配电网合环转供电的分析与计算

阳 丽

(广西电网有限责任公司来宾供电局， 广西 来宾 546100)

0 引 言

配电网一般采用开环运行，当线路停电时或负荷重过载时通过合环操作来转移负荷，保证对用户的连续供电。某网区10 kV线路共458条，具备转供电的10 kV线路共317条，但由于在实际合环操作中，多次出现电流异常升高导致变电站出线开关跳闸现象，以致不少线路在合环转供电时采取先停电后转供的方式，实际能够不停电转供电的10 kV线路只有215条，不停电转供电率为68%。因此有必要对配网合环转供电进行分析研究，尽量减少合环操作的停电次数。

1 合环电流

环流由合环点两侧的电压差或短路阻抗不同产生[1]，其大小是影响合环安全性的关键因素[2]。文献[3-4]计算了合环时稳态电流，但没有考虑暂态电流的影响。实际合环时电流由合环前的稳态电流和合环后的暂态电流叠加而成。

1.1 稳态电流计算

如图1所示，系统认为是无穷大系统，由电路原理可知从系统1到维林站10 kV母线压降ΔU1与系统2到立新站10 kV母线压降ΔU2应相等，即ΔU1=ΔU2。

根据图1,由电路原理可列式为

(R1+R2)(I+I1)+(R3+R4)(I+I2)+

R5(I+I3)+R10(I-I6)=(R6+R7)(I4-I)+

(R8+R9)(I5-I)

由上式可推算稳态电流为

I=[(R6+R7)I4+(R8+R9)I5+R10I6-

(R1+R2)I1-(R3+R4)I2-R5I3]/(R1+

R2+R3+R4+R5+R6+R7+R8+R9+R10)

式中：I1-I6为流过设备的电流,可从调度自动化系统中获取;R1-R10为电力系统设备的电阻,均为已知值。

从图1可看出，稳态电流由负荷电流与合环电流叠加产生，并与环路中的阻抗值有关。

1.2 暂态电流计算

暂态电流，也叫冲击电流，其幅值高、持续时间短。它导致继电保护动作或设备损坏,其形成原因为合环点两侧存在电压差。如图2所示为冲击电流计算模型。

图2 冲击电流计算模型

计算模型中的激励为A相相电压为

合环回路呈感性,从合环至稳态是振荡衰减，电路的非齐次微分方程为

式中：ω为系统角频率；α为合环时刻t=0时初始相角，由合环点两侧电压的相角差决定。求解该微分方程，可得合环全过程冲击电流的瞬时值表达式为

非周期分量使暂态过程环流出现较高的峰值。当α-φ=90°时，则在合环后半个工频周期(即0.01 s)达到最大瞬时值：

如果冲击电流过大，会造成保护动作，根据文献[5]合环冲击电流的最大有效值为

It,max=0.805Im

2 合环转供电基本原则及计算校核流程

2.1 合环转供电基本原则

1)相位、相序正确。

2)合环时母线电压差ΔU≤10%Un，相角差δ≤20°。

3)解、合环操作必须确保潮流、电压在正常范围，继电保护和安全自动装置不误动。

4)合环电流(冲击电流和稳态电流之和)的有效值能躲过环网中各元件过流I段和过流II段的电流定值，避免引起保护误动。

5)合环电流产生的冲击和扰动不得破坏电网的暂态稳定性，不得引起系统电压长时间、大幅度振荡，不得超过合环点附近发电机组的承受能力。

6)电磁环网包含的电压等级不宜超过3级，即涉及合环线路属于同一220 kV网络时，可合环操作。

2.2 合环转供电计算校核流程

上述基本原则中，2)～5)可以通过仿真计算来判断，其余原则为直接判断和准备工作。合环转供电计算校核流程如图3所示。

图3 合环转供电计算校核流程图

为了判断合环点是否安全，需要进行合环前的稳态潮流计算、合环后潮流稳定计算、暂态稳定计算。

3 实际算例

采用中国电力科学研究院开发的PSD-BPA潮流程序进行仿真计算，为了提高收敛性，其算法是先采用P-Q分解法进行初始迭代，然后再转入牛顿-拉夫逊法求解潮流。按照上述计算流程，以某网区110 kV立新站10 kV高铁I线、110 kV维林站10 kV维古I线在联络开关合环运行为例，建立了系统稳态和暂态模型，对开环点进行了两次潮流计算和一次暂态稳定计算，得到合环前稳态潮流图(如图4所示)、合环后稳态潮流结果(如图5所示)、暂态过程仿真结果图，其中暂态过程仿真设定在2 s开始。两条线路的导线型号为LGJ-240，过流I段、II段、III段、过负荷保护定值分别为3 000 A、1 200 A、600 A、540 A。

从图4中可以得到合环前的潮流分布，10 kV维古I线和10 kV高铁I线联络开关两侧的电压和相位。从图5中可以得到合环后的潮流分布，线路的潮流方向为10 kV维古I线流向10 kV高铁I线，并且维林站10 kV维古I线的负荷增加、立新站10 kV高铁I线的负荷减少，同时可以判断合环线路元件没有过载、电压差在合格范围内。图6为合环暂态过程电压曲线仿真结果。

图5 合环后稳态潮流图

图6 合环暂态过程电压曲线

从图6可以看出，由于合环后维林站10 kV维古I线的负荷增加、立新站10 kV高铁I线的负荷减少，造成维林站10 kV I段母线电压下降、立新站10 kV I段母线电压上升，电压合格；10 kV维古I线联络开关电压下降、10 kV高铁I线联络开关，合环后联络开关两侧电压达到一致，为10.3 kV。

图7为合环暂态过程电流曲线仿真结果。

图7 合环暂态过程电流曲线

暂态过程仿真设定在2 s开始，从图7可以看出，合环后将会产生冲击电流，其中维林站10 kV维古I线963开关冲击电流最大值为516 A，联络开关冲击电流最大值为321 A，立新站10 kV高铁I线962开关由于负荷减少，电流下降。冲击电流最大的地方为维林站10 kV维古I线963开关516 A，维林站10 kV维古I线963开关合环前稳态潮流电流为228 A、合环后稳态潮流电流为495 A。

为了判断合环点是否安全，需要进行合环操作安全性校核，表1为合环操作安全性校核表。

表1 合环操作安全性校核表

表1中，校核2.1中合环转供电基本原则2)～5)，具体内容如下：

1)由表1知，合环时母线电压差ΔU=0.3 kV≤10%×10.5 kV，相角差δ=6.6°≤20°，满足判据要求。

2)由图4～6可知，解、合环后潮流、负荷、电压均在正常范围内。

3)由图7可知，合环后稳态和冲击电流之和的最大电流有效值512 A，未超过过负荷定值540 A，未超过过流I段定值3 000 A，未超过过流II段定值1 200 A，不会引起保护误动。

4)合环电流产生的冲击和扰动未破坏电网的暂态稳定性，未引起系统电压长时间、大幅度振荡，未超过合环点附近发电机组的承受能力。

仿真结果表明，该网区110 kV立新站10 kV高铁I线、110 kV维林站10 kV维古I线可在联络开关处进行合环操作。

4 结 语

从稳态和暂态两个方面对合环电流进行了分析，提出了合环转供电的基本原则以及计算校核流程图，通过实际算例对合环转供电进行了安全性校核。实际工作中，如果校核发现最大电流有效值不能躲过电流I段或电流II段的保护定值，则要求保护装置适当提高电流值并作为合环操作的临时定值，合环操作前将保护定值切至临时定值来满足合环操作安全要求；部分不能合环的线路，因受TA变比不满足或导线线径小影响，只能通过基建或技改项目来解决。

实践证明，该合环转供电基本原则及计算校核方法有效地指导了某网区配电网合环操作，实现不停电转供电的10 kV线路由215条提高到288条，不停电转供电率由68%提高到91%，大幅提高了供电可靠性，防止合环操作时的保护误动，增强了电网安全稳定性。