梁鑫鈺，李 偉，張 哲，李仲青，尹項(xiàng)根，郭雅蓉

(1.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué)), 湖北 武漢 430074；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192)

基于站域信息的備自投研究

梁鑫鈺1，李 偉2，張 哲1，李仲青2，尹項(xiàng)根1，郭雅蓉2

(1.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué)), 湖北 武漢 430074；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192)

為了提高備自投裝置的自適應(yīng)性，改善其性能，根據(jù)智能變電站的技術(shù)特點(diǎn)，提出一種基于站域信息的備自投構(gòu)建方法。該方法將整個(gè)變電站內(nèi)的備自投功能用一套裝置集中實(shí)現(xiàn)。通過(guò)構(gòu)建基礎(chǔ)備自投單元，并對(duì)其進(jìn)行信息配置和合理組合，可滿足不同接線方式下備自投的應(yīng)用要求。綜合利用支路開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息和電流信息，對(duì)變電站運(yùn)行方式進(jìn)行在線辨識(shí)，據(jù)此對(duì)備自投功能進(jìn)行調(diào)整，以提高備自投裝置的自適應(yīng)能力。此外，利用站域信息共享的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化站內(nèi)不同備自投間的配合，提高不同運(yùn)行工況下的備自投性能。數(shù)字仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性。

站域信息；備自投；通用性；自適應(yīng)；協(xié)調(diào)配合；過(guò)負(fù)荷聯(lián)切；分布式電源

0 引言

備自投是備用電源自動(dòng)投入裝置的簡(jiǎn)稱，是供配電網(wǎng)絡(luò)中的重要自動(dòng)裝置[1-2]。變電站接線方式多樣，運(yùn)行方式復(fù)雜，要求備自投對(duì)此具有良好的適應(yīng)能力。目前的主要做法是，根據(jù)主接線方式，配置不同的備自投裝置，導(dǎo)致備自投種類(lèi)繁多，成本較高，且不利于現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行維護(hù)[3-4]。當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行方式變化時(shí)，需要通過(guò)人工干預(yù)方式進(jìn)行調(diào)整，降低了裝置運(yùn)行的可靠性。此外，傳統(tǒng)備自投由于可獲取信息有限，導(dǎo)致其在過(guò)負(fù)荷聯(lián)切以及分布式電源接入等情況下的動(dòng)作性能存在不足，不能滿足實(shí)際需要，從而退出運(yùn)行[5-8]。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，以及 IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的頒布與實(shí)施，使得變電站繼電保護(hù)和控制系統(tǒng)可以利用的信息資源發(fā)生了顯著的變化，從而為改善和提高傳統(tǒng)備自投性能帶來(lái)了契機(jī)和條件[9-11]。國(guó)內(nèi)外針對(duì)備自投存在的問(wèn)題開(kāi)展了大量的研究工作。針對(duì)備自投的自適應(yīng)性問(wèn)題，文獻(xiàn)[12]提出了一種新的備自投自適應(yīng)建模方法，該方法將復(fù)雜的備自投模型分解，以減少模型設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。文獻(xiàn)[13]結(jié)合 IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)中變電站配置信息描述文件(SCD)，提出了“電氣島”的概念，利用新的拓?fù)浣Ｋ悸?，?shí)現(xiàn)備自投的自適應(yīng)性。此外，一些文獻(xiàn)針對(duì)備自投裝置在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題進(jìn)行研究[14-17]，但在各級(jí)備自投配合問(wèn)題、含分布式電源接入的備自投問(wèn)題等方面還需進(jìn)一步研究。

本文提出了一種站域備自投構(gòu)建方法，通過(guò)基礎(chǔ)備自投單元的合理配置以及運(yùn)行方式的在線辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型的備自投功能。利用站域信息共享的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步改善備自投的性能。最后，采用數(shù)字仿真方法，對(duì)所提出的站域備自投方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 站域備自投通用性的設(shè)計(jì)方案

站域備自投旨在通過(guò)一套備自投裝置實(shí)現(xiàn)整個(gè)變電站的備自投功能。由于實(shí)際備自投類(lèi)型復(fù)雜，因此，在站域備自投設(shè)計(jì)中，首先需要解決不同類(lèi)型備自投的統(tǒng)一構(gòu)建問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)備自投的通用性設(shè)計(jì)。

1.1 備自投典型接線方式分析

實(shí)際應(yīng)用中，備自投根據(jù)備用電源接入方式、電網(wǎng)運(yùn)行方式以及所控備投開(kāi)關(guān)的不同，分為進(jìn)線備自投、分段斷路器備自投和變壓器備自投等三種基本形式，并衍生出了多種復(fù)雜的工作模式。典型的備自投接線方式如圖1所示。

圖1 典型備自投接線方式Fig. 1 Typical connection mode of automatic bus transfer

根據(jù)上述備自投典型接線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在站域備自投系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將整個(gè)變電站不同形式的備自投視為由圖2所示的基礎(chǔ)備自投配置單元組合而成，通過(guò)備自投配置信息，形成所需的站域備自投的功能配置。

圖2 基礎(chǔ)備自投配置單元Fig. 2 Basic configuration unit of automatic bus transfer

1.2 站域備自投的通用性實(shí)現(xiàn)原理

站域備自投的實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示，首先，通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)備自投配置單元進(jìn)行信息配置，形成所需的備自投接線方式；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)各基礎(chǔ)備自投單元的組合搭配，實(shí)現(xiàn)整個(gè)變電站的備自投功能。

圖3 利用站域信息實(shí)現(xiàn)備自投原理Fig. 3 Principle of realize automatic bus transfer by using substation area information

每個(gè)基礎(chǔ)備自投單元所需配置信息根據(jù)其應(yīng)用特點(diǎn)分為變電站結(jié)構(gòu)配置信息、出線配置信息、模擬量通道號(hào)和開(kāi)關(guān)量通道號(hào)配置信息及其他配置信息等。

變電站結(jié)構(gòu)配置信息主要用于接線方式的獲取，其基本信息如表1所示。

表1 變電站結(jié)構(gòu)配置信息Table 1 Structure configuration information of substation

出線配置信息主要用于完成備自投過(guò)負(fù)荷聯(lián)切功能以及含分布式電源接入情況下的備自投功能。其中每條出線配置信息包括該出線的負(fù)荷重要程度、是否接入分布式電源等信息。

模擬量通道號(hào)用于獲取實(shí)現(xiàn)備自投功能所需的模擬量，這些模擬量主要包括進(jìn)線電流、進(jìn)線電壓、母線電壓、分段開(kāi)關(guān)電流及出線電流等。

開(kāi)關(guān)量通道號(hào)用于獲取備自投所需的開(kāi)關(guān)量狀態(tài)信息，并實(shí)現(xiàn)開(kāi)出控制，主要包括各個(gè)斷路器的開(kāi)入接點(diǎn)通道號(hào)、開(kāi)出接點(diǎn)通道號(hào)以及各保護(hù)動(dòng)作信號(hào)通道號(hào)等。

其他配置信息是實(shí)現(xiàn)備自投功能所需的相關(guān)信息，主要包括變壓器繞組容量、備自投動(dòng)作時(shí)間、充電時(shí)間等。

2 備自投自適應(yīng)性解決方案

當(dāng)備自投的接線方式確定以后，需要根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行方式來(lái)確定備自投的邏輯功能。此外，備自投在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)改變運(yùn)行方式，所以站域備自投需要具有工作方式在線辨識(shí)功能，不斷監(jiān)測(cè)每個(gè)備自投配置單元運(yùn)行方式的變化情況，以便實(shí)時(shí)調(diào)整備自投策略。在站域備自投設(shè)計(jì)中，可利用信息共享的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)支路電流信息和斷路器輔助接點(diǎn)位置信息之間的相互校核，提高運(yùn)行方式辨識(shí)的可靠性。

工作方式在線辨識(shí)方法具體步驟如下：

(1) 電流信息的可靠性判斷

采用電流信息輔助判斷斷路器狀態(tài)前，首先對(duì)電流信息的正確性進(jìn)行校驗(yàn)。其基本原理是，當(dāng)電流信息正確時(shí)，相關(guān)進(jìn)、出線電流瞬時(shí)值應(yīng)滿足基爾霍夫電流定律約束。若滿足，則認(rèn)為電流信息正確，可用于斷路器狀態(tài)的校核。否則，表明電流信息出錯(cuò)，不能用于斷路器狀態(tài)的輔助判斷。

當(dāng)電流信息校驗(yàn)通過(guò)時(shí)，若連續(xù)幾個(gè)電流采樣值低于無(wú)流門(mén)檻值時(shí)，則可認(rèn)為該支路斷開(kāi)，否則認(rèn)為支路導(dǎo)通。

(2) 斷路器運(yùn)行狀態(tài)辨識(shí)

當(dāng)斷路器的輔助接點(diǎn)位置信息為跳位時(shí)，若斷路器支路電流低于無(wú)流門(mén)檻值，則認(rèn)為斷路器處于開(kāi)斷狀態(tài)；若斷路器支路電流高于無(wú)流門(mén)檻值，則認(rèn)為斷路器輔助接點(diǎn)信息有誤，斷路器的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置為閉合(導(dǎo)通)狀態(tài)，并發(fā)出告警。

當(dāng)斷路器的輔助接點(diǎn)位置信息為合位時(shí)，若斷路器支路電流高于無(wú)流門(mén)檻值，則認(rèn)為斷路器處于導(dǎo)通狀態(tài)；若斷路器支路電流低于無(wú)流門(mén)檻值，此時(shí)有兩種情況：一是該進(jìn)線處于輕載狀態(tài)；二是說(shuō)明該斷路器輔助接點(diǎn)信息有誤。由于輕載情況下備自投對(duì)恢復(fù)供電實(shí)際意義不大，所以這種情況下暫時(shí)閉鎖備自投，并發(fā)出告警。

(3) 運(yùn)行方式自適應(yīng)調(diào)整方法

當(dāng)備自投單元各斷路器的運(yùn)行狀態(tài)確定后，可據(jù)此對(duì)備自投方式進(jìn)行在線調(diào)整。以圖2為例，假設(shè) Bin1-Bin5 分別表示圖中斷路器 B1-B5 的運(yùn)行狀態(tài)辨識(shí)結(jié)果，0 表示閉合，1 表示斷開(kāi)；con 為分段斷路器B5的配置信息，0表示無(wú)分段斷路器，1表示有分段斷路器器；兩條進(jìn)線 INPUT1、INPUT2 的運(yùn)行狀態(tài)用通斷變量表征，0表示導(dǎo)通，1表示斷開(kāi)。

根據(jù)分段斷路器配置信息 con 以及 Channel1、Channel2 和 Bin5 的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息可實(shí)現(xiàn)備自投運(yùn)行方式的自適應(yīng)調(diào)整。當(dāng)圖4所示的邏輯輸出為1時(shí)，則備自投工作在一主一備運(yùn)行方式。其中Channel1、Channel2 中值為 0 的，其對(duì)應(yīng)的進(jìn)線為主供進(jìn)線。

圖4 一主一備運(yùn)行方式判斷邏輯Fig. 4 Judgement logic of one-main and one-backup mode

當(dāng)圖5所示的邏輯輸出為1時(shí)，則備自投自動(dòng)切換成分段備投方式。

圖5 分段備投運(yùn)行方式判斷邏輯Fig. 5 Judgement logic of section breaker backup mode

3 利用站域信息改善備自投性能

3.1 不同電壓等級(jí)備自投協(xié)調(diào)配合策略

當(dāng)變電站各電壓等級(jí)均配置備自投時(shí)，原則上要求高壓側(cè)備自投先動(dòng)作，低壓側(cè)備自投后動(dòng)作。在傳統(tǒng)備自投方式中，由于高、低壓側(cè)備自投之間缺乏信息交互，只能通過(guò)延長(zhǎng)低壓備自投的動(dòng)作時(shí)間來(lái)滿足上述應(yīng)用要求。這種做法存在的主要問(wèn)題是，當(dāng)僅需低電備自投動(dòng)作時(shí)，其動(dòng)作時(shí)限較長(zhǎng)，影響供電的恢復(fù)速度。

在站域備自投中，由于各電壓等級(jí)的備自投功能集中配置，可通過(guò)實(shí)時(shí)判斷高、低壓備自投的動(dòng)作情況，對(duì)低壓備自投的動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行在線調(diào)整，以改善備自投性能。當(dāng)高壓備自投啟動(dòng)時(shí)，低壓備自投采用較長(zhǎng)的動(dòng)作時(shí)限；而高壓備自投未動(dòng)作，低壓備自投則自動(dòng)降低動(dòng)作時(shí)間，以加快供電恢復(fù)。低壓備自投的動(dòng)作邏輯如圖6所示。

圖6 低壓側(cè)備自投動(dòng)作邏輯Fig. 6 Action logic of low-voltage side automatic bus transfer

3.2 備自投過(guò)負(fù)荷聯(lián)切策略

兩個(gè)主變?nèi)萘坎幌嗤覀溆弥髯內(nèi)萘枯^小，或者在備自投動(dòng)作后運(yùn)行的主變的臺(tái)數(shù)減少的情況下，需要考慮備自投產(chǎn)生的過(guò)負(fù)荷情況。由于線路設(shè)計(jì)時(shí)通常考慮了一線帶兩變的情況，線路參數(shù)以及互感器參數(shù)都能滿足要求，所以一般不考慮線路過(guò)負(fù)荷情況[18]。對(duì)于備自投造成的變壓器過(guò)負(fù)荷問(wèn)題，一般可以采用靜態(tài)過(guò)負(fù)荷聯(lián)切和動(dòng)態(tài)過(guò)負(fù)荷聯(lián)切兩種解決方案。靜態(tài)過(guò)負(fù)荷聯(lián)切即是按預(yù)設(shè)切負(fù)荷方案，對(duì)負(fù)荷支路進(jìn)行投退控制。其原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，但可能導(dǎo)致過(guò)切問(wèn)題，造成不必要的負(fù)荷損失。動(dòng)態(tài)過(guò)負(fù)荷聯(lián)切方式可根據(jù)實(shí)際負(fù)荷情況，自動(dòng)調(diào)整切負(fù)荷支路，有助于提高供電可靠性。但該方式需要備自投裝置具有對(duì)變壓器及饋線負(fù)荷的在線監(jiān)測(cè)手段，以及對(duì)饋出線路聯(lián)切的控制手段，這在傳統(tǒng)備自投中實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為困難。動(dòng)態(tài)過(guò)負(fù)荷聯(lián)切功能在具有站域信息共享優(yōu)勢(shì)的智能變電站中實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較方便，同時(shí)也可以采用更為智能的過(guò)負(fù)荷聯(lián)切策略。按照負(fù)荷重要程度對(duì)負(fù)荷進(jìn)行分類(lèi)，優(yōu)先切除重要程度低的負(fù)荷，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出線功率，實(shí)現(xiàn)精確切負(fù)荷。

兩種方案均存在不足，預(yù)切負(fù)荷有可能過(guò)多的切掉負(fù)荷，例如某些電動(dòng)機(jī)在失電后會(huì)自動(dòng)退出運(yùn)行，相當(dāng)于自動(dòng)切除一部分負(fù)荷，而此時(shí)過(guò)負(fù)荷聯(lián)切程序并不知道有負(fù)荷會(huì)自動(dòng)退出運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致切掉過(guò)多的負(fù)荷；過(guò)負(fù)荷后聯(lián)切可以直觀的反應(yīng)過(guò)負(fù)荷情況，但是設(shè)備需要承受一定時(shí)間的過(guò)負(fù)荷，會(huì)對(duì)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生危害。

因此，針對(duì)不同的情況應(yīng)采取不同的聯(lián)切策略。對(duì)于一主一備運(yùn)行方式的備自投，由于兩臺(tái)主變?nèi)萘肯嗖畈粫?huì)很大，過(guò)負(fù)荷不會(huì)很?chē)?yán)重，可以采用備自投動(dòng)作后聯(lián)切負(fù)荷；對(duì)于分段備自投方式的備自投，由于工作變壓器由兩臺(tái)變?yōu)橐慌_(tái)，過(guò)負(fù)荷較多，可以采用預(yù)切負(fù)荷來(lái)防止過(guò)負(fù)荷。在站域備自投中，針對(duì)不同運(yùn)行方式采取不同的聯(lián)切負(fù)荷策略不僅可以減少過(guò)負(fù)荷對(duì)設(shè)備的危害，又可以有效降低預(yù)切負(fù)荷時(shí)過(guò)量切負(fù)荷。

3.3 含分布式電源接入的備自投策略

隨著分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，配電變電站接入分布式電源的情況日益增多，在此情況下，當(dāng)主供進(jìn)線發(fā)生短路故障并清除故障后，由于分布式電源的存在可能導(dǎo)致母線不會(huì)失壓或者緩慢失壓，傳統(tǒng)備自投采用檢無(wú)壓?jiǎn)?dòng)，會(huì)導(dǎo)致備自投裝置無(wú)法正常工作，影響供電可靠性。

為解決上述問(wèn)題，一種可行的解決方案是，當(dāng)出線含有分布式電源支路時(shí)，可利用進(jìn)線保護(hù)動(dòng)作信號(hào)啟動(dòng)備自投裝置。在斷開(kāi)主供線路后，首先檢定電壓、頻率能否滿足檢同期備投條件。當(dāng)滿足檢同期合閘條件則進(jìn)行檢同期備投；若在設(shè)定時(shí)間內(nèi)持續(xù)不滿足檢同期備投條件，則切除分布式電源支路，并進(jìn)行檢無(wú)壓備投，以使其它負(fù)荷支路恢復(fù)供電。上述方法可在保證供電可靠性的前提下，有效提高分布式電源的利用率。

含分布式電源接入情況下備供斷路器合閘邏輯如圖7所示。

圖7 含分布式電源接入時(shí)備供斷路器合閘邏輯Fig. 7 Logic of closing standby power circuit breaker with distributed generator

4 仿真實(shí)驗(yàn)

在 PSCAD 中對(duì)本文所述的站域備自投構(gòu)建方案進(jìn)行仿真分析。以圖8 所示 110 kV 變電站為例，來(lái)驗(yàn)證本文所提出的備自投方法。其中兩臺(tái)變壓器容量均為 40 MVA，4 條出線故障前的實(shí)時(shí)功率與負(fù)荷重要程度分別為 4.2 MVA，3 級(jí)；20.7 MVA，1級(jí)；8.4 MVA，2 級(jí)；16.5 MVA，3 級(jí)。

首先，通過(guò)配置信息和運(yùn)行方式的在線辨識(shí)，確定高、低壓側(cè)備自投的運(yùn)行方式。結(jié)果為該變電站高壓側(cè)備自投工作在一主一備的工作方式，低壓側(cè)備自投工作在互為備用方式。在整個(gè)系統(tǒng)正常工作時(shí)完成備自投的充電過(guò)程。

圖8 變電站接線方式Fig. 8 Connection mode of substation

圖9 點(diǎn)單相接地故障時(shí) 110 kV-I母各相電壓與備自投動(dòng)作信號(hào)Fig. 9 Three-phase voltage of 110 kV-I bus and action signal of automatic bus transfer when single-phase fault occurs in point k1

圖10 點(diǎn)兩相接地故障時(shí) 10 kV-I母各相電壓與備自投動(dòng)作信號(hào)Fig. 10 Three-phase voltage of 110 kV-I bus and action signal of automatic bus transfer when phase-phase to ground fault occurs in point

上述仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所提的站域備自投方案的可行性以及改善備自投策略的正確性。

5 結(jié)論

本文提出了基于站域信息的備自投的實(shí)現(xiàn)方法。該方法利用基礎(chǔ)站域備自投配置單元組合的方法實(shí)現(xiàn)備自投的通用性，通過(guò)運(yùn)行方式的在線辨識(shí)實(shí)現(xiàn)備自投的自適應(yīng)性，并且利用站域信息共享的優(yōu)勢(shì)，改善了備自投的性能。與此同時(shí)，該方法將整個(gè)變電站的備自投用一套備自投裝置實(shí)現(xiàn)，有助于降低設(shè)備成本，方便運(yùn)行維護(hù)，更好滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

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(編輯 張愛(ài)琴)

Automatic bus transfer based on substation area information

LIANG Xinyu1, LI Wei2, ZHANG Zhe1, LI Zhongqing2, YIN Xianggen1, GUO Yarong2
(1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

In order to improve the adaptability and performance of automatic bus transfer equipment, a method of automatic bus transfer based on substation area information is proposed according to the technical features of intelligent substation. Based on basic configuration unit of automatic bus transfer and its information configuration and reasonable combination, the automatic bus transfer equipment can meet the application requirements under various connection modes. Through using branch switch state information and current information, the operation mode of substation can be identified online. According to the result of online identification, the automatic bus transfer function is adjusted to improve the adaptability. In addition, the coordination between different automatic bus transfer and the performance of automatic bus transfer device can be improved by using the technical advantages of substation information sharing. The correctness of the method is verified by digital simulation.

substation area information; automatic bus transfer; universality; self-adaptive; coordination; overload cutoff; distributed generation

10.7667/PSPC201636

：2016-06-18

梁鑫鈺(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制；E-mail: 363083238@qq.com

李 偉(1983-)，男，博士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)；E-mail: liwei2@epri.sgcc.com.cn

張 哲(1962-)，男，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)與安全控制。E-mail: zz_mail2002@163.com

中國(guó)電力科學(xué)研究院項(xiàng)目(JBB51201502659)