一種備電系統自動投切技術的研究

魏 鑫 李媛媛

（國網甘肅省電力公司武威供電公司，甘肅 武威 733000）

0 引言

備自投要想發揮功效，備用電源的容量應能支撐其“接手”的負載[1]。但實際運行中，因方式的千變萬化，往往很難兼顧這一點。這樣一來，備自投動作后，由于備用電源容量不足，可能會造成事故的擴大。因此，有必要研究待機操作和負載動態連接和切割的集成技術。該文主要討論了用常規待機自動切換邏輯實現過載連接的方法，并分析了其不足之處，同時提供現場常用的2 種方法。

1 備自投

傳統的備用電源自動切換裝置（簡稱備自投），這是一種自動裝置，可以在電力系統故障或其他原因導致工作電源斷開后快速將備用電源投入運行，或者自動將停電設備投入其他正常工作電源，使用戶可以快速恢復供電[2]。根據待機模式，傳統的備自投裝置可以分為明備用和暗備用[3]：明備用是指備用變壓器或備用線路正常情況下安裝；暗備用是指沒有專用備用電源或備用線路的正常情況。

1.1 常見的備自投方式

在滿足條件時，備自投觸發啟動動作；常見的備自投方式有3 種。1）裝置啟動時進線一和母聯作用，而進線二做備份線。當母聯線丟失電壓，同時進線一沒有電流，此時進線二存在電壓，裝置跳進線一觸發，并進線二觸發。2）裝置啟動時進線二和母聯作用，而進線一做備份線。當母聯線丟失電壓，同時進線二沒有電流，此時進線一存在電壓，裝置跳進線二觸發，并進線一觸發。3）裝置啟動時進線一和進線二作用，而母線做備份線。當I 母線丟失電壓，同時進線一沒有電流，此時II 母存在電壓，裝置跳進線一觸發，并母聯觸發。并母聯觸發機關后聯切功能啟動，如果進線二的電流超過過負荷規定數值，則啟動聯切功能，否則聯切功能將在幾秒后撤銷。4）裝置啟動時進線一和進線二作用，而母線做備份線。當II 母線丟失電壓，同時進線二沒有電流，此時I 母線存在電壓，裝置跳進線二觸發，并母聯觸發。并母聯觸發機關后聯切功能啟動，如果進線一的電流超過過負荷規定數值，則啟動聯切功能，否則聯切功能將在幾秒后撤銷。

以上敘述中，1）、2）是進線自投方式，這種備自投方式中的進線的電壓通常曹勇主變高壓側母線電壓；而3）、4）則為母聯備自投方式。

1.2 備自投要求

備自投裝置不僅要具有敏捷性，最重要的是要在實際操作中具有可靠性；其裝置要求有5 點。1）確定在工作設備與電源切斷時，才啟動備自投裝置或其他備份設施。2）不管由于什么原因，導致作用母線或是設施上的電壓丟失，備自投裝置都能夠觸發。3）備自投裝置保證只動作一次。4）由于電力系統自身原因，導致工作電源或是備用電源同時丟失，備自投裝置無法觸發。5）當用備自投裝置作用于發電廠時，除了上述幾點條件外，還需滿足很多細節條件，在此不做過多敘述。

1.3 備自投邏輯實現

由基于單片機的備用電源自動切換裝置提供的模擬輸入，開關輸入和固定值可以是可編程元件，以此控制備自投的動作。為了使設備適應不同的要求，采用基于圖形界面的邏輯可編程方式實現備用電源自動投入功能。為了防止備自投裝置的重復操作，通過參考保護裝置中的重合閘邏輯的方法，在動作邏輯中設置“充電”計數器。邏輯判斷和軟件延遲用于替換計算機備自投中的充電過程。其動作邏輯的控制條件可分為3 類：充電條件、鎖定條件和啟動條件。也就是說，滿足所有充電條件，但是不滿足鎖定條件。在固定延遲之后，充電完成并且自動切換裝置準備就緒。一旦出現起始條件，就觸發啟動動作。

2 滿足負荷動態聯切的備自投方案

滿足負荷動態聯切的方案如圖1 所示。

2.1 負荷功率以及遙信采集分析

2.1.1 計算總功率

依據SCADA 數據，計算主變二次實時功率，再折算至一次，分別用Pi（i=1，2），Qi（i=1，2）表示。則2 臺主變的總視在功率為：

式中：P1、P2分別為主變二次有功功率，Q1、Q2分別為主變二次無功功率，S為視在功率。

2.1.2 排位

按負荷重要性，將低壓出線進行排位，并分別列入m輪（m=1，2， ... ）減載范圍。則第m輪減載負荷為：

式中：n為各輪減載的出線數量；l、z為減載線路編號。Pjm為m輪減載的有功功率，Qjm為m輪減載的無功功率。

2.1.3 遙信采集

可采用GOOSE 遙信或傳統開關量的方式進行。

2.2 動態聯切自適應減載

為了不失一般性，假設減載輪次是2 次。

2.2.1 實行第一輪減載后系統剩余負荷和視在功率

式中：Pt1為第一輪減載后剩余的有功功率，Qt1為第一輪減載后剩余的無功功率，St1為第一輪減載后剩余的視在功率，其余變量同前所述。

2.1.2 實行第二輪減載后系統剩余負荷和視在功率

式中：Pt2為第二輪減載后剩余的有功功率，Qt2為第二輪減載后剩余的無功功率，St2為第二輪減載后剩余的視在功率，其余變量同前所述。

2.1.3 動態減載實現

不妨設2 臺主變的容量為Si（i=1，2），將各輪減載前后的視在功率與主變容量作比較，得出下述結果。1）如果備自投動作前的2 臺主變視在功率和St1小于Si（i=1 或2），說明無須減載，備自投隨時可以啟動。2）如果功率S大于Si（i=1或2），且St2小于Si（i=1 或2），說明需進行第1 輪減載，才能進人備自投流程。3）如果功率S和St1均大于Si（i=1 或2），且St2小于Si（i=1 或2），則說明需依次進行兩輪減載，才能進人備自投流程。4）如果功率S、St1、St2均大于Si（i=1或2），則說明需進行更高輪次的減載，或直接閉鎖備自投。

圖1 滿足負荷動態聯切的備自投方案

3 備自投過負荷動態聯切

3.1 聯切功能分析

以往的備自投裝置只考慮總線連接自動切換模式下的過載L 負載連接，但不考慮進入備自投裝置模式的過載連接功能。 此外，過載電流僅由局部電流決定，而對于2 個線圈和過載，局部或高壓側電流是相同的。

3.2 聯切方式

對于前文所述的4 種備自投裝置自投方式，如果將備自投裝置置于過荷減載功能中，則在備自投裝置關閉備用斷路器后，過荷減載功能將自動投入運行。考慮到2 個備用電源的不同容量，分別設置2 個電流閾值和兩組延遲常數值。如果電流沒有超過相應的閾值，斷路器將在時間到達后再次跳出，或者備用斷路器由于某種原因再次跳出，并且在此操作過程中過載和減載將全部自行退出。

3.3 動態聯切方案的優化探討

實際使用中，為了保證可靠性，一般還應在以下幾個方面進行優化或加強。為防止減載指令發出后，出線斷路器跳閘失敗而導致備自投過負荷，可通過延時校驗，若異常應閉鎖備自投。核驗減載輪次。舉例：如果A 線被同時配置在第一輪和第二輪減載矩陣中，則應只在第一輪減載時進行功率計算，而忽略高次減載輪次的負荷計算。置功率緩存記憶功能。這是為防止電源失電情況下主變及低壓出線的瞬時功率變為0，影響動態聯切的計算。

4 結語

生活自動化水平的不斷提高使得人們對電力的依賴和可靠性要求不斷增強，推動了電力行業的發展，科學技術日益發達，傳統的變電站正朝著智能化、數字化、無人化的方向發展。變電站的供電要求由單純的容量需求向著不間斷供電的目標邁進，備自投的作用越來越重要，確保備自投能夠準確及時的動作是提高供電可靠性的一個非常重要的手段。該文通過分析傳統備自投的不足，提出動態聯切低壓負荷的備自投實現方案。該方案在新建或改建變電站中均有較大的推廣價值。