项目背景
区域电网为了解决电磁合环运行时短路电流超标、潮流控制难度大、继电保护整定配合困难等问题，普遍采用开环运行的方式，但是开环运行后会出现大量由单电源供电的变电站，区域电网的供电可靠性下降，若变电站的主供电源失去，将会导致大量用户失电，若枢纽变电站失电，还可能导致大停电事故，对经济生产造成重大损失。为了提高区域电网的供电可靠性，必须配置备自投装置。由于传统备自投要求所在变电站必须存在热备用开关，而区域电网开环运行时只有开环点所在的变电站存在热备用开关，其他变电站会因为不存在热备用开关而导致传统备自投无法工作，因此，使用传统备自投无法解决区域电网故障时的快速恢复供电问题。针对这种情况，必须配置综合区域电网全景信息的区域备自投以有效提高区域电网的供电可靠性。
另外，随着备用电源自投技术的发展，高电压等级如220kV的备自投也度过了理论验证以及试点应用的时期，近年来在220kV变电站配置备自投装置已经是普遍存在的情况。
在配置了220kV变电站备自投、区域备自投之后，区域电网中会存在多套不同电压等级不同用途的备自投装置，这些备自投装置之间存在着优先级配合关系，如果配合关系处理不当，区域电网故障时可能会引起多套备自投装置动作，从而引发不必要的多次运行方式切换。若采用传统的动作时间定值整定配合，则低优先级的备自投的动作时间将会被整定得过长，不利于快速恢复供电。
针对上述情况，本文提出了一种多层次一体化备自投系统，通过区域电网信息的共享，不仅可解决区域电网故障时的快速恢复供电问题，并且可避免多套备自投的优先级配合失败风险。
传统备自投的功能局限
同一变电站不同电压等级的备自投装置没有信息交互
传统的备自投一般按照电压等级配置，即使在同一个变电站，也会按照不同的电压等级分别配置备自投装置。每台备自投装置只接入本电压等级的相关间隔，不同电压等级的备自投装置之间不交互信息。若变电站存在三个电压等级，则一般会在高压侧、中压侧、低压侧各配置一台备自投装置，若只有两个电压等级，则在高压侧和低压侧各配置一台备自投装置。同一变电站的不同电压等级的备自投是有优先级配合关系的，高压侧的备自投要比中低压侧的备自投优先动作，中压侧和低压侧的备自投优先级相同。当变电站的供电电源发生故障时，应优先通过高压侧备自投为整个变电站恢复供电，这样中低压侧的备自投则不需要再动作。若优先级配合出现问题，可能会出现变电站供电电源发生故障时，中低压侧的备自投先动作，而动作完成后由于高压侧备自投仍然满足动作条件，仍然会再次动作，这就会引发多次运行方式切换，而且中低压侧备自投的动作是多余的。
为了实现正确的优先级配合，传统备自投普遍采用时间级差整定配合的方式来实现，要求中低压侧的备自投装置的跳闸时间按照躲开高压侧备自投的动作时间来整定，这包括高压侧备自投的跳闸时间、主供断路器跳开时间、合闸时间、备用断路器合闸时间，同时还要考虑一定的时间裕度。这种时间定值配合的方式虽然实现了优先级配合，但是存在弊端。
第一，为了满足配合关系，中低压侧备自投的动作时间被延长了，如果高压侧备自投不满足动作条件，只能由中低压侧备自投来恢复供电时，中低压侧备自投必须要经过较长的延时后才能动作，不利于快速恢复供电。
第二，不同厂家的备自投装置计时方法不尽相同，若高压侧和中低压侧的备自投装置来自不同厂家，虽然在定值整定时中低压侧备自投躲开了高压侧备自投的动作时间，但在实际发生故障时由于计时方式的不同可能仍会出现中低压侧备自投抢动的情况，低压侧动作完成后高压侧再次动作，导致多余的运行方式切换，这种失配情况曾在多个变电站发生过。
造成上述情况的原因在于同一变电站内不同电压等级的备自投装置之间没有信息交互，优先级配合采用的是间接的时间级差整定配合，如果能够交互信息，采用直接的逻辑配合，高压侧满足动作条件时通过逻辑配合保证优先动作，高压侧不满足动作条件时则直接允许中低压侧备自投动作，则既可实现准确的优先级配合，又不需要延长中低压侧的动作时间。
同一区域电网中不同变电站之间无信息交互
110kV区域电网中，双电源串供结构是一种典型的供电结构，通过两个电源站给中间若干个串联在一起的串供变电站供电，为了解决电磁合环运行的弊端，实际运行时采用开环运行的方式，即打开其中一个串供开关，如图1所示。开环运行后，每个串供变电站都变成由单个电源站供电，供电可靠性降低，必须装设备自投装置以提高供电可靠性。而常规的备自投装置必须要有备用电源和处于热备用状态的备用开关，当工作电源失电时，备自投装置跳开原工作电源的开关，合上备用电源的开关，为失压变电站恢复供电。在这种模式下，常规备自投只能对开环点所在的变电站实现备用电源自动投入，其他变电站由于不存在热备用开关，无法实现备用电源自投。如图1中所示的运行方式下，只有站C可以使用备自投装置在其失压时恢复供电，站B和站D在失压时无法通过备自投恢复供电。
图1区域电网串供结构示意图
事实上，从备用电源自投的一般意义上考虑，双电源串供结构开环运行后，每个串供变电站由其中的一个电源变电站供电，另一个电源变电站可作为该串供变电站失电后的备用电源，备用电源是存在的。如图1中的站B失压后，站E可作为其备用电源；站D失压后，站A可作为其备用电源。不能实现备自投的原因在于常规备自投装置要求本站必须具备热备用开关，若热备用开关在其他变电站则无能为力。
造成上述情况的原因在于同一区域电网中的各变电站之间没有信息交互，热备用开关一旦不在本变电站，即使存在备用电源，也无法合上热备用开关。若能够实现区域电网中各变电站之间的信息交互，并配置基于区域电网全景信息的区域备自投，则在图1的运行方式下，站B或站D失压时，也可通过合上开环点C01开关恢复供电。
多层次一体化备自投系统
多层次一体化备自投系统的思路在于充分交互区域电网各变电站之间、变电站各电压等级之间的备自投信息，在此基础上实现区域备自投，并通过一体化逻辑控制命令将区域电网不同用途不同电压等级的多套备自投结合成一套紧密配合的系统。
为了实现这一思路，首先在每个变电站配置站域备自投装置，在实现本变电站所需的备自投功能的基础上，一方面在装置内部实现本变电站不同电压等级多套备自投的信息共享，另一方面预留站间共享信息的接口；之后通过光纤通信网络建立实时通信平台，利用站域备自投装置预留的区域电网信息交互接口，共享区域电网信息，在此基础上配置区域备自投策略控制装置，实现面向区域电网的区域备自投策略控制；通过一体化逻辑控制命令实现区域电网不同用途不同电压等级的多套备自投的优先级配合，使各套备自投在相互配合的基础上层次分明地运行。
通过站域备自投共享全站备自投信息
随着智能变电站技术的发展，继电保护装置在一定程度上实现了功能的集中化，同一台装置可实现多种保护功能。备自投装置在采用数字化接口的基础上，也可以将同一变电站各电压等级的多套备自投装置集中配置在同一台装置里，这就是站域备自投装置。站域备自投装置接入数字化的模拟量及断路器位置等开关量信息，并采用多CPU板卡的设计思路，同时预留站间传输区域电网信息的接口，一种站域备自投的硬件配置如图2所示。
图2一种站域备自投装置
站域备自投装置将变电站各电压等级的各套备自投集中配置到一台装置里，在某些变电站已有应用，但是由于缺乏相应的规范标准，不少站域备自投装置仅着眼于功能的高度集成，简单地将各套备自投集成到一起，并未深入发掘其在共享变电站整体信息方面的优势。
在多层次一体化区域备自投系统中，站域备自投要充分发挥其共享变电站整体信息的优势，在装置内部实现各电压等级备自投信息的交互，高压侧与中低压侧的备自投之间直接通过内部逻辑命令实现优先级配合，彻底解决传统备自投需要通过时间级差整定进行间接配合带来的隐患。
站域备自投装置的中低压侧备自投的动作时间可按自身需要整定，不需躲开高压侧备自投的动作时间。当高压侧备自投满足动作条件时，直接通过内部命令不允许中低压侧备自投动作，若高压侧备自投动作成功，则全变电站恢复供电，中低压侧的备自投动作因动作条件不满足而返回，若高压侧备自投动作失败，则收回不允许中低压侧备自投动作的命令，中低压侧备自投继续动作。若失电范围仅在中压侧或低压侧，高压侧备自投不满足动作条件，则直接允许中低压侧备自投经自身延时动作。这样既可以解决各套备自投之间的优先级配合问题，又不需延长中低压侧备自投的动作时间。
同时，站域备自投装置还预留站间共享信息的接口，通过该接口可以方便地实现区域备自投，如图２中的站间通信插件。
在站域备自投的基础上共享区域电网信息
由于站域备自投已经预留了站间共享信息的接口，在此基础上建立一个实时通信平台，即可实现区域电网的备自投信息共享。目前电力系统传输网普遍采用SDH网络进行通信，可通过SDH网络基于复用通道或者专用通道建立区域电网共享备自投信息的平台。
在建立了信息共享平台后，站域备自投将变电站的实时状态转换为基于IEC61850协议的GOOSE信号发送到信息共享平台上；同时增加一台区域备自投策略控制装置，从信息共享平台上获取区域电网的全景信息，实现区域备自投功能，在系统发生故障时，进行故障定位，识别电源站失压、断路器偷跳、线路故障及母线故障等各种失电情况，在此基础上选择合适的控制策略，为失电的变电站恢复供电，从而实现区域电网故障后的快速恢复供电，改变传统备自投仅能为单个变电站恢复供电的情况。区域备自投的跳合闸命令也采用GOOSE信号通过信息共享平台发送给各变电站的站域备自投装置实际执行。
由于SDH通信网络具有高实时性，同时由于采用了GOOSE信号进行信息交互，区域备自投策略控制装置与各站域备自投装置可实现毫秒级的信息交互，在此基础上，区域备自投的动作速度可达到与站域备自投同等的水平，在这种情况下，在考虑优先级配合策略时可对各套备自投同等考虑，可实现区域备自投优先动作，这对之前基于调度系统的区域备自投由于动作时间明显慢于就地备自投而只能最后动作的情况进行了改进。区域备自投基于区域电网的全景信息进行快速恢复供电，若成功动作则单个变电站的备自投装置不需再动作，根据备自投的优先级配合原则，应该优先区域备自投动作，否则单个变电站的备自投装置动作完成之后还要区域备自投再次动作，增加了方式切换的次数。
同时由于GOOSE是标准协议，即使区域电网中的各变电站采用不同厂家的产品仍可正常共享信息，这可大大提高多层次一体化备自投系统的兼容性和适用范围。
基于上述思路，一种多层次一体化备自投系统的结构如图3所示。
图3一种多层次一体化备自投系统的结构图
在信息共享平台的作用下，可通过共享一体化控制命令的传输将区域备自投与各站域备自投联系在一起并实现优先级配合，具体做法为高优先级的备自投动作时向优先级备自投发送逻辑控制命令不允许其动作，保证低优先级备自投不会抢动。通过这种方式，区域备自投及各站域备自投构成了一个有机结合的多层次一体化备自投，而并非简单的功能堆砌。
多层次一体化区域备自投系统
以常见的双电源串供结构为例，多层次一体化备自投系统的配置如图4所示。
图4一种多层次一体化备自投系统的配置图
配置了多层次一体化备自投系统后，区域电网中将存在多套不同用途的备自投，这些备自投之间并非简单的叠加关系，而是有着清晰的层次关系。
第一层为电源变电站备自投层：由220kV变电站的站域备自投来实现，具体方式一般为220kV变电站的进线备自投或者220kV变电站110kV母线的母联自投。当电源站失压或者其中一条110kV母线失压时，优先由第一层动作为区域电网恢复供电。
第二层为区域备自投层：当区域电网内110kV线路故障时，或者电源变电站失压但是其备自投不具备动作条件，则由区域备自投动作为失压变电站恢复供电。
第三层为站域备自投高压侧备自投层：若前两层的备自投不具备动作条件时，则由站域备自投高压侧备自投动作为本变电站恢复供电。
第四层为站域备自投中低压侧备自投层：若仅为某个串供变电站的中低压侧母线失压或者前三层的备自投都不具备动作条件时，则由站域备自投中低压侧备自投动作为失压母线恢复供电。
以上层次划分也体现了区域电网中多种备自投同时存在时的优先级关系，在存在上述的多级备自投时，如果采用传统的动作时间定值级差整定配合的方式，低优先级的备自投的动作时间将会由于级差的累加而被迫延长，不利于实现快速恢复供电。多层次一体化备自投系统克服了这一弊端，通过信息的共享，在优先级配合上采用一体化逻辑控制的方式，各备自投在动作时间整定上只需考虑自身所需的必要延时，而不需与其他备自投进行时间配合。
以图4为例，多层次一体化备自投系统的动作情况如下：
若220kV变电站失电，第一层备自投满足动作条件，则下发不允许其他层备自投动作的命令，若第一层动作成功，则区域电网恢复供电，各层次的备自投都会返回，若第一层动作失败，则再允许其他层备自投动作；
若AB线故障或CD线故障，第一层备自投不满足动作条件，故不会限制其他层的备自投，第二层备自投满足动作条件，下发不允许第三层和第四层备自投动作的命令，若动作成功，失压变电站恢复供电，则第三层和第四层备自投不满足动作条件，不会再次动作，若第一层动作失败，则收回限制命令；
若CD线故障，并且由于区域电网部分线路检修的原因导致第二层备自投不能用，则只能靠第三层备自投来为串供变电站C来恢复供电，此时第三层备自投在站域备自投内部通过命令不允许第四层备自投动作，若成功恢复供电，则第四层备自投不再满足动作条件，不会再次动作，若动作失败，则收回限制命令，允许第四层备自投继续动作；
若仅为串供变电站B或C主变故障导致中低压侧母线失压，则第一、二、三层备自投都不满足动作条件，故都不会下发不允许低优先级备自投动作的命令，则第四层备自投会按自身延时动作，为失压母线快速恢复供电。
综上，各层次的备自投各司其职并相互配合，高优先级的备自投通过逻辑命令避免出现低优先级的备自投抢动的情况，同时低优先级的备自投还可以作为高优先级备自投动作失败后的后备，大大提高了区域电网的供电可靠性。
在多层次一体化备自投的实施上，若不具备条件直接配置整套系统，可首先在具备条件的变电站配置站域备自投装置，一方面，这实现了单个变电站所需的各电压等级的备自投，并且消除了传统备自投不同电压等级之间配合失败的风险，同时提高了中低压侧备自投的动作速度；另一方面由于预留了站间共享信息的接口，可等到区域电网中的各变电站都配置了站域备自投时，再配置好通信网络并增加一台区域备自投装置即可实现全套的多层次一体化备自投系统。
应用情况
多层次一体化备自投系统在多个区域电网中获得应用，根据区域电网的特点，以两种典型方式为例进行说明。
串联供电结构
区域电网的系统结构不同会影响区域备自投的实现方式，而区域电网以串联供电结构最为典型，针对这种结构的多层次一体化备自投系统在广州荔城片网、贵州兴义区域电网中已进行应用。以贵州兴义区域电网为例，如图5所示。该区域电网可划分为两个串供结构：LG变-XR变-SH变-WSH变、LG变-BK变-QL变-LG变，两串相互独立。
图5贵州兴义区域电网区域备自投实施范围
该多层次一体化备自投系统具备单个110kV变电站的站域备自投功能以及针对区域电网串联供电结构的区域备自投功能，区域备自投与站域备自投的主要配合在于相互之间的优先级配合，基本原则是区域备自投优先动作，站域备自投作为区域备自投的后备和补充。以LG变-XR变-SH变-WSH变构成的串供结构为例，如图6所示。
图6区域备自投动作情况示意图
在图6的运行方式下，F3或F4故障时，多层次一体化备自投系统的区域备自投和SH变的站域备自投都能够为SH变恢复供电，具体过程为跳开S02开关，合上S01开关，为了实现优先级配合，若区域备自投满足动作条件，则向SH变的站域备自投发送暂停动作命令，不允许SH变的站域备自投动作，若区域备自投因为某种原因不满足动作条件，则不发送暂停动作命令，SH变的站域备自投则直接按照自身的判据及延时正常动作；当F1或F2点故障时，只有区域备自投可以实现为XR变恢复供电，具体过程为跳开X01开关，合上S01开关，而这种动作方式面向单个变电站的站域备自投不满足动作条件，故不需配合。在针对串联供电结构的多层次一体化备自投系统中，优先级配合以区域备自投为主，站域备自投作为后备与补充，并通过发送逻辑命令来实现这种优先级配合，在这种情况下，站域备自投的动作时间整定仍按照自身需要考虑，不需考虑与区域备自投的动作时间进行配合。
辐射状供电结构
韶关珠玑片网也采用了多层次一体化区域备自投系统。不同于串联供电结构，如图7所示。韶关珠玑片网为辐射状供电结构，以ZJ变为枢纽变电站，向LH变、QA变、NX变、LD变、HK变供电。由于ZJ变为枢纽变电站，若其110kV母线失电，将会导致珠玑片网孤网运行，而ZJ变恰为单主变供电，因此成为了珠玑片网的最大薄弱点，一旦主变故障，将导致110kV片网孤网运行。110kV片网中的NX变和LH变存在热备用开关，如果通过备自投合上上述的热备用开关，则能够实现110kV片网孤网运行后的重新并网，而常规备自投由于其功能的局限性无法实现这一目标，而多层次一体化区域备自投系统具备了这一功能。
图7韶关珠玑片网系统结构示意图
多层次一体化备自投系统在各变电站配置了站域备自投，同时在ZJ变配置了区域备自投策略控制装置。区域备自投的主要目标是实现110kV片网孤网运行后的重新并网，站域备自投的目标是实现单个变电站失电后的恢复供电，区域备自投与站域备自投在本项目中的分工很明确，但是存在冲突，当ZJ变主变故障后珠玑片网孤网运行时，区域备自投和站域备自投都满足动作条件，而根据备自投的功能规范，站域备自投在为本变电站恢复供电时，必须先跳开原来的主供开关，而这会切断与其他变电站的联系，导致无法为珠玑片网整体恢复供电，因此必须保证区域备自投优先于站域备自投动作。另外，由于本地区存在小水电大量上网的情况，备自投的实际恢复供电时间是不确定的，传统的时间整定配合根本无法实现预期的优先级配合。
多层次一体化备自投系统可以全面解决上述问题。多层次一体化备自投系统中的区域备自投能够综合珠玑片网的全景信息，在ZJ变主变故障导致110kV片网孤网运行时，识别出故障点是在ZJ主变，而并非110kV线路，根据备自投策略选择合NX变的MN线或DN线，如果NX变的备用电源不可用，还可以合LH变的CL线，从而实现110kV片网的整体重新并网。区域备自投动作的同时，给NX变和LH变发送暂停动作的命令，防止其站域备自投动作，实现优先级的可靠配合。而另外一种情况，若ZJ变的110kV母线故障，各110kV变电站已经与枢纽变电站分离，已经不可能为珠玑片网整体恢复供电，则不对站域备自投发送暂停动作的命令，允许各变电站的站域备自投跳开原主供开关，再合上备用电源开关为单个110kV变电站恢复供电。区域备自投与站域备自投各司其职，协调配合，实现了区域电网的整体恢复供电，并解决了多套备自投共存时配合困难的问题。
结论
为了提高区域电网的供电可靠性，弥补常规备自投的不足，本文提出了一种多层次一体化备自投系统，单个变电站不同电压等级的备自投在站域备自投装置内部共享全站信息，变电站之间通过光纤通信网络共享区域电网信息，通过信息的充分共享，实现了区域电网的备用电源自投，同时通过一体化命令控制各层次备自投的动作优先级配合，取代了传统的延时级差整定配合，使区域电网中的多套备自投层次分明地运行，这消除了传统备自投优先级配合上的风险，并且提高了低优先级备自投的动作速度。在这种方式下，区域电网中的备自投级数相对于只配置传统备自投时有所增加，可靠性大有提高，但动作时间不但没有因级数增加而延长，低优先备自投的动作时间还会有所缩短，这对提高区域电网的供电可靠性和快速恢复供电能力有着积极的意义。
作者简介
文屹(1972-)，男，硕士，工程师，研究方向为电力系统继电保护与控制及变电站自动化；
董凯达(1982-)，男，通信作者，硕士，工程师，研究方向为电力系统继电保护与控制；E-mail:dongkd@nrec.com
刘孝旭(1976-)，男，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统继电保护。
参考文献格式
文屹，董凯达，刘孝旭，等.多层次一体化备自投系统的研究及应用[J].电力系统保护与控制,2015,43(23):104-110.
WENYi,DONGKaida,LIUXiaoxu,etal.Studyandapplicationofmulti-levelunifiedauto-transfer-switchsystem[J].PowerSystemProtectionandControl,2015,43(23):104-110.
原标题：多层次一体化备自投系统的研究及应用
