安稳装置控制策略研究

印桂林

（国电南瑞南京控制系统有限公司，江苏 南京 211100）

0 引 言

电力系统作为一种复杂的且庞大的自动化系统，具备装机容量大、发输变电形式多样、电压等级高、分布地域广、交直流混合、构成元件多以及保护动作快的特点，是一个非线性超高维的时变微分动力学系统[1，2]。电力在人们的日常生活中不可或缺，但是电网的复杂性给其运行管理带来了很多困难。故障操作将影响电网的正常运行，造成部分电网解列，从而停电，甚至可能导致整个系统崩溃。因此，电网安稳装置（安稳系统）作为保障电网安全稳定运行的重要防线，有必要研究其控制策略，以防止各种突发性事故冲击电网，从而维持电力系统的稳定运行。

1 安稳装置特点

一般而言，电力系统在运行过程中存在正常工作状态、紧急预警状态以及恢复稳定状态3种不同的状态。这3种状态的关系可用图1来表示。

图1 电力系统工作状态及其转换关系

当安全状态下的电力系统存在某一小的扰动干扰时，系统会从正常工作状态转入紧急预警状态。这通常需要在正常运行状态下调整系统工作点，以增大整个电力系统的安全稳定储备。自动励磁调整装置、切换线路以及调理发电机电压等，可以使电力系统从警戒状态转为安全工作状态，这种控制能力就是预防控制。

现代智能电力系统中，智能变电站是以安稳系统为核心构建的，其基本特征时通信网络化和设备智能化的一体化协同运行与管理。传统变电站中的安稳装置系统已经无法满足要求日益严苛的现代变电站体系，因此有必要深入研究智能变电站条件下的新一代安全稳定装置，以提升现代电力系统的可靠性。综合目前的技术问题，研究安稳装置需要解决的关键技术主要包含以下几个方面。首先研究安稳装置系统的架构方式。根据智能变电站的特点和安稳装置各个功能模块的设置思路，实现装置内部功能模块相互通信的一体化问题。其次研究智能电网的特性与构成。为实现与智能变电站相适应安稳装置的控制方法、设计结构以及实现方案做出有效参考，并研发安稳装置在智能变电站中的控制措施和设置方案。再次针对现代电力系统大容量和高速数字化信息交互的实际要求，研究安稳装置之间和内部的交互方式，用以建立基于交互式通信和光纤通信的信息交换平台。开发安稳装置内部基于计算机技术和电子通信技术的实用技术，支持高速和实时的数字化通信模块。最后根据现代电力系统安稳装置的特性，研究相关的检测手段和实验平台，以满足现场调试和生产测试的基本需求，进一步研发大规模和高稳定的安稳装置制造体系，给出数字信息化对安稳装置运行的影响，提出不同条件下安稳装置的差异化运维策略。

目前，电力系统的防御体系可分为3层，也就是通常所说的3道防线[3]。第1道防线中，电力系统利用预防性控制保持其安全性，并针对可能存在的极端情况留有系统裕度。当发生突发性故障时，继电保护装置和电力系统固有的控制元件能准确地切断电网中的故障元件，从而保障其他元件的正常工作。第2道防线为本文所述安稳装置，它可针对事先考虑的运行方式和故障形式，按照设定的控制策略，实施切断负荷和局部解列部位等有效控制措施，以避免系统失去稳定特性。第3道防线由电压和频率紧急控制装置组成。当电网发生电压失常、频率异常以及失步振荡等故障时，该控制装置将迅速实施切断负荷和解列等控制措施，以防止电力系统崩溃。

上述3道防线共同构成了电力系统的自我防御体系，有效地保障了电网工作的安全稳定运行。另外，在运行过程中需要具备电流和电压等必要信号的获取功能，以便于准确截取故障点。为了进行精准控制和安全保障，这类设备装置还应该能主动获取线路故障信息并进行采集和存储。电力系统一旦产生突发性故障，安稳装置将依据采集的信息准确判断故障类型。这些故障一般包括近程采集和中远距离搜集并发送接收的故障信号。原来整个系统的工作模式和主要电能传输部分的潮流大小可通过事先存储在设备中已离线的稳定值来进行分析求解，从而确定系统控制策略的制定，继而达到需要截获的安全稳定保障功能，并获取在采集后需要开展一定计算的关键故障参数。这涵盖了控制模块、自动检测单元、负荷变化、开关管段以及电源调制等。

分布较小的区域电网体系在整个电力系统中发挥着重要的角色作用，逐渐成为智能电网调理系统的核心机构。近年来，区域电网静态安全分析和其差异化调控策略被国内外的研究学者们广泛关注。多个学者针对该领域开展研究后，提出了相关控制策略与算法。在实际工程中需要遵循配电网静态安全分析并考虑BATS的重要地位，从而方便运行人员精准地仿真出实际电力线路上的线路问题和故障。否则，整个系统只能通过直接甩掉负荷的方式来被动地保护其安全稳定工作。

此外，由于区域供电系统在整个电力网络中占据重要地位，因此其安全分析方法也受到学术界的广泛关注。目前，实际工程应用中已经广泛认可在配电网静态安全分析中应用BATS设备的作用效果，以便于精准判断电力系统中的线路故障。BATS设备中所采用的安全分析软件也称作K-1安全分析代码。为进一步提升其对电力线路故障点的分析能力，可通过联系开关设备动作和BATS工作状态，将老式的K-1安全分析更改为新型的K-1+L。这里的K表示节点所对应的号码数，L是来自投票计数终端所输入的值。另外，电力系统静态安全性系统一般需通过严格的拓扑分析。

2 安稳装置控制策略

与电力系统安全稳定装置配合的控制调理系统具有复杂多样的一次主接线运行模式。因此，需要简化分析其各种工作状态，以获取简化模型。目前，安稳装置控制策略可以简化为以下4种方式。

2.1 系统母线上的多段开关转为断路器的备用

在系统常规运行期间，两条输入线路开关将一直处于闭合状态，母线分段开关作为输入线路的备用开关之一。通过这种方式，可清晰地展现其工作原理。当产生线路故障时，电源被迅速切断，与之连接的控制开关中的电流也变为零。之后，和总线相连接的变电设备低压一侧的总线和中压一侧总线之间也会产生断电动作。此外，对侧线路充电行为发生后，将启动BATS设备为总线供电。

2.2 系统母线分段开关用做变电设备的备用

正常运行中，主变电设备低压一侧的两个开关处于闭合状态，而母线的分段开关则保持在断开状态。分析其工作原理可知，线路产生一定故障时，必须对母线停止供电，与母线连接的变压器开关及时变为断开状态，然后闭合母线的分段开关进行供电。

2.3 母线分段开关作为指定变电设备的备用

该条件下的工作原理与2.2所述的系统母线分段开关之间的不同之处在于，母线的分段开关仅用于指定的变压器并发挥备用开关的作用，而不用于变电设备的开关。

2.4 两个输入线路开关与母线开关互为备用

在正常运行中，输入线路开关或母线开关中的任意两个闭合时，另一个处于准备状态。如果将母线分段开关作为备用开关，则其工作原理与线路母线分段开关作为备用开关时的情形完全一致。另外，在与母线连接的变电设备中，若低压侧母线和中压一侧的母线与电源断开，则输入线路将接入电源，因此备用开关将闭合开始用以供电。

根据上述描述，近年来产生一种广泛适用的K-1+L的方法，是一种基于二次拓扑的分析手段。该方法全面分析了各个区域供电系统的稳态安全性能。具体原理如下[4]。

先给每个组成部件建立一个对应的编号，当其中一个部件发生故障的时候开始进行拓扑分析，用来判断故障组件之后其他设备是否将从充电状态转换成为切断状态，并列出所有的故障点。然后利用BATS找出在当前情况下故障组件的受损能耗，从而识别所有结果，开展拓扑分析用于后续的差异化安稳分析。两次拓扑方法的引入可以节省分析系统工作方式所消耗的时间。应用这种方式需要供电系统进行不间断的维护工作，是一种非常实用且高效迅速的手段。因此在稳态安全的分析中常常利用二次拓扑的方法统筹分析系统，以适应系统运行中的特殊需求。

3 结 论

电力系统的发展增加了整个电网运行维护的成本与难度，为保障电力系统的安全稳定运行需要应用先进可靠的安全稳定系统和安稳控制策略。通过研究电力系统安全稳定装置的控制策略可知，优化故障信息控制方式，提出稳定高效的安稳体系差异化控制策略并构建相应的安稳系统，能有效确保安稳系统对电网故障点的有效获取，提高安稳装置工作的可靠性，进而为电力系统的安全运行提供有力保障。