基于功率負荷自適應的備自投實現方法

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.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102)

隨著電網規模的快速發展、繼電保護相關技術的進步及供電可靠性要求的提高，備用電源自投（簡稱備自投）設備的應用越來越普及。對其在變電站現場中作為備用電源自動投入的功能要求也越來越完善[1-3]。工業、經濟的發展帶動了用電負荷的快速增長，變電站正常運行時，經常出現全站負荷常超出單臺主變容量的現象[4，5]。當進線線路或對側源端發生故障時，導致變電站一路進線失電，此時會出現2種情形：一是完成充電的備自投保護裝置將會啟動，其動作后可能出現單條線路或單臺主變壓器承擔全站所有工作負荷的情況，此時易導致主變過負荷運行，嚴重過負荷情況下甚至可引起主變過熱運行會導致絕緣降低、繞組擊穿、或發生內部故障而損壞主變設備，進而造成全站失電，嚴重影響變電站設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致備自投無法完成充電，此時若失電則備自投不會啟動。如失電前為雙進線供電，可能會導致單母線分段的變電站一段母線上的負荷線路失電；如失電前為單線供電且負荷向小容量主變轉移時則可能會發生嚴重的全站負荷線路失電情況。針對傳統備自投的不足進行了分析，提出了基于功率負荷自適應的備自投實現方法，在提升變電站的運行穩定性方面具有一定的實用性。

1 常規低壓備自投過負荷分析

1.1 分段備自投過負荷

分段備自投一次接線如圖1所示。若失電前出線總負荷超過任1臺主變額定容量，當1條進線失電時，會出現以下2種情形：

（1）不投入和電流閉鎖功能時，備自投可完成充電，1號/2號進線失電時，備自投動作會出現2號/1號主變承擔站內所有出線負荷而發生主變過負荷運行的情況。

（2）投入和電流閉鎖功能時，則無法完成充電，1號/號2進線失電時，備自投拒動，此時主變均不過負荷，但會出現一段母線失電而導致的失電母線上出線全失電的情形。

1.2 進線備自投過負荷

進線備自投一次接線如圖2所示。

若失電前1臺大容量主變帶全站負荷工作時（設1號/2號變為大容量主變），當大容量主變進線失電時，會出現以下2種情形：

（1）不投入和電流閉鎖功能時，備自投可完成充電，1號/2號進線失電時，備投動作后小容量主變承擔站內所有出線負荷時，小容量主變過負荷運行。

（2）投入和電流閉鎖功能時，則無法完成充電，1號/2號進線失電時，備自投拒動，此時會出現2段母線全失電而導致的母線上全部出線全失電。

1.3 常規備自投過負荷時動作及影響

在上述2種工作方式下，如備自投動作可能出現單臺主變壓器承擔站內所有工作負荷，而導致主變過負荷工作。如過負荷倍數超出變壓器額定電流1.2倍以上則不能長期過負荷運行，否則由于內部繞組的過熱，會加速絕緣老化、油氣分解，縮短主變設備的正常壽命，加速主變設備的更新換代；長時間嚴重過負荷導致的主變故障，將造成更大的經濟損失，并嚴重影響供電可靠性[6，7]。

如備自投閉鎖可保障主變的安全運行，但導致的失電會引起負荷電量的損失，重要企業負荷的失電同時也對用戶的生產造成損失，為供電部門造成不良影響。為挽回損失，常規的操作方法即通過監控人員人工操作拉去部分次要線路負荷，及時恢復重要負荷的供電，必要時還需要到變電站現場進行操作，既費時效率又低下。

針對上述問題，提出了一種基于功率負荷自適應的備自投實現方法，智能識別并靈活處理變電站中單臺主變容量無法滿足負荷功率時，備自投動作易造成備投主變長期過負荷運行或簡單和電流閉鎖易導致重要負荷失電的問題，并可滿足變電站接口復雜多樣的工程應用需要。

2 基于功率負荷自適應的備自投方案

基于功率負荷自適應的備自投實現方案流程如圖3所示。該實現方案主要由負荷功率及遙信信息采集計算、按功率分布自適應減載、自適應備用電源自投三大功能部分和自適應減載矩陣出口、備自投保護出口兩個控制部分組成。

2.1 負荷功率及遙信信息采集計算

負荷功率采集和計算，即通過采樣接口采集站內負荷的二次電壓電流或功率，并折算到一次側，獲取負荷的實時功率，主要包括主變出線負功率荷和低壓出線負荷功率。

2.1.1 主變出線負荷功率計算

根據主變出線的電壓電流量，計算出主變出線部分的二次實時負荷功率，再折算出2臺主變出線的有功功率P1，P2和無功功率Q1，Q2。由此可以得出2臺主變此時的總負荷視在功率為：

2.1.2 低壓出線負荷功率計算

根據采集到需減載部分的低壓出線二次有功功率和無功功率，將其折算為一次功率。假設減載的輪次設置為n輪，可分別計算出第n輪需減載的負荷功率為：

式中：lx為減載線路間隔編號；m為各輪次選中將減載的出線間隔數量。

2.1.3 遙信信息采集

主變出線及分段斷路器位置、低壓出線間隔開關位置等遙信信息，可以采用傳統開關量、GOOSE遙信等多種方式進行采集。

2.2 按功率分布自適應減載

為了使備自投保護動作后主變壓器能非過負荷運行，需在備投動作前，根據站內負荷功率分布情況，有選擇的減載部分低壓出線負荷。

假設減載輪次為2輪，依次將各輪次低壓出線總負荷功率按2輪減載的順序減去。

（1）減去1輪減載總負荷后系統負荷剩余為：

此時1輪減載后的視在功率為：

（2）減去1輪減載總負荷和2輪減載總負荷后系統負荷為：

此時1輪、2輪減載后的視在功率為：

假設2臺主變容量分別為S1，S2，將1輪減載后、2輪減載后的視在功率分別與主變容量進行比較，可得出以下結果：（1）如果功率SS1且St1S1，St1>S1且St2S1，St1>S1且St2>S1，說明2輪負荷均減載后，站內負荷仍然大于備投到主變一時的主變容量，則閉鎖備自投功能。備投到主變二上時的減載判斷流程同上。

2.3 自適應備用電源自動投入

系統可根據主變出線電壓電流量、斷路器位置等各種運行條件，自適應選擇判斷備自投運行在進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

負荷減載及備自投保護的出口控制，可采用傳統的信號電纜回路或GOOSE網絡跳閘實現。為保證自適應負荷減載的選擇性和靈活性，系統內設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荷切除提供了多輪次的控制選擇，在每個輪次中配有多路出口選擇開關，根據其負荷特性，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。

實現方法如下：系統中設置了不少于2個負荷線路切除輪次，每輪次有多達32條線路的出口跳閘選擇矩陣，某一線路跳閘與自適應負荷減載的外部接口（出口矩陣）對應相關，切除負荷線路通過投運相應跳閘矩陣的控制字實現，控制字投退即可視為保護出口壓板的投退。

按輪次減載的線路間隔可根據低壓出線負荷的供電重要性進行人工分級和設定，如最次要負荷在首輪中設置切除，次要負荷可在后一輪次中設置切除。一旦出線間隔的負荷性質和重要性發生改變，則可通過修改減載矩陣實現其減載輪次的變化或減載控制退出，負荷線路減載的靈活性和選擇性得到充分保證。

3 工程應用及可靠性優化

3.1 保護電量采集方案比較

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

現對目前傳統/智能變電站電量采集方式[1]進行對比分析。（1）用傳統CT（電流互感器）/PT（電壓互感器）接口方式采集。采用傳統的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。但出線路數較多時，接入的間隔數量有限，工程施工量大。（2）采用IEC 61850-9規約采集。主變出線及分段間隔的電壓電流采樣數據參與備自投功能實時計算，宜采用實時性高的IEC 61850-9規約形式以點對點的方式進行采集。當出線間隔的電壓電流數據采用點對點方式接入時，備自投保護需要提供至少10～12路采樣值光纖接口，軟硬件實現難度很大；另外，每路出線間隔也需提供一路采樣值光纖輸出，網絡復雜，工程實施難度大。（3）采用GOOSE規約方式采集。對于實時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規約方式進行采集。

考慮到負荷功率為慢變化量，實時性要求相對較低，可以采用GOOSE報文的形式將出線間隔的有功、無功功率等模擬量傳至備自投裝置中。另外，GOOSE規約擴展配置容易，工程實施簡單，易于實現多路出線間隔負荷功率的信息傳輸。

3種保護電量采集方案對比如表1所示。現場可根據工程應用需求選擇合理的保護電量采集方案。

表1 保護電量采集方案優缺點對比

3.2 保護跳閘控制方案

現場的備自投保護動作及減載跳閘方式應根據工程應用需求選擇，可采用傳統的信號電纜接入出線間隔跳閘回路中來實現，或采用基于GOOSE網絡的跳閘控制實現方案。減載控制的各輪次應具有獨立的至少16路出口的減載跳閘控制矩陣，以靈活地滿足不同數量出線間隔、不同減載控制方案的應用需求。

3.3 方案可靠性優化

對方案的細節部分進行了相應的補充和優化，提高了其動作可靠性。

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功率全為0，采集不到正常工作時負荷功率的情況，在備投邏輯中增加功率緩存記憶模塊，自動記憶并鎖存失電前主變出線和低壓出線的負荷功率，防止因失電造成的功率計算錯誤。

3.3.2 增加出線開關位置判別條件

為了防止GOOSE信號誤傳或通信異常等造成的出線功率計算錯誤，增加出線開關位置判別條件。只有當和功率同時傳送過來的斷路器位置為合位時，才能計算此路出線間隔的負荷功率，否則將負荷功率數據置0。

3.3.3 增加出線減載輪次校驗功能

為了防止將同一出線間隔同時設置到減載1輪和2輪中，負荷功率被重復計算的問題，在系統中增加了出線減載輪次校驗功能。如果一出線間隔同時設置在減載1輪和2輪中時，則只在1輪減載負荷中進行計算，在2輪中則不計算此功率。

3.3.4 增加出線跳閘校驗功能

為了防止減載跳閘出口后，低壓出線間隔跳閘失敗，開關未分開而造成備自投動作后主變仍然過負荷的異常情況，在系統中增加了出線跳閘校驗功能。可在自適應矩陣減載跳閘出口1～3 s后，校驗低壓出線間隔返回的開關位置；如異常，則發出減載失敗告警，并根據現場需要決定是否閉鎖備自投。

4 結束語

通過對傳統備自投方法不足之處的分析研究，提出了基于功率負荷自適應的備自投實現方法。根據工程應用的特點，對部分實現方法作了比較分析，并對該方案工程實施細節作了優化處理，提高了備自投保護的可靠性，降低了低壓備自投簡單動作易造成小容量主變長期過負荷運行或簡單和電流閉鎖備自投易導致的全站失電的問題，具有較強的實用性。

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