快速投切电容电抗器暂态无功补偿的应用

文/刘雍

随着直流输电工程在电力系统中的比重不断上升，交流受端电网发生故障时产生的电压跌落导致的换流阀换相失败甚至直流输电线路闭锁日益成为电网安全稳定运行的重大隐患。为进一步提高受端电网动态无功支撑能力，提高电网电压稳定性，需要在系统发生故障时进行暂态无功补偿。本文中的快速投切电容电抗器自动装置是一种新型的暂态无功补偿方案，这种方法可以利用站内既有电容器、电抗器，实现毫秒级的无功补偿响应，从而在交流系统发生故障时根据软件逻辑策略快速响应出口投切电容器、电抗器，实现暂态无功补偿，提高电网电压稳定性。

1 工程背景

随着一系列国家西电东送重点工程的相继投产，南方电网广东珠三角地区电网已成为典型的多回直流集中馈入重负荷受端电网，直流输电输送容量约占最大负荷比例的39%。为提高电力系统电压稳定性，在交流系统发生故障时能快速发出无功支撑电压，提高直流输电系统的可靠性，进行暂态无功补偿对保障电网安全运行、提高供电可靠性有着重要的现实意义。传统的在直流换流站接入交流电网站点加装STATCOM等装置的就近补偿方法补偿效果好，但存在设备投资大、补偿容量小的缺点。220kV 某变电站地处珠三角西北地区，距多个超高压直流输电馈入点电气距离较近，站内有三台主变，各带三段10kV母线，每条10kV母线装设4台8000kvar容量电容器，考虑该站综合条件，利用站内既有无功备用容量，节省投资，决定在该站加装快速投切电容器装置。

图1：装置硬件原理图

2 快速投切电容电抗器装置硬件原理

快速投切电容电抗器装置（PCS998S）为由微机实现的集中式网络智能保护装置，主要用于220kV及以下电压等级变电站，实现站内和站间的保护和控制功能，实现对动态无功的综合调用，在系统故障时起到一定的电压支撑作用。

PCS998S基于数字化变电站技术，装置支持IEC60044-8IEC61850-9-1/2采样值传输协议，支持新一代变电站通讯标准IEC61850,支持GOOSE功能。装置支持电子式互感器和常规互感器。

装置实现了智能判别系统电压跌落并快速选择性切除电抗器、投入电容器的功能，解决了常规AVC、VQC装置投入电容器时间长的问题，可有效提高系统电压稳定性；适用于任意母线接线方式和母线运行方式的变电站，为在负荷中心地区推广应用、加强南网受端电网动态无功支撑能力具有重要意义。

装置硬件结构硬件上采用PCS-998S平台+PCS-222智能终端相配合的方案，兼顾智能化变电站、常规变电站的通用性。具备与远方站点通信能力，实现区域协调控制。如图1所示。

3 快速投切电容电抗器装置软件原理及补偿策略

3.1 软件工作原理

有故障或无故障情况下，装置监测到系统电压跌落幅值和持续时间超过门槛值时，分轮次切除电抗器、投入电容器；系统恢复后，若电压升高幅值和持续时间超过门槛值时，分轮次切除前期投入的电容器。如图2所示。

故障低压动作：检测到系统故障发生后启动，监测正序电压持续低于门槛值（如0.9Un）超过一定时间（如0.12s）分轮次切除电抗器、投入电容器；

非故障低压动作：监测正序电压持续低于门槛值（如0.88Un）超过一定时间（如5s）分轮次切除电抗器、投入电容器。

过压动作：系统电压恢复后，若出现电压偏高（如正序电压高于1.07Un）超过一定时间（如0.5s）分轮次切除前期投入的电容器。

针对每台主变，装置接入各个主变变高电压，设有独立的低压启动元件，启动后开放出口正电源。启动元件利用装置正序电压低于低压启动定值判断低压启动。

装置动作元件有：

（1）故障低压动作元件：利用装置正序电压滑差变化率判断系统故障；

（2）非故障低压动作元件：利用装置正序电压判断低压动作；

（3）恢复过压动作元件。

3.2 装置补偿策略

系统故障识别逻辑：当采集电压中任何一相电压变化率大于故障判别滑差定值，经10ms确认延时后若此时正序电压低于低压启动返回定值，则该系统故障标志一直保持，当电压高于低压启动返回定值后延时50ms返回；

故障情况下低压投切电容器电抗器策略：故障低压逻辑过程中，当系统电压回升过程中，若回升滑差大于电压回升滑差定值时计数器递减（躲系统振荡）；装置内部设置有“协同动作时间”定值，固定取20ms。当某台主变判低压出口后，若20ms以内同时有其余主变判低压出口，则判断为同区域内多主变同时低压，将采取统一的协调控制措施，切除电抗器、投入电容器。即将动作的主变可投切的电容电抗器列在一起按优先级顺序参与按轮次投入个数的投切动作过程。

为使装置正确动作，装置需接入主变闭锁开入（主变区内故障导致的故障低压）、母差闭锁开入（母差保护动作，闭锁全部主变判别功能）、电容器闭锁开入（包括电容器保护动作、电容器保护装置报警、电容器保护装置闭锁(或失电)、电容器控制回路断线）等闭锁信号。当主变功能压板或电容器允切压板退出时不进行相应逻辑和告警判别，已发生的相应告警信号自动复归。

4 快速投切电容电抗器装置的运维

4.1 快投装置的投入和退出

快投装置的投退必须按照以下顺序进行：

（1）快投装置的退出：退出跳闸、合闸出口压板、退出允许投切功能压板、退出总功能投入压板。

（2）快投装置的投入：投入总功能投入压板、投入允许投切功能压板、投入跳闸、合闸出口压板。

4.2 快投装置的定检

通常采取状态检修模式。定检时将装置退出；退出跳闸出口压板，投入检修状态压板；检查装置采样（电流、电压、频率及相关开入量）；检查装置中央信号的准确性；利用装置的试验定值功能进行装置单站测试，检查装置出口信号的正确性；检验中发现插件不正常，要及时更换备用插件，或通知厂家处理。

图2：装置软件工作原理图

4.3 日常维护注意事项

装置指示灯是否处于运行状态，当发现有异常信号时，及时查清异常的现象和原因或上报。快投装置与在其它保护共用PT回路，其它保护试验时，应考虑快投装置有无误动作的可能，必要时退出相应的快投装置。保护装置的硬件回路和软件工作条件始终在系统的监视下，一旦有任何异常情况发生，相应的报警信息将被显示。某些异常报警可能会闭锁一些保护功能，一些严重的硬件故障和异常报警可能会闭锁保护装置。此时运行灯将会熄灭。同时开出信号的装置闭锁接点将会闭合，保护装置必须退出运行，需要检修以排除故障。

5 结语

快速投切电容电抗器装置能够在受端电网发生故障，电压出现跌落时，充分利用变电站既有电容电抗器的备用无功容量，快速响应发出无功，实现暂态无功补偿，起到电压支撑作用，对于电力系统电压稳定性、电力系统安全稳定运行具有重要意义。快速投切电容电抗器装置为新型装置，为保证设备正常运行，需加强运维人员的技能培训，明确其运维策略。随着直流输电等电力技术的发展，无功补偿新技术装置的应用将会越来越广泛，在实际调试和运行维护中需要越来越多的对无功补偿新技术装置精通的专业技术人员，熟练其运维方法，才能确保电力系统安全稳定运行。