快速判断配电网安全合环条件的应用研究

2022-10-10刘倩影张启亮

黑龙江电力 2022年4期

刘倩影，张启亮

(国网山东省电力公司济宁供电公司，山东济宁 272000)

0 引言

在线路检修或负荷调整期间，为保障居民、工业用电的连续性，需要将受影响用户降低至最少，因此，合环调电(热倒)操作逐渐取代以往“冷倒”方式。对于合环调电线路，应满足合环条件，确保合环后潮流的变化不会超过继电保护、设备容量等方面的限定值，并考虑线路保护的灵敏性。同时，调电设备不得与故障区域连接，防止调电造成故障范围扩大等危险情况。

文献[1-2]阐述了实际工作中进行配网合环操作的必要性，分析了合环操作中遇到的问题，总结概述了合环条件，定性地提出了应对措施，全文重在理论描述相关操作要点。文献[3-4]结合中小城市配网结构特点，通过建立合环系统等值模型，推导合环稳态电流与冲击电流计算式，分析影响合环电流的要因，并提出减小合环电流的措施，全文重在分析合环稳态电流与冲击电流计算式组成要素，而忽略了对配网线路电流三段式保护的影响。文献[5]在惠州市10 kV配电网等值模型基础上，依据10 kV配网线路电流三段式保护整定原则，分析合环操作对继电保护的影响，并给出配合策略，有一定的参考意义。文献[6-7]通过研发配网合环辅助决策软件或环流分析系统，合环操作前，调度员只需输入合环线路相关参数即可判断能否合环，但未考虑配网线路点多、面广、易变动等特点，不能实时反映现场接线方式，造成计算结果与实际情况偏差较大等问题。文献[1-7]仅对配网合环操作某个要点进行了定性或定量研究，计算式所含参数不能直接查询获得，实际操作中依然不能快速有效指导配网调控人员判断是否可以合环。

为快速有效判断配网线路能否合环，该文在济宁地区配网典型合环模型之上，结合调度SCADA系统电网实时运行工况(变压器及分接头位置、母线电压及功率、线路最大容许电流及稳态电流等参数)，研究合环对电流三段式保护的影响，推导出合环前、后稳态电流的简化计算式，并得出根据合环前稳态电流的大小即可判断出能否合环的结论。该方法简单快捷、安全有效，具有一定的可行性。

1 配电网合环等值模型

济宁地区典型合环网络如图1所示，110 kV侧为甲站A变压器和乙站B变压器，10 kV侧线路L1和L2现场已核相，初步具备合环条件，通过联络开关K连接。正常情况下，联络开关K分闸；需要合环运行时，联络开关K合闸。该合环网络实时运行工况参数可从调度SCADA系统中查询获得。

图1 济宁地区典型合环网络Fig.1 Typical closed loop network in Jining area

图2 济宁地区典型合环网络简化图Fig.2 Simplified diagram of typical closed loop network in Jining area

2 配电网合环分析

2.1 配电网合环电流

(1)

(2)

式中：k为冲击系数[8]，取1.62。

定义Imax为10 kV线路最大容许电流，Iset为对应线路电流保护整定值，若有

(3)

(4)

当式(3)、(4)同时成立时，合环稳态电流在线路自身承受范围内，暂态过程也不会引起继电保护误动作，可确保合环的安全性。

对于配网线路电流三段式保护，其整定值满足

Imax≤Iset

(5)

由式(3)～(5)求解，得到

I1≤Imax-Ic

(6)

当式(6)成立且Ic可计算时，值班人员便可根据合环前线路稳态电流I1的大小，判断能否直接合环。

根据叠加定理及图2所示参数，可得

(7)

设阻抗Z为Z1、Z2、ZH1、ZH2之中最小有效值，则由式(6)、(7)联立求得

(8)

同理可得

(9)

2.2 合环对继电保护的影响

定义tsetⅡ为合环线路电流三段式保护中Ⅱ段时间设定值，一般整定为0.3 s，tT为合环线路合环过程中暂态电流非周期分量的衰减时间，对于济宁地区典型合环网络接线方式，满足tT≤tsetⅡ条件[9]，即合环暂态过程对过流Ⅱ段式保护的影响可不考虑。

定义IDZ为线路过负荷保护电流设定值，则有

IDZ=kDZImax≥Imax

(10)

式中:kDZ为可靠系数，kDZ=1.105。

联立式(3)、式(10)，可得合环暂态过程对线路过负荷保护也无影响。因此，对于济宁地区典型合环网络，安全合环的条件确定为：2条合环线路合环前稳态电流满足式(8)、式(9)即可。

在实际工作中，利用算式计算出每条合环线路所满足的合环前稳态电流值，并整理为表格数据。当需要合环操作时，值班调度员只需核对线路实际电流在表格数据范围内，即可做出能否安全合环的判断，简单快捷、安全有效。对于不满足表格数据的合环线路，需进行进一步计算或试验，以便确保合环后各环节潮流的变化不超过继电保护、电网稳定和设备容量等方面的限额。

3 算例验证

在地区典型合环网络中，2台110 kV变压器容量都为50 MVA，主变TA变比nZB为3000/5，主变低压侧限时速断保护电流二次整定值为10.50 A；合环线路采用交联聚乙烯绝缘电力电缆YJV22-3×400，线路阻抗为(0.087 6+j 0.120 0)Ω/km，线路TA变比nL为600/5，最大容许电流为600 A；基准容量为1 000 MVA，基准电压为10.50 kV，基准电流为54.99 kA，基准阻抗为0.11 Ω，调度SCADA系统中其他电网参数如表1所示。

表1 合环网络中等值阻抗Table 1 Equivalent impedance in closed loop network

3.1 继电保护验证

目前，供电公司在配网线路继电保护定值整定时，一般采用简化算式进行计算。设线路相间过流Ⅰ段保护一次整定值、二次整定值分别为Iqb1、Iqb2，线路过负荷保护一次整定值、二次整定值分别为Iop1、Iop2。

首先，考虑线路相间过流Ⅰ段保护整定值与线路变电站侧配合时，其二次值为

Iqb2=Im,min/nL=32.42 A

(11)

式中：Im,min为最小方式母线电流；nL为线路TA变比。

线路相间过流Ⅰ段保护整定值还需要考虑与主变低压侧限时速断反配，其二次值为

Iqb2=IdznZB/(nLk)=43.75 A

(12)

式中：Idz为低压侧限时速断电流整定值；nZB为主变TA变比，k为可靠系数。

在同时满足式(11)、式(12)的情况下，Iqb2可取值为35 A，这时可计算线路相间过流Ⅰ段一次侧整定值为Iqb1=Iqb2nL=4 200 A，满足式(4)要求。

其次，考虑线路过负荷保护整定值与线路变电站侧配合时，其二次值为

Iop2=kIL,maxnL=5.53 A

(13)

式中：IL,max为最大负荷电流600 A，k=1.105。

这时可计算线路过负荷一次整定值为Iop1=Iop2nL=663.6 A，满足式(10)要求。

因此，实际工作中，合环线路继电保护定值均满足计算要求，进一步验证了安全合环条件的正确性。因调度SCADA系统每5min中采集一次电网实时参数，不能有效反映合环电流暂态过程，还需仿真验证。

3.2 仿真验证

合环操作时，电压差一般允许在20%以内，以确保合环后各环节潮流的变化不超过继电保护、电网稳定和设备容量等方面的限额。配网线路长度设定为5 km，因此确保安全合环前的配网线路电流需满足式(8)、式(9)。

(14)

即对于该典型合环模型，安全合环条件简化为配网线路合环前承载电流满足I2≤337 A的要求。

通过Matlab/Simulink模块搭建地区典型合环网络仿真模型，对合环前后线路电流进行仿真，模型如图3所示。

图3 地区典型合环网络仿真模型Fig.3 Regional typical closed loop network simulation model

仿真过程中，设定0.06 s时将联络开关K控合，进行合环操作，该过程中合环电流波形如图4所示。

图4 合环前后线路电流波形图Fig.4 Line current waveform before and after loop closing

从图4中可以看出：合环电流暂态过程持续时间大约为0.02 s，满足tT≤tsetⅡ条件；合环前线路稳态电流有效值为141 A，在文中所提该线路安全合环条件范围内(不大于337 A)；合环过程最大冲击电流为411 A，小于瞬时速断保护动作整定值4 200 A；合环后线路稳态电流有效值约为212 A，小于该线路最大容许电流600 A。综上所述，该种情况不会触发线路继电保护误动作，满足安全合环条件，可以合环。

随着合环前线路承载电流逐渐增大，合环冲击电流、合环后稳态电流也将随着越来越大。当合环前线路稳态电流有效值I2=310 A时，合环前后线路电流波形图如图5所示。从图5可以得出，合环冲击电流将升高至930 A，合环后稳态电流有效值也将提升至590 A，接近该线路最大容许电流。该种情况下合环存在一定的安全隐患，需进行进一步计算或试验，以便确保合环后各环节潮流的变化不超过继电保护、电网稳定和设备容量等方面的定值。