CN101710820A - 一种分级可控并联电抗器的动态模拟装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超、特高压变压器式分级可控并联电抗器的动态模拟系统，设计能够准确模拟500kV、750kV、1000kV输电系统中不同容量的变压器式分级可控并联电抗器的动态模拟装置。模拟装置本体一次侧为单相分立式，三相联结成“Y”型，一次绕组设置12个匝间短路抽头，可以分别从高压侧及中性点侧模拟1％～25％的匝间短路故障。模拟装置本体二次侧为单相闭合连接，末端直接接地。容量共分9级：100％、75％、62.5％、56.25％、46.875％、37.5％、31.25％、18.75％、15.625％。模拟装置本体一次、二次侧均装设电流互感器和电压互感器，可用于满足动态模拟试验中电抗器本体保护的需要，并针对超、特高压可控并联电抗器装置的本体保护及安装可控并联电抗器装置的线路保护，发明了动态模拟试验的方法。

Description

一种分级可控并联电抗器的动态模拟装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及一种超、特高压变压器式分级可控并联电抗器的动态模拟装置及其方法，属于各电压等级电力系统动态模拟系统领域。

背景技术

可控并联电抗器能随线路传输功率的变化而自动调节自身的容量，且能降低线路操作过电压水平，提高电网的运行效益；对系统扰动所引起的动态稳定反应迅速，抑制电压波动，提高系统稳定性，增大输电能力，抑制系统功率振荡。可控并联电抗器在超、特高压输电系统中的应用已成为电力系统发展方向之一。国家电网仿真中心动模实验室，为了进一步提升对超/特高压输电技术的动模仿真能力，扩大对交流输电系统的模拟范围，将超、特高压变压器式分级可控并联电抗器动态模拟系统的研究列入《国家电网仿真中心-动模实验室建设子课题》中。

中国专利申请200620132038.5公开了一种动态模拟实验用的并联电抗器，该并联电抗器为单相的干式电抗器，铁芯结构为双U形铁柱对接的口字形铁芯，双U形铁柱对接处有间隙，铁柱形状为不完全圆柱体。绕组包括4个分绕组，各分绕组有18层，每层23匝；第一分绕组每两层抽一个头，第二和第三分绕组不加中间抽头，第四分绕组在最后23匝处加1个抽头。

专利200620132038.5为固定容量的并联电抗器模拟装置，其容量一经设定在运行过程中不可变化，该装置不能用于进行可控并联电抗器装置本体保护及带有可控并联电抗器装置的线路保护的检验测试工作。本发明的模拟装置能够根据系统情况在运行过程中实现手动或自动容量切换控制，并根据线路保护及线路开关操作情况作出相应容量调整，结合本专利中的动态模拟试验方法，能够完成可控并联电抗器装置本体保护及带有可控并联电抗器装置的线路保护的检验测试工作。

发明内容

在参考我国已投运的500kV变压器式分级可控并联电抗器的结构和功能的基础上，同时考虑未来变压器式分级可控并联电抗器在750kV及1000kV输电系统中应用的技术情况，研究超、特高压变压器式分级可控并联电抗器的动态模拟系统，设计能够准确模拟500kV、750kV、1000kV输电系统中不同容量的变压器式分级可控并联电抗器的动态模拟装置。1、一种超、特高压变压器式分级可控并联电抗器动态模拟装置，该装置包括：单相分立式干式变压器各相外接不同种类电抗器La1～La9，变压器一次侧通过交流接触器KKA～KKC控制整个装置的接入或退出系统，电抗器分别与双向可控硅GTA1～GTA8并接，由双向可控硅控制不同种类的电抗器的投入与退出，该装置的一次侧三相连结成“Y”接线方式，二次侧为单相闭合连接，末端直接接地，一次侧容量共分9级：100％、75％、62.5％、56.25％、46.875％、37.5％、31.25％、18.75％、15.625％，一次侧从中性点起依次设置抽头：0、1％、3％、6％、10％、15％、25％、50％、75％、90％、94％、97％、99％、100％，除两端外，共12个抽头，该装置本体一次、二次侧均装设电流互感器和电压互感器，用于满足动态模拟试验中电抗器本体保护的需要，控制系统由微机控制器及上位机组成，控制系统采入电流互感器和电压互感器的电流、电压信号，并计算系统有功、无功值等，由点对点的通讯模式将结果传输给主控制板的CPU，通过输出脉冲控制信号M1～M8，控制双向可控硅的导通。

其中，所述微机控制器采用标准上架式4U19英寸机箱，显示界面采用图形液晶显示器，微机控制器的后背板由七块背插板组成，分别为主控制板A、开入开出板B、I号传感器板C、II号传感器板D、工作电源板E、备用板F和备用板G。

其中，所述一次侧额定相电压为

额定容量：0.96×3kVar，额定电抗值：781.25Ω，二次侧额定电压75V，额定电抗值：5.86Ω。

其中，所述控制系统，由多CPU微机控制器及上位机监控软件组成，由微机控制器实时测量系统的电压、电流、计算有功、无功潮流、测量电抗器的一次及二次输出电流值、由微机控制器的开入开出板检测必要的开关量信息，由RS485接口实现与上位机软件的通讯，在上位机中设置有一个具有监视和控制功能的监控软件，可方便地监视上述系统模拟量开关信号量的信息，通过遥控开关，控制接入的一次系统的真空接触器；通过遥控开关，改变电抗器的控制模式；通过参数下载，改变控制的目标值；通过遥控开关，控制电抗器的输出容量。

本发明还提供了一种使用所述装置的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)根据模拟电压等级进行超、特高压可控并联电抗器装置的动态模拟装置的参数设计：

对于应用于1000kV输电线路的情况，实际系统中可控并联电抗器CT变比k_I.r，PT变比k_U.r；实验室动模系统可控并联电抗器选取CT变比k_I.m，PT变比k_U.m，则实际系统中可控并联电抗器与实验室模拟可控并联电抗器的容量比为：

$k_M=\frac{k_{I.r}{k}_{U.r}}{k_{I.m}{k}_{U.m}}...\left(1\right)$

模拟实际系统中容量为M_r的可控并联电抗器，实验室模拟可控并联电抗器容量为：

M_m＝M_r/k_M....................................................(2)

当用于模拟750kV输电线路中可控并联电抗器时，实际系统中可控并联电抗器CT变比k_I.r，PT变比k_U.r；实验室动模系统可控并联电抗器选取CT变比k_I.m，PT变比k_U.m，则实际系统中可控并联电抗器与实验室模拟可控并联电抗器的容量比为：

${k_M}^{\′}=\frac{k_{I.r}{k}_{U.r}}{k_{I.m}{k}_{U.m}}...\left(3\right)$

若模拟实际系统额定容量为M_r′的可控并联电抗器，则模拟可控并联电抗器的额定容量为：

M_m′＝M_r′/k_M′..............................................(4)

当用于模拟500kV输电线路中可控并联电抗器时，实际系统中可控并联电抗器CT变比k_I.r，PT变比k_U.r；实验室动模系统可控并联电抗器选取CT变比k_I.m，PT变比k_U.m，则实际系统中可控并联电抗器与实验室模拟可控并联电抗器的容量比为：

${k_M}^{\′\′}=\frac{k_{I.r}{k}_{U.r}}{k_{I.m}{k}_{U.m}}...\left(5\right)$

若模拟实际系统额定容量为M_r″的可控并联电抗器，则可将模拟可控并联电抗器的额定容量为：

M_m″＝M_r″/k_M″............................................(6)

综合考虑模拟1000Kv、750kV、500kV输电线路中的可控并联电抗器的情况，将模拟可控并联电抗器共分9级，其中包括M_m、M_m′、M_m″；

(2)设计系统模型

模型中采用发电机来模拟线路一侧等值电厂，采用等值电源模拟线路另一侧的等值系统，可控并联电抗器的动态模拟装置及本体保护安装于线路的一侧，线路保护安装于线路两侧，试验线路的两端和中间共设置4个故障点，每一个故障点都用于模拟各种类型的金属性或经过渡电阻短路的故障，可控并联电抗器动态模拟装置的一次侧设置一个故障点，用于模拟不同范围的匝间短路。线路的电压、电流信号通过模拟电容式电压互感器和模拟电磁式电流互感器传送给线路保护装置，然后进行的模拟试验项目包括：

(a)进行可控并联电抗器装置手动容量控制测试，手动设置可控并联电抗器装置的输出容量，监测输出容量是否可以跟踪设定容量；

(b)进行可控并联电抗器装置自动容量控制测试，将可控并联电抗器装置设定为自动控制模式，调节线路电压及系统输送的有功、无功功率，监测可控并联电抗器装置的调节控制过程是否正确；

(c)进行可控并联电抗器装置的保护掉电、恢复试验，断开可控并联电抗器装置保护的直流电源，监测可控并联电抗器装置在保护掉电过程中的工作状态；投入断开的直流电源，监测可控并联电抗器装置在保护系统恢复直流电源过程中的工作状态；

(d)进行线路上金属性瞬时故障试验，模拟金属性瞬时单相接地、两相接地、两相短路、三相接地及三相短路试验；

(e)进行线路上发展性故障试验，模拟保护区内同一故障点经不同时间由单相接地故障发展成为两相接地故障、被保护线路出口(区内)与相邻线出口(区外)异名相之间经不同时间相继发生单相接地故障的发展性故障，可控并联电抗器装置匝间与线路同名相间经不同时间相继发生故障的发展性故障，相继发生故障的时间间隔分别为0～200ms；

(f)进行线路上过渡电阻故障试验，模拟经不同阻值过渡电阻的区内单相接地故障、区内相间短路故障以及区外相间短路故障；

(g)进行系统稳定破坏试验，模拟系统静稳定破坏及动稳定破坏引起的全相振荡、线路开关单相偷跳及单相故障后保护动作跳开单相后的非全相振荡过程，以及在全相和非全相振荡过程中的区内、外故障；

(h)进行手合空线及手合故障线路试验，将可控并联电抗器装置的模拟装置的输出容量设定为额定值，模拟手合空线及手合于各种类型的故障；

(i)进行断线试验，模拟一侧TV、TA二次回路断线，及断线后区内外各种故障；

(j)进行TA饱和试验，模拟保护线路区外故障导致CT不同程度的饱和。模拟区内故障导致CT不同程度的饱和；

(k)进行暂态超越试验，仅对线路距离保护进行测试，分别将保护装置的阻抗定值整定为保护区的105％和95％，模拟保护区末端不同故障时刻的各种金属性故障；

(l)进行可控并联电抗器装置匝间短路试验，模拟可控并联电抗器一次侧不同匝数的匝间短路故障；

(m)进行系统频率偏移试验，系统频率在48Hz、52Hz时，模拟区内外金属性故障。

本发明的有益效果在于：

1、通过独特的设计，可以完成对不同电压等级不同容量的变压器式分级可控并联电抗器的动态模拟。

2、匝间短路抽头及电压、电流互感器的设置，结合多种控制技术，既可满足变压器式分级可控并联电抗器本体保护的试验研究需求，也可满足带有变压器式分级可控并联电抗器的输电系统的研究要求。

3、超、特高压可控并联电抗器装置的动态模拟试验方法可用于完成对超、特高压可控并联电抗器装置本体保护及带有超、特高压可控并联电抗器装置的线路保护的检验测试。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是超、特高压变压器式分级可控并联电抗器动态模拟装置结构图。附图中：只画出A相详细结构，A、B、C为电抗器一次绕组高压侧，X、Y、Z为中性点侧，a为二次绕组高压侧，x为中性点侧，La1～La9为分级电抗器，GTA1～GTA8为双向可控硅。

图2是超、特高压变压器式分级可控并联电抗器动态模拟装置控制系统结构图。附图中：LH为电流互感器，YH为电压互感器，M1～M8为控制脉冲，I为电流信号，U为电压信号。

图3是超、特高压变压器式分级可控并联电抗器动态模拟装置微机控制器的背板结构图。

具体实施方式

图1是超、特高压变压器式分级可控并联电抗器动态模拟接线图。

1、根据国家电网仿真中心动模实验室500kV、750kV、1000kV动态模拟系统的模拟容量比，

进行超、特高压变压器式分级可控并联电抗器动态模拟装置的参数设计，详见下表。

模拟电抗器分级(额定2.88Kvar)	1000kV电抗器分级(额定960Mvar)	1000kV电抗器分级(额定720Mvar)	750kV电抗器分级(额定324Mvar)	500kV电抗器分级(额定150Mvar)
					100	100	-	-	-
75	75	100	-	-

模拟电抗器分级(额定2.88Kvar)	1000kV电抗器分级(额定960Mvar)	1000kV电抗器分级(额定720Mvar)	750kV电抗器分级(额定324Mvar)	500kV电抗器分级(额定150Mvar)
					62.5	62.5	83.3	100	100
56.25	56.25	75	90	90
					46.875	46.875	62.5	75	75
37.5	37.5	50	60	60
					31.25	31.25	41.7	50	50
18.75	18.75	25	30	30
					15.625	15.625	20.8	25	25

2、研究确定超、特高压变压器式分级可控并联电抗器动态模拟装置与不同电压等级的动态模拟系统相接合的仿真试验方法。

(1)根据特定电压等级搭建由模拟输电线路、模拟变压器、模拟发电机、模拟电源、模拟负荷组成的动态模拟仿真系统。

(2)根据输电线路参数及对容性无功的补偿度计算所需并联电抗器的额定容量。

(3)通过微机控制器或上位机设定超、特高压变压器式分级可控并联电抗器动态模拟装置的最大输出容量及线路故障时的瞬间调节容量。

(4)通过微机控制器或上位机选择投入“按线路电压目标控制输出容量”功能。

(4)动态模拟仿真系统通电，通过微机控制器或上位机闭合交流接触器，将装置投入运行，进行系统电压控制。

(5)模拟输电线路故障，考核线路保护动作情况。

(6)模拟超、特高压变压器式分级可控并联电抗器动态模拟装置匝间短路故障，考核可控电抗器本体保护动作情况。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (5)

1.一种超、特高压变压器式分级可控并联电抗器动态模拟装置，该装置包括：单相分立式干式变压器各相外接不同种类电抗器La1～La9，变压器一次侧通过交流接触器KKA～KKC控制整个装置的接入或退出系统，电抗器分别与双向可控硅GTA1～GTA8并接，由双向可控硅控制不同种类的电抗器的投入与退出，该装置的一次侧三相连结成“Y”接线方式，二次侧为单相闭合连接，末端直接接地，根据仿真需求设计成9级可切换容量，一次侧从中性点起依次设置12个抽头，用以实现对可控并联电抗器不同范围的匝间短路故障的仿真试验。该装置本体一次、二次侧均装设电流互感器和电压互感器，用于满足动态模拟试验中电抗器本体保护的需要，控制系统由微机控制器及上位机组成，控制系统采入电流互感器和电压互感器的电流、电压信号，并计算系统有功、无功值等，由点对点的通讯模式将结果传输给主控制板的CPU，通过输出脉冲控制信号M1～M8，控制双向可控硅的导通。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述微机控制器采用标准上架式4U19英寸机箱，显示界面采用图形液晶显示器，微机控制器的后背板由七块背插板组成，分别为主控制板A、开入开出板B、I号传感器板C、II号传感器板D、工作电源板E、备用板F和备用板G。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于所述一次侧额定相电压为

额定容量：0.96×3kVar，额定电抗值：781.25Ω，二次侧额定电压75V，额定电抗值：5.86Ω。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于所述控制系统，由多CPU微机控制器及上位机监控软件组成，由微机控制器实时测量系统的电压、电流、计算有功、无功潮流、测量电抗器的一次及二次输出电流值、由微机控制器的开入开出板检测必要的开关量信息，由RS485接口实现与上位机软件的通讯，在上位机中设置有一个具有监视和控制功能的监控软件，可方便地监视上述系统模拟量开关信号量的信息，通过遥控开关，控制接入的一次系统的真空接触器；通过遥控开关，改变电抗器的控制模式；通过参数下载，改变控制的目标值；通过遥控开关，控制电抗器的输出容量。

5.一种使用权利要求1-4所述装置的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)根据模拟电压等级进行超、特高压可控并联电抗器装置的动态模拟装置的参数设计：

对于应用于1000kV输电线路的情况，实际系统中可控并联电抗器CT变比k_I.r，PT变比k_U.r；实验室动模系统可控并联电抗器选取CT变比k_I.m，PT变比k_U.m，则实际系统中可控并联电抗器与实验室模拟可控并联电抗器的容量比为：

$k_M=\frac{k_{I.r}{k}_{U.r}}{k_{I.m}{k}_{U.m}}......\left(1\right)$

模拟实际系统中容量为M_r的可控并联电抗器，实验室模拟可控并联电抗器容量为：

M_m＝M_r/k_M..................................................(2)

当用于模拟750kV输电线路中可控并联电抗器时，实际系统中可控并联电抗器CT变比k_I.r，PT变比k_U.r；实验室动模系统可控并联电抗器选取CT变比k_I.m，PT变比k_U.m，则实际系统中可控并联电抗器与实验室模拟可控并联电抗器的容量比为：

${k_M}^{\′}=\frac{k_{I.r}{k}_{U.r}}{k_{I.m}{k}_{U.m}}......\left(3\right)$

若模拟实际系统额定容量为M_r′的可控并联电抗器，则模拟可控并联电抗器的额定容量为：

M_m′＝M_r′/k_M′..............................................(4)

当用于模拟500kV输电线路中可控并联电抗器时，实际系统中可控并联电抗器CT变比k_I.r，PT变比k_U.r；实验室动模系统可控并联电抗器选取CT变比k_I.m，PT变比k_U.m，则实际系统中可控并联电抗器与实验室模拟可控并联电抗器的容量比为：

${k_M}^{\′\′}=\frac{k_{I.r}{k}_{U.r}}{k_{I.m}{k}_{U.m}}......\left(5\right)$

若模拟实际系统额定容量为M_r″的可控并联电抗器，则模拟可控并联电抗器的额定容量为：

M_m″＝M_r″/k_M″............................................(6)

综合考虑模拟1000Kv、750kV、500kY输电线路中的可控并联电抗器的情况，将模拟可控并联电抗器共分9级，其中包括M_m、M_m′、M_m″；

(2)设计系统模型

模型中采用发电机来模拟线路一侧等值电厂，采用等值电源模拟线路另一侧的等值系统，可控并联电抗器的动态模拟装置及本体保护安装于线路的一侧，线路保护安装于线路两侧，试验线路的两端和中间共设置4个故障点，每一个故障点都用于模拟各种类型的金属性或经过渡电阻短路的故障，可控并联电抗器动态模拟装置的一次侧设置一个故障点，用于模拟不同范围的匝间短路。线路的电压、电流信号通过模拟电容式电压互感器和模拟电磁式电流互感器传送给线路保护装置，然后进行的模拟试验项目包括：

(a)进行可控并联电抗器装置手动容量控制测试，手动设置可控并联电抗器装置的输出容量，监测输出容量是否可以跟踪设定容量；

(b)进行可控并联电抗器装置自动容量控制测试，将可控并联电抗器装置设定为自动控制模式，调节线路电压及系统输送的有功、无功功率，监测可控并联电抗器装置的调节控制过程是否正确；

(c)进行可控并联电抗器装置的保护掉电、恢复试验，断开可控并联电抗器装置保护的直流电源，监测可控并联电抗器装置在保护掉电过程中的工作状态；投入断开的直流电源，监测可控并联电抗器装置在保护系统恢复直流电源过程中的工作状态；

(d)进行线路上金属性瞬时故障试验，模拟金属性瞬时单相接地、两相接地、两相短路、三相接地及三相短路试验；

(e)进行线路上发展性故障试验，模拟保护区内同一故障点经不同时间由单相接地故障发展成为两相接地故障、被保护线路出口(区内)与相邻线出口(区外)异名相之间经不同时间相继发生单相接地故障的发展性故障，可控并联电抗器装置匝间与线路同名相间经不同时间相继发生故障的发展性故障，相继发生故障的时间间隔分别为0～200ms；

(f)进行线路上过渡电阻故障试验，模拟经不同阻值过渡电阻的区内单相接地故障、区内相间短路故障以及区外相间短路故障；

(g)进行系统稳定破坏试验，模拟系统静稳定破坏及动稳定破坏引起的全相振荡、线路开关单相偷跳及单相故障后保护动作跳开单相后的非全相振荡过程，以及在全相和非全相振荡过程中的区内、外故障；

(h)进行手合空线及手合故障线路试验，将可控并联电抗器装置的模拟装置的输出容量设定为额定值，模拟手合空线及手合于各种类型的故障；

(i)进行断线试验，模拟一侧TV、TA二次回路断线，及断线后区内外各种故障；

(j)进行TA饱和试验，模拟保护线路区外故障导致CT不同程度的饱和，模拟区内故障导致CT不同程度的饱和；

(k)进行暂态超越试验，仅对线路距离保护进行测试，分别将保护装置的阻抗定值整定为保护区的105％和95％，模拟保护区末端不同故障时刻的各种金属性故障；

(l)进行可控并联电抗器装置匝间短路试验，模拟可控并联电抗器一次侧不同匝数的匝间短路故障；

(m)进行系统频率偏移试验，系统频率在48Hz、52Hz时，模拟区内外金属性故障。

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