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(國網(wǎng)四川省電力公司遂寧供電公司，四川 遂寧 629000)

0 引 言

配電運行是智能電網(wǎng)中連接主網(wǎng)和面向用戶供電的重要組成部分，但又是目前裝備較薄弱的環(huán)節(jié)。隨著農網(wǎng)改造的深入，大部分線路已實現(xiàn)雙電源供電，一般采用閉環(huán)設計、開環(huán)運行的供電方式。當系統(tǒng)發(fā)生故障或者計劃檢修時，通過合解環(huán)操作實現(xiàn)不停電負荷轉移是提高配電網(wǎng)供電可靠性的有效措施，是配電網(wǎng)自動化的重要應用。由于合解環(huán)操作后的系統(tǒng)負荷是未知的，因此合解環(huán)操作對電力系統(tǒng)來說，存在潛在的危險性。

合解環(huán)操作可以大幅度地減少停電時間，在提高供電可靠性的同時，又保證了電網(wǎng)供電的靈活性；但另一方面，合解環(huán)操作對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行也有很大的影響。合環(huán)點兩側的電壓矢量差在合環(huán)瞬間消失，由此產生的合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流及沖擊電流可能引起線路過載或保護誤動作；解環(huán)后負荷的突然增加，饋線末端電壓過低也會影響供電質量，嚴重時甚至造成導線變形、電氣設備損害，導致合環(huán)操作失敗，造成大面積的停電事故，直接影響電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運行。正是由于合解環(huán)操作后配電網(wǎng)運行狀況的不確定性，大多數(shù)供電公司仍采用“先斷后通”的冷倒方式進行負荷轉移，這樣勢必會造成用戶停電次數(shù)增多、停電時間加長，嚴重影響供電可靠性。與此同時，現(xiàn)有的配電自動化(distribution automation,DA)工作應用水平較低，沒有發(fā)揮應有的作用，合解環(huán)操作可行性大都依賴調度人員的經(jīng)驗判斷，造成不停電負荷轉移操作的安全性得不到保證，大大限制了其作用的發(fā)揮。因此，迫切需要一個輔助決策分析軟件來協(xié)助調度人員調度運行。

1 系統(tǒng)研究的理論背景與現(xiàn)實基礎

1.1 合解環(huán)操作潛在危險性分析

由于合解環(huán)操作存在潛在的危險性,且對于大部分地區(qū)配電網(wǎng)來說還缺乏有力的理論依據(jù)和分析軟件來指導這種操作，所以不停電負荷轉移操作的安全性得不到保證，限制了其作用的發(fā)揮[1-2]。配電網(wǎng)合環(huán)操作示意見圖1。

圖1 配電網(wǎng)合環(huán)操作示意

如圖1所示，變電站A與變電站B同屬于上級變電站，母線A的10 kV 饋線與母線B的10 kV饋線實現(xiàn)了手拉手供電。當母線A發(fā)生故障或者計劃檢修時，可通過合解環(huán)操作，將母線A上的全部或部分負荷轉移到母線B上，以保證用戶的不間斷供電。

由于合環(huán)前，出線a、b由不同的母線供電，a、b負荷分布不同，那么在合環(huán)點兩側勢必存在一定的電壓差。而經(jīng)過合環(huán)操作，合環(huán)點兩側為等電位，合環(huán)瞬間電壓差消失，該電壓差將產生一個合環(huán)環(huán)路電流，合環(huán)環(huán)路電流與線路負荷電流疊加，形成合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流。若合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流過大，可能引起過流保護誤動作。而在合環(huán)瞬間，合環(huán)點兩側的電壓差發(fā)生突變，這個暫態(tài)過程也將產生一個沖擊電流，若沖擊電流過大，或沖擊電流的衰減常數(shù)未躲過速斷保護的延時時間，將引起速斷保護的誤動作。

解環(huán)開關解環(huán)后，原母線A所帶的全部或部分負荷轉由母線B單端供電，流經(jīng)母線B及相關饋線的負荷電流突然增大且末端電壓降低，也可能引起供電質量的下降和保護誤動作[3]。

1.2 縣級電網(wǎng)配電自動化配置特點

中國配電網(wǎng)網(wǎng)架結構基礎比較薄弱。但近年來隨著農網(wǎng)改造的深入，配電網(wǎng)的規(guī)模持續(xù)增長，網(wǎng)架結構得到了加強，為建設配電自動化提供了良好的基礎。與此同時，中國從20世紀90年代開始大力推進配電自動化的試點工作，經(jīng)過十多年的發(fā)展，配電自動化水平有了長足的進步。部分城市配電管理系統(tǒng)的建設涵蓋了地理信息系統(tǒng)、生產管理系統(tǒng)，并實現(xiàn)了與配電監(jiān)控系統(tǒng)、企業(yè)資源規(guī)劃等系統(tǒng)的接口，初步建成了智能配電網(wǎng)的公共支撐平臺。

但是從配電網(wǎng)自動化的實施現(xiàn)狀來看，目前主要有以下問題：配電自動化應用范圍小，實用化水平低；缺乏統(tǒng)一的標準體系，存在重復建設；信息孤島眾多，信息集成度低；生產管理與企業(yè)管理系統(tǒng)聯(lián)動較弱，信息集成與共享存在壁壘[4]。而縣級電網(wǎng)在網(wǎng)架結構、設備投入和自動化實施水平上更為落后。

2 S縣電網(wǎng)自動化的現(xiàn)狀及數(shù)據(jù)分析

截止目前，S縣供電分公司實現(xiàn)了縣域基本配電自動化，全縣戶通電率達到了100%，農網(wǎng)改造面積達到了98%。S縣城區(qū)3條主干線路，都已實現(xiàn)配網(wǎng)線路自動化，并都已經(jīng)實現(xiàn)手拉手供電，甚至出現(xiàn)了多條互供的情況，為帶電倒負荷提供了可能性。

S縣供電公司現(xiàn)有2套采集變電站數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和1套配電自動化系統(tǒng)，分別為四方華能CSCD2000S縣級調度自動化系統(tǒng)、南京華瑞杰HRJ9200遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)和西安興匯TAS-2000配電線路故障診斷及運行監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 變電站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

四方華能電網(wǎng)調度自動化系統(tǒng)，是具有統(tǒng)一支撐平臺的調度數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition,SCADA)、高級應用軟件、饋線自動化(feeder automation,FA)以及基于地理信息系統(tǒng)的配網(wǎng)管理的新一代調度自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)配置靈活，具有很強的通用性、兼容性和擴展性，可提供除S縣某110 kV變電站外的各變電站的一次接線圖、系統(tǒng)運行工況(5 s采集一次)及簡單潮流計算結果，見圖2。

南京華瑞杰遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)，可提供S縣某110 kV變電站9回出線的相關遙信、遙測量，包括開關狀態(tài)、三相線電壓、三相電流、有功負荷、無功負荷等數(shù)據(jù)，無線監(jiān)測系統(tǒng)見圖3。

2.2 配電線路運行監(jiān)控系統(tǒng)

配電運行監(jiān)控系統(tǒng)是通過饋線終端(feeder-terminal unit，F(xiàn)TU)在線采集線路負荷電流、單相接地故障及相間短路故障信息，通過移動公網(wǎng)GSM/GPRS將檢測數(shù)據(jù)上傳至軟件管理系統(tǒng)，在線掌握線路運行狀態(tài)、遠程控制斷路器的分合，當發(fā)生單相接地或相間短路故障時，可將故障區(qū)段隔離或切除。該系統(tǒng)主要由配電自動化管理系統(tǒng)和前端采集裝置兩部分組成。

圖2 縣調自動化系統(tǒng)

圖3 S縣遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)

配電自動化管理系統(tǒng)，主要用于接收、分析處理線路上各FTU發(fā)回的在線檢測數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控線路的運行狀況，分合斷路器進行負荷調控。當發(fā)生線路短路故障時，系統(tǒng)可快速確定故障區(qū)段，并遠程控制FTU隔離或切除相應故障區(qū)段。

前端采集裝置安裝在饋線分段開關處，由前端裝置、直流源、高壓取電單元和通訊單元四部分組成，具有遙信、遙測、遙控和故障電流檢測功能，實時監(jiān)測配電線路運行狀況，并將檢測數(shù)據(jù)及故障信息(短路、單相接地等故障)發(fā)送到軟件管理系統(tǒng)。

3 基于現(xiàn)有信息平臺的潮流算法研究

對縣級配電網(wǎng)來說，配電網(wǎng)自動化的實施水平不高，在進行合解環(huán)決策在線分析時，很難從地方調度中心獲得整個系統(tǒng)的所有實時信息，且系統(tǒng)實時潮流計算的需求并不能滿足，因此應結合S地區(qū)電網(wǎng)特點，建立合解環(huán)操作的簡化模型，提出可采用的合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流、合環(huán)沖擊電流、解環(huán)負荷電流、解環(huán)末端電壓的計算方法。

3.1 基于疊加原理的合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流的計算

配電網(wǎng)一般采用閉環(huán)設計、開環(huán)運行的網(wǎng)絡結構，系統(tǒng)正常運行時，網(wǎng)絡結構成輻射狀，系統(tǒng)發(fā)生故障或者檢修時，才會出現(xiàn)短暫的環(huán)網(wǎng)運行。對于環(huán)形配電網(wǎng)的處理，很多專家學者提出了不同解決方案，其基本思想都是解開環(huán)網(wǎng)，將環(huán)網(wǎng)轉化為輻射型的常規(guī)網(wǎng)絡，其中疊加法是常用的的一種處理方法[5-6]。

疊加法將合環(huán)運行看做在開環(huán)運行的兩端疊加一個電壓源，大小與開環(huán)點兩側的電壓差相等，方向相反，將合環(huán)運行分解為開環(huán)運行和含有一個電壓源的附加分量。根據(jù)疊加定理，合環(huán)后的網(wǎng)絡等效于合環(huán)前的輻射型有源網(wǎng)絡和含電壓源的等值環(huán)狀網(wǎng)絡的疊加。那么，合環(huán)后各支路的穩(wěn)態(tài)潮流可以認為是由兩部分疊加而成：一部分是合環(huán)前輻射型網(wǎng)絡各支路的初始潮流；另一部分是由合環(huán)開關兩端電壓矢量差引起的循環(huán)潮流。

基于疊加原理的合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流不需要進行合環(huán)后的潮流計算，只需要合環(huán)前的潮流計算結果就可求出合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流的大小。環(huán)網(wǎng)阻抗Z環(huán)采用工程上的近似計算方法，近似等于涉及合環(huán)線路中的變壓器及線路阻抗之和。

3.2 沖擊電流及解環(huán)潮流的計算

合環(huán)瞬間，合環(huán)點兩側的電壓差消失，將產生一個暫態(tài)的沖擊電流，因此合解環(huán)決策分析過程中，不僅需要分析校驗合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流，還需考慮合環(huán)瞬間的暫態(tài)過程，研究沖擊電流是否造成設備速斷保護越限[7]。

沖擊電流是合環(huán)暫態(tài)過程中出現(xiàn)的合環(huán)電流的最大瞬時值，幅值大且持續(xù)時間短。正常情況下系統(tǒng)三相對稱運行，因此對沖擊電流的分析只需建立單相等值模型[8]。

負荷轉供后，調度人員在進行網(wǎng)絡拓撲分析基礎上，應盡快進行解環(huán)操作，恢復網(wǎng)絡的輻射狀結構，且在恢復的過程中不允許出現(xiàn)設備過載或電壓過低的現(xiàn)象。

在現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集條件下無法得到線路負荷的精確分布，大多數(shù)地區(qū)SCADA系統(tǒng)無法采集到配電網(wǎng)的配電變壓器負荷情況，而只能采集到變電站10 kV出線負荷。為適應現(xiàn)有狀況，在計算解環(huán)后線路電流時，將負荷集中于幾個負荷點，也可根據(jù)這些主要負荷點的位置建立配電網(wǎng)負荷模型，進行解環(huán)后線路電流的計算。

4 合解環(huán)決策分析軟件的實現(xiàn)

配電網(wǎng)合解環(huán)決策分析系統(tǒng)，是在現(xiàn)有智能配電網(wǎng)信息平臺的基礎上對合解環(huán)后系統(tǒng)潮流進行分析，進而輔助調度人員進行合解環(huán)決策分析。根據(jù)前面對系統(tǒng)的研究，在Visual Graph和SQL Server環(huán)境中開發(fā)了基于Windows操作系統(tǒng)的可視化合解環(huán)決策分析軟件。

下面對S縣10 kV配電網(wǎng)系統(tǒng)進行合解環(huán)決策分析。S縣城區(qū)志新線和志城干線經(jīng)志新干線70號聯(lián)絡開關實現(xiàn)手拉手供電，為不停電合解環(huán)操作提供了現(xiàn)實條件。在該系統(tǒng)中，兩條10 kV母線隸屬于同一110 kV，且母線電壓相當，所以在計算中將兩條10 kV母線視為同一節(jié)點，并將其以上的主網(wǎng)部分視為無窮大系統(tǒng)。系統(tǒng)建模見圖4。

圖4 系統(tǒng)建模

對合解環(huán)過程進行潮流計算時，需要用到以下數(shù)據(jù)：

1) 變電站名稱、主變壓器參數(shù)(折算到10 kV側)和分接頭位置。

式中:PK為變壓器空載損耗；UK%為短路電壓百分比；SN為變壓器額定容量；UN為折算側額定電壓(10 kV)。

2) 線路參數(shù)，包括線路名稱、線路型號、長度、載流量。

Zl=(r+jx)l

式中：r+jx為線路單位長度的阻抗參數(shù)；l為線路長度。

3) 饋線分段開關的名稱、開關狀態(tài)。

4) 出線出口開關及饋線分段開關的保護整定值，包括過流保護整定值、速斷保護整定值。

5) 合環(huán)前出線出口開關及饋線分段開關處的負荷電流大小。

6) 合環(huán)前合環(huán)點兩側的電壓矢量差。

4.1 合解環(huán)系統(tǒng)接線

涉及本次合解環(huán)操作的志新線和志城線分別隸屬于S縣某110 kV變電站的1號和2號主變壓器。1號主變壓器容量為31.5 MVA，2號主變壓器容量為40 MVA。在合解環(huán)操作前，通過投切電容調整兩側10 kV母線電壓，并適當調整合環(huán)點兩側的負荷大小和功率因數(shù)，使合環(huán)點兩側壓差不至過大，導致合解環(huán)操作失敗。

此次合解環(huán)操作時，上級網(wǎng)絡在正常方式下運行，10 kV聯(lián)絡線路與上級網(wǎng)絡的聯(lián)絡途徑如圖5所示。

4.2 合解環(huán)決策分析過程

操作向導中采用變電站-線路-合解環(huán)點三級選擇，選擇合解環(huán)線路及合解環(huán)開關，并進行自動拓撲遍歷，自動判斷存在可執(zhí)行操作的合環(huán)開關，并將其拓撲進行高亮顯示。這對操作者有了一定的指導意義，通過最合理的合解環(huán)方式，實現(xiàn)故障線路的隔離和治愈。合解環(huán)線路、開關的選擇如圖6所示。

所選合解環(huán)線路、合解環(huán)開關存在合環(huán)環(huán)路，進入開關通訊狀態(tài)檢查、所有監(jiān)測點FTU召回數(shù)據(jù)，各監(jiān)測點數(shù)據(jù)反饋正常，因此判斷FTU通信正常，進入相序檢查。FTU反饋的數(shù)據(jù)包括設備安裝地點、桿塔號、開關狀態(tài)、三相負荷電流、c相相電壓等。前端裝置通信狀態(tài)監(jiān)測及合環(huán)點相序狀態(tài)檢測分別見圖7、圖8。

圖5 系統(tǒng)接線

圖6 合解環(huán)線路、開關的選擇

圖7 前端裝置通信狀態(tài)監(jiān)測

圖8 合環(huán)點相序狀態(tài)檢測

讀取141志新線干線54號開關聯(lián)測的遙測數(shù)據(jù)，進行合環(huán)開關處的相序測試，合環(huán)點兩側的a相電壓矢量差為0.162 kV,c相電壓矢量差為0.182 kV，因此判定合環(huán)開關兩側相序一致，不需重新標定相序。

合環(huán)計算校驗是分別計算環(huán)路阻抗、合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流、合環(huán)沖擊電流，并將合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流與開關過流保護校驗，沖擊電流與開關速斷保護校驗，判斷此次合環(huán)是否安全。計算時取ΔU=0.182 kV,求得Ic=54.9 A,Ic=54.9 A,IM=99.4 A,與原有負荷電流疊加，求得各監(jiān)測點處的穩(wěn)態(tài)電流和沖擊電流大小，并分別與過流保護門限、速斷保護整定值進行比較，判定此次合環(huán)操作不會引起開關誤跳，因此不需要修改保護整定值，即合環(huán)校驗成功，假如兩項校驗校驗均通過，工作人員避免現(xiàn)場操作，遠程即可實現(xiàn)開關分、合閘操作。合環(huán)計算校驗、合環(huán)校驗成功后，計算單端供電校驗的系統(tǒng)截圖見圖9和圖10。

合環(huán)校驗成功后，計算單端供電時的負荷電流、末端電壓，并與開關過流保護、末端電壓保護進行校驗，判斷此次解環(huán)是否安全。合環(huán)校驗與單端供電校驗通過后，工作人員不需要到現(xiàn)場進行分合閘操作，只需發(fā)送指令至前端裝置，即可實現(xiàn)開關分、合閘操作。分合閘操作前需要進行操作人與監(jiān)護人雙用戶驗證，以保證分合閘操作的安全性和可記錄性。合解環(huán)操作后，拓撲圖自動進行開關狀態(tài)的變更，并顯示最新采集的線路運行數(shù)據(jù)。不停電負荷轉移操作向導及操作人確認界面見圖11。

圖9 合環(huán)校驗

圖10 解環(huán)校驗

4.3 數(shù)據(jù)分析

從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中讀取合環(huán)前、合環(huán)后的各節(jié)點遙測數(shù)據(jù)以及由計算得出的系統(tǒng)環(huán)路電流數(shù)據(jù)(Ic=54.9 A)，各節(jié)點環(huán)流穩(wěn)態(tài)電流數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可見，該系統(tǒng)計算所得的各節(jié)點合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流數(shù)據(jù)與實測電流數(shù)據(jù)相差不大，最大誤差為13.5%，滿足現(xiàn)場工程實際的要求。將合環(huán)前后各節(jié)點的遙測數(shù)據(jù)進行計算，求得各節(jié)點實測環(huán)流的平均值，再與系統(tǒng)計算環(huán)流大小進行比對，計算出誤差較小在合理范圍內，滿足現(xiàn)場的應用要求，數(shù)據(jù)如表2所示。

從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中讀取解環(huán)前后各節(jié)點的遙測數(shù)據(jù)、系統(tǒng)計算數(shù)據(jù)，進行比對發(fā)現(xiàn)如表3所示。

由表3可知該系統(tǒng)計算所得解環(huán)后各節(jié)點負荷數(shù)據(jù)與實測值相差不大，最大誤差為20%，在合理范圍內，滿足現(xiàn)場的應用要求。

本次試驗，在合環(huán)、解環(huán)操作后對各節(jié)點的負荷數(shù)據(jù)進行了召測，并與系統(tǒng)計算值進行比對，驗證了此方法的準確性。利用計算所得的各節(jié)點合、解環(huán)穩(wěn)態(tài)電流數(shù)據(jù)與過流保護整定值進行比較，合環(huán)沖擊電流數(shù)據(jù)與速斷保護整定值進行比較，判斷是否可以安全合解環(huán)。實驗結果表明，該系統(tǒng)提供的合解環(huán)決策結果正確，可以為工作人員提供較為準確的潮流數(shù)據(jù)，提供了合解環(huán)決策分析的數(shù)據(jù)基礎，進而輔助調度人員進行合解環(huán)決策判斷。但是在整個計算過程中采用了一些簡化，這些簡化可能對計算結果帶來了一定的誤差：

圖11 遠程操作雙用戶認證及操作確認

數(shù)據(jù)類型參 數(shù)志成線37號志成線67號志成線70號志新線54號志新線40號合環(huán)前節(jié)點遙測值計算所得節(jié)點合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流值合環(huán)后各節(jié)點遙測值Ia /A341002168Ib /A33902270Ic /A341001967Uc /kV5.985.995.915.865.91Ia /A88.964.954.933.913.1Ib /A87.963.954.932.915.1Ic /A88.964.954.935.912.1Ia /A9265543415Ib /A8861523016Ic /A8963553514

表2 各節(jié)點合環(huán)環(huán)流數(shù)據(jù)

表3 各節(jié)點解環(huán)負荷數(shù)據(jù)

1)變壓器的實際分接頭位置不能獲取，故系統(tǒng)忽略分接頭的影響，直接折算到10 kV側的額定變壓器阻抗，對上級網(wǎng)絡等值阻抗的計算會產生一定的影響；

2)配電網(wǎng)中線路節(jié)點很多，不同桿號間采用的線路型號往往不同，但在計算中統(tǒng)一采用鋼芯鋁絞線LGJ-95的電阻率(0.38 Ω/m)進行計算，對環(huán)路阻抗的計算帶來一定誤差；

3)配電線路中，尤其是10 kV配電網(wǎng)，線損很大，不同型號導線銜接點很多，對環(huán)路阻抗的計算帶來一定誤差；

4)終端設備FTU有其自身的采樣精度，所設計系統(tǒng)的合解環(huán)潮流計算是基于FTU采集的饋線實時數(shù)據(jù)，對計算結果可能造成一定影響；

5)在計算中采用了一定的負荷等效方法，并認為在合解環(huán)過程中系統(tǒng)負荷未發(fā)生較大變化，對合解環(huán)潮流計算帶來一定的影響。

5 結 語

首先對配電網(wǎng)合解環(huán)操作決策分析的理論基礎進行了研究，并對系統(tǒng)的運行狀況、配電網(wǎng)自動化實施狀況進行了深入分析，在此基礎上研究和實現(xiàn)了基于現(xiàn)有智能配電網(wǎng)信息平臺的合解環(huán)決策分析系統(tǒng)，下面將工作進行一定的總結：

1) 對配電網(wǎng)合解環(huán)操作進行網(wǎng)絡模型、合環(huán)潮流的計算、解環(huán)潮流的計算等研究分析，并選擇出適合實際系統(tǒng)設計和實時的算法，為系統(tǒng)的設計和開發(fā)提供了理論基礎。

2) 對現(xiàn)有饋線終端FTU進行研究，分析其饋線分段開關負荷電流采集原理，并在此基礎上完善FTU的現(xiàn)有功能，實現(xiàn)對合環(huán)點壓差數(shù)據(jù)的測量及合環(huán)點相序的判斷。

3) 通過對110 kV變電站內的10 kV饋線聯(lián)絡開關進行合解環(huán)計算分析，由潮流計算結果及設備保護驗證分析得出，可以進行此次不停電負荷轉移合解環(huán)操作。以實例分析說明了所設計系統(tǒng)具有合解環(huán)決策分析的功能，具有工程實用價值。

結合現(xiàn)場的實際運行情況，系統(tǒng)的改進應該從負荷等效、算法優(yōu)化兩個方面著手?？傮w來說，所開發(fā)的基于現(xiàn)有智能配電網(wǎng)信息平臺的合解環(huán)決策分析系統(tǒng)可以完成系統(tǒng)合解環(huán)決策分析，可以輔助系統(tǒng)調度人員進行合解環(huán)決策判斷，指導正確的合解環(huán)操作，系統(tǒng)的設計、開發(fā)具有一定的工程實用價值。