快速判斷配電網(wǎng)安全合環(huán)條件的應(yīng)用研究

劉倩影，張啟亮

(國網(wǎng)山東省電力公司濟寧供電公司，山東 濟寧 272000)

0 引 言

在線路檢修或負荷調(diào)整期間，為保障居民、工業(yè)用電的連續(xù)性，需要將受影響用戶降低至最少，因此，合環(huán)調(diào)電(熱倒)操作逐漸取代以往“冷倒”方式。對于合環(huán)調(diào)電線路，應(yīng)滿足合環(huán)條件，確保合環(huán)后潮流的變化不會超過繼電保護、設(shè)備容量等方面的限定值，并考慮線路保護的靈敏性。同時，調(diào)電設(shè)備不得與故障區(qū)域連接，防止調(diào)電造成故障范圍擴大等危險情況。

文獻[1-2]闡述了實際工作中進行配網(wǎng)合環(huán)操作的必要性，分析了合環(huán)操作中遇到的問題，總結(jié)概述了合環(huán)條件，定性地提出了應(yīng)對措施，全文重在理論描述相關(guān)操作要點。文獻[3-4]結(jié)合中小城市配網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點，通過建立合環(huán)系統(tǒng)等值模型，推導合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流與沖擊電流計算式，分析影響合環(huán)電流的要因，并提出減小合環(huán)電流的措施，全文重在分析合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流與沖擊電流計算式組成要素，而忽略了對配網(wǎng)線路電流三段式保護的影響。文獻[5]在惠州市10 kV配電網(wǎng)等值模型基礎(chǔ)上，依據(jù)10 kV配網(wǎng)線路電流三段式保護整定原則，分析合環(huán)操作對繼電保護的影響，并給出配合策略，有一定的參考意義。文獻[6-7]通過研發(fā)配網(wǎng)合環(huán)輔助決策軟件或環(huán)流分析系統(tǒng)，合環(huán)操作前，調(diào)度員只需輸入合環(huán)線路相關(guān)參數(shù)即可判斷能否合環(huán)，但未考慮配網(wǎng)線路點多、面廣、易變動等特點，不能實時反映現(xiàn)場接線方式，造成計算結(jié)果與實際情況偏差較大等問題。文獻[1-7]僅對配網(wǎng)合環(huán)操作某個要點進行了定性或定量研究，計算式所含參數(shù)不能直接查詢獲得，實際操作中依然不能快速有效指導配網(wǎng)調(diào)控人員判斷是否可以合環(huán)。

為快速有效判斷配網(wǎng)線路能否合環(huán)，該文在濟寧地區(qū)配網(wǎng)典型合環(huán)模型之上，結(jié)合調(diào)度SCADA系統(tǒng)電網(wǎng)實時運行工況(變壓器及分接頭位置、母線電壓及功率、線路最大容許電流及穩(wěn)態(tài)電流等參數(shù))，研究合環(huán)對電流三段式保護的影響，推導出合環(huán)前、后穩(wěn)態(tài)電流的簡化計算式，并得出根據(jù)合環(huán)前穩(wěn)態(tài)電流的大小即可判斷出能否合環(huán)的結(jié)論。該方法簡單快捷、安全有效，具有一定的可行性。

1 配電網(wǎng)合環(huán)等值模型

濟寧地區(qū)典型合環(huán)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，110 kV側(cè)為甲站A變壓器和乙站B變壓器，10 kV側(cè)線路L1和L2現(xiàn)場已核相，初步具備合環(huán)條件，通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)K連接。正常情況下，聯(lián)絡(luò)開關(guān)K分閘；需要合環(huán)運行時，聯(lián)絡(luò)開關(guān)K合閘。該合環(huán)網(wǎng)絡(luò)實時運行工況參數(shù)可從調(diào)度SCADA系統(tǒng)中查詢獲得。

圖1 濟寧地區(qū)典型合環(huán)網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Typical closed loop network in Jining area

圖2 濟寧地區(qū)典型合環(huán)網(wǎng)絡(luò)簡化圖Fig.2 Simplified diagram of typical closed loop network in Jining area

2 配電網(wǎng)合環(huán)分析

2.1 配電網(wǎng)合環(huán)電流

(1)

(2)

式中：k為沖擊系數(shù)[8]，取1.62。

定義Imax為10 kV線路最大容許電流，Iset為對應(yīng)線路電流保護整定值，若有

(3)

(4)

當式(3)、(4)同時成立時，合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流在線路自身承受范圍內(nèi)，暫態(tài)過程也不會引起繼電保護誤動作，可確保合環(huán)的安全性。

對于配網(wǎng)線路電流三段式保護，其整定值滿足

Imax≤Iset

(5)

由式(3)～(5)求解，得到

I1≤Imax-Ic

(6)

當式(6)成立且Ic可計算時，值班人員便可根據(jù)合環(huán)前線路穩(wěn)態(tài)電流I1的大小，判斷能否直接合環(huán)。

根據(jù)疊加定理及圖2所示參數(shù)，可得

(7)

設(shè)阻抗Z為Z1、Z2、ZH1、ZH2之中最小有效值，則由式(6)、(7)聯(lián)立求得

(8)

同理可得

(9)

2.2 合環(huán)對繼電保護的影響

定義tsetⅡ為合環(huán)線路電流三段式保護中Ⅱ段時間設(shè)定值，一般整定為0.3 s，tT為合環(huán)線路合環(huán)過程中暫態(tài)電流非周期分量的衰減時間，對于濟寧地區(qū)典型合環(huán)網(wǎng)絡(luò)接線方式，滿足tT≤tsetⅡ條件[9]，即合環(huán)暫態(tài)過程對過流Ⅱ段式保護的影響可不考慮。

定義IDZ為線路過負荷保護電流設(shè)定值，則有

IDZ=kDZImax≥Imax

(10)

式中:kDZ為可靠系數(shù)，kDZ=1.105。

聯(lián)立式(3)、式(10)，可得合環(huán)暫態(tài)過程對線路過負荷保護也無影響。因此，對于濟寧地區(qū)典型合環(huán)網(wǎng)絡(luò)，安全合環(huán)的條件確定為：2條合環(huán)線路合環(huán)前穩(wěn)態(tài)電流滿足式(8)、式(9)即可。

在實際工作中，利用算式計算出每條合環(huán)線路所滿足的合環(huán)前穩(wěn)態(tài)電流值，并整理為表格數(shù)據(jù)。當需要合環(huán)操作時，值班調(diào)度員只需核對線路實際電流在表格數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，即可做出能否安全合環(huán)的判斷，簡單快捷、安全有效。對于不滿足表格數(shù)據(jù)的合環(huán)線路，需進行進一步計算或試驗，以便確保合環(huán)后各環(huán)節(jié)潮流的變化不超過繼電保護、電網(wǎng)穩(wěn)定和設(shè)備容量等方面的限額。

3 算例驗證

在地區(qū)典型合環(huán)網(wǎng)絡(luò)中，2臺110 kV變壓器容量都為50 MVA，主變TA變比nZB為3000/5，主變低壓側(cè)限時速斷保護電流二次整定值為10.50 A；合環(huán)線路采用交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜YJV22-3×400，線路阻抗為(0.087 6+j 0.120 0)Ω/km，線路TA變比nL為600/5，最大容許電流為600 A；基準容量為1 000 MVA，基準電壓為10.50 kV，基準電流為54.99 kA，基準阻抗為0.11 Ω，調(diào)度SCADA系統(tǒng)中其他電網(wǎng)參數(shù)如表1所示。

表1 合環(huán)網(wǎng)絡(luò)中等值阻抗Table 1 Equivalent impedance in closed loop network

3.1 繼電保護驗證

目前，供電公司在配網(wǎng)線路繼電保護定值整定時，一般采用簡化算式進行計算。設(shè)線路相間過流Ⅰ段保護一次整定值、二次整定值分別為Iqb1、Iqb2，線路過負荷保護一次整定值、二次整定值分別為Iop1、Iop2。

首先，考慮線路相間過流Ⅰ段保護整定值與線路變電站側(cè)配合時，其二次值為

Iqb2=Im,min/nL=32.42 A

(11)

式中：Im,min為最小方式母線電流；nL為線路TA變比。

線路相間過流Ⅰ段保護整定值還需要考慮與主變低壓側(cè)限時速斷反配，其二次值為

Iqb2=IdznZB/(nLk)=43.75 A

(12)

式中：Idz為低壓側(cè)限時速斷電流整定值；nZB為主變TA變比，k為可靠系數(shù)。

在同時滿足式(11)、式(12)的情況下，Iqb2可取值為35 A，這時可計算線路相間過流Ⅰ段一次側(cè)整定值為Iqb1=Iqb2nL=4 200 A，滿足式(4)要求。

其次，考慮線路過負荷保護整定值與線路變電站側(cè)配合時，其二次值為

Iop2=kIL,maxnL=5.53 A

(13)

式中：IL,max為最大負荷電流600 A，k=1.105。

這時可計算線路過負荷一次整定值為Iop1=Iop2nL=663.6 A，滿足式(10)要求。

因此，實際工作中，合環(huán)線路繼電保護定值均滿足計算要求，進一步驗證了安全合環(huán)條件的正確性。因調(diào)度SCADA系統(tǒng)每5min中采集一次電網(wǎng)實時參數(shù)，不能有效反映合環(huán)電流暫態(tài)過程，還需仿真驗證。

3.2 仿真驗證

合環(huán)操作時，電壓差一般允許在20%以內(nèi)，以確保合環(huán)后各環(huán)節(jié)潮流的變化不超過繼電保護、電網(wǎng)穩(wěn)定和設(shè)備容量等方面的限額。配網(wǎng)線路長度設(shè)定為5 km，因此確保安全合環(huán)前的配網(wǎng)線路電流需滿足式(8)、式(9)。

(14)

即對于該典型合環(huán)模型，安全合環(huán)條件簡化為配網(wǎng)線路合環(huán)前承載電流滿足I2≤337 A的要求。

通過Matlab/Simulink模塊搭建地區(qū)典型合環(huán)網(wǎng)絡(luò)仿真模型，對合環(huán)前后線路電流進行仿真，模型如圖3所示。

圖3 地區(qū)典型合環(huán)網(wǎng)絡(luò)仿真模型Fig.3 Regional typical closed loop network simulation model

仿真過程中，設(shè)定0.06 s時將聯(lián)絡(luò)開關(guān)K控合，進行合環(huán)操作，該過程中合環(huán)電流波形如圖4所示。

圖4 合環(huán)前后線路電流波形圖Fig.4 Line current waveform before and after loop closing

從圖4中可以看出：合環(huán)電流暫態(tài)過程持續(xù)時間大約為0.02 s，滿足tT≤tsetⅡ條件；合環(huán)前線路穩(wěn)態(tài)電流有效值為141 A，在文中所提該線路安全合環(huán)條件范圍內(nèi)(不大于337 A)；合環(huán)過程最大沖擊電流為411 A，小于瞬時速斷保護動作整定值4 200 A；合環(huán)后線路穩(wěn)態(tài)電流有效值約為212 A，小于該線路最大容許電流600 A。綜上所述，該種情況不會觸發(fā)線路繼電保護誤動作，滿足安全合環(huán)條件，可以合環(huán)。

隨著合環(huán)前線路承載電流逐漸增大，合環(huán)沖擊電流、合環(huán)后穩(wěn)態(tài)電流也將隨著越來越大。當合環(huán)前線路穩(wěn)態(tài)電流有效值I2=310 A時，合環(huán)前后線路電流波形圖如圖5所示。從圖5可以得出，合環(huán)沖擊電流將升高至930 A，合環(huán)后穩(wěn)態(tài)電流有效值也將提升至590 A，接近該線路最大容許電流。該種情況下合環(huán)存在一定的安全隱患，需進行進一步計算或試驗，以便確保合環(huán)后各環(huán)節(jié)潮流的變化不超過繼電保護、電網(wǎng)穩(wěn)定和設(shè)備容量等方面的定值。

圖5 臨界值合環(huán)前后線路電流波形圖Fig.5 Waveform diagram of line current before and after critical value loop closing

4 結(jié) 語

在濟寧地區(qū)典型合環(huán)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，通過對合環(huán)電流暫態(tài)過程、穩(wěn)態(tài)過程及繼電保護影響的分析，總結(jié)出安全合環(huán)條件。結(jié)合實際算例和仿真試驗，驗證了合環(huán)前線路穩(wěn)態(tài)計算的可行性。對于某一特定線路，當合環(huán)前線路實時電流小于最大合環(huán)前線路穩(wěn)態(tài)電流時，即可安全合環(huán)。該方法簡化了判別依據(jù)，為調(diào)度員快速判斷提供參考。