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 712000）

0 引言

隨著城農(nóng)網(wǎng)改造力度的加大和配網(wǎng)行動計劃的深入，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)運行”即配網(wǎng)互聯(lián)線路有兩個以上電源，可以實現(xiàn)雙電源供電。正常運行方式下開環(huán)運行的電網(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、事故缺陷處理時，倒負荷大多采用“先斷后合”的操作方式，操作過程中會出現(xiàn)短時停電，影響供電可靠性，降低了客戶對供電服務(wù)的滿意度，也影響了企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益[1-3]。

目前，國資委對供電可靠性指標(biāo)考核越來越嚴(yán)，某地區(qū)電網(wǎng)城市用戶系統(tǒng)平均停電時間時戶數(shù)指標(biāo)逐年下降，2019年考核指標(biāo)為8.2 h/戶，實際完成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)苛以及客戶對供電質(zhì)量的要求日益增長，供電企業(yè)增供擴銷壓力巨大，客戶、監(jiān)管、企業(yè)自身發(fā)展三個層面都促使供電企業(yè)大力提高供電可靠性，對用戶不間斷供電已經(jīng)是大勢所趨。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)的情況下進行設(shè)備檢修等多項工作。

1 合環(huán)轉(zhuǎn)供電風(fēng)險及條件

合環(huán)轉(zhuǎn)供電是指在“閉環(huán)結(jié)構(gòu)、開環(huán)運行”的電網(wǎng)中，通過操作合環(huán)點開關(guān)將配網(wǎng)線路通過不同電壓等級的元件、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，實現(xiàn)不停電倒負荷[4]。

1.1 合環(huán)轉(zhuǎn)供電風(fēng)險

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

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

1）合環(huán)點兩側(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)點兩側(cè)的電壓幅值、相角差、初始負荷、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)路中饋線電流保護誤動作。

2）合環(huán)時或合環(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)致斷路器拒動的情況而擴大事故；還可能出現(xiàn)環(huán)路饋線沒有核對保護定值，保護拒動的情況而擴大事故范圍。

3）合環(huán)時或合環(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，環(huán)路內(nèi)饋線保護易出現(xiàn)非選擇性動作風(fēng)險，導(dǎo)致合環(huán)失敗，擴大事故范圍，影響系統(tǒng)安全運行[5]。

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

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，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，可能引起過電流保護誤動作；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，合理控制風(fēng)險，保證合環(huán)轉(zhuǎn)供電成功和系統(tǒng)安全運行，需具備以下合環(huán)條件：

1）合環(huán)操作前，進行合環(huán)點兩側(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）上級變電站到合環(huán)點的系統(tǒng)短路阻抗相對要大并盡量接近，差值應(yīng)最小，以減小故障時的短路電流，也減少合環(huán)暫態(tài)沖擊電流；

4）合環(huán)點兩側(cè)饋線初始負荷要小；

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)負荷總和；

6）環(huán)路中各級保護需滿足合環(huán)運行，不誤動、不拒動。

2 配網(wǎng)現(xiàn)狀調(diào)查與分析

對某電網(wǎng)進行摸底調(diào)查統(tǒng)計得知，截至2020年3月底，全網(wǎng)10 kV配電線路總計619條，其中城區(qū)線路168條，涉及城市用戶系統(tǒng)平均停電時間時戶數(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%。對現(xiàn)有的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運行方式進行梳理，現(xiàn)存在6種10 kV配網(wǎng)合解電磁環(huán)運行方式：

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時間，也缺少配網(wǎng)自動化的技術(shù)裝置與配套高級應(yīng)用軟件，互聯(lián)點的開關(guān)需要人工操作，效率較低，費時費力不安全，用戶滿意度降低，供電企業(yè)損失電量，社會效益和經(jīng)濟效益下降，影響電力行風(fēng)建設(shè)。

3 電網(wǎng)實際案例計算與分析

結(jié)合某電網(wǎng)現(xiàn)狀，綜合考慮合環(huán)風(fēng)險和合環(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)運行的EMS系統(tǒng)收集了2020年3月17日的負荷數(shù)據(jù)、電壓數(shù)據(jù)、運行方式、主變分接頭運行位置、無功補償情況，從縣調(diào)收集了配網(wǎng)線路參數(shù)、合環(huán)環(huán)路、分支保護配置及定值情況，從保護專業(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，利用潮流計算軟件進行了潮流計算，電壓計算結(jié)果如表1所示，合環(huán)穩(wěn)態(tài)環(huán)流計算為34 A。

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

利用保護計算軟件進行了環(huán)內(nèi)外短路電流計算，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母線電壓均滿足《國家電網(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，線路負荷和變壓器負荷均不過載，暫態(tài)合環(huán)沖擊電流為55 A，遠遠小于環(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），過電流保護會靈敏動作出口。環(huán)外相鄰線大小方式下，首端出口故障時，環(huán)內(nèi)線路的短路電流均小于對應(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），速斷電流保護不會動作，但超過過電流保護定值，過電流保護會啟動，環(huán)外相鄰線首端出口故障，相鄰線的電流速斷會先動作出口，環(huán)路內(nèi)線路過電流保護會返回，不會動作；環(huán)外相鄰線大小方式下，末端出口故障時，環(huán)內(nèi)線路的短路電流均小于對應(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），過電流保護不會動作。

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，對合環(huán)元件和線路風(fēng)險較小，滿足合環(huán)條件。

4 合環(huán)工作策略及改進建議

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，可讓供電分局從營銷系統(tǒng)收集；

3）進行合環(huán)前后潮流計算和合環(huán)短路電流計算，對計算結(jié)果進行安全分析評價，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)場設(shè)備，對合環(huán)線路進行核相工作；

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

6）合環(huán)操作前，應(yīng)對變壓器分接頭位置進行檢查和調(diào)整，確保合環(huán)點兩側(cè)的電壓差最小；

7）合環(huán)前后，利用EMS系統(tǒng)截取實時潮流圖，進行計算結(jié)果和實際比對，以便總結(jié)經(jīng)驗。

4.2 改進建議

4.2.1 試驗建議

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，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 配置和完善在線計算軟件

合環(huán)計算是合環(huán)試驗的前提和基礎(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)拓撲數(shù)據(jù)不全，外網(wǎng)等值實現(xiàn)不了，無法實現(xiàn)合環(huán)計算，配網(wǎng)分支的測控數(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)自動化建設(shè)時，嵌入功能完備的輸配網(wǎng)協(xié)同的潮流計算與短路計算高級應(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，計算效率和計算精度不高的問題。

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)驗較少，應(yīng)向先進電網(wǎng)學(xué)習(xí)經(jīng)驗，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)運行”的網(wǎng)架也在形成，對提高35 kV系統(tǒng)的供電可靠性和經(jīng)濟性具有重要意義。

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、仿真計算、現(xiàn)場設(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××線進行了首次10 kV配網(wǎng)合解電磁環(huán)網(wǎng)試驗，試驗取得預(yù)想的效果，合環(huán)點環(huán)流為48 A，遠遠小于保護電流定值，合環(huán)母線10 kV電壓為10.4 kV，與理論計算結(jié)果誤差較小（因合環(huán)試驗時刻與仿真理論計算時負荷有變化，且分支負荷采集不到，理論計算忽略考慮），環(huán)路元件和線路沒有過載現(xiàn)象。