云南富宁换流站交流500 kV电气主接线可靠性研究

张 涛，方 静，运志涛，王伟刚

(电力规划设计总院，北京 100120)

电气主接线是变电站设计的重要方面，对设备选择、配电装置平面布置及控制保护方式均有较大的影响。根据富宁±500 kV换流站(以下简称“本站”)的工程定位和地区电网规划，本站采用与变电站合建方案，交流500 kV进出线元件达20个，并要求灵活实现三种运行方式：直流双极全部送云南电网；直流双极全部送广西电网；直流双极分送广西电网和云南电网。因此，不仅有必要对本站电气主接线可靠性进行定性分析，更需要通过建立设备模型，开展可靠性定量计算分析。

1 工程条件

1.1 换流站概述

富宁±500 kV换流站是金沙江观音岩水电站直流送出工程的受端换流站，额定容量3000 MW。为节约投资、简化电网结构、改善换流站系统条件，本站采用与变电站合建方案，接入系统方案见图1。

图1 富宁±500 kV换流站接入系统图

根据系统规划，站内交流500 kV远期规模为：2回换流变进线、2回靖西出线(至广西电网)、2回砚山出线(至云南电网)、4回备用出线(至云南电网)、4回500 kV交流联络变出线、2回500 kV降压变进线及4回交流滤波器大组进线，共20个进出线元件。

1.2 运行方式要求

根据近、远期云南砚山侧、广西靖西侧的系统受电规划，受端换流站应实现如下运行方式。

(1)运行方式1：直流电力全部送云南砚山侧，且换流站交流母线与广西靖西侧电气开断。

(2)运行方式2：直流电力全部送广西靖西侧，且换流站交流母线与云南砚山侧电气开断。

(3)运行方式3：直流电力按单极分别送电广西和云南，且两个单极所在交流母线电气开断。

三种运行方式的地理接线示意图见图2。

图2 三种直流运行方式地理接线示意图

综上所述，本站交流500 kV多达20个进出线元件，并有分区运行的三种特殊运行方式要求，接线方式的选择直接影响着系统运行的安全可靠。因此，需对主接线可靠性进行深入分析研究。

1.3 电气主接线方案

我国330 kV及以上电压等级常用的接线有桥接线、角形接线、双母线接线、一个半断路器接线等。其中，当进出线元件为4个及以下时，多采用桥接线和角形接线；进出线元件大于4个时，多采用一个半断路器接线。

本站500 kV进出线元件达20个，不适合桥接线和角形接线；考虑到投资及占地面积的问题，不推荐采用双断路器接线；国内超高压变电站中从未采用过三分之四断路器接线，缺乏运行经验，亦不推荐采用。

根据以上分析，500 kV交流电气接线拟选择一个半断路器接线(详见图3)与双母线接线方案(详见图4)进行对比分析。为实现三种运行方式，两种接线方案均采用母线三分段形式，通过操作分段断路器可实现不同运行方式的切换。

图3 交流500 kV一个半断路器接线方案

图4 交流500 kV双母线接线方案

2 电气主接线可靠性评估分析模型

2.1 分析方法

当前电力系统可靠性分析理论主要沿着两个方向发展，即网络方法和状态空间方法。前者偏重于研究电力系统是否连通，解析效率较高，但其计算分析结果中没有包含连通的详细状态；而后者分析方法可以较详细地计算解析电力系统各种运行状态，但计算量大、算法复杂，并且随着系统元件数量增加，系统复杂性加大，计算效率相应显著降低。

目前，电气主接线可靠性计算分析研究广泛采用网络方法，在网络连通性基本模型的基础上，考虑各种设备可靠性属性以满足实际系统的精度要求。

2.2 元件的可靠性模型

主接线可靠性评估中，涉及变压器、断路器、隔离开关、母线、电压互感器及电流互感器等多种设备，其中，断路器模型结构最为复杂，需要考虑的因素较多。断路器模型中主要定义了七种工况：N(正常工作模式)、M(计划检修模式)、m(强迫检修模式)、f(误动模式)、i(接地或绝缘故障模式)、st(拒动模式)、r(故障后修复模式)。工况状态转换参数λ、μ分别为不可用率、修复率。图5为电力系统断路器模型的状态空间模拟图。

图5 断路器模型状态空间图

由图5可以看出，设备元件模型考虑的因素比较多，使问题更加复杂化，因此，需要对元件模型进行必要的简化。

从设备元件故障后的结果来分析，可以将st状态模式和i状态模式归一等效为S状态，m、f和r模式简化合并为R状态。通过逻辑分析，可以得出S状态模式将使保护范围内的所有开关跳闸，是一种相关故障；而R状态模式只将故障的断路器跳闸，涉及范围有限。考虑到故障情况下继电保护的误动影响，需进一步修正相关状态模型。实际运行中，继电保护误动后的断路器状态结果和S状态度断路器处的后果一样，因此，可以等效为一种状态。继电保护拒动后，将引起变电站相关设备退出运行，因此，也是一种扩大影响范围的相关故障，其后果等同于在故障断路器保护区内的各断路器均处于S状态，进而导致下一级的断路器跳闸，因此，可将这种工况模式单独分类，即F状态。

考虑到S、F状态度中的操作时间很短，进一步归一等效这两个状态，并入R状态，最终简化得到断路器3状态模式可靠性模型见图6。

图6 断路器模型简化空间状态图

模型中，N为正常状态模式，R为故障检修模式，M为计划检修模式，λR为年故障率，μR为年故障修复率，λM为年计划检修率，μM为年计划检修的修复率。

2.3 电力系统故障搜索与概率、频率分析

本文通过分析电气主接线图，梳理致使各线路停电的故障事件，进一步分析该故障事件下的相关影响，统计得到该状态下的故障概率、故障频率。

电力系统故障搜索中，首先划分任一回出线到源点的最小割集，根据故障重叠的情况分类，可分为一阶(重)故障、二阶(重)故障、三阶(重)故障这三种情况。针对不同割集，可靠性指标可按以下原则分析计算：

(1)一阶故障中，故障率、故障恢复时间分别设定为单个设备元件强迫停运的故障率、单个设备元件强迫停运时的故障恢复时间；如果系统中配置了备用设备，则停电时间为备用设备就位、投运的操作时间。

(2)二阶故障中，考虑设备强迫停运与单一设备计划检修重叠的情况。两个设备元件强迫停运故障率分别设为λ1、λ2，相应强迫停运后的故障恢复时间分别设为r1、r2，设备元件计划检修停运率分别设为λm1、λm2，相应计划检修停运时间设为rm1、rm2，则二阶故障持续强迫停运的时间rp为：

计划检修停运和强迫停运主要在两种情况发生重叠，即：一种情况为设备1已处检修状态，设备2发生强迫停运；另一种情况是设备2已处检修状态，设备1发生强迫停运。这两种情况的等效停运率λsm为：

相应等效停运时间rsm为：

(3)三阶故障中，主要考虑强迫停运与计划检修停运的重叠情况。在工程实际中，基本不会同时对两个设备元件进行检修，因此，只需考虑两个设备元件强迫停运与另一个设备元件发生检修停运重叠的情况。三阶段故障的分析计算方法和计算公式与二阶故障类似，将两个强迫停运元件等效为一个强迫停运元件，代入上述等效停运率、等效停运时间计算公式即可。

系统运行中，三阶以上故障发生的概率极小，因此，在以下计算分析中不考虑三阶故障情况。

3 电气主接线可靠性综合分析

3.1 电气主接线综合评估方法与主要性能指标

变电站设计中，电气主接线的选择涉及系统安全可靠性、工程投资、运行便利性等多方面因素，因此，其综合评估主要从可靠性、经济性和灵活性三方面考虑，综合评估流程见图7。

图7 电气主接线综合评估流程图

本文采用清华大学开发的“发电厂/变电站电气主接线可靠性评估软件”，针对可靠性方面对电气主接线做重点定量分析，主要包括连续性、安全性和充裕度三个方面。

3.2 元件可靠性参数

主接线可靠性评估主要涉及母线、隔离开关、断路器、架空线等，参考中电联电力可靠性管理中心发布的输变电设备可靠性统计参数，500 kV主要设备元件可靠性参数统计均值见表1。

表1 500 kV主要设备元件可靠性参数统计表

3.3 定量可靠性评估计算条件、判据和指标说明

电气主接线方案的可靠性判据主要包括：任意一回进出线回路发生故障停电；任意两回进出线回路发生故障停电；任意指定三阶及以上进出回路组合停电事件；全站发生故障停电。以一个半断路器接线方案的可靠性分析为例，按前述整理的可靠性参数，经计算，富宁±500 kV换流站在前述三种运行方式下，一个半断路器接线方案的连续性、充裕度、安全性指标的计算结果分别见表2～表4。

同理，可得富宁±500 kV换流站双母线接线方案各项指标见表5～表7。

3.4 基本可靠性结果分析

针对两种接线方案的各项指标，通过归一化处理，两方案的可靠性指标对比情况见图8～图10。可见，一个半断路器接线方案的各个可靠性指标均优于双母线接线方案。

3.5 其他因素分析

电气主接线除可靠性分析外，还要考虑主接线方案的经济性、灵活性等因素。

经测算，按工程远期规模，相比双母线接线方案，一个半断路器接线方案多6台断路器和6组接地开关，但少了14组隔离开关，经与国内主要设备供应商询价，设备费用约高出980万元，相较本工程整体投资，增加费用有限。

灵活性方面，首先一个半断路器和双母线接线方案均采用母线三分段的形式，满足系统三种运行方式间灵活切换的要求；其次，当出线断路器故障时，两种接线方案均需较长时间停电；最后，除4回备用出线外，其他500 kV进出线元件本期一次上齐，并且采用气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated Switchgear,GIS)，备用间隔的母线侧隔离开关本期采购，后期扩建工作量较少。因此，两种接线方式的运行、检修、扩建灵活性基本相当。

表2 一个半断路器接线方案连续性指标

表3 一个半断路器接线方案安全性指标

表4 一个半断路器接线方案充裕度指标

表5 双母线接线方案连续性指标

表6 双母线接线方案安全性指标

表7 双母线接线方案充裕度指标

图8 500 kV主接线方案的连续性指标比较

图9 500 kV主接线方案的安全性指标比较

图10 500 kV主接线方案的充裕性指标比较

4 结语

金沙江观音岩水电站直流送出工程在南方电网中具有十分重要的地位和作用，其受端富宁±500 kV换流站安全运行的可靠性，不仅影响到云南电网、广西电网的用电，而且直接关系到整个南方电网的安全稳定运行，本文通过对一个半断路器接线和双母线接线可靠性的分析研究，并结合经济性、灵活性的综合评估，推荐采用一个半断路器、母线三分段接线方案，不仅满足了本站设备选型、平面布置、工程经济性等方面的要求，而且保障了换流站的运行可靠性。

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