基于功率負(fù)荷自適應(yīng)的備自投實(shí)現(xiàn)方法

趙家慶，霍雪松，錢科軍，李 澄，陳 顥

(1.蘇州供電公司，江蘇 蘇州215004；2.江蘇省電力公司，江蘇 南京210024；3.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京211102)

隨著電網(wǎng)規(guī)模的快速發(fā)展、繼電保護(hù)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步及供電可靠性要求的提高，備用電源自投（簡(jiǎn)稱備自投）設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越普及。對(duì)其在變電站現(xiàn)場(chǎng)中作為備用電源自動(dòng)投入的功能要求也越來(lái)越完善[1-3]。工業(yè)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶動(dòng)了用電負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，變電站正常運(yùn)行時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)全站負(fù)荷常超出單臺(tái)主變?nèi)萘康默F(xiàn)象[4，5]。當(dāng)進(jìn)線線路或?qū)?cè)源端發(fā)生故障時(shí)，導(dǎo)致變電站一路進(jìn)線失電，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)2種情形：一是完成充電的備自投保護(hù)裝置將會(huì)啟動(dòng)，其動(dòng)作后可能出現(xiàn)單條線路或單臺(tái)主變壓器承擔(dān)全站所有工作負(fù)荷的情況，此時(shí)易導(dǎo)致主變過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，嚴(yán)重過(guò)負(fù)荷情況下甚至可引起主變過(guò)熱運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致絕緣降低、繞組擊穿、或發(fā)生內(nèi)部故障而損壞主變?cè)O(shè)備，進(jìn)而造成全站失電，嚴(yán)重影響變電站設(shè)備安全以及供電的可靠性。二是可能由于和電流閉鎖備自投而導(dǎo)致備自投無(wú)法完成充電，此時(shí)若失電則備自投不會(huì)啟動(dòng)。如失電前為雙進(jìn)線供電，可能會(huì)導(dǎo)致單母線分段的變電站一段母線上的負(fù)荷線路失電；如失電前為單線供電且負(fù)荷向小容量主變轉(zhuǎn)移時(shí)則可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的全站負(fù)荷線路失電情況。針對(duì)傳統(tǒng)備自投的不足進(jìn)行了分析，提出了基于功率負(fù)荷自適應(yīng)的備自投實(shí)現(xiàn)方法，在提升變電站的運(yùn)行穩(wěn)定性方面具有一定的實(shí)用性。

1 常規(guī)低壓備自投過(guò)負(fù)荷分析

1.1 分段備自投過(guò)負(fù)荷

分段備自投一次接線如圖1所示。若失電前出線總負(fù)荷超過(guò)任1臺(tái)主變額定容量，當(dāng)1條進(jìn)線失電時(shí)，會(huì)出現(xiàn)以下2種情形：

（1）不投入和電流閉鎖功能時(shí)，備自投可完成充電，1號(hào)/2號(hào)進(jìn)線失電時(shí)，備自投動(dòng)作會(huì)出現(xiàn)2號(hào)/1號(hào)主變承擔(dān)站內(nèi)所有出線負(fù)荷而發(fā)生主變過(guò)負(fù)荷運(yùn)行的情況。

（2）投入和電流閉鎖功能時(shí)，則無(wú)法完成充電，1號(hào)/號(hào)2進(jìn)線失電時(shí)，備自投拒動(dòng)，此時(shí)主變均不過(guò)負(fù)荷，但會(huì)出現(xiàn)一段母線失電而導(dǎo)致的失電母線上出線全失電的情形。

1.2 進(jìn)線備自投過(guò)負(fù)荷

進(jìn)線備自投一次接線如圖2所示。

若失電前1臺(tái)大容量主變帶全站負(fù)荷工作時(shí)（設(shè)1號(hào)/2號(hào)變?yōu)榇笕萘恐髯儯?，?dāng)大容量主變進(jìn)線失電時(shí)，會(huì)出現(xiàn)以下2種情形：

（1）不投入和電流閉鎖功能時(shí)，備自投可完成充電，1號(hào)/2號(hào)進(jìn)線失電時(shí)，備投動(dòng)作后小容量主變承擔(dān)站內(nèi)所有出線負(fù)荷時(shí)，小容量主變過(guò)負(fù)荷運(yùn)行。

（2）投入和電流閉鎖功能時(shí)，則無(wú)法完成充電，1號(hào)/2號(hào)進(jìn)線失電時(shí)，備自投拒動(dòng)，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)2段母線全失電而導(dǎo)致的母線上全部出線全失電。

1.3 常規(guī)備自投過(guò)負(fù)荷時(shí)動(dòng)作及影響

在上述2種工作方式下，如備自投動(dòng)作可能出現(xiàn)單臺(tái)主變壓器承擔(dān)站內(nèi)所有工作負(fù)荷，而導(dǎo)致主變過(guò)負(fù)荷工作。如過(guò)負(fù)荷倍數(shù)超出變壓器額定電流1.2倍以上則不能長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，否則由于內(nèi)部繞組的過(guò)熱，會(huì)加速絕緣老化、油氣分解，縮短主變?cè)O(shè)備的正常壽命，加速主變?cè)O(shè)備的更新?lián)Q代；長(zhǎng)時(shí)間嚴(yán)重過(guò)負(fù)荷導(dǎo)致的主變故障，將造成更大的經(jīng)濟(jì)損失，并嚴(yán)重影響供電可靠性[6，7]。

如備自投閉鎖可保障主變的安全運(yùn)行，但導(dǎo)致的失電會(huì)引起負(fù)荷電量的損失，重要企業(yè)負(fù)荷的失電同時(shí)也對(duì)用戶的生產(chǎn)造成損失，為供電部門造成不良影響。為挽回?fù)p失，常規(guī)的操作方法即通過(guò)監(jiān)控人員人工操作拉去部分次要線路負(fù)荷，及時(shí)恢復(fù)重要負(fù)荷的供電，必要時(shí)還需要到變電站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作，既費(fèi)時(shí)效率又低下。

針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種基于功率負(fù)荷自適應(yīng)的備自投實(shí)現(xiàn)方法，智能識(shí)別并靈活處理變電站中單臺(tái)主變?nèi)萘繜o(wú)法滿足負(fù)荷功率時(shí)，備自投動(dòng)作易造成備投主變長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷運(yùn)行或簡(jiǎn)單和電流閉鎖易導(dǎo)致重要負(fù)荷失電的問(wèn)題，并可滿足變電站接口復(fù)雜多樣的工程應(yīng)用需要。

2 基于功率負(fù)荷自適應(yīng)的備自投方案

基于功率負(fù)荷自適應(yīng)的備自投實(shí)現(xiàn)方案流程如圖3所示。該實(shí)現(xiàn)方案主要由負(fù)荷功率及遙信信息采集計(jì)算、按功率分布自適應(yīng)減載、自適應(yīng)備用電源自投三大功能部分和自適應(yīng)減載矩陣出口、備自投保護(hù)出口兩個(gè)控制部分組成。

2.1 負(fù)荷功率及遙信信息采集計(jì)算

負(fù)荷功率采集和計(jì)算，即通過(guò)采樣接口采集站內(nèi)負(fù)荷的二次電壓電流或功率，并折算到一次側(cè)，獲取負(fù)荷的實(shí)時(shí)功率，主要包括主變出線負(fù)功率荷和低壓出線負(fù)荷功率。

2.1.1 主變出線負(fù)荷功率計(jì)算

根據(jù)主變出線的電壓電流量，計(jì)算出主變出線部分的二次實(shí)時(shí)負(fù)荷功率，再折算出2臺(tái)主變出線的有功功率P1，P2和無(wú)功功率Q1，Q2。由此可以得出2臺(tái)主變此時(shí)的總負(fù)荷視在功率為：

2.1.2 低壓出線負(fù)荷功率計(jì)算

根據(jù)采集到需減載部分的低壓出線二次有功功率和無(wú)功功率，將其折算為一次功率。假設(shè)減載的輪次設(shè)置為n輪，可分別計(jì)算出第n輪需減載的負(fù)荷功率為：

式中：lx為減載線路間隔編號(hào)；m為各輪次選中將減載的出線間隔數(shù)量。

2.1.3 遙信信息采集

主變出線及分段斷路器位置、低壓出線間隔開關(guān)位置等遙信信息，可以采用傳統(tǒng)開關(guān)量、GOOSE遙信等多種方式進(jìn)行采集。

2.2 按功率分布自適應(yīng)減載

為了使備自投保護(hù)動(dòng)作后主變壓器能非過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，需在備投動(dòng)作前，根據(jù)站內(nèi)負(fù)荷功率分布情況，有選擇的減載部分低壓出線負(fù)荷。

假設(shè)減載輪次為2輪，依次將各輪次低壓出線總負(fù)荷功率按2輪減載的順序減去。

（1）減去1輪減載總負(fù)荷后系統(tǒng)負(fù)荷剩余為：

此時(shí)1輪減載后的視在功率為：

（2）減去1輪減載總負(fù)荷和2輪減載總負(fù)荷后系統(tǒng)負(fù)荷為：

此時(shí)1輪、2輪減載后的視在功率為：

假設(shè)2臺(tái)主變?nèi)萘糠謩e為S1，S2，將1輪減載后、2輪減載后的視在功率分別與主變?nèi)萘窟M(jìn)行比較，可得出以下結(jié)果：（1）如果功率SS1且St1S1，St1>S1且St2S1，St1>S1且St2>S1，說(shuō)明2輪負(fù)荷均減載后，站內(nèi)負(fù)荷仍然大于備投到主變一時(shí)的主變?nèi)萘浚瑒t閉鎖備自投功能。備投到主變二上時(shí)的減載判斷流程同上。

2.3 自適應(yīng)備用電源自動(dòng)投入

系統(tǒng)可根據(jù)主變出線電壓電流量、斷路器位置等各種運(yùn)行條件，自適應(yīng)選擇判斷備自投運(yùn)行在進(jìn)線備投方式或分段備投方式下。

2.4 減載矩陣及備自投出口控制

負(fù)荷減載及備自投保護(hù)的出口控制，可采用傳統(tǒng)的信號(hào)電纜回路或GOOSE網(wǎng)絡(luò)跳閘實(shí)現(xiàn)。為保證自適應(yīng)負(fù)荷減載的選擇性和靈活性，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有多輪次的線路出口選擇跳閘控制矩陣。即為全站每條線路的負(fù)荷切除提供了多輪次的控制選擇，在每個(gè)輪次中配有多路出口選擇開關(guān)，根據(jù)其負(fù)荷特性，每條線路的跳閘選擇可在不同輪次中選定或不選，也可自由選定在不同的輪次切除，或不切除。

實(shí)現(xiàn)方法如下：系統(tǒng)中設(shè)置了不少于2個(gè)負(fù)荷線路切除輪次，每輪次有多達(dá)32條線路的出口跳閘選擇矩陣，某一線路跳閘與自適應(yīng)負(fù)荷減載的外部接口（出口矩陣）對(duì)應(yīng)相關(guān)，切除負(fù)荷線路通過(guò)投運(yùn)相應(yīng)跳閘矩陣的控制字實(shí)現(xiàn)，控制字投退即可視為保護(hù)出口壓板的投退。

按輪次減載的線路間隔可根據(jù)低壓出線負(fù)荷的供電重要性進(jìn)行人工分級(jí)和設(shè)定，如最次要負(fù)荷在首輪中設(shè)置切除，次要負(fù)荷可在后一輪次中設(shè)置切除。一旦出線間隔的負(fù)荷性質(zhì)和重要性發(fā)生改變，則可通過(guò)修改減載矩陣實(shí)現(xiàn)其減載輪次的變化或減載控制退出，負(fù)荷線路減載的靈活性和選擇性得到充分保證。

3 工程應(yīng)用及可靠性優(yōu)化

3.1 保護(hù)電量采集方案比較

備自投系統(tǒng)需采集的保護(hù)電量信息有：（1）主變出線及分段間隔的電壓電流信息，作主變出線實(shí)時(shí)負(fù)荷功率和作備自投保護(hù)功能計(jì)算用。（2）低壓出線間隔的功率，以確定減載的負(fù)荷大小。

現(xiàn)對(duì)目前傳統(tǒng)/智能變電站電量采集方式[1]進(jìn)行對(duì)比分析。（1）用傳統(tǒng)CT（電流互感器）/PT（電壓互感器）接口方式采集。采用傳統(tǒng)的CT/PT接口形式采集主變出線及分段間隔的電壓電流方式較為常見。但出線路數(shù)較多時(shí)，接入的間隔數(shù)量有限，工程施工量大。（2）采用IEC 61850-9規(guī)約采集。主變出線及分段間隔的電壓電流采樣數(shù)據(jù)參與備自投功能實(shí)時(shí)計(jì)算，宜采用實(shí)時(shí)性高的IEC 61850-9規(guī)約形式以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式進(jìn)行采集。當(dāng)出線間隔的電壓電流數(shù)據(jù)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式接入時(shí)，備自投保護(hù)需要提供至少10～12路采樣值光纖接口，軟硬件實(shí)現(xiàn)難度很大；另外，每路出線間隔也需提供一路采樣值光纖輸出，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，工程實(shí)施難度大。（3）采用GOOSE規(guī)約方式采集。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求很高的主變出線及分段間隔的電壓電流，不能采用GOOSE規(guī)約方式進(jìn)行采集。

考慮到負(fù)荷功率為慢變化量，實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低，可以采用GOOSE報(bào)文的形式將出線間隔的有功、無(wú)功功率等模擬量傳至備自投裝置中。另外，GOOSE規(guī)約擴(kuò)展配置容易，工程實(shí)施簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)多路出線間隔負(fù)荷功率的信息傳輸。

3種保護(hù)電量采集方案對(duì)比如表1所示?，F(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)工程應(yīng)用需求選擇合理的保護(hù)電量采集方案。

表1 保護(hù)電量采集方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3.2 保護(hù)跳閘控制方案

現(xiàn)場(chǎng)的備自投保護(hù)動(dòng)作及減載跳閘方式應(yīng)根據(jù)工程應(yīng)用需求選擇，可采用傳統(tǒng)的信號(hào)電纜接入出線間隔跳閘回路中來(lái)實(shí)現(xiàn)，或采用基于GOOSE網(wǎng)絡(luò)的跳閘控制實(shí)現(xiàn)方案。減載控制的各輪次應(yīng)具有獨(dú)立的至少16路出口的減載跳閘控制矩陣，以靈活地滿足不同數(shù)量出線間隔、不同減載控制方案的應(yīng)用需求。

3.3 方案可靠性優(yōu)化

對(duì)方案的細(xì)節(jié)部分進(jìn)行了相應(yīng)的補(bǔ)充和優(yōu)化，提高了其動(dòng)作可靠性。

3.3.1 增加功率緩存記憶模塊

為了防止電源失電后主變出線和部分低壓出線的瞬時(shí)功率全為0，采集不到正常工作時(shí)負(fù)荷功率的情況，在備投邏輯中增加功率緩存記憶模塊，自動(dòng)記憶并鎖存失電前主變出線和低壓出線的負(fù)荷功率，防止因失電造成的功率計(jì)算錯(cuò)誤。

3.3.2 增加出線開關(guān)位置判別條件

為了防止GOOSE信號(hào)誤傳或通信異常等造成的出線功率計(jì)算錯(cuò)誤，增加出線開關(guān)位置判別條件。只有當(dāng)和功率同時(shí)傳送過(guò)來(lái)的斷路器位置為合位時(shí)，才能計(jì)算此路出線間隔的負(fù)荷功率，否則將負(fù)荷功率數(shù)據(jù)置0。

3.3.3 增加出線減載輪次校驗(yàn)功能

為了防止將同一出線間隔同時(shí)設(shè)置到減載1輪和2輪中，負(fù)荷功率被重復(fù)計(jì)算的問(wèn)題，在系統(tǒng)中增加了出線減載輪次校驗(yàn)功能。如果一出線間隔同時(shí)設(shè)置在減載1輪和2輪中時(shí)，則只在1輪減載負(fù)荷中進(jìn)行計(jì)算，在2輪中則不計(jì)算此功率。

3.3.4 增加出線跳閘校驗(yàn)功能

為了防止減載跳閘出口后，低壓出線間隔跳閘失敗，開關(guān)未分開而造成備自投動(dòng)作后主變?nèi)匀贿^(guò)負(fù)荷的異常情況，在系統(tǒng)中增加了出線跳閘校驗(yàn)功能?？稍谧赃m應(yīng)矩陣減載跳閘出口1～3 s后，校驗(yàn)低壓出線間隔返回的開關(guān)位置；如異常，則發(fā)出減載失敗告警，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要決定是否閉鎖備自投。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)備自投方法不足之處的分析研究，提出了基于功率負(fù)荷自適應(yīng)的備自投實(shí)現(xiàn)方法。根據(jù)工程應(yīng)用的特點(diǎn)，對(duì)部分實(shí)現(xiàn)方法作了比較分析，并對(duì)該方案工程實(shí)施細(xì)節(jié)作了優(yōu)化處理，提高了備自投保護(hù)的可靠性，降低了低壓備自投簡(jiǎn)單動(dòng)作易造成小容量主變長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷運(yùn)行或簡(jiǎn)單和電流閉鎖備自投易導(dǎo)致的全站失電的問(wèn)題，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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