趙冰

摘 要：地區(qū)電網(wǎng)中，其連接一般為閉環(huán)結(jié)構(gòu)，開(kāi)環(huán)運(yùn)行，正常運(yùn)行時(shí)呈輻射狀結(jié)構(gòu)，為彌補(bǔ)因電網(wǎng)開(kāi)環(huán)運(yùn)行后造成的供電可靠性的降低，往往在地區(qū)電網(wǎng)中裝設(shè)備用電源自動(dòng)投入裝置BATS（Busbar Automatic Transfer Switch）。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致母線停電時(shí)，滿足動(dòng)作條件的BATS動(dòng)作，合上備用電源給停電母線供電，從而提高供電可靠性。目前地區(qū)電網(wǎng)110 kV變電站基本上都配置了備用電源自動(dòng)投入裝置，從整個(gè)電網(wǎng)安全性角度出發(fā)，基于全網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析預(yù)想事故下備自投的動(dòng)作后果，制定備自投裝置的在線投退控制策略具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：地區(qū)電網(wǎng) 備自投 投退策略 在線

中圖分類(lèi)號(hào)：TM762 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（a）-0216-02

工業(yè)經(jīng)濟(jì)和居民用電的快速增長(zhǎng)，是得主變?nèi)萘康臄U(kuò)展升級(jí)不能滿足負(fù)荷增長(zhǎng)的需要，越來(lái)愈多的變電站正常運(yùn)行時(shí)負(fù)荷超出單臺(tái)主變的容量，如變電站一路工作電源發(fā)生故障，備用電源自動(dòng)投切，就可能出現(xiàn)單線路或單臺(tái)主變壓器承擔(dān)全站所有工作負(fù)荷的情況，易導(dǎo)致主變壓器過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，當(dāng)監(jiān)控不及時(shí)發(fā)現(xiàn)會(huì)一直長(zhǎng)期運(yùn)行，甚至可能引起主變嚴(yán)重過(guò)熱進(jìn)而引起主變?cè)O(shè)備損壞，嚴(yán)重影響變電站供電的可靠性和主設(shè)備的安全。隨著國(guó)家電網(wǎng)智能電網(wǎng)建設(shè)的要求，對(duì)變電站二次設(shè)備的功能提出了更高的要求，制定備自投在線投退策略對(duì)解決變電站單臺(tái)主變?nèi)萘窟_(dá)不到負(fù)荷功率、以及設(shè)備長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷運(yùn)行或電流閉鎖導(dǎo)致重要負(fù)荷失電等問(wèn)題起到重要作用。

傳統(tǒng)的備自投裝置可以有效地提高供電的可靠性，實(shí)現(xiàn)原理相對(duì)較簡(jiǎn)單，所以在發(fā)電廠、變電站和配電網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-8]?，F(xiàn)有的常規(guī)備用電源自動(dòng)投入裝置存在以下一些局限性。

（1）常規(guī)備自投裝置只考慮其所處廠站內(nèi)的相關(guān)信息，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)信息的利用有限，對(duì)備自投動(dòng)作條件、閉鎖條件等的考慮不夠全面。

（2）常規(guī)備自投裝置的備自投策略僅考慮了本地變電站母線電壓或線路電流，而沒(méi)考慮備用電源側(cè)主變?nèi)葺d比、線路的熱穩(wěn)定極限等，如果負(fù)荷轉(zhuǎn)移之后備用電源側(cè)過(guò)載，則有可能引發(fā)連鎖跳閘事故，進(jìn)一步導(dǎo)致故障擴(kuò)大。

（3）常規(guī)備自投裝置只能根據(jù)所在廠站的運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)參數(shù)確定其動(dòng)作行為，動(dòng)作邏輯固定，且只能適應(yīng)特定的運(yùn)行方式，當(dāng)本站或電網(wǎng)運(yùn)行方式變化時(shí)需要及時(shí)更改配置才能繼續(xù)發(fā)揮作用，因此其維護(hù)工作量較大。

因此，目前的常規(guī)備自投裝置已經(jīng)無(wú)法滿足日益復(fù)雜的電網(wǎng)全局安全性的要求。從整個(gè)電網(wǎng)安全性角度出發(fā)，基于全網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析預(yù)想事故下備自投的動(dòng)作后果，制定備自投裝置的在線投退控制策略具有重要的意義。

1 研究現(xiàn)狀

地區(qū)電網(wǎng)在負(fù)荷高峰時(shí)，BATS的動(dòng)作可能帶來(lái)備用電源側(cè)的過(guò)負(fù)荷[9]，因此，BATS投退控制應(yīng)充分考慮遠(yuǎn)方備用電源側(cè)主變的容載比、線路的熱穩(wěn)定極限等約束條件。文獻(xiàn)[10]提出的“檢和流”過(guò)負(fù)荷閉鎖方案是利用備用電源自投裝置無(wú)電流判別的電流采集，在備自投裝置原理上做一個(gè)允許條件，即采集兩臺(tái)主變電流和，其值需小于某一設(shè)定值（可由保護(hù)整定人員整定）備用電源自投裝置才允許動(dòng)作，即在備自投裝置中設(shè)置“檢合流閉鎖”功能，防止備自投動(dòng)作后帶來(lái)的過(guò)載問(wèn)題，這種方法雖然可以解決BATS動(dòng)作導(dǎo)致主變的過(guò)負(fù)荷問(wèn)題，但它并不能從電網(wǎng)全局角度考慮備用電源側(cè)過(guò)載問(wèn)題。文獻(xiàn)[12]為了解決這一問(wèn)題，提出基于N-1準(zhǔn)則的BATS投退控制策略，根據(jù)預(yù)想故障集中的一個(gè)N-1故障的相關(guān)備自投動(dòng)作組合，進(jìn)行潮流計(jì)算，找出無(wú)過(guò)載情況的動(dòng)作組合，并求出最優(yōu)備自投動(dòng)作組合，從而確定備自投的投退狀態(tài)，即閉鎖或投入。該方法不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)備用電源側(cè)的供電裕度。文獻(xiàn)[14]應(yīng)用重復(fù)潮流法，實(shí)時(shí)在線評(píng)估備用電源側(cè)的可用供電能力，將所得結(jié)果作為備自投裝置動(dòng)作與否的決策依據(jù)。但是在計(jì)算備用電源側(cè)最大供電能力時(shí)，假設(shè)負(fù)荷增長(zhǎng)模式為按相同功率因數(shù)等比例增長(zhǎng)，這種假設(shè)與實(shí)際情況不符合。電網(wǎng)中某一停電事故可能導(dǎo)致多個(gè)備自投動(dòng)作，制定備自投的投退控制策略時(shí)要充分考慮多個(gè)備自投之間的組合以及上下級(jí)配合問(wèn)題，文獻(xiàn)[13]提出了兩個(gè)全新矩陣模型，通過(guò)分析各備自投裝置在電網(wǎng)中的位置建立了備自投實(shí)時(shí)分級(jí)矩陣模型，區(qū)分其上下級(jí)關(guān)系；通過(guò)分析故障元件位置與備自投裝置動(dòng)作特性建立了備自投實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)矩陣模型，給出預(yù)想故障與應(yīng)動(dòng)作備自投裝置之間的初步對(duì)應(yīng)關(guān)系。在這兩個(gè)矩陣基礎(chǔ)上通過(guò)矩陣乘法設(shè)計(jì)了一種新的用以在線分析備自投投退組合的實(shí)時(shí)算法。常規(guī)的備自投裝置只利用本地信息來(lái)制定相應(yīng)的動(dòng)作策略，動(dòng)作邏輯固定，只能適應(yīng)特定的運(yùn)行方式，為此文獻(xiàn)[15，16]提出基于能量管理系統(tǒng)（EMS）的廣域備自投控制系統(tǒng)，在控制中心建立廣域備自投模型，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的恢復(fù)控制，該系統(tǒng)在信息獲取、控制策略形成和控制措施執(zhí)行的整個(gè)過(guò)程中，綜合利用全網(wǎng)信息，實(shí)現(xiàn)備自投與安全穩(wěn)定裝置的協(xié)調(diào)動(dòng)作。另外，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)控制策略和電網(wǎng)的安全性進(jìn)行校核或調(diào)整，提高了備自投動(dòng)作策略的安全性。這種將常規(guī)的分散備自投裝置的功能集中到控制中心，速度可能會(huì)受到影響。

總之，目前在電網(wǎng)中運(yùn)行的常規(guī)備自投裝置盡管在提高供電可靠性方面起到了很大作用，但也存在動(dòng)作后造成主變、線路過(guò)載，引發(fā)連鎖故障的風(fēng)險(xiǎn)，需要結(jié)合全網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)備自投動(dòng)作后果進(jìn)行分析，從而制定備自投裝置投退控制策略，這方面的研究，雖然已取得了一些成果，但還不夠成熟，還沒(méi)有被廣泛采用，絕大多數(shù)電網(wǎng)還仍然在使用常規(guī)的備自投裝置。

2 備自投投退策略的研究

針對(duì)備自投總體投退策略主要從兩方面出發(fā)：一是多個(gè)備自投之間的組合以及上下級(jí)配合，針對(duì)該問(wèn)題，通過(guò)建立連接關(guān)系的矩陣模型，通過(guò)備自投的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)矩陣模型，確定在不同故障條件下備自投的動(dòng)作組合；二是在投入備自投進(jìn)行電力系統(tǒng)分析時(shí)，應(yīng)充分考慮備用電源側(cè)的母線電壓以及元件熱穩(wěn)定極限的影響，避免由于備自投的投入導(dǎo)致故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，針對(duì)以上兩方面考慮，進(jìn)而確定總體備自投投退策略。

（1）備自投投退靜態(tài)安全的研究。

安全分析通常又被稱為“事故預(yù)想”，配電網(wǎng)中安全分析基于N-1準(zhǔn)則，即進(jìn)行N-1掃描式的故障模擬和分析，按照N-1的原則對(duì)事先排定好的線路故障逐一排查，開(kāi)斷系統(tǒng)的每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)元件，對(duì)其進(jìn)行潮流計(jì)算。電網(wǎng)的靜態(tài)安全分析主要基于N-1原則，備自投已成為地區(qū)電網(wǎng)靜態(tài)安全分析中必須考慮的因素。地區(qū)電網(wǎng)靜態(tài)安全分析的目的是對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的安全性進(jìn)行評(píng)估，備自投只是其中的一個(gè)重要考慮因素。而備自投的控制策略中，目標(biāo)是通過(guò)一種合理的分析方法得到備自投的投退狀態(tài)。需要對(duì)這兩種分析加以區(qū)分，通過(guò)針對(duì)備自投投入情況，制定出基于N-1的備自投投退控制策略。

（2）建立備用電源自動(dòng)投入裝置的數(shù)學(xué)模型。

在高壓配電網(wǎng)中，備自投動(dòng)作以后，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，系統(tǒng)將過(guò)渡到一新的接線方式運(yùn)行，負(fù)荷會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移。系統(tǒng)中各動(dòng)態(tài)元件如發(fā)電機(jī)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)、無(wú)功補(bǔ)償?shù)葘?duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著重要的作用，數(shù)學(xué)模型必須能夠正確反映各個(gè)元件的動(dòng)態(tài)特性，才能提高系統(tǒng)穩(wěn)定分析的精確性。在分析備自投對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)影響時(shí)，必須要考慮備自投的動(dòng)作邏輯與備用電源在投入狀態(tài)下，是否滿足相應(yīng)支路的功率和電壓約束極限，否則，分析的結(jié)果往往是直接甩負(fù)荷，這與電網(wǎng)實(shí)際情況不符。因此，建立有效的備用電源自動(dòng)投入裝置的數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行投退策略分析的基礎(chǔ)。

（3）計(jì)及備自投動(dòng)作邏輯的潮流計(jì)算。

在備自投投退控制策略研究中，涉及大量的線路開(kāi)斷、備自投動(dòng)作等不同形式的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行大量的潮流計(jì)算就需要一種快速反應(yīng)拓?fù)渥兓耐負(fù)涮幚矸椒?。?shí)際電網(wǎng)中存在多種擾動(dòng)情況，在各種情況下，備用電源投入時(shí)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程需進(jìn)行不同的潮流仿真分析，備用電源的投入、備用電源的投入時(shí)間以及投入容量等因素在潮流計(jì)算中均需要考慮。另外，地區(qū)電網(wǎng)規(guī)模較大，不停的循環(huán)計(jì)算全網(wǎng)潮流會(huì)嚴(yán)重影響計(jì)算速度，因此如何根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系的變化簡(jiǎn)單快速的計(jì)算出拓?fù)涓淖兒蟮某绷魇直匾?/p>

（4）備自投動(dòng)作組合問(wèn)題的研究。

在地區(qū)電網(wǎng)中，往往會(huì)遇到一個(gè)N-1故障引起多個(gè)備自投動(dòng)作的情況。若允許這些滿足條件的備自投都動(dòng)作，可能會(huì)造成電網(wǎng)中有些元件過(guò)載，但若對(duì)滿足條件的備自投，合理的閉鎖一些，而投入另一些的話，則可能就會(huì)消除過(guò)載現(xiàn)象。因此，如何確定滿足條件的備自投動(dòng)作的組合狀態(tài)，并篩選出最優(yōu)備自投組合，是該課題的主要研究?jī)?nèi)容之一。

（5）上下級(jí)備自投動(dòng)作配合問(wèn)題的研究。

在輻射狀的配電網(wǎng)中，備自投存在上下級(jí)的關(guān)系，反映了備用元件（母線）之間一種上下關(guān)聯(lián)的拓?fù)潢P(guān)系。對(duì)于某個(gè)故障，可能有多個(gè)備自投由于母線失電都滿足動(dòng)作條件，但在實(shí)際系統(tǒng)中，如果上一級(jí)的備自投動(dòng)作能夠恢復(fù)所有失電母線的供電，則下級(jí)的備自投就不必要?jiǎng)幼?。因此，在制定備自投的投退控制策略時(shí)要充分考慮多個(gè)備自投的上下級(jí)配合問(wèn)題。

（6）開(kāi)發(fā)在線的備自投投退決策系統(tǒng)。

根據(jù)研究的地區(qū)電網(wǎng)備自投投退控制策略，在EMS或SCADA數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)在線的備自投投退決策系統(tǒng)。系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)確定各N-1故障情況下備自投的閉鎖與投入狀態(tài)，從而制定電網(wǎng)備自投的投退方案。

3 結(jié)語(yǔ)

首先研究地區(qū)電網(wǎng)備自投在線投退控制的數(shù)學(xué)模型與算法，開(kāi)發(fā)基于能量管理系

統(tǒng)（Energy Management System，EMS）

或數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory

Control And Data Acquisition，SCADA）的備自投在線投退控制決策系統(tǒng)，然后將此系統(tǒng)應(yīng)用于地區(qū)電網(wǎng)，在線制定備自投裝置的投退控制策略，使得已安裝的備自投裝置在繼續(xù)發(fā)揮提高供電可靠性作用的同時(shí)，避免出現(xiàn)動(dòng)作后造成主變、線路過(guò)載，引發(fā)連鎖故障的風(fēng)險(xiǎn)。

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