CN114513019A - 一种高压交流输电系统可控电抗器调节方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高压交流输电系统可控电抗器调节方法及装置，包括以下步骤：实时采集输电线路中的充电电容无功功率QC和线路受端变电站的负载感性无功功率QFH，根据所投入的电抗器无功容量QK加上负载感性无功功率QFH不超过当地区域中充电电容无功功率QC的要求，即QK≤QC‑QFH，对电抗器无功容量QK进行有序调节，进而对可控电抗器无功容量QKG进行有序控制调节，从而实现对远距离高压输电系统进行无功功率平衡调节，有效提高线路的送电能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种输电系统无功功率平衡与高压可控并联电抗器的调节装置及调节控制方法，适用于电力系统超、特高压的远距离输电技术领域。
背景技术
我国地域辽阔，对远距离输电有着特别的需求，但是长距离线往往又伴随着无功功率的巨大变化，同时电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡。在现代大型电力系统中，超高压输电网的线路分布电容能产生大量的无功功率，为平衡线路上的充电无功功率设计中往往需要装设并联电抗器予以吸收线路的电容功率。
当电力系统500kV、1000kV电压等级的交流输电线路较长时(大于200km以上)，为解决无功平衡和潜供电流、过电压等电磁暂态问题，一般均在线路上装设高压并联电抗器(简称高抗)。高抗为感性无功元件，主要用于补偿输电线路的充电无功功率，其目的是降低工频电压升高幅度。装设高抗可以补偿长线路对地及相间电容，从而可以降低线路的容升效应。
现有技术中，如专利：
申请号：200910168262.8，其主要内容是计及线路因故障跳闸，或甩负荷时对可控电抗器与动作控制过程。
专利号：201210455435.6，此专利并未考虑到超高压长线路中配置可控电抗器要计及线路充电功率值随天气环境影响的问题。
专利号：201010596813.3，此专利是基于负荷侧无功需求增量和母线边界电压实现内外双层控制，内层控制基于无功需求增量，外层控制基于母线边界电压，外层控制优先级高于内层控制的方法。未找出电压变化量△U与无功功率调节的量化之间的关系，即未考虑电压的上升与下降的量值与外界无功容量变化之间的关系。
现有技术中，往往将输电线路的充电电容无功功率QC按常量的参数来设计，并没有考虑到因为天气大雨、大雾而引起输电线路分布电容C发生变化，而引起充电无功功率Qc发生大大增加的问题，即充电功率是一个变量的参数，其雨天最大值可比晴天时无功功率增大30％～40％，而且这个问题若是不进行计算考虑，将对系统无功功率及平衡产生重大影响，原因是对于700KM以上长线路充电无功数量值已经接近负荷无功容量的一半的值，输电线路的送电能力可能导致系统产生过电压及产生振荡的直接因素，对目前高压远距离输电技术中是一个十分关键的问题。
发明内容
对输电线路在晴天或大雨时充电电容电流发生巨大变化的物理机理分析：
高压线路上会有电晕，当雨、雪天气时，由导线高电压而产生的电晕显著加强了，电晕面积S受水分子极化电荷的影响会增加数倍或者数十倍，同时由电容器的公式，导线间的电容
由于下雨后介电常数εr增加，由空气εr0＝1，水的εr＝80，且面积S由导线转变为电晕笼的等效面积即ε↑、S↑促使导线间的电容值会增加数2～5倍，从而使容抗下降。
减少，促使电容电流Ic大大增加，这就是雨天充电电流增加的原因。
由此可见，架空输电线路的充电电容值会在雨、雾天气环境下变成一台“等效的可变电容器”。
针对上述情况，本发明要解决的技术问题是：提供一种输电系统中可随雨天电容变化为调节依据的可控并联电抗器的调节控制策略与方法。
为此，本发明通过以下技术方案实现：
一种高压交流输电系统可控电抗器调节方法，其特征在于，包括以下步骤：包括以下步骤：实时采集输电线路中的充电电容无功功率QC和线路受端变电站的负载感性无功功率QFH，根据所投入的电抗器无功容量QK加上负载感性无功功率QFH不超过当地区域中充电电容无功功率QC的要求，即QK≤QC-QFH，对电抗器无功容量QK进行有序调节，实现对远距离高压输电系统进行无功功率平衡调节。其中,电抗器无功容量QK为固定电抗器无功容量QG和可控电抗器无功容量QKG之和。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：所述充电电容无功功率QC，由实时采集线路首端无功功率Q1BS和线路末端无功功率Q2BS，经无功功率差分回路计算装置CC以差分方式进行计算获得。
作为本发明的优选技术方案：所述充电电容无功功率QC通过继电保护中的线路纵差保护差分回路对线路充电功率的采集获得。
作为本发明的优选技术方案：通过继电保护中的线路纵差保护差分回路采集得到的线路充电功率值对所述充电电容无功功率QC进行校核。
作为本发明的优选技术方案：所述的负载感性无功功率QFH通过设置于受端变电站的负载侧或中间开关站的负载侧的负载侧无功功率采集器3BS获得。
作为本发明的优选技术方案：所述电抗器无功容量QK包括固定电抗器无功容量QG和可控电抗器无功容量QKG之和，所述可控电抗器无功容量QKG通过设于线路首末两端的可控电抗器YDK1、YDK2的投切完成调节，所述可控电抗器YDK1、YDK2包括若干个支路电抗器并联而成。
一种高压交流输电系统可控电抗器装置，其特征在于，包括：输电线路的充电电容无功变化监测采集单元QC，包括线路首端无功功率采集组件、线路末端无功功率采集组件和无功功率差分回路计算装置CC，通过线路首端无功功率采集组件实时采集线路首端无功功率Q1BS和线路末端无功功率采集组件实时采集线路末端无功功率Q2BS，经无功功率差分回路计算装置CC以差分方式计算获得充电电容无功功率QC；线路受端变电站的负载感性无功功率采集单元QFH，设置于受端变电站的负载侧或中间开关站的负载侧，通过负载侧无功功率采集组件实时采集负载感性无功功率QFH；可控电抗器投切单元QK，包括设于线路首端的可控电抗器YDK1及与其连接的可控电抗器控制器YK1、设于线路首端的可控电抗器YDK1及与其连接的可控电抗器控制器YK1和设于线路首末两端的固定电抗器GK，其第一输入端连接充电电容无功变化监测采集单元QC，第二输入端连接负载感性无功功率采集单元QFH，输出端分别连接可控电抗器控制器YK1、YK2。
作为本发明的优选技术方案：所述线路首端无功功率采集组件包括线路首端高压电流互感器1CT、高压电压互感器1PT和无功功率变送器1BS，所述电流互感器1CT、高压电压互感器1PT的二次侧线圈输出端连接无功功率变送器1BS的输入端，所述无功功率变送器1BS的输出端连接无功功率差分回路计算装置CC的输入端；所述线路末端无功功率采集组件包括线路末端高压电流互感器2CT、高压电压互感器2PT和无功功率变送器2BS，所述电流互感器2CT、高压电压互感器2PT的二次侧线圈输出端连接无功功率变送器2BS的输入端，所述无功功率变送器2BS的输出端连接无功功率差分回路计算装置CC的输入端。
作为本发明的优选技术方案：所述的负载侧无功功率采集组件包括负载侧的高压电流互感器3CT和该段高压母线上的电压互感器3PT，所述电流互感器3CT、高压电压互感器3PT的二次线圏输出端连接无功功率变送器3BS的输入端，所述无功功率变送器3BS的输出端连接负载感性无功功率采集单元QFH的输入端。
作为本发明的优选技术方案：所述可控电抗器YDK1、YDK2由变压器式电抗器和若干并联的支路电抗器组成，所述支路电抗器由高压断路器DL和电抗器DK串联而成，所述高压断路器DL的输入端连接可控电抗器控制器YK。
通过对线路上分布电容的无功功率变化和以差分方式有效量化的测量分析充电电容无功功率QC，并计及实时的线路受端变电站的负载感性无功功率QFH，对QC和QFH进行分析计算后，进而对可控电抗器无功容量QKG进行有序控制调节，从而实现对远距离高压输电系统进行无功功率平衡调节，有效提高线路的送电能力。
附图说明
图1交流输电系统可控电抗器系统配置与调控流程示意图；
图2为输电系统潮流分布数据示意图；
图3为高压输电系统可控并联电抗器配置示意图；
图4为继电保护纵差回路测量法；
图5可控电抗器YDK结构图。
具体实施方式
参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
实现图1所示技术方案的步骤如下：
1、实时充电电容无功功率QC的获取：
如图2、3、4所示，某输电工程由甲变电站向乙、丙变电站进行输电，根据基尔霍夫定律有Q1＝QC1+Q2，从而可求出输电线路上等效电容C的充电功率的QC＝Q1-Q2，具体为安装在输电线路首、尾两端的纵差保护的电流互感器，采集相应数据进行相差功率比较差分后，利用剩余的差量值，来获取线路中因雨雾天而增加的分布电容电流的实时增量值，以此方法来获取雨雾天气线路上的无功功率的变量值，计及雨雾天气环境无功功率的变量；同时也可以利用继电保护中线路纵差保护的差分回路进行线路充电功率的采集，在实际工程中，首先由测量回路的变送器进行差分计算后，再由继电保护的纵差回路进行校核，以保证对电抗器容量投入的准确性和可靠性。
继电保护中线路纵差保护的差分回路进行线路充电功率的采集的原理如图4所示，分别在输电线路上首端、末端的电流互感器L1、L2上同各端并联后，如果是中间的等效电容器存在着电容电流时，则根据基尔荷夫定律，I1＝I2+Ic，流经不平衡继电器Qc的电流越大，说明充电电流Ic越大，当天气晴好时，电容器线路上电容电流Ic为最小，当雨天时，不平衡电流Qc上的电流最大，可以按电流互感器比例计算出Qc上流过实际电容电流值的大小。如当电流互感器的变比为600/5时，K＝600/5＝120，如流过Qc电流为1A，则实际电容电流Ic＝K·1A＝120A，使用差动保护方式测量电容充电电流方式，较为直观和简便，且较经济，由此方法测量出线路上的电容电流后，作为控制系统中调节可控电抗器的信据。
2、负载感性无功功率QFH的采集获取：
如图2、3所示，在受端变电站，即乙、丙变电站的负荷，通过无功功率变送器3BS采集负荷的无功功率值作为受端负荷侧的无功分量，即负载感性无功功率QFH。
3、电抗器无功容量QK值的确定：
在系统中分区域进行无功功率的就地平衡的原则下，要求所投入的电抗器容量QK加上负载的无功容量QFH不超过当地区域中充电无功容量Qc的原则，即Qc≥QFH+QK，而电抗器无功容量QK包括固定电抗器无功容量QG和可控电抗器无功容量QKG之和，因此通过对可控电抗器无功容量QKG进行有序投入或切除，实现对远距离高压输电系统进行无功功率平衡调节，从而大大提高线路的送电能力。同时线路的尾端电压不超过10％进行核验，控制法兰梯效应升压问题。
具体实施例：如图1、图2所示，在某500V输电工程系统的甲、乙、丙变电站处安装无功功率采集控制器，分别可获取线路充电无功功率QC的值，如已获取甲、乙变电站上L1线路的充电功率为QC1＝350MVAR，即35万千乏，设此时流过L1线路的有功功率P＝100万千瓦，从测量仪表或测得功率因数cosψ＝0.975时，无功功率Q＝P·Sinψ＝100×0.222＝22.2万千乏，即QFH＝22.2万千乏。根据可控电抗器所投入的电抗器容量QK加上负载感性无功功率QFH不超过当地区域中充电电容无功功率QC的要求：Qc≥QFH+QK，QK≤Qc－QFH，QK＝35-22.2＝12.8万千乏，即电抗器QK投运量为12.8万千乏的无功容量值。
如图3所示，在实际工程中，通常又将可控电抗器所投入的电抗器容量QK分为固定电抗器无功容量QG和可控电抗器无功容量QKG。在本方案中，宜将在正常负荷下所需的电抗器容量设置为固定电抗器的容量值QG＝0.9QC，当因线路故障发电甩负荷，或者是空载时，由于此时QFH＝0，则需QK＝QC，而产生QK的最大值，在本发明中QK＝35万千乏，因此当出现甩负荷要求可控电抗器迅速动作，再投入QK≤QC-QFH，当甩负荷时QFH＝0，QK≈QC，需要新增电抗器容量：△Q＝35-12.8＝22.2万千乏，以满足QK＝QC＝22.2+12.8＝35万千乏。
如图2所示，设500kV线路的充电功率为1.18MVAR/公里，则充电功率：QCL1＝300×1.18＝354MVAR,QCL2＝200×1.18＝236MVAR，此时，在I段若己经配置了40％补偿度的电抗器时，QK1＝0.4×354＝141.6MvAR，而此时由无功差分功率计算获取的无功容量即多出来的充电无功功率为：Q＝QL1-QK1＝354-141.6＝212MVAR，设此时有功负荷1000MVAR时,负荷无功功率约为200MVAR，说明负载的感性无功与线路上多出的容性无功功率212MVAR基本上接近平衡，若此时发生跳闸甩电荷时，则感性无功减少了约造200MVAR，会造成容性无功过量，而产生线路末端的过电压即法兰梯现象，此时应该迅速投入可控电抗器容量约200MVAR，以进行抑制容性无功功率，起到电压值平衡作用，确保末端电压不超过额定电压值的10％水平。
高压交流输电系统可控电抗器装置包括：输电线路的充电电容无功变化监测采集单元QC，包括线路首端无功功率采集组件、线路末端无功功率采集组件和无功功率差分回路计算装置CC，通过线路首端无功功率采集组件实时采集线路首端无功功率Q1BS和线路末端无功功率采集组件实时采集线路末端无功功率Q2BS，经无功功率差分回路计算装置CC以差分方式计算获得充电电容无功功率QC；其中线路首端无功功率采集组件包括线路首端高压电流互感器1CT、高压电压互感器1PT和无功功率变送器1BS，电流互感器1CT、高压电压互感器1PT的二次侧线圈输出端连接无功功率变送器1BS的输入端，无功功率变送器1BS的输出端连接无功功率差分回路计算装置CC的输入端；线路末端无功功率采集组件包括线路末端高压电流互感器2CT、高压电压互感器2PT和无功功率变送器2BS，电流互感器2CT、高压电压互感器2PT的二次侧线圈输出端连接无功功率变送器2BS的输入端，无功功率变送器2BS的输出端连接无功功率差分回路计算装置CC的输入端。
线路受端变电站的负载感性无功功率采集单元QFH，设置于受端变电站的负载侧或中间开关站的负载侧，通过负载侧无功功率采集组件实时采集负载感性无功功率QFH；的负载侧无功功率采集组件包括负载侧的高压电流互感器3CT和该段高压母线上的电压互感器3PT，电流互感器3CT、高压电压互感器3PT的二次线圏输出端连接无功功率变送器3BS的输入端，无功功率变送器3BS的输出端连接负载感性无功功率采集单元QFH的输入端。
可控电抗器投切单元QK，包括设于线路首端的可控电抗器YDK1及与其连接的可控电抗器控制器YK1、设于线路首端的可控电抗器YDK1及与其连接的可控电抗器控制器YK1和设于线路首末两端的固定电抗器GK，其第一输入端连接充电电容无功变化监测采集单元QC，第二输入端连接负载感性无功功率采集单元QFH，输出端分别连接可控电抗器控制器YK1、YK2；可控电抗器YDK1、YDK2由变压器式电抗器和若干并联的支路电抗器组成，支路电抗器由高压断路器DL和电抗器DK串联而成，高压断路器DL的输入端连接可控电抗器控制器YK。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高压交流输电系统可控电抗器调节方法，其特征在于，包括以下步骤：实时采集输电线路中的充电电容无功功率QC和线路受端变电站的负载感性无功功率QFH，根据所投入的电抗器无功容量QK加上负载感性无功功率QFH不超过当地区域中充电电容无功功率QC的要求，即QK≤QC-QFH，对电抗器无功容量QK进行有序调节，实现对远距离高压输电系统进行无功功率平衡调节。
2.根据权利要求1所述的高压交流输电系统可控电抗器调节方法，其特征在于：所述充电电容无功功率QC，由实时采集线路首端无功功率Q1BS和线路末端无功功率Q2BS，经无功功率差分回路计算装置CC以差分方式计算获得。
3.根据权利要求1所述的高压交流输电系统可控电抗器调节方法，其特征在于：所述充电电容无功功率QC通过继电保护中的线路纵差保护差分回路对线路充电功率的采集获得。
4.根据权利要求2所述的高压交流输电系统可控电抗器调节方法，其特征在于：通过继电保护中的线路纵差保护差分回路采集得到的线路充电功率值对所述充电电容无功功率QC进行校核。
5.根据权利要求1所述的高压交流输电系统可控电抗器调节方法，其特征在于：所述的负载感性无功功率QFH通过设置于受端变电站的负载侧或中间开关站的负载侧的负载侧无功功率采集器3BS获得。
6.根据权利要求1所述的高压交流输电系统可控电抗器调节方法，其特征在于：所述电抗器无功容量QK包括固定电抗器无功容量QG和可控电抗器无功容量QKG之和，所述可控电抗器无功容量QKG通过设于线路首末两端的可控电抗器YDK1、YDK2的投切完成调节，所述可控电抗器YDK1、YDK2包括若干个支路电抗器并联而成。
7.一种高压交流输电系统可控电抗器装置，其特征在于，包括：
输电线路的充电电容无功功率变化监测采集单元QC，包括线路首端无功功率采集组件、线路末端无功功率采集组件和无功功率差分回路计算装置CC，通过线路首端无功功率采集组件实时采集线路首端无功功率Q1BS和线路末端无功功率采集组件实时采集线路末端无功功率Q2BS，经无功功率差分回路计算装置CC以差分方式计算获得线路的充电电容无功功率QC；
线路受端变电站的负载感性无功功率采集单元QFH，设置于受端变电站的负载侧或中间开关站的负载侧，通过负载侧无功功率采集组件实时采集负载感性无功功率QFH；
可控电抗器投切单元QK，包括设于线路首端的可控电抗器YDK1及与其连接的可控电抗器控制器YK1、设于线路首端的可控电抗器YDK1及与其连接的可控电抗器控制器YK1和设于线路首末两端的固定电抗器GK，其第一输入端连接充电电容无功变化监测采集单元QC，第二输入端连接负载感性无功功率采集单元QFH，输出端分别连接可控电抗器控制器YK1、YK2。
8.根据权利要求7所述的高压交流输电系统可控电抗器装置，其特征在于：所述线路首端无功功率采集组件包括线路首端高压电流互感器1CT、高压电压互感器1PT和无功功率变送器1BS，所述高压电流互感器1CT、高压电压互感器1PT的二次侧线圈输出端连接无功功率变送器1BS的输入端，所述无功功率变送器1BS的输出端连接无功功率差分回路计算装置CC的输入端；所述线路末端无功功率采集组件包括线路末端高压电流互感器2CT、高压电压互感器2PT和无功功率变送器2BS，所述高压电流互感器2CT、高压电压互感器2PT的二次侧线圈输出端连接无功功率变送器2BS的输入端，所述无功功率变送器2BS的输出端连接无功功率差分回路计算装置CC的输入端。
9.根据权利要求7所述的高压交流输电系统可控电抗器装置，其特征在于：所述的负载侧无功功率采集组件包括负载侧的高压电流互感器3CT和高压电压互感器3PT，所述高压电流互感器3CT、高压电压互感器3PT的二次线圏输出端连接无功功率变送器3BS的输入端，所述无功功率变送器3BS的输出端连接负载感性无功功率采集单元QFH的输入端。
10.根据权利要求7所述的高压交流输电系统可控电抗器装置，其特征在于：所述可控电抗器YDK1、YDK2由变压器式电抗器和若干并联的支路电抗器组成，所述支路电抗器由高压断路器DL和电抗器DK串联而成，所述高压断路器DL的输入端连接可控电抗器控制器YK。
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