楊用春，唐健雄，牛超群，徐 志，趙成勇

（1. 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），河北省保定市 071003；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南省昆明市 650217）

0 引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展和人民生活質(zhì)量的不斷提高，電力用戶對(duì)于供電可靠性的要求越來(lái)越高。由于配電網(wǎng)直接面向電力用戶，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)行模式和維護(hù)方式都將是直接影響供電可靠性的關(guān)鍵因素。中國(guó)配電網(wǎng)目前主要采用閉環(huán)設(shè)計(jì)、開(kāi)環(huán)運(yùn)行的供電模式，配電網(wǎng)設(shè)備的檢修維護(hù)一般采用停電倒閘或者通過(guò)合環(huán)操作進(jìn)行不停電倒負(fù)荷等方式［1-2］，但是停電倒閘操作會(huì)造成短時(shí)停電，將會(huì)直接影響電力用戶的用電感受。而隨著電力負(fù)荷密度逐漸增大，雙電源及多電源供電運(yùn)行模式越來(lái)越多［3-4］，為進(jìn)一步提高供電可靠性，通過(guò)合環(huán)操作實(shí)現(xiàn)不停電倒負(fù)荷將成為配電網(wǎng)的主要檢修維護(hù)方式。

由于國(guó)外配電網(wǎng)的接線運(yùn)行方式為環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，且配備成熟的合環(huán)保護(hù)系統(tǒng)，合環(huán)問(wèn)題很少發(fā)生［5］，故對(duì)合環(huán)操作的研究不多，當(dāng)前對(duì)于合環(huán)操作的理論分析和實(shí)際應(yīng)用的相關(guān)研究集中于中國(guó)。配電網(wǎng)合環(huán)時(shí)產(chǎn)生的過(guò)大沖擊電流造成繼電保護(hù)動(dòng)作是導(dǎo)致配電網(wǎng)合環(huán)失敗的主要原因［6］。文獻(xiàn)［7］以額定頻率和最佳頻率下合環(huán)前后潮流為研究對(duì)象，推導(dǎo)出了合環(huán)沖擊電流解析計(jì)算公式，為合環(huán)操作成功的可能性分析提供了理論基礎(chǔ)。文獻(xiàn)［8］采用半不變量法求取直接合環(huán)沖擊電流和穩(wěn)態(tài)電流的概率分布特性，并基于電流越限的概率及程度對(duì)直接合環(huán)操作進(jìn)行安全性評(píng)估，為配電網(wǎng)合環(huán)提供風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)［9］基于配電網(wǎng)大量量測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)分析通過(guò)調(diào)度直接合環(huán)電網(wǎng)潮流以及合環(huán)沖擊電流的情況，為合環(huán)操作提供輔助支持。文獻(xiàn)［10］總結(jié)了基于背靠背模塊化多電平換流器、儲(chǔ)能式靜止同步補(bǔ)償器和統(tǒng)一潮流控制器等電力電子技術(shù)的合環(huán)方法具有響應(yīng)速度快和技術(shù)較成熟等特點(diǎn)，但是其研制成本高、運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜、裝置體積較大。文獻(xiàn)［11］提出配電網(wǎng)允許合環(huán)操作的條件為相序一致、合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓幅值差小于20%、相角差小于5°?，F(xiàn)階段實(shí)際合環(huán)操作也基于上述條件進(jìn)行合環(huán)操作的判斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)較小沖擊電流合環(huán)轉(zhuǎn)供。

但是隨著配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，實(shí)際需要進(jìn)行合環(huán)操作的兩側(cè)母線參數(shù)難以滿足合環(huán)條件，配電網(wǎng)中頻率差一般不大，合環(huán)條件主要受合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓幅值相位（簡(jiǎn)稱幅相）差和對(duì)稱性影響。例如，兩側(cè)配電變壓器接線方式不同以致相位差達(dá)30°、合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)存在電壓幅相差和三相不對(duì)稱等復(fù)雜合環(huán)場(chǎng)景下，均不能直接進(jìn)行合環(huán)操作［12-14］。配電網(wǎng)中普遍存在的三相不對(duì)稱現(xiàn)象會(huì)影響電力系統(tǒng)測(cè)量與分析以及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［15-16］。因此，需要研究新的合環(huán)裝置技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜合環(huán)場(chǎng)景下的合環(huán)轉(zhuǎn)供。文獻(xiàn)［17］提出一種智能低壓聯(lián)絡(luò)箱，能夠在滿足合環(huán)條件的場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)低壓不停電轉(zhuǎn)供，但不適用于復(fù)雜合環(huán)場(chǎng)景。文獻(xiàn)［18-19］基于分析故障和正常狀態(tài)下相位差為30°的系統(tǒng)的環(huán)流特性，提出合解環(huán)自動(dòng)化系統(tǒng)控制裝置，試點(diǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證了線路不停電轉(zhuǎn)供的快速合解環(huán)方案的有效性，但整個(gè)合解環(huán)的控制流程相對(duì)復(fù)雜。

針對(duì)配電網(wǎng)需要進(jìn)行合環(huán)操作的兩側(cè)母線存在電壓幅相差以及三相不對(duì)稱的復(fù)雜合環(huán)場(chǎng)景，本文首先提出一種基于改進(jìn)移相變壓器（improved phase shifting transformer，IPST）的合環(huán)裝置；然后，分析了IPST 三相調(diào)相調(diào)壓繞組的耦合特性，推導(dǎo)出三相不對(duì)稱幅相繞組合環(huán)調(diào)節(jié)變比的計(jì)算公式，提出了適用于不同不對(duì)稱合環(huán)場(chǎng)景下的合環(huán)裝置調(diào)節(jié)控制策略；最后，在PSCAD/EMTDC 環(huán)境下進(jìn)行仿真，分析了在典型的極端復(fù)雜合環(huán)場(chǎng)景下采用不同合環(huán)方式的合環(huán)電流情況，驗(yàn)證了所提合環(huán)裝置及其控制策略的有效性。

1 配電網(wǎng)復(fù)雜合環(huán)場(chǎng)景分析

1.1 配電網(wǎng)合環(huán)場(chǎng)景分析

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，需要合環(huán)轉(zhuǎn)供負(fù)荷的場(chǎng)景增加，通常為同一較高電壓等級(jí)變電站經(jīng)不同出線到配電網(wǎng)中的合環(huán)場(chǎng)景，也存在跨多級(jí)電源接線的合環(huán)點(diǎn)，甚至有經(jīng)過(guò)不同接線組別的主變電站、造成合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)可能存在30°相位差的極端合環(huán)場(chǎng)景。在上級(jí)電網(wǎng)有較大潮流變動(dòng)的情況下，跨多級(jí)電源接線的合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)母線電壓差，特別是相位差隨著潮流的變動(dòng)更加明顯，同時(shí)由于配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和各變電站負(fù)荷類型、質(zhì)量和大小的不同可能造成合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)母線電壓存在三相不對(duì)稱或幅相差較大的復(fù)雜合環(huán)場(chǎng)景，這為合環(huán)操作帶來(lái)了較大的挑戰(zhàn)，一般需要專門的合環(huán)裝置才能實(shí)現(xiàn)合環(huán)。本文以中國(guó)云南電網(wǎng)某較為極端的合環(huán)場(chǎng)景為例，就其合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)母線電壓存在三相不對(duì)稱且幅相差值較大的極端復(fù)雜合環(huán)場(chǎng)景展開(kāi)分析，并進(jìn)一步提出一種基于IPST 的合環(huán)轉(zhuǎn)供裝置。

圖1 為云南某地區(qū)較為典型的多級(jí)電磁環(huán)網(wǎng)的配電網(wǎng)極端合環(huán)場(chǎng)景。據(jù)分析，某35 kV 變電站上級(jí)500 kV 主網(wǎng)潮流變化會(huì)直接影響其他電壓等級(jí)的主變電站電壓，而500 kV 主網(wǎng)潮流變化經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的配電網(wǎng)間接影響合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)10 kV 母線電壓，使得合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)10 kV 母線電壓幅相差值出現(xiàn)三相不等現(xiàn)象，無(wú)法進(jìn)行合環(huán)操作。此外，合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)10 kV 母線負(fù)荷相互不對(duì)稱以及自身三相不對(duì)稱等因素，會(huì)導(dǎo)致合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)10 kV 母線電壓幅相差值不能滿足傳統(tǒng)人工合環(huán)操作的條件。因此，針對(duì)類似存在三相不對(duì)稱且兩側(cè)母線電壓幅相差較大的復(fù)雜合環(huán)場(chǎng)景，需要進(jìn)一步分析合環(huán)條件，研究新的合環(huán)裝置及控制策略。

圖1 某地區(qū)配電網(wǎng)合環(huán)場(chǎng)景Fig.1 Loop closing scenario of distribution network in a region

1.2 配電網(wǎng)合環(huán)條件分析

配電網(wǎng)合環(huán)條件對(duì)合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)幅值差、相位差以及三相對(duì)稱性提出了要求，目的在于進(jìn)行合環(huán)操作時(shí)無(wú)沖擊電流且合環(huán)電流盡可能小，而對(duì)于合環(huán)電流計(jì)算已有大量研究，本文參考文獻(xiàn)［7］對(duì)合環(huán)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，可得x相合環(huán)電流相量I?Cx為:

式中:U?Sx和U?Lx分別為10 kV 母線Ⅰ（S側(cè)）和10 kV母線Ⅱ（L側(cè)）的x相電壓相量，x=a，b，c；U?Cx為合環(huán)裝置調(diào)節(jié)輸出的x相電壓相量；ZSx和ZLx分別為合環(huán)點(diǎn)S側(cè)和L側(cè)的x相等值阻抗；ZCx為合環(huán)裝置的x相等值阻抗。為了使合環(huán)電流盡可能小，且能夠應(yīng)對(duì)存在三相不對(duì)稱現(xiàn)象的合環(huán)場(chǎng)景，須使式（1）的分子盡可能趨于0，由此提出制造工藝成熟、經(jīng)濟(jì)可靠的IPST 作為合環(huán)裝置。

2 基于IPST 的合環(huán)裝置結(jié)構(gòu)及原理

2.1 基于IPST 的合環(huán)裝置結(jié)構(gòu)

基于合環(huán)條件的分析，針對(duì)復(fù)雜合環(huán)場(chǎng)景的需求在圖1 合環(huán)點(diǎn)處裝設(shè)合環(huán)裝置?；贗PST 的合環(huán)裝置結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，其主要以IPST 為基礎(chǔ)，配合合閘開(kāi)關(guān)（QF）、電流互感器（TA）、電壓互感器（TV）以及控制器等設(shè)備構(gòu)成。

圖2 基于IPST 的合環(huán)裝置結(jié)構(gòu)和原理Fig.2 Structure and principle of IPST-based loop closing device

移相變壓器（phase shifting transformer，PST）目前廣泛應(yīng)用在國(guó)外的高壓輸電網(wǎng)中，主要用于潮流調(diào)整，中國(guó)也做了較多的理論研究［20-21］。PST 有多種分類方式，基于調(diào)節(jié)靈活且范圍大、具有突出的成本優(yōu)勢(shì)、運(yùn)行維護(hù)方便等特點(diǎn)，工程中一般選用雙芯 對(duì) 稱 型PST［22］，其 結(jié) 構(gòu) 如 附 錄A 圖A1 所 示。本文研究的IPST 是基于雙芯對(duì)稱機(jī)械式PST 改進(jìn)的，其結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。

IPST 由 一 臺(tái) 勵(lì) 磁 變 壓 器（excitation transformer，ET）和 一 臺(tái) 串 聯(lián) 變 壓 器（series transformer，ST）組成，并安裝在圖2（a）合環(huán)裝置內(nèi)部，ST 一次側(cè)繞組STx1連接合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)母線，其中間抽頭與ET 高壓側(cè)繞組連接，用于為ET 高壓側(cè)提供勵(lì)磁，ST 二次側(cè)繞組STx2按圖2（b）所示連接方式分別連接至ET 的二次側(cè)繞組，與PST 不同之處在于IPST 的ET 二次側(cè)增加了調(diào)壓繞組ETxm與調(diào)相繞組ETx2之間的協(xié)同調(diào)節(jié)，能夠補(bǔ)償調(diào)相繞組輸出電壓與合環(huán)場(chǎng)景需要調(diào)節(jié)電壓的相差值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊合環(huán)轉(zhuǎn)供。

圖2（a）中TV1 和TV2 分 別 安 裝 在10 kV 母線Ⅰ（S側(cè)）與變壓器之間和10 kV 母線Ⅱ（L側(cè)）與變 壓 器 之 間，TV3 和TV4 分 別 在S側(cè) 和L側(cè) 母 線處，TV5 和TV6 則安裝在IPST 左右兩側(cè)。QF101和QF102 為安裝在兩側(cè)母線與變壓器之間的合閘開(kāi) 關(guān)，QF103 為 旁 路 開(kāi) 關(guān)，QF104 和QF105 為 安 裝在IPST 兩側(cè)與合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)母線的合閘開(kāi)關(guān)。當(dāng)S側(cè)主變壓器及相關(guān)設(shè)備需要檢修時(shí)，TV3 和TV5 配合檢測(cè)QF104 兩側(cè)電壓，為進(jìn)行合環(huán)轉(zhuǎn)供提供IPST 變比控制調(diào)節(jié)需求參考量；當(dāng)檢修完成且需要恢復(fù)S側(cè)主變壓器供電時(shí)，TV1 和TV3 配合檢測(cè)QF101 兩側(cè)電壓，提供IPST 變比控制調(diào)節(jié)參考量；當(dāng)L側(cè)主變壓器檢修及恢復(fù)供電時(shí)，TV2、TV4 和TV6 的 功 能 與TV1、TV3 和TV5 類 似。TA1 和TA2 安裝在兩側(cè)母線出線處，檢測(cè)合環(huán)電流，確保合環(huán)操作的安全進(jìn)行。

2.2 基于IPST 的合環(huán)裝置原理

當(dāng)某個(gè)母線、開(kāi)關(guān)或饋線需要維護(hù)檢修時(shí)，通過(guò)合環(huán)操作將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到與之相連的其他母線上，其關(guān)鍵在于通過(guò)合環(huán)裝置進(jìn)行有效的合環(huán)操作。

IPST 三相對(duì)稱且不考慮調(diào)相調(diào)壓繞組耦合特性時(shí)的相量調(diào)節(jié)關(guān)系如圖2（c）所示。圖中:U?ETx為ET 一次側(cè)繞組x相的勵(lì)磁電壓相量；U?ETca、U?ETab、U?ETbc分 別為ET 的ca、ab、bc 相間線電壓 相 量；U?STx2為ST 二 次 側(cè) 繞 組x相 的 電 壓 相 量；U?xp為ET 的x相 調(diào) 相 繞 組 組 合 輸 出 電 壓 相 量；U?xm為ET 的x相調(diào)壓繞組感應(yīng)電壓相量；θx為母線兩側(cè)x相電壓相位差。

在三相對(duì)稱情況下，IPST 的三相調(diào)相變比相等，三相調(diào)壓繞組變比也相等。ST 以三角形連接的二次側(cè)繞組相電壓變化量超前或滯后于對(duì)應(yīng)ET 一次側(cè)繞組相電壓90°，并在ST 相應(yīng)各相二次側(cè)繞組內(nèi)產(chǎn)生電壓U?xp，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)移相功能，加上ET 以星形連接的二次側(cè)調(diào)壓繞組產(chǎn)生的電壓U?xm，則IPST調(diào)節(jié)電壓的表達(dá)式為:

式中:kxp為ET 的x相調(diào)相繞組變比；kxm為ET 的x相調(diào)壓繞組變比。

在三相不對(duì)稱情況下，三相調(diào)相、調(diào)壓繞組均不相等，此時(shí)θa、θb、θc不再相等，U?Sa、U?Sb、U?Sc兩兩相位差絕對(duì)值不再都為120°，且由于三相調(diào)相調(diào)壓繞組相互耦合，對(duì)稱情況下推導(dǎo)的式（2）不能正確反映三相中間的耦合關(guān)系，由圖2（c）通過(guò)相分析方法可以推得IPST 輸出電壓與ET 各繞組電壓的耦合關(guān)系式，如式（3）所示。

式（3）中IPST 三相輸出電壓存在耦合關(guān)系，而求解kxp和kxm也存在耦合，所以為了求解式（3）方程組，需要針對(duì)不同合環(huán)場(chǎng)景分析其耦合特性，推導(dǎo)三相調(diào)相調(diào)壓繞組變比計(jì)算公式，控制IPST 三相輸出期望電壓。

3 基于IPST 的合環(huán)裝置控制策略

3.1 幅相繞組耦合特性分析及其變比計(jì)算

如圖1 所示，合環(huán)點(diǎn)處于上級(jí)電源屬于跨多級(jí)電磁環(huán)網(wǎng)且兩側(cè)母線電壓存在幅值差、相角差以及三相不對(duì)稱等現(xiàn)象的復(fù)雜合環(huán)場(chǎng)景，可分為10 kV母線Ⅰ（S側(cè)）相位超前、相位滯后以及與10 kV母線Ⅱ（L側(cè)）無(wú)相位差和S側(cè)母線幅值高于L側(cè)，S側(cè)母線幅值低于L側(cè)以及與L側(cè)無(wú)幅值差等場(chǎng)景兩兩組合的合環(huán)場(chǎng)景，且各組合場(chǎng)景三相幅值差值或相位差值不完全相等。為了方便比較敘述，S側(cè)母線幅值高于或低于L側(cè)母線幅值分別記為S側(cè)幅值超前或滯后L側(cè)幅值。

針對(duì)三相不對(duì)稱情況下上述不同的合環(huán)場(chǎng)景，基于分析IPST 結(jié)構(gòu)原理和三相不對(duì)稱情況下式（3）解的特征，由于合環(huán)場(chǎng)景調(diào)節(jié)需求三相不對(duì)稱和繞組變比擋位數(shù)量等因素限制，無(wú)法得到如圖2（c）所示調(diào)相繞組組合輸出電壓與調(diào)壓繞組輸出電壓相位垂直關(guān)系，且三相變比不再相等。

3.1.1S側(cè)電壓幅相超前場(chǎng)景

針對(duì)PST 繞組變比參數(shù)，文獻(xiàn)［20］通過(guò)分析擋位與最大級(jí)電壓的關(guān)系，提出了PST 有載分接開(kāi)關(guān)參數(shù)確定方法，但未考慮復(fù)雜場(chǎng)景下幅相繞組變比之間的關(guān)系。文獻(xiàn)［22］將PST 繞組變比進(jìn)行了簡(jiǎn)化分析，并在三相對(duì)稱情況下對(duì)合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)具有幅值相角差的合環(huán)場(chǎng)景進(jìn)行了合環(huán)操作分析，合環(huán)電流滿足工程應(yīng)用要求，但是不適用于存在三相不對(duì)稱的合環(huán)場(chǎng)景。

為了應(yīng)對(duì)合環(huán)場(chǎng)景中的三相不對(duì)稱，變比分析時(shí)需要三相同時(shí)進(jìn)行，進(jìn)而分析幅相繞組耦合關(guān)系。圖3（a）為IPST 超前調(diào)節(jié)三相相量關(guān)系圖。圖中:θ1x為S側(cè)x相電壓與對(duì)應(yīng)ET 的x相一次側(cè)繞組勵(lì)磁電壓相位差；βx為S側(cè)x相電壓與對(duì)應(yīng)ST 的x相一次側(cè)繞組感應(yīng)電壓相位差；γx為U?xp與U?ETx的相位差；U?STx1為ST 一次側(cè)繞組x相的感應(yīng)電壓相量。由圖3（a）可得:

圖3 IPST 調(diào)節(jié)相量關(guān)系Fig.3 Phasor relationship of IPST regulation

為 求 解 兩 兩 耦 合 的kap、kbp、kcp，需 要 引 入 如 圖3（a）中所示的角度參數(shù)進(jìn)一步分析推導(dǎo)。U?Sx、U?Lx為合環(huán)操作前可測(cè)相量參數(shù)，則U?STx1可表示為:

由IPST 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可得ST 三相繞組電壓關(guān)系為:

由式（11）、式（12）可得kap、kbp、kcp兩兩之間存在耦合關(guān)系，為了得到近似解，對(duì)輸出目標(biāo)值的相位沒(méi)有進(jìn)行嚴(yán)格限制，所以其作用在ET 調(diào)相繞組組合輸出電壓與期望值有一定的相角偏差，而ET 調(diào)壓繞組能夠有效針對(duì)各相偏差進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)。

結(jié)合圖4（a）中U?xm的相量關(guān)系可得:

式（15）中γx未知，結(jié)合圖3（a）、（b）和式（10）進(jìn)行分析，為了實(shí)現(xiàn)調(diào)壓繞組針對(duì)性補(bǔ)償調(diào)節(jié)，減少ET 三相調(diào)相繞組耦合特性的影響，引入角度參數(shù)φ1x，如圖3（b）所示。結(jié)合正弦定理可得:

由式（15）至式（17）分析可知，kxm受kxp影響，后者發(fā)生變化時(shí)，前者會(huì)隨之變化，但是kam、kbm、kcm相互之間無(wú)耦合關(guān)系。

基于對(duì)S側(cè)電壓幅相超前L側(cè)合環(huán)場(chǎng)景下實(shí)際調(diào)節(jié)需求所需變比參數(shù)的分析可知，當(dāng)式（11）求得三相不對(duì)稱調(diào)相變比時(shí)，可由式（15）求得調(diào)壓變比。

3.1.2S側(cè)電壓幅相滯后場(chǎng)景

IPST 幅相滯后調(diào)節(jié)相量關(guān)系如圖3（c）所示。S側(cè)相位滯后L側(cè)時(shí)，ET 三相調(diào)相繞組輸出電壓均與對(duì)應(yīng)勵(lì)磁繞組反向，如圖中黃色相量所示。此時(shí)kxp取負(fù)值。此外，由于合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)母線電壓相位關(guān)系變化，導(dǎo)致3.1.1 節(jié)分析推導(dǎo)的表達(dá)式存在符號(hào)變化，所以需要對(duì)S側(cè)電壓幅相滯后L側(cè)場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比推導(dǎo)。為了簡(jiǎn)化變量形式，該場(chǎng)景下分析推導(dǎo)的變量以上標(biāo)“′”加以區(qū)分，含義與3.1.1 節(jié)相應(yīng)變量相同。此時(shí)，圖3（c）中β′x、θ′1x、φ′2x分別表示為:

其余6 種場(chǎng)景幅相繞組變比值分析均基于以上2 種場(chǎng)景的分析方法，由于篇幅所限不再列出。對(duì)比8 種場(chǎng)景幅相繞組變比推導(dǎo)過(guò)程可得:三相調(diào)相繞組變比兩兩之間存在耦合，需要通過(guò)求解方程組進(jìn)而求得kxp；而三相調(diào)壓繞組變比兩兩之間無(wú)耦合關(guān)系，但與調(diào)相繞組存在耦合，所以求解kxm時(shí)需要先確定調(diào)相繞組變比。結(jié)合幅相繞組變比可得式（3）中IPST 的輸出電壓。

3.1.3 不同合環(huán)場(chǎng)景下的相位差判斷因子

針對(duì)三相不對(duì)稱情況下可能出現(xiàn)的8 種合環(huán)場(chǎng)景，幅相繞組變比值計(jì)算公式是有差別的，不同之處可分為在合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)S側(cè)相位超前、滯后和與L側(cè)無(wú)相位差3 類，為合環(huán)控制帶來(lái)了困難。為了綜合統(tǒng)一表示不同合環(huán)場(chǎng)景下幅相繞組變比值的確定方案，引入x相相位差判斷因子px:

結(jié)合以上推導(dǎo)分析了IPST 幅相繞組耦合特性，引入了相位差判斷因子，并給出了適用于不同不對(duì)稱合環(huán)場(chǎng)景下的幅相繞組變比計(jì)算公式，為不同不對(duì)稱場(chǎng)景下合環(huán)控制方案的確定提供了簡(jiǎn)便統(tǒng)一的判斷方法，可簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3.2 合環(huán)控制策略

基于IPST 的合環(huán)裝置實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能主要依據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其合環(huán)控制策略需要對(duì)調(diào)相調(diào)壓變比控制選擋以及設(shè)定合閘開(kāi)關(guān)配合操作次序，其控制流程如圖4 所示。

圖4 控制策略流程圖Fig.4 Flow chart of control strategy

整個(gè)控制流程主要分為變比參數(shù)計(jì)算選擋和合環(huán)操作配合控制2 個(gè)模塊。開(kāi)始時(shí)，需要檢測(cè)合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)母線電壓，確定調(diào)節(jié)目標(biāo)以及獲取合環(huán)場(chǎng)景已知信息。變比參數(shù)計(jì)算選擋模塊主要是基于3.1.3 節(jié)變比確定方案并參考工程實(shí)際確定幅相調(diào)節(jié)變比擋位。為驗(yàn)證本文所提變比計(jì)算方法的正確性，給定IPST 初步變比值變比參數(shù)，而不進(jìn)行擋位化；為驗(yàn)證工程實(shí)際應(yīng)用的有效性，則需要將初步變比擋位標(biāo)準(zhǔn)化。確定變比擋位后進(jìn)入下一步控制模塊。

合環(huán)操作配合控制模塊結(jié)合給定IPST 變比進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，S側(cè)（L側(cè)）設(shè)備需要維護(hù)檢修時(shí)，應(yīng)將S側(cè)（L側(cè)）負(fù)荷倒L側(cè)（S側(cè)）母線，首先QF105（QF104）合閘，給定設(shè)計(jì)變比的合環(huán)裝置通電后處于待工作狀態(tài)，其次QF104（QF105）合閘，進(jìn)行合環(huán)操作，若合環(huán)電流符合合環(huán)操作要求，則系統(tǒng)保護(hù)不動(dòng)作即可實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊合環(huán)，最后QF101（QF102）分閘，實(shí)現(xiàn)不停電轉(zhuǎn)供。

4 仿真驗(yàn)證

基于1.1 節(jié)某地區(qū)35 kV 變電站10 kV 側(cè)不同合環(huán)場(chǎng)景，在PSCAD/EMTDC 仿真平臺(tái)搭建仿真模型，考慮三相不對(duì)稱情況下10 kV 母線Ⅰ（S側(cè)）負(fù)荷需要轉(zhuǎn)供，仿真幅相超前滯后混合組合的4 種合環(huán)場(chǎng)景以及僅有調(diào)壓或調(diào)相需求的2 種合環(huán)場(chǎng)景。以上6 種合環(huán)場(chǎng)景對(duì)應(yīng)合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)母線電壓參數(shù)如表1 所示。場(chǎng)景1 至4 為S側(cè)母線電壓幅相超前滯后兩兩組合工況，場(chǎng)景5、6 分別為兩側(cè)母線電壓僅有相角差和幅值差的工況，由于僅有相角超前滯后或幅值超前滯后對(duì)應(yīng)合環(huán)場(chǎng)景參數(shù)設(shè)計(jì)僅有一正負(fù)號(hào)差別，所以針對(duì)僅有相角差和幅值差的工況選取了超前場(chǎng)景進(jìn)行仿真分析。

表1 不同合環(huán)場(chǎng)景下合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)母線電壓Table 1 Bus voltage on both sides of loop closing point in different loop closing scenarios

仿真分析直接合環(huán)、基于PST 的合環(huán)裝置合環(huán)和基于IPST 的合環(huán)裝置合環(huán)等不同合環(huán)方式的合環(huán)電流情況。其中，基于IPST 的合環(huán)裝置合環(huán)方式給定2 種變比對(duì)比分析:一種給定本文所提幅相變比計(jì)算方法確定的初步變比值，如表2 所示；另一種考慮實(shí)際工程應(yīng)用中變壓器變比都是按照一定規(guī)則設(shè)計(jì)好的，需要基于確定的初步變比給定擋位標(biāo)準(zhǔn)化變比值，如表3 所示。本文按照一擋調(diào)節(jié)2°標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)調(diào)相變比，調(diào)壓繞組標(biāo)準(zhǔn)化按一擋調(diào)節(jié)2/17 kV 設(shè)計(jì)。

表2 不同合環(huán)場(chǎng)景幅相初始變比Table 2 Initial ratios of amplitude and phase in different loop closing scenarios

表3 不同合環(huán)場(chǎng)景幅相擋位標(biāo)準(zhǔn)化變比Table 3 Standardized ratios of amplitude and phase in different loop closing scenarios

場(chǎng)景1 合環(huán)點(diǎn)通過(guò)不同方式進(jìn)行合環(huán)操作產(chǎn)生的合環(huán)電流如圖5 所示，場(chǎng)景2 至6 合環(huán)電流如附錄A 圖A2 至圖A6 所示。場(chǎng)景1 采用直接合環(huán)產(chǎn)生的合環(huán)電流ICZx1如圖5（a）所示。1 s 時(shí)進(jìn)行合環(huán)操作，此時(shí)合環(huán)電流最大值ICZx1，max為1 845 A。為方便分析合環(huán)電流情況，不同合環(huán)場(chǎng)景下采用不同合環(huán)方式產(chǎn)生的合環(huán)電流的最大值如表4 所示。由表4 可知，6 種存在三相不對(duì)稱且合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)具有幅值差或相位差的復(fù)雜合環(huán)場(chǎng)景下采用直接合環(huán)的三相合環(huán)電流最大值均大于720 A，且隨著幅值差、相角差增大，合環(huán)沖擊電流隨之增大，其中最大值為ICZx1，max=1 845 A。

表4 不同合環(huán)方式的合環(huán)電流最大值Table 4 Maximum value of loop closing current with different loop closing modes

場(chǎng)景1 采用基于PST 的合環(huán)裝置合環(huán)的合環(huán)電流ICPx1如圖5（b）所示，此時(shí)為場(chǎng)景序號(hào)最大值降為583.2 A，但仍不滿足合環(huán)電流要求。結(jié)合其他三相不平衡且合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)具有幅相差和僅有幅值差的合環(huán)場(chǎng)景，采用基于PST 的合環(huán)裝置合環(huán)的合環(huán)電流，可得合環(huán)電流最大值ICPxn，max均大于499 A，其中n為場(chǎng)景序號(hào)。此時(shí)最大合環(huán)電流為ICPb4，max=723.4 A。而場(chǎng)景5 是三相不對(duì)稱情況下僅有相位差的合環(huán)場(chǎng)景，采用未進(jìn)行擋位化變比的PST 進(jìn)行合環(huán)的合環(huán)電流最大值ICPa5，max為94.35 A，該場(chǎng)景采用PST 進(jìn)行合環(huán)能夠較大程度地減小合環(huán)電流，與相同場(chǎng)景下采用未進(jìn)行擋位化變比的IPST 進(jìn)行合環(huán)的合環(huán)電流最大值3.911 A 相比，說(shuō)明基于IPST的合環(huán)裝置對(duì)于復(fù)雜合環(huán)調(diào)節(jié)效果更佳。

場(chǎng)景1 采用如表2 所示的幅相初始計(jì)算變比的IPST 進(jìn)行合環(huán)的合環(huán)電流ICCx1如圖5（c）所示。此時(shí)，合環(huán)電流最大值ICCb1，max僅有2.619 A，與前2 種合環(huán)方式的合環(huán)電流相比明顯下降。對(duì)比場(chǎng)景2 至5 采用初始變比的IPST 進(jìn)行合環(huán)的合環(huán)電流，其最大值均不超過(guò)15.2 A，最小為ICCb1，max=2.619 A，采用初始變比IPST 的合環(huán)裝置進(jìn)行合環(huán)轉(zhuǎn)供效果明顯。

圖5 場(chǎng)景1 不同合環(huán)方式的合環(huán)電流Fig.5 Loop closing current with different loop closing modes in scenario 1

考慮幅相變比擋位標(biāo)準(zhǔn)化的情況下，投入如表3 所示的變比參數(shù)進(jìn)行合環(huán)操作，場(chǎng)景1 的合環(huán)電流ICBx1如圖5（d）所示。此時(shí)合環(huán)電流最大值為ICBc1，max=30.61 A，相比ICCb1，max有所增加。對(duì)比不同合環(huán)場(chǎng)景下采用擋位化變比的IPST 合環(huán)的ICBxn，max與 采 用 初 始 變 比 的IPST 合 環(huán) 的ICBxn，max可 知，不 同合環(huán)場(chǎng)景下合環(huán)電流最大值均增加，但I(xiàn)CBxn，max均不超過(guò)40 A，最小為ICCc6，max=11.65 A。這是由于初始變比是基于合環(huán)場(chǎng)景給定的近似精確解，而工程實(shí)際應(yīng)用變比是在初始變比值附近按擋位取值，會(huì)產(chǎn)生一定的偏差，但是最后產(chǎn)生的合環(huán)電流仍滿足合環(huán)條件。若要使采用擋位標(biāo)準(zhǔn)化變比的IPST 合環(huán)時(shí)產(chǎn)生的偏差越小，則需要相同調(diào)節(jié)量時(shí)調(diào)節(jié)擋位越多，但會(huì)造成制造成本增加，因此需要依據(jù)工程需求進(jìn)行取舍。

由以上分析可得，采用基于IPST 的合環(huán)裝置可以應(yīng)對(duì)合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)存在三相不對(duì)稱、幅值差、相位差的復(fù)雜合環(huán)場(chǎng)景，能夠有效實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊電流合環(huán)操作。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)配電網(wǎng)復(fù)雜合環(huán)場(chǎng)景，提出了一種具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的基于PST 的合環(huán)裝置方案，在三相不對(duì)稱的復(fù)雜場(chǎng)景下分析了合環(huán)裝置的耦合特性，提出了相應(yīng)的控制策略，并仿真驗(yàn)證了所提合環(huán)裝置技術(shù)對(duì)于復(fù)雜合環(huán)場(chǎng)景進(jìn)行不停電合環(huán)轉(zhuǎn)供的調(diào)節(jié)效果，得出如下結(jié)論:

1）針對(duì)復(fù)雜合環(huán)場(chǎng)景的調(diào)節(jié)需求，提出了基于IPST 的合環(huán)裝置，IPST 相對(duì)PST 增加了調(diào)壓繞組，能夠很好地改善調(diào)節(jié)靈活性和增強(qiáng)適用范圍，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)三相不對(duì)稱下的靈活合環(huán)控制。與基于電力電子裝置柔性合環(huán)技術(shù)相比，基于IPST 的合環(huán)技術(shù)研制技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富，成本較低，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性較好，可推廣性較高。

2）基于IPST 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，通過(guò)分析IPST 的三相調(diào)相調(diào)壓繞組耦合特性得出三相調(diào)相繞組變比兩兩之間存在耦合，而三相調(diào)壓繞組變比兩兩之間無(wú)耦合但與三相調(diào)相繞組變比之間存在耦合，進(jìn)而推導(dǎo)了合環(huán)裝置應(yīng)對(duì)不同復(fù)雜合環(huán)場(chǎng)景IPST 選取調(diào)節(jié)擋位的計(jì)算公式。

3）對(duì)比分析不同復(fù)雜合環(huán)場(chǎng)景IPST 變比計(jì)算公式特征，引入相位補(bǔ)償因子，提出了適用于不同復(fù)雜合環(huán)場(chǎng)景的三相不對(duì)稱合環(huán)控制策略，能夠有效實(shí)現(xiàn)復(fù)雜合環(huán)場(chǎng)景不停電合環(huán)轉(zhuǎn)供負(fù)荷，為工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)。而IPST 在調(diào)節(jié)過(guò)程中擋位變化會(huì)造成阻抗變化，后續(xù)將深入研究IPST 內(nèi)阻抗隨著擋位變化的規(guī)律及不對(duì)稱工況下的阻抗耦合變化規(guī)律。

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