配電網合環操作快速校驗方法研究

霍 健，瞿寒冰，尹茂林，施冬明，賈玉健

（國網山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250012）

配電網合環操作快速校驗方法研究

霍 健，瞿寒冰，尹茂林，施冬明，賈玉健

（國網山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250012）

配電網合環操作產生的合環電流，會對電網的安全運行造成不利影響，需要對合環電流進行計算校驗以保證合環操作的安全性。提出一種簡易實用的配電網合環操作快速校驗方法。首先，在合環前潮流分布的基礎上，基于疊加原理和戴維南定理計算合環穩態電流；并在滿足工程精度要求的前提下對計算公式進行簡化，使其具備更好的實用性；然后，通過暫態過程分析進行合環沖擊電流的計算校驗。實際案例分析結果驗證了方法的有效性和實用性。

配電網；合環操作；合環潮流；沖擊電流

Abstract:The closing-loop current caused by the closing-loop operation of distribution network may cause impact to the safety of the power system operation.It is necessary to calculate the closing-loop current in order to verify the safety of the closingloop action.A simple and practical method for verifying the closing-loop current is proposed in this paper.The first step in this method is to calculate the steady state current based on the power flow distribution before the closing loop operation，under the guidance of superposition principle and the Thevenin’s theorem.This part of calculation is simplified on the premise of meeting specifi requirement of engineering precision.Then，based on the transient analyses，the impact current is calculated and verified.The effectiveness of this method is verified in real practice and been proved practical.

Key words:distribution network；closingloop operation；closingloop power flow；surge current

0 引言

配電網廣泛采用閉環接線、開環運行的方式［1］。以合環調電的方式實現負荷轉供是調控人員在配電網方式調整、故障處理過程中的重要手段，也是提高配電網供電可靠性的重要保證。然而，不同主變壓器之間通過配電線路合環產生的合環電流［2］及合環瞬間產生的合環沖擊電流［3］，可能會造成相關設備過載甚至保護動作跳閘。目前調控人員通常采用規程規定的定功角差（20%）及定電壓差（20%）的方式進行合環操作的校驗［4-5］，但這樣的標準僅適用于一般情況，不具備可靠性。因此，尋求一種簡易實用的，適用于調度運行的配電網合環電流計算及校驗方法，具有重要的工程意義。

配電線路R／X值較大，且配電網設備多元，結構復雜，線路阻抗等參 數難以準確獲取［2，6］，因此牛頓-拉夫遜、PQ分解等傳統的潮流計算方法不適用于配電網調度運行工程實際。文獻［4］提出了配電網合環電流計算的模型，并在此基礎上進行了中壓配網合環操作可行性分析，文獻［6］提出一種基于補償法和節點方程的配網合環快速模擬法，文獻［7-8］提出了基于疊加原理的配電網合環電流快速計算方法，但以上方法均未考慮合環瞬間沖擊電流的影響；文獻［3］提出了配網合環沖擊電流簡化計算公式，利用最佳頻率法準確求取合環沖擊系數，但計算仍然依賴牛頓法、PQ法等常規潮流程序，應用于調度運行實際不夠方便。

提出一種簡易實用的，適用于調度運行的配電網合環電流計算及校驗方法，首先，在合環前潮流分布的基礎上，基于疊加原理和戴維南定理計算合環穩態電流；并在滿足工程精度要求的前提下對計算公式進行簡化，使其具備更好的實用性；然后，通過暫態過程分析進行合環沖擊電流的計算校驗。濟南電網10 kV配電系統實測及計算結果分析對比驗證了本文方法的有效性和實用性。

1 配電網合環穩態潮流計算

目前，地區電網多為220 kV系統環網運行、110 kV系統向10 kV系統輻射供電的輸配電模式［9］。10 kV配電線路進行合環操作，220 kV系統通過10 kV線路形成一個電磁環網，其典型接線結構如圖1所示。

圖1 配電網合環模型示意圖

根據疊加原理，圖1中支路i、j合環后的潮流由兩部分疊加而成，一是合環前支路i、j的初始潮流，二是由合環開關處兩端電壓差Uij引起的均衡潮流ΔS［2］。合環之前各線路的原始潮流可以通過SCADA系統獲取，合環操作引起的均衡潮流可以通過戴維南等效原理計算［8］。

戴維南等效電路的等效電源E為合環前合環開關兩端的電壓，若合環支路i、j在合環開關處的電壓分別為 Ui、Uj，則電壓差為

戴維南等效阻抗ZΣ=RΣ+jXΣ，為圖1所示環路中各線路及相應變壓器等值阻抗之和。根據戴維南等效原理，合環時的均衡電流為

對于圖1所示典型輸配電結構的地區電網，220 kV系統通過10 kV線路合環的戴維南等值阻抗ZΣ=RΣ+jXΣ，一般情況下滿足各元件參數滿足RΣ?XΣ，因此，式（2）可簡化為

若合環前支路 i、j的負荷電流分別為 I0i、I0j，根據疊加原理，合環后支路 i、j的穩態電流 I1i、I1j為

通過合環均衡電流ICL還可以計算合環均衡潮流

由式（5）可以看出，合環點兩側電壓幅值差主要產生無功環流，而電壓相角差主要產生有功環流。結合式（4）及式（5）可以看出，合環均衡潮流的存在，使合環配電線路的有功、無功分布發生變化。

2 配電網合沖擊電流分析

配電網合環操作時，由于系統中感性元件的存在，合環瞬間會產生較大的沖擊電流。若合環瞬間戴維南等效電動勢E的初始相角為α，合環環路等值阻抗的功率因數角arctan（X／R）為φ，以 A相為例，穩態合環電流值 iCL表達式為因合環瞬間磁鏈不突變［10］，所以合電流的表達式為

圖2 合環初始狀態電流非周期分量相量

3 配電網合環操作可行性校驗

220 kV或500 kV系統通過10 kV配電線路合環，對系統產生的沖擊主要為兩方面。一是合環后產生的穩態均衡潮流，可能會造成相關線路的負荷、電流超過額定值；二是合環瞬間會產生較大的合環沖擊電流，若瞬時沖擊電流過大，超過線路的速斷保護定值，會造成相關配電線路的跳閘。因此，對配電網合環操作的可行性進行校驗，首先須計算合環后的均衡潮流，確保合環后相應配電線路的穩態電流不超過其限流值；然后校驗合環瞬間的沖擊電流，確保沖擊電流不會造成合環配電線路速斷保護動作跳閘。若兩條件均滿足，則配電網的合環操作是可行的，若任一條件不滿足，則合環操作不滿足安全條件。

對于式（2）所示合環電流計算及式（3）所示的簡化計算，系統自合環點的戴維南等值電抗Z∑=R∑+jX∑不會發生變化，因此若合環電流過大不滿足合環條件，可通過以下兩種方式調整，使合環條件得到滿足。

1）調節合環開關兩側電壓。通過調節變壓器分接頭、投切電容器等方式，使合環開關兩側電壓減小至電壓幅值及相角的合環閉鎖量［4］以下。

2）調整相應配電線路的負荷，使合環點兩側所在線路特別是合環點電壓較高一側所在線路負荷減小，這樣，經式（4）計算的配電線路潮流可減小至低于額定電流值，滿足合環條件。

配電網合環操作校驗流程如圖3所示。圖3中，合環點兩側電壓差Uij可以通過配電自動化SCADA系統遙測獲取，文獻［8］指出，以合環配電線路所在母線電壓差近似合環點兩側電壓差，也可以將計算誤差控制在合理范圍內。對于環路等值阻抗Z∑，由于配電線路的結構、接線方式復雜，圖1中支路i、j的等值阻抗難以準確計算，但在計算合環均衡潮流的戴維南等值電路中，相比于變壓器及高電壓等級輸電線路的等值阻抗，10 kV線路對Z∑的影響較小，因此，在合環電流校核計算過程中，可認為Z∑近似等于220 kV及110 kV各變壓器及輸電線路的等值阻抗之和。

通過這樣的方式，調控人員在合環前可以較為簡單的計算合環后的電流分布，完成合環操作安全性的校驗，避免了傳統潮流迭代計算中計算量大、迭代不收斂等問題。

圖3 配電網合環操作校驗流程圖

4 實例分析

以濟南地區部分電網中10 kV配電線路合環操作為例，對本文所述方法的準確性及可靠性進行分析。濟南地區部分電網220 kV及110 kV輸配電系統接線如圖4所示。圖4中，220 kV變電站分屬南北供電片區，僅通過東部地區部分220 kV線路互聯，電氣距離較大；110 kV系統由220 kV變電站供電，110 kV系統分列運行。

選取以下兩組不同220 kV供電區域的10 kV線路進行合環電流計算及合環實驗。

實例1：110 kV經七路變電站10 kV七二線與110 kV天橋變電站10 kV天安線合環。

實例2：110 kV朱莊變電站 10 kV朱航線與110 kV大金變電站10 kV金航線合環。

圖4 濟南地區部分220 kV及110 kV系統電網

對于實例1及實例2中合環操作涉及的4個220 kV變電站，其主變壓器110 kV側均為并列運行，而4個110 kV變電站的主變壓器均為分列運行。因此，建立如圖1所示的10 kV配電線路合環計算模型，220 kV變壓器的等值阻抗為2臺變壓器等值阻抗并列后的值。4條10 kV線路合環前的負荷情況、額定電流值以及速斷保護整定電流值如表1所示。

表1 相關10 kV線路負荷、限流及保護定值情況 A

合環電流計算中，以Sb=100 MVA，220 kV系統基準電壓U220b=230 kV，110 kV系統基準電壓U110b=115 kV，10 kV系統基準電壓U10b=10.5 kV，實例1及實例2中合環操作相關線路合環點電壓及合環環路等值阻抗（標幺值）如表2所示。表2中，合環環路等值阻抗Z∑為圖1所示模型中220kV及110kV變壓器和線路等值阻抗之和，忽略10kV線路的阻抗對Z∑的影響。

表2 實例1及實例2中合環點電壓及等值阻抗

基于PSCAD／EMTDC仿真環境，對圖4所示實際電網建模仿真［3］，其遙測量及設備參數均取自實際測量值，文獻［3］指出，仿真結果與實際值誤差在0.01%以下，可作為校驗計算結果的標準。仿真合環后三相電流波形如圖5所示。利用本文所述方法計算兩實例中合環操作的合環穩態電流及沖擊電流值，計算結果與仿真結果對比如表3所示。

表3 合環電流計算結果與仿真結果對比

圖5 仿真系統三相合環電流波形

由圖5及表3可以看出，利用本文所述方法，合環穩態電流計算結果與仿真結果誤差在5%以內，能夠滿足工程實際中調控人員合環電流校驗的需求。合環沖擊電流計算值是合環點電壓電流相位相差90°時最嚴重情況下的結果，因此仿真合環沖擊電流小于計算值，符合實際情況。

結合表4中合環電流計算值及表1中4條10 kV線路的負荷情況，根據表1中順序，4條10 kV線路負荷分別為 341.0 A、81.2 A、425.5 A、132.5 A；合環后穩態電流不超過各線路的負荷電流限額；表4中合環沖擊電流也不超過線路速斷保護定值，滿足合環條件。合環后實際電流分別為331.3 A、90.9 A、422.0 A、135.9 A；與仿真結果相同，與計算結果誤差滿足實際校驗需求。

表4中實例1及實例2合環穩態電流計算結果均略大于實際值，原因是計算戴維南等值Z∑過程中忽略了10 kV線路的等值阻抗的影響。對于合環沖擊電流，由于其沖擊系數KM多在1.8～1.9之間，而在實際運行中，10 kV線路速斷保護定值均為線路額定負荷的6倍以上［11］，因此多數情況下，計算合環穩態電流滿足合環條件，合環沖擊電流即在速斷保護定值以下，可以進行合環操作。

5 結語

在配電網合環操作前需要對合環電流進行計算和校驗，確保合環后電流變化不超過設備容量及繼電保護的限額。提出一種簡易實用的，適用于調度運行的配電網合環電流計算及校驗方法，基于疊加原理和戴維南定理計算合環穩態電流，通過暫態過程分析進行合環沖擊電流的計算校驗。在此基礎上總結了配電網合環電流計算校驗的流程。濟南地區兩個合環操作案例的計算仿真與實驗結果分析表明，該方法在220 kV系統電氣距離較遠的情況下，仍然能夠將合環電流計算結果誤差控制在5%以內，能夠滿足合環電流安全計算、校核的精度要求，具備良好的有效性和實用性。

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Research on Fast Verification Method on Closing Loop Currents of Distribution Networks

HUO Jian，QU Hanbing，YIN Maolin，SHI Dongming，JIA Yujian
（State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

TM732

A

1007－9904（2017）09－0019－05

國網山東省電力公司科技項目（A101-300009250-00007）

2017-03-06

霍 健（1988），男，工程師，主要從事電網調度與控制相關工作。