配电网合环操作快速校验方法研究

2017-10-16瞿寒冰尹茂林施冬明贾玉健

山东电力技术 2017年9期

关键词：合环等值校验

霍健，瞿寒冰，尹茂林，施冬明，贾玉健

（国网山东省电力公司济南供电公司，山东济南 250012）

配电网合环操作快速校验方法研究

霍健，瞿寒冰，尹茂林，施冬明，贾玉健

（国网山东省电力公司济南供电公司，山东济南 250012）

配电网合环操作产生的合环电流，会对电网的安全运行造成不利影响，需要对合环电流进行计算校验以保证合环操作的安全性。提出一种简易实用的配电网合环操作快速校验方法。首先，在合环前潮流分布的基础上，基于叠加原理和戴维南定理计算合环稳态电流；并在满足工程精度要求的前提下对计算公式进行简化，使其具备更好的实用性；然后，通过暂态过程分析进行合环冲击电流的计算校验。实际案例分析结果验证了方法的有效性和实用性。

配电网；合环操作；合环潮流；冲击电流

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

配电网广泛采用闭环接线、开环运行的方式［1］。以合环调电的方式实现负荷转供是调控人员在配电网方式调整、故障处理过程中的重要手段，也是提高配电网供电可靠性的重要保证。然而，不同主变压器之间通过配电线路合环产生的合环电流［2］及合环瞬间产生的合环冲击电流［3］，可能会造成相关设备过载甚至保护动作跳闸。目前调控人员通常采用规程规定的定功角差（20%）及定电压差（20%）的方式进行合环操作的校验［4-5］，但这样的标准仅适用于一般情况，不具备可靠性。因此，寻求一种简易实用的，适用于调度运行的配电网合环电流计算及校验方法，具有重要的工程意义。

配电线路R／X值较大，且配电网设备多元，结构复杂，线路阻抗等参数难以准确获取［2，6］，因此牛顿-拉夫逊、PQ分解等传统的潮流计算方法不适用于配电网调度运行工程实际。文献［4］提出了配电网合环电流计算的模型，并在此基础上进行了中压配网合环操作可行性分析，文献［6］提出一种基于补偿法和节点方程的配网合环快速模拟法，文献［7-8］提出了基于叠加原理的配电网合环电流快速计算方法，但以上方法均未考虑合环瞬间冲击电流的影响；文献［3］提出了配网合环冲击电流简化计算公式，利用最佳频率法准确求取合环冲击系数，但计算仍然依赖牛顿法、PQ法等常规潮流程序，应用于调度运行实际不够方便。

提出一种简易实用的，适用于调度运行的配电网合环电流计算及校验方法，首先，在合环前潮流分布的基础上，基于叠加原理和戴维南定理计算合环稳态电流；并在满足工程精度要求的前提下对计算公式进行简化，使其具备更好的实用性；然后，通过暂态过程分析进行合环冲击电流的计算校验。济南电网10 kV配电系统实测及计算结果分析对比验证了本文方法的有效性和实用性。

1 配电网合环稳态潮流计算

目前，地区电网多为220 kV系统环网运行、110 kV系统向10 kV系统辐射供电的输配电模式［9］。10 kV配电线路进行合环操作，220 kV系统通过10 kV线路形成一个电磁环网，其典型接线结构如图1所示。

图1 配电网合环模型示意图

根据叠加原理，图1中支路i、j合环后的潮流由两部分叠加而成，一是合环前支路i、j的初始潮流，二是由合环开关处两端电压差Uij引起的均衡潮流ΔS［2］。合环之前各线路的原始潮流可以通过SCADA系统获取，合环操作引起的均衡潮流可以通过戴维南等效原理计算［8］。

戴维南等效电路的等效电源E为合环前合环开关两端的电压，若合环支路i、j在合环开关处的电压分别为 Ui、Uj，则电压差为

戴维南等效阻抗ZΣ=RΣ+jXΣ，为图1所示环路中各线路及相应变压器等值阻抗之和。根据戴维南等效原理，合环时的均衡电流为

对于图1所示典型输配电结构的地区电网，220 kV系统通过10 kV线路合环的戴维南等值阻抗ZΣ=RΣ+jXΣ，一般情况下满足各元件参数满足RΣ≪XΣ，因此，式（2）可简化为

若合环前支路 i、j的负荷电流分别为 I0i、I0j，根据叠加原理，合环后支路 i、j的稳态电流 I1i、I1j为

通过合环均衡电流ICL还可以计算合环均衡潮流

由式（5）可以看出，合环点两侧电压幅值差主要产生无功环流，而电压相角差主要产生有功环流。结合式（4）及式（5）可以看出，合环均衡潮流的存在，使合环配电线路的有功、无功分布发生变化。

2 配电网合冲击电流分析

配电网合环操作时，由于系统中感性元件的存在，合环瞬间会产生较大的冲击电流。若合环瞬间戴维南等效电动势E的初始相角为α，合环环路等值阻抗的功率因数角arctan（X／R）为φ，以 A相为例，稳态合环电流值 iCL表达式为因合环瞬间磁链不突变［10］，所以合电流的表达式为

图2 合环初始状态电流非周期分量相量

3 配电网合环操作可行性校验

220 kV或500 kV系统通过10 kV配电线路合环，对系统产生的冲击主要为两方面。一是合环后产生的稳态均衡潮流，可能会造成相关线路的负荷、电流超过额定值；二是合环瞬间会产生较大的合环冲击电流，若瞬时冲击电流过大，超过线路的速断保护定值，会造成相关配电线路的跳闸。因此，对配电网合环操作的可行性进行校验，首先须计算合环后的均衡潮流，确保合环后相应配电线路的稳态电流不超过其限流值；然后校验合环瞬间的冲击电流，确保冲击电流不会造成合环配电线路速断保护动作跳闸。若两条件均满足，则配电网的合环操作是可行的，若任一条件不满足，则合环操作不满足安全条件。

对于式（2）所示合环电流计算及式（3）所示的简化计算，系统自合环点的戴维南等值电抗Z∑=R∑+jX∑不会发生变化，因此若合环电流过大不满足合环条件，可通过以下两种方式调整，使合环条件得到满足。

1）调节合环开关两侧电压。通过调节变压器分接头、投切电容器等方式，使合环开关两侧电压减小至电压幅值及相角的合环闭锁量［4］以下。

2）调整相应配电线路的负荷，使合环点两侧所在线路特别是合环点电压较高一侧所在线路负荷减小，这样，经式（4）计算的配电线路潮流可减小至低于额定电流值，满足合环条件。

配电网合环操作校验流程如图3所示。图3中，合环点两侧电压差Uij可以通过配电自动化SCADA系统遥测获取，文献［8］指出，以合环配电线路所在母线电压差近似合环点两侧电压差，也可以将计算误差控制在合理范围内。对于环路等值阻抗Z∑，由于配电线路的结构、接线方式复杂，图1中支路i、j的等值阻抗难以准确计算，但在计算合环均衡潮流的戴维南等值电路中，相比于变压器及高电压等级输电线路的等值阻抗，10 kV线路对Z∑的影响较小，因此，在合环电流校核计算过程中，可认为Z∑近似等于220 kV及110 kV各变压器及输电线路的等值阻抗之和。

通过这样的方式，调控人员在合环前可以较为简单的计算合环后的电流分布，完成合环操作安全性的校验，避免了传统潮流迭代计算中计算量大、迭代不收敛等问题。

图3 配电网合环操作校验流程图

4 实例分析

以济南地区部分电网中10 kV配电线路合环操作为例，对本文所述方法的准确性及可靠性进行分析。济南地区部分电网220 kV及110 kV输配电系统接线如图4所示。图4中，220 kV变电站分属南北供电片区，仅通过东部地区部分220 kV线路互联，电气距离较大；110 kV系统由220 kV变电站供电，110 kV系统分列运行。

选取以下两组不同220 kV供电区域的10 kV线路进行合环电流计算及合环实验。

实例1：110 kV经七路变电站10 kV七二线与110 kV天桥变电站10 kV天安线合环。

实例2：110 kV朱庄变电站 10 kV朱航线与110 kV大金变电站10 kV金航线合环。

图4 济南地区部分220 kV及110 kV系统电网

对于实例1及实例2中合环操作涉及的4个220 kV变电站，其主变压器110 kV侧均为并列运行，而4个110 kV变电站的主变压器均为分列运行。因此，建立如图1所示的10 kV配电线路合环计算模型，220 kV变压器的等值阻抗为2台变压器等值阻抗并列后的值。4条10 kV线路合环前的负荷情况、额定电流值以及速断保护整定电流值如表1所示。

表1 相关10 kV线路负荷、限流及保护定值情况 A

合环电流计算中，以Sb=100 MVA，220 kV系统基准电压U220b=230 kV，110 kV系统基准电压U110b=115 kV，10 kV系统基准电压U10b=10.5 kV，实例1及实例2中合环操作相关线路合环点电压及合环环路等值阻抗（标幺值）如表2所示。表2中，合环环路等值阻抗Z∑为图1所示模型中220kV及110kV变压器和线路等值阻抗之和，忽略10kV线路的阻抗对Z∑的影响。

表2 实例1及实例2中合环点电压及等值阻抗

基于PSCAD／EMTDC仿真环境，对图4所示实际电网建模仿真［3］，其遥测量及设备参数均取自实际测量值，文献［3］指出，仿真结果与实际值误差在0.01%以下，可作为校验计算结果的标准。仿真合环后三相电流波形如图5所示。利用本文所述方法计算两实例中合环操作的合环稳态电流及冲击电流值，计算结果与仿真结果对比如表3所示。

表3 合环电流计算结果与仿真结果对比

图5 仿真系统三相合环电流波形

由图5及表3可以看出，利用本文所述方法，合环稳态电流计算结果与仿真结果误差在5%以内，能够满足工程实际中调控人员合环电流校验的需求。合环冲击电流计算值是合环点电压电流相位相差90°时最严重情况下的结果，因此仿真合环冲击电流小于计算值，符合实际情况。

结合表4中合环电流计算值及表1中4条10 kV线路的负荷情况，根据表1中顺序，4条10 kV线路负荷分别为 341.0 A、81.2 A、425.5 A、132.5 A；合环后稳态电流不超过各线路的负荷电流限额；表4中合环冲击电流也不超过线路速断保护定值，满足合环条件。合环后实际电流分别为331.3 A、90.9 A、422.0 A、135.9 A；与仿真结果相同，与计算结果误差满足实际校验需求。

表4中实例1及实例2合环稳态电流计算结果均略大于实际值，原因是计算戴维南等值Z∑过程中忽略了10 kV线路的等值阻抗的影响。对于合环冲击电流，由于其冲击系数KM多在1.8～1.9之间，而在实际运行中，10 kV线路速断保护定值均为线路额定负荷的6倍以上［11］，因此多数情况下，计算合环稳态电流满足合环条件，合环冲击电流即在速断保护定值以下，可以进行合环操作。

5 结语

在配电网合环操作前需要对合环电流进行计算和校验，确保合环后电流变化不超过设备容量及继电保护的限额。提出一种简易实用的，适用于调度运行的配电网合环电流计算及校验方法，基于叠加原理和戴维南定理计算合环稳态电流，通过暂态过程分析进行合环冲击电流的计算校验。在此基础上总结了配电网合环电流计算校验的流程。济南地区两个合环操作案例的计算仿真与实验结果分析表明，该方法在220 kV系统电气距离较远的情况下，仍然能够将合环电流计算结果误差控制在5%以内，能够满足合环电流安全计算、校核的精度要求，具备良好的有效性和实用性。

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