基于不停電負荷轉移的變電站全智能模塊設計

韓向棟，魏良躍

（兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東濟寧 272100）

目前的變電站建設存在著標準化程度低、土地資源占用量大、模式周期時間長等問題，且隨著用戶需求水平的不斷提高，全負荷運轉狀態(tài)在整個變電站運轉周期中占據(jù)了大量時間，這不僅對電子負載提出了更高的轉移標準，也會在一定程度上導致變電主機連續(xù)運轉時間的大幅縮短[1-2]。近年來，電力裝備技術快速發(fā)展，全智能變電模塊逐漸取代了原有的預制艙變電結構，在應用過程中，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)的廣泛應用，該類型模塊結構已經(jīng)成為了智能變電站的主流建站模式。

在實際工作中，DC/DC 變電模塊通常采取就近原則對旁系母帶上的電子負荷進行轉移，而不比較電力損失量的優(yōu)劣水平，然而每一種轉移負荷方案都只能對應一種單一的全負荷模式，因此并不能實現(xiàn)對變電主機連續(xù)運轉時間的全方位延長，從而導致電子負載的不停電轉移出現(xiàn)了一定的實施困難[3]。為解決上述問題，重新完善了不停電負荷轉移思想，并以此為基礎，提出一種新型的變電站全智能模塊設計方案。

1 基于不停電負荷轉移的移動變電站路徑

移動變電站路徑的確定是實施變電站不停電負荷轉移的基礎處理環(huán)節(jié)，在時鐘源參數(shù)、供電負荷量兩項物理系數(shù)的支持下，可按如下步驟完成變電路徑目標函數(shù)的確定與計算。

1.1 時鐘源參數(shù)

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

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

1.2 供電負荷量

從其余具有備用容量的負荷轉移行為開始，所有從時鐘源根節(jié)點到時鐘源樹狀鏈表的傳輸電量都可被稱為供電負荷量，對于變電站全智能模塊來說，隨著主網(wǎng)接線環(huán)境中控制開關數(shù)量的增加，供電負荷量的數(shù)值水平也會不斷增大[6-7]。所有時鐘源節(jié)點兩端都必須配置獨立且完善的供電節(jié)點，且為了在不停電狀態(tài)下實現(xiàn)負荷量的完整轉移，每一個傳輸電子都應具有遍歷時鐘源節(jié)點的能力，這也是新型變電站全智能模塊在全負荷環(huán)境中始終具有延長變電主機連續(xù)運轉時間的主要原因[8-9]。設α1、α2、…、αn代表n個不同的供電節(jié)點，聯(lián)立式（1），可將供電負荷量計算結果表示為：

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

1.3 目標函數(shù)

對變電站不停電負荷轉移路徑進行選擇的目的不僅僅是盡可能延長變電主機的連續(xù)運轉時間，更主要是希望點電荷的單位轉移量能夠不斷增大。目標函數(shù)是一種多目標、多約束型電量組合優(yōu)化條件，若將供電負荷量作為主要參考項，則可在已知負載電子起始位置、終止位置、轉移距離3 項物理量條件的基礎上，確定變電站全智能模塊在不停電負荷轉移過程中所承擔的具體任務執(zhí)行強度[10]。設θ0代表負載電子的起始位置節(jié)點，θn代表負載電子的終止位置節(jié)點，H代表電負荷量的實際轉移距離，聯(lián)立式（2），可將移動變電站路徑的目標函數(shù)定義為：

其中，λ代表點電荷的單向位移系數(shù)，ΔT代表電子負荷量的單位轉移時長。在完成供電負荷量計算后，求解式（3）所示的目標函數(shù)，就可以實現(xiàn)對不停電負荷轉移路徑的按需規(guī)劃。

2 變電站全智能模塊設計

根據(jù)不停電負荷轉移路徑規(guī)劃原理，按照主網(wǎng)接線、直流電源布置、電源負荷計算的處理流程，實現(xiàn)新型變電站全智能模塊的設計與應用。

2.1 主網(wǎng)接線

主網(wǎng)接線是設計變電站全智能模塊的重要執(zhí)行環(huán)節(jié)，可在原有DC/DC 變電模塊的基礎上，將電量負荷的單線傳輸形式轉換為雙線傳輸，并可借助進線柜、電位計等應用裝置，實現(xiàn)對負荷轉移路徑的進一步規(guī)劃。在主網(wǎng)接線環(huán)境中，Ⅰ線位于網(wǎng)絡主體上部，同時管控S1、S2、S3 三個變電開關，在實施不停電負荷轉移時，三個開關結構總是保持相互獨立的連接形式，一般來說，當閉合開關的數(shù)量超過兩個時，即可判定電量負荷處于相對積極的傳輸狀態(tài)[11-12]。II 母線位于網(wǎng)絡主體的下部，能夠感知串聯(lián)進線柜、串聯(lián)電位計、并聯(lián)電阻元件的實際連接形式，并可根據(jù)電源結構中電量負荷的實際載入情況，實現(xiàn)對電荷轉移量的實時干擾。具體接線形式如圖1 所示。

圖1 主網(wǎng)接線結構示意圖

一般滿足主網(wǎng)接線需求的變電站體系，均能在直流電源結構的作用下，實現(xiàn)對負荷量的不停電轉移。

2.2 直流電源布置

為獲得較為理想的不停電負荷轉移結果，變電站全智能模塊的直流電源布置應同時考慮以下幾方面內容：

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

2）在等量電負荷轉移條件下，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，也能夠將散亂分布的電子負荷量聚集起來，從而滿足模塊化轉移的實際應用需求。

3）一般來說，變電站主網(wǎng)中只能存在直流形式的電位計結構，且隨著供電應用時間的延長，待轉移電子負荷量會在元件結構中大量堆積，從而導致變電主機在全負荷環(huán)境下的連續(xù)運轉時長受到影響[14]。而直流電源結構的存在，可有效疏通暫存的電子負荷量，一方面滿足不停電轉移電子負載的實際應用需求，另一方面也可促進了變電主機在全負荷環(huán)境下的連續(xù)運轉。

2.3 電源負荷計算

電源負荷量是一個相對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荷轉移能力，確定后續(xù)轉移路徑的應用有效性，且由于直流電源結構的存在，整個計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的運行能力，電源負荷數(shù)值的求取應以電負荷元件的額定電壓與額定電流作為實際參考條件。假設U0代表負荷元件的額定電壓，I0代表負荷元件的額定電流，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，可將電源負荷量計算結果表示為：

其中，表示傳輸電負荷量的變電調試特征值，A表示電子負荷實際輸出量，f1、f2代表兩個隨機選取的點電荷帶電量。在不停電負荷轉移應用原理的支持下，聯(lián)合所有已知系數(shù)條件，完成變電站全智能模塊的設計。

3 實例分析

在實驗過程中，實驗組采用變電站全智能模塊對電子負荷量進行轉移，對照組則采用傳統(tǒng)DC/DC模塊對電子負荷量進行轉移。

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

圖2 電負荷量對比曲線圖

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

綜上，可認為變電站全智能模塊與傳統(tǒng)DC/DC模塊相比，在實際轉移過程中，所能承擔的電負荷量更多。

應用實驗組、對照組模塊后，變電主機穩(wěn)定運轉時間結果如表1 所示。

分析表1 可知，隨著電子轉移距離的延長，實驗組、對照組變電主機穩(wěn)定運轉時長均呈現(xiàn)不斷下降的變化趨勢。從全負荷分類的角度來看，隨著負荷量水平的上升，實驗組變電主機穩(wěn)定運轉時長均值出現(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)；對照組穩(wěn)定運轉時長的變化趨勢與實驗組保持一致，但其整體均值水平較低，整個實驗過程中出現(xiàn)了多個小于100 h 的數(shù)值。

表1 變電主機穩(wěn)定運轉時間

綜上可知，應用變電站全智能模塊，在尖峰負荷、高段負荷、中段負荷、低段負荷情況下，均能保障變電主機的連續(xù)長時間運轉，符合對電子負載進行不停電轉移的實際應用需求。

4 結束語

在應用技術方面，變電站全智能模塊從電子負載不停電轉移的角度著手，借助路徑目標函數(shù)，規(guī)劃電負荷轉移的具體移動變電站路徑，在主網(wǎng)接線環(huán)境中，針對直流電源結構進行按需部署，不僅滿足了計算電源負荷量的實際應用需求，也可有效延長變電主機的連續(xù)運轉時間。而在實用性方面，新型變電站全智能模塊在傳統(tǒng)DC/DC 模塊的基礎上，針對單次電負荷轉移量較小的問題進行了改進，并分別在低段負荷、中段負荷、高段負荷、尖峰負荷環(huán)境中，通過設置對比實驗的方式，對新型模塊結構的應用價值進行了驗證。