智能变电站自适应备用电源自动投入装置及其方法

摘要

一种电力系统技术领域的智能变电站自适应备用电源自动投入装置及其方法，该系统包括：光纤通信模块、光纤通信模块和控制器，控制器分别经第一光纤通信模块与过程层网络相连并交换SV和GOOSE报文，经第二光纤通信模块与站控层网络交换MMS信息；本发明能够自动识别一次系统的断路器运行情况，根据网络拓扑分析，结合对应的电压电流量值判别，生成电气岛，自适应一次系统的变化情况，根据备用电源投入的通用规则，完成站内电源的切换工作。解决了变电站一次系统变化引起的备自投装置更换逻辑甚至更换装置的问题，从而为保证电力系统的安全稳定创造了条件。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种电力系统技术领域的装置及方法，具体是一种基于实时拓扑分析的智 能变电站自适应备用电源自动投入装置及其方法。

背景技术

为了保证电网供电的可靠性，保障比较重要的负荷不间断供电，通常采用两路独立电源对 一个负荷供电，在正常方式下由一路电源供电，另一路备用，当供电电源由于故障或其他原因 而停电失压时，备用电源自动投入继续供电。由于受到数据采集和出口控制手段两方面的限制， 包括机箱大小、传统模拟量采集器的数量、出口继电器的数量、从一次到二次装置的电缆线路 的长度、装置之间缺乏互操作性等，常规变电站二次系统一直采用单元间隔的布置形式，导致站 内各类备用电源自动投入装置一直是分开实现和运行的。

在智能变电站推广形势不可逆转的今天，数据的集中采集和应用已经实现，现在过于分散 的备自投装置由于功能限制而产生定值整定、配合等方面的疑难问题，已经不适合智能变电站 运行的要求。在变电站进行改造或扩建时，一次系统必然发生改变，这样就会出现对已有的备 自投装置重新修改逻辑和二次接线的情况，这样导致了不必要的重复劳动，而且增加了出错的 可能，降低了运行的可靠性。

经过对现有技术的检索发现：中国专利文献号CN101951016A，公开日2011-01-19，记载 了一种基于广域信息的备用电源自动投入自适应建模和控制方法，该技术包括：备自投自适应 建模，建立故障跳闸电源集合至备自投模式集合的多值映射；备用电源过载优化控制策略预决 策；备自投模型优化；区域故障判别；控制策略在线匹配和控制跟踪。

中国专利文献号CN101917063A，公开日2010-12-15，记载了一种主站集中式备用电源自 投方法及系统，该技术其是实时监测EMS系统的遥信变位信息，在监测到遥信变位信息时， 启动备自投的分析过程，获取拓扑模型信息和方式数据断面，进行网络拓扑分析，在分析得出 已经定义了备自投的设备存在拓扑失电的情况下，再判断母线是否真实失压，若是真实失压， 再结合EMS系统的信息，判断设备是否闭锁备自投，如果没有闭锁备自投，再筛选确定出所 采用的备自投方案，以执行该备自投方案对应的序列动作。

中国专利文献号CN101826752A，公开日2010-9-8，记载了一种自适应电网运行方式的备 自投装置动作模拟方法，该技术对备自投装置策略进行梳理，通过工作母线、备供开关构成的 逻辑表达式来组织备自投控制策略结构；根据预想开断开关的两端拓扑连接特点，判断开关开 断后是否会新增电气岛；对开断后的电网重新进行拓扑着色，以识别工作母线、备供开关带电 状态；根据带电状态匹配得到备自投控制策略；执行所匹配策略中动作延时最小的控制策略， 跳开相应的主供开关，合上备供开关，根据负荷转移情况和设备的额定功率采取相应过负荷联 切；对备供开关合上后的电网进行拓扑着色，从而确定工作母线、备供开关带电状态。

但是上述现有技术均需要事先定义备用电源等情况，才能在分析情况变化的基础上进行备 自投，不具备自动识别一次系统接线变化进行自适应调整来完成备用电源自动投入的功能。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种智能变电站自适应备用电源自动投入装置 及其方法，能够自动识别一次系统的断路器运行情况，根据网络拓扑分析，结合对应的电压电 流量值判别，生成电气岛，自适应一次系统的变化情况，根据备用电源投入的通用规则，完成 站内电源的切换工作。解决了变电站一次系统变化引起的备自投装置更换逻辑甚至更换装置的 问题，从而为保证电力系统的安全稳定创造了条件。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种智能变电站自适应备用电源自动投入装置，包括：光纤通信模块、光纤通 信模块和控制器，其中：控制器分别经第一光纤通信模块与过程层网络相连并交换SV和 GOOSE报文，经第二光纤通信模块与站控层网络交换MMS信息。

所述的控制器完成SCD文件分析、静态网络拓扑结构模型生成、断路器体生成、实时拓 扑分析、电气岛规则应用、备自投规则应用等步骤，并形成动作结果，将结果通输出至智能组 件和上传至监控系统。

所述的控制器包括：SCD文件分析单元、静态网络拓扑结构模型生成单元、断路器体生 成单元、实时拓扑分析单元、电气岛规则应用单元和备自投规则应用单元，其中：SCD文件分 析单元与静态网络拓扑结构模型生成单元相连接并传输一次系统各元件的独立信息，静态网络 拓扑结构模型生成单元与断路器体生成单元相连接并传输断路器相关的位置与模拟量信息，断 路器体生成单元与实时拓扑分析单元相连接并传输组合式断路器信息，实时拓扑分析单元与电 气岛规则应用单元相连接并传输系统动态变动信息，电气岛规则应用单元与备自投规则应用单 元相连接并传输实时判别结果信息，备自投规则应用单元与MMS相连接并传输动作控制命令 信息。

所述的第一光纤通信模块接收过程层网络上传的各种SV和GOOSE信息并将GOOSE控 制命令输出至智能组件。

所述的第二光纤通信模块通过站控层网络将动作报文上传至监控系统。

本发明涉及上述装置的投入方法，包括以下步骤：

第一步、分析SCD文件：控制器的SCD文件分析单元将满足IEC 61850标准的SCD文 件导入并从中解析出电路元件类型以及全站的合并单元提供的电压、电流等模拟量和智能组件 提供的保护、测控装置的动作行为信息并生成数据库；

所述的SCD文件的结构包括：一次设备名称信息、功能信息、状态信息以及与本设备相 关联的二次设备的通讯信息。

所述的数据库为关系型数据库，层次结构的SCD文件经过分析、筛选、整理，有用的数 据信息被扁平化，以二维数据表的形式存储于数据库。

第二步、生成静态网络拓扑结构模型：控制器的静态网络拓扑结构模型生成单元进行电路 简化处理后生成变电站一次设备的静态网状拓扑结构模型；

所述的电路简化处理是指：将变电站内的每个断路器简化为拥有两个端点的元件，其端点 为断路器两端的隔离刀闸，母线简化为一个电气接通的点，不同元件的端点通过连接点连接在 一起，将连接点简化图的顶点，将元件简化为图的边，这个网状的拓扑结构就变成了一个由若 干个顶点和若干条边组成的无向图，形成静态网状拓扑结构模型。

第三步、生成断路器体：断路器体生成单元根据第一步中生成的数据库生成断路器体信息；

所述的断路器体信息包括：断路器位置信息、操作机构信息、电压信息、电流信息、保护 动作信息、测控动作信息。

第四步、实时拓扑分析：实时拓扑分析单元通过识别一次设备的带电状态进行动态拓扑分 析，获得实时拓扑图

所述的动态拓扑分析是指：在静态网络拓扑结构模型中每条边增加了一个连通属性值，当 连通属性值为1时保留该边并表示连通；当连通属性值为0时删除该边并表示断开，同时顶点 保持不变并将所有边的连通属性值刷新一遍后形成实时拓扑图；

第五步、电气岛规则应用：电气岛规则应用单元根据实时拓扑图判断系统内相连接的断路 器的位置和数量，并从进线断路器开始搜索与之相连的母线、变压器高压侧断路器体、低压侧 断路器体或分段断路器体，直至与进线断路器相连的处于分位的断路器，得到一条电气连接串， 即主电源岛，其中处于分位且有压的断路器即为备电源岛；当不存在上述主电源岛和备电源岛 则返回第四步重新进行拓扑分析。

所述的电气岛规则是指：一次系统中相连接的电气设备组成的集合，包括：主电源岛、备 电源岛和负载岛，其中：

所述的主电源岛为实时输出负荷的若干断路器的集合，以进线断路器为起始点，向其他断 路器扩展。通过深度和广度搜索母线、隔刀和断路器位置来判别断路器体是否具有电气连接， 直至断路器处于分位而隔刀处于合位。检测到相关联断路器的信息：合位且有压即可认为是主 电源岛，为部分相连接的断路器的集合。

所述的备电源岛为预备输出负荷的断路器，通过检测全部断路器体信息，以处于分位且有 压的断路器为备电源岛，变压器的高压侧和低压侧断路器成对出现作为备电源岛。

所述的负载岛为准备接受备用电源的断路器或断路器组，其必须是由主电源岛变化而来 的，从断路器体信息上应该为合位+无压即为负载岛，为部分相连接的断路器的集合。

第六步、备自投规则应用：备自投规则应用单元判断备自投条件是否符合，具体包括：

a)系统内必须有主电源岛和备电源岛；

b)当有主电源岛变为负载岛时才允许动作；

c)就近原则，距离负载岛最近的备电源岛进行动作；

d)动作结果是将备电源岛变为主电源岛；

e)手跳或遥跳后的断路器不能作为负载岛出现；

f)备自投动作后需闭锁15S。

上述条件之间为和关系，但存在时序差别，具体如下：

当有主电源岛和备电源岛时进入负载岛判别过程。

当部分主电源岛出现分裂状态或全部主电源岛消失，产生负载岛时进入备自投规则判别， 产生动作结果，完成后转入第四步继续顺序执行。

当负载岛的产生是因为手跳或遥跳后的断路器不能作为负载岛出现的情形导致的，则不进 入备自投规则判别，转入第五步并重新进行主电源岛和备电源岛的判别。

第七步、动作结果经过光纤通信模块输出到智能组件进行跳闸、合闸操作，并且通过MMS 上传至监控系统显示，完成全站备用电源自动投入的全部步骤。

本发明能够快速准确的自动反映一次系统的各类变化，根据普遍适用的投入规则完成备用 电源的自动投入，而且步骤合理有效，完全满足《国家电网公司2011年新建变电站设计补充 规定》中对备用电源投入的要求。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为实施例一次接线及备用电源自动投入示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给 出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本实施例包括：备用电源自动投入装置、合并单元、智能组件，完成站内备 用电源自动投入功能。其中：

继电保护系统二次回路接线在线监测装置以本发明技术方案设计，包括光纤通信模块1、 光纤通信模块2、控制器，通过站控层网络与监控系统交换MMS信息。备用电源自动投入装 置通过过程层网络接收合并单元的SV信息、与智能组件交换GOOSE报文信息。

如图2所示，在一次系统中，根据本发明方案，利用一次系统接线的拓扑结构图，准确的 判别处于备用状态的断路器的具体位置。在本实施案例中，共有2个断路器处于备用态：510 和310，其余均处于工作态，均完成相对应的备用电源投入，按发明技术方案，基于实时拓扑 分析的自适应方式，可有效、准确的完成备用电源自动投入。

本实施案例通过以下步骤实现涉及的备用电源自动投入：

1)SCD文件分析。将进线I断路器501，进线II断路器502，1#变高压侧断路器5101， 1#变低压侧断路器3101，2#变高压侧断路器5201，2#变低压侧断路器3201，馈线断路器313、 314、321、322，电容器组断路器311、312、323、324，110kV I母、II母，35kV I母、II母， 110kV分段断路器510，35kV分段断路器310等元件分类，并存入数据库中。转到步骤2)继 续执行。

2)静态网络拓扑结构模型生成。每个断路器的两个端点作为顶点，本身作为边，形成了 与断路器数量一致的游离的线段，存入数据库中。转到步骤3)继续执行。

3)断路器体生成。将步骤1)的数据与对应的来自合并单元的SV、智能组件的GOOSE 一一对应，形成数量不变的断路器体，存入数据库中。转到步骤4)继续执行。

4)实时拓扑分析。利用步骤2)和3)的数据，检查各个元件之间的电器联系，得到实时 拓扑图：断路器501、5101、3101、311、312、313、314为连通的边，断路器502、5201、3201、 321、322、323、324为连通的边，结果存入数据库。转到步骤5)继续执行。

5)电气岛规则应用。根据电气岛的3条规则，首先从进线断路器501开始，检索到5101、 3101、311、312、313、314为电气连通的支路且均有压，断路器510、310为本支路的末端， 处于分位且有压，则得到501、5101、3101、311、312、313、314的断路器组为主电源岛，断 路器510、310为备电源岛；再从进线断路器502开始，检索到5201、3201、321、322、323、 324为电气连通的支路且有压，断路器510、310为本支路的末端。处于分位且有压，则得到 502、5201、3201、321、322、323、324的断路器组为主电源岛，断路器510、310为备电源岛。 电气岛规则应用的结果是存在主电源岛2个，备电源岛2个，存入数据库。转到步骤6)继续 执行。

6)备自投规则应用。变电站内实际运行时可能出现不同的情况需要备用电源自动投入， 分如下状态：

6.1)进线I断路器501跳开。控制器检测到501处于分位，根据负载岛的判别规则得到 5101、3101、311、312、313、314的断路器组为负载岛，根据就近原则，判断510的备电源岛 投入运行，则向断路器501的智能组件发送跳闸GOOSE信息；向断路器510的智能组件发送 合闸的GOOSE信息，完成备自投过程。转到步骤4)继续执行。

6.2)1#变压器的高压侧断路器5101或者低压侧断路器3101断开，根据负载岛的判别规则 得到311、312、313、314的断路器组为负载岛，根据就近原则，判断310的备电源岛投入运 行，则向断路器5101和3101的智能组件发送跳闸GOOSE信息；向断路器310的智能组件发 送合闸的GOOSE信息，完成备自投过程。转到步骤4)继续执行。

6.3)进线II断路器502手动或者监控遥控跳开，则根据备自投规则e)不进行负载岛判别， 转到步骤4)继续执行。

备自投过程完成结果以MMS报文模式上传站控层网络。

至此，完成一次自适应备用电源自动投入的全部步骤。

本实施案例与现有技术相比，提供了全站级别的备用电源自动投入的解决方法，并且能够 在一次系统变化后，简便使用变电站的SCD文件，主动检测现在系统的组网方式，使用普遍 的判别规则，完成备用电源的自动投入功能，解决现有的备自投装置对系统变化不能自动适应， 有效避免和预防因更换逻辑和重新整定可能引起的错误，促进电网的安全稳定。