一起由配電網合解環操作引起的出線開關跳閘分析

周 云，張 佳，巴 宇，馬海薇，馬海濤

(國網鎮江供電公司，江蘇 鎮江 212000)

隨著“人民電業為人民”宗旨的不斷推進，供電可靠性得到了前所未有的提高。配電網設計原則是“閉環設計，開環運行”，當配電網線路檢修、臨時故障、非計劃停電等需要進行停電檢修時，配電網線路之間通過“手拉手”的方式將非停電線路段負荷串供出去是配電網調控運行常規方式安排與操作，即需要進行合解環操作[1-3]。

文獻[4-5]將配電網合環電路模型轉換為兼顧工程應用于代數計算的數學模型，利用合環電流沖擊電路數學函數在自變量的閉區間內找出函數的所有極值點絕對值等效為合環電流最大值。分析表明合環支路的最大沖擊電流必在模型的首個極值點處取得。文獻[6]利用配電網線路負荷節點歷史負荷數據為輸入量，采用半不變量法計算配電網線路合環穩態電流與暫態沖擊電流的概率分布，通過計算電流越限概率和越限程度對配電網合環操作的安全性進行評估，該方法可以得到多時間尺度、多場景條件下的概率分布特性，從而求取合環后流經各饋線合環電流的概率分布特性。文獻[7-8]在計算合環電流時引入分支系數，將不同分布類型的分支負荷等值為相應的負荷阻抗，等效為修正的負荷阻抗，以消除配電網分支負荷分布對合環穩態電流計算的影響，使得合環穩態電流計算更加準確。文獻[9]采用計及主網等值阻抗的潮流法、忽略主網等值阻抗影響的潮流法及近似公式法對中壓配電網合環電流進行計算，該方法可以滿足生產實際需要，為調度人員操作提供一定的技術支撐。但所提出的計算量較多，為調度操作人員增加了很長的工作時間。文獻[10]以傳統潮流疊加法和圖論中深度優先搜索算法為關鍵技術的配電網輔助決策，為調度人員在配電網合環開關優化搜索及操作安全校核提供了一定的指導。

電網調控運行人員依據運行方式安排對電網進行合解環操作，主要依據是調度員自身經驗和D5000系統中監測到的合環點兩側電壓值。在實際應用中，單純依據合環點兩側電壓數值進行合解環可能會造成合解環線路開關跳閘事故的發生。

1 事故基本情況

某日，110 kV甲變電站1號主變壓器(以下簡稱“主變”)檢修。為保證供電可靠性，該變電站10 kV配電網方式需要調整優化，保證110 kV 甲變電站每條10 kV母線中有一條出線調至備供變電站，并且甲變電站該開關處于熱備用狀態。當110 kV甲變電站1號主變檢修竣工，復役后恢復配電網方式過程中，操作過程中首先應該合上1H23開關，然后將1901H23開關改為冷備用狀態，但是在合上1H23開關時候發生1H23開關保護動作，事故跳閘。

1.1 事故前運行情況

110 kV甲站：110 kV 1號主變由220 kV丙變電站2號主變供電。

110 kV乙站：110 kV 2號主變由220 kV丁變電站2號主變供電。

10 kV 1H23線路、190線路配三段式過流保護、出線開關重合閘正確啟用。

圖1為電網初始方式，實心矩形為運行狀態開關，空心矩形為熱備用或者冷備用狀態開關。

1.2 事故經過

a.監控信息及初步判斷

當110 kV 甲變電站1號主變檢修竣工復役后，操作過程中首先應該合上1H23開關，然后將1901H23開關改為冷備用狀態，但是在合上1H23開關時，D5000系統發出1H23開關保護動作，事故跳閘信號及報文信息。

當值監控員接受調度命令：合上1H23開關。該開關保護動作，事故分閘。1H23開關在分位，監控員立即匯報當值調控員，當值調控員判斷為合解環操作失敗。

依據保護控制邏輯和監控系統上傳的信號，監控信息如下。

① 09:37:24，甲變電站/10 kV.1H23開關合閘(停電)；

② 09:37:24.871，甲變電站/10 kV.1H23保護出口動作；

③ 09:37:25，甲變電站/10 kV.1H23開關事故分閘；

④ 09:37:25，甲變電站/10 kV.1H23開關控制回路斷線動作。

值班監控員立即匯報值班調控員：110 kV甲變電站1H23開關保護動作，事故分閘。甲、乙站母線電壓均在正常范圍內，主網系統運行穩定。110 kV甲變電站10 kV Ⅱ段母線線電壓為10.30 kV，110 kV乙變電站10 kV Ⅱ段母線線電壓為10.55 kV。

b.調控處理

值班調控員收集信息后，經過初步判斷以后，09:40匯報相關領導，說明事件發生的過程；09:45通知運維值班人員到甲變電站進行現場檢查；09:46通知運維值班人員到乙變電站進行現場檢查；在運維值班人員、監控人員檢查現場及設備確認甲、乙變電站電網設備運行正常，可以繼續安全操作后，排除是現場設備缺陷導致合解環開關保護動作事故分閘。

通過運維值班人員、監控人員現場檢查，結合調度系統監控信號，調控員初步判斷可能為系統電壓相差較大引起合解環過程中開關跳閘。

當值調控員下令調整110 kV甲變電站10 kV Ⅱ段母線線電壓、110 kV乙變電站10 kV Ⅱ段母線線電壓。盡可能將110 kV甲變電站10 kV Ⅱ段母線線電壓與110 kV乙變電站10 kV Ⅱ段母線線電壓接近。

當值調控員繼續下令進行合解環操作：合上110 kV甲變電站1H23開關。在此過程中，110 kV甲變電站1H23開關仍然保護動作，事故分閘，其保護動作信號如下。

① 10:13:23，甲變電站/10 kV.1H23開關合閘(停電)；

② 10:13:23.417，甲變電站/10 kV.1H23保護出口動作；

③ 10:13:24，甲變電站/10 kV.1H23開關事故分閘；

④ 10:13:24，甲變電站/10 kV.1H23開關控制回路斷線動作。

c.現場反饋

運維值班員、配電運檢人員按照調度指令，對甲、乙變電站相關設備進行仔細檢查，確認設備狀態后向值班調度員匯報：甲變電站10 kV 1H23開關、乙變電站10 kV 190開關分別在熱備用狀態、運行狀態，甲、乙變電站現場未發現明顯異常。配電運檢人員經過帶電巡視，匯報1901H23開關在運行狀態，190線路、1H23線路查無異常。

2 配電網合環沖擊電流分析

配電網合解環操作時風險點是合環后饋線首端的暫態沖擊電流與穩態電流過大均有可能導致電流保護動作。影響合環線路潮流的因素除合環點兩端的電壓之外，與環網內設備參數也密切相關[11-12]。由圖1可知，該事故涉及的配電網屬于同一500 kV供電區域不同110 kV變電站10 kV線路合環。

2.1 合環暫態過程影響因素分析

合環點兩側有壓差或合環點兩側環網阻抗不同，合環后會出現環流，過大的環流可能引起環路內繼電器動作而跳閘。重點分析合環點兩側環網阻抗不同導致合解環過程中開關過流的合解環暫態電流。合解環暫態電流的求解過程簡化如圖2所示。

合環的環網阻抗簡化為串聯支路，如式(1)所示。

Zloop=R+jωL

(1)

激勵電動勢E為合環前開關兩側電壓差。電網三相電壓對稱，用單相等值。

(2)

以系統平衡點為基準，E超前ΔU角度一定的角度φ，則合環電路方式為一階非齊次方程為

(3)

式中：φ為合環時刻t=0時E的初相角。假定合環相角為0°，配電網的電阻遠小于電抗，方程的解也就是沖擊電流，可以簡化為

(4)

由式(4)可知，沖擊電流最大值出現在合環后的半個周期，沖擊電流最大值為

(5)

由以上分析可知，合環電流的大小與合環時的潮流及合環的串聯支路阻抗Zloop有關。可見，減少合環潮流的同時，合環電流也會相應減小。

2.2 合環穩態過程影響因素分析

配電網合環計算分析可以利用電路原理中的疊加原理，即合環點線路流過的潮流為環狀電網各個級聯組成的潮流總和[13]。圖3所示為包含多電壓等級線路合環連接示意圖，其中將110 kV及以上電壓等級設備參數等效至110 kV相應設備。

合環點左側電壓Ul表達為

(6)

合環點右側電壓Ur表達為

(7)

式中：klp為左側級聯p級線路；krq為右側級聯q級線路；Slp為左支路第p級母線上負荷潮流；Ulp為第p級母線線電壓值；Zlp為第p條串聯支路阻抗。

合環點左右側電壓與阻抗的關系為

(8)

當合解環線路屬于同一500 kV供電區域不同110 kV變電站10 kV線路時候，可以將電網等值為110 kV與10 kV 2種電壓等級，依據上述合環潮流計算公式，可以簡化為

Sh=A/B

(9)

(10)

(11)

近似地，取Ul1≈Ur1≈Ul2≈Ur2≈U，則:

(12)

合環線路潮流大小與環狀內主變變比、變壓器阻抗值大小、主變負荷潮流以及環狀線路阻抗、線路負載有一定的密切聯系。

3 事故過程推演及解決措施

經過上述理論分析，調度人員可知導致合環失敗的關鍵原因不僅僅是兩側電壓差，而是與合環線路潮流大小與環狀內主變變比、變壓器阻抗值大小、主變負荷潮流以及環狀線路阻抗、線路負載情況密切相關。因此，調度人員應該統籌考慮各種因素對即將進行的合解環操作的影響，尤其是該調控員調管范圍之前的上級電源線路應該有所了解。

當值調控員匯報地區當值調控員，要求將110 kV乙變電站2號主變調至220 kV丙變電站2號主變供電。如此，合解環操作形成的環網如圖4所示，合解環線路供電路徑發生了根本性變化。

110 kV電網方式調整后SOE報文及動作邏輯如下。

① 11:00:59，甲變電站/10 kV.1H23開關合閘(停電)；

② 11:01:18，甲變電站/10 kV.1H23重合閘投入動作。

此時，甲變電站10 kVⅡ段母線線電壓為10.25 kV，乙變電站10 kVⅡ段母線線電壓為10.55 kV，相對于最初運行方式下的甲、乙變電站10 kVⅡ段母線線電壓電壓差變大，但是依然成功合解環。

4 結論

a.本次案例中，單憑調控操作人員的經驗無法判斷合環操作產生的環流對配電網安全運行的影響及對配電網的沖擊。更進一步，需要通過潮流計算對合環路徑進行分析，才可以有依據地對配電網進行恰當調整，保證用電的連續性與可靠性，減少開關跳閘次數及線路停電次數。

b.合環開關兩側變電站10 kV母線存在電壓差(數值差、相位差)產生環流。若兩側母線對系統的環網阻抗比較接近，環流可用兩側母線的電壓差值除以合環線路的阻抗計算出近似值，此方法在實際調控運行操作中難以實施。

合環時往往只考慮聯絡開關兩側的電壓差，而事實上系統環網阻抗及潮流對合環電流也有很大影響。不同變電站母線出線形成的環網阻抗不同，即便電壓一樣，母線合環也有可能產生很大環流。這一點容易被忽視，也是造成合環操作失敗的原因之一。所以建議合環操作增加一項判別條件：合環的兩側母線至合環點的綜合阻抗適宜。

c.合環線路潮流大小與環狀內主變變比、變壓器阻抗值大小、主變負荷潮流以及環狀線路阻抗、線路負載有一定的密切聯系。因此，配電網操作時，應該掌握上一級電網的運行情況以及配電網的運行方式，尤其是配電網變電站供電路徑，掌握電網操作可能引起的電網中電氣量的變化，電網操作給電網帶來的運行方式的變化。

d.優化電網運行方式，合理安排上一級變電站負荷分配。根據線路具體情況以及往常的經驗，安排更為合適的運行方式。