ABSTRACT

In order to improve the success rate of power distribution without switching power distribution, this paper presents mathematical model of load transfer in distribution network. The differences of voltage of amplitude and phase angle on both sides are calculated by the power flow. According to the size of the difference, we can determine whether the operation can be carried out, thereby improving the success rate of operation.

Keywords:Power Flow, Surge Current, Closing Loop

基于负荷转移模型的配网合环可行性研究

尹琦¹，丁睿¹，赵永春²，刘艳芬²，刘晓琳³

¹国网四川省电力公司德阳供电公司，四川 德阳

²北京中恒博瑞数字电力科技有限公司，北京

³国网(北京)节能设计研究院有限公司，北京

收稿日期：2017年5月17日；录用日期：2017年6月3日；发布日期：2017年6月6日

摘 要

为了提高配电网不停电倒换负荷的成功率，本文提出了配电网负荷转移的数学模型，通过潮流计算得到合环点两侧的电压幅值差和相角差，进行判断该合环点处是否可以实施合环操作，进而提高合环倒电操作的成功率。

关键词 :潮流计算，冲击电流，合环

Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

随着电网建设的进展，电网的35 kV、10 kV配网结构逐渐完善，多数区域已实现环形网架结构。在正常运行方式下，配网的各环网均在某处开环运行，配网负荷由不同的主网电源供电，当主、配网供电元件需要停电检修或调整运行方式时，常需将配网负荷倒至另一电源供电。以往配网倒电多采用“冷倒”方式，即停电倒闸的方式，该方式将中断对用户的供电，会影响电网公司的经济效益和社会效益。

在合环倒负荷过程中，对电网稳定运行影响最大的是合环潮流的暂态值。文献 [1] [2] [3] 研究了合环潮流暂态值对电网的安全的影响，提出了潮流的暂态值与合环两侧的电压幅值和相角差有关系的观点。潮流计算 [3] [4] [5] 可以预知系统中母线的电压是否在允许的范围以内，同时可以计算出合环点两侧的电压幅值和相角变化，根据国网提出的《电力系统运行方式工作管理规定》 [6] ，判断合环点处是否可以进行合环倒电的操作。快速解耦法(PQ分解法)计算潮流，可以提高计算速度，降低对计算机贮存容量的要求 [7] ，本文采用PQ分解法计算潮流。通过对合环点处的判断，可以选择适当的供电路径，保证配电网对用户的可靠供电，提高配电网运行的经济性 [9] 。由于配网中负荷的分布信息无法通过SCADA系统收集，但是变电站出站处的负荷是可以通过SCADA系统采集到的，本文提出了负荷的简化模型，利用数学系数的方法将负荷转移至线路的两侧，进而可以简化负荷模型提高计算效率。最后通过仿真验证，该负荷模型的简化是合理的。

2. 配网合环原理

2.1. 城市配电网常用结构

合环倒电可以按照接线方式进行分类，对于不同的合环方式，具有不同的网络特点，其合环操作的安全性水平也有不同。因此可以从合环方式的角度进行安全性评估。根据配电网接线图可以归纳出，10 kV配网合环转电的方式主要有以下几种：

图1是不同220 kV片网之间的馈线联络；图2是相同220 kV片网，a是不同110 kV线路分区的馈线联络；b是相同110 kV线路分区,不同主变之间的馈线联络；图3是同一厂站，a是相同母线不同馈线之间的联络，b是不同母线所带馈线之间的联络；图4是220 kV主变10 kV馈线之间的联络。

2.2. 负荷模型

目前配网负荷模型可以选择多种方式，如负荷均匀分布，负荷在线路首端或末端等。一般为了计算方便，配电网负荷往往简单地归结于一点：如线路首端或末端等。归结于一点这样可简化计算，但模型不够精确，使得最终结果会有较大误差影响。本系统在建立负荷模型时，充分考虑了配电网负荷梳状结构的特

图1. 不同220 kV片网接线图

图2. 相同220 kV片网接线图

图3. 同一厂站接线图

图4. 220 kV主变下的接线图

点，让负荷均匀分布于配电网线路上，再利用数学方法进行负荷转移，便于潮流计算，同时提高了精度。

即可作如下假定：对于一长为L的均匀线路，若负荷S均匀分布于该线路上。如将该负荷移至两侧，则有

(1)

其中和是负荷等效到线路两端的值。

由于配网自动化的水平有限，目前大多数地区SCADA系统无法采集到配网的配变负荷情况，只能采集到变电站10 kV出线负荷，因此配网负荷模型采用以下方法进行处理：

在图5中，b₁和b_n为变电站出线开关，b₂、b_n-1为线路联络开关，Sn₁、Sn_i和Sn_n-1分别为线路b₁-b₂、b₂-b₃和b_n-1-b_n的配变总容量。

开关b₁和b_n的功率S₀和S_n可以通过SCADA系统获取。而线路b₁-b₂、b₂-b₃和b_n-1-b_n的负荷无法获取，本系统采用系数法进行负荷分配，第i段线路的负荷S_i为：

(2)

2.3. 配网合环判据

根据《国家电网公司电力系统电压质量和无功电力管理规定》中电网调度管理条例，合环时500 kV的电压差一般不应超过额定电压10%，220 kV及以下电压不应超过额定电压20%。合环操作一般应检查同期合环，有困难时应启用合环断路器的同期装置检查相角差。合环时相位差220 kV及以下电压一般不应超过25˚，500 kV一般不应超过20˚。

图6中b₂断路器需要合环操作，合环操作需要满足b₂两侧相角差和电压差的条件，即：

(3)

公式(3)是合环倒电操作的判据。

2.4. 合环冲击电流模型

配网合环产生环流的主要原因有两个 [10] [11] ：一，合环开关两侧10 kV母线的电压差(幅值差、相

位差)；二，合环开关两侧对系统的短路阻抗不同。

正常情况下，只要保证合环开关两侧的电压差和短路阻抗不是很大，合环后通过联络开关的稳流并不大，但在合环的瞬时，线路会产生暂态冲击电流，可能会导致保护动作，造成停电事故。

图7为一简单配电网合环系统，正常运行时合环点联络开关断开，网络保持辐射状，当设备检修或倒负荷时合上联络开关。由于合环点两侧的电压差存在，必定在环网系统中产生冲击电流，对系统做适当简化以方便计算分析冲击电流。根据系统的三相对称性，只研究其中的一相，如L1的单相，计算合环暂态冲击的单相等值电路 [8] 如图8所示。图8中L和R为环网中所有电气元件的等效电感和电阻之和，合环点两侧的电压差等效为计算模型中的电压源。系统合环线路外其他部分用等值负荷处理，由于等值负荷与线路阻抗比很大，故在计算冲击电流时可忽略不计。

由于线路呈感性，合环至稳态的整个过程是振荡衰减的，因此建立微分方程计算冲击电流，得到实时响应。计算模型中的激励为L1相相电压，为

(4)

其中为合环点两侧的电压差，即

(5)

图5. 配网负荷模型

图6. 合环线路示意图

图7. 配网合环示意图

图8. 配网合环戴维南等效电路图

合环电流的瞬时值应满足如下微分方程：

(6)

其中为合环时刻时的初始相角，它是由该时刻合环点两侧电压的相角差所决定的。

冲击电流的计算表达式为：

(7)

式中：

，，为合环电流周期分量的幅值，为周期分量和间的相角。

最大冲击电流为：

其中：为合环稳态电流的幅值。

3. 潮流计算

潮流计算时电力系统分析中最基本且重要的计算之一，典型的潮流计算法有高斯-赛德尔法、牛顿-拉夫逊法和Van Amerongen提出的BX通用型快速解耦法等。其中快速解耦法克服了网络不能收敛的问题。本文用快速解耦的方法进行潮流计算。

快速解耦法(也称为PQ分解法)是目前电力系统进行潮流计算的主要方法，基本思想是：把节点功率表示为电压向量的极坐标方程式，以有功功率误差作为修正电压向量角度的依据；以无功功率误差作为修正电压幅值的依据，把有功功率和无功率迭代分开来进行。其特点是以不变的、对称的系数矩阵代替原牛顿-拉夫逊法修正方程式中变化的、不对称的雅克比矩阵，以提高计算速度，降低对计算机贮存容量的要求(图9)。

对于每一个PQ节点或每一个PV节点都可以列写一个有功功率不平衡方程式:

(8)

对于每一个PQ节点还可以再列写一个无功功率不平衡量方程式：

(9)

图9. P-Q分解法潮流计算流程框图

4. 算例分析

本文结合德阳实际电网，以德阳电网两条典型10 kV线路的合环为例，线路运行方式如下：10 kV八长二路：220 kV五里堆站→110 kV八角站→10 kV八长二路。10 kV庐合路：220 kV寿丰站→110 kV庐山站→10 kV庐合路。合环方式下，环内所有设备不过载，合环操作全过程，不得引起环内变电站10 kV母线电压越限(母线合格电压为10.0~10.7 kV)。10 kV合环点电压应满足《国家电网公司电力系统电压质量和无功电力管理规定》中对用户受电端供电电压允许偏差值。(10千伏及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%。)

合环冲击电流属于暂态过程，时间不大于5个周波，即大部分非周期分量在不超过0.1 S时间内将衰减完毕。由于合环冲击电流由周期分量(稳态电流)和非周期分量(直流分量)构成，其最大瞬时值将在合环发生经过半个周期后(约0.01 S)出现，冲击电流只会对速断保护产生影响，所以最大冲击电流应小于线路的速断保护的定值。通过对合环冲击电流的计算分析，可以设置速断保护的定值。

对图10中的典型电网接线图进行建模仿真，得到合环点两侧的相角差和电压差，进而计算合环冲击电流的大小，根据管理规定中对电压偏差和相角偏差的要求，判断该合环点是否符合合环倒电操作的要求。

图11是合环冲击电流的波形图，从图中可以看到冲击电流中的非周期分量在5个周期波内衰减到零，冲击电流的最大幅值出现在合环后的半个周期左右(表1)。

从表2可以看出合环点两侧电压压差幅值和相角都符合公式(3)中的合环条件，因此该网络可以在闸桥东断路器处进行合环倒电的操作。

图12是德阳供电局采用合环测量装置对合环点的电压相角和电压幅值进行测量的示意图。下表是测量装置测量的结果。

表2和表3中的数据进行对比，发现通过仿真计算得到的合环理论依据与现场实际测量得到的结论是一致的，即该合环点可以进行合环操作。说明负荷模型的简化是合理的，可行的。

采用负荷模型的配网合环的研究具有一定的现实意义，通过理论计算得到的结果，可以作为现场合环操作的依据，可以为供电局节约购买测量装置的开支，在操作安全上更是可取的。

图10. 德阳电网典型接线图

图11. 合环冲击电流

图12. 合环装置测量框图

表1. 闸桥东合环点电流信息

表2. 闸桥东合环点电压信息

表3. 测量得到的合环点电压信息

5. 结论

由于SCADA系统只可以采集到变电站出站的负荷数值，我们采用本文中提出的简化的负荷模型，采用数学系数的方法处理线路两端的负荷，使其均匀分布在线路上。通过潮流计算，得到合环点两侧理论的相角差和电压差，判断该断路器处是否可以进行合环倒电的操作。为合环倒电的操作提供了理论依据。

文章引用

尹 琦,丁 睿,赵永春,刘艳芬,刘晓琳. 基于负荷转移模型的配网合环可行性研究
The Feasibility Research on Distribution Network Closed Loop Based on the Load Transfer Model[J]. 电气工程, 2017, 05(02): 150-159. http://dx.doi.org/10.12677/JEE.2017.52018

参考文献 (References)