基于10 kV饋線負荷全轉移約束下的變電站全停校驗模型研究及應用

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(國網德陽供電公司，四川 德陽 618000)

0 引 言

隨著人們物質生活水平的不斷提高，電網用戶側用電負荷需求也發生了一定改變，人們對電能越來越依賴，可靠性要求越來越高。國家和企業對電網建設和發展思路也隨之巨大轉變，從以往關注發電、輸電向需求側配電網轉變，投入巨大資金對配電網進行升級改造。目前國內配電網大多采用10 kV電壓等級，通過配電變壓器降壓后直接面對廣大用戶。10 kV配電網是發、輸、配電系統的最末端環節，是保障居民正常生活和城市穩定發展的基礎，也是電力可靠供應和供電優質服務的實物載體。為保障配電網安全穩定運行，日常檢修和故障處理必不可少。

目前，國內外對于配電網10 kV線路及設備的計劃檢修和故障隔離處理，一般可通過與之相聯絡的其他10 kV線路倒負荷，來實現非檢修區域的負荷轉移，即線路通過N-1安全校驗[1-2]。涉及到變電站長時間全停升級改造或全站故障失壓后變電站所屬10 kV線路的負荷轉移，無論是國網公司還是南方電網公司均沒有明確的規范要求和校驗標準。德陽電網在2018年進行110 kV德陽站長時間停電改造升級時，就面臨了這一突出問題。因此研究基于變電站10 kV饋線負荷全轉移的全停校驗模型，具有非常重要的現實意義。文獻[3]借鑒輸電網最大輸電能力的概念提出了配電網的相關概念，但依然是基于變電站、主變壓器和出線等發生N-1時，在實際運行約束下通過站內和站間聯絡實現負荷損失最小化的目標，且研究的重點是配電網的最大供電能力，對于是否能夠在某一個變電站全停的條件下使配電網10 kV饋線負荷不受影響，沒有做過多研究。文獻[4]基于現有饋線互聯互供的配電網關系，提出了配電網安全域模型，并運用于多聯絡的復雜配電網，給出了配電網安全運行區域和N-1邊界，但并未考慮實際配電網運行過程中，因倒閘操作次數增加而引起的一系列優質服務、安全穩定問題。

下面考慮配電網10 kV饋線負荷全轉移條件下對變電站全停校驗分析，提出了變電站全停校驗模型，對變電站是否能夠具備全停的條件，給出了明確的答案，具有借鑒意義。

1 饋線負荷全轉移的定義及條件

配電網N-1安全性準則是配電網規劃和運行的重要準則，它規定了在配電網中主變壓器或線路發生故障時，線路或主變壓器所帶負荷可通過與之聯絡的線路進行轉供，即不對外停電。

圖1為變電站饋線示意圖：饋線1是常見10 kV配電網三聯絡線路，與之相聯絡的其他3條線路，分別是聯絡線1、聯絡線2、聯絡線3，且饋線1與聯絡線1均來自變電站A。一般情況下，考慮最嚴重的線路故障，饋線1出線開關跳閘，則原線路上負荷只能通過3條聯絡線轉供，實現不對外停電的目標。目前，隨著城市配電網建設進程的加快，10 kV配電網中聯絡線較多，網架結構完善，一般情況下均可通過不超過兩次的倒閘操作完成整條10 kV線路的負荷轉移。但如果變電站A全站停電，則與饋線1所屬變電站相同的聯絡線1將失去聯絡作用，同時該聯絡線自身負荷也需通過其他站外聯絡線實現負荷轉移，即變電站A所屬全部10 kV饋線負荷均只能通過其他變電站聯絡線實現負荷轉移，即饋線負荷全轉移。

圖1 變電站饋線示意1

在圖2所示變電站饋線，圖中變電站A所屬10 kV饋線1，與之相聯絡的分別是變電站B、變電站C所屬10 kV聯絡線1、聯絡線2。考慮極端情況，且暫不考慮10 kV饋線1的分段方式和網架結構，若變電站A全站停電，通過聯絡線倒負荷方式，在滿足聯絡線1、聯絡線2不過載且變電站B、變電站C不過載的情況下，饋線1上的所有負荷可通過變電站B、C轉供，從而實現變電站A所屬所有10 kV饋線的負荷全轉移。因此根據饋線負荷全轉移的定義，可以得出滿足饋線負荷全轉移的基本條件[5]：

1)該變電站所屬所有10 kV饋線均存在至少1回站間聯絡線；

2)與饋線相連的站間聯絡線的負荷裕度小于等于需要其轉供的負荷大小；

3)饋線負荷全轉移后，聯絡線路、主變壓器、變電站等不出現過負荷、低電壓狀態。

圖2 變電站饋線示意2

2 變電站全停校驗模型

在配電網中，由于受到變電站選址和通道受限的影響，往往需要對已有變電站進行升級改造，以滿足長期負荷增長需求；但由于現場施工條件限制和電網安全規程要求，不得不選擇全站停電改造，且改造周期較長。以某地市公司110 kV變電站為例，停電時間長達5個月，在此改造期間，配電網運行壓力巨大，能否平穩度過負荷高峰時期，缺乏理論支撐和可行性論證，施工中能否安排全站停電進行升級改造缺乏有效規程參考和指導意見。

根據前面對變電站所屬饋線負荷全轉移的定義和條件約束，可以建立如下模型：

S=S1×S2×…SN

(1)

(2)

maxfi=Maxfi-fi

(3)

maxfj=Maxfj-fj

(4)

(5)

FN≤MaxfN

(6)

上述模型中：N為變電站10 kV饋線條數；SN為同一變電站第N條10 kV饋線的負荷全轉移標識，SN=1時，則該條10 kV饋線上負荷能夠全部轉移；SN=0時，則該條10 kV饋線上負荷不能全部轉移；fN為第N條饋線的最大負荷；maxfi、maxfj為與第N條饋線相聯絡且負荷裕度最大的兩條線路的負荷裕度；Maxfi、Maxfj為與第N條饋線相聯絡且負荷裕度最大的兩條線路的允許最大負荷；FN為負荷轉移后聯絡線路的最終負荷；VS為變電站的允許最大負荷；S為變電站全停校驗結果。

式(1)中，S為變電站所屬所有10 kV饋線負荷全轉移標識的乘積。如變電站任何一條10 kV饋線負荷不能全部轉移，即其中任一個SN=0，則變電站全停校驗結果為0，不能實施全站停電。由此可知：要使S=1，該變電站所屬所有10 kV饋線負荷全轉移標識均為1，才能夠實現變電站全停下的負荷全轉移，即變電站全停通過；當S=0時，該變電站所屬10 kV饋線不能夠實現變電站全停下的負荷全轉移，即變電站全停校驗不通過。

式(2)約束條件表示變電站第N條饋線的最大負荷fN必須小于等于與之相聯絡且負荷裕度最大的兩條饋線的負荷裕度之和。因現場實際倒閘規范要求，這里暫只考慮兩條相聯絡線路，不考慮3條以上聯絡線路的情況。

式(3)、式(4)表示與第N條饋線相聯絡且負荷裕度最大的兩條線路的負荷裕度計算方法。

式(5)不等式約束表示當饋線負荷轉移后，聯絡線路所屬變電站下所有饋線負荷之和應小于等于變電站允許最大負荷，即變電站不過載。

式(6)不等式約束表示當饋線負荷轉移后，聯絡線路負荷應小于線路允許最大負荷，即線路不過載。

需要聲明的是，該模型不考慮變電站、線路的短時過載能力和轉供條件下的N-1安全校驗。通過該模型的應用，可以為變電站全停進行升級改造提供參考依據。

3 實用算例

圖3為算例配電網的示意圖，是由4個110 kV變電站和10條10 kV饋線組成的地區實際配電網結構模型，為使網絡拓撲清晰簡化，圖中只標出了配電網絡饋線聯絡開關位置，未標明饋線分段開關位置。假設所有饋線均采用同一種導線型號，所有饋線允許最大負荷均為8 MW，同時負荷在饋線上均勻分布，且暫不考慮分段開關位置對聯絡線路轉供能力的影響。表1給出了本算例配電網的變電站容量參數，表4給出了本算例配電網的饋線最大負荷及聯絡關系。從圖3中可以看出饋線a1、b3為三聯絡線路，饋線az、b2、c1、c2、d1、d3為兩 聯絡線路，饋線b1、d2為單聯絡線路，且饋線b2、b3、d3存在站內聯絡的情況。

圖3 算例配電網

變電站名稱容量/MVA變電站A20變電站B40變電站C40變電站D48

表2 饋線最大負荷及聯絡關系

將表1和表2作為輸入量，帶入第2節所建立的變電站全停校驗模型中，無需迭代計算，很容易可以計算出該配電網所有饋線最大負荷運行時饋線負荷全轉移約束條件下的變電站校驗通過結果，如表3所示。

表3 變電站全停校驗結果

從上述校驗結果可以看出，變電站A、C通過全停校驗，即在該配電網正常運行方式下，變電站A、C全站停電檢修時，該地區配電網能實現不對外停電。變電站B不通過變電站全停校驗，即當前網絡狀況下，若變電站B全站停電檢修，存在轉供線路過載風險，建議后期加強10 kV饋線站間聯絡的投資建設，使其具備全站長時間停電檢修改造的能力。變電站D不通過變電站全停校驗，主要原因是饋線d2屬于站內單聯絡線路，不滿足模型約束條件。

需要注意的是，所提出的變電站全停校驗模型，線路運行參數均選擇所有線路各自的最大負荷，負荷轉供參考電力行業有關N-1校驗規則，即不超過兩次倒閘操作。實際工作中，由于地區負荷特性不同，在考慮同時最大負荷時，由于針對的是長時間的停電轉供，因此考慮的只是理論上的最嚴重情況。實際電網運行中的地區最大線路負荷，還存在負荷同時率、長期特定運行方式下的N-1安全性等問題；且電網運行方式多種多樣，若不受倒閘操作引起的停電次數限制，對于站間聯絡線路較多的線路比負荷轉供較聯絡線路較少的線路更具優勢，安全性、可靠性也將更高。

4 結 語

考慮10 kV饋線負荷全轉移約束下的變電站全停校驗，對于制定變電站全停檢修負荷轉供方式具有重要參考價值，也是制定變電站檢修策略的重要依據。給出了饋線負荷全轉移的定義和約束條件，并建立了該約束條件下的全站停電校驗模型，通過算例驗證了模型的準確性和實用性，為配電網饋線站間聯絡建設提供了可靠依據，對進一步提升配電網供電服務質量打下了堅實基礎，具有借鑒意義。目前該模型已經成功應用于德陽地區配電網標準化改造的項目儲備方案審查和策略制定中，并取得了良好的效益，具有推廣價值。