安穩(wěn)裝置控制策略研究

印桂林

（國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引 言

電力系統(tǒng)作為一種復(fù)雜的且龐大的自動化系統(tǒng)，具備裝機容量大、發(fā)輸變電形式多樣、電壓等級高、分布地域廣、交直流混合、構(gòu)成元件多以及保護動作快的特點，是一個非線性超高維的時變微分動力學(xué)系統(tǒng)[1，2]。電力在人們的日常生活中不可或缺，但是電網(wǎng)的復(fù)雜性給其運行管理帶來了很多困難。故障操作將影響電網(wǎng)的正常運行，造成部分電網(wǎng)解列，從而停電，甚至可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。因此，電網(wǎng)安穩(wěn)裝置（安穩(wěn)系統(tǒng)）作為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要防線，有必要研究其控制策略，以防止各種突發(fā)性事故沖擊電網(wǎng)，從而維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

1 安穩(wěn)裝置特點

一般而言，電力系統(tǒng)在運行過程中存在正常工作狀態(tài)、緊急預(yù)警狀態(tài)以及恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)3種不同的狀態(tài)。這3種狀態(tài)的關(guān)系可用圖1來表示。

圖1 電力系統(tǒng)工作狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換關(guān)系

當(dāng)安全狀態(tài)下的電力系統(tǒng)存在某一小的擾動干擾時，系統(tǒng)會從正常工作狀態(tài)轉(zhuǎn)入緊急預(yù)警狀態(tài)。這通常需要在正常運行狀態(tài)下調(diào)整系統(tǒng)工作點，以增大整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定儲備。自動勵磁調(diào)整裝置、切換線路以及調(diào)理發(fā)電機電壓等，可以使電力系統(tǒng)從警戒狀態(tài)轉(zhuǎn)為安全工作狀態(tài)，這種控制能力就是預(yù)防控制。

現(xiàn)代智能電力系統(tǒng)中，智能變電站是以安穩(wěn)系統(tǒng)為核心構(gòu)建的，其基本特征時通信網(wǎng)絡(luò)化和設(shè)備智能化的一體化協(xié)同運行與管理。傳統(tǒng)變電站中的安穩(wěn)裝置系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足要求日益嚴苛的現(xiàn)代變電站體系，因此有必要深入研究智能變電站條件下的新一代安全穩(wěn)定裝置，以提升現(xiàn)代電力系統(tǒng)的可靠性。綜合目前的技術(shù)問題，研究安穩(wěn)裝置需要解決的關(guān)鍵技術(shù)主要包含以下幾個方面。首先研究安穩(wěn)裝置系統(tǒng)的架構(gòu)方式。根據(jù)智能變電站的特點和安穩(wěn)裝置各個功能模塊的設(shè)置思路，實現(xiàn)裝置內(nèi)部功能模塊相互通信的一體化問題。其次研究智能電網(wǎng)的特性與構(gòu)成。為實現(xiàn)與智能變電站相適應(yīng)安穩(wěn)裝置的控制方法、設(shè)計結(jié)構(gòu)以及實現(xiàn)方案做出有效參考，并研發(fā)安穩(wěn)裝置在智能變電站中的控制措施和設(shè)置方案。再次針對現(xiàn)代電力系統(tǒng)大容量和高速數(shù)字化信息交互的實際要求，研究安穩(wěn)裝置之間和內(nèi)部的交互方式，用以建立基于交互式通信和光纖通信的信息交換平臺。開發(fā)安穩(wěn)裝置內(nèi)部基于計算機技術(shù)和電子通信技術(shù)的實用技術(shù)，支持高速和實時的數(shù)字化通信模塊。最后根據(jù)現(xiàn)代電力系統(tǒng)安穩(wěn)裝置的特性，研究相關(guān)的檢測手段和實驗平臺，以滿足現(xiàn)場調(diào)試和生產(chǎn)測試的基本需求，進一步研發(fā)大規(guī)模和高穩(wěn)定的安穩(wěn)裝置制造體系，給出數(shù)字信息化對安穩(wěn)裝置運行的影響，提出不同條件下安穩(wěn)裝置的差異化運維策略。

目前，電力系統(tǒng)的防御體系可分為3層，也就是通常所說的3道防線[3]。第1道防線中，電力系統(tǒng)利用預(yù)防性控制保持其安全性，并針對可能存在的極端情況留有系統(tǒng)裕度。當(dāng)發(fā)生突發(fā)性故障時，繼電保護裝置和電力系統(tǒng)固有的控制元件能準確地切斷電網(wǎng)中的故障元件，從而保障其他元件的正常工作。第2道防線為本文所述安穩(wěn)裝置，它可針對事先考慮的運行方式和故障形式，按照設(shè)定的控制策略，實施切斷負荷和局部解列部位等有效控制措施，以避免系統(tǒng)失去穩(wěn)定特性。第3道防線由電壓和頻率緊急控制裝置組成。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓失常、頻率異常以及失步振蕩等故障時，該控制裝置將迅速實施切斷負荷和解列等控制措施，以防止電力系統(tǒng)崩潰。

上述3道防線共同構(gòu)成了電力系統(tǒng)的自我防御體系，有效地保障了電網(wǎng)工作的安全穩(wěn)定運行。另外，在運行過程中需要具備電流和電壓等必要信號的獲取功能，以便于準確截取故障點。為了進行精準控制和安全保障，這類設(shè)備裝置還應(yīng)該能主動獲取線路故障信息并進行采集和存儲。電力系統(tǒng)一旦產(chǎn)生突發(fā)性故障，安穩(wěn)裝置將依據(jù)采集的信息準確判斷故障類型。這些故障一般包括近程采集和中遠距離搜集并發(fā)送接收的故障信號。原來整個系統(tǒng)的工作模式和主要電能傳輸部分的潮流大小可通過事先存儲在設(shè)備中已離線的穩(wěn)定值來進行分析求解，從而確定系統(tǒng)控制策略的制定，繼而達到需要截獲的安全穩(wěn)定保障功能，并獲取在采集后需要開展一定計算的關(guān)鍵故障參數(shù)。這涵蓋了控制模塊、自動檢測單元、負荷變化、開關(guān)管段以及電源調(diào)制等。

分布較小的區(qū)域電網(wǎng)體系在整個電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的角色作用，逐漸成為智能電網(wǎng)調(diào)理系統(tǒng)的核心機構(gòu)。近年來，區(qū)域電網(wǎng)靜態(tài)安全分析和其差異化調(diào)控策略被國內(nèi)外的研究學(xué)者們廣泛關(guān)注。多個學(xué)者針對該領(lǐng)域開展研究后，提出了相關(guān)控制策略與算法。在實際工程中需要遵循配電網(wǎng)靜態(tài)安全分析并考慮BATS的重要地位，從而方便運行人員精準地仿真出實際電力線路上的線路問題和故障。否則，整個系統(tǒng)只能通過直接甩掉負荷的方式來被動地保護其安全穩(wěn)定工作。

此外，由于區(qū)域供電系統(tǒng)在整個電力網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)重要地位，因此其安全分析方法也受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。目前，實際工程應(yīng)用中已經(jīng)廣泛認可在配電網(wǎng)靜態(tài)安全分析中應(yīng)用BATS設(shè)備的作用效果，以便于精準判斷電力系統(tǒng)中的線路故障。BATS設(shè)備中所采用的安全分析軟件也稱作K-1安全分析代碼。為進一步提升其對電力線路故障點的分析能力，可通過聯(lián)系開關(guān)設(shè)備動作和BATS工作狀態(tài)，將老式的K-1安全分析更改為新型的K-1+L。這里的K表示節(jié)點所對應(yīng)的號碼數(shù)，L是來自投票計數(shù)終端所輸入的值。另外，電力系統(tǒng)靜態(tài)安全性系統(tǒng)一般需通過嚴格的拓撲分析。

2 安穩(wěn)裝置控制策略

與電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定裝置配合的控制調(diào)理系統(tǒng)具有復(fù)雜多樣的一次主接線運行模式。因此，需要簡化分析其各種工作狀態(tài)，以獲取簡化模型。目前，安穩(wěn)裝置控制策略可以簡化為以下4種方式。

2.1 系統(tǒng)母線上的多段開關(guān)轉(zhuǎn)為斷路器的備用

在系統(tǒng)常規(guī)運行期間，兩條輸入線路開關(guān)將一直處于閉合狀態(tài)，母線分段開關(guān)作為輸入線路的備用開關(guān)之一。通過這種方式，可清晰地展現(xiàn)其工作原理。當(dāng)產(chǎn)生線路故障時，電源被迅速切斷，與之連接的控制開關(guān)中的電流也變?yōu)榱?。之后，和總線相連接的變電設(shè)備低壓一側(cè)的總線和中壓一側(cè)總線之間也會產(chǎn)生斷電動作。此外，對側(cè)線路充電行為發(fā)生后，將啟動BATS設(shè)備為總線供電。

2.2 系統(tǒng)母線分段開關(guān)用做變電設(shè)備的備用

正常運行中，主變電設(shè)備低壓一側(cè)的兩個開關(guān)處于閉合狀態(tài)，而母線的分段開關(guān)則保持在斷開狀態(tài)。分析其工作原理可知，線路產(chǎn)生一定故障時，必須對母線停止供電，與母線連接的變壓器開關(guān)及時變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，然后閉合母線的分段開關(guān)進行供電。

2.3 母線分段開關(guān)作為指定變電設(shè)備的備用

該條件下的工作原理與2.2所述的系統(tǒng)母線分段開關(guān)之間的不同之處在于，母線的分段開關(guān)僅用于指定的變壓器并發(fā)揮備用開關(guān)的作用，而不用于變電設(shè)備的開關(guān)。

2.4 兩個輸入線路開關(guān)與母線開關(guān)互為備用

在正常運行中，輸入線路開關(guān)或母線開關(guān)中的任意兩個閉合時，另一個處于準備狀態(tài)。如果將母線分段開關(guān)作為備用開關(guān)，則其工作原理與線路母線分段開關(guān)作為備用開關(guān)時的情形完全一致。另外，在與母線連接的變電設(shè)備中，若低壓側(cè)母線和中壓一側(cè)的母線與電源斷開，則輸入線路將接入電源，因此備用開關(guān)將閉合開始用以供電。

根據(jù)上述描述，近年來產(chǎn)生一種廣泛適用的K-1+L的方法，是一種基于二次拓撲的分析手段。該方法全面分析了各個區(qū)域供電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)安全性能。具體原理如下[4]。

先給每個組成部件建立一個對應(yīng)的編號，當(dāng)其中一個部件發(fā)生故障的時候開始進行拓撲分析，用來判斷故障組件之后其他設(shè)備是否將從充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換成為切斷狀態(tài)，并列出所有的故障點。然后利用BATS找出在當(dāng)前情況下故障組件的受損能耗，從而識別所有結(jié)果，開展拓撲分析用于后續(xù)的差異化安穩(wěn)分析。兩次拓撲方法的引入可以節(jié)省分析系統(tǒng)工作方式所消耗的時間。應(yīng)用這種方式需要供電系統(tǒng)進行不間斷的維護工作，是一種非常實用且高效迅速的手段。因此在穩(wěn)態(tài)安全的分析中常常利用二次拓撲的方法統(tǒng)籌分析系統(tǒng)，以適應(yīng)系統(tǒng)運行中的特殊需求。

3 結(jié) 論

電力系統(tǒng)的發(fā)展增加了整個電網(wǎng)運行維護的成本與難度，為保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行需要應(yīng)用先進可靠的安全穩(wěn)定系統(tǒng)和安穩(wěn)控制策略。通過研究電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定裝置的控制策略可知，優(yōu)化故障信息控制方式，提出穩(wěn)定高效的安穩(wěn)體系差異化控制策略并構(gòu)建相應(yīng)的安穩(wěn)系統(tǒng)，能有效確保安穩(wěn)系統(tǒng)對電網(wǎng)故障點的有效獲取，提高安穩(wěn)裝置工作的可靠性，進而為電力系統(tǒng)的安全運行提供有力保障。