一種備自投裝置的智能負荷均分方法

魯雅斌 安同平 陳志良

（南京弘毅電氣自動化有限公司 江蘇省南京市 210039）

1 引言

備用電源自動投入裝置是當電力系統(tǒng)故障或其他原因使工作電源被斷開后，能迅速將備用電源自動投入工作，使用戶能迅速恢復供電的一種自動裝置[1,2,3,4]。備自投裝置常用于兩個或兩個以上的供電電源互相投切，從而保證系統(tǒng)供電的連續(xù)性[5,6,7]。在三段及以上母線的接線方式中，當一段母線失壓，備自投裝置動作，一臺主變帶二段以上的母線，系統(tǒng)負荷較大時，會導致主變出現(xiàn)過載，嚴重時威脅到主設備的安全[8,9,10]。

目前備自投裝置的負荷均分功能，是根據(jù)用戶的需要，通過壓板進行投退，有效解決了由備自投裝置動作造成的主變過載現(xiàn)象，滿足了用戶對供電可靠性的要求。如圖1所示，當3#主變失壓，不投入負荷均分壓板時，跳503，然后合532；投入負荷均分壓板時，跳503開關，然后合521開關，等521開關合閘后，再合532開關。同樣當1#主變失壓，不投入負荷均分壓板時，跳501，然后合521；投入負荷均分壓板時，跳501開關，然后合532開關，等532開關合閘后，再合521開關。但是按照壓板投退確定負荷均分的模式，當一個備用電源能滿足負荷要求的情況時，也需要進行負荷均分操作，增加了備自投操作的復雜性，給系統(tǒng)帶來沖擊，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1：備投一次系統(tǒng)圖

2 最大負荷電流算法

電力負荷的隨機變化部分是相互獨立、不相關的，由中心極限定理知連續(xù)的獨立隨機變量疊加后就是正態(tài)分布的，因此電力系統(tǒng)中負荷的隨機性分也是正態(tài)分布的[11]。正態(tài)分布，又名高斯分布，是一個非常重要的概率分布，在數(shù)學、物理及工程等領域以及統(tǒng)計學的許多方面有著重大的影響力[12,13,14,15]，正態(tài)分布的概率密度函數(shù)呈左右對稱的鐘形，見圖2，其函數(shù)表達式為：

圖2：正態(tài)分布曲線圖

3 冗余系數(shù)算法

負荷電流是備自投裝置的一個重要參數(shù)，其精確測量是智能負荷均分方法的可靠保證，由于系統(tǒng)一次電流互感器、備自投裝置二次電流互感器、低通濾波器、A/D轉換器以及保護傅里葉算法的各個環(huán)節(jié)都會產生一定的誤差，而且系統(tǒng)負載存在波動性，波動越大系統(tǒng)越不穩(wěn)定。這些問題不易用精確的模型來描述，存在很多突發(fā)式因素，這些不確定因素是常規(guī)算法所無法解決的。為保證備自投裝置智能負荷均分方法的可靠性，提高備自投的成功率，通過增加冗余系數(shù)的方法，為處理最大負荷計算中的不確定性提供了一種可行的途徑。

標準差是方差的平方根，反映樣本數(shù)據(jù)的離散程度，可以用來衡量樣本數(shù)據(jù)的波動情況，樣本標準差越大，樣本數(shù)據(jù)的波動就越大，標準差可以當作不確定性的一種測量[16]。冗余系數(shù)將故障前負荷電流大小和標準偏差相結合，提高了備自投裝置智能負荷均分方法的準確性、可靠性和實用性。變低開關501和變低開關502最大負荷電流冗余系數(shù)為變低開關502和變低開關503最大負荷電流冗余系數(shù)為變低開關501、變低開關502和變低開關503最大負荷電流冗余系數(shù)為是備自投裝置定值參數(shù)，默認為1，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)需求設定。

4 智能負荷均分方法

在發(fā)生故障前實時采集每個變低開關的負荷電流，或者每隔一個預設的時間段采集一次，選取最新采集的一組負荷電流作為最大負荷電流的計算樣本，來計算每個變低開關的最大負荷電流。

根據(jù)主供電源變低開關故障前的最大負荷電流I1，以及與主供電源相鄰的備用電源1變低開關故障前的最大負荷電流I2，計算出兩個變低開關故障前的最大總負荷電流I12，最大總負荷電流I12不超過備用電源1主變的額定負荷電流時，先斷開主供電源變低開關，確認主供電源變低開關處于分位后，合備用電源1和主供電源之間的分段開關，由備用電源1主變帶兩段母線負荷，備用電源2獨立帶一段母線負荷，如圖3所示。

圖3：單備用電源自投

總負荷電流I12超過備用電源1主變的額定負荷電流時，根據(jù)主供電源變低開關故障前的最大負荷電流I1，以及與主供電源相鄰的備用電源1變低開關故障前的最大負荷電流I2，以及與用電源1相鄰的備用電源2變低開關故障前的最大負荷電流I3，計算出三個變低開關故障前的最大總負荷電流I123，總負荷電流I123低于備用電源1主變和備用電源2主變的額定負荷電流之和時，先斷開主供電源變低開關，確認主供電源變低開關處于分位后，合備用電源1和備用電源2之間的分段開關進行負荷均分，然后再合備用電源1和主供電源之間分段開關，由備用電源1主變和備用電源2帶三段母線負荷，如圖4所示。

圖4：負荷均分備用電源自投

（1）當1M失壓，501無流時，計算變低開關501和變低開關502在故障前的總負荷電流，計算變低開關501、變低開關502和變低開關503在故障前的總負荷電流，變低開關501負荷電流平均值I1=3.28，標準偏差σ1=0.075，最大負荷電流Im1=I1+3σ1=3.505，變低開關502負荷電流平均值I2=2.24，標準偏差σ2=0.102，最大負荷電流Im2=I2+3σ2=2.546，變低開關503負荷電流平均值I3=1.76，標準偏差σ3=0.049，最大負荷電流Im3=I3+3σ3=1.907，冗余系數(shù)變低開關501和變低開關502最大總負荷電流I12=k12*(Im1+Im2)=k12*(I1+3σ1+I2+3σ2)=6.245，冗余系數(shù)變低開關501、變低開關502和變低開關503最大總負荷電流I123=k123*(Iml+Im2+Im3)=k123*(I1+3σ1+I2+3σ2+I3+3σ3)=8.205，最大總負荷電流I12超過一臺變壓器額定負荷電流5A，最大總負荷電流I123低于兩臺變壓器額定負荷電流之和10A，滿足負荷均分條件，先跳變低開關501，確認變低開關501處于分位后，合分段開關532進行負荷均分，然后再合分段開關521。

（2）當2M失壓，502無流時，由于2M兩側都有備用電源，即可以用1M，也可以使用3M，所以兩邊的總負荷電流都需要進行計算，然后選擇最優(yōu)方案進行備投，計算變低開關501和變低開關502在故障前的總負荷電流，計算變低開關502和變低開關503在故障前的總負荷電流，變低開關501負荷電流平均值I1=3.28，標準偏差σ1=0.075，最大負荷電流Iml+I1+3σ1=3.505，變低開關502負荷電流平均值I2=2.24，標準偏差σ2=0.102，最大負荷電流Im2=I2+3σ2=2.546，變低開關503負荷電流平均值I3=1.76，標準偏差σ3=0.049，最大負荷電流Im3=I3+3σ3=1.907，冗余系數(shù)變低開關501和變低開關502最大總負荷電流I12=k12*(Im1+Im2)=k12*(I1+3σ1+I2+3σ2)=6.245，冗余系數(shù)變低變低開關502和變低開關503最大總負荷電流I23=k23*(Im2+Im3)=k23*(I2+3σ2+I3+3σ3)=4.622，雖然最大總負荷電流I12超過一臺變壓器額定負荷電流5A，但是最大總負荷電流I23低于一臺變壓器額定負荷電流5A，滿足負荷條件，不需要進行負荷均分，先跳變低開關502，確認變低開關502處于分位后，合分段開關532。

（3）當3M失壓，503無流時，計算變低I3=1.76開關503和變低開關502在故障前的總負荷電流，變低開關503負荷電流平均值，標準偏差σ3=0.049，最大負荷電流Im3=I3+3σ3=1.907，變低開關502負荷電流平均值I2=2.24，標準偏差σ2=0.102，最大負荷電流Im2=I2+3σ2=2.546，冗余系數(shù)變低開關503和變低開關502最大總負荷電流I23=k23*(Im2+Im3)=k23*(I2+3σ2+I3+3σ3)=4.622，總負荷電流低于一臺變壓器額定負荷電流5A，先跳變低開關503，確認變低開關503處于分位后，合分段開關532就可滿足要求。

當總負荷電流I123超過備用電源1主變和備用電源2主變的額定負荷電流之和時，備用電源不能滿足負荷要求，如果系統(tǒng)還有備用電源3，可以根據(jù)三個備用電源主變的額定負荷電流之和來計算是否滿足備投負荷條件，以此類推，所有備用電源主變的額定負荷電流之和不能滿足條件時，則放棄備自投。

5 其他問題

5.1 母線雙分支

智能負荷均分方法適用于母線雙分支接線方式，如圖5所示，將變低開關502A和變低開關502B負總負荷電流做為一個負荷電流考慮，變低開關502A負荷電流平均值I2A，標準偏差σ2A，變低開關502B負荷電流平均值I2B，標準偏差σ2B，則變低開關總負荷電流平均值I2=I2A+I2B，總標準偏差σ2=σ2A+σ2B，總最大負荷電流Im2=I2A+3σ2A+I2B+3σ2B，當1M或3M失壓時，直接用上述算式代入即可。當2AM失壓，502A無流時，只能向1M進行備投，2BM失壓，502B無流時，只能向3M進行備投。

圖5：母線雙分支接線方式

5.2 檢同期

受系統(tǒng)運行狀況和電網(wǎng)參數(shù)影響，或者兩個變壓器由兩個不同電源供電時，備自投的負荷均分可能存在非同期合閘問題，導致出現(xiàn)因合環(huán)潮流過大而引起設備過載、繼電保護誤動等，對系統(tǒng)造成沖擊，影響電網(wǎng)運行安全。為了減小備自投負荷均分造成的系統(tǒng)沖擊，可以在合分段開關時判斷兩側同期條件，檢同期條件包括電壓幅值差、相角差和頻率差。負荷均分合第一個分段開關前先進行檢同期操作，如果第一個分段開關兩側電壓滿足同期條件，第一個分段開關合閘，合閘成功后，將第二個分段開關合閘，完成備自投的負荷均分；如果在規(guī)定時間內第一個分段開關兩側電壓不能滿足同期條件，放棄負荷均分并異常告警。如圖6所示。

圖6：檢同期邏輯圖

6 小結

備自投裝置的智能負荷均分方法在第一備用電源滿足故障母線負荷要求的情況下，不會啟用其他備用電源進行負荷均分，使一次設備得到充分的利用，而在第一備用電源不滿足負荷要求，同時存在多個備用電源時，可以根據(jù)負荷情況，進行多個備用電源的負荷均分，提高了備自投負荷均分功能的自適應性，當整個系統(tǒng)的備用電源不滿足負荷要求時，放棄備自投操作，不會因為主供電源失壓引起其他正常運行的備用電源工作異常，有效提高了電氣設備的安全可靠性，整個操作過程由備自投裝置自動進行，并不需要操作人員的干預，減少了運行人員的工作強度。備自投裝置的智能負荷均分方法簡化了系統(tǒng)操作，合理利用運行主變的供電能力，實現(xiàn)資源最優(yōu)配置，提高了備自投裝置動作的成功率和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，對保障用戶供電可靠性有一定的參考意義。