一般取1.05；Kre為返回系數(shù)，一般取0.85。過(guò)負(fù)荷保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)該大于同一間隔的過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，一般整定為8～10 s。

變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)一般都是由某條饋線過(guò)載或者饋線的總負(fù)荷過(guò)載造成，從而導(dǎo)致變壓器的高壓側(cè)或者低壓側(cè)過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作跳閘，最終將低壓側(cè)的所有用戶(hù)饋線全部切除。而在重要負(fù)荷接入的情況下，傳統(tǒng)變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)策略的動(dòng)作性能存在不足，可能會(huì)切除重要負(fù)荷造成巨大損失，因此不能滿足實(shí)際需要。預(yù)制艙變電站與傳統(tǒng)變電站相比，具有信息集中共享的優(yōu)勢(shì)，在此基礎(chǔ)上，可以將變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)的動(dòng)作策略加以改進(jìn)。

2.2 變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)改進(jìn)原理與實(shí)現(xiàn)方式

為保障重要負(fù)荷的安全運(yùn)行，結(jié)合預(yù)制艙變電站信息集中的優(yōu)勢(shì)，將變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)的動(dòng)作策略進(jìn)行改進(jìn)。首先通過(guò)采集各饋線的開(kāi)關(guān)狀態(tài)及電流大小，進(jìn)行各斷路器運(yùn)行狀態(tài)辨識(shí)；再將各饋線的重要級(jí)別及實(shí)時(shí)負(fù)荷大小進(jìn)行排序，優(yōu)先保障重要級(jí)別高的饋線安全運(yùn)行；最后根據(jù)過(guò)負(fù)荷程度，先選擇重要級(jí)別低的饋線，再選擇重要級(jí)別中等且負(fù)荷合適的饋線，最終找到切除負(fù)荷的最優(yōu)組合；并計(jì)算按照最優(yōu)組合切除負(fù)荷后是否躲過(guò)變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)。通過(guò)一次性切除線路，避免出現(xiàn)過(guò)切的情況，同時(shí)保證其他重要饋線可靠供電。

以圖2 所示110 kV 變電站為例，說(shuō)明變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)的改進(jìn)原理。其中，變壓器的容量為SN；DL104 和DL201 分別為主變高低壓側(cè)斷路器。各10 kV 饋線的實(shí)時(shí)負(fù)荷量和重要級(jí)別分別為L(zhǎng)1：P1，1 級(jí)；L2：P2，1 級(jí)；L3：P3，2 級(jí)；L4：P4，2 級(jí)；L5：P5，3級(jí)；L6：P6，3 級(jí)；L7：P7，3 級(jí)。由于過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作定值是按照電流整定的，為方便判斷，將保護(hù)定值Sset整定為容量計(jì)算，即：

圖2 110 kV變電站主接線圖Fig.2 Main wiring diagram of 110 kV substation

隨著負(fù)荷依次投入，當(dāng)7 條饋線都滿載運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)造成變壓器的過(guò)負(fù)荷，為保護(hù)變壓器的正常運(yùn)行和重要負(fù)荷的可靠供電，在無(wú)閉鎖的情況下需要啟動(dòng)過(guò)負(fù)荷保護(hù)，過(guò)負(fù)荷保護(hù)的啟動(dòng)判據(jù)如式（3）所示：

式中：ΔP為過(guò)負(fù)荷量；∑P為實(shí)時(shí)負(fù)荷總量。

過(guò)負(fù)荷保護(hù)啟動(dòng)后，先計(jì)算所需要切除的過(guò)載量，再綜合所有饋線的重要級(jí)別和負(fù)荷大小來(lái)選擇切除饋線的最優(yōu)組合。當(dāng)ΔP＜時(shí)（其中Pi為各饋線的實(shí)時(shí)負(fù)荷量），可根據(jù)過(guò)負(fù)荷量具體的數(shù)值來(lái)選擇重要級(jí)別為3 級(jí)線路的切除組合；當(dāng)＜ΔP＜時(shí)，需要切除重要級(jí)別為3 級(jí)的所有饋線，同時(shí)在重要級(jí)別為2 級(jí)的饋線中選擇合適的饋線形成最優(yōu)組合。當(dāng)＜ΔP＜時(shí)，此時(shí)需要切除重要級(jí)別為2 級(jí)和3 級(jí)的所有饋線，再考慮重要級(jí)別為1 級(jí)的饋線中選擇切除次重要的饋線，但這種情況一般不會(huì)發(fā)生，因?yàn)樵撉闆r下總負(fù)荷量已經(jīng)達(dá)到2 倍的變壓器容量值，各條饋線的過(guò)負(fù)荷保護(hù)將會(huì)阻止該類(lèi)情況的發(fā)生。

3 基于信息集中決策的低頻減載改進(jìn)策略

3.1 傳統(tǒng)的低頻減載策略與問(wèn)題分析

低頻減載是實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定控制的最后一道防線，當(dāng)復(fù)雜事故導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性受損時(shí)，首先通過(guò)自動(dòng)解列裝置斷開(kāi)系統(tǒng)，然后通過(guò)低頻減載等保護(hù)功能切除部分負(fù)荷來(lái)確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定，防止系統(tǒng)發(fā)生大規(guī)模解列。因變電站采用的低頻減載方案中通常是按照間隔配置的，有限的可用數(shù)據(jù)使得性能優(yōu)化受阻，導(dǎo)致過(guò)切和欠切等情況的發(fā)生。因此，結(jié)合預(yù)制艙變電站的特點(diǎn)，進(jìn)一步開(kāi)展基于信息集中決策的預(yù)制艙低頻減載方法的研究。

在某常規(guī)低頻減載方案中，每輪具體減載量見(jiàn)表1。此方案通常是由上級(jí)調(diào)度中心確定后分配下發(fā)到各個(gè)指定的變電站，常用的低頻減載策略是按輪次執(zhí)行，在滿足對(duì)應(yīng)輪次動(dòng)作判據(jù)的情況下，低頻減載功能將會(huì)切除相應(yīng)輪次所需切除的負(fù)荷量。

表1 現(xiàn)有低頻減載方案Table 1 Existing under frequency load shedding scheme

低頻減載策略在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)以下重要問(wèn)題：（1）饋線重要程度的標(biāo)度問(wèn)題。為確保低頻減載有效動(dòng)作，合理的做法應(yīng)該是利用各個(gè)饋線負(fù)荷的重要性來(lái)確定最優(yōu)切除組合。在電力系統(tǒng)中通常將負(fù)荷的重要程度分為3 類(lèi)，但在變電站的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中，存在1 條饋線中含有不同類(lèi)別負(fù)荷的情況，各饋線之間的負(fù)荷類(lèi)型比例也有差異，需要對(duì)負(fù)荷的類(lèi)別和比例進(jìn)行綜合考慮，合理地劃分負(fù)荷饋線的整體重要程度；（2）減載線路的優(yōu)選問(wèn)題。低頻減載策略的動(dòng)作出口是變電站的各條負(fù)荷饋線，為優(yōu)化選擇減載線路，負(fù)荷的重要程度和切除量是需一并考慮的重要因素，在達(dá)到切除量的條件下，選擇切除負(fù)載線路時(shí)要求所切除負(fù)荷最小，同時(shí)負(fù)荷的重要程度最低；（3）負(fù)荷自身調(diào)節(jié)特性的影響問(wèn)題。負(fù)荷具有一定的自身調(diào)節(jié)能力，有功功率會(huì)根據(jù)系統(tǒng)頻率變化而發(fā)生改變。因此，研究預(yù)制艙變電站綜合保護(hù)系統(tǒng)的低頻減載方案時(shí)，需考慮負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)特性的情況，將有助于利用信息集中的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步提高低頻減載方案的效果。

3.2 信息集中下的低頻減載改進(jìn)策略

通過(guò)預(yù)制艙變電站信息集中的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)獲取各條饋線的數(shù)據(jù)，并根據(jù)調(diào)度中心下發(fā)給變電站的減載量，將重要程度和負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)特性的情況進(jìn)行考慮，對(duì)線路的切除組合優(yōu)化配置，以改進(jìn)低頻減載的功能。

1）饋線重要程度的標(biāo)度方法。

參考操作人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和饋線所帶負(fù)荷的類(lèi)型與比例，可以劃分出預(yù)制艙變電站內(nèi)全部負(fù)荷饋線的重要程度，負(fù)荷饋線的重要程度可依據(jù)其數(shù)量、重要程度和減載精確度等相關(guān)因素歸納為2—4個(gè)等級(jí)，以?xún)?yōu)化各饋線負(fù)荷的切除順序。

2）減載線路的優(yōu)選方案。

因傳統(tǒng)低頻減載方案對(duì)實(shí)時(shí)負(fù)荷不具有適應(yīng)性，將會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷過(guò)切或欠切。為解決該類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生，需要對(duì)原有的低頻減載策略進(jìn)行改進(jìn)。傳統(tǒng)方案通常是選擇切除線路，本文采用的改進(jìn)方案為選擇保留線路。其中保留負(fù)荷量Ph的計(jì)算方法如式（4）所示：

式中：Pij為第i條重要程度為j的饋線實(shí)時(shí)負(fù)荷量；Pxq為需要切除的負(fù)荷量。

較高重要等級(jí)的負(fù)荷應(yīng)該優(yōu)先保留，當(dāng)保留所有重要等級(jí)為j的負(fù)荷以后，再進(jìn)一步調(diào)整保留負(fù)荷量，其修正方法如式（5）所示：

式中：Psj為保留的重要程度為j的負(fù)荷總和。

將式（5）的結(jié)果作為調(diào)整后的保留負(fù)荷量，計(jì)算下一個(gè)重要等級(jí)的負(fù)荷保留，直到P*h 小于0 或者全部等級(jí)的負(fù)荷均完成保留。

3）考慮負(fù)荷調(diào)節(jié)特性影響的低頻減載方案。以低頻減載為例，負(fù)荷的有功功率會(huì)隨著系統(tǒng)頻率變化而發(fā)生變化，具有一定的自身調(diào)節(jié)能力，即頻率調(diào)節(jié)特性，該特性可以表示為：

式中：P為頻率為f時(shí)的整個(gè)系統(tǒng)的有功負(fù)荷；PDN為頻率為fN(=50 Hz)時(shí)的整個(gè)系統(tǒng)的有功負(fù)荷，即額定負(fù)荷；α0,α1,α2,…,αn為與頻率的0,1,2,…,n次方成正比的負(fù)荷占額定負(fù)荷PDN的百分?jǐn)?shù)，且α0+α1+α2+…+αn=1。

當(dāng)系統(tǒng)頻率f穩(wěn)定在額定值較近范圍內(nèi)，負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)特性可以近似地用1 條直線來(lái)表示，該直線的斜率即為負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)系數(shù)KD，KD的含義可以由式（7）表示：

當(dāng)考慮負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)特性的因素后，需要調(diào)整減載線路的優(yōu)選方案，對(duì)于第i條重要程度為j的饋線實(shí)時(shí)負(fù)荷量Pij，其系統(tǒng)頻率為f，低頻減載的目標(biāo)是要把系統(tǒng)頻率拉回至額定頻率fres，此時(shí)負(fù)荷將由實(shí)際有功功率Pij變?yōu)椤疤摂M”有功功率，其計(jì)算方法如式（8）所示：

通過(guò)將“虛擬”有功功率帶入式（4），就可以計(jì)算對(duì)應(yīng)調(diào)整后的Ph。此方案是以拉回到額定頻率后的修正保留負(fù)荷量為改進(jìn)對(duì)象，計(jì)算出的減載方案將會(huì)更加接近額定頻率，可以進(jìn)一步提高預(yù)制艙綜合保護(hù)系統(tǒng)的低頻減載性能。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)改進(jìn)方案仿真驗(yàn)證

在Pscad 中對(duì)本節(jié)所述的變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)改進(jìn)方案進(jìn)行仿真分析。以圖2 為例對(duì)本文所提出的改進(jìn)方法進(jìn)行驗(yàn)證，其中變壓器的容量為40 MVA，典型的3 種過(guò)負(fù)荷場(chǎng)景下的7 條饋線的實(shí)時(shí)負(fù)荷與重要級(jí)別如表2 所示。

表2 饋線的重要級(jí)別及實(shí)時(shí)負(fù)荷Table 2 Importance level and real-time load of feeders

改進(jìn)前的過(guò)負(fù)荷保護(hù)策略如圖3 所示。根據(jù)式（1）可計(jì)算出變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)的整定值，即Iset=0.259 kA。場(chǎng)景1 下的變壓器高壓側(cè)電流I1如圖3 中實(shí)線所示，線路L3 在1 s 時(shí)投入運(yùn)行，在投入的20 ms 后，I1的數(shù)值已經(jīng)大于整定值Iset，因此在裝設(shè)了傳統(tǒng)變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)的情況下，經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)后，保護(hù)將跳開(kāi)主變高壓側(cè)的開(kāi)關(guān)。

圖3 改進(jìn)前的過(guò)負(fù)荷保護(hù)策略Fig.3 Overload protection strategy before improvement

結(jié)合預(yù)制艙變電站信息集中的特點(diǎn)，將變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)的動(dòng)作策略進(jìn)行改進(jìn)。當(dāng)負(fù)荷達(dá)到整定值時(shí)，立刻啟動(dòng)過(guò)負(fù)荷保護(hù)策略，對(duì)當(dāng)前各個(gè)饋線的實(shí)時(shí)負(fù)荷及重要程度進(jìn)行排序，針對(duì)場(chǎng)景1 的情況，計(jì)算整體的過(guò)負(fù)荷量為0.588 MVA，綜合考慮實(shí)時(shí)負(fù)荷大小及重要程度，優(yōu)先從重要程度為3 級(jí)的饋線開(kāi)始切除，由于L5 饋線的負(fù)荷為1.4 MVA，達(dá)到躲過(guò)過(guò)負(fù)荷保護(hù)定值的要求，因此選擇在短時(shí)間內(nèi)切除L5 饋線，圖4 為改進(jìn)后的過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作情況。

圖4 場(chǎng)景1保護(hù)改進(jìn)策略動(dòng)作情況Fig.4 Protection improvement strategy action under scenario 1

場(chǎng)景2 中的總過(guò)負(fù)荷量為7.788 MVA，綜合考慮實(shí)時(shí)負(fù)荷大小及重要程度，優(yōu)先從重要程度為3級(jí)的饋線開(kāi)始切除，通過(guò)比較可知最優(yōu)切除組合為饋線L6 和L7，總切除量為8.6 MVA，達(dá)到躲過(guò)過(guò)負(fù)荷保護(hù)定值的要求，動(dòng)作情況如圖5 所示。

圖5 場(chǎng)景2保護(hù)改進(jìn)策略動(dòng)作情況Fig.5 Protection improvement strategy action under scenario 2

場(chǎng)景3 中的過(guò)負(fù)荷量為13.59 MVA，由于過(guò)負(fù)荷量滿足，因此需要切除重要程度為3 級(jí)的所有饋線，同時(shí)還要將饋線L4 加入切除組合中，總切除量為18.2 MVA，達(dá)到躲過(guò)過(guò)負(fù)荷保護(hù)定值的要求，動(dòng)作情況如圖6 所示。

圖6 場(chǎng)景3保護(hù)改進(jìn)策略動(dòng)作情況Fig.6 Protection improvement strategy action under scenario 3

雖然場(chǎng)景3 中切除的負(fù)荷量過(guò)多，但是可以保證其他重要程度高的饋線穩(wěn)定運(yùn)行，通過(guò)按重要級(jí)別切除線路，以保證其他重要饋線可靠供電。改進(jìn)前及改進(jìn)后各場(chǎng)景的仿真數(shù)據(jù)證明了本文所提的變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)改進(jìn)策略的可行性以及正確性。

4.2 低頻減載改進(jìn)策略仿真驗(yàn)證

以圖2 為例，通過(guò)采用Pscad 軟件進(jìn)行仿真分析，來(lái)驗(yàn)證所提低頻減載策略改進(jìn)方案的有效性。其中，同步發(fā)電機(jī)和變壓器的容量均為40 MVA，典型的3 種過(guò)負(fù)荷場(chǎng)景下的7 條饋線的實(shí)時(shí)負(fù)荷與重要級(jí)別見(jiàn)表2。

根據(jù)本文第3.2 節(jié)所提出的低頻減載改進(jìn)策略，將負(fù)荷的重要程度劃分為3 個(gè)等級(jí)。場(chǎng)景2 中系統(tǒng)在1 s 時(shí)投入全部10 kV 饋線，由于功率缺額導(dǎo)致系統(tǒng)頻率降低，此時(shí)啟動(dòng)預(yù)制艙的低頻減載功能，綜合考慮線路的重要級(jí)別、減載線路的排序及頻率調(diào)節(jié)特性，確定低頻減載的最優(yōu)保留組合后，一次性將其余應(yīng)切負(fù)荷切除，最終使得系統(tǒng)頻率快速恢復(fù)至額定頻率50 Hz 附近。傳統(tǒng)低頻減載方案與綜合保護(hù)系統(tǒng)中低頻減載方案的頻率曲線對(duì)比如圖7 所示。

圖7 場(chǎng)景2低頻減載方案對(duì)比Fig.7 Comparison of under frequency load shedding schemes under scenario 2

由圖7 可知，改進(jìn)后的方案可以滿足頻率恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間要求，與傳統(tǒng)低頻減載方案的時(shí)間很接近。但傳統(tǒng)方案的弊端是在3.1 s 后頻率超調(diào)，說(shuō)明傳統(tǒng)方案的確造成了一部分的負(fù)荷過(guò)切，最終將頻率恢復(fù)至50.2 Hz。而改進(jìn)方案的優(yōu)勢(shì)是不會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷過(guò)切的情況，并且優(yōu)先保證重要級(jí)別更高的負(fù)荷可靠運(yùn)行，同時(shí)將頻率恢復(fù)至額定頻率附近。

場(chǎng)景3 中低頻減載方案的頻率曲線對(duì)比如圖8所示。由圖8 可知，傳統(tǒng)方案的弊端是在2.5 s 后頻率超調(diào)，由于造成一部分的負(fù)荷過(guò)切，最終將頻率恢復(fù)至50.3 Hz。而改進(jìn)方案計(jì)算出最優(yōu)保留組合并切除后，使得頻率恢復(fù)至50.08 Hz，更加接近額定頻率。

圖8 場(chǎng)景3低頻減載方案對(duì)比Fig.8 Comparison of under frequency load shedding schemes under scenario 3

通過(guò)與傳統(tǒng)減載方法的比較可知，當(dāng)計(jì)及負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)影響時(shí)，本文所提出的改進(jìn)低頻減載方法效果好，其優(yōu)勢(shì)更明顯。該方法可在較短的時(shí)間內(nèi)確定系統(tǒng)實(shí)際的有功缺額，并啟動(dòng)綜合保護(hù)系統(tǒng)切除負(fù)荷，不至于使頻率值太低，有利于系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定，同時(shí)會(huì)優(yōu)先保證重要級(jí)別更高的負(fù)荷可靠運(yùn)行，方法總體性能更優(yōu)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要面向預(yù)制艙變電站下信息的集中，提出一種分布采集集中決策的綜合保護(hù)系統(tǒng)，所提系統(tǒng)可以?xún)?yōu)化預(yù)制艙變電站保護(hù)配置，改善常規(guī)保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方式和保護(hù)性能。同時(shí)，對(duì)綜合保護(hù)系統(tǒng)中的變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)與低頻減載策略進(jìn)行了詳細(xì)的研究，通過(guò)分析目前傳統(tǒng)變電站變壓器過(guò)負(fù)荷保護(hù)與低頻減載策略的不足之處，提出了基于預(yù)制艙變電站信息集中優(yōu)勢(shì)下的保護(hù)改進(jìn)原理，不僅在理論上分析了改進(jìn)原理的可行性，并通過(guò)仿真軟件驗(yàn)證了改進(jìn)原理的有效性和正確性。