基于不停電負(fù)荷轉(zhuǎn)移的變電站全智能模塊設(shè)計(jì)

韓向棟，魏良躍

（兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東濟(jì)寧 272100）

目前的變電站建設(shè)存在著標(biāo)準(zhǔn)化程度低、土地資源占用量大、模式周期時(shí)間長等問題，且隨著用戶需求水平的不斷提高，全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)在整個(gè)變電站運(yùn)轉(zhuǎn)周期中占據(jù)了大量時(shí)間，這不僅對(duì)電子負(fù)載提出了更高的轉(zhuǎn)移標(biāo)準(zhǔn)，也會(huì)在一定程度上導(dǎo)致變電主機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的大幅縮短[1-2]。近年來，電力裝備技術(shù)快速發(fā)展，全智能變電模塊逐漸取代了原有的預(yù)制艙變電結(jié)構(gòu)，在應(yīng)用過程中，前者具有現(xiàn)場施工簡單、占地面積小等優(yōu)勢，且隨著電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，該類型模塊結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為了智能變電站的主流建站模式。

在實(shí)際工作中，DC/DC 變電模塊通常采取就近原則對(duì)旁系母帶上的電子負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)移，而不比較電力損失量的優(yōu)劣水平，然而每一種轉(zhuǎn)移負(fù)荷方案都只能對(duì)應(yīng)一種單一的全負(fù)荷模式，因此并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)變電主機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的全方位延長，從而導(dǎo)致電子負(fù)載的不停電轉(zhuǎn)移出現(xiàn)了一定的實(shí)施困難[3]。為解決上述問題，重新完善了不停電負(fù)荷轉(zhuǎn)移思想，并以此為基礎(chǔ)，提出一種新型的變電站全智能模塊設(shè)計(jì)方案。

1 基于不停電負(fù)荷轉(zhuǎn)移的移動(dòng)變電站路徑

移動(dòng)變電站路徑的確定是實(shí)施變電站不停電負(fù)荷轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)處理環(huán)節(jié)，在時(shí)鐘源參數(shù)、供電負(fù)荷量兩項(xiàng)物理系數(shù)的支持下，可按如下步驟完成變電路徑目標(biāo)函數(shù)的確定與計(jì)算。

1.1 時(shí)鐘源參數(shù)

時(shí)鐘源參數(shù)決定了變電站全智能模塊所具備的電量負(fù)載能力，一般來說，當(dāng)變電終端與負(fù)荷主機(jī)在時(shí)間上保持同步狀態(tài)后，已知的時(shí)鐘源參數(shù)就可以作為判別電量消耗水平的重要時(shí)間基準(zhǔn)條件。對(duì)于變電站全智能模塊而言，時(shí)鐘源體系從開始到穩(wěn)定執(zhí)行狀態(tài)需要一段相對(duì)較長的執(zhí)行時(shí)間，大體上符合執(zhí)行狀態(tài)越穩(wěn)定、執(zhí)行時(shí)間越長的變化原則[4]。當(dāng)時(shí)鐘源體系的執(zhí)行狀態(tài)趨于完全穩(wěn)定后，待轉(zhuǎn)移負(fù)荷量可由固定位置快速傳輸至運(yùn)動(dòng)位置，且隨著執(zhí)行時(shí)間的延長，處于變動(dòng)狀態(tài)的負(fù)荷量數(shù)值也會(huì)不斷增多。值得一提的是，在此過程中，負(fù)荷量的轉(zhuǎn)移不會(huì)引發(fā)任何形式或任何狀態(tài)的非停電行為[5]。設(shè)e代表點(diǎn)電荷的原始帶電量，i、r分別代表兩個(gè)不同的電量轉(zhuǎn)移系數(shù)，在時(shí)鐘源體系中，i、r∈[1 ,+∞)恒成立，聯(lián)立上述物理量，可將時(shí)鐘源參數(shù)表達(dá)式定義為：

其中，wi、wr分別代表i與r系數(shù)條件下的點(diǎn)電荷轉(zhuǎn)移量，Ii、Ir分別代表i與r系數(shù)條件下的電流源系數(shù)。隨著時(shí)鐘源參數(shù)值的不斷變化，待轉(zhuǎn)移負(fù)荷量的傳輸速度也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化。

1.2 供電負(fù)荷量

從其余具有備用容量的負(fù)荷轉(zhuǎn)移行為開始，所有從時(shí)鐘源根節(jié)點(diǎn)到時(shí)鐘源樹狀鏈表的傳輸電量都可被稱為供電負(fù)荷量，對(duì)于變電站全智能模塊來說，隨著主網(wǎng)接線環(huán)境中控制開關(guān)數(shù)量的增加，供電負(fù)荷量的數(shù)值水平也會(huì)不斷增大[6-7]。所有時(shí)鐘源節(jié)點(diǎn)兩端都必須配置獨(dú)立且完善的供電節(jié)點(diǎn)，且為了在不停電狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)負(fù)荷量的完整轉(zhuǎn)移，每一個(gè)傳輸電子都應(yīng)具有遍歷時(shí)鐘源節(jié)點(diǎn)的能力，這也是新型變電站全智能模塊在全負(fù)荷環(huán)境中始終具有延長變電主機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的主要原因[8-9]。設(shè)α1、α2、…、αn代表n個(gè)不同的供電節(jié)點(diǎn)，聯(lián)立式（1），可將供電負(fù)荷量計(jì)算結(jié)果表示為：

其中，Q代表點(diǎn)電荷的庫倫量負(fù)荷值，ε代表點(diǎn)電荷轉(zhuǎn)移系數(shù)。根據(jù)供電負(fù)荷量的數(shù)值水平，可知變電站全智能模塊所具備的電負(fù)荷量實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)移能力。

1.3 目標(biāo)函數(shù)

對(duì)變電站不停電負(fù)荷轉(zhuǎn)移路徑進(jìn)行選擇的目的不僅僅是盡可能延長變電主機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，更主要是希望點(diǎn)電荷的單位轉(zhuǎn)移量能夠不斷增大。目標(biāo)函數(shù)是一種多目標(biāo)、多約束型電量組合優(yōu)化條件，若將供電負(fù)荷量作為主要參考項(xiàng)，則可在已知負(fù)載電子起始位置、終止位置、轉(zhuǎn)移距離3 項(xiàng)物理量條件的基礎(chǔ)上，確定變電站全智能模塊在不停電負(fù)荷轉(zhuǎn)移過程中所承擔(dān)的具體任務(wù)執(zhí)行強(qiáng)度[10]。設(shè)θ0代表負(fù)載電子的起始位置節(jié)點(diǎn)，θn代表負(fù)載電子的終止位置節(jié)點(diǎn)，H代表電負(fù)荷量的實(shí)際轉(zhuǎn)移距離，聯(lián)立式（2），可將移動(dòng)變電站路徑的目標(biāo)函數(shù)定義為：

其中，λ代表點(diǎn)電荷的單向位移系數(shù)，ΔT代表電子負(fù)荷量的單位轉(zhuǎn)移時(shí)長。在完成供電負(fù)荷量計(jì)算后，求解式（3）所示的目標(biāo)函數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不停電負(fù)荷轉(zhuǎn)移路徑的按需規(guī)劃。

2 變電站全智能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)不停電負(fù)荷轉(zhuǎn)移路徑規(guī)劃原理，按照主網(wǎng)接線、直流電源布置、電源負(fù)荷計(jì)算的處理流程，實(shí)現(xiàn)新型變電站全智能模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

2.1 主網(wǎng)接線

主網(wǎng)接線是設(shè)計(jì)變電站全智能模塊的重要執(zhí)行環(huán)節(jié)，可在原有DC/DC 變電模塊的基礎(chǔ)上，將電量負(fù)荷的單線傳輸形式轉(zhuǎn)換為雙線傳輸，并可借助進(jìn)線柜、電位計(jì)等應(yīng)用裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷轉(zhuǎn)移路徑的進(jìn)一步規(guī)劃。在主網(wǎng)接線環(huán)境中，Ⅰ線位于網(wǎng)絡(luò)主體上部，同時(shí)管控S1、S2、S3 三個(gè)變電開關(guān)，在實(shí)施不停電負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)，三個(gè)開關(guān)結(jié)構(gòu)總是保持相互獨(dú)立的連接形式，一般來說，當(dāng)閉合開關(guān)的數(shù)量超過兩個(gè)時(shí)，即可判定電量負(fù)荷處于相對(duì)積極的傳輸狀態(tài)[11-12]。II 母線位于網(wǎng)絡(luò)主體的下部，能夠感知串聯(lián)進(jìn)線柜、串聯(lián)電位計(jì)、并聯(lián)電阻元件的實(shí)際連接形式，并可根據(jù)電源結(jié)構(gòu)中電量負(fù)荷的實(shí)際載入情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)電荷轉(zhuǎn)移量的實(shí)時(shí)干擾。具體接線形式如圖1 所示。

圖1 主網(wǎng)接線結(jié)構(gòu)示意圖

一般滿足主網(wǎng)接線需求的變電站體系，均能在直流電源結(jié)構(gòu)的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷量的不停電轉(zhuǎn)移。

2.2 直流電源布置

為獲得較為理想的不停電負(fù)荷轉(zhuǎn)移結(jié)果，變電站全智能模塊的直流電源布置應(yīng)同時(shí)考慮以下幾方面內(nèi)容：

1）針對(duì)變電站全智能模塊的荷載電子來說，核心電源的設(shè)置距離相對(duì)較遠(yuǎn)，且出于對(duì)應(yīng)用安全性的考慮，下級(jí)電量負(fù)荷組織之間通常采取直流連接的形式[13]。為保證電量負(fù)荷的充足性，所有下級(jí)電量負(fù)荷組織都只能擁有相同的接入起點(diǎn)與終點(diǎn)。

2）在等量電負(fù)荷轉(zhuǎn)移條件下，直流電源所提供的接入電壓值最為穩(wěn)定，既可以滿足現(xiàn)有的主網(wǎng)接線需求，也能夠?qū)⑸y分布的電子負(fù)荷量聚集起來，從而滿足模塊化轉(zhuǎn)移的實(shí)際應(yīng)用需求。

3）一般來說，變電站主網(wǎng)中只能存在直流形式的電位計(jì)結(jié)構(gòu)，且隨著供電應(yīng)用時(shí)間的延長，待轉(zhuǎn)移電子負(fù)荷量會(huì)在元件結(jié)構(gòu)中大量堆積，從而導(dǎo)致變電主機(jī)在全負(fù)荷環(huán)境下的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)長受到影響[14]。而直流電源結(jié)構(gòu)的存在，可有效疏通暫存的電子負(fù)荷量，一方面滿足不停電轉(zhuǎn)移電子負(fù)載的實(shí)際應(yīng)用需求，另一方面也可促進(jìn)了變電主機(jī)在全負(fù)荷環(huán)境下的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 電源負(fù)荷計(jì)算

電源負(fù)荷量是一個(gè)相對(duì)較為寬泛的物理范疇，能夠根據(jù)變電站全智能模塊所具備的電負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力，確定后續(xù)轉(zhuǎn)移路徑的應(yīng)用有效性，且由于直流電源結(jié)構(gòu)的存在，整個(gè)計(jì)算過程中的所有電流與電壓數(shù)值均保持定值狀態(tài)[15-18]。為使變電站全智能模塊具備較強(qiáng)的運(yùn)行能力，電源負(fù)荷數(shù)值的求取應(yīng)以電負(fù)荷元件的額定電壓與額定電流作為實(shí)際參考條件。假設(shè)U0代表負(fù)荷元件的額定電壓，I0代表負(fù)荷元件的額定電流，規(guī)定變電站全智能模塊的接入電阻均值為，聯(lián)立上述物理量，可將電源負(fù)荷量計(jì)算結(jié)果表示為：

其中，表示傳輸電負(fù)荷量的變電調(diào)試特征值，A表示電子負(fù)荷實(shí)際輸出量，f1、f2代表兩個(gè)隨機(jī)選取的點(diǎn)電荷帶電量。在不停電負(fù)荷轉(zhuǎn)移應(yīng)用原理的支持下，聯(lián)合所有已知系數(shù)條件，完成變電站全智能模塊的設(shè)計(jì)。

3 實(shí)例分析

在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)組采用變電站全智能模塊對(duì)電子負(fù)荷量進(jìn)行轉(zhuǎn)移，對(duì)照組則采用傳統(tǒng)DC/DC模塊對(duì)電子負(fù)荷量進(jìn)行轉(zhuǎn)移。

規(guī)定負(fù)荷量均值超過15 000 MW 為尖峰負(fù)荷情況、負(fù)荷量均值超過13 000 MW 為高段負(fù)荷情況、負(fù)荷量均值超過11 000 MW 為中段負(fù)荷情況、負(fù)荷量均值不足9 000 MW 為低段負(fù)荷情況。針對(duì)上述4 種不同的電量負(fù)荷水平，分析實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組電負(fù)荷轉(zhuǎn)移數(shù)值的具體變化情況，詳情如圖2 所示。

圖2 電負(fù)荷量對(duì)比曲線圖

分析圖2 可知，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，隨著轉(zhuǎn)移距離的延長，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組電負(fù)荷轉(zhuǎn)移量數(shù)值均保持不斷下降的變化狀態(tài)。就尖峰負(fù)荷水平來看，實(shí)驗(yàn)組在240 m 的行進(jìn)過程中，一共轉(zhuǎn)移的電子負(fù)荷量超過了10 000 MW，而對(duì)照組的轉(zhuǎn)移數(shù)值則不足9 000 MW；高段負(fù)荷水平中，實(shí)驗(yàn)組在240 m 的行進(jìn)過程中，共轉(zhuǎn)移了11 500 MW 的電子負(fù)荷量，而對(duì)照組的轉(zhuǎn)移數(shù)值僅為8 020 MW；中段負(fù)荷水平中，實(shí)驗(yàn)組在240 m 的行進(jìn)過程中，轉(zhuǎn)移了8 100 MW 的電子負(fù)荷量，對(duì)照組的轉(zhuǎn)移數(shù)值為7 700 MW；低段負(fù)荷水平中，實(shí)驗(yàn)組電子負(fù)荷轉(zhuǎn)移量超過7 000 MW，對(duì)照組數(shù)值則不足6 000 MW。

綜上，可認(rèn)為變電站全智能模塊與傳統(tǒng)DC/DC模塊相比，在實(shí)際轉(zhuǎn)移過程中，所能承擔(dān)的電負(fù)荷量更多。

應(yīng)用實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組模塊后，變電主機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間結(jié)果如表1 所示。

分析表1 可知，隨著電子轉(zhuǎn)移距離的延長，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組變電主機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)長均呈現(xiàn)不斷下降的變化趨勢。從全負(fù)荷分類的角度來看，隨著負(fù)荷量水平的上升，實(shí)驗(yàn)組變電主機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)長均值出現(xiàn)了一定程度的上升，但整體均值水平也始終保持高水平狀態(tài)；對(duì)照組穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)長的變化趨勢與實(shí)驗(yàn)組保持一致，但其整體均值水平較低，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)了多個(gè)小于100 h 的數(shù)值。

表1 變電主機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間

綜上可知，應(yīng)用變電站全智能模塊，在尖峰負(fù)荷、高段負(fù)荷、中段負(fù)荷、低段負(fù)荷情況下，均能保障變電主機(jī)的連續(xù)長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，符合對(duì)電子負(fù)載進(jìn)行不停電轉(zhuǎn)移的實(shí)際應(yīng)用需求。

4 結(jié)束語

在應(yīng)用技術(shù)方面，變電站全智能模塊從電子負(fù)載不停電轉(zhuǎn)移的角度著手，借助路徑目標(biāo)函數(shù)，規(guī)劃電負(fù)荷轉(zhuǎn)移的具體移動(dòng)變電站路徑，在主網(wǎng)接線環(huán)境中，針對(duì)直流電源結(jié)構(gòu)進(jìn)行按需部署，不僅滿足了計(jì)算電源負(fù)荷量的實(shí)際應(yīng)用需求，也可有效延長變電主機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。而在實(shí)用性方面，新型變電站全智能模塊在傳統(tǒng)DC/DC 模塊的基礎(chǔ)上，針對(duì)單次電負(fù)荷轉(zhuǎn)移量較小的問題進(jìn)行了改進(jìn)，并分別在低段負(fù)荷、中段負(fù)荷、高段負(fù)荷、尖峰負(fù)荷環(huán)境中，通過設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)新型模塊結(jié)構(gòu)的應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行了驗(yàn)證。