安穩裝置控制策略研究

印桂林

（國電南瑞南京控制系統有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引 言

電力系統作為一種復雜的且龐大的自動化系統，具備裝機容量大、發輸變電形式多樣、電壓等級高、分布地域廣、交直流混合、構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系統[1，2]。電力在人們的日常生活中不可或缺，但是電網的復雜性給其運行管理帶來了很多困難。故障操作將影響電網的正常運行，造成部分電網解列，從而停電，甚至可能導致整個系統崩潰。因此，電網安穩裝置（安穩系統）作為保障電網安全穩定運行的重要防線，有必要研究其控制策略，以防止各種突發性事故沖擊電網，從而維持電力系統的穩定運行。

1 安穩裝置特點

一般而言，電力系統在運行過程中存在正常工作狀態、緊急預警狀態以及恢復穩定狀態3種不同的狀態。這3種狀態的關系可用圖1來表示。

圖1 電力系統工作狀態及其轉換關系

當安全狀態下的電力系統存在某一小的擾動干擾時，系統會從正常工作狀態轉入緊急預警狀態。這通常需要在正常運行狀態下調整系統工作點，以增大整個電力系統的安全穩定儲備。自動勵磁調整裝置、切換線路以及調理發電機電壓等，可以使電力系統從警戒狀態轉為安全工作狀態，這種控制能力就是預防控制。

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

目前，電力系統的防御體系可分為3層，也就是通常所說的3道防線[3]。第1道防線中，電力系統利用預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裕度。當發生突發性故障時，繼電保護裝置和電力系統固有的控制元件能準確地切斷電網中的故障元件，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裝置，它可針對事先考慮的運行方式和故障形式，按照設定的控制策略，實施切斷負荷和局部解列部位等有效控制措施，以避免系統失去穩定特性。第3道防線由電壓和頻率緊急控制裝置組成。當電網發生電壓失常、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，以防止電力系統崩潰。

上述3道防線共同構成了電力系統的自我防御體系，有效地保障了電網工作的安全穩定運行。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，這類設備裝置還應該能主動獲取線路故障信息并進行采集和存儲。電力系統一旦產生突發性故障，安穩裝置將依據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送接收的故障信號。原來整個系統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備中已離線的穩定值來進行分析求解，從而確定系統控制策略的制定，繼而達到需要截獲的安全穩定保障功能，并獲取在采集后需要開展一定計算的關鍵故障參數。這涵蓋了控制模塊、自動檢測單元、負荷變化、開關管段以及電源調制等。

分布較小的區域電網體系在整個電力系統中發揮著重要的角色作用，逐漸成為智能電網調理系統的核心機構。近年來，區域電網靜態安全分析和其差異化調控策略被國內外的研究學者們廣泛關注。多個學者針對該領域開展研究后，提出了相關控制策略與算法。在實際工程中需要遵循配電網靜態安全分析并考慮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，整個系統只能通過直接甩掉負荷的方式來被動地保護其安全穩定工作。

此外，由于區域供電系統在整個電力網絡中占據重要地位，因此其安全分析方法也受到學術界的廣泛關注。目前，實際工程應用中已經廣泛認可在配電網靜態安全分析中應用BATS設備的作用效果，以便于精準判斷電力系統中的線路故障。BATS設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，可通過聯系開關設備動作和BATS工作狀態，將老式的K-1安全分析更改為新型的K-1+L。這里的K表示節點所對應的號碼數，L是來自投票計數終端所輸入的值。另外，電力系統靜態安全性系統一般需通過嚴格的拓撲分析。

2 安穩裝置控制策略

與電力系統安全穩定裝置配合的控制調理系統具有復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，以獲取簡化模型。目前，安穩裝置控制策略可以簡化為以下4種方式。

2.1 系統母線上的多段開關轉為斷路器的備用

在系統常規運行期間，兩條輸入線路開關將一直處于閉合狀態，母線分段開關作為輸入線路的備用開關之一。通過這種方式，可清晰地展現其工作原理。當產生線路故障時，電源被迅速切斷，與之連接的控制開關中的電流也變為零。之后，和總線相連接的變電設備低壓一側的總線和中壓一側總線之間也會產生斷電動作。此外，對側線路充電行為發生后，將啟動BATS設備為總線供電。

2.2 系統母線分段開關用做變電設備的備用

正常運行中，主變電設備低壓一側的兩個開關處于閉合狀態，而母線的分段開關則保持在斷開狀態。分析其工作原理可知，線路產生一定故障時，必須對母線停止供電，與母線連接的變壓器開關及時變為斷開狀態，然后閉合母線的分段開關進行供電。

2.3 母線分段開關作為指定變電設備的備用

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

2.4 兩個輸入線路開關與母線開關互為備用

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

根據上述描述，近年來產生一種廣泛適用的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域供電系統的穩態安全性能。具體原理如下[4]。

先給每個組成部件建立一個對應的編號，當其中一個部件發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備是否將從充電狀態轉換成為切斷狀態，并列出所有的故障點。然后利用BATS找出在當前情況下故障組件的受損能耗，從而識別所有結果，開展拓撲分析用于后續的差異化安穩分析。兩次拓撲方法的引入可以節省分析系統工作方式所消耗的時間。應用這種方式需要供電系統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。因此在穩態安全的分析中常常利用二次拓撲的方法統籌分析系統，以適應系統運行中的特殊需求。

3 結 論

電力系統的發展增加了整個電網運行維護的成本與難度，為保障電力系統的安全穩定運行需要應用先進可靠的安全穩定系統和安穩控制策略。通過研究電力系統安全穩定裝置的控制策略可知，優化故障信息控制方式，提出穩定高效的安穩體系差異化控制策略并構建相應的安穩系統，能有效確保安穩系統對電網故障點的有效獲取，提高安穩裝置工作的可靠性，進而為電力系統的安全運行提供有力保障。