基于穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)分析的10 kV配網(wǎng)合環(huán)轉(zhuǎn)電操作研究

葛 亮 屈 田

（國(guó)家電網(wǎng)陜西省電力有限公司西咸新區(qū)供電公司，陜西咸陽(yáng) 712000）

0 引言

隨著城農(nóng)網(wǎng)改造力度的加大和配網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃的深入，配網(wǎng)結(jié)構(gòu)日臻完善，城區(qū)、城鎮(zhèn)“手拉手”互聯(lián)線路數(shù)量越來越多。規(guī)程中要求的“閉環(huán)結(jié)構(gòu)、開環(huán)運(yùn)行”即配網(wǎng)互聯(lián)線路有兩個(gè)以上電源，可以實(shí)現(xiàn)雙電源供電。正常運(yùn)行方式下開環(huán)運(yùn)行的電網(wǎng)可為提高供電可靠性提供架構(gòu)保障。

現(xiàn)階段，配網(wǎng)在預(yù)檢預(yù)試、新設(shè)備接入、檢修維護(hù)、事故缺陷處理時(shí)，倒負(fù)荷大多采用“先斷后合”的操作方式，操作過程中會(huì)出現(xiàn)短時(shí)停電，影響供電可靠性，降低了客戶對(duì)供電服務(wù)的滿意度，也影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1-3]。

目前，國(guó)資委對(duì)供電可靠性指標(biāo)考核越來越嚴(yán)，某地區(qū)電網(wǎng)城市用戶系統(tǒng)平均停電時(shí)間時(shí)戶數(shù)指標(biāo)逐年下降，2019年考核指標(biāo)為8.2 h/戶，實(shí)際完成7.93 h/戶，2020年指標(biāo)更為嚴(yán)格，為7.15 h/戶。隨著考核指標(biāo)日益嚴(yán)苛以及客戶對(duì)供電質(zhì)量的要求日益增長(zhǎng)，供電企業(yè)增供擴(kuò)銷壓力巨大，客戶、監(jiān)管、企業(yè)自身發(fā)展三個(gè)層面都促使供電企業(yè)大力提高供電可靠性，對(duì)用戶不間斷供電已經(jīng)是大勢(shì)所趨。雖然該地區(qū)電網(wǎng)為提高供電可靠性已經(jīng)采取了很多綜合性措施，但比起一、二線城市差距仍然較大，因此將以前的短時(shí)停電（先斷后合）的操作方式轉(zhuǎn)為合環(huán)轉(zhuǎn)供電（不停電倒負(fù)荷），不但可以提高系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性與連續(xù)性，還可以在電力正常供應(yīng)的情況下進(jìn)行設(shè)備檢修等多項(xiàng)工作。

1 合環(huán)轉(zhuǎn)供電風(fēng)險(xiǎn)及條件

合環(huán)轉(zhuǎn)供電是指在“閉環(huán)結(jié)構(gòu)、開環(huán)運(yùn)行”的電網(wǎng)中，通過操作合環(huán)點(diǎn)開關(guān)將配網(wǎng)線路通過不同電壓等級(jí)的元件、線路以電磁耦合的方式連接起來，形成電磁環(huán)網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行，待環(huán)網(wǎng)穩(wěn)定后，將需要斷開一側(cè)電源斷開解環(huán)，將需要停電線路的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到另一條不停電的線路上，在保證安全的情況下，實(shí)現(xiàn)不停電倒負(fù)荷[4]。

1.1 合環(huán)轉(zhuǎn)供電風(fēng)險(xiǎn)

1.1.1 合環(huán)轉(zhuǎn)供電暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

在合環(huán)轉(zhuǎn)供電時(shí)，形成不同電壓等級(jí)耦合的電磁環(huán)網(wǎng)，暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)有三種：

1）合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)的電壓差在合環(huán)瞬間造成暫態(tài)沖擊，出現(xiàn)沖擊電流，一般出現(xiàn)在合環(huán)后的半個(gè)周期左右，通常為合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流有效值的1.62倍，此沖擊電流與合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)的電壓幅值、相角差、初始負(fù)荷、環(huán)路綜合阻抗都有關(guān)系，若此沖擊電流過大，易造成環(huán)路中饋線電流保護(hù)誤動(dòng)作。

2）合環(huán)時(shí)或合環(huán)后，在環(huán)路中發(fā)生短路故障，產(chǎn)生較大的短路電流，可能產(chǎn)生短路電流超過開關(guān)遮斷電流，導(dǎo)致斷路器拒動(dòng)的情況而擴(kuò)大事故；還可能出現(xiàn)環(huán)路饋線沒有核對(duì)保護(hù)定值，保護(hù)拒動(dòng)的情況而擴(kuò)大事故范圍。

3）合環(huán)時(shí)或合環(huán)后，環(huán)外元件或饋線發(fā)生短路故障，出現(xiàn)較大短路電流時(shí)，環(huán)路內(nèi)饋線保護(hù)易出現(xiàn)非選擇性動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致合環(huán)失敗，擴(kuò)大事故范圍，影響系統(tǒng)安全運(yùn)行[5]。

1.1.2 合環(huán)轉(zhuǎn)供電穩(wěn)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

一是合環(huán)轉(zhuǎn)供電形成的電磁環(huán)網(wǎng)，導(dǎo)致潮流發(fā)生變化，穩(wěn)態(tài)環(huán)流較大時(shí)，環(huán)內(nèi)元件或線路可能發(fā)生過載，或環(huán)路內(nèi)發(fā)生故障，開關(guān)跳閘后，潮流發(fā)生變化，環(huán)內(nèi)元件或線路也可能發(fā)生過載，過載程度大時(shí)，可能引起過電流保護(hù)誤動(dòng)作；二是造成相關(guān)電壓超標(biāo)，影響電壓合格率指標(biāo)[6]。

1.2 合環(huán)轉(zhuǎn)供電條件

由于合環(huán)存在暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，合理控制風(fēng)險(xiǎn)，保證合環(huán)轉(zhuǎn)供電成功和系統(tǒng)安全運(yùn)行，需具備以下合環(huán)條件：

1）合環(huán)操作前，進(jìn)行合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)的核相工作，確保相序、相位相同，防止相序不同造成短路故障；

2）合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓差（幅值差、相角差）盡量小，減少合環(huán)的暫態(tài)沖擊電流和穩(wěn)態(tài)合環(huán)電流；

3）上級(jí)變電站到合環(huán)點(diǎn)的系統(tǒng)短路阻抗相對(duì)要大并盡量接近，差值應(yīng)最小，以減小故障時(shí)的短路電流，也減少合環(huán)暫態(tài)沖擊電流；

4）合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)饋線初始負(fù)荷要?。?/p>

5）環(huán)路中元件和線路的允許載流量應(yīng)大于環(huán)網(wǎng)中配網(wǎng)負(fù)荷總和；

6）環(huán)路中各級(jí)保護(hù)需滿足合環(huán)運(yùn)行，不誤動(dòng)、不拒動(dòng)。

2 配網(wǎng)現(xiàn)狀調(diào)查與分析

對(duì)某電網(wǎng)進(jìn)行摸底調(diào)查統(tǒng)計(jì)得知，截至2020年3月底，全網(wǎng)10 kV配電線路總計(jì)619條，其中城區(qū)線路168條，涉及城市用戶系統(tǒng)平均停電時(shí)間時(shí)戶數(shù)指標(biāo)，具備互聯(lián)“手拉手”條件為148條，互聯(lián)轉(zhuǎn)帶率為88.1%。對(duì)現(xiàn)有的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式進(jìn)行梳理，現(xiàn)存在6種10 kV配網(wǎng)合解電磁環(huán)運(yùn)行方式：

1）不同220 kV片網(wǎng)之間的饋線聯(lián)絡(luò)；

2）相同220 kV片網(wǎng)不同110 kV線路分區(qū)饋線聯(lián)絡(luò)；

3）110 kV主變10 kV饋線與220 kV主變10 kV饋線之間的聯(lián)絡(luò)；

4）同一廠站、不同母線所帶饋線之間的聯(lián)絡(luò)；

5）同一廠站、相同母線不同饋線之間的聯(lián)絡(luò)；

6）220 kV主變10 kV饋線之間的聯(lián)絡(luò)。

目前，該電網(wǎng)對(duì)10 kV互聯(lián)線路作業(yè)主要采用“先斷后通”的操作方式，從調(diào)度下令到重新帶電，至少需要40 min時(shí)間，也缺少配網(wǎng)自動(dòng)化的技術(shù)裝置與配套高級(jí)應(yīng)用軟件，互聯(lián)點(diǎn)的開關(guān)需要人工操作，效率較低，費(fèi)時(shí)費(fèi)力不安全，用戶滿意度降低，供電企業(yè)損失電量，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益下降，影響電力行風(fēng)建設(shè)。

3 電網(wǎng)實(shí)際案例計(jì)算與分析

結(jié)合某電網(wǎng)現(xiàn)狀，綜合考慮合環(huán)風(fēng)險(xiǎn)和合環(huán)條件，以方式相同220 kV片網(wǎng)不同110 kV線路分區(qū)的饋線聯(lián)絡(luò)為典型，選擇220 kV站所帶110 kV ××站和110 kV××站的912××線和964××線作為配電網(wǎng)合環(huán)試驗(yàn)案例，其合環(huán)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 912××線和964××線合環(huán)結(jié)構(gòu)圖

從現(xiàn)運(yùn)行的EMS系統(tǒng)收集了2020年3月17日的負(fù)荷數(shù)據(jù)、電壓數(shù)據(jù)、運(yùn)行方式、主變分接頭運(yùn)行位置、無功補(bǔ)償情況，從縣調(diào)收集了配網(wǎng)線路參數(shù)、合環(huán)環(huán)路、分支保護(hù)配置及定值情況，從保護(hù)專業(yè)收集了系統(tǒng)短路阻抗、主網(wǎng)架參數(shù)、主網(wǎng)饋線保護(hù)定值、環(huán)路內(nèi)設(shè)備及線路短路電流開斷能力和承載能力，利用潮流計(jì)算軟件進(jìn)行了潮流計(jì)算，電壓計(jì)算結(jié)果如表1所示，合環(huán)穩(wěn)態(tài)環(huán)流計(jì)算為34 A。

表1 環(huán)路內(nèi)廠站母線電壓合環(huán)前后比對(duì) 單位：kV

利用保護(hù)計(jì)算軟件進(jìn)行了環(huán)內(nèi)外短路電流計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 環(huán)路內(nèi)外故障流過912××線和964××線短路電流 單位：A

合環(huán)前后環(huán)路內(nèi)各廠站不同電壓等級(jí)母線電壓均滿足《國(guó)家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量和無功電力管理規(guī)定》，均在合格范圍內(nèi)（10～10.7 kV），不越限，線路負(fù)荷和變壓器負(fù)荷均不過載，暫態(tài)合環(huán)沖擊電流為55 A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于環(huán)路內(nèi)饋線電流定值。環(huán)路內(nèi)線路故障情況下，流過環(huán)路內(nèi)饋線保護(hù)的線末最小短路電流均大于過電流定值（912××線過電流定值為847.06 A，964××線過電流定值為1 072.94 A），過電流保護(hù)會(huì)靈敏動(dòng)作出口。環(huán)外相鄰線大小方式下，首端出口故障時(shí)，環(huán)內(nèi)線路的短路電流均小于對(duì)應(yīng)的速斷電流定值（912××速斷電流定值為3 738 A，964××線速斷電流定值為2 727 A），速斷電流保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，但超過過電流保護(hù)定值，過電流保護(hù)會(huì)啟動(dòng)，環(huán)外相鄰線首端出口故障，相鄰線的電流速斷會(huì)先動(dòng)作出口，環(huán)路內(nèi)線路過電流保護(hù)會(huì)返回，不會(huì)動(dòng)作；環(huán)外相鄰線大小方式下，末端出口故障時(shí)，環(huán)內(nèi)線路的短路電流均小于對(duì)應(yīng)的過電流定值（912××線過電流定值為847.06 A，964××線過電流定值為1 072.94 A），過電流保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。

綜合以上分析得出結(jié)論：在合環(huán)無故障暫態(tài)沖擊和故障狀態(tài)短路電流作用下，對(duì)合環(huán)元件和線路風(fēng)險(xiǎn)較小，滿足合環(huán)條件。

4 合環(huán)工作策略及改進(jìn)建議

4.1 合環(huán)工作策略

1）選擇合適的互聯(lián)結(jié)構(gòu)和廠站；

2）先期理論計(jì)算的數(shù)據(jù)要完整準(zhǔn)確，饋線分支數(shù)據(jù)不好收集，可讓供電分局從營(yíng)銷系統(tǒng)收集；

3）進(jìn)行合環(huán)前后潮流計(jì)算和合環(huán)短路電流計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行安全分析評(píng)價(jià)，做出是否具備合環(huán)的結(jié)論，不滿足合環(huán)條件，應(yīng)提出調(diào)整建議；

4）合環(huán)前核查現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，對(duì)合環(huán)線路進(jìn)行核相工作；

5）選擇合環(huán)時(shí)間，避免在廠站高峰負(fù)荷合環(huán)，要考慮饋線的初始負(fù)荷盡可能小，小于線路的安全載流量，盡可能減少合環(huán)操作時(shí)間；

6）合環(huán)操作前，應(yīng)對(duì)變壓器分接頭位置進(jìn)行檢查和調(diào)整，確保合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)的電壓差最??；

7）合環(huán)前后，利用EMS系統(tǒng)截取實(shí)時(shí)潮流圖，進(jìn)行計(jì)算結(jié)果和實(shí)際比對(duì)，以便總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

4.2 改進(jìn)建議

4.2.1 試驗(yàn)建議

為防止環(huán)外相鄰線路故障，環(huán)路內(nèi)兩條饋線應(yīng)配置帶方向的電流保護(hù)，退出環(huán)路內(nèi)饋線重合閘，防止環(huán)內(nèi)饋線故障是永久性故障，造成再次合閘沖擊。

4.2.2 配置和完善在線計(jì)算軟件

合環(huán)計(jì)算是合環(huán)試驗(yàn)的前提和基礎(chǔ)，目前EMS系統(tǒng)中調(diào)度員潮流軟件功能不完善，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)不全，外網(wǎng)等值實(shí)現(xiàn)不了，無法實(shí)現(xiàn)合環(huán)計(jì)算，配網(wǎng)分支的測(cè)控?cái)?shù)據(jù)采集不到，建議新配置D5000智能調(diào)度系統(tǒng)和配網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)時(shí)，嵌入功能完備的輸配網(wǎng)協(xié)同的潮流計(jì)算與短路計(jì)算高級(jí)應(yīng)用軟件，具備主網(wǎng)配網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)態(tài)在線、離線計(jì)算與分析功能[7-8]，以解決配網(wǎng)數(shù)量多，數(shù)據(jù)量大，收集數(shù)據(jù)困難，建模煩瑣，計(jì)算效率和計(jì)算精度不高的問題。

4.2.3 建立健全配網(wǎng)合解環(huán)技術(shù)導(dǎo)則和操作規(guī)程

目前，10 kV配網(wǎng)合環(huán)轉(zhuǎn)供電在該地區(qū)電網(wǎng)還處于起步階段，相關(guān)技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)較少，應(yīng)向先進(jìn)電網(wǎng)學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，建立相關(guān)技術(shù)規(guī)范和操作規(guī)程。

4.2.4 35 kV配網(wǎng)開展合環(huán)試驗(yàn)工作

隨著10 kV配網(wǎng)合環(huán)轉(zhuǎn)供電工作的深入研究與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，可以逐步開展35 kV配網(wǎng)合環(huán)轉(zhuǎn)供電的嘗試，35 kV配網(wǎng)“閉環(huán)結(jié)構(gòu)、開環(huán)運(yùn)行”的網(wǎng)架也在形成，對(duì)提高35 kV系統(tǒng)的供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

5 結(jié)論

經(jīng)過一年多前期大量的現(xiàn)狀調(diào)查、數(shù)據(jù)采集、仿真計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備核查，制定技術(shù)方案，該電網(wǎng)于2020年4月3日下午對(duì)220 kV同一片網(wǎng)下不同110 kV線路分區(qū)的110 kV ××站和110 kV ××110 kV站分別供電的912××線和964××線進(jìn)行了首次10 kV配網(wǎng)合解電磁環(huán)網(wǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)取得預(yù)想的效果，合環(huán)點(diǎn)環(huán)流為48 A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于保護(hù)電流定值，合環(huán)母線10 kV電壓為10.4 kV，與理論計(jì)算結(jié)果誤差較?。ㄒ蚝檄h(huán)試驗(yàn)時(shí)刻與仿真理論計(jì)算時(shí)負(fù)荷有變化，且分支負(fù)荷采集不到，理論計(jì)算忽略考慮），環(huán)路元件和線路沒有過載現(xiàn)象。