配電網(wǎng)合環(huán)操作快速校驗(yàn)方法研究

霍 健，瞿寒冰，尹茂林，施冬明，賈玉健

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012）

配電網(wǎng)合環(huán)操作快速校驗(yàn)方法研究

霍 健，瞿寒冰，尹茂林，施冬明，賈玉健

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012）

配電網(wǎng)合環(huán)操作產(chǎn)生的合環(huán)電流，會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成不利影響，需要對(duì)合環(huán)電流進(jìn)行計(jì)算校驗(yàn)以保證合環(huán)操作的安全性。提出一種簡(jiǎn)易實(shí)用的配電網(wǎng)合環(huán)操作快速校驗(yàn)方法。首先，在合環(huán)前潮流分布的基礎(chǔ)上，基于疊加原理和戴維南定理計(jì)算合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流；并在滿足工程精度要求的前提下對(duì)計(jì)算公式進(jìn)行簡(jiǎn)化，使其具備更好的實(shí)用性；然后，通過(guò)暫態(tài)過(guò)程分析進(jìn)行合環(huán)沖擊電流的計(jì)算校驗(yàn)。實(shí)際案例分析結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性和實(shí)用性。

配電網(wǎng)；合環(huán)操作；合環(huán)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(wǎng)廣泛采用閉環(huán)接線、開環(huán)運(yùn)行的方式［1］。以合環(huán)調(diào)電的方式實(shí)現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)供是調(diào)控人員在配電網(wǎng)方式調(diào)整、故障處理過(guò)程中的重要手段，也是提高配電網(wǎng)供電可靠性的重要保證。然而，不同主變壓器之間通過(guò)配電線路合環(huán)產(chǎn)生的合環(huán)電流［2］及合環(huán)瞬間產(chǎn)生的合環(huán)沖擊電流［3］，可能會(huì)造成相關(guān)設(shè)備過(guò)載甚至保護(hù)動(dòng)作跳閘。目前調(diào)控人員通常采用規(guī)程規(guī)定的定功角差（20%）及定電壓差（20%）的方式進(jìn)行合環(huán)操作的校驗(yàn)［4-5］，但這樣的標(biāo)準(zhǔn)僅適用于一般情況，不具備可靠性。因此，尋求一種簡(jiǎn)易實(shí)用的，適用于調(diào)度運(yùn)行的配電網(wǎng)合環(huán)電流計(jì)算及校驗(yàn)方法，具有重要的工程意義。

配電線路R／X值較大，且配電網(wǎng)設(shè)備多元，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，線路阻抗等參 數(shù)難以準(zhǔn)確獲?。?，6］，因此牛頓-拉夫遜、PQ分解等傳統(tǒng)的潮流計(jì)算方法不適用于配電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行工程實(shí)際。文獻(xiàn)［4］提出了配電網(wǎng)合環(huán)電流計(jì)算的模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了中壓配網(wǎng)合環(huán)操作可行性分析，文獻(xiàn)［6］提出一種基于補(bǔ)償法和節(jié)點(diǎn)方程的配網(wǎng)合環(huán)快速模擬法，文獻(xiàn)［7-8］提出了基于疊加原理的配電網(wǎng)合環(huán)電流快速計(jì)算方法，但以上方法均未考慮合環(huán)瞬間沖擊電流的影響；文獻(xiàn)［3］提出了配網(wǎng)合環(huán)沖擊電流簡(jiǎn)化計(jì)算公式，利用最佳頻率法準(zhǔn)確求取合環(huán)沖擊系數(shù)，但計(jì)算仍然依賴牛頓法、PQ法等常規(guī)潮流程序，應(yīng)用于調(diào)度運(yùn)行實(shí)際不夠方便。

提出一種簡(jiǎn)易實(shí)用的，適用于調(diào)度運(yùn)行的配電網(wǎng)合環(huán)電流計(jì)算及校驗(yàn)方法，首先，在合環(huán)前潮流分布的基礎(chǔ)上，基于疊加原理和戴維南定理計(jì)算合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流；并在滿足工程精度要求的前提下對(duì)計(jì)算公式進(jìn)行簡(jiǎn)化，使其具備更好的實(shí)用性；然后，通過(guò)暫態(tài)過(guò)程分析進(jìn)行合環(huán)沖擊電流的計(jì)算校驗(yàn)。濟(jì)南電網(wǎng)10 kV配電系統(tǒng)實(shí)測(cè)及計(jì)算結(jié)果分析對(duì)比驗(yàn)證了本文方法的有效性和實(shí)用性。

1 配電網(wǎng)合環(huán)穩(wěn)態(tài)潮流計(jì)算

目前，地區(qū)電網(wǎng)多為220 kV系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)運(yùn)行、110 kV系統(tǒng)向10 kV系統(tǒng)輻射供電的輸配電模式［9］。10 kV配電線路進(jìn)行合環(huán)操作，220 kV系統(tǒng)通過(guò)10 kV線路形成一個(gè)電磁環(huán)網(wǎng)，其典型接線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)合環(huán)模型示意圖

根據(jù)疊加原理，圖1中支路i、j合環(huán)后的潮流由兩部分疊加而成，一是合環(huán)前支路i、j的初始潮流，二是由合環(huán)開關(guān)處兩端電壓差Uij引起的均衡潮流ΔS［2］。合環(huán)之前各線路的原始潮流可以通過(guò)SCADA系統(tǒng)獲取，合環(huán)操作引起的均衡潮流可以通過(guò)戴維南等效原理計(jì)算［8］。

戴維南等效電路的等效電源E為合環(huán)前合環(huán)開關(guān)兩端的電壓，若合環(huán)支路i、j在合環(huán)開關(guān)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(huán)路中各線路及相應(yīng)變壓器等值阻抗之和。根據(jù)戴維南等效原理，合環(huán)時(shí)的均衡電流為

對(duì)于圖1所示典型輸配電結(jié)構(gòu)的地區(qū)電網(wǎng)，220 kV系統(tǒng)通過(guò)10 kV線路合環(huán)的戴維南等值阻抗ZΣ=RΣ+jXΣ，一般情況下滿足各元件參數(shù)滿足RΣ?XΣ，因此，式（2）可簡(jiǎn)化為

若合環(huán)前支路 i、j的負(fù)荷電流分別為 I0i、I0j，根據(jù)疊加原理，合環(huán)后支路 i、j的穩(wěn)態(tài)電流 I1i、I1j為

通過(guò)合環(huán)均衡電流ICL還可以計(jì)算合環(huán)均衡潮流

由式（5）可以看出，合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓幅值差主要產(chǎn)生無(wú)功環(huán)流，而電壓相角差主要產(chǎn)生有功環(huán)流。結(jié)合式（4）及式（5）可以看出，合環(huán)均衡潮流的存在，使合環(huán)配電線路的有功、無(wú)功分布發(fā)生變化。

2 配電網(wǎng)合沖擊電流分析

配電網(wǎng)合環(huán)操作時(shí)，由于系統(tǒng)中感性元件的存在，合環(huán)瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流。若合環(huán)瞬間戴維南等效電動(dòng)勢(shì)E的初始相角為α，合環(huán)環(huán)路等值阻抗的功率因數(shù)角arctan（X／R）為φ，以 A相為例，穩(wěn)態(tài)合環(huán)電流值 iCL表達(dá)式為因合環(huán)瞬間磁鏈不突變［10］，所以合電流的表達(dá)式為

圖2 合環(huán)初始狀態(tài)電流非周期分量相量

3 配電網(wǎng)合環(huán)操作可行性校驗(yàn)

220 kV或500 kV系統(tǒng)通過(guò)10 kV配電線路合環(huán)，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊主要為兩方面。一是合環(huán)后產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)均衡潮流，可能會(huì)造成相關(guān)線路的負(fù)荷、電流超過(guò)額定值；二是合環(huán)瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的合環(huán)沖擊電流，若瞬時(shí)沖擊電流過(guò)大，超過(guò)線路的速斷保護(hù)定值，會(huì)造成相關(guān)配電線路的跳閘。因此，對(duì)配電網(wǎng)合環(huán)操作的可行性進(jìn)行校驗(yàn)，首先須計(jì)算合環(huán)后的均衡潮流，確保合環(huán)后相應(yīng)配電線路的穩(wěn)態(tài)電流不超過(guò)其限流值；然后校驗(yàn)合環(huán)瞬間的沖擊電流，確保沖擊電流不會(huì)造成合環(huán)配電線路速斷保護(hù)動(dòng)作跳閘。若兩條件均滿足，則配電網(wǎng)的合環(huán)操作是可行的，若任一條件不滿足，則合環(huán)操作不滿足安全條件。

對(duì)于式（2）所示合環(huán)電流計(jì)算及式（3）所示的簡(jiǎn)化計(jì)算，系統(tǒng)自合環(huán)點(diǎn)的戴維南等值電抗Z∑=R∑+jX∑不會(huì)發(fā)生變化，因此若合環(huán)電流過(guò)大不滿足合環(huán)條件，可通過(guò)以下兩種方式調(diào)整，使合環(huán)條件得到滿足。

1）調(diào)節(jié)合環(huán)開關(guān)兩側(cè)電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器分接頭、投切電容器等方式，使合環(huán)開關(guān)兩側(cè)電壓減小至電壓幅值及相角的合環(huán)閉鎖量［4］以下。

2）調(diào)整相應(yīng)配電線路的負(fù)荷，使合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)所在線路特別是合環(huán)點(diǎn)電壓較高一側(cè)所在線路負(fù)荷減小，這樣，經(jīng)式（4）計(jì)算的配電線路潮流可減小至低于額定電流值，滿足合環(huán)條件。

配電網(wǎng)合環(huán)操作校驗(yàn)流程如圖3所示。圖3中，合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓差Uij可以通過(guò)配電自動(dòng)化SCADA系統(tǒng)遙測(cè)獲取，文獻(xiàn)［8］指出，以合環(huán)配電線路所在母線電壓差近似合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓差，也可以將計(jì)算誤差控制在合理范圍內(nèi)。對(duì)于環(huán)路等值阻抗Z∑，由于配電線路的結(jié)構(gòu)、接線方式復(fù)雜，圖1中支路i、j的等值阻抗難以準(zhǔn)確計(jì)算，但在計(jì)算合環(huán)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(jí)輸電線路的等值阻抗，10 kV線路對(duì)Z∑的影響較小，因此，在合環(huán)電流校核計(jì)算過(guò)程中，可認(rèn)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(guò)這樣的方式，調(diào)控人員在合環(huán)前可以較為簡(jiǎn)單的計(jì)算合環(huán)后的電流分布，完成合環(huán)操作安全性的校驗(yàn)，避免了傳統(tǒng)潮流迭代計(jì)算中計(jì)算量大、迭代不收斂等問題。

圖3 配電網(wǎng)合環(huán)操作校驗(yàn)流程圖

4 實(shí)例分析

以濟(jì)南地區(qū)部分電網(wǎng)中10 kV配電線路合環(huán)操作為例，對(duì)本文所述方法的準(zhǔn)確性及可靠性進(jìn)行分析。濟(jì)南地區(qū)部分電網(wǎng)220 kV及110 kV輸配電系統(tǒng)接線如圖4所示。圖4中，220 kV變電站分屬南北供電片區(qū)，僅通過(guò)東部地區(qū)部分220 kV線路互聯(lián)，電氣距離較大；110 kV系統(tǒng)由220 kV變電站供電，110 kV系統(tǒng)分列運(yùn)行。

選取以下兩組不同220 kV供電區(qū)域的10 kV線路進(jìn)行合環(huán)電流計(jì)算及合環(huán)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)例1：110 kV經(jīng)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(huán)。

實(shí)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(huán)。

圖4 濟(jì)南地區(qū)部分220 kV及110 kV系統(tǒng)電網(wǎng)

對(duì)于實(shí)例1及實(shí)例2中合環(huán)操作涉及的4個(gè)220 kV變電站，其主變壓器110 kV側(cè)均為并列運(yùn)行，而4個(gè)110 kV變電站的主變壓器均為分列運(yùn)行。因此，建立如圖1所示的10 kV配電線路合環(huán)計(jì)算模型，220 kV變壓器的等值阻抗為2臺(tái)變壓器等值阻抗并列后的值。4條10 kV線路合環(huán)前的負(fù)荷情況、額定電流值以及速斷保護(hù)整定電流值如表1所示。

表1 相關(guān)10 kV線路負(fù)荷、限流及保護(hù)定值情況 A

合環(huán)電流計(jì)算中，以Sb=100 MVA，220 kV系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓U220b=230 kV，110 kV系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓U110b=115 kV，10 kV系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓U10b=10.5 kV，實(shí)例1及實(shí)例2中合環(huán)操作相關(guān)線路合環(huán)點(diǎn)電壓及合環(huán)環(huán)路等值阻抗（標(biāo)幺值）如表2所示。表2中，合環(huán)環(huán)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(duì)Z∑的影響。

表2 實(shí)例1及實(shí)例2中合環(huán)點(diǎn)電壓及等值阻抗

基于PSCAD／EMTDC仿真環(huán)境，對(duì)圖4所示實(shí)際電網(wǎng)建模仿真［3］，其遙測(cè)量及設(shè)備參數(shù)均取自實(shí)際測(cè)量值，文獻(xiàn)［3］指出，仿真結(jié)果與實(shí)際值誤差在0.01%以下，可作為校驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)。仿真合環(huán)后三相電流波形如圖5所示。利用本文所述方法計(jì)算兩實(shí)例中合環(huán)操作的合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流及沖擊電流值，計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如表3所示。

表3 合環(huán)電流計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

圖5 仿真系統(tǒng)三相合環(huán)電流波形

由圖5及表3可以看出，利用本文所述方法，合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，能夠滿足工程實(shí)際中調(diào)控人員合環(huán)電流校驗(yàn)的需求。合環(huán)沖擊電流計(jì)算值是合環(huán)點(diǎn)電壓電流相位相差90°時(shí)最嚴(yán)重情況下的結(jié)果，因此仿真合環(huán)沖擊電流小于計(jì)算值，符合實(shí)際情況。

結(jié)合表4中合環(huán)電流計(jì)算值及表1中4條10 kV線路的負(fù)荷情況，根據(jù)表1中順序，4條10 kV線路負(fù)荷分別為 341.0 A、81.2 A、425.5 A、132.5 A；合環(huán)后穩(wěn)態(tài)電流不超過(guò)各線路的負(fù)荷電流限額；表4中合環(huán)沖擊電流也不超過(guò)線路速斷保護(hù)定值，滿足合環(huán)條件。合環(huán)后實(shí)際電流分別為331.3 A、90.9 A、422.0 A、135.9 A；與仿真結(jié)果相同，與計(jì)算結(jié)果誤差滿足實(shí)際校驗(yàn)需求。

表4中實(shí)例1及實(shí)例2合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流計(jì)算結(jié)果均略大于實(shí)際值，原因是計(jì)算戴維南等值Z∑過(guò)程中忽略了10 kV線路的等值阻抗的影響。對(duì)于合環(huán)沖擊電流，由于其沖擊系數(shù)KM多在1.8～1.9之間，而在實(shí)際運(yùn)行中，10 kV線路速斷保護(hù)定值均為線路額定負(fù)荷的6倍以上［11］，因此多數(shù)情況下，計(jì)算合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流滿足合環(huán)條件，合環(huán)沖擊電流即在速斷保護(hù)定值以下，可以進(jìn)行合環(huán)操作。

5 結(jié)語(yǔ)

在配電網(wǎng)合環(huán)操作前需要對(duì)合環(huán)電流進(jìn)行計(jì)算和校驗(yàn)，確保合環(huán)后電流變化不超過(guò)設(shè)備容量及繼電保護(hù)的限額。提出一種簡(jiǎn)易實(shí)用的，適用于調(diào)度運(yùn)行的配電網(wǎng)合環(huán)電流計(jì)算及校驗(yàn)方法，基于疊加原理和戴維南定理計(jì)算合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流，通過(guò)暫態(tài)過(guò)程分析進(jìn)行合環(huán)沖擊電流的計(jì)算校驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上總結(jié)了配電網(wǎng)合環(huán)電流計(jì)算校驗(yàn)的流程。濟(jì)南地區(qū)兩個(gè)合環(huán)操作案例的計(jì)算仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，該方法在220 kV系統(tǒng)電氣距離較遠(yuǎn)的情況下，仍然能夠?qū)⒑檄h(huán)電流計(jì)算結(jié)果誤差控制在5%以內(nèi)，能夠滿足合環(huán)電流安全計(jì)算、校核的精度要求，具備良好的有效性和實(shí)用性。

［1］孔濤，程浩忠，王建民，等.城市電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與分區(qū)方式的兩層多目標(biāo)聯(lián)合規(guī)劃［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（10）：59-66.

［2］汲亞飛，趙江河.輻射型配電網(wǎng)合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流計(jì)算方法研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（12）：15-19.

［3］甘國(guó)曉，王主丁，李瑞，等.配電網(wǎng)合環(huán)沖擊電流計(jì)算方法及其簡(jiǎn)化計(jì)算公式［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，38（20）：115-120.

［4］夏翔，熊軍，胡列翔.地區(qū)電網(wǎng)的合環(huán)潮流分析與控制［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（22）：76-80.

［5］肖白，趙龍安，張宇，等.城市中壓配電網(wǎng)合環(huán)操作分析與決策［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42（16）：133-138.

［6］張殷，肖先勇，李長(zhǎng)松，等.基于補(bǔ)償法和節(jié)點(diǎn)方程的配網(wǎng)快速合環(huán)快速模擬法［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2015，47（6）：150-156.

［7］鄒俊雄，周冠波，付軻，等.10 kV配網(wǎng)合環(huán)轉(zhuǎn)電計(jì)算模型與試驗(yàn)分析［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（8）：144-148.

［8］溫建春，孫忠良，李剛.典型配電網(wǎng)合環(huán)潮流分析及控制對(duì)策［J］.山東電力技術(shù)，2012，38（5）：22-24.

［9］吳振輝，彭曉濤，沈陽(yáng)武，等.一種配電網(wǎng)環(huán)型供電模型及其合環(huán)運(yùn)行方式的研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（10）：57-63.

［10］夏道止.電力系統(tǒng)分析［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2011.

［11］廖小君，楊先義.現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員繼電保護(hù)實(shí)用技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2011.

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(guó)網(wǎng)山東省電力公司科技項(xiàng)目（A101-300009250-00007）

2017-03-06

霍 ?。?988），男，工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)度與控制相關(guān)工作。