基于BPA外网静态等值的福贡串补自动重投仿真分析

徐志

（云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217）

0 前言

高压超高压线路加装串联电容补偿装置，主要是为了降低线路电抗，提高输电线路动态及稳态的稳定裕度，为大功率传输创造了有利条件。自动重投功能是串补区内故障后快速投入串补的一种自动控制策略，有效的保证了系统的稳定和线路功率的传输。然而，受串补MOV 制造工艺水平（MOV 阀片的一致性）和试验手段的限制，MOV 已成为串补成套装置比较容易损坏的设备。特别是，区内短路故障引起的工频过电压和能量可能造成MOV 阀片损坏，为了保护设备，南网目前禁止了串补的自动重投。云南电网220 kV 福贡串补，兼顾了怒江地区输电通道的限制和怒江汛期电力外送的压力，串补的快速投入能很好的抑制怒江电网的功率振荡问题，保证了怒江电力的送出，特别是在丰水期。为此，迫切需要研究一种福贡串补故障后快速投入的方案。基于此，本文将依据福贡串补系统设计和设备参数进行串补故障后自动重投及其对MOV 影响的仿真分析，探究福贡串补启用自动重投功能的可行性和方案。

本文用到的仿真计算工具主要是电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC 和BPA 程序。包含福贡串补保护逻辑和控制策略及相邻线路保护逻辑的详细电磁模型在PSCAD/EMTDC 建模，考虑到PSCAD/EMTDC 能建立的变电站节点有限，必须对云南主网和怒江电网进行静态等值，保留研究区域及其与外部区域的边界节点，最大限度反应福贡串补区内故障时云南主网和怒江电网对短路点的短路电流贡献水平。

1 福贡串补外网等值

1.1 基于BPA外网静态等值

电力系统等值可以分为静态等值和动态等值，静态等值不考虑元件的动态特性，而动态等值需要考虑元件的动态特性。本文完成基于短路电流计算的MOV 过电压和能量校核，与系统电压和等值阻抗强相关，不需要考虑系统元件的动态特性，故采用系统静态等值方法。

BPA 短路程序SCCP 提供了多点网络等值计算模块，该模块是一种基于阻抗等值的多端口有源网络等值。等效方法是，将全网按照仿真研究重点分为内网和外网（外网可以是一个或几个），内网是需要建立详细电磁暂态模型，进行重点关注的，外网是需要等效的网络，内网与外网之间的连接线路是边界线路，连接节点为边界节点，网络连接情况如下图1 所示。

图1 网络划分示意图

图2 断开联络线后的多端口外网

BPA 网络阻抗等值的原则与戴维南等值类似，首先等效网络与内网之间保持开路，即断开内网与外网的连接线路。于是外网就成了多个含独立源的多端口网络。如图2 所示。

然后运用电网络理论关于多端口网络等效的计算方法，对每个独立的外网进行多端口网络阻抗等值计算。这里假设含独立源的n 端口网络N 是线性，利用线性电路的叠加原理，将网络分成不含独立源，仅有外部激励作用的网络N1，和外部短路，仅由独立源作用的网络N2。于是，对于多端口网络N 有：

N 中全部独立源不作用时，

N 中所有独立源单独作用时，

由线性电路叠加原理有：

式(3)是等效网络的诺顿电路模型，根据电路等效原理，将其话成戴维南电路模型为：

BPA 短路程序SCCP 的多点网络等值与阻抗计算模块支持该项计算，可以将外网从线进行戴维南等效。

1.2 220 kV福贡串补简介

福贡串补站共有2 套固定串补装置，分别安装在220 kV 兰福线和220 kV 福剑线上，串补度均为60%，设备额定电流均为1.42 kArms/相，MOV 额定容量（含热备用容量）分别为68.2 MJ/ 相和45.1 MJ/ 相，由南瑞继保公司成套供货，系统接入如图3 所示。

按系统设计方案要求，福贡串补投入运行时，福贡变220 kV 母线分列运行。

图3 福贡串补系统接入

1.3 福贡串补外网等值

SCCP 多点网络静态等值的方式是：将交流网络中变电站和线路分为内部网络和外部网络，连接外部网络与与内部网络之间的节点为边界节点，连接线路为边界线路。进行等值计算时首先在BPA 潮流数据文件中将边界线路断开，然后分别在断开线路形成的网络中用出力和负荷来代替相应的线路潮流，接着在新生成的交流系统中添加对应的平衡节点，重新进行潮流计算，最后将修改后的潮流计算数据文件放到SCCP 中完成边界节点母线的等效。

图4 福贡串补仿真外网等值图

表1 外网等值结果

如图3 所示为2018 年汛期丰大方式云南电网主网网架结构图，将要重点研究的福贡串补和线路及强相关变电站作为内部网络，内部网络即是要完全保留的网络，其余部分为外部网络。于是，形成的内网包括：220 kV 福贡串补、兰坪变220 kV 母线、剑川变220 kV 母线、洱源变220 kV 母线以及这些节点之间的线路。边界节点包括：福贡变220 kV 母线、维西变220 kV 母线、黄坪变220 kV 母线、大理变220 kV 母线以及剑川变、洱源变、兰坪变的110 kV、35 kV 等值系统。需要断开线路包括：220 kV 福贡变至福贡串补双回线，220 kV 维西到剑川单回线，220 kV 剑川至黄坪双回线，220 kV 洱源至黄坪单回线，220 kV 洱源至大理单回线，220 kV 洱源至洱源110 kV、35 kV 等值系统单回线、220 kV 兰坪至兰坪110 kV、35 kV 等值系统单回线。

BPA 等值后的系统接线图如图4 所示。

静态等值后，一共有7 个等效电源，等值结果见表1 所示。

2 福贡串补MOV过电压及能量校核

2.1 PSCAD电磁暂态建模

基于上面的外网等值结果在PSCAD 中搭建对应的仿真模型，如图5 所示。鉴于兰福线串补和福剑线串补的设计容量等参数几乎相同，故本次建模仿真主要针对福剑线串补进行，兰福线串补用等容量的固定电容器来代替。

图5 福贡串补仿真模型

火花间隙除了能通过大电压自触发外，更多的时候需要通过串补保护进行强制触发，这就要求间隙具有程序可控功能。本模型中的间隙采用断路器模型进行模拟。

模型考虑线路故障联跳串补，但不考虑串补旁路开关失灵启远跳。串补自动重投策略采用的目前南网要求的先投串补后投线路的重投方式，即串补旁路后，考虑间隙去游离时间，延时500ms 后，串补自动重投。

模型保护定值参考目前调度下达的定值，其中，福剑线串补MOV 能量低定值25.86MJ，MOV 能量高定值28.94MJ，MOV 高电流旁路定值6610A，间隙触发回路电容器电压使能值99.2 kV。

2.2 MOV过电压及能量校核仿真

按照MOV 招标规范，对不同运行工况下的MOV 过电压和能量进行校核。考虑的故障类型主要有：区内单相瞬时故障、区内单相永久故障、区内单相永久故障线路断路器重合闸后故障相拒动、区外单相永久故障线路断路器重合闸后故障相拒动。

区内单相永久故障线路断路器重合闸后故障相拒动时，MOV 吸收能量和过电压情况相对区内单相瞬时故障、区内单相永久故障要严重，区内故障对MOV 的校核以区内单相永久故障线路断路器重合闸后故障相拒动为主。

图6 为福剑线串补区内单相永久故障线路断路器重合闸后故障相拒动时的波形图。图6从上到下分别为故障相（A 相）线路电流波形、非故障相（BC 相）线路电流波形、故障相电容器电流波形、故障相MOV 电流波形、故障相MOV 电压波形、故障相间隙电流和MOV 保护动作开关量、故障相MOV 能量波形。

串补旁路刀闸在1.0s 是分开，串补投入。由图可知：福剑线串补在福贡变220 kV 母线分列运行，发生区内单相永久故障线路断路器重合闸后故障相拒动时，MOV 最大电流约为80A，过电压最大为102.3 kV（约1.8p.u），MOV 吸收能量最大为7 KJ。整个过程中串补保护没有动作，仅由线路保护联动串补。

对照福剑线串补MOV 设计保护水平，1.8p.u 的过电压和7 KJ 的能量，MOV 是可以承受的。

图6 福剑线串补区内单相永久故障线路断路器重合闸后故障相拒动时的波形图

串补区外故障时，要求串补不能旁路，短路电流完全由MOV 承受，对MOV 考验也比较严格。

图7 为福剑线串补区外单相永久故障线路断路器重合闸后故障相拒动时的波形图。图7从上到下分别为故障相（A 相）线路电流波形、非故障相（BC 相）线路电流波形、故障相电容器电流波形、故障相MOV 电流波形、故障相MOV 电压波形、故障相间隙电流和MOV 保护动作开关量、故障相MOV 能量波形。

串补旁路刀闸在1.0 s 是分开，串补投入。由图可知：福剑线串补在福贡变220 kV 母线分列运行，发生区外单相永久故障线路断路器重合闸后故障相拒动时，MOV 最大电流约为70 A，过电压最大为102.1 kV（约1.8p.u），MOV 吸收能量最大为25 KJ。整个过程中串补保护没有动作，也没有线路保护旁路串补，串补一直处于运行状态。

同理，剑线串补区外单相永久故障线路断路器重合闸后故障相拒动时，串补MOV 是可以承受的。

图7 福剑线串补区外单相永久故障线路断路器重合闸后故障相拒动时的波形图

福剑线串补区内外单相永久故障线路断路器重合闸后故障相拒动，这两种故障时串补MOV 将承受最严重的冲击，此两种工况下进行的串补MOV 过电压和能量校核完全可以说明MOV 承受故障冲击能力。

对比分析两种故障时的波形图可以发现，MOV 流过的最大电流和承受最大电压基本相同，相对都较小。串补区外单相永久故障线路断路器重合闸后故障相拒动时，由于串补不能旁路，MOV 吸收能量相对较大达25KJ，但未到MOV 能量保护定值，故两种情况下MOV 保护都未动作。

3 结束语

本文主要完成了基于BPA 外网静态等值的福贡串补自动重投仿真分析，利用BPA 进行了外网静态等值，利用PSCAD/EMTDC 搭建了福贡串补及相邻线路的详细电磁暂态模型，并基于模型进行了福贡串补正常运行模式（投串补时要求福贡变220 kV 母线分列运行）下故障时的MOV 过电压和能量校核。得出以下结论：

1）福贡串补MOV 设计容量较大，可以承受现阶段常见严重故障对其造成的冲击。

2）现阶段，串补在福贡变220 kV 母线分列运行时投入运行，启用串补自动重投有较好的可行性。

3）现阶段，按现在的自动重投策略，即先投串补后投线路的方式启用串补自动重投可行性也较好。