考慮環境因素的配網線路不停電設計研究

聶進培，趙湘文，許興元，丁佳鈺，謝子亮，劉振東，張帆

（廣東電網有限責任公司廣州增城供電局，廣州 511300）

引言

配網連接著電源主網和用戶負荷，有著十分重要的作用。尤其以新能源為主體的新型電力系統，配網網架結構復雜，聯絡開關位置存在位置偏遠、不近道路、負荷分配不均等現象，不利于配網線路不停電作業的開展。

配網不停電作業是指采用帶電作業法、旁路作業法或移動電源法等手段，在保障用戶不停電的前提條件下對配網設備進行施工、檢修、更換、安裝的一種作業方法。

文獻[1, 2]分析了配電不停電作業技術的現狀，并對比了幾種配電不停電作業技術的異同。文獻[3]分析研究了移動發電系統帶電接入10 kV配電網，雖然可實現檢修過程不停電進行，但需要額外的移動發電系統。文獻[4, 5]分析了配電網不停電作業對提高供電可靠性的重要性以及城市配電網的國內外發展現狀與展望。

文獻[6, 7]研究了10 kV配網線路旁路作業的電磁暫態過程，并進行了仿真計算，旁路作業也能使檢修過程不停電進行，但需要額外架設旁路電纜。

文獻[8, 9]研究了應用成本分析法的配網線路分段開關的設置、配電網開關的最優配置模型和優化算法。文獻[10, 11]研究了配電網網架規劃方法以及提升10 kV電纜不停電作業的實用化關鍵技術。

以上文獻都較少考慮環境因素，更多的趨于理論化對配網線路進行改造與優化。因此，本文提出考慮環境因素的配網線路不停電設計，主要體現為在對配網線路的聯絡開關進行設置時，充分考慮不停電作業的特點和需求等環境因素，使得所設置的聯絡開關便于不停電作業的開展。

1 配網線路優化現狀

配電網的分段開關是提高供電系統穩定性的重要手段，通常為了運行維護方便和提高效益，技術人員會在配網線路的不同位置設置一些開關設備；但如果開關的位置設置不合理，就有可能適得其反，使故障范圍擴大[12]。文獻[13]利用成本效益分析法分析配電網開關優化配置的計算方法，得到最優配電網線路的開關設置方案，提高開關設置的合理性與科學性。文獻[14]引入布爾型表達式描述配網不同位置的開關存在性，并根據故障類型確定負荷對應的停電時間，提出一種主要用于輻射型配網的開關優化配置模型。文獻[15]提出基于啟發式方法的三階段優化算法，針對中壓架空線上的分段開關優化配置問題，分別以可靠性指標和總費用目標建模求解。

文獻[16]提出為滿足新型城鎮化建設對用電的需求，將負荷區域按功能性和可靠性等屬性劃分，并對每一區域選取合理的接線模式。文獻[17]提供一種基于N-1準則的電網設備停運原因實時排查及預警方法，來解決電網檢修作業過程中或設備故障發生時無法做到實時排查停運設備并及時對電網進行分析預警的缺陷。但在不停電作業方面，考慮環境因素的配網線路的優化研究尚不多。

2 配網線路的不停電設計

目前電網的配網線路通常是閉環設計、開環運行，當配網線路發生故障或異常而需要進行檢修時，首先將聯絡開關閉合，然后斷開需要檢修的設備進行檢修，這樣就確保了檢修的全過程不停電；但聯絡開關兩側電壓幅值和相位不相等，閉合時勢必會給電網帶來沖擊，因此，如何合理的設置聯絡開關的位置尤為重要，以使閉合聯絡開關時不影響電網的正常運行。

2.1 考慮環境因素約束

中壓線路優化的目標，是在滿足一定的約束條件下，使目標函數最小；同時本文優化的目的是為了使故障發生時，能夠不停電轉供電以提高供電可靠性。

1）氣象條件約束

不停電轉供應在良好天氣下進行，應有適宜的溫度、氣壓、濕度以保安全。風力大于5級，或濕度大于80 %時，不宜進行。如遇雷電、雪、雹、雨、霧等不良天氣，禁止進行。作業過程中若遇天氣突然變化，可能危及人身及設備安全時，應立即停止進行并撤離人員；禁止在雨、雪天氣進行不停電裝備敷設、組裝、回收等工作。

2）地形環境條件約束

為便于中壓發電車的進出和旁路作業系統的接入，中壓線路網架設計時需要考慮地形環境條件的約束，如線路走廊尤其分段開關及桿塔應立于方便中壓發電車進出的道路旁，同時分段開關應避免在田間或地塊中間，以避免旁路作業系統接入困難。

2.2 疊加法原理

根據疊加定理，合環后的支路潮流等于合環前各支路的初始潮流與合環開關兩端電壓差引起的增量相疊加。合環網絡可以等效為一個合環前原有的輻射狀開環運行網絡疊加一個僅由附加電源作用的環狀網絡。疊加法計算合環穩態電流的原理圖如圖1所示。

其中，圖1（a）等效為圖1（b）與圖1（c）的疊加。圖1（b）為純輻射狀網絡，該網絡中的環被解開，保留了原網絡中所有的電源和負荷，形成一個不含環狀結構的純輻射狀網絡；圖1（c）為純環狀網絡，該網絡中所有的電源、負荷以及輻射狀支路被移走，只保留參與合環的支路以及合環開關兩側電壓差的等效電壓源。分別計算兩個分解網絡的電流，然后將計算結果疊加即可得到原網絡的合環穩態電流。

如圖1所示，假設I1、I2為參與合環的兩條饋線上合環后流過的穩態電流，I10、I20為合環前兩饋線上流過的初始電流，IL為環狀網絡中由合環點兩側電壓差引起的穩態環流。則根據疊加定理，合環后兩條饋線上流過的穩態電流可表示為：

圖1 疊加法計算穩態電流的原理圖

其中，穩態環流IL可由下式計算得到：

式中：

△U—合環點兩側電壓差；

Z∑—環網等值總阻抗。

在計算環網等值總阻抗Z∑時，首先將網絡中所有的獨立電源置零，然后對剩下的無源網絡進行網絡變換。即將網絡中所有負荷置零，所有電壓源置成短路狀態時，從合環開關向上級電網看進去，得到的環路阻抗，在工程中將這個值按合環回路中的所有線路阻抗與變壓器阻抗之和來處理。

2.3 合環沖擊影響

目前配網線路閉環設計、開環運行的結構示意如圖2所示。

圖2中，相聯絡的兩條配網線路由同一220 kV變電站供電，通過降壓至不同110 kV變電站，然后再降壓至10 kV變（配）電站，兩條10 kV配網線路通過聯絡開關進行聯絡，以實現檢修過程不停電，黑色分段開關K1、K2、…Kn為常閉運行分段開關，白色分段開關KL為聯絡開關，正常運行時處于斷開狀態。

為便于工程應用計算，對如圖2所示的配網線路供電網絡系統進行必要的簡化，其簡化模型如圖3所示。

圖2 配網線路聯絡示意圖

圖3 配網線路聯絡簡化示意圖

根據簡化模型及文獻[18]可知，沖擊電流大小與合環前電壓差、相角差以及環路線路阻抗等3個因素有關；而沖擊電流大小與電壓幅值差和相角差近似成正比，與環路線路阻抗近似成反比。

因此，對于本文所述相聯絡的配網線路而言，無論將其間哪個分段開關設置為聯絡開關，合環時的環路阻抗相同，因而不同分段開關設計為聯絡開關，其合環沖擊影響主要取決于該分段開關兩側的電壓差（含幅值差和相角差，下同）。

2.4 配網線路不停電設計

聯絡開關不停電設計流程如圖4所示。

圖4 聯絡開關不停電設計流程圖

為使配網線路在故障發生或更換某電氣設備時，能夠進行不停電檢修或更換，那就需要在檢修或更換前，先閉合聯絡開關、再斷開需要檢修或更換的部分。而聯絡開關兩側電壓幅值和相位等差異，將導致其閉合時會給電網帶來一定的影響，合理的選擇聯絡開關的位置以使其閉合時不對電網的安全、穩定運行帶來影響。

3 應用算例

某電網的配網線路供電線路網絡系統如圖5所示。其中變電站A和變電站B電壓相同均為10 kV，各裝設一個出線開關，其間有6個分段開關K1～K6，線路型號均為LGJ-150，單位長度電阻為0.21 Ω，單位長度電抗為0.401 Ω，各變電站及各分段開關之間的線路長度如圖5中標注。

圖5 某電網的配網供電線路網絡系統圖

通過試驗測取氣象環境數據如表1所示，由此可知，符合氣象條件約束。

表1 試驗測取氣象環境數據

依次將分段開關K1～K6設計為聯絡開關，通過潮流計算得到各聯絡開關兩側的電壓差從小到大的排序如下：

從工程應用計算的角度，將分段開關K4設計為聯絡開關的話，檢修時合環沖擊影響是最小的；但經過對該配網線路供電網絡的現場環境勘察發現，分段開關K4處于一人工養魚湖旁邊，且距離公路較遠，不便于施工車輛出入和電網檢修人員操作，因此，綜合考慮環境因素后，不將分段開關K4作為聯絡開關的設計，而將分段開關K5設計為聯絡開關，其現場環境勘察便于電網檢修人員的操作和施工車輛的出入，兩側電壓差也僅次于分段開關K4，合環沖擊影響較小，能夠確保檢修過程電網的安全穩定運行。

4 結語

隨著社會經濟的發展，對供電可靠性要求越來越高；供電企業的作業方式也日趨轉向不停電作業，社會經濟效益不斷提高。配網線路閉環設計、開環運行，加之合理的聯絡開關的設計，使故障發生或設備更換時，可先將聯絡開關閉合、再斷開故障或更換部分進行檢修，實現整個檢修過程負荷不停電轉供，有效提升配電網的供電可靠性以及不停電作業水平，對電網運行和檢修作業有著廣泛的參考價值。