地區電網備自投在線投退控制策略的研究綜述

趙冰

摘 要：地區電網中，其連接一般為閉環結構，開環運行，正常運行時呈輻射狀結構，為彌補因電網開環運行后造成的供電可靠性的降低，往往在地區電網中裝設備用電源自動投入裝置BATS（Busbar Automatic Transfer Switch）。當電網發生故障導致母線停電時，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。目前地區電網110 kV變電站基本上都配置了備用電源自動投入裝置，從整個電網安全性角度出發，基于全網的實時運行數據，分析預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。

關鍵詞：地區電網 備自投 投退策略 在線

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

工業經濟和居民用電的快速增長，是得主變容量的擴展升級不能滿足負荷增長的需要，越來愈多的變電站正常運行時負荷超出單臺主變的容量，如變電站一路工作電源發生故障，備用電源自動投切，就可能出現單線路或單臺主變壓器承擔全站所有工作負荷的情況，易導致主變壓器過負荷運行，當監控不及時發現會一直長期運行，甚至可能引起主變嚴重過熱進而引起主變設備損壞，嚴重影響變電站供電的可靠性和主設備的安全。隨著國家電網智能電網建設的要求，對變電站二次設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容量達不到負荷功率、以及設備長期過負荷運行或電流閉鎖導致重要負荷失電等問題起到重要作用。

傳統的備自投裝置可以有效地提高供電的可靠性，實現原理相對較簡單，所以在發電廠、變電站和配電網絡中得到了廣泛的應用[1-8]。現有的常規備用電源自動投入裝置存在以下一些局限性。

（1）常規備自投裝置只考慮其所處廠站內的相關信息，對整個電網信息的利用有限，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主變容載比、線路的熱穩定極限等，如果負荷轉移之后備用電源側過載，則有可能引發連鎖跳閘事故，進一步導致故障擴大。

（3）常規備自投裝置只能根據所在廠站的運行參數、設備狀態參數確定其動作行為，動作邏輯固定，且只能適應特定的運行方式，當本站或電網運行方式變化時需要及時更改配置才能繼續發揮作用，因此其維護工作量較大。

因此，目前的常規備自投裝置已經無法滿足日益復雜的電網全局安全性的要求。從整個電網安全性角度出發，基于全網的實時運行數據，分析預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 研究現狀

地區電網在負荷高峰時，BATS的動作可能帶來備用電源側的過負荷[9]，因此，BATS投退控制應充分考慮遠方備用電源側主變的容載比、線路的熱穩定極限等約束條件。文獻[10]提出的“檢和流”過負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動作導致主變的過負荷問題，但它并不能從電網全局角度考慮備用電源側過載問題。文獻[12]為了解決這一問題，提出基于N-1準則的BATS投退控制策略，根據預想故障集中的一個N-1故障的相關備自投動作組合，進行潮流計算，找出無過載情況的動作組合，并求出最優備自投動作組合，從而確定備自投的投退狀態，即閉鎖或投入。該方法不能實時監測備用電源側的供電裕度。文獻[14]應用重復潮流法，實時在線評估備用電源側的可用供電能力，將所得結果作為備自投裝置動作與否的決策依據。但是在計算備用電源側最大供電能力時，假設負荷增長模式為按相同功率因數等比例增長，這種假設與實際情況不符合。電網中某一停電事故可能導致多個備自投動作，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[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中的位置建立了備自投實時分級矩陣模型，區分其上下級關系；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聯矩陣模型，給出預想故障與應動作備自投裝置之間的初步對應關系。在這兩個矩陣基礎上通過矩陣乘法設計了一種新的用以在線分析備自投投退組合的實時算法。常規的備自投裝置只利用本地信息來制定相應的動作策略，動作邏輯固定，只能適應特定的運行方式，為此文獻[15，16]提出基于能量管理系統（EMS）的廣域備自投控制系統，在控制中心建立廣域備自投模型，實現實時的恢復控制，該系統在信息獲取、控制策略形成和控制措施執行的整個過程中，綜合利用全網信息，實現備自投與安全穩定裝置的協調動作。另外，系統自動對控制策略和電網的安全性進行校核或調整，提高了備自投動作策略的安全性。這種將常規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，目前在電網中運行的常規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，引發連鎖故障的風險，需要結合全網運行數據，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，絕大多數電網還仍然在使用常規的備自投裝置。

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：一是多個備自投之間的組合以及上下級配合，針對該問題，通過建立連接關系的矩陣模型，通過備自投的實時關聯矩陣模型，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分析時，應充分考慮備用電源側的母線電壓以及元件熱穩定極限的影響，避免由于備自投的投入導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）備自投投退靜態安全的研究。

安全分析通常又被稱為“事故預想”，配電網中安全分析基于N-1準則，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，開斷系統的每一個網絡元件，對其進行潮流計算。電網的靜態安全分析主要基于N-1原則，備自投已成為地區電網靜態安全分析中必須考慮的因素。地區電網靜態安全分析的目的是對地區電網的安全性進行評估，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，目標是通過一種合理的分析方法得到備自投的投退狀態。需要對這兩種分析加以區分，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學模型。

在高壓配電網中，備自投動作以后，網絡拓撲結構將發生變化，系統將過渡到一新的接線方式運行，負荷會發生轉移。系統中各動態元件如發電機、調節系統、無功補償等對系統的穩定性起著重要的作用，數學模型必須能夠正確反映各個元件的動態特性，才能提高系統穩定分析的精確性。在分析備自投對電網運行狀態影響時，必須要考慮備自投的動作邏輯與備用電源在投入狀態下，是否滿足相應支路的功率和電壓約束極限，否則，分析的結果往往是直接甩負荷，這與電網實際情況不符。因此，建立有效的備用電源自動投入裝置的數學模型是進行投退策略分析的基礎。

（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拓撲結構的變化，在此基礎上進行大量的潮流計算就需要一種快速反應拓撲變化的拓撲處理方法。實際電網中存在多種擾動情況，在各種情況下，備用電源投入時電網的動態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，地區電網規模較大，不停的循環計算全網潮流會嚴重影響計算速度，因此如何根據拓撲關系的變化簡單快速的計算出拓撲改變后的潮流十分必要。

（4）備自投動作組合問題的研究。

在地區電網中，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象。因此，如何確定滿足條件的備自投動作的組合狀態，并篩選出最優備自投組合，是該課題的主要研究內容之一。

（5）上下級備自投動作配合問題的研究。

在輻射狀的配電網中，備自投存在上下級的關系，反映了備用元件（母線）之間一種上下關聯的拓撲關系。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，但在實際系統中，如果上一級的備自投動作能夠恢復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）開發在線的備自投投退決策系統。

根據研究的地區電網備自投投退控制策略，在EMS或SCADA數據的基礎上，開發在線的備自投投退決策系統。系統可以根據實時運行數據確定各N-1故障情況下備自投的閉鎖與投入狀態，從而制定電網備自投的投退方案。

3 結語

首先研究地區電網備自投在線投退控制的數學模型與算法，開發基于能量管理系

統（Energy Management System，EMS）

或數據采集與監視控制系統（Supervisory

Control And Data Acquisition，SCADA）的備自投在線投退控制決策系統，然后將此系統應用于地區電網，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發揮提高供電可靠性作用的同時，避免出現動作后造成主變、線路過載，引發連鎖故障的風險。

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