配電網合環轉供電研究及輔助軟件開發

韋　斌，楊豐任，曹　松

(1.國網重慶南川區供電有限責任公司，重慶　408400；2.重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶　400044)

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配電網合環轉供電研究及輔助軟件開發

韋斌1，楊豐任2，曹松1

(1.國網重慶南川區供電有限責任公司，重慶408400；2.重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶400044)

經過長期的發展，國內配電網普遍形成了"閉環設計，開環運行"的供電模式，為了提高供電可靠性，合環轉供電已成為電力公司的常用手段。介紹了配電網合環電流計算方法，以及減小合環操作風險的相關措施；基于所提出的方法開發了配電網合環輔助決策軟件，并將其應用于某地區實際配電網的合環轉電計算分析，對保證配電網合環操作具有重要意義。

配電網；合環操作；合環電流；輔助決策軟件

近年來，隨著經濟社會的發展，人們對配電網供電可靠性的要求日益增高。在故障或檢修時，合環轉供電已成為電力公司的常用手段。在線路檢修和倒負荷時，首先合上聯絡開關形成短時“合環運行”，然后隔離故障檢修段，實現了正常線路段不停電的情況下轉移負荷，減少停電時間。但是，合環過程可能使系統面臨一定的沖擊，過大的電流可能使設備過載或者保護動作[1]。

國內對于配電網合環轉供電的研究已有不少成果，主要集中在合環電流計算方面。文獻[2-3]采用直接法計算合環穩態電流，適合粗略快速計算單環結構的合環電流。文獻[4]采用疊加法計算合環穩態電流，其準確性取決于合環阻抗。文獻[5]采用潮流法計算合環穩態電流。文獻[6-9]建立了數學模型計算合環沖擊電流，推導合環沖擊電流的計算方法，并采用暫態軟件進行仿真計算或根據現場試驗情況，以此指導配電網合環操作。文獻[10-12]針對合環決策仿真軟件研究，開發了基于穩態分析的合環輔助決策軟件，但沒有分析合環沖擊電流。

配電網合環操作存在的風險，僅憑借長期實際運行管理經驗而不經過計算分析來評估是不夠的。判斷配電網是否能夠合環，相應的輔助計算分析必不可少。下面將介紹配電網合環電流計算方法，以及減小合環操作風險的相關措施，并基于提出的方法開發了配電網合環輔助決策軟件，對配電網合環操作具有一定指導作用。

1　配電網合環方式

根據上級電網結構、聯絡開關位置的不同，配電網常見的合環方式可以分為以下3種情況：

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

2)不同電壓等級的2個變電站中壓饋線合環，如220 kV變電站的10 kV饋線與110 kV變電站的10 kV饋線合環，或110 kV變電站的10 kV饋線與35 kV變電站的10 kV饋線合環等，如圖2所示。

3)同一變電站內的中壓饋線或母線聯絡開關合環，如圖3所示。

圖1　同一電壓等級不同變電站的中壓饋線合環

圖2　不同電壓等級的2個變電站中壓饋線合環

圖3　同一變電站內的中壓饋線或母線聯絡開關合環

2　配電網合環電流計算

合環操作后，合環開關處會流過合環穩態電流和合環沖擊電流，并改變合環線路上的潮流分布，準確計算合環后的穩態電流和沖擊電流對于判斷能否合環至關重要。

2.1合環穩態電流計算

為校驗合環穩態電流是否滿足系統運行要求，采用了牛頓法計算合環前后的潮流。在實際計算中，可以主要針對涉及合環回路的局部網絡進行潮流計算。

2.2合環沖擊電流計算

系統在正常運行方式下三相對稱運行，合環操作不考慮故障狀態和非正常運行狀態，可對其中一相進行分析。根據戴維南定理，從合環端口向網絡看，合環沖擊電流暫態計算模型如圖4所示。

圖4　合環沖擊電流計算等效電路

合環后，圖4所示電路的非齊次微分方程為

(1)

式中：Um表示合環開關兩端電壓向量差的峰值；R、L分別表示合環等值電阻、等值電感；δ表示合環時開關兩端電壓相角差。

這是一個一階常系數、線性非齊次微分方程，解得合環沖擊電流全電流表達為

(2)

式中：Ic為穩態合環電流，稱為交流分量或周期分量；Ip又稱直流分量或非周期分量，它按指數規律衰減；Im為合環穩態電流峰值；φ=arctan(X/R)，為合環等值阻抗的阻抗角；C為直流分量起始值；Ta為衰減時間常數，Ta=L/R。

由于電路中存在電感，根據楞次定律，通過電感的電流不能發生突變，即合環前瞬間的電流必須等于合環后瞬間的電流。合環電流不但有周期分量，也有為保持合環前后電流不發生突變的非周期分量。合環電流周期分量是一個穩定的正弦變化量，而非周期分量為衰減的直流分量，當直流衰減至0時，合環進入穩態，合環電流僅有周期分量存在。合環前，合環等效電路電感上的電流為0，即當t=0時i=0，所以有

C=-Imsin(δ-φ)

(3)

合環沖擊電流的全電流表達式可進一步表示為

(4)

當δ-φ=0或者δ-φ=π的倍數時，直流衰減分時事為0，即合環后立刻過渡到穩態；當δ-φ=

(5)

合環沖擊電流非周期分量的衰減不但與本支路的Ta有關，也受其他支路的Ta以及網絡中電流分布的影響。精確計算需求解整個網絡的微分方程組，求解過程復雜繁瑣，工程計算中并不實用。下面根據戴維南定理及合環前后的潮流計算等值阻抗Zeq。

對合環前的網絡進行潮流計算，得到合環前的網絡開環電壓為

Uoc=Ua-Ub

(6)

式中，Ua和Ub分別為聯絡開關兩側節點a和b合環前的電壓。

然后，對合環后的網絡進行潮流計算可以得出流過聯絡開關的穩態環流Iab，則等值阻抗為

(7)

根據上式計算等值阻抗Zeq=Req+jXeq，那么合環點的衰減時間常數為

(8)

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

iM=(1+e-0.01/Ta)

(9)

(10)

2.3非合環支路沖擊電流計算

非合環支路是除了合環聯絡開關所在支路以外的支路；部分非合環支路沖擊電流可能比合環支路的沖擊電流更大，因此，有必要計算分析合環支路沖擊電流對非合環支路電流的影響。

對非合環支路的暫態過程進行分析，可推導出其合環后的電流表達式為

(11)

式中：Ik1和αk1分別為非合環支路k在合環后的穩態電流幅值和初相角；Ck和Tk分別為非周期分量初始值和衰減時間常數(近似計算時可取合環支路的衰減時間常數Ta)；t0為合環時刻。

設合環前支路k的電流為

ik0=Ik0sin(ωt+αk0)

(12)

式中，Ik0和αk0分別為非合環支路k在合環前的穩態電流幅值和初相角。由于合環前后電流不能突變，直流分量初始值應為

Ck=Ik0sin(ωt0+αk0)-Ik1sin(ωt0+αk1)

(13)

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

(14)

(15)

設非合環支路沖擊電流最大值在t1時刻出現，則

(16)

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

(17)

(18)

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

3　配電網合環條件

為了避免合環電流影響系統的安全穩定運行，合環操作不能引起主變壓器或線路過載以及保護元件的動作，因此，合環電流應滿足以下條件：

1)合環后的穩態電流應不使設備過載，且小于過電流保護整定值；

2)合環支路及非合環支路沖擊電流應小于相關限時速斷保護電流整定值。

為了保證合環操作順利進行，避免過大的合環穩態電流及沖擊電流出現，合環操作需盡量滿足以下要求：

1)合環線路的10 kV母線的相序相同，相位相近；

2)合環點兩側的電壓差值盡可能??；

3)參與合環的2個變電站到合環點的綜合阻抗不宜相差過大；

4)2個合環饋線負荷之和不能超過其中一回饋線的最大載流量。

在合環前一般需要計算合環穩態電流和沖擊電流，或進行合環試驗，根據計算和試驗結果確定合環時允許的相位差和電壓差。進行合環操作時，若相位差和電壓差不符合允許要求，須采取適當措施進行調整。

4　減小合環電流措施

合環點兩端電壓存在幅值、相位差異是導致環流增大、保護動作、設備燒毀的一個重要原因。利用仿真可以找出減小環流的一些措施，合理控制合環后的電流，使之在盡量不影響供電可靠性的同時，對電力設備和電力系統的影響達到最小，減少事故的發生。

1)調節變壓器變比

合環穩態電流的大小與聯絡開關兩側的開環電壓差成正比關系，可以通過減小開環壓差減小合環電流。設聯絡開關兩側電壓為U1與U2，則

(19)

可見，對于網絡結構、運行方式、負荷水平一定的系統，通過調節變壓器分接頭的位置可以調節聯絡開關兩側開環電壓，減小合環開關兩側電壓差值，進而減小合環電流。

2)在負荷水平較低時進行合環

合環后的網絡潮流等于合環之前各支路的初始潮流與合環開關兩端電壓相量差引起的增量疊加，在負荷水平較低時，合環前的電流較小，在電壓差不大的情況下合環電流不會顯著增大。同時，系統傳輸功率造成母線間存在相位差，負荷水平較低時，母線間的相位差相對較小，此時進行合環操作，合環電流也相對小。另外，在負荷水平較低時合環，線路、變壓器有更多的容量消納轉供負荷，合環風險降低。

3)投入限流電抗器

調節變壓器分接頭或在負荷水平較低時進行合環操作，都是從減小開環電壓差(相位差或幅值差)的角度來減小合環電流。合環電流的大小與合環等值阻抗成反比關系，為減小合環電流，可以通過投人電抗器以增大合環等值阻抗，限流電抗器的投入對維護系統運行的穩定性有很好的作用。

4)調節電容器補償

改變電容器的無功投入容量，即改變了系統的無功負荷。在實際運行中，電容器的投切往往是成組進行的，折合成的容性電流與感性電流合成后產生的是一個矢量值，作為參與計算的合環變壓器其他線路負荷。調節電容器補償容量必然帶來合環電流的變化。

5　合環輔助決策軟件開發

基于CEES供電網計算分析及輔助決策軟件平臺，建立合理的合環潮流計算模型，開發相應的合環輔助決策軟件，用于指導中壓配網系統的合環轉供電操作。

1)圖形化建模

軟件提供“所見即所得”的圖形化操作界面，用于構建電網模型。繪圖面板支持多級圖元選擇，不同設備按照不同電氣標準有不同圖元顯示方式，可通過二級面板進行選擇。支持所見即所得地進行圖元的添加、刪除、定位、聯接、放大縮小、顯示或隱藏網格、更改設備規格(大小)、更改設備方向、更改符號、顯示或隱藏保護設備、輸入(電氣)屬性值、設置工作狀態等操作。

圖5　合環計算狀態

開關序號穩態電流有效值/A沖擊流有效值/A聯絡線路名穩態電流有效值/A沖擊流有效值/A二段保護值/A三段保護值/A能否合環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)合環計算分析

根據實際電網建模，切換至合環計算功能，進行合環電流計算分析。合環計算功能狀態如圖5所示，計算工具面板包含了計算參數設置、合環計算、停止計算、開環潮流、合環潮流、沖擊電流、報警匯總和顯示報表等功能。

6　算　例

經過近幾年大規模的配電網建設和改造，某城區配電網的健康水平有了明顯提高，城網改造中產生了一定的雙電源或多電源供電模式。為了進一步提升電網供電可靠率，可以對滿足要求的聯絡線路進行不停電的合環操作。基于開發的軟件平臺根據實際電網進行建模，對線路進行合環仿真計算，校驗合環電流是否越限。

在線路最大負荷情況下，對該地區城區中壓線路聯絡點進行合環計算，部分結果如表1所示。由表1可見，城區合環開關及聯絡線路首端的合環穩態電流、沖擊電流均未超過保護整定值，能夠進行不停電的合環轉供電操作。

7　結　論

由于配電網合環開關兩側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，可能導致合環操作中產生過大合環電流，引起速斷保護或過流保護的誤動，擴大停電面積，影響供電可靠性。

采用目前普遍的常規潮流程序，基于合環前及合環后網絡的潮流計算，提出一種計算合環沖擊電流的有效方法，并開發相應的合環輔助決策軟件，更好地指導調度部門進行相關的合環操作。同時，供電公司應進一步完善城市網架結構，健全運行維護體系，建立完善配電網合環相關制度標準，加強人員培訓及積累合環操作經驗，使合環工作趨于常態化，保證配電網安全穩定運行，進一步提升供電可靠率。

[1]李江華．淺析10 kV配網合環產生環流的原因及預防措施[J]．電網技術，2006，30(S1)：199-201．

[2]Xueli Guo，Jiuju Du，Changxiao Qi．Study and Application of Switching Operation of 10 kV Lines Ring Network in Urban Power Distribution Network[C]．Electricity Distribution (CICED)，2012 China International Conference on，2012：1-6．

[3]幸榮霞，姚愛明．環網合環操作的分析[J]．浙江電力，2007，26(1)：66-69．

[4]夏翔，熊軍，胡列翔．地區電網的合環潮流分析與控制[J]．電網技術，2004，27(22)：76-80．

[5]連鴻波，顧振中，余浩斌等．10 kV配電網合環倒負荷研究[J]．華東電力，2012，40(6)：1045-1049．

[6]姜瀚書，孫翀也，賈彥兵，等．10 kV配電網合環電流暫態過程的分析與仿真[J]．黑龍江電力，2011，33(2)：88-90．

[7]李曉柯，李祥發．配電網合環沖擊電流的暫態過程分析與仿真[J]．機電工程，2010，27(5)：67-70．

[8]劉磊，禹化然，金鑫．合環潮流的暫態過程分析[J]．機電工程，2008，25(10)：74-76．

[9]陳霄，王磊，李揚．配電網合環沖擊電流的分析[J]．電力自動化設備，2005，25(4)：40-42．

[10]葉清華，唐國慶，王磊，等．配電網合環操作環流分析系統的開發和應用[J]．電力系統自動化，2002，26(22)：66-69．

[11]錢兵，程浩忠等．電網合環輔助決策軟件研究[J]．電力自動化設備，2002，22(3)：8-11.

[12]賀翔，劉永強，樊利民．基于主網GIM的配電網合環潮流計算[J]．電力系統及其自動化學報，2010，23(3)：36-39．

韋斌(1975)，助理工程師，從事配電運維工作；

楊豐任(1990)，碩士研究生，主要研究方向為配電網規劃與運行。

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

A

1003-6954(2016)03-0067-05

2016-01-23)