一種基于自適應(yīng)電網(wǎng)的備用電源自動(dòng)投入系統(tǒng)

一種基于自適應(yīng)電網(wǎng)的備用電源自動(dòng)投入系統(tǒng)

自動(dòng)電源輸入（以下簡(jiǎn)稱“自動(dòng)輸入”）設(shè)備是當(dāng)電壓源失敗引起的壓力損失時(shí)，可以自動(dòng)注入備用電源。現(xiàn)有備自投技術(shù)可分為就地備自投、遠(yuǎn)方備自投、區(qū)域備自投三類(lèi)。其中,就地備自投、遠(yuǎn)方備自投技術(shù)成熟且應(yīng)用較為廣泛隨著電網(wǎng)發(fā)展和供電可靠性要求的提高,供電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不局限于輻射狀或鏈?zhǔn)降墓╇娦问?多電源、多聯(lián)絡(luò)線的智能供電形式在電網(wǎng)運(yùn)行中越來(lái)越普遍1預(yù)備系統(tǒng)的智能區(qū)域結(jié)構(gòu)1.1區(qū)域主站和協(xié)調(diào)控制本文提出的智能區(qū)域備自投系統(tǒng)是由一個(gè)控制主站和多個(gè)控制子站組成的?？刂谱诱静杉菊镜拈_(kāi)關(guān)位置、電流電壓、母線供電負(fù)荷和可切負(fù)荷等信息并實(shí)時(shí)上送區(qū)域主站;控制主站收集各控制子站上送的信息,自動(dòng)識(shí)別電網(wǎng)拓?fù)洳⑦M(jìn)行在線決策?？刂浦髡揪邆鋮f(xié)調(diào)控制功能,可自動(dòng)識(shí)別失壓區(qū)域、在線決策備自投控制方案;控制子站具備協(xié)控命令就地判別本地備自投等站域控制功能當(dāng)區(qū)域系統(tǒng)正常工作時(shí),所有站點(diǎn)均加入?yún)f(xié)調(diào)控制,實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)的備自投控制;當(dāng)區(qū)域系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí),各站點(diǎn)仍具有獨(dú)立的站域控制功能,保證最基本的本地備自投功能。1.2區(qū)域自投動(dòng)作控制設(shè)計(jì)對(duì)于分層系統(tǒng)來(lái)說(shuō),當(dāng)本地控制與協(xié)調(diào)控制均有效時(shí),兩層功能如何協(xié)調(diào)相當(dāng)關(guān)鍵。由于不論是本地備自投還是區(qū)域備自投,在滿足自投啟動(dòng)條件后,都要經(jīng)延時(shí)才能動(dòng)作,因此可設(shè)定本地自投的動(dòng)作延時(shí)值大于區(qū)域自投動(dòng)作延時(shí)值,從而使區(qū)域備自投動(dòng)作能夠先于本地備自投。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),若區(qū)域備自投動(dòng)作成功,則失壓區(qū)域電壓恢復(fù),各站本地備自投啟動(dòng)條件將自動(dòng)返回;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生通道中斷、開(kāi)關(guān)位置校驗(yàn)錯(cuò)等異常情況時(shí),協(xié)調(diào)控制自動(dòng)退出運(yùn)行,區(qū)域電網(wǎng)僅本地控制功能有效。例如某失壓事件發(fā)生后,子站A和子站B均有可用備投點(diǎn),主站依據(jù)邏輯判斷出控制方案為子站A備投裝置動(dòng)作,子站B不動(dòng)作,系統(tǒng)雙層之間的協(xié)調(diào)機(jī)制流程如圖2所示。2技術(shù)原理介紹本文提出的智能區(qū)域備自投系統(tǒng)可以適應(yīng)復(fù)雜網(wǎng)架,具備綜合控制、區(qū)域恢復(fù)、選擇配合、寬泛適應(yīng)的功能,主要通過(guò)自適應(yīng)控制和在線決策兩大核心技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了形象闡述核心技術(shù)的原理,本文以仁懷電網(wǎng)為例進(jìn)行說(shuō)明。仁懷電網(wǎng)是一個(gè)典型的多聯(lián)絡(luò)線、多電源的非鏈?zhǔn)焦╇娋W(wǎng)絡(luò),其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖3所示。網(wǎng)架中存在3個(gè)電源點(diǎn):220kV元村主變壓器、110kV金五(金沙—五馬)線和110kV桐元(桐梓—元村)線。為了避免一般事故的風(fēng)險(xiǎn)以及高低壓電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行,正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)運(yùn)行,分為五冠(五馬—冠英)、中樞、茅臺(tái)三個(gè)供電片區(qū),由金五線供電五馬、冠英站,元村主變壓器供電中樞站、茅臺(tái)站2M,桐元線供電茅臺(tái)站1M和火石站。2.1網(wǎng)絡(luò)線的在線對(duì)接自適應(yīng)控制技術(shù)能夠使智能區(qū)域備自投在給定網(wǎng)架的基礎(chǔ)上自動(dòng)適應(yīng)任意電網(wǎng)接線方式,自動(dòng)識(shí)別任意范圍的失壓區(qū)域及相應(yīng)的可用備投點(diǎn),而無(wú)需人工預(yù)定備自投控制方案或策略。自適應(yīng)控制技術(shù)具體包含三個(gè)層面的自動(dòng)控制功能:自動(dòng)適應(yīng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、自動(dòng)識(shí)別失壓區(qū)域和自動(dòng)識(shí)別可用備投點(diǎn)。2.1.1自適應(yīng)電網(wǎng)的選擇系統(tǒng)的控制子站采集本站的開(kāi)關(guān)位置并上送給主站,控制主站在給定的網(wǎng)架基礎(chǔ)上能夠據(jù)此實(shí)時(shí)判斷區(qū)域內(nèi)所有斷路器及其隔離開(kāi)關(guān)的位置狀態(tài),建立網(wǎng)架的實(shí)時(shí)拓?fù)湫畔?因此可以自適應(yīng)電網(wǎng)的任意接線方式。以仁懷電網(wǎng)為例,為了平衡各電源點(diǎn)的負(fù)荷水平,仁懷電網(wǎng)的分區(qū)供電范圍會(huì)根據(jù)實(shí)際負(fù)荷水平及運(yùn)行情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,故各個(gè)分區(qū)之間存在多個(gè)可能的開(kāi)斷點(diǎn)或熱備用點(diǎn)。每種開(kāi)環(huán)方案的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、主備電源關(guān)系均不相同,常規(guī)備自投裝置很難滿足其所有開(kāi)環(huán)方案的要求,而智能區(qū)域備自投具備較強(qiáng)的系統(tǒng)適應(yīng)性,能夠在各種運(yùn)行方式下自動(dòng)識(shí)別網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?降低對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行條件的約束和控制功能的局限性,大大減少了調(diào)度運(yùn)行人員的工作量。2.1.2自動(dòng)識(shí)別模型系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?duì)母線所有相鄰開(kāi)關(guān)的位置狀態(tài)做組合邏輯計(jì)算,識(shí)別出哪些母線處于失壓狀態(tài),從而找到故障引起的失壓區(qū)域以仁懷電網(wǎng)為例,圖3中定義斷路器斷開(kāi)邏輯值為0,閉合邏輯值為1,采用斷路器邏輯變量組成判別表達(dá)式,表達(dá)式結(jié)果為0表示母線為失壓狀態(tài),為1表示母線為聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)。2.1.3更好的可用備投點(diǎn)當(dāng)系統(tǒng)判斷出失壓區(qū)域后,可通過(guò)對(duì)失壓區(qū)域邏輯表達(dá)式中的可備投開(kāi)關(guān)位置變量置位后進(jìn)行邏輯計(jì)算,識(shí)別出該失壓區(qū)域有哪些可用備投點(diǎn)。定義上一步得到的失壓區(qū)域表達(dá)式為F(N),其中N代表區(qū)域可備投點(diǎn)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。依次將每個(gè)可備投開(kāi)關(guān)的位置變量設(shè)為合位狀態(tài)代入表達(dá)式進(jìn)行失壓區(qū)域判斷,若結(jié)果為聯(lián)網(wǎng)則表明該可備投開(kāi)關(guān)為該失壓區(qū)域的備投點(diǎn);若結(jié)果均不為聯(lián)網(wǎng)則表明該失壓區(qū)域無(wú)可用備投點(diǎn)。若失壓區(qū)域存在多個(gè)可備投開(kāi)關(guān)的情況,系統(tǒng)還將對(duì)每個(gè)備投方案進(jìn)行優(yōu)化和防誤判斷。2.2備自投控制策略在線決策技術(shù)能夠使備自投從失壓區(qū)域的多個(gè)可用備投點(diǎn)中自動(dòng)選擇效果最優(yōu)的備投點(diǎn),在線預(yù)判備自投動(dòng)作是否需要切負(fù)荷,自動(dòng)識(shí)別有效切負(fù)荷點(diǎn)和需切量,依據(jù)設(shè)計(jì)原則在線決策出最優(yōu)的備自投控制方案,其控制對(duì)象主要包括負(fù)荷和備投點(diǎn)。2.2.1過(guò)負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致的供電能力低下備自投動(dòng)作后,負(fù)荷由一個(gè)電源轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電源,當(dāng)電網(wǎng)供電能力不足時(shí),易引起備用側(cè)系統(tǒng)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行,嚴(yán)重時(shí)將引起保護(hù)跳閘、擴(kuò)大停電范圍,不利于提高電力系統(tǒng)的供電可靠性負(fù)荷控制決策分為兩步:首先需判別備用側(cè)網(wǎng)絡(luò)的供電能力是否滿足失壓區(qū)域負(fù)荷轉(zhuǎn)供要求;若需要進(jìn)行負(fù)荷控制,則需對(duì)有效切負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序,按最小過(guò)切原則自動(dòng)進(jìn)行切荷點(diǎn)選擇,并計(jì)算需切負(fù)荷量2.2.1.備自投控制轉(zhuǎn)供能力判別電網(wǎng)的供電能力主要受限于元件的熱穩(wěn)定性,當(dāng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)確定后,根據(jù)元件熱穩(wěn)定性限值很容易得到對(duì)應(yīng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的供電能力值,進(jìn)而可進(jìn)行備自投控制轉(zhuǎn)供能力判別。具體步驟如下:a)根據(jù)故障前區(qū)域電網(wǎng)信息及負(fù)荷等級(jí)情況,計(jì)算失壓側(cè)最小轉(zhuǎn)供負(fù)荷Pb)若Pc)若P2.2.1.調(diào)切負(fù)荷點(diǎn)將所有可切負(fù)荷量均按供電關(guān)系歸算到110kV母線,這里的切負(fù)荷點(diǎn)指110kV母線。切負(fù)荷判別的主要步驟如下:a)根據(jù)故障前區(qū)域電網(wǎng)信息,計(jì)算失壓側(cè)總負(fù)荷Pb)若Pc)若P2.2.2在線決策技術(shù)對(duì)于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō),片區(qū)失壓后可能存在不止一個(gè)可備投點(diǎn),常規(guī)備投只能依據(jù)固定邏輯動(dòng)作,無(wú)法依據(jù)具體失壓情況選擇最合適的備投點(diǎn)。以仁懷電網(wǎng)的中樞片區(qū)失壓為例,由元村主變壓器故障導(dǎo)致的中樞片失壓需要備投中冠線開(kāi)關(guān),而由元中雙線故障導(dǎo)致的中樞片失壓需要備投茅臺(tái)開(kāi)關(guān)。本文提出的在線決策技術(shù)能夠保證智能區(qū)域備自投根據(jù)不同的失壓事件選擇合適的備投開(kāi)關(guān),并防止其它可備投開(kāi)關(guān)的無(wú)序動(dòng)作。當(dāng)失壓區(qū)域存在多個(gè)可用備投點(diǎn)時(shí),備投系統(tǒng)根據(jù)在線負(fù)荷控制決策進(jìn)行可備投點(diǎn)的排序,排序原則如下:a)不需切負(fù)荷的備投點(diǎn)優(yōu)先于需切負(fù)荷的備投點(diǎn)。b)對(duì)于均需切負(fù)荷的備投點(diǎn),核心負(fù)荷需切量少的備投點(diǎn)優(yōu)先于核心負(fù)荷需切量多的備投點(diǎn)。在仁懷電網(wǎng)中,核心負(fù)荷指中樞站、茅臺(tái)站等重要負(fù)荷。c)對(duì)于均不需切負(fù)荷或切負(fù)荷量相同的備投點(diǎn),備用側(cè)轉(zhuǎn)供能力高的備投點(diǎn)優(yōu)先于轉(zhuǎn)供能力低的備投點(diǎn)。3智能區(qū)域備自投動(dòng)作本文采用PSCAD仿真軟件建立智能區(qū)域備自投系統(tǒng)模型,并搭建仁懷110kV電網(wǎng)架構(gòu)來(lái)模擬仁懷電網(wǎng)在不同分區(qū)、不同元件檢修方式下的故障及操作。選取的事件類(lèi)型包括線路單一故障、母線單一故障、主變壓器單一故障、元件拒動(dòng)、手跳以及上述各類(lèi)故障在不同時(shí)序、地點(diǎn)的組合,以驗(yàn)證本文提出的備自投系統(tǒng)的有效性和可靠性。下面以圖5所示元村主變壓器檢修方式下桐元線故障導(dǎo)致的失壓事件為例,說(shuō)明智能區(qū)域備自投的動(dòng)作過(guò)程。元村主變壓器檢修方式下,由金五線供五馬、冠英、中樞1M負(fù)荷,桐元線供中樞2M、茅臺(tái)、火石負(fù)荷。在該方式下發(fā)生桐元線“N-1”故障,將形成中樞2M、茅臺(tái)、火石等大片區(qū)域失壓。各變電站110kV母線最大相電壓曲線和備自投動(dòng)作仿真結(jié)果如圖6所示。仿真中,故障及保護(hù)動(dòng)作模擬時(shí)序?yàn)?桐元線1s時(shí)發(fā)生單相永久故障,1.1s時(shí)桐元線線路保護(hù)動(dòng)作,開(kāi)關(guān)BKyt和BKty跳閘,導(dǎo)致中樞2M、茅臺(tái)、火石區(qū)域失壓,如圖6(a)所示,上述區(qū)域的母線電壓曲線在1.1s時(shí)下降(失壓),4.1s時(shí)重合閘失敗,電壓曲線維持不變。智能區(qū)域備自投動(dòng)作情況為:5.1s時(shí)備自投重跳桐元線開(kāi)關(guān)BKyt,合中樞母聯(lián)開(kāi)關(guān)BKzsm,并預(yù)判出此方式下失壓區(qū)域轉(zhuǎn)供負(fù)荷大于備用側(cè)供電裕度,計(jì)算出需切負(fù)荷總量為65MW,根據(jù)切負(fù)荷原則,自動(dòng)選切了五馬、冠英、火石、中樞負(fù)荷,如圖6(b)所示。智能區(qū)域備自投動(dòng)作后失壓區(qū)域電壓恢復(fù),如圖6(a)所示,在5.1s后,中樞2M、茅臺(tái)、火石母線電壓恢復(fù)。該算例證明本文設(shè)計(jì)的智能區(qū)域備自投系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別失壓區(qū)域,并在線決策出正確的備自投控制方案,恢復(fù)母線供電。4備自投點(diǎn)自投及負(fù)荷恢復(fù)控制本文提出的智能區(qū)域備自投系統(tǒng)能夠適應(yīng)電網(wǎng)中任意的運(yùn)行狀態(tài)和跳閘事件,識(shí)別跳閘引起的任意形態(tài)的失壓