李蔡慎1，丁洪玲2,，張  雯2,，沈曉麗2

　　（1. 上海市電力高壓實(shí)業(yè)公司,，上海 200063,；2. 國(guó)網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海  200063）

　　摘  要： 隨著當(dāng)前變電站自動(dòng)化程度的不斷提高,，變電站測(cè)控裝置中的斷路器同期合閘功能的重要性也日益突出,。由于合閘前斷路器兩側(cè)系統(tǒng)狀態(tài)不同，需要測(cè)控裝置實(shí)時(shí)采集斷路器兩側(cè)電氣量信息并進(jìn)行計(jì)算和比較,，以確定當(dāng)前狀態(tài)是否允許合閘并確定與之相應(yīng)的最佳合閘時(shí)刻,。介紹了變電站測(cè)控裝置同期功能的原理和合閘方式，并重點(diǎn)分析了同期功能的實(shí)現(xiàn)方式,，對(duì)當(dāng)前公司下屬變電站所采用的不同測(cè)控裝置同期功能方式進(jìn)行了比較,。

　　關(guān)鍵詞： 測(cè)控裝置；同期功能,；同期合閘

0 引言

　　隨著用戶對(duì)供電可靠性要求的提高,，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的日趨緊湊，在電力系統(tǒng)并網(wǎng)過程中斷路器的同期合閘操作越來(lái)越多,。測(cè)控裝置作為電力系統(tǒng)自動(dòng)化的重要組成部分,，除了能實(shí)現(xiàn)測(cè)量和控制外，還能實(shí)現(xiàn)斷路器的同期合閘這一重要功能,，減小并網(wǎng)操作時(shí)對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備的沖擊,，在提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和提高線路合閘成功率等方面都發(fā)揮著重要作用,。

　　斷路器分、合閘是變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)最常見的操作,。其中對(duì)于斷路器手動(dòng)合閘命令,，由于合閘前斷路器兩側(cè)系統(tǒng)狀態(tài)不同，需要測(cè)控裝置實(shí)時(shí)采集斷路器兩側(cè)電氣量信息并進(jìn)行計(jì)算和比較,，以確定當(dāng)前狀態(tài)是否允許合閘并確定與之相應(yīng)的最佳合閘時(shí)刻,。一般而言，斷路器合閘操作所需要采集的電氣量信息是電壓,、頻率和相角,。

1 同期合閘的原理

　　測(cè)控裝置通過設(shè)定值給定臨界的頻差、壓差,、角差,，并與測(cè)量計(jì)算出的頻差、壓差和角差相比較,。只有當(dāng)斷路器兩側(cè)的電壓,、相位角和頻率差保持在設(shè)定的范圍內(nèi)時(shí),，才允許合閘,，實(shí)現(xiàn)同期功能。

　　1.1 常用電壓差算法

　　電壓量是一個(gè)向量,，包括幅值和相位角兩部分,，可表示為：

　　U=|U|∠δ=|U|·（cos δ+j sin δ）（1）

　　式中，|U| 為電壓幅值(有效值),；δ為電壓相角,。

　　通常采用電壓差和相位差相分離的算法，即用電壓的有效值直接進(jìn)行算術(shù)相減獲得電壓差ΔU,；用相位角直接相減獲得角差Δδ,。用算式表示為：

　　ΔU=|Ub|-|Ua| （2）

　　Δδ=δb-δa（3）

　　按照該算法，取電壓差值條件為20％額定電壓,，相位差條件為20°,，設(shè)參考電壓幅值為1，相位為0°,，則準(zhǔn)同期區(qū)域是一個(gè)扇形區(qū),，如圖1所示： Ubus=1；Uline.min=0.8,；Uline.max=1.2,。

　　圖1中，以u(píng)為參考電壓,，則另一側(cè)的電壓向量只要落在扇形區(qū)內(nèi)便可允許同期合閘,。

　　1.2 斷路器合閘時(shí)間常用補(bǔ)償算法

　　同期合閘還需要考慮斷路器的固有合閘時(shí)間,，通常對(duì)于斷路器動(dòng)作延時(shí)的考慮是：允許進(jìn)行合閘的窗口時(shí)間應(yīng)該大于穩(wěn)定時(shí)間和斷路器動(dòng)作延時(shí)之和。所以,，如果設(shè)穩(wěn)定時(shí)間為110 ms,，總導(dǎo)前時(shí)間(等于斷路器合閘時(shí)間和繼電器響應(yīng)時(shí)間之和)為100 ms，則允許合閘最小窗口為210 ms,。如果實(shí)際同期窗口小于210 ms,，則不應(yīng)該進(jìn)行同期操作。只要滑差進(jìn)一步減小,，直到實(shí)際允許同期窗口大于允許合閘最小窗口210 ms,，才允許同期。如圖2所示,。

2  同期合閘方式

　　測(cè)控裝置在接受來(lái)自就地或者遠(yuǎn)方的合閘命令后同期合閘功能便處于激活狀態(tài), 在合閘命令有效期內(nèi), 根據(jù)裝置當(dāng)時(shí)的運(yùn)行工況,，選用不同的合閘判據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)的控制,。根據(jù)合閘點(diǎn)兩側(cè)系統(tǒng)的情況可以將合閘操作分為檢無(wú)壓合閘,、檢同期合閘、準(zhǔn)同期合閘等幾種方式[3],。

　　2.1 檢無(wú)壓合閘

　　以雙母接線方式為例,，斷路器無(wú)壓狀態(tài)分為線路側(cè)和母線側(cè)均無(wú)壓、線路側(cè)有壓而母線側(cè)無(wú)壓,、線路側(cè)無(wú)壓而母線側(cè)有壓三種,。檢無(wú)壓合閘的允許判斷條件如下：

　　（1）母線側(cè)和線路側(cè)均為無(wú)壓,。如果母線和線路都沒有電壓(小于給定的無(wú)壓定值),，則無(wú)TV斷線閉鎖信號(hào)，同期合閘可自動(dòng)滿足條件,，裝置執(zhí)行合閘命令向斷路器發(fā)合閘脈沖,，允許斷路器合閘。

　?。?）母線側(cè)或線路側(cè)一側(cè)為有壓,。如果母線側(cè)或線路一側(cè)有電壓(大于給定的有壓定值)，而另一側(cè)無(wú)電壓(小于給定的無(wú)壓定值),，即線路對(duì)母線充電或母線對(duì)線路充電,，無(wú)TV斷線閉鎖信號(hào)，同期合閘同樣滿足條件,，裝置執(zhí)行合閘命令向斷路器發(fā)合閘脈沖,，允許斷路器合閘。

　　2.2 檢同期合閘

　　也稱為環(huán)網(wǎng)合閘,，一般用于同一系統(tǒng)內(nèi)的斷路器同期合閘,，特點(diǎn)是斷路器兩端的系統(tǒng)頻率是相同的,。檢同期合閘的允許判斷條件如下：

　　（1）斷路器兩側(cè)的電壓均在有壓定值范圍之內(nèi),。

　?。?）斷路器兩側(cè)的壓差和角度差均小于定值。

　　只要滿足以上兩個(gè)條件,，測(cè)控裝置的斷路器合閘出口接點(diǎn)會(huì)立刻閉合,。此外，通過設(shè)置同期控制字,，檢同期時(shí)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)壓合閘,。

　　2.3 準(zhǔn)同期合閘

　　準(zhǔn)同期合閘也稱為準(zhǔn)同期合閘或并列，一般用于兩個(gè)不同系統(tǒng)之間的斷路器同期合閘,， 特點(diǎn)是斷路器兩端的系統(tǒng)頻率不相同,，需要捕捉同期，默認(rèn)無(wú)壓不能合閘,。準(zhǔn)同期合閘的允許判斷條件如下：

　?。?）斷路器兩側(cè)的電壓均在有壓定值范圍之內(nèi)。

　?。?）兩側(cè)電壓差小于壓差定值,。

　　（3）頻率差小于定值,。

　?。?）滑差(即頻率差變化率dΔf/dt) 小于定值,。

　　在以上條件均滿足的情況下,，測(cè)控裝置將根據(jù)合閘導(dǎo)前時(shí)間定值自動(dòng)修正合閘角度，以保證斷路器在0°角時(shí)刻合閘,，即：當(dāng)捕捉到相位角等于導(dǎo)前相位角時(shí),，給斷路器發(fā)合閘脈沖，此時(shí)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊最小,。其合閘角度的計(jì)算公式為：

　　式中：Δδ為兩側(cè)電壓角度差,；Δf為兩側(cè)電壓頻率差；dΔf/dt 為滑差,；Tdq為提前時(shí)間(不同廠家和型號(hào)的測(cè)控裝置計(jì)算方式可能略有差異),。

3 測(cè)控裝置同期合閘功能的實(shí)現(xiàn)

　　3.1 同期合閘二次回路原理圖

　　目前綜合自動(dòng)化變電站的測(cè)控裝置中，典型的手動(dòng)同期合閘功能的二次回路原理圖如圖3所示[4],。在滿足五防條件的前提下,，可以實(shí)現(xiàn)斷路器的同期或非同期遙控及手動(dòng)分、合閘,。在“遠(yuǎn)方”狀態(tài)時(shí),，9ZK的③,、④接點(diǎn)導(dǎo)通，如果9LP2“遙控投入”壓板在合位,，則可以在后臺(tái)機(jī)上對(duì)斷路器進(jìn)行遙控分合,，合閘時(shí)219與220之間的接點(diǎn)導(dǎo)通，分閘時(shí),，219與221之間的接點(diǎn)導(dǎo)通,，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方分合。在“就地”狀態(tài)時(shí),，9ZK的①,、②接點(diǎn)和⑤、⑥接點(diǎn)導(dǎo)通,，可在測(cè)控屏上對(duì)斷路器進(jìn)行就地手動(dòng)分合,。當(dāng)需要手動(dòng)同期合閘時(shí)，將同期轉(zhuǎn)換開關(guān)9TK打在“同期”位置,，其①,、②接點(diǎn)導(dǎo)通，在滿足同期條件的情況下,，測(cè)控裝置內(nèi)的222端子和223端子之間的同期判別接點(diǎn)導(dǎo)通,，同期合閘成功。

　　3.2 裝置同期定值整定

　　目前為止,，華東地區(qū)對(duì)同期定值作了統(tǒng)一規(guī)定,，具體如表1所示。

　　電壓是根據(jù)額定電壓而言,；導(dǎo)前時(shí)間的設(shè)定是要同期的開關(guān)的合閘時(shí)間（該時(shí)間隨現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)的不同而不同,，一般由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的中試所或設(shè)計(jì)院人員提供。通常室外開關(guān)為110 ms,，室內(nèi)GIS開關(guān)為80 ms）加上遙控繼電器的時(shí)間,。經(jīng)過試驗(yàn)證明，穩(wěn)定時(shí)間一般設(shè)為10 ms,。

　　3.3 同期電壓近區(qū)優(yōu)先原則

　　變電站采用3/2接線方式時(shí),，分3/2接線無(wú)線刀和3/2接線帶線刀兩種情況，下面就這兩種接線方式下同期電壓的選擇進(jìn)行分析,。

　　采用3/2接線無(wú)線刀斷路器進(jìn)行同期合閘時(shí),，選擇固定的同期電壓節(jié)點(diǎn)。如圖4所示,，當(dāng)開關(guān)1進(jìn)行同期合閘時(shí),，固定U1和U2作為同期合閘的條件。當(dāng)開關(guān)2、開關(guān)3進(jìn)行同期判別時(shí),，分別以U2和U3,、U3和U4作為同期電壓。

　　在3/2接線帶線刀斷路器進(jìn)行同期合閘時(shí),，裝置考慮了同期電壓采用近區(qū)優(yōu)先原則,。實(shí)現(xiàn)方法如圖5所示。

　　對(duì)同期電壓近區(qū)優(yōu)先的實(shí)現(xiàn),，是通過對(duì)線刀的實(shí)際狀態(tài),，自動(dòng)判斷選擇應(yīng)該采取的同期電壓回路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如圖5所示,，當(dāng)開關(guān)1進(jìn)行同期合閘時(shí),，裝置會(huì)檢測(cè)線刀1和線刀2的狀態(tài)；當(dāng)線刀1在合位時(shí),，裝置會(huì)自動(dòng)選擇U1和U2作為同期合閘的條件,；當(dāng)線刀1在分位，線刀2在合位時(shí),，裝置會(huì)自動(dòng)選擇U1和U3作為同期合閘的條件,；當(dāng)線刀1在分位，線刀2也在分位時(shí),，裝置會(huì)自動(dòng)選擇U1和U4作為同期合閘的條件,。同理，當(dāng)開關(guān)2和開關(guān)3進(jìn)行同期合閘時(shí),，裝置會(huì)根據(jù)線刀的實(shí)際狀態(tài),，自動(dòng)選擇同期電壓組合。

　　3.4 同期合閘方式

　　當(dāng)前華東電網(wǎng)500 kV變電站斷路器測(cè)控單元及220 kV變電站母聯(lián)斷路器和分段斷路器測(cè)控單元均已使用同期合閘功能,。公司下屬變電站所采用的測(cè)控裝置主要有D25測(cè)控裝置（惠安公司）和CSI－200E測(cè)控裝置（四方公司）,。這兩種測(cè)控裝置在實(shí)現(xiàn)同期合閘功能的方式上有所不同。

　　3.4.1 D25測(cè)控裝置同期合閘實(shí)現(xiàn)方式

　　D25所采用的合閘方式為同期（無(wú)壓）,、直合方式,，測(cè)控屏上裝有同期功能把手，分為同期投入,、同期退出兩檔，而后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)及操作畫面都只提供一個(gè)遙控點(diǎn),。當(dāng)測(cè)控單元上的同期把手切至同期投入狀態(tài)時(shí),，后臺(tái)遙控令下發(fā)后，測(cè)控單元自動(dòng)根據(jù)當(dāng)前開關(guān)兩側(cè)的電壓條件（壓差,、角差和頻差）判斷同期或者無(wú)壓合閘（開關(guān)單側(cè)無(wú)壓,、雙側(cè)無(wú)壓均認(rèn)為無(wú)壓）；當(dāng)同期把手切至同期退出狀態(tài)時(shí)，測(cè)控單元直接采用直合方式合閘,。

　　D25裝置同期功能實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單,，遙控合閘操作簡(jiǎn)便，易于運(yùn)行值班人員掌握,。且該測(cè)控裝置內(nèi),，每個(gè)開關(guān)只設(shè)置一個(gè)遙控點(diǎn)號(hào)，由此,，本地后臺(tái)及中心站后臺(tái)也只須設(shè)置一個(gè)遙控點(diǎn)號(hào),。在接入中心站自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)與不帶同期功能的普通開關(guān)調(diào)試方法相同，調(diào)試相對(duì)簡(jiǎn)單,。

　　運(yùn)行人員下達(dá)遙控命令后,，要求D25自行判斷合閘方式。而測(cè)控裝置主要根據(jù)合閘點(diǎn)兩側(cè)電壓的情況區(qū)分無(wú)壓合閘和有壓合閘,，但是如果出現(xiàn)電壓回路斷線的情況,，測(cè)控裝置有可能誤將斷路器兩側(cè)均有壓的情況判為無(wú)壓，按無(wú)壓方式合閘造成非同期合閘,，對(duì)系統(tǒng)造成不良后果,。此外，從維護(hù)人員角度來(lái)說,，由于D25裝置是由其內(nèi)部邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)同期合閘方式的選擇的,，若裝置同期功能出現(xiàn)問題，維護(hù)人員看不到裝置內(nèi)部邏輯,，不易查找問題源,，維護(hù)工作難度增加。

　　3.4.2 CSI-200E測(cè)控裝置同期合閘實(shí)現(xiàn)方式

　　CSI-200E采用的合閘方式為同期,、無(wú)壓,、直合方式。測(cè)控單元同期功能把手有同期投入,、同期退出兩檔,，但測(cè)控單元以及后臺(tái)操作畫面分同期、無(wú)壓,、直合,，如果操作選擇與設(shè)備情況不一致，則閉鎖操作,。

　　CSI-200E測(cè)控裝置除外部設(shè)有同期功能把手外,，裝置內(nèi)部設(shè)有檢無(wú)壓、檢同期,、準(zhǔn)同期功能軟壓板,，可進(jìn)入裝置表面液晶面板進(jìn)行投退,。在正常情況下，為了運(yùn)行人員操作方便,，三個(gè)軟壓板同時(shí)投入,。后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)及操作畫面分同期、無(wú)壓,、直合三個(gè)遙控點(diǎn),。以某變電站500 kV第一串開關(guān)5012為例，如圖7所示,，后臺(tái)畫面中,，設(shè)有同期合閘、無(wú)壓合閘兩個(gè)虛擬開關(guān)點(diǎn),，與5012開關(guān)關(guān)聯(lián),。裝置投入同期功能，操作人員根據(jù)當(dāng)前開關(guān)兩側(cè)的電壓情況在后臺(tái)界面選擇合閘方式（同期合閘或者無(wú)壓合閘）,，在虛擬開關(guān)點(diǎn)上操作,，若后臺(tái)人員選擇的合閘方式與裝置判定的同期方式不一致，則閉鎖操作,；若與裝置判定的合閘方式相同,，則進(jìn)行合閘操作。當(dāng)需要采用開關(guān)直合方式時(shí),，首先將同期功能把手切至同期退出,，然后在開關(guān)5012上進(jìn)行斷路器合閘操作。

　　CSI-200E采用“人機(jī)判斷結(jié)合”的合閘方式,，運(yùn)行人員通過對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行方式的了解,，下達(dá)相應(yīng)的合閘命令，可以防止電壓二次回路斷線時(shí)裝置誤判斷非同期并列的發(fā)生,。且CSI-200E帶有液晶面板（中文顯示）,，每次遙控操作后無(wú)論成功與否均有報(bào)文顯示，當(dāng)同期合閘失敗時(shí),，維護(hù)人員可根據(jù)液晶面板上報(bào)文的提示查找失敗原因,，便于日常的處缺維護(hù)。

　　由于CSI-200E測(cè)控裝置的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)及操作界面增加了兩個(gè)虛擬開關(guān)點(diǎn),，導(dǎo)致自動(dòng)化系統(tǒng)中遙控點(diǎn)增多,。在接入中心站自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)，本站的遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)與中心站后臺(tái)的遙控點(diǎn)也相應(yīng)增多,，遙控點(diǎn)數(shù)量的增加大大加重了兩側(cè)核對(duì)點(diǎn)號(hào)的工作量,，也提高了人為失誤的概率。另一方面,， 當(dāng)驗(yàn)收人員需要通過實(shí)際操作來(lái)驗(yàn)證遙控點(diǎn)號(hào)時(shí)（例如受控站為新站，中心站有條件進(jìn)行遙控試驗(yàn)的情況），由于同期,、無(wú)壓,、直合采用的是不同的遙控點(diǎn)，理論上三種方式的遙控均操作成功后才得以驗(yàn)證點(diǎn)號(hào)的正確性,。而對(duì)開關(guān)進(jìn)行同期,、無(wú)壓合閘必須滿足相應(yīng)的電壓條件，這就要求維護(hù)人員用三相校驗(yàn)儀給測(cè)控單元加相應(yīng)的電壓量,，且電壓必須滿足當(dāng)前合閘方式的要求,，這就大大增加了中心站自動(dòng)化的驗(yàn)收工作量。

　　從以上分析不難看出,，CSI-200E與D25測(cè)控裝置各有優(yōu)缺點(diǎn),。CSI-200E閉鎖條件相對(duì)復(fù)雜，在裝置新裝和調(diào)試過程中難度較大,，但利于日常維護(hù),；D25的操作相對(duì)簡(jiǎn)單，但維護(hù)工作相對(duì)較難,。當(dāng)前“大運(yùn)行”體系不斷完善,，要求盡快實(shí)現(xiàn)“集中控制”、“統(tǒng)一調(diào)度”,、“統(tǒng)一維護(hù)”,，變電站綜合自動(dòng)化接入中心站工作正在不斷進(jìn)行中，實(shí)現(xiàn)中心站對(duì)受控站斷路器的遙控操作是中心站的一項(xiàng)重要功能,。若采用CSI-200E測(cè)控裝置,，由于其所存在的缺點(diǎn)，使維護(hù)人員工作量大量增加,，影響自動(dòng)化接入中心站的進(jìn)度,。此外，采用不同廠家及型號(hào)的測(cè)控裝置,，增加了日常運(yùn)行和維護(hù)的難度,，不利于自動(dòng)化系統(tǒng)的維護(hù)。因此,，建議在制造廠家和調(diào)度部門協(xié)同合作的基礎(chǔ)上,，采用統(tǒng)一斷路器同期合閘的實(shí)現(xiàn)方式，提高維護(hù)效率,。

4 結(jié)論

　　隨著當(dāng)前變電站自動(dòng)化程度的不斷提高,，變電站測(cè)控裝置中的斷路器同期合閘功能的重要性也日益突出。本文對(duì)測(cè)控裝置同期合閘功能進(jìn)行了闡述,，通過對(duì)同期合閘功能實(shí)現(xiàn)方式的分析,，對(duì)CSI-200E測(cè)控裝置與D25測(cè)控裝置同期功能方式進(jìn)行了總結(jié)比較,，從運(yùn)行維護(hù)人員角度提出了相關(guān)建議。

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