一种备自投装置的智能负荷均分方法

鲁雅斌 安同平 陈志良

（南京弘毅电气自动化有限公司 江苏省南京市 210039）

1 引言

备用电源自动投入装置是当电力系统故障或其他原因使工作电源被断开后，能迅速将备用电源自动投入工作，使用户能迅速恢复供电的一种自动装置[1,2,3,4]。备自投装置常用于两个或两个以上的供电电源互相投切，从而保证系统供电的连续性[5,6,7]。在三段及以上母线的接线方式中，当一段母线失压，备自投装置动作，一台主变带二段以上的母线，系统负荷较大时，会导致主变出现过载，严重时威胁到主设备的安全[8,9,10]。

目前备自投装置的负荷均分功能，是根据用户的需要，通过压板进行投退，有效解决了由备自投装置动作造成的主变过载现象，满足了用户对供电可靠性的要求。如图1所示，当3#主变失压，不投入负荷均分压板时，跳503，然后合532；投入负荷均分压板时，跳503开关，然后合521开关，等521开关合闸后，再合532开关。同样当1#主变失压，不投入负荷均分压板时，跳501，然后合521；投入负荷均分压板时，跳501开关，然后合532开关，等532开关合闸后，再合521开关。但是按照压板投退确定负荷均分的模式，当一个备用电源能满足负荷要求的情况时，也需要进行负荷均分操作，增加了备自投操作的复杂性，给系统带来冲击，影响系统的稳定性。

图1：备投一次系统图

2 最大负荷电流算法

电力负荷的随机变化部分是相互独立、不相关的，由中心极限定理知连续的独立随机变量叠加后就是正态分布的，因此电力系统中负荷的随机性分也是正态分布的[11]。正态分布，又名高斯分布，是一个非常重要的概率分布，在数学、物理及工程等领域以及统计学的许多方面有着重大的影响力[12,13,14,15]，正态分布的概率密度函数呈左右对称的钟形，见图2，其函数表达式为：

图2：正态分布曲线图

3 冗余系数算法

负荷电流是备自投装置的一个重要参数，其精确测量是智能负荷均分方法的可靠保证，由于系统一次电流互感器、备自投装置二次电流互感器、低通滤波器、A/D转换器以及保护傅里叶算法的各个环节都会产生一定的误差，而且系统负载存在波动性，波动越大系统越不稳定。这些问题不易用精确的模型来描述，存在很多突发式因素，这些不确定因素是常规算法所无法解决的。为保证备自投装置智能负荷均分方法的可靠性，提高备自投的成功率，通过增加冗余系数的方法，为处理最大负荷计算中的不确定性提供了一种可行的途径。

标准差是方差的平方根，反映样本数据的离散程度，可以用来衡量样本数据的波动情况，样本标准差越大，样本数据的波动就越大，标准差可以当作不确定性的一种测量[16]。冗余系数将故障前负荷电流大小和标准偏差相结合，提高了备自投装置智能负荷均分方法的准确性、可靠性和实用性。变低开关501和变低开关502最大负荷电流冗余系数为变低开关502和变低开关503最大负荷电流冗余系数为变低开关501、变低开关502和变低开关503最大负荷电流冗余系数为是备自投装置定值参数，默认为1，用户可以根据系统需求设定。

4 智能负荷均分方法

在发生故障前实时采集每个变低开关的负荷电流，或者每隔一个预设的时间段采集一次，选取最新采集的一组负荷电流作为最大负荷电流的计算样本，来计算每个变低开关的最大负荷电流。

根据主供电源变低开关故障前的最大负荷电流I1，以及与主供电源相邻的备用电源1变低开关故障前的最大负荷电流I2，计算出两个变低开关故障前的最大总负荷电流I12，最大总负荷电流I12不超过备用电源1主变的额定负荷电流时，先断开主供电源变低开关，确认主供电源变低开关处于分位后，合备用电源1和主供电源之间的分段开关，由备用电源1主变带两段母线负荷，备用电源2独立带一段母线负荷，如图3所示。

图3：单备用电源自投

总负荷电流I12超过备用电源1主变的额定负荷电流时，根据主供电源变低开关故障前的最大负荷电流I1，以及与主供电源相邻的备用电源1变低开关故障前的最大负荷电流I2，以及与用电源1相邻的备用电源2变低开关故障前的最大负荷电流I3，计算出三个变低开关故障前的最大总负荷电流I123，总负荷电流I123低于备用电源1主变和备用电源2主变的额定负荷电流之和时，先断开主供电源变低开关，确认主供电源变低开关处于分位后，合备用电源1和备用电源2之间的分段开关进行负荷均分，然后再合备用电源1和主供电源之间分段开关，由备用电源1主变和备用电源2带三段母线负荷，如图4所示。

图4：负荷均分备用电源自投

（1）当1M失压，501无流时，计算变低开关501和变低开关502在故障前的总负荷电流，计算变低开关501、变低开关502和变低开关503在故障前的总负荷电流，变低开关501负荷电流平均值I1=3.28，标准偏差σ1=0.075，最大负荷电流Im1=I1+3σ1=3.505，变低开关502负荷电流平均值I2=2.24，标准偏差σ2=0.102，最大负荷电流Im2=I2+3σ2=2.546，变低开关503负荷电流平均值I3=1.76，标准偏差σ3=0.049，最大负荷电流Im3=I3+3σ3=1.907，冗余系数变低开关501和变低开关502最大总负荷电流I12=k12*(Im1+Im2)=k12*(I1+3σ1+I2+3σ2)=6.245，冗余系数变低开关501、变低开关502和变低开关503最大总负荷电流I123=k123*(Iml+Im2+Im3)=k123*(I1+3σ1+I2+3σ2+I3+3σ3)=8.205，最大总负荷电流I12超过一台变压器额定负荷电流5A，最大总负荷电流I123低于两台变压器额定负荷电流之和10A，满足负荷均分条件，先跳变低开关501，确认变低开关501处于分位后，合分段开关532进行负荷均分，然后再合分段开关521。

（2）当2M失压，502无流时，由于2M两侧都有备用电源，即可以用1M，也可以使用3M，所以两边的总负荷电流都需要进行计算，然后选择最优方案进行备投，计算变低开关501和变低开关502在故障前的总负荷电流，计算变低开关502和变低开关503在故障前的总负荷电流，变低开关501负荷电流平均值I1=3.28，标准偏差σ1=0.075，最大负荷电流Iml+I1+3σ1=3.505，变低开关502负荷电流平均值I2=2.24，标准偏差σ2=0.102，最大负荷电流Im2=I2+3σ2=2.546，变低开关503负荷电流平均值I3=1.76，标准偏差σ3=0.049，最大负荷电流Im3=I3+3σ3=1.907，冗余系数变低开关501和变低开关502最大总负荷电流I12=k12*(Im1+Im2)=k12*(I1+3σ1+I2+3σ2)=6.245，冗余系数变低变低开关502和变低开关503最大总负荷电流I23=k23*(Im2+Im3)=k23*(I2+3σ2+I3+3σ3)=4.622，虽然最大总负荷电流I12超过一台变压器额定负荷电流5A，但是最大总负荷电流I23低于一台变压器额定负荷电流5A，满足负荷条件，不需要进行负荷均分，先跳变低开关502，确认变低开关502处于分位后，合分段开关532。

（3）当3M失压，503无流时，计算变低I3=1.76开关503和变低开关502在故障前的总负荷电流，变低开关503负荷电流平均值，标准偏差σ3=0.049，最大负荷电流Im3=I3+3σ3=1.907，变低开关502负荷电流平均值I2=2.24，标准偏差σ2=0.102，最大负荷电流Im2=I2+3σ2=2.546，冗余系数变低开关503和变低开关502最大总负荷电流I23=k23*(Im2+Im3)=k23*(I2+3σ2+I3+3σ3)=4.622，总负荷电流低于一台变压器额定负荷电流5A，先跳变低开关503，确认变低开关503处于分位后，合分段开关532就可满足要求。

当总负荷电流I123超过备用电源1主变和备用电源2主变的额定负荷电流之和时，备用电源不能满足负荷要求，如果系统还有备用电源3，可以根据三个备用电源主变的额定负荷电流之和来计算是否满足备投负荷条件，以此类推，所有备用电源主变的额定负荷电流之和不能满足条件时，则放弃备自投。

5 其他问题

5.1 母线双分支

智能负荷均分方法适用于母线双分支接线方式，如图5所示，将变低开关502A和变低开关502B负总负荷电流做为一个负荷电流考虑，变低开关502A负荷电流平均值I2A，标准偏差σ2A，变低开关502B负荷电流平均值I2B，标准偏差σ2B，则变低开关总负荷电流平均值I2=I2A+I2B，总标准偏差σ2=σ2A+σ2B，总最大负荷电流Im2=I2A+3σ2A+I2B+3σ2B，当1M或3M失压时，直接用上述算式代入即可。当2AM失压，502A无流时，只能向1M进行备投，2BM失压，502B无流时，只能向3M进行备投。

图5：母线双分支接线方式

5.2 检同期

受系统运行状况和电网参数影响，或者两个变压器由两个不同电源供电时，备自投的负荷均分可能存在非同期合闸问题，导致出现因合环潮流过大而引起设备过载、继电保护误动等，对系统造成冲击，影响电网运行安全。为了减小备自投负荷均分造成的系统冲击，可以在合分段开关时判断两侧同期条件，检同期条件包括电压幅值差、相角差和频率差。负荷均分合第一个分段开关前先进行检同期操作，如果第一个分段开关两侧电压满足同期条件，第一个分段开关合闸，合闸成功后，将第二个分段开关合闸，完成备自投的负荷均分；如果在规定时间内第一个分段开关两侧电压不能满足同期条件，放弃负荷均分并异常告警。如图6所示。

图6：检同期逻辑图

6 小结

备自投装置的智能负荷均分方法在第一备用电源满足故障母线负荷要求的情况下，不会启用其他备用电源进行负荷均分，使一次设备得到充分的利用，而在第一备用电源不满足负荷要求，同时存在多个备用电源时，可以根据负荷情况，进行多个备用电源的负荷均分，提高了备自投负荷均分功能的自适应性，当整个系统的备用电源不满足负荷要求时，放弃备自投操作，不会因为主供电源失压引起其他正常运行的备用电源工作异常，有效提高了电气设备的安全可靠性，整个操作过程由备自投装置自动进行，并不需要操作人员的干预，减少了运行人员的工作强度。备自投装置的智能负荷均分方法简化了系统操作，合理利用运行主变的供电能力，实现资源最优配置，提高了备自投装置动作的成功率和系统运行的稳定性，对保障用户供电可靠性有一定的参考意义。