CN107947187B - 一种应对直流偏磁引起无功缺额的多变电站协调控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应对直流偏磁引起无功缺额的多变电站协调控制方法，包括以下步骤，S1，判断直流落点密集区域内任意换流站是否进入单极大地运行状态，若是，则执行S2，若否，则执行S3；S2，通过WAMS系统采用延时的方法协调控制直流落点密集区域内各变电站的无功功率，直至直流落点密集区域内任意换流站均退出单极大地运行状态，退出WAMS系统的协调控制，并执行S3；S3，通过直流落点密集区域内各变电站的本地无功调节控制系统协调控制对应的变电站的无功功率。本发明极大加速了直流偏磁发生后各变电站的电压稳定过程，防止变电站SVC的反复投切，极大地提高了直流密集落点区域多变电站电力系统的安全稳定运行水平。

Description

一种应对直流偏磁引起无功缺额的多变电站协调控制方法
技术领域
本发明涉及变电站的协调控制方法，具体涉及一种应对直流偏磁引起无功缺额的多变电站协调控制方法。
背景技术
直流输电工程单极大地运行引起的入地电流对附近区域电力系统的影响是近年来的研究热点问题。高压直流在单极大地运行或者双极不平衡运行状态时，由直流接地极流入大地电流达到数千安培，如此大的直流电流在接地极土壤周围形成一个恒定的电流场，接地极周围变电站的接地网上会因为电场作用感应出电位。我国110kV及以上电压等级的变压器多采用中性点直接接地方式，不同的变压器因为距离不同会产生不同的电位升，这样在变压器之间会存在一定的电位差。当两变压器间有输电线路连接时就会形成由变压器接地网，变压器绕组，输电线路组成的直流通路。
在变压器中，由于励磁电流与系统电压存在90°左右的相角差，因此变压器的励磁支路会消耗无功功率。在正常运行过程中，由于励磁电流的幅值较小，该无功功率数值也较小，不会影响变压器的正常运行。但当偏磁电流侵入变压器中性点时，变压器铁芯的励磁电流将会急剧增加。这将导致变压器励磁支路的无功功率消耗量急剧增加，导致变电站出现无功缺额，影响变电站的正常运行。
目前，针对这一现象，现有研究往往着眼点在于通过某些手段抑制偏磁电流对变压器中性线的侵入。然而，这些手段虽然能够从根本上解决此类问题，但由于其动作速度往往较慢，不能快速解决变电站无功冲击带来的电压失稳问题。如果仅靠变电站本地的无功功率补偿设备进行调节，由于无功功率也可以在变电站间的联络线中传递，导致一个变电站的无功功率补偿设备的动作对其他所有变电站的电压产生影响，需要较长时间才能达到稳定。尤其是对于装配了SVC的变电站，可能会造成TSC的反复投切，极大影响了区域电网的安全稳定运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种应对直流偏磁引起无功缺额的多变电站协调控制方法，可以解决现有无功功率本地调控方案调节速度较慢以及SVC反复投切的现象。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种应对直流偏磁引起无功缺额的多变电站协调控制方法，包括以下步骤，
S1，判断直流落点密集区域内任意换流站是否进入单极大地运行状态，若是，则执行S2，若否，则执行S3；
S2，通过WAMS系统采用延时的方法协调控制直流落点密集区域内各变电站的无功功率，直至直流落点密集区域内任意换流站均退出单极大地运行状态，退出WAMS系统的协调控制，并执行S3；
S3，通过直流落点密集区域内各变电站的本地无功调节控制系统协调控制对应的变电站的无功功率。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述S2具体为，通过WAMS系统，
S21，获取直流落点密集区域内各变电站的电压信息；
S22，基于直流落点密集区域内各变电站的电压信息，获得各变电站的无功功率缺额；
S23，根据各变电站配备的无功功率补偿设备的类型，分别确定对应的控制途径，并结合各变电站的无功功率缺额生成对应的无功功率调节指令并发出；
S24，各变电站中配备的无功功率补偿设备根据接收的对应的无功功率调节指令进行动作，调整对应的变电站的电压；
S25，判断各变电站调整后的电压是否均在正常水平上，若是，则退出WAMS系统的协调控制，并执行S3，若否，则在无功功率调节指令发出后，延时预设时间，重复循环执行S21～S24，直至获取的直流落点密集区域内各变电站的电压恢复正常。
进一步，直流落点密集区域内各变电站配备的无功功率补偿设备在获取WAMS系统发出的无功功率调节指令之前维持原有无功功率输出值不变。
进一步，在所述S22中，通过在线实时仿真系统获得各变电站的无功功率缺额。
进一步，在线实时仿真系统获得各变电站的无功缺额的过程为，通过在在线实时仿真系统中增加无功功率补偿设备的增发量，并检测无功功率补偿设备对应的变电站的电压变化水平，直至变电站的电压落入正常范围，取此时无功功率补偿设备的输出作为参考值，并与无功功率补偿设备的原有无功功率输出值作差处理，计算出对应的变电站的无功功率缺额。
进一步，所述S25中的预设时间具体为150ms。
进一步，在S1和S2之间中还包括，当直流落点密集区域内任意换流站进入了单极大地运行状态，直流输电工程则向WAMS系统上报运行状态转变消息。
进一步，在S1和S2之间中还包括，WAMS系统根据运行状态转变消息生成暂停指令，并通过暂停指令暂停直流落点密集区域内各变电站的本地无功调节控制系统基于本地电压信息的调节过程。
本发明的有益效果是：本发明提供的应对直流密集落点区域内由直流偏磁引起无功功率缺额的多变电站协调控制方案，在直流输电工程出现单极大地运行状态，使附近变电站的变压器中性点被偏磁电流侵入，导致多站出现无功功率缺额的工况下，通过WAMS系统对各变电站的电压数据进行测量，并计算各变电站的无功功率缺额，通过各变电站配备的无功功率补偿设备直接调节无功功率输出至需求值，并锁定该输出，延时150ms后重复协调过程，直至所有变电站的电压水平正常；该方案极大加速了直流偏磁发生后各变电站的电压稳定过程，防止变电站SVC的反复投切，极大地提高了直流密集落点区域多变电站电力系统的安全稳定运行水平。
附图说明
图1是直流偏磁形成原理图；
图2是变压器磁化曲线示意图；
图3是本发明一种应对直流偏磁引起无功缺额的多变电站协调控制方法的整体流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，高压直流在单极-大地运行工况时，由直流接地极流入大地电流达到千安级水平，该直流电流会在接地极周围形成一个恒定的电流场，接地极周围变电站的接地网上会因为电场作用感应出电位。我国110kV及以上电压等级的变压器多采用中性点直接接地方式，若不同的变压器因为距离不同会产生了不同的电位升，变压器之间便形成了一定的电位差。当两变压器间有输电线路连接时就会形成由变压器接地网，变压器绕组，输电线路组成的直流通路，导致直流电流从变压器中性点流入，从另一个直接相邻的变压器中性点流出，形成直流偏磁侵入电流。
变压器的铁芯往往是由硅钢片叠压而成，铁芯内磁通φ与励磁电流i的关系φ＝f(i)呈非线性，变压器额定工况下，主磁通φ一般运行于线性区的端点。当直流电流流过变压器绕组时将产生一个直流磁势，如图2中的(a)部分所示，虚线表示直流偏磁电流作用下的磁通曲线，实线表示无直流偏磁电流的磁通曲线；图2中的(b)部分为变压器铁芯的磁化曲线；在图2中的(c)部分中虚线表示的是直流偏磁电流作用下的磁化电流曲线，实线表示的是无直流偏磁电流的磁化电流曲线。此时的情况称之为半波饱和，此时励磁电流的基波和谐波均会有较大程度的增长。由图2整体可以看出，直流偏磁电流作用下励磁电流的畸变是由变压器磁化曲线的非线性区引起的。
根据对图2的分析，在直流偏磁影响较大时，变压器的励磁电流基波幅值会产生较大的增长。该基波分量与铁芯磁通同相位，滞后于系统基波电压。所以，励磁电流中的基波电流分量相当于系统的无功负荷。
在正常工况下，相比励磁电抗Xm而言，励磁电阻Rm的量值非常小，只占到了其1/10左右。因此，整个支路所消耗的功率可以近似认为是无功功率。所以有的文献建议，直接以Q＝3U1I1作为公式计算励磁支路消耗无功功率。然而这个公式在铁芯严重饱和时并不成立。这是因为在铁芯进入饱和区之后，其等效电阻和电抗会减小，特别是等效电抗值，下降幅度很大。在直流偏磁情况比较严重的情况，不能简单地认为消耗的是纯无功功率而依靠电压电流来计算。因此，变压器励磁回路消耗的无功功率的计算公式可修改为式中，U1为系统电压基波分量；I1为变压器励磁支路基波电流，φ是励磁阻抗的阻抗角。因为无法直接计算偏磁时的阻抗角，所以实际工程应用中，可以利用在线仿真的方法计算变电站实际的无功功率缺额，并基于此进行调控。
由于WAMS系统已在电力系统中广泛应用，电压等级较高的变电站均装配有此系统，故在此不再赘述。现对基于WAMS系统的应对在直流落点密集地区由直流偏磁引起的无功缺额的多变电站协调控制方法进行详细说明。该方法的思路如下：
WAMS(Wide Area Measurement System)系统具体为广域监测系统，采用同步相角测量技术，通过逐步布局全网关键测点的同步相角测量单元(PMU)，实现对全网同步相角及电网主要数据的实时高速率采集。
如图3所示，一种应对直流偏磁引起无功缺额的多变电站协调控制方法，包括以下步骤，
S1，判断直流落点密集区域内任意换流站是否进入单极大地运行状态，若是，则执行S2，若否，则执行S3；
S2，通过WAMS系统采用延时的方法协调控制直流落点密集区域内各变电站的无功功率，直至直流落点密集区域内任意换流站均退出单极大地运行状态，退出WAMS系统的协调控制，并执行S3；
S3，通过直流落点密集区域内各变电站的本地无功调节控制系统协调控制对应的变电站的无功功率。
所述S2具体为，(所述S2是通过WAMS系统实现的)
S21，获取直流落点密集区域内各变电站的电压信息；
S22，基于直流落点密集区域内各变电站的电压信息，获得各变电站的无功功率缺额；
S23，根据各变电站配备的无功功率补偿设备的类型，分别确定对应的控制途径，并结合各变电站的无功功率缺额生成对应的无功功率调节指令并发出；
S24，各变电站中配备的无功功率补偿设备根据接收的对应的无功功率调节指令进行动作，调整对应的变电站的电压；
S25，判断各变电站调整后的电压是否均在正常水平上，若是，则退出WAMS系统的协调控制，并执行S3，若否，则在无功功率调节指令发出后，延时预设时间，重复循环执行S21～S24，直至获取的直流落点密集区域内各变电站的电压恢复正常。
在本发明一种应对直流偏磁引起无功缺额的多变电站协调控制方法中：
1、通过WAMS系统获取直流落点密集地区各变电站的电压信息。由于直流输电工程由双极平衡运行转为单极大地运行的转换时间较短，因此接地极在土壤中形成的感应电场速度较快，各变电站会很快受到影响，无功额外占用导致电压下降。此时，需要利用WAMS系统采集各变电站的电压信息并汇总，便于之后的计算过程。同时，直流输电工程需要同时向WAMS系统报告其单极大地运行状态，由WAMS系统发出暂停指令，暂停各变电站本地的无功功率控制系统进行响应；
2、基于各变电站的电压信息，通过在线实时仿真系统，计算各变电站的无功功率缺额。如上述分析，由直流偏磁侵入电流引起的无功功率缺额数值往往难以通过中性点直流电流的数值计算获得，且变压器中性点往往未装设能够测量直流电流量的霍尔效应传感器。因此，需要通过变电站电压下降的水平对无功功率缺额进行计算。此时，在线实时仿真的方法计算无功功率缺额精确度高，计算时间也能够满足需求。因此，可以采用在线实时仿真的方法对各变电站的无功功率缺额进行计算；
3、根据各变电站配备的无功功率补偿设备类型，分别确定不同的无功控制途径，例如，若变电站配备了SVC，则控制TSC投入，并由TCR精确控制无功补偿功率至需求值，若变电站配备了STATCOM，则直接控制其无功补偿功率至需求值；并结合各变电站的无功功率缺额生成对应的无功功率调节指令并发出。
4、各变电站中配备的无功功率补偿设备根据发出的对应的无功功率调节指令进行动作，调整对应的变电站的电压；各变电站在接收到WAMS系统的无功功率调节指令后，仅依靠该指令对变电站配备的无功功率补偿设备进行操作，而不是利用本地电压信息对无功功率补偿设备动作情况进行调节，即使调节后变电站的电压存在一定程度的越限，也不改变无功功率补偿设备的输出值，直至后续指令到达。
5、检测各变电站中的调整后的电压是否均恢复到正常水平，若是，则退出WAMS系统的协调控制，并由各变电站的本地无功调节控制系统接管进行无功功率协调控制；若否，则在各无功功率调节指令发出后，延时预设的时间，例如延时150ms，再次通过WAMS系统获取各变电站的电压信息，并重新计算无功功率缺额，直至获取的直流落点密集区域内各变电站的电压恢复正常。此处需要说明的是，之所以延时150ms后再重新检测电压信息并计算无功缺额，是为了防止各变电站无功功率补偿设备响应速率不同导致的反复调节。尤其是对于装设SVC的变电站而言，其他变电站无功功率补偿设备的动作可能导致SVC中的TSC反复投切，不利于电压水平的快速稳定和设备的健康运行。通常而言，150ms内SVC可以完成调节过程，因此在一次调节完成后，延时150ms等待所有变电站完成调节过程，再重新检测电压并计算无功缺额。
详细执行步骤如下：
(1)、当直流落点密集区域任意换流站进入单极大地运行模式后，立即触发WAMS系统进行无功功率协调控制；
(2)、WAMS系统被触发后，直流落点密集区域内所有变电站的本地无功调节控制系统退出运行；
(3)、WAMS系统被触发后，直流落点密集区域内所有变电站的无功功率补偿设备在获取WAMS系统指令之前维持原有无功功率输出值不变，第1个至第n个变电站的无功功率补偿设备无功输出分别记为Q1、Q2…Qn；
(4)、通过WAMS系统获取直流落点密集地区各变电站的电压信息，第1个至第n个变电站的母线电压分别为U1、U2…Un；
(5)、基于各变电站的电压信息，设定各变电站的电压均满足0.95p.u.＜Ui＜1.05p.u.(1≤i≤n)，通过在线实时仿真系统计算各变电站无功功率需求Q′1、Q′2…Q′n；
(6)、根据各变电站的无功功率补偿设备原有的无功功率输出值，计算各变电站的无功功率输出调节量ΔQi＝Q′i-Qi(1≤i≤n)，也就是变电站的无功功率缺额；
(7)、各变电站的无功功率补偿设备调节命令发出后，延时150ms，等待各变电站无功功率补偿设备动作，再次通过WAMS系统监测各变电站电压信息；
(8)、若各变电站调整后的电压均满足0.95p.u.＜Ui＜1.05p.u.(1≤i≤n)，WAMS系统退出运行，各变电站的本地无功调节控制系统恢复运行；
(9)、若存在某变电站电压不满足0.95p.u.＜Ui＜1.05p.u.(1≤i≤n)，则重复步骤(4)～步骤(7)，直至步骤(8)满足，本WAMS系统退出运行，各变电站的本地无功调节控制系统恢复运行。
实例说明：
以某地直流接地极落点区域为例，说明本方法的具体应用方法。该地区存在3个变压器中性点直接接地的变电站，其中A站装设4台500kV，750MVA变压器，并装设总容量为200MVar容量的SVC；B站装设3台500kV，1000MVA变压器，并装设总容量为240MVar容量的SVC；C站装设4台220kV，180MVA变压器，并装设总容量为150MVar容量的STATCOM。则当直流输电工程转入单极-大地运行模式后，本方法的控制方法执行过程如下：
①直流输电工程将运行状态上报给WAMS系统，由WAMS系统发出暂停指令，暂停A、B、C三个变电站本地无功功率控制系统对电压的响应。同时WAMS系统中的PMU采集A、B、C三个变电站的电压信息，统一汇总至主站进行处理，此时A、B、C三个变电站的电压分别为UA＝0.96p.u.，UB＝0.93p.u.，UC＝0.94p.u.；
②主站根据A、B、C三个变电站的电压信息，运行在线仿真系统，计算三个变电站的无功功率增量，分别为ΔQA＝26.5MVar，ΔQB＝45.3MVar，ΔQC＝21.6MVar；
③WAMS系统下发无功功率调节指令，A、B、C三个变电站装配的无功功率补偿设备分别按照WAMS系统下达的无功功率调节指令动作，抬升电压水平。在这期间，无功功率补偿设备对发出无功功率的调节并不受本站电压信息控制；
④延时150ms后，待三个变电站的无功功率补偿设备全部动作完毕，此时理论上三个变电站的电压已恢复正常水平。WAMS系统再次采集A、B、C三个变电站的电压信息，此时A、B、C三个变电站的电压分别为UA＝1.01p.u.，UB＝0.98p.u.，UC＝0.99p.u.；
⑤WAMS系统检测到电压恢复正常水平，WAMS系统退出运行。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应对直流偏磁引起无功缺额的多变电站协调控制方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1，判断直流落点密集区域内任意换流站是否进入单极大地运行状态，若是，则执行S2，若否，则执行S3；
S2，通过WAMS系统采用延时的方法协调控制直流落点密集区域内各变电站的无功功率，直至直流落点密集区域内任意换流站均退出单极大地运行状态，退出WAMS系统的协调控制，并执行S3；
S3，通过直流落点密集区域内各变电站的本地无功调节控制系统协调控制对应的变电站的无功功率；
所述S2具体为，通过WAMS系统，
S21，获取直流落点密集区域内各变电站的电压信息；
S22，基于直流落点密集区域内各变电站的电压信息，获得各变电站的无功缺额；
S23，根据各变电站配备的无功功率补偿设备的类型，分别确定对应的控制途径，并结合各变电站的无功缺额生成对应的无功功率调节指令并发出；
S24，各变电站中配备的无功功率补偿设备根据接收的对应的无功功率调节指令进行动作，调整对应的变电站的电压；
S25，判断各变电站调整后的电压是否均在正常水平上，若是，则退出WAMS系统的协调控制，并执行S3，若否，则在无功功率调节指令发出后，延时预设时间，重复循环执行S21～S24，直至获取的直流落点密集区域内各变电站的电压恢复正常。
2.根据权利要求1所述的一种应对直流偏磁引起无功缺额的多变电站协调控制方法，其特征在于：直流落点密集区域内各变电站配备的无功功率补偿设备在获取WAMS系统发出的无功功率调节指令之前维持原有无功功率输出值不变。
3.根据权利要求2所述的一种应对直流偏磁引起无功缺额的多变电站协调控制方法，其特征在于：在所述S22中，通过在线实时仿真系统获得各变电站的无功缺额。
4.根据权利要求3所述的一种应对直流偏磁引起无功缺额的多变电站协调控制方法，其特征在于：在线实时仿真系统获得各变电站的无功缺额的过程为，通过在在线实时仿真系统中增加无功功率补偿设备的增发量，并检测无功功率补偿设备对应的变电站的电压变化水平，直至变电站的电压落入正常范围，取此时无功功率补偿设备的输出作为参考值，并与无功功率补偿设备的原有无功功率输出值作差处理，计算出对应的变电站的无功缺额。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种应对直流偏磁引起无功缺额的多变电站协调控制方法，其特征在于：所述S25中的预设时间具体为150ms。
6.根据权利要求1至4任一项所述的一种应对直流偏磁引起无功缺额的多变电站协调控制方法，其特征在于：在S1和S2之间中还包括，当直流落点密集区域内任意换流站进入了单极大地运行状态，直流输电工程则向WAMS系统上报运行状态转变消息。
7.根据权利要求6所述的一种应对直流偏磁引起无功缺额的多变电站协调控制方法，其特征在于：在S1和S2之间中还包括，WAMS系统根据运行状态转变消息生成暂停指令，并通过暂停指令暂停直流落点密集区域内各变电站的本地无功调节控制系统基于本地电压信息的调节过程。
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