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高渗透率水电接入的变电站备自投逻辑优化研究_陈志峰.pdf
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1、第51 卷 第4 期 电力系统保护与控制 Vol.51 No.4 2023年2月16日 Power System Protection and Control Feb.16,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.220522 高渗透率水电接入的变电站备自投逻辑优化研究 陈志峰1,沈 娜1,王 玕1,张紫凡1,毕浩然2,梁海锋2(1.广州城市理工学院电气工程学院,广东 广州 510801;2.华南理工大学电力学院,广东 广州 510655)摘要:首先分析了含高渗透率水电区域电网的孤网运行频率特性,指出水电残压造成变电站备自投动作时间长、正确动作率低的问题,提出了含高渗透率水电区域电
2、网的快速同期并网功能的方案,并指出了增加频率变化率作为快速同期并网判据以及水电机组高频保护判据的必要性。提出了基于扩展卡尔曼滤波的快速频率及频率变化率计算方法,给出了电网基波频率快速跟踪算法流程。在此基础上,根据小水电孤网初期频率不能突变的特征,提出了改进的备自投及水电机组高频保护逻辑。通过 PSCAD 仿真验证了对含高渗透率水电区域电网的孤网运行频率特性分析的正确性,并在自主研发的备自投装置中实现并验证了所提算法。通过实际工程验证了所提备自投方案的有效性。所提备自投方案可显著降低含高渗透率水电区域电网的备自投时间,提升电网的供电可靠性。关键词:高渗透率水电;备自投;自动同期;扩展卡尔曼;高频
3、保护 Logic optimization of a transformer substation busbar automatic transfer switch with high penetration of hydropower CHEN Zhifeng1,SHEN Na1,WANG Gan1,ZHANG Zifan1,BI Haoran2,LIANG Haifeng2(1.School of Electrical Engineering,Guangzhou City University of Technology,Guangzhou 510801,China;2.School of
4、 Power,South China University of Technology,Guangzhou 510655,China)Abstract:An analysis is made of the frequency characteristics of isolated grid operation of a regional power grid with high permeability of hydropower,and points out the problems of long operation time and low correct operation rate
5、of substation standby automatic switching caused by hydropower residual voltage.It puts forward a scheme of a fast synchronous grid connection function of the regional power grid with high permeability hydropower,and points out the necessity of having increasing frequency change rate as the criterio
6、n of fast synchronous grid connection and the criterion of high-frequency protection of hydropower units.A calculation method of fast frequency and frequency change rate based on extended Kalman filter is proposed,and the algorithm flow of fast tracking fundamental frequency of power grid is given.F
7、rom the knowledge that the initial frequency of a small hydropower isolated network cannot change suddenly,an improved standby automatic switching and high-frequency protection logic of hydropower units are proposed.PSCAD simulation is used to verify the analysis of the frequency characteristics of
8、isolated network operation of a regional power grid with high permeability hydropower,and the proposed algorithm is implemented and verified in the self-developed standby automatic switching device.The effectiveness of the proposed automatic switching scheme is verified by practical engineering.The
9、scheme proposed in this paper can significantly reduce the standby automatic switching time of a regional power grid with high permeability of hydropower and improve the power supply reliability of the power grid.This work is supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51477057)
10、.Key words:high penetration hydropower;busbar automatic transfer switch(BATS);automatic synchronization;extended Kalman;high frequency protection 基金项目:国家自然科学基金项目资助(51477057);南方电网公司科技项目“美丽乡村建设背景下的农村电网用电质量改善综合技术研究”资助(GDKJXM20185764);广州城市理工学院杰出青年教师科研项目“多能互补的微电网能量管理系统及控制策略研究”资助(KY200110);广东省科技创新战略专项资金拟资
11、助立项项目“风光储微电网能量控制策略研究”资助(pdjh2021a0669)-158-电力系统保护与控制 0 引言 中国水利资源丰富,中小型电站是水利资源开发利用的重要组成部分,小水电具有就地开发、就近接入等特点,主要通过 10 kV 线路接入 110 kV 变电站。110 kV 电网多采用环网建设、开环运行方式1-2,并通过备自投装置对主、备供电线路自动切换。常规的备自投装置均以母线失压为动作条件,对于小水电高渗透率接入的变电站,若主供线路跳闸,将形成孤网运行状态,需所有小水电解列后才能动作,等待时间长达数十秒甚至数分钟,易破坏稳控装置与备自投装置间的协调性3-4,并造成备自投拒动5-7。为
12、了减少小水电接入对 110 kV 备自投的影响,已进行了一些研究及工程应用。文献8-9通过解列小水电,变电站能在较短延时满足母线无压条件,使备自投可以及时动作;文献10-12提出在备自投增加自动同期并网功能,配合高频解列水电方式,实现变电站孤网运行期间自动并入主网;文献13-15采用区域稳控技术,通过实时计算断面生成控制策略,在变电站孤网运行后快速切机,避免出现高频状态,再进行同期并网,提高了并网的成功率。文献16以在断路器合闸回路中并联电阻的方式抑制冲击电流,进而减少小水电切除数量。但并联电阻会极大地限制联络线的传输容量17,加剧小水电侧系统的功率不平衡。自动同期并网的备自投可避免变电站短时
13、停电,优于传统的解列小水电后检无压合闸。从现有的研究成果来看,对于大量小水电接入的变电站,其备自投仍存在并网时间长、正确动作率低的问题。因此,为保证高渗透率水电接入的变电站供电可靠性,很有必要对目前的备自投动作逻辑进行优化。1 小水电区域电网备自投分析 1.1 孤网运行分析 含小水电 110 kV 变电站示意图如图 1 所示。变电站主供线路跳闸发生孤网运行后,小水电与本地负荷形成的孤网由于功率不平衡,频率与电压会发生变化,系统的频率变化影响因素包括两方面18-19:一方面与水电机组不平衡功率有关,另一方面与孤网系统容量及惯性有关。memejjd11()()dTTPPtTT=-(1)式中:为发电
14、机的转速;mT为输入机械转矩;eT为输出电磁转矩;jT为发电机惯性时间常数;mP为机械功率;eP为电磁功率。图 1 含小水电的 110 kV 变电站示意图 Fig.1 Schematic diagram of 110 kV substation with small hydropower 小水电机组转速的变化来源于机组的电磁转矩、机械转矩的不平衡。对于送端型小水电区域电网与主网因故障解列后,机组调速器将降低机械功率以适应当地负荷需要,而当前小水电普遍存在调速器调节能力差、自动控制程度低的问题,因此孤网运行后必将造成频率快速上升。此时,部分定值较灵敏的小水电机组因超速保护而动作切机,剩余机组将继
15、续支撑孤网运行,而这期间存在较大频率波动。综上,含高渗透率小水电的区域电网,孤网运行后频率将逐渐变高,在机组保护和调速器的作用下,频率再降至工频继续运行,或降至低频而失压。在孤网运行期间,根据水电机组调节能力及负荷变化情况,变电站将出现短时或长期孤网运行状态。若此时备自投以母线无压为启动和动作判据,受水电的影响,变电站进线备自投存在动作时间较长及可能拒动的问题。1.2 备自投逻辑分析 常规备自投以母线无压为动作判据(见表 1),由于多数水电站采用T接方式接入公用线与用电负荷共线,若小水电机组投入高频解列,虽然满足备自投的动作条件,但导致水电利用率较低、本地负荷失压时间长。并且若小水电较多,多轮
16、解列时间长,母线残压较高,还会造成备自投长时间拒动。表 1 常规备自投动作判据 Table 1 Routine automatic switch operation criteria 启动条件 逻辑条件 判断依据 母线无压 母线无压 MN30%UU 进线无流 AN10%II 备用线有压 BN70%UU 进入孤网运行的变电站,可采用同期方式再次并入电网,改进后的备自投动作判据如表 2 所示。同期方式的备自投,启动条件除了保留母线无压外,陈志峰,等 高渗透率水电接入的变电站备自投逻辑优化研究 -159-还增加了母线频率越限;动作条件则增加了同期并网的主要判据。该判据使备自投装置在变电站失压或孤网运
17、行时均可动作,缩短了变电站恢复供电的时间。根据该逻辑研制的改进型备自投装置已由笔者组织开发并投入运行,详细动作逻辑可见文献10。表 2 改进后备自投动作逻辑 Table 2 Improved back-up automatic switch-in action criteria 启动条件 逻辑条件 判断依据 母线无压/母线频率越限 母线无压/频差、压差、角差符合并网条件 MN30%UU OR setFF N20%UU 25 进线无流 AN10%II 备用线有压 BN70%UU 1.3 快速同期并网 备自投采用自动同期并网方式,孤网频率控制为关键环节。附录图 A1 为某 110 kV 变电站孤网
18、运行后的录波图,孤网运行前水电出力为 24 MW,用电负荷为 6 MW,孤网后由于缺少对机组的快速控制,频率大幅上升,在 11 s 时高达 68 Hz,46 s 时才降至工频值并同期并网成功。现基于 PSCAD 建立小水电站仿真模型(附录图A2),该水电站有 4 台机组,其断路器分别为BRK11BRK14。水电站经断路器Brk1 并网。在并网状态总出力为 24 MW,其中位于水电侧的本地负荷为 6 MW,18 MW 经过并网断路器送入配电网。并网断路器Brk1在5 s时刻断开后水电站进入孤岛运行,进入孤岛后小水电站的运行频率变化如图2所示。图 2 无调节小水电站在 5 s 时刻孤岛后的频率 F
19、ig.2 Frequency of unregulated small hydropower station after islanding at 5 s 由图 2 可知,由于该小水电站属于无调节水电站,因此在 17 s 时刻,即孤岛运行 12 s 后,小水电站的频率上升至 67 Hz。模型中,水电机组设置高频保护,在孤网频率达到51 Hz时高频保护开始动作,BRK11首先断开,共分 3 轮,每轮切 6 MW 水电,时间级差为 0.5 s。仿真结果显示,该变电站在本次孤网运行中最高频率将控制在 52.2 Hz,20 s 降至工频值。增加高频切机策略后,将切除水电18 MW,并网时间可缩短至15
20、 s。采用高频切机后的小水电站频率波形如图 3 所示。图 3 水电站高频保护断路器动作及频率示意图 Fig.3 Schematic diagram of the action and frequency of high-frequency protection circuit breakers 采用高频切机方式,有可能出现欠切或过切情况,将会影响孤网频率控制的效果,需寻找更优的同期并网时机。从图 2 的录波数据分析可得,孤网初期频率变化较慢,在 100 ms 时频率为 50.225 Hz,与系统的角差为 4;在 200 ms 时频率为 50.361 Hz,与系统的角差 12。因此,可改变孤网运
21、行后先控制频率再同期并网的传统思路,探索更优的方式。孤网系统中所有机组角速度变化率及孤网系统频率变化可由式(2)计算20。mem1e1hydro0hydrodd()/2iiJPPtPPSfftH=-|-=|(2)式中:J是水电机组的转动惯量;为转子的角速度;miP、eiP分别为机组i的机械功率及电磁功率;m1P为发生故障前孤网系统所有发电机原动功率;e1P为总的电磁功率;t为孤网持续时间;0f为系统额定频率;hydroS为水电孤网系统容量;hydroH为水电孤网惯性时间常数。由于高渗透率水电孤网的惯性时间常数较大,若加速度不大则频率变化较慢,在孤岛初期频率偏差f 较小,且与主网角差不大,如在这
22、一阶段通过备自投装置实现快速并网,有很高的成功率。并网方式在不采取切机(或少切机)的条件下可保障用户不间断供电,还能避免孤网运行期间高频高压的状态,可有效提高供电可靠性。2 基于频率变化率的快速同期并网 由上文分析可知,小水电区域电网孤网初期,其频率和相角与主网相差不大,若采用压差和角差作为并网条件的备自投方案成功率较高。但是,在水电孤网并网前,若其加速度过大,且并网时的角差不能严格为零,并网后可能出现低频或高频振荡等问题21-22,进而导致更严重的后果。为此,备自-160-电力系统保护与控制 投方案还需增加频率变化率作为判据,也就是保证并网时,小水电区域电网与主网的功率交换尽可能小,防止振荡
23、的产生。此外,为了尽快降低孤网功率不平衡度,水电机组的高频保护需增加频率变化率(rate of change of frequency,ROCOF)作为判据,将高频保护的时间级差降至 50 ms 左右,将快速备自投动作时间降至 200 ms 以内。对于频率变化率的计算,若采用 FFT 算法或过零点测频法得到频率后再计算 ROCOF,则所需要的时间窗为 23 个工频周期或更长,这对于快速同期并网是十分不利的。为此本文提出了基于扩展卡尔曼滤波的快速频率变化率计算方法。2.1 基于扩展卡尔曼滤波的快速频率变化率计算方法 卡尔曼滤波(Kalman filter,KF)是一种高效率线性自回归滤波器23,
24、而在此基础上发展的扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)可用于非线性信号的拟合与计算。假设电网电压或电流信号包含基波分量和谐波分量,则故障信号在k时刻的离散形式表达式如式(3)所示。00s00s2cos()cos()MkikikiyA kTA ikT=+(3)式中:下标i表示高次谐波次数;0A、0、0分别表示基波分量的幅值、角频率和相位角;ikA、ik分别表示第i次谐波分量的幅值和相位角;sT为采样间隔。假设电网中信号含有较大的谐波分量,根据卡尔曼算法原理可以建立电网信号的离散化总体状态空间描述,电网信号的状态转移方程为 1()kkf+=XX (4)式中,状态向
25、量kX定义为 ssss(1)(2)(3)cos()(4)sin()(5)cos()(6)sin()kkkkkkkkkkkkkkikikikkikikikxxxAkTxAkTxAikTxAikT|+=|+|+|+|X (5)状态转移方程()kfX定义为 ssssssss(1)(2)(1)(3)cos(2)(4)sin(2)()(3)sin(2)(4)cos(2)(5)cos(2)(6)sin(2)(5)sin(2)(6)cos(2)kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkxxxxxTxxTfxxTxxTxixTxixTxixTxixT|+|-=|+|-|+|X(6)根据式(1)所示信号离散表达式
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