聶進(jìn)培，趙湘文，許興元，丁佳鈺，謝子亮，劉振東，張帆

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州增城供電局，廣州 511300）

引言

配網(wǎng)連接著電源主網(wǎng)和用戶負(fù)荷，有著十分重要的作用。尤其以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，配網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聯(lián)絡(luò)開關(guān)位置存在位置偏遠(yuǎn)、不近道路、負(fù)荷分配不均等現(xiàn)象，不利于配網(wǎng)線路不停電作業(yè)的開展。

配網(wǎng)不停電作業(yè)是指采用帶電作業(yè)法、旁路作業(yè)法或移動(dòng)電源法等手段，在保障用戶不停電的前提條件下對(duì)配網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行施工、檢修、更換、安裝的一種作業(yè)方法。

文獻(xiàn)[1, 2]分析了配電不停電作業(yè)技術(shù)的現(xiàn)狀，并對(duì)比了幾種配電不停電作業(yè)技術(shù)的異同。文獻(xiàn)[3]分析研究了移動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)帶電接入10 kV配電網(wǎng)，雖然可實(shí)現(xiàn)檢修過程不停電進(jìn)行，但需要額外的移動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4, 5]分析了配電網(wǎng)不停電作業(yè)對(duì)提高供電可靠性的重要性以及城市配電網(wǎng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與展望。

文獻(xiàn)[6, 7]研究了10 kV配網(wǎng)線路旁路作業(yè)的電磁暫態(tài)過程，并進(jìn)行了仿真計(jì)算，旁路作業(yè)也能使檢修過程不停電進(jìn)行，但需要額外架設(shè)旁路電纜。

文獻(xiàn)[8, 9]研究了應(yīng)用成本分析法的配網(wǎng)線路分段開關(guān)的設(shè)置、配電網(wǎng)開關(guān)的最優(yōu)配置模型和優(yōu)化算法。文獻(xiàn)[10, 11]研究了配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃方法以及提升10 kV電纜不停電作業(yè)的實(shí)用化關(guān)鍵技術(shù)。

以上文獻(xiàn)都較少考慮環(huán)境因素，更多的趨于理論化對(duì)配網(wǎng)線路進(jìn)行改造與優(yōu)化。因此，本文提出考慮環(huán)境因素的配網(wǎng)線路不停電設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)為在對(duì)配網(wǎng)線路的聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，充分考慮不停電作業(yè)的特點(diǎn)和需求等環(huán)境因素，使得所設(shè)置的聯(lián)絡(luò)開關(guān)便于不停電作業(yè)的開展。

1 配網(wǎng)線路優(yōu)化現(xiàn)狀

配電網(wǎng)的分段開關(guān)是提高供電系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要手段，通常為了運(yùn)行維護(hù)方便和提高效益，技術(shù)人員會(huì)在配網(wǎng)線路的不同位置設(shè)置一些開關(guān)設(shè)備；但如果開關(guān)的位置設(shè)置不合理，就有可能適得其反，使故障范圍擴(kuò)大[12]。文獻(xiàn)[13]利用成本效益分析法分析配電網(wǎng)開關(guān)優(yōu)化配置的計(jì)算方法，得到最優(yōu)配電網(wǎng)線路的開關(guān)設(shè)置方案，提高開關(guān)設(shè)置的合理性與科學(xué)性。文獻(xiàn)[14]引入布爾型表達(dá)式描述配網(wǎng)不同位置的開關(guān)存在性，并根據(jù)故障類型確定負(fù)荷對(duì)應(yīng)的停電時(shí)間，提出一種主要用于輻射型配網(wǎng)的開關(guān)優(yōu)化配置模型。文獻(xiàn)[15]提出基于啟發(fā)式方法的三階段優(yōu)化算法，針對(duì)中壓架空線上的分段開關(guān)優(yōu)化配置問題，分別以可靠性指標(biāo)和總費(fèi)用目標(biāo)建模求解。

文獻(xiàn)[16]提出為滿足新型城鎮(zhèn)化建設(shè)對(duì)用電的需求，將負(fù)荷區(qū)域按功能性和可靠性等屬性劃分，并對(duì)每一區(qū)域選取合理的接線模式。文獻(xiàn)[17]提供一種基于N-1準(zhǔn)則的電網(wǎng)設(shè)備停運(yùn)原因?qū)崟r(shí)排查及預(yù)警方法，來解決電網(wǎng)檢修作業(yè)過程中或設(shè)備故障發(fā)生時(shí)無法做到實(shí)時(shí)排查停運(yùn)設(shè)備并及時(shí)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行分析預(yù)警的缺陷。但在不停電作業(yè)方面，考慮環(huán)境因素的配網(wǎng)線路的優(yōu)化研究尚不多。

2 配網(wǎng)線路的不停電設(shè)計(jì)

目前電網(wǎng)的配網(wǎng)線路通常是閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行，當(dāng)配網(wǎng)線路發(fā)生故障或異常而需要進(jìn)行檢修時(shí)，首先將聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合，然后斷開需要檢修的設(shè)備進(jìn)行檢修，這樣就確保了檢修的全過程不停電；但聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)電壓幅值和相位不相等，閉合時(shí)勢(shì)必會(huì)給電網(wǎng)帶來沖擊，因此，如何合理的設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)的位置尤為重要，以使閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)時(shí)不影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

2.1 考慮環(huán)境因素約束

中壓線路優(yōu)化的目標(biāo)，是在滿足一定的約束條件下，使目標(biāo)函數(shù)最小；同時(shí)本文優(yōu)化的目的是為了使故障發(fā)生時(shí)，能夠不停電轉(zhuǎn)供電以提高供電可靠性。

1）氣象條件約束

不停電轉(zhuǎn)供應(yīng)在良好天氣下進(jìn)行，應(yīng)有適宜的溫度、氣壓、濕度以保安全。風(fēng)力大于5級(jí)，或濕度大于80 %時(shí)，不宜進(jìn)行。如遇雷電、雪、雹、雨、霧等不良天氣，禁止進(jìn)行。作業(yè)過程中若遇天氣突然變化，可能危及人身及設(shè)備安全時(shí)，應(yīng)立即停止進(jìn)行并撤離人員；禁止在雨、雪天氣進(jìn)行不停電裝備敷設(shè)、組裝、回收等工作。

2）地形環(huán)境條件約束

為便于中壓發(fā)電車的進(jìn)出和旁路作業(yè)系統(tǒng)的接入，中壓線路網(wǎng)架設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮地形環(huán)境條件的約束，如線路走廊尤其分段開關(guān)及桿塔應(yīng)立于方便中壓發(fā)電車進(jìn)出的道路旁，同時(shí)分段開關(guān)應(yīng)避免在田間或地塊中間，以避免旁路作業(yè)系統(tǒng)接入困難。

2.2 疊加法原理

根據(jù)疊加定理，合環(huán)后的支路潮流等于合環(huán)前各支路的初始潮流與合環(huán)開關(guān)兩端電壓差引起的增量相疊加。合環(huán)網(wǎng)絡(luò)可以等效為一個(gè)合環(huán)前原有的輻射狀開環(huán)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)疊加一個(gè)僅由附加電源作用的環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)。疊加法計(jì)算合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流的原理圖如圖1所示。

其中，圖1（a）等效為圖1（b）與圖1（c）的疊加。圖1（b）為純輻射狀網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)被解開，保留了原網(wǎng)絡(luò)中所有的電源和負(fù)荷，形成一個(gè)不含環(huán)狀結(jié)構(gòu)的純輻射狀網(wǎng)絡(luò)；圖1（c）為純環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)中所有的電源、負(fù)荷以及輻射狀支路被移走，只保留參與合環(huán)的支路以及合環(huán)開關(guān)兩側(cè)電壓差的等效電壓源。分別計(jì)算兩個(gè)分解網(wǎng)絡(luò)的電流，然后將計(jì)算結(jié)果疊加即可得到原網(wǎng)絡(luò)的合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流。

如圖1所示，假設(shè)I1、I2為參與合環(huán)的兩條饋線上合環(huán)后流過的穩(wěn)態(tài)電流，I10、I20為合環(huán)前兩饋線上流過的初始電流，IL為環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)中由合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓差引起的穩(wěn)態(tài)環(huán)流。則根據(jù)疊加定理，合環(huán)后兩條饋線上流過的穩(wěn)態(tài)電流可表示為：

圖1 疊加法計(jì)算穩(wěn)態(tài)電流的原理圖

其中，穩(wěn)態(tài)環(huán)流IL可由下式計(jì)算得到：

式中：

△U—合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓差；

Z∑—環(huán)網(wǎng)等值總阻抗。

在計(jì)算環(huán)網(wǎng)等值總阻抗Z∑時(shí)，首先將網(wǎng)絡(luò)中所有的獨(dú)立電源置零，然后對(duì)剩下的無源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變換。即將網(wǎng)絡(luò)中所有負(fù)荷置零，所有電壓源置成短路狀態(tài)時(shí)，從合環(huán)開關(guān)向上級(jí)電網(wǎng)看進(jìn)去，得到的環(huán)路阻抗，在工程中將這個(gè)值按合環(huán)回路中的所有線路阻抗與變壓器阻抗之和來處理。

2.3 合環(huán)沖擊影響

目前配網(wǎng)線路閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行的結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2中，相聯(lián)絡(luò)的兩條配網(wǎng)線路由同一220 kV變電站供電，通過降壓至不同110 kV變電站，然后再降壓至10 kV變（配）電站，兩條10 kV配網(wǎng)線路通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)檢修過程不停電，黑色分段開關(guān)K1、K2、…Kn為常閉運(yùn)行分段開關(guān)，白色分段開關(guān)KL為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，正常運(yùn)行時(shí)處于斷開狀態(tài)。

為便于工程應(yīng)用計(jì)算，對(duì)如圖2所示的配網(wǎng)線路供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行必要的簡化，其簡化模型如圖3所示。

圖2 配網(wǎng)線路聯(lián)絡(luò)示意圖

圖3 配網(wǎng)線路聯(lián)絡(luò)簡化示意圖

根據(jù)簡化模型及文獻(xiàn)[18]可知，沖擊電流大小與合環(huán)前電壓差、相角差以及環(huán)路線路阻抗等3個(gè)因素有關(guān)；而沖擊電流大小與電壓幅值差和相角差近似成正比，與環(huán)路線路阻抗近似成反比。

因此，對(duì)于本文所述相聯(lián)絡(luò)的配網(wǎng)線路而言，無論將其間哪個(gè)分段開關(guān)設(shè)置為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，合環(huán)時(shí)的環(huán)路阻抗相同，因而不同分段開關(guān)設(shè)計(jì)為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，其合環(huán)沖擊影響主要取決于該分段開關(guān)兩側(cè)的電壓差（含幅值差和相角差，下同）。

2.4 配網(wǎng)線路不停電設(shè)計(jì)

聯(lián)絡(luò)開關(guān)不停電設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 聯(lián)絡(luò)開關(guān)不停電設(shè)計(jì)流程圖

為使配網(wǎng)線路在故障發(fā)生或更換某電氣設(shè)備時(shí)，能夠進(jìn)行不停電檢修或更換，那就需要在檢修或更換前，先閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)、再斷開需要檢修或更換的部分。而聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)電壓幅值和相位等差異，將導(dǎo)致其閉合時(shí)會(huì)給電網(wǎng)帶來一定的影響，合理的選擇聯(lián)絡(luò)開關(guān)的位置以使其閉合時(shí)不對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來影響。

3 應(yīng)用算例

某電網(wǎng)的配網(wǎng)線路供電線路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖5所示。其中變電站A和變電站B電壓相同均為10 kV，各裝設(shè)一個(gè)出線開關(guān)，其間有6個(gè)分段開關(guān)K1～K6，線路型號(hào)均為LGJ-150，單位長度電阻為0.21 Ω，單位長度電抗為0.401 Ω，各變電站及各分段開關(guān)之間的線路長度如圖5中標(biāo)注。

圖5 某電網(wǎng)的配網(wǎng)供電線路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖

通過試驗(yàn)測(cè)取氣象環(huán)境數(shù)據(jù)如表1所示，由此可知，符合氣象條件約束。

表1 試驗(yàn)測(cè)取氣象環(huán)境數(shù)據(jù)

依次將分段開關(guān)K1～K6設(shè)計(jì)為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，通過潮流計(jì)算得到各聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)的電壓差從小到大的排序如下：

從工程應(yīng)用計(jì)算的角度，將分段開關(guān)K4設(shè)計(jì)為聯(lián)絡(luò)開關(guān)的話，檢修時(shí)合環(huán)沖擊影響是最小的；但經(jīng)過對(duì)該配網(wǎng)線路供電網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場環(huán)境勘察發(fā)現(xiàn)，分段開關(guān)K4處于一人工養(yǎng)魚湖旁邊，且距離公路較遠(yuǎn)，不便于施工車輛出入和電網(wǎng)檢修人員操作，因此，綜合考慮環(huán)境因素后，不將分段開關(guān)K4作為聯(lián)絡(luò)開關(guān)的設(shè)計(jì)，而將分段開關(guān)K5設(shè)計(jì)為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，其現(xiàn)場環(huán)境勘察便于電網(wǎng)檢修人員的操作和施工車輛的出入，兩側(cè)電壓差也僅次于分段開關(guān)K4，合環(huán)沖擊影響較小，能夠確保檢修過程電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)供電可靠性要求越來越高；供電企業(yè)的作業(yè)方式也日趨轉(zhuǎn)向不停電作業(yè)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益不斷提高。配網(wǎng)線路閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行，加之合理的聯(lián)絡(luò)開關(guān)的設(shè)計(jì)，使故障發(fā)生或設(shè)備更換時(shí)，可先將聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合、再斷開故障或更換部分進(jìn)行檢修，實(shí)現(xiàn)整個(gè)檢修過程負(fù)荷不停電轉(zhuǎn)供，有效提升配電網(wǎng)的供電可靠性以及不停電作業(yè)水平，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行和檢修作業(yè)有著廣泛的參考價(jià)值。