大容量主变低压侧电能质量监测与设备选择分析.pdf

84第 52 卷2024 年 4 月Vol.52 No.2Apr.2024云南电力技术YUNNAN ELECTRIC POWER大容量主变低压侧电能质量监测与设备选择分析赵淑英（云南恒安电力工程有限公司，云南 昆明 650000）摘要：近年来220 kV变电站采用低压侧10 kV向用户直供负荷的供电方式得到推广，随之带来的是主变低压侧进线设备存在工作电流大、短路水平高、造价和损耗高等现实问题造成选型较为困难。本文分析了存在的问题，并提供了一种基于LSTM的电能质量监测模型，并就设备选择策略给出了几种可行的解决方案。关键词：220 kV变电站；大容量主变；10 kV直供负荷；设备选择Analysis of Power Quality Monitoring and Equipment Selection for Low Voltage Side of Large Capacity Main TransformersZhao Shuying（Yunnan Hengan Electric Power Engineering Co.,Ltd,Kunming,Yunnan 65000,China）Abstract:In recent years,the power supply method of 220 kV substations using 10 kV on the low-voltage side to directly supply loads to users has been promoted,which has brought about practical problems such as high working current,high short-circuit level,high cost and loss of the low-voltage side incoming equipment of the main transformer,making selection more difficult.This article analyzes the existing problems and provides several feasible solutions.Key words:220 kV substation;large capacity main transformer;10 kV direct supply load equipment selection中图分类号：TM74文献标识码：B文章编号：1006-7345（2024）02-0084-040前言很长时期以来，对于工业和农业及家庭用电负荷较分散、用电量需求不大的省市地区，由于单位用户（一个小型工厂、一个村镇、一个公司等）的供电容量需求较小，目前主要由35 kV 或 10 kV 电压等级的电源进行供电。而由于这些单位用户所在区域一般情况下 220 kV及以上的大中型变电站落点较少、且仅用于电网网络优化而较少用于直供负荷，220 kV 站往往不设低压侧出线或仅设少量35 kV出线回路。其生产生活用电多由 110 kV 变电站或 35 kV 变电站的中低侧进行供给。因 110 kV 及 35 kV 变电站中单台主变容量较小（最大为 50 MVA），变电站布点较密供电线路较短，故低压侧的工作电源和短路电流不会过高，相对于设备制造水平及经济性来讲，设备选型较为容易，在很长一段时期里作为主要的负荷供电方式1。随着经济的飞速发展及电网网络的不断加强、负荷需求越来越大，对供电的可靠性、经济性、稳定性要求也随之越来越高。220 kV 变电站采用低压侧 10 kV 向用户直供负荷也变得越来越普遍。这在一定程度上可以优化电网结构、节省建设 110 kV 及 35 kV 变电站布点而优化资源配置，提高整体效能利用，节约电力线路走廊。同时，110 kV 变电站单台主变容量也提升到了 63 MVA。但凡事都有两面性，这一发展趋势最直接的影响是主变低压侧的额定电流和短路电流大大增加，造成设备选型困难、投资增加，随之损耗也相应加大2-4，具体面临的问题有：1）主变低压侧进线电流大220 kV 变电站主变额定容量选择较为常用的是 180 MVA 或 240 MVA，低压侧绕组容量一般为主变容量的一半或三分之一。若低压侧为 35 kV 和 10 kV 电压等级主变侧进线相应的额定电流如表 1 所示（未考虑 1.05 倍的主变过载）：85第 52 卷2024 年第 2 期大容量主变低压侧电能质量监测与设备选择分析表1不同电压等级与额定电流的对应情况表 电压等级主变容量180 MVA主变容量240 MVA低压侧容量50%（90 MVA）低压侧容量30%（60 MVA）低压侧容量50%（120 MVA）低压侧容量30%（80 MVA）低压侧35 kV1485 A990 A1979 A1320 A低压侧10 kV5196 A3464 A6928 A4619 A计算结果显示，只有在主流主变低压侧容量小于 60 MVA 时，主变 10 kV 出口处的额定电流才小于 4000 A。2）低压侧出口短路水平高在系统提供的短路阻抗不变的前提下，220 kV 变电站低压侧采用 10 kV 电压等级与低压侧 35 kV 相比，短路电流水平明显较大；低压侧选择的运行方式、主变压器的阻抗电压对短路计算结果影响都较大。例：某变电站三相短路计算结果如下（按终期规模三台主变、低压侧 35 kV 按两台主变并列运行、10 kV 按单台主变分列支行）表2某变电站三相短路计算结果表 主变容量、阻抗低压侧电压及运行方式主变容量180/180/60 MVA主变常规阻抗Ud%=14/23/8主变高阻抗Ud%=14/50/35低压侧为35 kV（两台主变并列）33.712.3低压侧为10.5 kV（各主变分列运行）81.824.43）设备制造水平限制，设备选型困难、建设投资增加目前，多数设备制造厂能提供的通过各类 试 验 的 10 kV 设 备 参 数 为 Ie 4000 A、Id 40 kA。而从上述额定电流及短路水平来看，若 220 kV 变电站低压侧为 10 kV 直供负荷，常规设备的参数是难以满足的，给设计进行设备选型增加了难度。而且从投资角度来看，电流水平、短路水平越高的设备，其制造技术要求越高、设备价格也必然越高。4）损耗增加、建设和运维成本费用增加随着额定电流和短路水平的增加，设备的材料用量、带电间隙和绝缘要求也相应增加，进而造成设备的外形尺寸变大，甚至有的一个大电流回路（如主变进线）的元件要分装在两个开关柜内才能解决。一方面增加了设备的制造和采购价格，别一方面增加了占地面积。同时，设备的运行损耗也随之增大，故障率也会提高。总的来说，对于设备制造成本、工程建设投资、后期运行维护都产生了不利的影响5-8。针对上述问题，本文提出了一种大容量主变低压侧电能质量监测与设备选择方法，为优化电网结构，提升电力系统运维智能化水平提供技术支撑。1电能质量监测理论在 IEEE 中，电能质量指“在系统中的供电设备工作正常时，不会对电能的使用造成干扰和中断的物理特性”。一般将电能质量的认知划分为电压质量、电流质量、供电质量、用电质量四部分9-13。我国现行的电能质量标准主要有：GB/T 18481-2001电能质量暂时过电压和瞬态过电压；GB/T 12325-2008电能质量供电电压偏差；GB/T 12326-2008电能质量电压波动和闪变；GB/T 15945-2008电能质量电力系统频率偏差；GB/T 30137-2013电能质量电压暂降与短时中断；GB/T 24337-2009电能质量公用电网间谐波；GB/T 14549-1993 电能质量公用电网谐波。GB/T15543-2008电能质量三相电压不平衡；按照电能质量扰动的持续时间进行分类，可将电能质量扰动分为暂态扰动和稳态扰动两种，其中，暂态扰动持续时间短，变化性大，包含电压暂升、电压暂降、电压中断、暂态脉冲，暂态振荡等。稳态扰动持续时间长，变化性小。有电压偏移、频率偏移、电压波动与闪变、谐波与间谐波等。2基于LSTM的电能质量监测模型本文使用LSTM网络进行电能质量的分类，循环神经网络已经能够很好地处理输入的序列数据，但是存在不可以长期记忆的问题，导致86云南电力技术第 52 卷2024 年第 2 期输入数据如果短时间内发生变化，就会出现当前输出结果误差明显增大的现象。为了有效解决这种问题，本文采用了 LSTM 类型的循环神经网络模型。LSTM 由一系列 LSTM 单元组成，其具体结构如图 1 所示。输入门选择性“记忆”输入信号 xt，并保存到单元状态 ct；遗忘门对上一个节点传进来的单元状态 ct-1进行过滤，决定遗忘多少信息；输出门控制单元状态 ct 有多少输出到 LSTM 的输出值 ht。Wc，Wi，Wf与 Wo分别表示单元状态、输入门、遗忘门与输出门的权重矩阵，ht-1,xt 表示把两个向量连接成一个更长的向量，b 代表每一项对应的偏置，代表sigmoid 函数。输入门输出门遗忘门tx1thtitctftothtx1thtatx1thtx1th 图1LSTM单元具体结构at=tanh(Wcht-1,xt+ba)=tanh(at)（1）it=(Wiht-1,xt+bi)=(it)（2）ft=(Wfht-1,xt+bf)=(ft)（3）ot=(Woht-1,xt+bo)=(ot)（4）在不考虑偏置与非线性环节的情况下，有：1tttttcitttfoaWiWzhxWIWfWo=（5）LSTM 单元状态的更新方程由下式表示，其中 表示向量点乘运算。ct=itat+ftct1（6）ht=ottanh(ct)（7）LSTM 按时间展开的结构如图 2 所示。相邻两个时刻的数据在 LSTM 方法中通过状态 c和 h 进行传递。1Cost2CostCostn1y2yny1h2hnh1c2cnc1x2xnx0h1h1nh 图2LSTM展开结构图3实验结果本文选取 5 个特征量来区分各类电能质量扰动事件。取值单位为标么值，分别为：C1:幅值;C2:基频幅值曲线动态测度数，C3：高频点幅值曲线的极大值动态测度，C4:谐波总畸变率。将以上特征进行编码输入进神经网络中，在某 220 kV 变电站实际运行数据中注入失准数据构建数据集，各类样本的数据样本如表3所示。表3各类异常种类 异常种类样本数量暂升200暂降200中断200脉冲200震荡200谐波200闪变200异常分类的识别准确率如图 4 所示，实验证明相比于 MLP，本文所提方法可以有效实现电能质量的监测。图4实验结果图87大容量主变低压侧电能质量监测与设备选择分析第 52 卷2024 年第 2 期4设备选择策略 220 kV 变电站 10 kV 直供负荷方式目前已得到推广使用，尤其是在负荷较集中的经济枢纽地区。本文就设备选择的根本出发点是增加高压到低压的阻抗值。可以从以下几个方面来进行。1）选用高阻抗变压器或分列变压器理论和实践均证明，选用高阻抗变压器是降低短路水平较为直接和有效的方式，且价格增加不多，是较为常用的。还有另外一种分裂变压器，即将主变低压侧线圈分裂成两个电压相同容量相等的部分，同时达到降低短路电流和工作电流的目的，但因其制造复杂而价格较高、损耗高，在两段母线负荷不同时会造成两段母线电压不一致，所在电网中极少使用。2）主变进线侧增加限流电抗器在 220 kV 变电站主变低压侧出口处加装限流电抗器也是个行之有效的降低出口短路电流的方法。加装限流电抗器主要是以加大回路阻抗的方式降低短路电流。另外，装设了电抗器以后，在发生短路时，电抗器上的电压降较大，从而也起到了维持母线电压水平的作用，使母线上的电压波动较小，保证了非故障线路上的电气设备运行的稳定性。主变低压侧出口加装限流电抗器后的系统图如图 3 所示。图3主变低压侧出口加装限流电抗器3）主变低压侧采用双分支进线此方式的思路是“化整为零”，是指主变低压侧在进 10 kV 侧母线时，分为两个分支分别接入两段母线，两段母线各承担一半的低压侧负荷。接线原理图如图 4（其中分段可视具体情况决定是否配置）：图4主变低压侧采用双分支进线原理图4）从运行方式上降低短路电流水平为降低短路水平，220 kV 变电站内 10 kV侧首选分列运行方式。另外，由于 10 kV 配电网多采用“手拉手”环网供电方式，故在一台主变故障或检修时，该主变所带 10 kV 负荷既可以在站内转供、亦可选择由站外配电网络调节转供。以运行方式来限制 10 kV 侧的短路水平，并以此来确定站内 10 kV 设备的短路水平。5）从负荷侧工作情况反推低压侧工作电流进行设备选型设备额定电流的选择：比如 220 kV 主变容量为 180 MVA，10 kV 侧容量为 60 MVA，由前述可知主变进线回路需选用 4000 A 的设备。而 一 个 10 kV 负 荷 回 路，一 般 选 用 300 mm2的三芯电缆线路送出，其空气中的载流量约为 495 A，极限输送容量约为 8.6 MVA。按每台主变带 10 回出线负荷计算，总输送容量为86 MVA。考虑各回负荷满载的同时率系数为0.6，总输送容量为 51.6 MVA，以此来确定主变低压侧进线回路的最大工作电流为 2837 A，主变进线设备额定电流选 3150 A 即可。5结束语本文提出了一种基于 LSTM 的大容量主变低压侧电能质量监测方案与设备选择策略，通过分析证明如果能够采取合理的措施控制主（下转第91页）91新型湿法脱硫提效技术在火电厂超低改造实施的研究应用第 52 卷2024 年第 2 期4结束语本文针对石灰石-石膏湿法烟气脱硫装置脱硫效率低、除雾效率低等问题，一是通过增设内外双气旋结构的气液耦合器，大幅提升烟气与喷淋液碰撞的速度和频率，使烟气与喷淋液的吸收反应更加充分，在低能耗的情况下达到更优的脱硫和除尘效果；二是针对喷淋过程中产生的微小液滴去除效率很难达到超低排放要求的问题，将原有除雾器替换为多级气旋除尘除雾器，使其具有二次脱硫、防止除雾器结垢和喷水嘴防堵的功能。通过 168 h 试运行，各项指标均达到设计要求。参考文献1 中国生态环境部.2018中国生态环境状况公报R.北京.2019.2 鲍天恩.脱硫除尘一体化超低排放改造方案研究D.北京:华北电力大学,2016.3 张秀云,郑继成.国内外烟气脱硫技术综述J.电站系统工程,2010,026(004):1-2.4 韩博.脱硫除尘一体化超低排放技术改造在燃煤电厂中的应用研究D.北京:华北电力大学,2017.5 余昭,何育东,李兴华,等.石灰石-石膏法串联脱硫塔系统J.热力发电,2016,45(02):91-95.6 R.del Valle-Zermeo,M.Niub,J.Formosa,et al.Syne-rgistic effect of the parameters affecting wet flue gas desulfurization using magnesium oxides by-productsJ.Chemical Engineering Journal,2015,262:268-277.7 武宝会,李帅英,牛国平,等.燃煤机组烟气污染物协同脱除技术及应用J.热力发电,2017,46(11):103-107.8 齐亚兵,唐承卓,贾宏磊.工业烟气湿法脱硫技术的发展现状及研究新进展J.材料导报,2022,36(S1):88-96.收稿日期：2024-03-31作者简介：黄武凯，云南能投威信能源有限公司。变 10 kV 出口侧的工作电流和短路电流水平，220 kV/10 kV 变电站的建设既有利于节约变电站布点进而提高资源利用率，更有利于优化电网结构，尤其是对于高负荷密度的城区供电效果更为显著。参考文献1 220 kV变电站10 kV直供负荷的改善措施及其经济分析，中国电力2015(048)001.2 电力工程电气设计手册（电气一次部分），中国电力出版社.3 导体和电器选择设计规程（DL/T5222），国家能源局发布.4 一种提升城网220 kV变电站10 kV侧直供能力的方案，中国电力规划设计协会，2014 10.5 汪志才.大机组并网线路降压运行短路计算模型及经济性研究D.长沙:长沙理工大学,2021.DOI:10.26985/ki.gcsjc.2020.000230.6 罗克伟.提高主变安全和经济运行水平的有关措施J.水利科技,2000(03):57-59.7 龙启,杨方明,肖遥.变电站主变压器低压系统谐振分析J.南方电网技术,2014,8(05):11-14.DOI:10.13648/ki.issn1674-0629.2014.05.011.8 李时.基于大数据的电网设备台账对应准确度提升J.电力大数据，2018,21(11)：15-21.9 李轩,夏小晴.非线性负荷现场录波计量装置的研制及应用J.内蒙古电力技术,2022,40(02):62-67.DOI:10.19929/ki.nmgdljs.2022.0031.10 金伟民,王执宇.基于智能开关的配电网电能质量监测及负荷控制技术 J.电气技术与经济,2024,(02):125-127.11 武永强,张一帆,王宇强,等.基于分布式和微服务技术的电能质量监测系统设计与应用J.内蒙古电力技术,2023,41(06):84-89.12 徐倩.智能光伏并网电能质量波动自动化监测方法分析 J.中国高新科技,2023,(17):105-107.DOI:10.13535/ki.10-1507/n.2023.17.32.13 徐一方.基于智能物联电能表的电能质量监测模块设计D.华东师范大学,2023.DOI:10.27149/ki.ghdsu.2023.004738.收稿日期：2024-04-18作者简介：赵淑英（1971），女，研究方向为电气一次设计，高级工程师。（E-mail）。（上接第87页）