配電網(wǎng)合環(huán)轉(zhuǎn)供電研究及輔助軟件開發(fā)

韋　斌，楊豐任，曹　松

(1.國(guó)網(wǎng)重慶南川區(qū)供電有限責(zé)任公司，重慶　408400；2.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶　400044)

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配電網(wǎng)合環(huán)轉(zhuǎn)供電研究及輔助軟件開發(fā)

韋斌1，楊豐任2，曹松1

(1.國(guó)網(wǎng)重慶南川區(qū)供電有限責(zé)任公司，重慶408400；2.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044)

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)普遍形成了"閉環(huán)設(shè)計(jì)，開環(huán)運(yùn)行"的供電模式，為了提高供電可靠性，合環(huán)轉(zhuǎn)供電已成為電力公司的常用手段。介紹了配電網(wǎng)合環(huán)電流計(jì)算方法，以及減小合環(huán)操作風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)措施；基于所提出的方法開發(fā)了配電網(wǎng)合環(huán)輔助決策軟件，并將其應(yīng)用于某地區(qū)實(shí)際配電網(wǎng)的合環(huán)轉(zhuǎn)電計(jì)算分析，對(duì)保證配電網(wǎng)合環(huán)操作具有重要意義。

配電網(wǎng)；合環(huán)操作；合環(huán)電流；輔助決策軟件

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)配電網(wǎng)供電可靠性的要求日益增高。在故障或檢修時(shí)，合環(huán)轉(zhuǎn)供電已成為電力公司的常用手段。在線路檢修和倒負(fù)荷時(shí)，首先合上聯(lián)絡(luò)開關(guān)形成短時(shí)“合環(huán)運(yùn)行”，然后隔離故障檢修段，實(shí)現(xiàn)了正常線路段不停電的情況下轉(zhuǎn)移負(fù)荷，減少停電時(shí)間。但是，合環(huán)過(guò)程可能使系統(tǒng)面臨一定的沖擊，過(guò)大的電流可能使設(shè)備過(guò)載或者保護(hù)動(dòng)作[1]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于配電網(wǎng)合環(huán)轉(zhuǎn)供電的研究已有不少成果，主要集中在合環(huán)電流計(jì)算方面。文獻(xiàn)[2-3]采用直接法計(jì)算合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流，適合粗略快速計(jì)算單環(huán)結(jié)構(gòu)的合環(huán)電流。文獻(xiàn)[4]采用疊加法計(jì)算合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流，其準(zhǔn)確性取決于合環(huán)阻抗。文獻(xiàn)[5]采用潮流法計(jì)算合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流。文獻(xiàn)[6-9]建立了數(shù)學(xué)模型計(jì)算合環(huán)沖擊電流，推導(dǎo)合環(huán)沖擊電流的計(jì)算方法，并采用暫態(tài)軟件進(jìn)行仿真計(jì)算或根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況，以此指導(dǎo)配電網(wǎng)合環(huán)操作。文獻(xiàn)[10-12]針對(duì)合環(huán)決策仿真軟件研究，開發(fā)了基于穩(wěn)態(tài)分析的合環(huán)輔助決策軟件，但沒(méi)有分析合環(huán)沖擊電流。

配電網(wǎng)合環(huán)操作存在的風(fēng)險(xiǎn)，僅憑借長(zhǎng)期實(shí)際運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)而不經(jīng)過(guò)計(jì)算分析來(lái)評(píng)估是不夠的。判斷配電網(wǎng)是否能夠合環(huán)，相應(yīng)的輔助計(jì)算分析必不可少。下面將介紹配電網(wǎng)合環(huán)電流計(jì)算方法，以及減小合環(huán)操作風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)措施，并基于提出的方法開發(fā)了配電網(wǎng)合環(huán)輔助決策軟件，對(duì)配電網(wǎng)合環(huán)操作具有一定指導(dǎo)作用。

1　配電網(wǎng)合環(huán)方式

根據(jù)上級(jí)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)位置的不同，配電網(wǎng)常見(jiàn)的合環(huán)方式可以分為以下3種情況：

1)同一電壓等級(jí)不同變電站的中壓饋線合環(huán)，如2個(gè)110 kV變電站的10 kV饋線合環(huán)，或2個(gè)220 kV變電站的10 kV饋線合環(huán)等，如圖1所示。

2)不同電壓等級(jí)的2個(gè)變電站中壓饋線合環(huán)，如220 kV變電站的10 kV饋線與110 kV變電站的10 kV饋線合環(huán)，或110 kV變電站的10 kV饋線與35 kV變電站的10 kV饋線合環(huán)等，如圖2所示。

3)同一變電站內(nèi)的中壓饋線或母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)合環(huán)，如圖3所示。

圖1　同一電壓等級(jí)不同變電站的中壓饋線合環(huán)

圖2　不同電壓等級(jí)的2個(gè)變電站中壓饋線合環(huán)

圖3　同一變電站內(nèi)的中壓饋線或母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)合環(huán)

2　配電網(wǎng)合環(huán)電流計(jì)算

合環(huán)操作后，合環(huán)開關(guān)處會(huì)流過(guò)合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流和合環(huán)沖擊電流，并改變合環(huán)線路上的潮流分布，準(zhǔn)確計(jì)算合環(huán)后的穩(wěn)態(tài)電流和沖擊電流對(duì)于判斷能否合環(huán)至關(guān)重要。

2.1合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流計(jì)算

為校驗(yàn)合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流是否滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求，采用了牛頓法計(jì)算合環(huán)前后的潮流。在實(shí)際計(jì)算中，可以主要針對(duì)涉及合環(huán)回路的局部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行潮流計(jì)算。

2.2合環(huán)沖擊電流計(jì)算

系統(tǒng)在正常運(yùn)行方式下三相對(duì)稱運(yùn)行，合環(huán)操作不考慮故障狀態(tài)和非正常運(yùn)行狀態(tài)，可對(duì)其中一相進(jìn)行分析。根據(jù)戴維南定理，從合環(huán)端口向網(wǎng)絡(luò)看，合環(huán)沖擊電流暫態(tài)計(jì)算模型如圖4所示。

圖4　合環(huán)沖擊電流計(jì)算等效電路

合環(huán)后，圖4所示電路的非齊次微分方程為

(1)

式中：Um表示合環(huán)開關(guān)兩端電壓向量差的峰值；R、L分別表示合環(huán)等值電阻、等值電感；δ表示合環(huán)時(shí)開關(guān)兩端電壓相角差。

這是一個(gè)一階常系數(shù)、線性非齊次微分方程，解得合環(huán)沖擊電流全電流表達(dá)為

(2)

式中：Ic為穩(wěn)態(tài)合環(huán)電流，稱為交流分量或周期分量；Ip又稱直流分量或非周期分量，它按指數(shù)規(guī)律衰減；Im為合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流峰值；φ=arctan(X/R)，為合環(huán)等值阻抗的阻抗角；C為直流分量起始值；Ta為衰減時(shí)間常數(shù)，Ta=L/R。

由于電路中存在電感，根據(jù)楞次定律，通過(guò)電感的電流不能發(fā)生突變，即合環(huán)前瞬間的電流必須等于合環(huán)后瞬間的電流。合環(huán)電流不但有周期分量，也有為保持合環(huán)前后電流不發(fā)生突變的非周期分量。合環(huán)電流周期分量是一個(gè)穩(wěn)定的正弦變化量，而非周期分量為衰減的直流分量，當(dāng)直流衰減至0時(shí)，合環(huán)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，合環(huán)電流僅有周期分量存在。合環(huán)前，合環(huán)等效電路電感上的電流為0，即當(dāng)t=0時(shí)i=0，所以有

C=-Imsin(δ-φ)

(3)

合環(huán)沖擊電流的全電流表達(dá)式可進(jìn)一步表示為

(4)

當(dāng)δ-φ=0或者δ-φ=π的倍數(shù)時(shí)，直流衰減分時(shí)事為0，即合環(huán)后立刻過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)；當(dāng)δ-φ=

(5)

合環(huán)沖擊電流非周期分量的衰減不但與本支路的Ta有關(guān)，也受其他支路的Ta以及網(wǎng)絡(luò)中電流分布的影響。精確計(jì)算需求解整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的微分方程組，求解過(guò)程復(fù)雜繁瑣，工程計(jì)算中并不實(shí)用。下面根據(jù)戴維南定理及合環(huán)前后的潮流計(jì)算等值阻抗Zeq。

對(duì)合環(huán)前的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行潮流計(jì)算，得到合環(huán)前的網(wǎng)絡(luò)開環(huán)電壓為

Uoc=Ua-Ub

(6)

式中，Ua和Ub分別為聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)節(jié)點(diǎn)a和b合環(huán)前的電壓。

然后，對(duì)合環(huán)后的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行潮流計(jì)算可以得出流過(guò)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的穩(wěn)態(tài)環(huán)流Iab，則等值阻抗為

(7)

根據(jù)上式計(jì)算等值阻抗Zeq=Req+jXeq，那么合環(huán)點(diǎn)的衰減時(shí)間常數(shù)為

(8)

將式(8)代入式(5)，合環(huán)電流最大瞬時(shí)值將在合環(huán)后約半個(gè)周期(0.01 s)出現(xiàn)，沖擊電流最大瞬時(shí)值和最大有效值分別為

iM=(1+e-0.01/Ta)

(9)

(10)

2.3非合環(huán)支路沖擊電流計(jì)算

非合環(huán)支路是除了合環(huán)聯(lián)絡(luò)開關(guān)所在支路以外的支路；部分非合環(huán)支路沖擊電流可能比合環(huán)支路的沖擊電流更大，因此，有必要計(jì)算分析合環(huán)支路沖擊電流對(duì)非合環(huán)支路電流的影響。

對(duì)非合環(huán)支路的暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行分析，可推導(dǎo)出其合環(huán)后的電流表達(dá)式為

(11)

式中：Ik1和αk1分別為非合環(huán)支路k在合環(huán)后的穩(wěn)態(tài)電流幅值和初相角；Ck和Tk分別為非周期分量初始值和衰減時(shí)間常數(shù)(近似計(jì)算時(shí)可取合環(huán)支路的衰減時(shí)間常數(shù)Ta)；t0為合環(huán)時(shí)刻。

設(shè)合環(huán)前支路k的電流為

ik0=Ik0sin(ωt+αk0)

(12)

式中，Ik0和αk0分別為非合環(huán)支路k在合環(huán)前的穩(wěn)態(tài)電流幅值和初相角。由于合環(huán)前后電流不能突變，直流分量初始值應(yīng)為

Ck=Ik0sin(ωt0+αk0)-Ik1sin(ωt0+αk1)

(13)

分別令A(yù)k=Ik0cosαk0-Ik1cosαk1，Bk=Ik0sinαk0-Ik1sinαk1，則式(13)可以寫成

(14)

(15)

設(shè)非合環(huán)支路沖擊電流最大值在t1時(shí)刻出現(xiàn)，則

(16)

式中，n的取值為滿足以下2個(gè)條件的最小奇數(shù)：1)t1>t0；2)Ik1sin(ωt1+αk1)與直流分量Ck正負(fù)相同。則沖擊電流最大瞬時(shí)值及最大有效值分別為

(17)

(18)

由式(10)、式(18)即可計(jì)算合環(huán)開關(guān)處的沖擊電流以及任意支路上的沖擊電流有效值。

3　配電網(wǎng)合環(huán)條件

為了避免合環(huán)電流影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，合環(huán)操作不能引起主變壓器或線路過(guò)載以及保護(hù)元件的動(dòng)作，因此，合環(huán)電流應(yīng)滿足以下條件：

1)合環(huán)后的穩(wěn)態(tài)電流應(yīng)不使設(shè)備過(guò)載，且小于過(guò)電流保護(hù)整定值；

2)合環(huán)支路及非合環(huán)支路沖擊電流應(yīng)小于相關(guān)限時(shí)速斷保護(hù)電流整定值。

為了保證合環(huán)操作順利進(jìn)行，避免過(guò)大的合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流及沖擊電流出現(xiàn)，合環(huán)操作需盡量滿足以下要求：

1)合環(huán)線路的10 kV母線的相序相同，相位相近；

2)合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)的電壓差值盡可能??；

3)參與合環(huán)的2個(gè)變電站到合環(huán)點(diǎn)的綜合阻抗不宜相差過(guò)大；

4)2個(gè)合環(huán)饋線負(fù)荷之和不能超過(guò)其中一回饋線的最大載流量。

在合環(huán)前一般需要計(jì)算合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流和沖擊電流，或進(jìn)行合環(huán)試驗(yàn)，根據(jù)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果確定合環(huán)時(shí)允許的相位差和電壓差。進(jìn)行合環(huán)操作時(shí)，若相位差和電壓差不符合允許要求，須采取適當(dāng)措施進(jìn)行調(diào)整。

4　減小合環(huán)電流措施

合環(huán)點(diǎn)兩端電壓存在幅值、相位差異是導(dǎo)致環(huán)流增大、保護(hù)動(dòng)作、設(shè)備燒毀的一個(gè)重要原因。利用仿真可以找出減小環(huán)流的一些措施，合理控制合環(huán)后的電流，使之在盡量不影響供電可靠性的同時(shí)，對(duì)電力設(shè)備和電力系統(tǒng)的影響達(dá)到最小，減少事故的發(fā)生。

1)調(diào)節(jié)變壓器變比

合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流的大小與聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)的開環(huán)電壓差成正比關(guān)系，可以通過(guò)減小開環(huán)壓差減小合環(huán)電流。設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)電壓為U1與U2，則

(19)

可見(jiàn)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式、負(fù)荷水平一定的系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器分接頭的位置可以調(diào)節(jié)聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)開環(huán)電壓，減小合環(huán)開關(guān)兩側(cè)電壓差值，進(jìn)而減小合環(huán)電流。

2)在負(fù)荷水平較低時(shí)進(jìn)行合環(huán)

合環(huán)后的網(wǎng)絡(luò)潮流等于合環(huán)之前各支路的初始潮流與合環(huán)開關(guān)兩端電壓相量差引起的增量疊加，在負(fù)荷水平較低時(shí)，合環(huán)前的電流較小，在電壓差不大的情況下合環(huán)電流不會(huì)顯著增大。同時(shí)，系統(tǒng)傳輸功率造成母線間存在相位差，負(fù)荷水平較低時(shí)，母線間的相位差相對(duì)較小，此時(shí)進(jìn)行合環(huán)操作，合環(huán)電流也相對(duì)小。另外，在負(fù)荷水平較低時(shí)合環(huán)，線路、變壓器有更多的容量消納轉(zhuǎn)供負(fù)荷，合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)降低。

3)投入限流電抗器

調(diào)節(jié)變壓器分接頭或在負(fù)荷水平較低時(shí)進(jìn)行合環(huán)操作，都是從減小開環(huán)電壓差(相位差或幅值差)的角度來(lái)減小合環(huán)電流。合環(huán)電流的大小與合環(huán)等值阻抗成反比關(guān)系，為減小合環(huán)電流，可以通過(guò)投人電抗器以增大合環(huán)等值阻抗，限流電抗器的投入對(duì)維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性有很好的作用。

4)調(diào)節(jié)電容器補(bǔ)償

改變電容器的無(wú)功投入容量，即改變了系統(tǒng)的無(wú)功負(fù)荷。在實(shí)際運(yùn)行中，電容器的投切往往是成組進(jìn)行的，折合成的容性電流與感性電流合成后產(chǎn)生的是一個(gè)矢量值，作為參與計(jì)算的合環(huán)變壓器其他線路負(fù)荷。調(diào)節(jié)電容器補(bǔ)償容量必然帶來(lái)合環(huán)電流的變化。

5　合環(huán)輔助決策軟件開發(fā)

基于CEES供電網(wǎng)計(jì)算分析及輔助決策軟件平臺(tái)，建立合理的合環(huán)潮流計(jì)算模型，開發(fā)相應(yīng)的合環(huán)輔助決策軟件，用于指導(dǎo)中壓配網(wǎng)系統(tǒng)的合環(huán)轉(zhuǎn)供電操作。

1)圖形化建模

軟件提供“所見(jiàn)即所得”的圖形化操作界面，用于構(gòu)建電網(wǎng)模型。繪圖面板支持多級(jí)圖元選擇，不同設(shè)備按照不同電氣標(biāo)準(zhǔn)有不同圖元顯示方式，可通過(guò)二級(jí)面板進(jìn)行選擇。支持所見(jiàn)即所得地進(jìn)行圖元的添加、刪除、定位、聯(lián)接、放大縮小、顯示或隱藏網(wǎng)格、更改設(shè)備規(guī)格(大小)、更改設(shè)備方向、更改符號(hào)、顯示或隱藏保護(hù)設(shè)備、輸入(電氣)屬性值、設(shè)置工作狀態(tài)等操作。

圖5　合環(huán)計(jì)算狀態(tài)

開關(guān)序號(hào)穩(wěn)態(tài)電流有效值/A沖擊流有效值/A聯(lián)絡(luò)線路名穩(wěn)態(tài)電流有效值/A沖擊流有效值/A二段保護(hù)值/A三段保護(hù)值/A能否合環(huán)119.1919.73線路1線路2227.84110.8847.13111.0019202160756600能2157.88167.31線路3線路4366.62207.44371.07370.9318001800840840能3124.07124.56線路5線路6130.36497.62261.92497.7618001800600840能462.3163.25線路7線路8436.26311.41436.41370.9318001800840840能571.9178.44線路7線路6182.91397.5185.47411.0121602160840804能

2)合環(huán)計(jì)算分析

根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)建模，切換至合環(huán)計(jì)算功能，進(jìn)行合環(huán)電流計(jì)算分析。合環(huán)計(jì)算功能狀態(tài)如圖5所示，計(jì)算工具面板包含了計(jì)算參數(shù)設(shè)置、合環(huán)計(jì)算、停止計(jì)算、開環(huán)潮流、合環(huán)潮流、沖擊電流、報(bào)警匯總和顯示報(bào)表等功能。

6　算　例

經(jīng)過(guò)近幾年大規(guī)模的配電網(wǎng)建設(shè)和改造，某城區(qū)配電網(wǎng)的健康水平有了明顯提高，城網(wǎng)改造中產(chǎn)生了一定的雙電源或多電源供電模式。為了進(jìn)一步提升電網(wǎng)供電可靠率，可以對(duì)滿足要求的聯(lián)絡(luò)線路進(jìn)行不停電的合環(huán)操作?；陂_發(fā)的軟件平臺(tái)根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)進(jìn)行建模，對(duì)線路進(jìn)行合環(huán)仿真計(jì)算，校驗(yàn)合環(huán)電流是否越限。

在線路最大負(fù)荷情況下，對(duì)該地區(qū)城區(qū)中壓線路聯(lián)絡(luò)點(diǎn)進(jìn)行合環(huán)計(jì)算，部分結(jié)果如表1所示。由表1可見(jiàn)，城區(qū)合環(huán)開關(guān)及聯(lián)絡(luò)線路首端的合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流、沖擊電流均未超過(guò)保護(hù)整定值，能夠進(jìn)行不停電的合環(huán)轉(zhuǎn)供電操作。

7　結(jié)　論

由于配電網(wǎng)合環(huán)開關(guān)兩側(cè)母線電壓存在電壓幅值、相位等差異，以及短路阻抗差太大等原因，可能導(dǎo)致合環(huán)操作中產(chǎn)生過(guò)大合環(huán)電流，引起速斷保護(hù)或過(guò)流保護(hù)的誤動(dòng)，擴(kuò)大停電面積，影響供電可靠性。

采用目前普遍的常規(guī)潮流程序，基于合環(huán)前及合環(huán)后網(wǎng)絡(luò)的潮流計(jì)算，提出一種計(jì)算合環(huán)沖擊電流的有效方法，并開發(fā)相應(yīng)的合環(huán)輔助決策軟件，更好地指導(dǎo)調(diào)度部門進(jìn)行相關(guān)的合環(huán)操作。同時(shí)，供電公司應(yīng)進(jìn)一步完善城市網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，健全運(yùn)行維護(hù)體系，建立完善配電網(wǎng)合環(huán)相關(guān)制度標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)人員培訓(xùn)及積累合環(huán)操作經(jīng)驗(yàn)，使合環(huán)工作趨于常態(tài)化，保證配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)一步提升供電可靠率。

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韋斌(1975)，助理工程師，從事配電運(yùn)維工作；

楊豐任(1990)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行。

After a long period of development, the "closed-loop design, open-loop operation" mode has been generally formed for domestic distribution networks. In order to improve power supply reliability, closing loop operation has become the common use of power companies. The calculation method of closing loop current and the relevant measures of reducing the risk from closing a loop are introduced. Based on the proposed method, an aided decision-making software of closing a loop in a distribution network is developed. The software is applied to the calculation and analysis of closing loop current in an actual distribution network, and is of good practical value and guiding significance.

distribution network; loop closing operation；closing loop current；aided decision-making system

TM726

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1003-6954(2016)03-0067-05

2016-01-23)