地區(qū)電網(wǎng)備自投在線投退控制策略的研究綜述

趙冰

摘 要：地區(qū)電網(wǎng)中，其連接一般為閉環(huán)結(jié)構(gòu)，開環(huán)運行，正常運行時呈輻射狀結(jié)構(gòu)，為彌補因電網(wǎng)開環(huán)運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，滿足動作條件的BATS動作，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投入裝置，從整個電網(wǎng)安全性角度出發(fā)，基于全網(wǎng)的實時運行數(shù)據(jù)，分析預(yù)想事故下備自投的動作后果，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

中圖分類號：TM762 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0216-02

工業(yè)經(jīng)濟和居民用電的快速增長，是得主變?nèi)萘康臄U展升級不能滿足負(fù)荷增長的需要，越來愈多的變電站正常運行時負(fù)荷超出單臺主變的容量，如變電站一路工作電源發(fā)生故障，備用電源自動投切，就可能出現(xiàn)單線路或單臺主變壓器承擔(dān)全站所有工作負(fù)荷的情況，易導(dǎo)致主變壓器過負(fù)荷運行，當(dāng)監(jiān)控不及時發(fā)現(xiàn)會一直長期運行，甚至可能引起主變嚴(yán)重過熱進而引起主變設(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。隨著國家電網(wǎng)智能電網(wǎng)建設(shè)的要求，對變電站二次設(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解決變電站單臺主變?nèi)萘窟_(dá)不到負(fù)荷功率、以及設(shè)備長期過負(fù)荷運行或電流閉鎖導(dǎo)致重要負(fù)荷失電等問題起到重要作用。

傳統(tǒng)的備自投裝置可以有效地提高供電的可靠性，實現(xiàn)原理相對較簡單，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，對整個電網(wǎng)信息的利用有限，對備自投動作條件、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)過載，則有可能引發(fā)連鎖跳閘事故，進一步導(dǎo)致故障擴大。

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

因此，目前的常規(guī)備自投裝置已經(jīng)無法滿足日益復(fù)雜的電網(wǎng)全局安全性的要求。從整個電網(wǎng)安全性角度出發(fā)，基于全網(wǎng)的實時運行數(shù)據(jù)，分析預(yù)想事故下備自投的動作后果，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，BATS的動作可能帶來備用電源側(cè)的過負(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”過負(fù)荷閉鎖方案是利用備用電源自投裝置無電流判別的電流采集，在備自投裝置原理上做一個允許條件，即采集兩臺主變電流和，其值需小于某一設(shè)定值（可由保護整定人員整定）備用電源自投裝置才允許動作，即在備自投裝置中設(shè)置“檢合流閉鎖”功能，防止備自投動作后帶來的過載問題，這種方法雖然可以解決BATS動作導(dǎo)致主變的過負(fù)荷問題，但它并不能從電網(wǎng)全局角度考慮備用電源側(cè)過載問題。文獻(xiàn)[12]為了解決這一問題，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N-1故障的相關(guān)備自投動作組合，進行潮流計算，找出無過載情況的動作組合，并求出最優(yōu)備自投動作組合，從而確定備自投的投退狀態(tài)，即閉鎖或投入。該方法不能實時監(jiān)測備用電源側(cè)的供電裕度。文獻(xiàn)[14]應(yīng)用重復(fù)潮流法，實時在線評估備用電源側(cè)的可用供電能力，將所得結(jié)果作為備自投裝置動作與否的決策依據(jù)。但是在計算備用電源側(cè)最大供電能力時，假設(shè)負(fù)荷增長模式為按相同功率因數(shù)等比例增長，這種假設(shè)與實際情況不符合。電網(wǎng)中某一停電事故可能導(dǎo)致多個備自投動作，制定備自投的投退控制策略時要充分考慮多個備自投之間的組合以及上下級配合問題，文獻(xiàn)[13]提出了兩個全新矩陣模型，通過分析各備自投裝置在電網(wǎng)中的位置建立了備自投實時分級矩陣模型，區(qū)分其上下級關(guān)系；通過分析故障元件位置與備自投裝置動作特性建立了備自投實時關(guān)聯(lián)矩陣模型，給出預(yù)想故障與應(yīng)動作備自投裝置之間的初步對應(yīng)關(guān)系。在這兩個矩陣基礎(chǔ)上通過矩陣乘法設(shè)計了一種新的用以在線分析備自投投退組合的實時算法。常規(guī)的備自投裝置只利用本地信息來制定相應(yīng)的動作策略，動作邏輯固定，只能適應(yīng)特定的運行方式，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，實現(xiàn)實時的恢復(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)行的整個過程中，綜合利用全網(wǎng)信息，實現(xiàn)備自投與安全穩(wěn)定裝置的協(xié)調(diào)動作。另外，系統(tǒng)自動對控制策略和電網(wǎng)的安全性進行校核或調(diào)整，提高了備自投動作策略的安全性。這種將常規(guī)的分散備自投裝置的功能集中到控制中心，速度可能會受到影響。

總之，目前在電網(wǎng)中運行的常規(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，但也存在動作后造成主變、線路過載，引發(fā)連鎖故障的風(fēng)險，需要結(jié)合全網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，對備自投動作后果進行分析，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

針對備自投總體投退策略主要從兩方面出發(fā)：一是多個備自投之間的組合以及上下級配合，針對該問題，通過建立連接關(guān)系的矩陣模型，通過備自投的實時關(guān)聯(lián)矩陣模型，確定在不同故障條件下備自投的動作組合；二是在投入備自投進行電力系統(tǒng)分析時，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)致故障的進一步擴大，針對以上兩方面考慮，進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，即進行N-1掃描式的故障模擬和分析，按照N-1的原則對事先排定好的線路故障逐一排查，開斷系統(tǒng)的每一個網(wǎng)絡(luò)元件，對其進行潮流計算。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地區(qū)電網(wǎng)的安全性進行評估，備自投只是其中的一個重要考慮因素。而備自投的控制策略中，目標(biāo)是通過一種合理的分析方法得到備自投的投退狀態(tài)。需要對這兩種分析加以區(qū)分，通過針對備自投投入情況，制定出基于N-1的備自投投退控制策略。

（2）建立備用電源自動投入裝置的數(shù)學(xué)模型。

在高壓配電網(wǎng)中，備自投動作以后，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，系統(tǒng)將過渡到一新的接線方式運行，負(fù)荷會發(fā)生轉(zhuǎn)移。系統(tǒng)中各動態(tài)元件如發(fā)電機、調(diào)節(jié)系統(tǒng)、無功補償?shù)葘ο到y(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元件的動態(tài)特性，才能提高系統(tǒng)穩(wěn)定分析的精確性。在分析備自投對電網(wǎng)運行狀態(tài)影響時，必須要考慮備自投的動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)實際情況不符。因此，建立有效的備用電源自動投入裝置的數(shù)學(xué)模型是進行投退策略分析的基礎(chǔ)。

（3）計及備自投動作邏輯的潮流計算。

在備自投投退控制策略研究中，涉及大量的線路開斷、備自投動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)上進行大量的潮流計算就需要一種快速反應(yīng)拓?fù)渥兓耐負(fù)涮幚矸椒?。實際電網(wǎng)中存在多種擾動情況，在各種情況下，備用電源投入時電網(wǎng)的動態(tài)過程需進行不同的潮流仿真分析，備用電源的投入、備用電源的投入時間以及投入容量等因素在潮流計算中均需要考慮。另外，地區(qū)電網(wǎng)規(guī)模較大，不停的循環(huán)計算全網(wǎng)潮流會嚴(yán)重影響計算速度，因此如何根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系的變化簡單快速的計算出拓?fù)涓淖兒蟮某绷魇直匾?/p>

（4）備自投動作組合問題的研究。

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

（5）上下級備自投動作配合問題的研究。

在輻射狀的配電網(wǎng)中，備自投存在上下級的關(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。對于某個故障，可能有多個備自投由于母線失電都滿足動作條件，但在實際系統(tǒng)中，如果上一級的備自投動作能夠恢復(fù)所有失電母線的供電，則下級的備自投就不必要動作。因此，在制定備自投的投退控制策略時要充分考慮多個備自投的上下級配合問題。

（6）開發(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，開發(fā)在線的備自投投退決策系統(tǒng)。系統(tǒng)可以根據(jù)實時運行數(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

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，避免出現(xiàn)動作后造成主變、線路過載，引發(fā)連鎖故障的風(fēng)險。

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