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5第 5 期（总第 242期）2023 年 10 月山 西 电 力No.5（Ser.242）Oct.2023SHANXI ELECTRIC POWER典型变电站故障后断路器拒动对区域电网功角稳定问题的分析研究史光宇1，崔校瑞2（1.国网上海市电力公司市北供电公司，上海 200072；2.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）摘要：变电站发生故障后断路器拒动可能会给区域电网带来功角稳定的问题。以山西电网500kV明海湖变电站为例，在分析典型变电站发生故障后断路器拒动以及相关开关失灵保护参数设定对区域电网稳定问题影响的基础上，考虑500 kV明海湖变电站实际接线方式，用PSD-BPA仿真软件进行模拟，分析了不同故障下站内各开关拒动对区域电网稳定的影响，并结合仿真分析结果对相关断路器失灵整定时间的设置给出了相关建议。关键词：断路器拒动；保护失灵；稳定分析；整定时间中图分类号：TM712 文献标志码：A 文章编号：1671-0320（2023）05-0005-050引言 500kV明海湖变电站是连接山西电网大同分区与忻朔分区的关键站点，承担着雁淮直流跨区电力输送、忻朔区域新能源送出的重要任务，也是山西北电南送的重要组成部分。为分析极端严重故障情况下电网安全稳定水平和运行风险，做好电网严重故障下的风险预警工作，加强电网运行第三道防线建设，本文根据500kV明海湖变电站主接线情况，系统梳理了站内500kV及220kV断路器接线情况及发生断路器拒动后，失灵保护启动流程。结合PSD-BPA仿真分析软件，通过对山西北部电网开机方式、故障类型、明海湖站内断路器整定时间等参数进行差异化设置仿真，分析不同情况下明海湖站内各个断路器发生拒动后忻朔电网功角稳定情况，并根据仿真结果对明海湖变电站断路器拒动情况做出分析，给出了相关断路器失灵整定时间设置的建议。1 明海湖站断路器拒动概述1.1 明海湖站主站接线及断路器配置明海湖变电站是忻朔电网的主站之一，其500kV侧连接着雁同站、五寨站、丁崖站，是山西北部大同电网和忻朔电网的电力枢纽，同时明海湖站还连接着雁门关换流站，是山西交流电网向雁淮直流输送电力的重要变电站1。在220kV侧，明海湖站连接着向阳堡站、水头站、右玉站、林海站等220kV变电站，同时还同卧龙洞风电场、彤欧光伏电站相连，对忻朔电网220kV电力上送及周边新能源送出有着重要作用。明海湖变电站内共有38个断路器，其中500kV断路器21个，采用3/2接线方式。明海湖变电站500kV断路器接线方式如图1所示，接线情况如表1所示。1.2 明海湖站断路器保护配置及断路器拒动后失 灵保护动作流程 明海湖站500kV及220kV电压等级断路器均配备失灵保护，其中220kV侧失灵保护集成在母线保收稿日期：2023-04-23，修回日期：2023-05-19作者简介：史光宇（1995），男，山西太原人，2020年毕业于华北 电力大学电力系统及其自动化专业，硕士，助理工程 师，从事电力系统继电保护技术研究及应用工作；崔校瑞（1993），男，山西太原人，2019年毕业于华 南理工大学电力系统及其自动化专业，硕士，工程师，从事大电网分析工作。山 西 电 力2023 年第 5 期6护中，500kV侧失灵保护集成在断路器保护中2。当发生断路器拒动之后，失灵保护启动，跳开其相邻的所有断路器3。对于220kV电压等级，断路器失灵后要跳开其所连接母线上所有相关断路器，以及该支路对侧线路所连接断路器，如2802断路器失灵保护启动，则需断开湖水I线水头侧断路器，同时断开同B母相连的2022、2803、2804这3个断路器；对于500kV电压等级3/2接线的边断路器，需要跳开其所连接母线上所有相关断路器、同一串上的中断路器以及其所带间隔对侧的断路器4，如5023断路器失灵保护启动，则需断开同一串上中断路器5022、湖崖II线丁崖侧断路器，同时断开与II母相连的5013、5033、5043、5053、5063、5073、5082断路器；对于500kV电压等级3/2接线的中断路器，需要跳开同一串上的2个边断路器以及其所带2条支路的对侧断路器，如5022断路器失灵保护启动，则需断开同一串上5021、5023断路器，同时断开湖崖II线丁崖侧断路器以及湖寨II线五寨侧断路器5。明海湖站220kV断路器共计17个，采用双母双分段接线方式，220kV断路器接线情况如表2所示。表2 明海湖站220kV断路器接线表序号断路器编号两侧线路12001A母、1号主变22002B母、2号主变32003C母、3号主变42004D母、4号主变52801A母、彤湖线62802B母、湖水I线72803B母、湖林I线82804B母、湖林II线92805A母、湖林III线102808A母、湖水II线112902C母、湖向I线122903D母、湖向II线132905D母、湖玉I线142906C母、湖玉II线152908C母、卧湖I线162904C母、卧湖III线172907D母、卧湖II线2 BPA潮流方式数据边界及断路器整定值设置 为仿真明海湖站内断路器拒动后失灵保护启动造成的区域电网功角失稳，本文采用PSD-BPA软件进行仿真分析。2.1 潮流稳定故障设置 考虑山西电网2023年冬季运行方式，新能源同时率为50，同时考虑山西北部大开机和均匀开机2种方式，具体开机情况如表3所示。?表1 明海湖站500kV断路器接线表序号断路器编号两侧线路断路器类型15012I母、湖寨I线中断路器25013II母、湖寨I线边断路器35021I母、湖寨II线边断路器45022湖寨II线、湖崖II线中断路器55023II母、湖崖II线边断路器65031I母、1号主变边断路器75032湖崖I线、1号主变中断路器85033II母、湖崖I线边断路器95041I母、2号主变边断路器105042雁湖I线、2号主变中断路器115043II母、雁湖I线边断路器125051I母、3号主变边断路器135052雁湖II线、3号主变中断路器145053II母、雁湖II线边断路器155061I母、4号主变边断路器165062湖关III线、4号主变中断路器175063II母、湖关III线边断路器185072I母、湖关II线边断路器195073II母、湖关II线边断路器205081I母、湖关I线边断路器215082II母、湖关I线边断路器图1 明海湖主站500kV断路器接线图史光宇，等：典型变电站故障后断路器拒动对区域电网功角稳定问题的分析研究2023 年 10 月7表3 不同方式下山西北部电网开机情况分区电厂名称装机容量/万kW大发开机台数/台均匀开机台数/台大同电网塔山260+26642恒北23321大同460+32042云冈222+23042同煤4542云峰213.521华岳2521王坪22111忻朔电网神二25021河曲46032王家岭26611轩岗26621广宇213.5+23521平朔23021格瑞特213.521京玉23321楼子营23521锦华23521万家寨31831龙口41042天桥12.811在确定开机方式后，分别对各个断路器设置N-1三相永久短路故障，并在故障开始后根据明海湖变电站内接线情况以及失灵保护启动流程，切断其对应母线上所有断路器、对侧线路上的断路器来模拟其“拒动”过程6。在一定时间后，故障消除，分析忻朔区域机组功角稳定情况，以此来判别明海湖变电站不同断路器发生断路器拒动后对忻朔电网稳定情况的影响。2.2 断路器整定值设置 本文共设置了6种不同整定时间的失灵保护，分析不同断路器保护配置情况下发生断路器拒动后的系统功角稳定情况，具体计算故障设置如表4所示。例如，方式一考虑发生N-1三相永久故障后，主保护动作，单相断路器失灵，依靠失灵保护动作跳开相邻断路器三相隔离故障。故障切除时间：500kV系统考虑0ms故障、500ms彻底切除故障，其中500kV系统主保护动作时间取100ms，100ms时A相断路器拒动，B、C相断路器正路跳开，启动失灵保护，断路器失灵保护整定值按照300ms考虑，则100400ms为断路器失灵保护整定时间，此阶段断路器维持A相拒动，B、C相跳开；断路器动作时间按照100ms考虑，400500ms为相邻断路器三相跳开时间。220kV系统考虑0ms故障、740ms彻底切除故障，其中主保护动作时间取120ms、失灵保护整定时间500ms、断路器动作时间120ms。表4 不同方式下山西北部电网开机情况 单位：ms开机方式方式1方式2方式3方式4方式5方式6大开机方式大开机方式均匀开机方式大开机方式大开机方式大开机方式故障类型N-1三相永久故障N-1三相永久故障N-1三相永久故障N-1三相永久故障N-1三相永久故障N-1单相永久故障500kV系统故障开始时间 0 0 0 0 0 0主保护时间100100100100100100断路器失灵整定时间300200200100 20300断路器动作时间100100100100100100故障结束时间500400400300220500220kV系统故障开始时间 0 0 0 0 0 0主保护时间120120120120120120断路器失灵整定时间500300300100 20500断路器动作时间120120120120120120故障结束时间740540540340260740山 西 电 力2023 年第 5 期83 明海湖站断路器拒动对忻朔电网机组功角 稳定的影响根据上节内容，分别对山西北部电网开机方式、故障类型、明海湖站内断路器整定时间做了不同的设置。明海湖变电站不同断路器整定值设置下，断路器拒动后对忻朔电网功角稳定的影响很大，尤其是500kV电压等级，多数情况下都失稳。具体情况如表5所示。表5 明海湖变电站不同断路器整定值设置下断路器拒动后忻朔电网功角稳定情况序号电压等级/kV断路器编号三相故障，大开机，失灵保护300ms+500ms三相故障，均匀开机，失灵保护200ms+30ms三相故障，大开机，失灵保护200ms+30ms三相故障，大开机，失灵保护100ms+100ms三相故障，大开机，失灵保护20ms+20ms单相故障，大开机方式，失灵保护300ms+500ms15005012失稳失稳失稳失稳稳稳25005013失稳失稳失稳失稳稳稳35005022失稳失稳失稳失稳稳稳45005021失稳失稳失稳失稳稳稳55005023失稳失稳失稳失稳稳稳65005032失稳失稳失稳失稳稳稳75005033失稳失稳失稳失稳稳稳85005031失稳失稳失稳失稳稳稳95005041失稳失稳失稳失稳稳稳105005042失稳失稳失稳失稳失稳稳115005043失稳失稳失稳失稳失稳稳125005053失稳失稳失稳失稳失稳稳135005052失稳失稳失稳失稳失稳稳145005051失稳失稳失稳失稳稳稳155005062失稳失稳失稳失稳稳稳165005061失稳失稳失稳失稳稳稳175005063失稳失稳失稳失稳稳稳185005072失稳失稳失稳失稳稳稳195005073失稳失稳失稳失稳稳稳205005082失稳失稳失稳失稳稳稳215005083失稳失稳失稳失稳稳稳222202001稳稳稳稳稳稳232202002稳稳稳稳稳稳242202003稳稳稳稳稳稳252202004稳稳稳稳稳稳262202801稳稳稳稳稳稳272202802稳稳稳稳稳稳282202803稳稳稳稳稳稳292202804稳稳稳稳稳稳302202805稳稳稳稳稳稳312202808稳稳稳稳稳稳322202902稳稳稳稳稳稳332202903稳稳稳稳稳稳342202905稳稳稳稳稳稳352202906稳稳稳稳稳稳362202908稳稳稳稳稳稳372202904稳稳稳稳稳稳382202907稳稳稳稳稳稳史光宇，等：典型变电站故障后断路器拒动对区域电网功角稳定问题的分析研究2023 年 10 月9 由表5可知，通过分别对山西北部电网开机方式、故障类型、明海湖站内断路器整定时间做不同的设置，计算分析得到如下结果。a）明海湖站500kV断路器发生拒动时，失灵保护启动引起的忻朔电网功角稳定问题较为严重，而220kV断路器发生拒动时，则不会因失灵保护启动引起稳定问题。b）不同故障引起的失灵保护启动所带来的电网稳定问题区别很大，由N-1三相永久故障引起的稳定问题较大，忻朔电网发生功角失稳现象，而由N-1单相永久故障引起的断路器拒动失灵保护启动则不会出现忻朔电网功角失稳现象。c）明海湖站500kV断路器失灵整定时间会影响失灵保护后忻朔电网稳定情况，在500kV断路器失灵整定时间大于等于100ms时，忻朔电网均失稳，而当将断路器失灵整定时间降低到20ms后，绝大多数断路器不会因拒动引起忻朔电网失稳情况。4 结束语电力行业中，断路器是电力工作中的常用设备，它的作用是切断和接通负荷电流，以及截断故障电路，其运行质量关系到整个电力系统的稳定性。本文根据500kV明海湖变电站主接线情况，系统梳理了站内500kV及220kV断路器接线情况及发生断路器拒动后失灵保护启动流程。结合PSD-BPA仿真分析软件，通过对山西北部电网开机方式、故障类型、明海湖站内断路器整定时间等参数进行差异化设置，仿真分析不同情况下明海湖站内各个断路器发生拒动后忻朔电网功角稳定情况，并根据仿真结果对明海湖变电站断路器拒动情况做出分析。参考文献：1 芦晓辉，王小昂.山西电网2022年度运行方式R.太原：山西省电 力公司，2022：17-18.2 王亮，李瑞，白雪婷.智能变电站合并单元相关问题引起保护误动 的研究J.山西电力，2017（1）：9-12.3 宋述勇，郝伟，李瑞.电流互感器及其二次回路若干技术问题的探 讨J.山西电力，2015（6）：7-9.4 师钦利，高涛.220kV双母接线母联失灵保护研究J.山西电力，2016（3）：36-39.5 延勇，武改萍.从一起保护拒动事件探讨智能变电站的检修机制 J.山西电力，2016（2）：32-35.6 王亮，李瑞，冯俊杰.中性点间接接地电网的故障线路选定研究 J.山西电力，2017（4）：20-23.Analysis and Research on the Power Angle Stability of Regional Power Grid Caused by Circuit Breaker Rejection after a Typical Substation FailureSHI Guangyu1，CUI Xiaorui2（1.North Branch of State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company，Shanghai 200072，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Shanxi Electric Power Company，Taiyuan，Shanxi 030001，China)Abstract：Circuitbreakerrejectionafterasubstationfailuremaybringpoweranglestabilityproblemstotheregionalpowergrid.Takinga500kVMinghaihusubstationinShanxiPowerGridasanexample，basedonananalysisoftheimpactofcircuitbreakerrejectionandrelatedswitchfailureprotectionparametersettingsonthestabilityoftheregionalpowergridafteratypicalsubstationfailure，PSD-BPAsimulationsoftwareisusedtosimulateandanalyzetheimpactofvariousswitchfailuresinthestationonregionalpowergridstabilitywithdifferentfaultswhentheactualwiringmodeof500kVMinghaihusubstationistakenintoaccount.Basedontheresultsofsimulationanalysis，relevantsuggestionsaregivenforsettingthefailuresettingtimeofrelevantcircuitbreakers.Key words：circuitbreakerrejection；protectionfailure；stabilityanalysis；safetycontroldevice；settingtime