基于配電自動化的合解環決策分析研究

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(國網四川省電力公司遂寧供電公司，四川 遂寧 629000)

0 引 言

配電運行是智能電網中連接主網和面向用戶供電的重要組成部分，但又是目前裝備較薄弱的環節。隨著農網改造的深入，大部分線路已實現雙電源供電，一般采用閉環設計、開環運行的供電方式。當系統發生故障或者計劃檢修時，通過合解環操作實現不停電負荷轉移是提高配電網供電可靠性的有效措施，是配電網自動化的重要應用。由于合解環操作后的系統負荷是未知的，因此合解環操作對電力系統來說，存在潛在的危險性。

合解環操作可以大幅度地減少停電時間，在提高供電可靠性的同時，又保證了電網供電的靈活性；但另一方面，合解環操作對電網的穩定運行也有很大的影響。合環點兩側的電壓矢量差在合環瞬間消失，由此產生的合環穩態電流及沖擊電流可能引起線路過載或保護誤動作；解環后負荷的突然增加，饋線末端電壓過低也會影響供電質量，嚴重時甚至造成導線變形、電氣設備損害，導致合環操作失敗，造成大面積的停電事故，直接影響電網的穩定安全運行。正是由于合解環操作后配電網運行狀況的不確定性，大多數供電公司仍采用“先斷后通”的冷倒方式進行負荷轉移，這樣勢必會造成用戶停電次數增多、停電時間加長，嚴重影響供電可靠性。與此同時，現有的配電自動化(distribution automation,DA)工作應用水平較低，沒有發揮應有的作用，合解環操作可行性大都依賴調度人員的經驗判斷，造成不停電負荷轉移操作的安全性得不到保證，大大限制了其作用的發揮。因此，迫切需要一個輔助決策分析軟件來協助調度人員調度運行。

1 系統研究的理論背景與現實基礎

1.1 合解環操作潛在危險性分析

由于合解環操作存在潛在的危險性,且對于大部分地區配電網來說還缺乏有力的理論依據和分析軟件來指導這種操作，所以不停電負荷轉移操作的安全性得不到保證，限制了其作用的發揮[1-2]。配電網合環操作示意見圖1。

圖1 配電網合環操作示意

如圖1所示，變電站A與變電站B同屬于上級變電站，母線A的10 kV 饋線與母線B的10 kV饋線實現了手拉手供電。當母線A發生故障或者計劃檢修時，可通過合解環操作，將母線A上的全部或部分負荷轉移到母線B上，以保證用戶的不間斷供電。

由于合環前，出線a、b由不同的母線供電，a、b負荷分布不同，那么在合環點兩側勢必存在一定的電壓差。而經過合環操作，合環點兩側為等電位，合環瞬間電壓差消失，該電壓差將產生一個合環環路電流，合環環路電流與線路負荷電流疊加，形成合環穩態電流。若合環穩態電流過大，可能引起過流保護誤動作。而在合環瞬間，合環點兩側的電壓差發生突變，這個暫態過程也將產生一個沖擊電流，若沖擊電流過大，或沖擊電流的衰減常數未躲過速斷保護的延時時間，將引起速斷保護的誤動作。

解環開關解環后，原母線A所帶的全部或部分負荷轉由母線B單端供電，流經母線B及相關饋線的負荷電流突然增大且末端電壓降低，也可能引起供電質量的下降和保護誤動作[3]。

1.2 縣級電網配電自動化配置特點

中國配電網網架結構基礎比較薄弱。但近年來隨著農網改造的深入，配電網的規模持續增長，網架結構得到了加強，為建設配電自動化提供了良好的基礎。與此同時，中國從20世紀90年代開始大力推進配電自動化的試點工作，經過十多年的發展，配電自動化水平有了長足的進步。部分城市配電管理系統的建設涵蓋了地理信息系統、生產管理系統，并實現了與配電監控系統、企業資源規劃等系統的接口，初步建成了智能配電網的公共支撐平臺。

但是從配電網自動化的實施現狀來看，目前主要有以下問題：配電自動化應用范圍小，實用化水平低；缺乏統一的標準體系，存在重復建設；信息孤島眾多，信息集成度低；生產管理與企業管理系統聯動較弱，信息集成與共享存在壁壘[4]。而縣級電網在網架結構、設備投入和自動化實施水平上更為落后。

2 S縣電網自動化的現狀及數據分析

截止目前，S縣供電分公司實現了縣域基本配電自動化，全縣戶通電率達到了100%，農網改造面積達到了98%。S縣城區3條主干線路，都已實現配網線路自動化，并都已經實現手拉手供電，甚至出現了多條互供的情況，為帶電倒負荷提供了可能性。

S縣供電公司現有2套采集變電站數據的系統和1套配電自動化系統，分別為四方華能CSCD2000S縣級調度自動化系統、南京華瑞杰HRJ9200遠程無線監測系統和西安興匯TAS-2000配電線路故障診斷及運行監控系統。

2.1 變電站數據采集系統

四方華能電網調度自動化系統，是具有統一支撐平臺的調度數據采集與監視控制系統(supervisory control and data acquisition,SCADA)、高級應用軟件、饋線自動化(feeder automation,FA)以及基于地理信息系統的配網管理的新一代調度自動化系統。系統配置靈活，具有很強的通用性、兼容性和擴展性，可提供除S縣某110 kV變電站外的各變電站的一次接線圖、系統運行工況(5 s采集一次)及簡單潮流計算結果，見圖2。

南京華瑞杰遠程無線監測系統，可提供S縣某110 kV變電站9回出線的相關遙信、遙測量，包括開關狀態、三相線電壓、三相電流、有功負荷、無功負荷等數據，無線監測系統見圖3。

2.2 配電線路運行監控系統

配電運行監控系統是通過饋線終端(feeder-terminal unit，FTU)在線采集線路負荷電流、單相接地故障及相間短路故障信息，通過移動公網GSM/GPRS將檢測數據上傳至軟件管理系統，在線掌握線路運行狀態、遠程控制斷路器的分合，當發生單相接地或相間短路故障時，可將故障區段隔離或切除。該系統主要由配電自動化管理系統和前端采集裝置兩部分組成。

圖2 縣調自動化系統

圖3 S縣遠程無線監控系統

配電自動化管理系統，主要用于接收、分析處理線路上各FTU發回的在線檢測數據，實時監控線路的運行狀況，分合斷路器進行負荷調控。當發生線路短路故障時，系統可快速確定故障區段，并遠程控制FTU隔離或切除相應故障區段。

前端采集裝置安裝在饋線分段開關處，由前端裝置、直流源、高壓取電單元和通訊單元四部分組成，具有遙信、遙測、遙控和故障電流檢測功能，實時監測配電線路運行狀況，并將檢測數據及故障信息(短路、單相接地等故障)發送到軟件管理系統。

3 基于現有信息平臺的潮流算法研究

對縣級配電網來說，配電網自動化的實施水平不高，在進行合解環決策在線分析時，很難從地方調度中心獲得整個系統的所有實時信息，且系統實時潮流計算的需求并不能滿足，因此應結合S地區電網特點，建立合解環操作的簡化模型，提出可采用的合環穩態電流、合環沖擊電流、解環負荷電流、解環末端電壓的計算方法。

3.1 基于疊加原理的合環穩態電流的計算

配電網一般采用閉環設計、開環運行的網絡結構，系統正常運行時，網絡結構成輻射狀，系統發生故障或者檢修時，才會出現短暫的環網運行。對于環形配電網的處理，很多專家學者提出了不同解決方案，其基本思想都是解開環網，將環網轉化為輻射型的常規網絡，其中疊加法是常用的的一種處理方法[5-6]。

疊加法將合環運行看做在開環運行的兩端疊加一個電壓源，大小與開環點兩側的電壓差相等，方向相反，將合環運行分解為開環運行和含有一個電壓源的附加分量。根據疊加定理，合環后的網絡等效于合環前的輻射型有源網絡和含電壓源的等值環狀網絡的疊加。那么，合環后各支路的穩態潮流可以認為是由兩部分疊加而成：一部分是合環前輻射型網絡各支路的初始潮流；另一部分是由合環開關兩端電壓矢量差引起的循環潮流。

基于疊加原理的合環穩態電流不需要進行合環后的潮流計算，只需要合環前的潮流計算結果就可求出合環穩態電流的大小。環網阻抗Z環采用工程上的近似計算方法，近似等于涉及合環線路中的變壓器及線路阻抗之和。

3.2 沖擊電流及解環潮流的計算

合環瞬間，合環點兩側的電壓差消失，將產生一個暫態的沖擊電流，因此合解環決策分析過程中，不僅需要分析校驗合環穩態電流，還需考慮合環瞬間的暫態過程，研究沖擊電流是否造成設備速斷保護越限[7]。

沖擊電流是合環暫態過程中出現的合環電流的最大瞬時值，幅值大且持續時間短。正常情況下系統三相對稱運行，因此對沖擊電流的分析只需建立單相等值模型[8]。

負荷轉供后，調度人員在進行網絡拓撲分析基礎上，應盡快進行解環操作，恢復網絡的輻射狀結構，且在恢復的過程中不允許出現設備過載或電壓過低的現象。

在現有數據采集條件下無法得到線路負荷的精確分布，大多數地區SCADA系統無法采集到配電網的配電變壓器負荷情況，而只能采集到變電站10 kV出線負荷。為適應現有狀況，在計算解環后線路電流時，將負荷集中于幾個負荷點，也可根據這些主要負荷點的位置建立配電網負荷模型，進行解環后線路電流的計算。

4 合解環決策分析軟件的實現

配電網合解環決策分析系統，是在現有智能配電網信息平臺的基礎上對合解環后系統潮流進行分析，進而輔助調度人員進行合解環決策分析。根據前面對系統的研究，在Visual Graph和SQL Server環境中開發了基于Windows操作系統的可視化合解環決策分析軟件。

下面對S縣10 kV配電網系統進行合解環決策分析。S縣城區志新線和志城干線經志新干線70號聯絡開關實現手拉手供電，為不停電合解環操作提供了現實條件。在該系統中，兩條10 kV母線隸屬于同一110 kV，且母線電壓相當，所以在計算中將兩條10 kV母線視為同一節點，并將其以上的主網部分視為無窮大系統。系統建模見圖4。

圖4 系統建模

對合解環過程進行潮流計算時，需要用到以下數據：

1) 變電站名稱、主變壓器參數(折算到10 kV側)和分接頭位置。

式中:PK為變壓器空載損耗；UK%為短路電壓百分比；SN為變壓器額定容量；UN為折算側額定電壓(10 kV)。

2) 線路參數，包括線路名稱、線路型號、長度、載流量。

Zl=(r+jx)l

式中：r+jx為線路單位長度的阻抗參數；l為線路長度。

3) 饋線分段開關的名稱、開關狀態。

4) 出線出口開關及饋線分段開關的保護整定值，包括過流保護整定值、速斷保護整定值。

5) 合環前出線出口開關及饋線分段開關處的負荷電流大小。

6) 合環前合環點兩側的電壓矢量差。

4.1 合解環系統接線

涉及本次合解環操作的志新線和志城線分別隸屬于S縣某110 kV變電站的1號和2號主變壓器。1號主變壓器容量為31.5 MVA，2號主變壓器容量為40 MVA。在合解環操作前，通過投切電容調整兩側10 kV母線電壓，并適當調整合環點兩側的負荷大小和功率因數，使合環點兩側壓差不至過大，導致合解環操作失敗。

此次合解環操作時，上級網絡在正常方式下運行，10 kV聯絡線路與上級網絡的聯絡途徑如圖5所示。

4.2 合解環決策分析過程

操作向導中采用變電站-線路-合解環點三級選擇，選擇合解環線路及合解環開關，并進行自動拓撲遍歷，自動判斷存在可執行操作的合環開關，并將其拓撲進行高亮顯示。這對操作者有了一定的指導意義，通過最合理的合解環方式，實現故障線路的隔離和治愈。合解環線路、開關的選擇如圖6所示。

所選合解環線路、合解環開關存在合環環路，進入開關通訊狀態檢查、所有監測點FTU召回數據，各監測點數據反饋正常，因此判斷FTU通信正常，進入相序檢查。FTU反饋的數據包括設備安裝地點、桿塔號、開關狀態、三相負荷電流、c相相電壓等。前端裝置通信狀態監測及合環點相序狀態檢測分別見圖7、圖8。

圖5 系統接線

圖6 合解環線路、開關的選擇

圖7 前端裝置通信狀態監測

圖8 合環點相序狀態檢測

讀取141志新線干線54號開關聯測的遙測數據，進行合環開關處的相序測試，合環點兩側的a相電壓矢量差為0.162 kV,c相電壓矢量差為0.182 kV，因此判定合環開關兩側相序一致，不需重新標定相序。

合環計算校驗是分別計算環路阻抗、合環穩態電流、合環沖擊電流，并將合環穩態電流與開關過流保護校驗，沖擊電流與開關速斷保護校驗，判斷此次合環是否安全。計算時取ΔU=0.182 kV,求得Ic=54.9 A,Ic=54.9 A,IM=99.4 A,與原有負荷電流疊加，求得各監測點處的穩態電流和沖擊電流大小，并分別與過流保護門限、速斷保護整定值進行比較，判定此次合環操作不會引起開關誤跳，因此不需要修改保護整定值，即合環校驗成功，假如兩項校驗校驗均通過，工作人員避免現場操作，遠程即可實現開關分、合閘操作。合環計算校驗、合環校驗成功后，計算單端供電校驗的系統截圖見圖9和圖10。

合環校驗成功后，計算單端供電時的負荷電流、末端電壓，并與開關過流保護、末端電壓保護進行校驗，判斷此次解環是否安全。合環校驗與單端供電校驗通過后，工作人員不需要到現場進行分合閘操作，只需發送指令至前端裝置，即可實現開關分、合閘操作。分合閘操作前需要進行操作人與監護人雙用戶驗證，以保證分合閘操作的安全性和可記錄性。合解環操作后，拓撲圖自動進行開關狀態的變更，并顯示最新采集的線路運行數據。不停電負荷轉移操作向導及操作人確認界面見圖11。

圖9 合環校驗

圖10 解環校驗

4.3 數據分析

從系統數據庫中讀取合環前、合環后的各節點遙測數據以及由計算得出的系統環路電流數據(Ic=54.9 A)，各節點環流穩態電流數據如表1所示。

由表1可見，該系統計算所得的各節點合環穩態電流數據與實測電流數據相差不大，最大誤差為13.5%，滿足現場工程實際的要求。將合環前后各節點的遙測數據進行計算，求得各節點實測環流的平均值，再與系統計算環流大小進行比對，計算出誤差較小在合理范圍內，滿足現場的應用要求，數據如表2所示。

從系統數據庫中讀取解環前后各節點的遙測數據、系統計算數據，進行比對發現如表3所示。

由表3可知該系統計算所得解環后各節點負荷數據與實測值相差不大，最大誤差為20%，在合理范圍內，滿足現場的應用要求。

本次試驗，在合環、解環操作后對各節點的負荷數據進行了召測，并與系統計算值進行比對，驗證了此方法的準確性。利用計算所得的各節點合、解環穩態電流數據與過流保護整定值進行比較，合環沖擊電流數據與速斷保護整定值進行比較，判斷是否可以安全合解環。實驗結果表明，該系統提供的合解環決策結果正確，可以為工作人員提供較為準確的潮流數據，提供了合解環決策分析的數據基礎，進而輔助調度人員進行合解環決策判斷。但是在整個計算過程中采用了一些簡化，這些簡化可能對計算結果帶來了一定的誤差：

圖11 遠程操作雙用戶認證及操作確認

數據類型參 數志成線37號志成線67號志成線70號志新線54號志新線40號合環前節點遙測值計算所得節點合環穩態電流值合環后各節點遙測值Ia /A341002168Ib /A33902270Ic /A341001967Uc /kV5.985.995.915.865.91Ia /A88.964.954.933.913.1Ib /A87.963.954.932.915.1Ic /A88.964.954.935.912.1Ia /A9265543415Ib /A8861523016Ic /A8963553514

表2 各節點合環環流數據

表3 各節點解環負荷數據

1)變壓器的實際分接頭位置不能獲取，故系統忽略分接頭的影響，直接折算到10 kV側的額定變壓器阻抗，對上級網絡等值阻抗的計算會產生一定的影響；

2)配電網中線路節點很多，不同桿號間采用的線路型號往往不同，但在計算中統一采用鋼芯鋁絞線LGJ-95的電阻率(0.38 Ω/m)進行計算，對環路阻抗的計算帶來一定誤差；

3)配電線路中，尤其是10 kV配電網，線損很大，不同型號導線銜接點很多，對環路阻抗的計算帶來一定誤差；

4)終端設備FTU有其自身的采樣精度，所設計系統的合解環潮流計算是基于FTU采集的饋線實時數據，對計算結果可能造成一定影響；

5)在計算中采用了一定的負荷等效方法，并認為在合解環過程中系統負荷未發生較大變化，對合解環潮流計算帶來一定的影響。

5 結 語

首先對配電網合解環操作決策分析的理論基礎進行了研究，并對系統的運行狀況、配電網自動化實施狀況進行了深入分析，在此基礎上研究和實現了基于現有智能配電網信息平臺的合解環決策分析系統，下面將工作進行一定的總結：

1) 對配電網合解環操作進行網絡模型、合環潮流的計算、解環潮流的計算等研究分析，并選擇出適合實際系統設計和實時的算法，為系統的設計和開發提供了理論基礎。

2) 對現有饋線終端FTU進行研究，分析其饋線分段開關負荷電流采集原理，并在此基礎上完善FTU的現有功能，實現對合環點壓差數據的測量及合環點相序的判斷。

3) 通過對110 kV變電站內的10 kV饋線聯絡開關進行合解環計算分析，由潮流計算結果及設備保護驗證分析得出，可以進行此次不停電負荷轉移合解環操作。以實例分析說明了所設計系統具有合解環決策分析的功能，具有工程實用價值。

結合現場的實際運行情況，系統的改進應該從負荷等效、算法優化兩個方面著手。總體來說，所開發的基于現有智能配電網信息平臺的合解環決策分析系統可以完成系統合解環決策分析，可以輔助系統調度人員進行合解環決策判斷，指導正確的合解環操作，系統的設計、開發具有一定的工程實用價值。