地区电网备自投在线投退控制策略的研究综述

赵冰

摘 要：地区电网中，其连接一般为闭环结构，开环运行，正常运行时呈辐射状结构，为弥补因电网开环运行后造成的供电可靠性的降低，往往在地区电网中装设备用电源自动投入装置BATS（Busbar Automatic Transfer Switch）。当电网发生故障导致母线停电时，满足动作条件的BATS动作，合上备用电源给停电母线供电，从而提高供电可靠性。目前地区电网110 kV变电站基本上都配置了备用电源自动投入装置，从整个电网安全性角度出发，基于全网的实时运行数据，分析预想事故下备自投的动作后果，制定备自投装置的在线投退控制策略具有重要的意义。

关键词：地区电网 备自投 投退策略 在线

中图分类号：TM762 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（a）-0216-02

工业经济和居民用电的快速增长，是得主变容量的扩展升级不能满足负荷增长的需要，越来愈多的变电站正常运行时负荷超出单台主变的容量，如变电站一路工作电源发生故障，备用电源自动投切，就可能出现单线路或单台主变压器承担全站所有工作负荷的情况，易导致主变压器过负荷运行，当监控不及时发现会一直长期运行，甚至可能引起主变严重过热进而引起主变设备损坏，严重影响变电站供电的可靠性和主设备的安全。随着国家电网智能电网建设的要求，对变电站二次设备的功能提出了更高的要求，制定备自投在线投退策略对解决变电站单台主变容量达不到负荷功率、以及设备长期过负荷运行或电流闭锁导致重要负荷失电等问题起到重要作用。

传统的备自投装置可以有效地提高供电的可靠性，实现原理相对较简单，所以在发电厂、变电站和配电网络中得到了广泛的应用[1-8]。现有的常规备用电源自动投入装置存在以下一些局限性。

（1）常规备自投装置只考虑其所处厂站内的相关信息，对整个电网信息的利用有限，对备自投动作条件、闭锁条件等的考虑不够全面。

（2）常规备自投装置的备自投策略仅考虑了本地变电站母线电压或线路电流，而没考虑备用电源侧主变容载比、线路的热稳定极限等，如果负荷转移之后备用电源侧过载，则有可能引发连锁跳闸事故，进一步导致故障扩大。

（3）常规备自投装置只能根据所在厂站的运行参数、设备状态参数确定其动作行为，动作逻辑固定，且只能适应特定的运行方式，当本站或电网运行方式变化时需要及时更改配置才能继续发挥作用，因此其维护工作量较大。

因此，目前的常规备自投装置已经无法满足日益复杂的电网全局安全性的要求。从整个电网安全性角度出发，基于全网的实时运行数据，分析预想事故下备自投的动作后果，制定备自投装置的在线投退控制策略具有重要的意义。

1 研究现状

地区电网在负荷高峰时，BATS的动作可能带来备用电源侧的过负荷[9]，因此，BATS投退控制应充分考虑远方备用电源侧主变的容载比、线路的热稳定极限等约束条件。文献[10]提出的“检和流”过负荷闭锁方案是利用备用电源自投装置无电流判别的电流采集，在备自投装置原理上做一个允许条件，即采集两台主变电流和，其值需小于某一设定值（可由保护整定人员整定）备用电源自投装置才允许动作，即在备自投装置中设置“检合流闭锁”功能，防止备自投动作后带来的过载问题，这种方法虽然可以解决BATS动作导致主变的过负荷问题，但它并不能从电网全局角度考虑备用电源侧过载问题。文献[12]为了解决这一问题，提出基于N-1准则的BATS投退控制策略，根据预想故障集中的一个N-1故障的相关备自投动作组合，进行潮流计算，找出无过载情况的动作组合，并求出最优备自投动作组合，从而确定备自投的投退状态，即闭锁或投入。该方法不能实时监测备用电源侧的供电裕度。文献[14]应用重复潮流法，实时在线评估备用电源侧的可用供电能力，将所得结果作为备自投装置动作与否的决策依据。但是在计算备用电源侧最大供电能力时，假设负荷增长模式为按相同功率因数等比例增长，这种假设与实际情况不符合。电网中某一停电事故可能导致多个备自投动作，制定备自投的投退控制策略时要充分考虑多个备自投之间的组合以及上下级配合问题，文献[13]提出了两个全新矩阵模型，通过分析各备自投装置在电网中的位置建立了备自投实时分级矩阵模型，区分其上下级关系；通过分析故障元件位置与备自投装置动作特性建立了备自投实时关联矩阵模型，给出预想故障与应动作备自投装置之间的初步对应关系。在这两个矩阵基础上通过矩阵乘法设计了一种新的用以在线分析备自投投退组合的实时算法。常规的备自投装置只利用本地信息来制定相应的动作策略，动作逻辑固定，只能适应特定的运行方式，为此文献[15，16]提出基于能量管理系统（EMS）的广域备自投控制系统，在控制中心建立广域备自投模型，实现实时的恢复控制，该系统在信息获取、控制策略形成和控制措施执行的整个过程中，综合利用全网信息，实现备自投与安全稳定装置的协调动作。另外，系统自动对控制策略和电网的安全性进行校核或调整，提高了备自投动作策略的安全性。这种将常规的分散备自投装置的功能集中到控制中心，速度可能会受到影响。

总之，目前在电网中运行的常规备自投装置尽管在提高供电可靠性方面起到了很大作用，但也存在动作后造成主变、线路过载，引发连锁故障的风险，需要结合全网运行数据，对备自投动作后果进行分析，从而制定备自投装置投退控制策略，这方面的研究，虽然已取得了一些成果，但还不够成熟，还没有被广泛采用，绝大多数电网还仍然在使用常规的备自投装置。

2 备自投投退策略的研究

针对备自投总体投退策略主要从两方面出发：一是多个备自投之间的组合以及上下级配合，针对该问题，通过建立连接关系的矩阵模型，通过备自投的实时关联矩阵模型，确定在不同故障条件下备自投的动作组合；二是在投入备自投进行电力系统分析时，应充分考虑备用电源侧的母线电压以及元件热稳定极限的影响，避免由于备自投的投入导致故障的进一步扩大，针对以上两方面考虑，进而确定总体备自投投退策略。

（1）备自投投退静态安全的研究。

安全分析通常又被称为“事故预想”，配电网中安全分析基于N-1准则，即进行N-1扫描式的故障模拟和分析，按照N-1的原则对事先排定好的线路故障逐一排查，开断系统的每一个网络元件，对其进行潮流计算。电网的静态安全分析主要基于N-1原则，备自投已成为地区电网静态安全分析中必须考虑的因素。地区电网静态安全分析的目的是对地区电网的安全性进行评估，备自投只是其中的一个重要考虑因素。而备自投的控制策略中，目标是通过一种合理的分析方法得到备自投的投退状态。需要对这两种分析加以区分，通过针对备自投投入情况，制定出基于N-1的备自投投退控制策略。

（2）建立备用电源自动投入装置的数学模型。

在高压配电网中，备自投动作以后，网络拓扑结构将发生变化，系统将过渡到一新的接线方式运行，负荷会发生转移。系统中各动态元件如发电机、调节系统、无功补偿等对系统的稳定性起着重要的作用，数学模型必须能够正确反映各个元件的动态特性，才能提高系统稳定分析的精确性。在分析备自投对电网运行状态影响时，必须要考虑备自投的动作逻辑与备用电源在投入状态下，是否满足相应支路的功率和电压约束极限，否则，分析的结果往往是直接甩负荷，这与电网实际情况不符。因此，建立有效的备用电源自动投入装置的数学模型是进行投退策略分析的基础。

（3）计及备自投动作逻辑的潮流计算。

在备自投投退控制策略研究中，涉及大量的线路开断、备自投动作等不同形式的电网拓扑结构的变化，在此基础上进行大量的潮流计算就需要一种快速反应拓扑变化的拓扑处理方法。实际电网中存在多种扰动情况，在各种情况下，备用电源投入时电网的动态过程需进行不同的潮流仿真分析，备用电源的投入、备用电源的投入时间以及投入容量等因素在潮流计算中均需要考虑。另外，地区电网规模较大，不停的循环计算全网潮流会严重影响计算速度，因此如何根据拓扑关系的变化简单快速的计算出拓扑改变后的潮流十分必要。

（4）备自投动作组合问题的研究。

在地区电网中，往往会遇到一个N-1故障引起多个备自投动作的情况。若允许这些满足条件的备自投都动作，可能会造成电网中有些元件过载，但若对满足条件的备自投，合理的闭锁一些，而投入另一些的话，则可能就会消除过载现象。因此，如何确定满足条件的备自投动作的组合状态，并筛选出最优备自投组合，是该课题的主要研究内容之一。

（5）上下级备自投动作配合问题的研究。

在辐射状的配电网中，备自投存在上下级的关系，反映了备用元件（母线）之间一种上下关联的拓扑关系。对于某个故障，可能有多个备自投由于母线失电都满足动作条件，但在实际系统中，如果上一级的备自投动作能够恢复所有失电母线的供电，则下级的备自投就不必要动作。因此，在制定备自投的投退控制策略时要充分考虑多个备自投的上下级配合问题。

（6）开发在线的备自投投退决策系统。

根据研究的地区电网备自投投退控制策略，在EMS或SCADA数据的基础上，开发在线的备自投投退决策系统。系统可以根据实时运行数据确定各N-1故障情况下备自投的闭锁与投入状态，从而制定电网备自投的投退方案。

3 结语

首先研究地区电网备自投在线投退控制的数学模型与算法，开发基于能量管理系

统（Energy Management System，EMS）

或数据采集与监视控制系统（Supervisory

Control And Data Acquisition，SCADA）的备自投在线投退控制决策系统，然后将此系统应用于地区电网，在线制定备自投装置的投退控制策略，使得已安装的备自投装置在继续发挥提高供电可靠性作用的同时，避免出现动作后造成主变、线路过载，引发连锁故障的风险。

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