N-1分析在备自投投退策略优化中的应用

齐春影 雷海燕 郑亚宁 李江涛 张秀会

（华北石油管理局有限公司电力分公司 062552 ）

摘要　本文探讨了如何利用N-1分析对输电网当前的备自投策略进行效果验证，以及如何针对验证结果提出投退策略优化建议，让电力企业在电网结构变化、运行方式变化以及用户负荷变化时，能够及时发现备自投策略配置的问题并进行快速优化。

关键词：输电网；N-1分析；备自投；策略优化

Optimization of Busbar Automatic Transfer Switch Strategy utilizing N-1 Analysis

Qichunyign leihaiyan zhengyaning

(1. PetroChina Huabei Oilfield Branch, Renqiu 062552; 2. Dongfang Electronics Co., Ltd., Yantai 264001)

North China petroleum administration bureau power supply subsidiary company，Hebei Renqiu 062552

Abstract This paper discusses a method to verify the effect of BATS strategy of the transmission network by N-1 analysis, and then put forward the optimization suggestions according to the verification results, so that the power enterprises can timely find and quickly optimize the strategy of BATS when changes of power grid structure, operation mode and user load happen.

Keywords：transmission network; N-1 analysis; busbar automatic transfer switch(BATS); strategy optimization

为提高供电可靠性，电网往往装设备用电源自动投入装置（Busbar Automatic Transfer Switch，BATS）。当电网发生故障导致母线停电时，满足动作条件的备自投将会动作，合上备用电源给停电母线供电，从而提高供电可靠性^[1]。然而，在负荷高峰期，备自投的动作很有可能引起备用电源侧的过负荷，如果不当投入，会导致设备过载而发生连锁反应，对电网的安全稳定运行构成威胁。为确保电网和设备安全，需要退出导致设备过载的备自投。

配置备自投策略时，需要综合考虑电网的拓扑结构、运行方式、负荷情况以及电力设备承载能力（容量或载流量）。电力公司每年都要针对输电网进行大量的计划检修工作，不可避免地要对电网运行方式进行调整，同时，电力设备的更换和投退也会引起设备承载能力的变化。为了保证电网的安全可靠运行，需要针对这些变化及时调整备自投策略，避免局部故障发生时因备自投策略配置不当发生故障扩散的情况。

文献[2]提出基于能量管理系统(EMS)开发备自投投退策略在线分析与实时闭环控制系统，实现了备自投投退策略的在线分析。本文将探讨如何利用N-1分析来识别当前备自投策略中存在的问题，并给出调整优化建议。

1 备自投种类

文献[3]描述了常见的备自投运行方式及自投逻辑。概括来说，主要包括如下：

1. 进线备自投

常见于110kV电网变电站单母不分段或单母分段内桥接线，有两回及以上进线，一回供电一回备用。自投策略为供电进线永久性故障导致母线失压，备自投动作，断开供电线路开关，合上备用线路开关。

2. 内桥接线备自投

常见于内桥接线结构的变电站，母线由母联开关分段，各段母线由进线供电，母联开关备用。自投策略为进线永久性故障，备自投动作，断开故障线路开关，合上故障线路所带母线分段与相邻母线分段之间的母联开关。

3. 10kV母联备自投

用于保证多台主变供电的变电站中10kV出线的供电可靠性。10kV母线由母联开关分段，各段母线由不同的木主变供电，母联开关备用。自投策略为主变永久性故障，备自投动作，断开故障主变10kV侧开关，合上故障主变所带母线分段与相邻母线分段之间的母联开关。

4. 远方备自投

用于提高110kV网络闭环上串接的两个或两个以上变电站的供电可靠性。通过装置的远方通信功能，实现多个变电站之间的遥测、遥信信息的交互，实现变电站间的互备。远方备自投有母联开关备用和进线开关备用两种工作方式，除了需要跨站通讯外，远方备自投的自投逻辑与内桥接线备自投有些相似，不再赘述。

2 备自投的配合

配置备自投策略时，必须关注上下游备自投的动作时序，以便能够在N-1分析时自动匹配合适的备自投策略，防止备自投误投入或少投入。另一个需要关注的情况是同级备自投的负荷共担情况，利用同级设备的并列运行来降低高负载设备的负载率。

1. 动作时序

一方面，电网中存在大量的T接线路，某一上游线路N-1故障，可能引起多条下游线路失电；另一方面，在变电站内部，高电压等级设备失电（如高压侧进线失电）可能导致低电压等级设备失电（如中低压侧母线）。为了防止N-1发生时上下游自投装置同时投入的情况发生，备自投装置的投入策略中需要包含时序信息，以防止不必要的备自投动作。通常，存在时序配合且先动作的备自投为上级备自投，后动作的为下级备自投。对于时间上存在配合的备自投，可考虑从上游开始逐级增加时延。若将动作时间依次设置为T，T+Td，T+2Td，……，T+nTd，Td为1个单位的备自投动作延时。

2. 负荷共担

如图1所示，如果2#主变负荷较轻，能够独立带4#、5A#、5B#三条母线的负荷，配置备自投策略时可以不考虑负荷共担，这样，当1#主变发生故障时，只有母联245投入，4#母线的负荷转移至2#主变；反之，如果2#主变负荷较重，无法独立带4#、5A#、5B#三条母线的负荷，配置备自投策略时应考虑启动负荷共担，当1#主变发生故障时，母联245和256均会投入，2#、3#主变并列运行，4#母线的负荷将转由2#、3#主变共同承担，从而避免因1#主变故障而导致2#主变过载，增加电网安全运行风险。

图1 涉及负荷共担的10kV母联自投

3 策略优化过程

3.1 生成初始备自投策略

如果第三方系统已经生成了备自投策略，可以考虑直接从第三方系统导入，然后补充缺失的信息。否则，可以根据电网拓扑结构，特别是变电站的接线方式，利用专家经验自动生成备自投策略，然后根据备自投装置的实际配置情况，对自动生成的自投策略进行调整。备自投策略一般需要包含ID，策略类型，厂站信息，故障开关，投入开关1，投入开关2，动作条件，动作时延，负荷共担标志，负荷共担关联ID，投入标志。

其中，策略类型与备自投类型保持一致；投入开关2用于某些需要投入2个开关的特殊情况；动作条件，用于指定备自投启动需要满足的一个或多个条件；动作时延用于确定上下游备自投的动作时序；负荷共担标志用于标识是否需要其他备自投配合来实现负荷共担，负荷共担关联ID为可以实现负荷共担的其他策略的ID；投入标志，用于标识该策略是否启用，当备自投投入会引起连锁反应导致电网安全风险扩散时，应禁止投入。

3.2 运行方式及负荷调整

建立研究态，根据检修计划要求及负荷预测数据，对电网中的开关刀闸状态进行调整，对负荷数据进行变更。

为了简化操作、提高效率，可以考虑基于厂站接线图实现开关刀闸的快捷置反和负荷快速调整功能，通过鼠标点击设备实现快速改变开关刀闸的状态，通过接线图中的设备快速找到需要调整的负荷数据，并利用曲线组件实现负荷的快速调整负荷数据。另外，还可以将调整后的典型运行方式导出，以便在后续的运行方式调整时复用。

3.3 备自投策略验证

基于运行方式调整后的电网拓扑结构及负荷数据，利用N-1分析对系统中的线路和主变逐一进行故障模拟，并利用故障后的电网状态及电压数据选择适配的备自投策略。按照备自投策略，将故障电源侧开关分开，将备用电源侧开关合上，根据实时拓扑，对故障电源供电的负荷进行重新分配，并沿着承接负荷的电源路径向电源点方向追溯，计算沿途经过的所有主变和线路的负载率，判断是否有过载设备。

对于投入后会引起上游设备过载的备自投策略进行筛选，连同与其相关的过载设备及负荷数据一起，作为后续备自投策略优化的基础数据。

由于下游负荷的负荷特性不尽相同，各电力设备的负荷高峰发生的时刻也不同。为了保证校核的准确性，应对96点负荷数据逐一校核，确保能够得到每个设备的最大负载率。

3.4 备自投策略优化

对于需要优化的备自投策略，可按如下顺序尝试给出优化建议：

首先，如果备自投策略及过载设备隶属于同一个变电站，则检查站内接线方式是否存在类似于图1所示的可实现负荷共担的拓扑结构，同时检查是否配置了相应的备自投策略。如果存在，则给出备自投联动实现负荷共担的建议。

否则，分析过载设备的下游是否存在可行的负荷转供方案，以便能够用作故障预案，在故障发生时通过开关的分合将过载设备的负荷降低到不过载或者能够容忍的过载范围内。如果存在负荷转供方案，则允许启用相应的备自投策略，并给出相应的负荷转供方案。

如果既无法通过对备自投策略进行组合实现负荷共担的方式来消除过载，也无法通过对上下游负荷进行转供来消除过载，则给出备自投禁止投入的建议。

4 结论

配置备自投策略时，必须保证备自投投入后不会导致备用电源侧的过负荷，不会造成电网风险的扩散。利用N-1分析，能够快速校验运行方式或负荷变化后当前的备自投配置策略能否满足N-1要求，对于不满足N-1要求的策略，能够给出备自投联动、负荷转供或退出运行的建议，从而显著降低备自投策略配置和优化的难度和工作量，提高电网的安全性。

参考文献

[1] 黄梅.电力系统自动装置[M]．北京：中国电力出版社，2000：3-5.

[2] 李俊格，刘育权，高强，等. 备自投投退策略在线分析与实时闭环控制系统[J].电力系统自动化, 2017,41(10):123-128. DOI:10.7500/AEPS20160913004.

LI Junge, LIU Yuquan, GAO Qiang, et al. Busbar Automatic Transfer Switch Strategy in Online Analysis and Real-time Closed-loop Control System[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(10):123-128. DOI:10.7500/AEPS20160913004.

[3] 张欣欣，徐丽萍. 备自投在地区电网中的多元化应用. 山东工业技术，2013,13：102-103.

作者简介

作者1（1972-），女，华北石油管理局有限公司电力分公司，本科硕士，高级工程师，主要研究方向为电网调控运行及其自动化。

作者2（1970-），男，华北石油管理局有限公司电力分公司，研究生，高级工程师，主要研究方向为电网调控运行及其自动化。