基于5G的電網(wǎng)合環(huán)電流計(jì)算評估及測量分析

王海云， 于希娟， 張?jiān)亳Y， 姚藝迪， 徐鵬

(國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院電網(wǎng)技術(shù)中心， 北京 100075)

隨著城市電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的高速發(fā)展以及運(yùn)行方式的不斷變化，電網(wǎng)常出現(xiàn)短時(shí)合環(huán)的情況，當(dāng)對電網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)內(nèi)故障處理、負(fù)荷轉(zhuǎn)移和設(shè)備檢修時(shí)，常采用某些開環(huán)運(yùn)行輸電線路進(jìn)行合環(huán)的方法[1-2]，以減少停電次數(shù)和停電時(shí)間，提高供電的連續(xù)性和可靠性。由于斷路器閉合前合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)存在電壓差和相角差，因此進(jìn)行合環(huán)操作時(shí)會產(chǎn)生沖擊電流，可能引起繼電保護(hù)裝置的誤動作，嚴(yán)重情況下將引起其他保護(hù)動作跳閘或電網(wǎng)振蕩，這將直接影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3-4]。然而，僅依靠調(diào)度運(yùn)行人員的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來判斷是否進(jìn)行合環(huán)操作，有較大的局限性，將增加停電次數(shù)，降低系統(tǒng)供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性，甚至損壞電氣設(shè)備。文獻(xiàn)[5]所提的潮流模型能夠反映線路氣象隨機(jī)性對電網(wǎng)潮流和線路溫度的影響，但該模型精度低；文獻(xiàn)[6]提出一種改進(jìn)連續(xù)潮流的輸電斷面熱穩(wěn)定傳輸功率極限計(jì)算方法。采用線性最優(yōu)化方法調(diào)整各發(fā)電機(jī)出力，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際有偏差；文獻(xiàn)[7]提出計(jì)及主網(wǎng)等值阻抗的潮流法、忽略主網(wǎng)等值阻抗影響的潮流法及近似公式法，受簡化處理精度較低；文獻(xiàn)[8]提出一種基于分層前探回溯搜索的合環(huán)回路拓?fù)浞治龇椒?，受搜索速度影響較大；文獻(xiàn)[9-10]提出了主動配電網(wǎng)轉(zhuǎn)供優(yōu)化模型，懲罰性變權(quán)最優(yōu)綜合評價(jià)模型，既考慮了權(quán)重的作用，也考慮了指標(biāo)值的作用，但迭代速度和收斂效果受權(quán)重參數(shù)選擇影響大；文獻(xiàn)[11]提出多配電網(wǎng)線路并發(fā)合環(huán)電壓差計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)線路的整體負(fù)荷預(yù)測，但電子傳輸時(shí)長較長；文獻(xiàn)[12]提出一種配電網(wǎng)合環(huán)信號相角差的評估方法，但應(yīng)用范圍有限；文獻(xiàn)[13]在不依賴具體網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的情況下，提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的配電網(wǎng)合環(huán)判定方法；文獻(xiàn)[14]通過指標(biāo)評估進(jìn)行合環(huán)輔助決策，但指標(biāo)權(quán)重需要進(jìn)一步界定；文獻(xiàn)[15]提出了一種基于改進(jìn)多目標(biāo)和聲優(yōu)化算法的綜合調(diào)控策略。由于外部電網(wǎng)運(yùn)行方式多變使得合環(huán)電流的影響程度各異，等值電網(wǎng)參數(shù)無法準(zhǔn)確計(jì)算，且合環(huán)相角差測量的準(zhǔn)確率有待提升，對合環(huán)電流計(jì)算評估誤差比較大。因此，需要明確電網(wǎng)合環(huán)的影響因素，能夠準(zhǔn)確測量合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)的相角，并較為準(zhǔn)確的估算出合環(huán)電流的大小非常重要。

基于此，針對電網(wǎng)合環(huán)電流無法準(zhǔn)確計(jì)算評估，合環(huán)點(diǎn)相角無法準(zhǔn)確測量的問題，現(xiàn)首先分析合環(huán)電流的影響因素，并基于不同運(yùn)行方式的分析，提出等效阻抗的計(jì)算方法及合環(huán)電流的計(jì)算評估方法，而后在合環(huán)點(diǎn)應(yīng)用5G量測終端進(jìn)行相角差采集，并進(jìn)行合環(huán)電流的計(jì)算評估。通過示范應(yīng)用驗(yàn)證方法的有效性和實(shí)用性。

1 合環(huán)電流計(jì)算評估方法

1.1 電網(wǎng)合環(huán)電流影響因素分析

基于戴維南等值定理，可以將兩條母線對應(yīng)的上級電網(wǎng)分別等值成“理想電壓源+串聯(lián)阻抗”的形式，其等值模擬如圖1所示，將其轉(zhuǎn)換成戴維南等效。

Ug1為電源1的電壓幅值；θg1為電源1的電壓相角； Pg1為電源1的有功功率；Qg1為電源1的無功功率； Ug2為電源2的電壓幅值；θg2為電源2的電壓相角； Pg2為電源1的有功功率；Qg2為電源1的無功功率； U1為母線1的電壓幅值；θ1為母線1的電壓相角； U2為母線2的電壓幅值；θ2為母線2的電壓相角； PL1為負(fù)荷1的有功功率；QL1為負(fù)荷1的無功功率； PL2為負(fù)荷2的有功功率；QL2為負(fù)荷2的無功功率圖1 電網(wǎng)合環(huán)等值電路示意圖Fig.1 Schematic diagram of closed loop equivalent circuit of power grid

由圖1可知，合環(huán)電流的影響因素主要為3個(gè)：系統(tǒng)電源電動勢、系統(tǒng)阻抗以及網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷。對于系統(tǒng)電源電動勢，節(jié)點(diǎn)電壓相角的變化方向與電源電動勢相角變化方向相同。對于系統(tǒng)阻抗，針對負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)阻抗增大，節(jié)點(diǎn)電壓向滯后方向變化；系統(tǒng)阻抗減小，節(jié)點(diǎn)電壓向超前方向變化。針對電源節(jié)點(diǎn)，由于電流方向相反，相角與阻抗的變化關(guān)系相反。對于網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷，針對負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，負(fù)荷電流增大，節(jié)點(diǎn)電壓向滯后方向變化；電流減小，節(jié)點(diǎn)電壓向超前方向變化。針對電源節(jié)點(diǎn)，由于電流方向相反，電流與阻抗方向變化關(guān)系相反。

1.2 等值阻抗計(jì)算方法

采用某電網(wǎng)年度夏季高峰負(fù)荷斷面、平峰負(fù)荷斷面、低谷負(fù)荷斷面，依托電力系統(tǒng)仿真軟件(PSD-BPA)，進(jìn)行典型合環(huán)點(diǎn)等值阻抗計(jì)算根系。其中在等值阻抗計(jì)算過程中，如電網(wǎng)參數(shù)準(zhǔn)確齊備的情況下，通過網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣可以求得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣，進(jìn)而得出等值阻抗；但實(shí)際電網(wǎng)如參數(shù)準(zhǔn)確性差，則采用典型方式進(jìn)行等值阻抗分析。

選取某220 kV變電站為例，其220 kV母線共有3個(gè)出線和2個(gè)母聯(lián)開關(guān)，母聯(lián)開關(guān)為2個(gè)不同分區(qū)的跨區(qū)合環(huán)點(diǎn)。改變合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)負(fù)荷、電廠出力、線路或變壓器運(yùn)行方式等情況下，等值阻抗計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同負(fù)荷和發(fā)電廠出力下合環(huán)等值阻抗變化明細(xì)表Table 1 List of equivalent impedance changes of closed loop under different loads and power plant output

表2 改變線路和變壓器運(yùn)行方式下合環(huán)等值 阻抗變化明細(xì)表Table 2 List of equivalent impedance change of closed loop under changing line and transformer operation mode

表3 不同方式下某220 kV變電站母線間合環(huán)等值 阻抗變化明細(xì)表Table 3 List of equivalent impedance between 220 kV buses in a station

由表1和表2可知，改變合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)負(fù)荷、電廠出力、線路或變壓器運(yùn)行方式等情況下，等效阻抗變化不明顯，阻抗實(shí)部差異率不超過0.2%，虛部變化率不超過0.05%。因此，在全網(wǎng)數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確實(shí)時(shí)獲取的情況下，可采用典型運(yùn)行方式，來確定等值阻抗，再計(jì)算合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流，再通過沖擊電流和穩(wěn)態(tài)環(huán)流的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步求得沖擊電流的最大值。

1.3 合環(huán)電流計(jì)算評估方法

合環(huán)電流主要包含合環(huán)前后饋線電流疊加而成，一部分是合環(huán)前各支路的初始電流，一部分是由合環(huán)開關(guān)兩端電壓向量差引起的環(huán)流。對于母線合環(huán)電流，針對母聯(lián)開關(guān)，從開關(guān)兩側(cè)的節(jié)點(diǎn)作為端口進(jìn)行戴維南等值，再采用單位電流法，計(jì)算等值阻抗；針對線路合環(huán)電流，從線路兩側(cè)的節(jié)點(diǎn)作為端口進(jìn)行戴維南等值，再采用單位電流法，計(jì)算等值阻抗。穩(wěn)態(tài)合環(huán)電流計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：SN為基準(zhǔn)容量，一般取1 000 MVA；UN為額定電壓，kV；Zeq為系統(tǒng)等值阻抗；ΔU為合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)的電壓差。

因此，穩(wěn)態(tài)合環(huán)電流與系統(tǒng)等值阻抗成反比，與合環(huán)前兩節(jié)點(diǎn)的電壓差值成正比。但對于合環(huán)暫態(tài)電流，由于整個(gè)合環(huán)環(huán)路呈感性，因此進(jìn)行合環(huán)操作后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)從暫態(tài)過程到穩(wěn)態(tài)過程是逐漸震蕩衰減的，在計(jì)算合環(huán)沖擊電流時(shí)需要對合環(huán)模型建立微分方程，表達(dá)式為

(2)

式(2)中：Emax為合環(huán)電壓差的幅值；ω為系統(tǒng)頻率；t為衰減時(shí)間；φ為合環(huán)時(shí)刻合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓之間的相角差；R和L分別為合環(huán)回路等值電阻和電感。

經(jīng)推導(dǎo)，合環(huán)沖擊電流最大值所對應(yīng)的有效值為

(3)

式(3)中：1+e-0.01R/L為沖擊系數(shù)；Ic為合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流有效值。在電力系統(tǒng)沖擊系數(shù)一般取值1.8，即合環(huán)電流在暫態(tài)過程中可能出現(xiàn)的最大有效值為合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流的1.52倍。

對于非周期分量的衰減時(shí)間，當(dāng)t=2L/R時(shí)，有

(4)

可以認(rèn)為此時(shí)衰減基本完成，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程。在電力系統(tǒng)中，衰減時(shí)間常數(shù)一般約為0.045 s，因此在0.1 s之后，合環(huán)的暫態(tài)過程結(jié)束。在通過沖擊電流和穩(wěn)態(tài)環(huán)流的對應(yīng)關(guān)系，由潮流計(jì)算直接獲取合環(huán)操作穩(wěn)態(tài)電流最大值并進(jìn)一步可求得沖擊電流的最大值。

2 基于5G量測終端的相角差采集和合環(huán)電流計(jì)算評估分析

采用兩臺5G量測終端分別在變電站測控屏量取合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)母線PT二次電壓，終端通過GPS對時(shí)實(shí)現(xiàn)同步。通過終端電流通道采集變電站測控屏內(nèi)CT二次側(cè)合環(huán)電流。應(yīng)用5G大帶寬和低延時(shí)的性能，現(xiàn)場數(shù)據(jù)5G通信的方式回傳主站，調(diào)控運(yùn)行人員通過訪問主站服務(wù)器獲取相量波形數(shù)據(jù)，并應(yīng)用合環(huán)電流計(jì)算評估方法，確定合環(huán)兩側(cè)的相角差和合環(huán)電流的大小。

2.1 5G量測終端性能

同步性能：5G量測終端采用北斗加GPS授時(shí)，同步誤差小于1 μs。當(dāng)終端失去GPS信號將進(jìn)入守時(shí)狀態(tài)(有效時(shí)長約5 h)。在有效守時(shí)時(shí)間內(nèi)GPS信號恢復(fù)，終端自動平滑過渡到同步狀態(tài)。在有效守時(shí)時(shí)間外GPS信號恢復(fù)，終端時(shí)間系統(tǒng)將自動重新對時(shí)，對時(shí)過程終端不上傳采樣數(shù)據(jù)，對時(shí)過程時(shí)長小于6 s。

測量延時(shí)：由于5G量測終端采用文件的方式上傳采樣數(shù)據(jù)(單文件數(shù)據(jù)長度2 s)，故測量延時(shí)包含文件延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)兩部分。

相量計(jì)算精度：獲取合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓的相角差，采樣頻率最高可達(dá)12.8 kHz，最大測量誤差為0.2°。

2.2 相角差采集和合環(huán)電流計(jì)算評估分析

通過5G量測終端的實(shí)時(shí)采集，通過5G網(wǎng)絡(luò)送至主站服務(wù)器，進(jìn)行合環(huán)點(diǎn)電壓相角差走勢圖的采集記錄和顯示，通過滑動窗口算法，按照1 s取20個(gè)點(diǎn)進(jìn)行解析，系統(tǒng)通過2 s進(jìn)行計(jì)算相角差和電壓差，合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓差和相角差走勢圖如圖2、圖3所示。

由圖2可知，合環(huán)點(diǎn)A相電壓差最大值為20.18 kV，最小值為8.09 kV，平均值為14.06 kV；B相電壓差最大值為19.92 kV，最小值為7.69 kV，平均值為13.75 kV；C相電壓差最大值為20.03 kV，最小值為7.68 kV，平均值為13.91 kV。

由圖3可知，合環(huán)點(diǎn)A相電壓相角差最大值為8.8°，最小值為3.3°；B相電壓相角差最大值為8.7°，最小值為3.1°；C相電壓相角差最大值為8.7°，最小值為3.1°。平均電壓相角差約6°。最大值發(fā)生在17:30左右，最小值發(fā)生在24:00左右。通過5G量測終端的實(shí)時(shí)向量采集，為合環(huán)電流計(jì)算提供基礎(chǔ)。通過式(1)～式(4)計(jì)算合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流，在通過沖擊電流和合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步求得沖擊電流的最大值。合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流和沖擊電流評估結(jié)果如圖4所示。

圖2 合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)1母線和2母線電壓差走勢圖Fig.2 Voltage difference between bus 1 and bus 2 on both sides of loop closing point

圖3 合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)1母線和2母線電壓相角差走勢圖Fig.3 Voltage phase angle difference between bus 1 and bus 2 on both sides of loop closing point

圖4 合環(huán)電流計(jì)算評估結(jié)果Fig.4 Calculation and evaluation results of loop closing current

由圖4可知，合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流最大值為23.52 A，最小值為9.43 A，平均值為16.38 A；沖擊電流最大值為35.75 A，最小值為14.33 A，平均值為24.90 A。最大值發(fā)生在17：30，最小值發(fā)生在24：00左右。與電壓相角差趨勢一致，電壓相角差越大，合環(huán)電流越大，該方法可以準(zhǔn)確計(jì)算出合環(huán)暫態(tài)和沖擊電流。

3 結(jié)論

為了提升調(diào)控運(yùn)行人員合環(huán)倒閘的成功率，解決電網(wǎng)合環(huán)電流無法準(zhǔn)確計(jì)算評估的問題，提出了基于5G的電網(wǎng)合環(huán)電流計(jì)算評估方法。并對某實(shí)際電網(wǎng)算例進(jìn)行合環(huán)電流的計(jì)算評估。得到以下結(jié)論。

(1)改變合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)負(fù)荷、發(fā)電廠出力、線路或變壓器運(yùn)行方式等，合環(huán)點(diǎn)等效阻抗變化不明顯，驗(yàn)證了采用典型運(yùn)行方式確定等值阻抗的可行性。

(2)應(yīng)用5G大帶寬低延時(shí)的性能，通過5G量測終端實(shí)現(xiàn)了合環(huán)點(diǎn)電壓向量波形數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，采樣頻率12.8 kHz，最大測量誤差為0.2°，為合環(huán)倒閘操作提供了確定性的依據(jù)。

(3)通過實(shí)際電網(wǎng)應(yīng)用分析，該方法能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確計(jì)算出合環(huán)穩(wěn)態(tài)和沖擊電流，驗(yàn)證了該方法的可行性和實(shí)用性，將有效提升電網(wǎng)運(yùn)行人員合環(huán)倒閘的成功率。