杨晨曦 周胜超 海迪 孙宏达 崔娇 余永胜
云南电网有限责任公司昆明供电局 云南昆明650000
摘要：
10kV配电网的检修、故障及隐患处理等与电网供电可靠性指标息息相关。10kV配网线路在检修、故障及隐患处理等情况下，必然需要将现有用户转移至另外的电源供电。用户转移的手段有停电调电及合环调电两种模式，选择哪种模式则需要根据配网线路潮流分布及合环期间潮流分布来判断。若选择停电调电模式，则需要用户短时停电，若选择合环调电则不需要用户短时停电。但是合环调电需要考虑潮流分布及合环期间潮流变化，当具备合环调电条件时方可安排合环调电。目前昆明电网配网潮流计算无正式的计算模型，导致10kV配网潮流计算采取粗犷的计算方式，从而导致可能合环调电的线路，因无较为精确的模型及计算结果而白白浪费合环调电机会，不利于电网供电可靠性的提高。
关键词：配网线路，检修，模型
一、10kV配网合环调电存在问题
（1）现有的10kV配网合环验算分析模式，不适用于大规模开展配网合环调电，因此需要分析制定更适用的工程应用潮流分析模型。
（2）现有的10kV配网合环工作流程不适用于大规模开展配网合环调电，因此应基于已研究的潮流分析模型，制定更简易适用的工作流程。
（3）现有工作方法，涉及需要运行单位、调度员判断的信息量太多，不便于快速有效开展10kV配网线路合环调电，需进一步简化工作方法。
二、解决思路
（1）设定10kV配网合环工作目标，使得10kV配网合环能够有序有效应用于正常调电。
（2）研究分析10kV配网合环实用化潮流模型。
（3）结合影响因素，提出便于工程应用的10kV配网合环分析模型。
（4）制定工作流程，使得10kV配网合环调电能有效达到工作目标。
（5）简化工作方法，使得10kV配网合环调电需要判断的信息量有效降低。
三、10kV配网合环调电原因分析
要设定10kV配网合环调电工作目标，前提要知道10kV配网合环调电存在的影响因素。因此需要对10kV配网合环模型进行详细分析。
（一）10kV配网合环调电涉及影响因素
图1 10kV线路合环等值电路图
图中:V1、V2为合环点两侧10 kV母线的电压，R1、X1、R2、X2分别为合环点两侧馈线的电阻和电抗；R0、X0为外网等值电阻和电抗；I1、I2分别为两条馈线的初始电流；I为由于合环两侧电压差异产生的环流；Vp1、Vp2分别为合环开关两侧的电压。
10kV线路合环开关两侧的电压分别为：
10kV线路合环两侧电压差异引起的环流为:
合环后流经线路1的电流为：
合环后流经线路2的电流为：
从以上公式可以看出，影响合环稳态电流的主要因素包括：
（1）压差（VP2-VP1）
按照220kV及以下同期合环要求，合环点两侧压差在20%Un以内，事实上根据该模型，以及目前电网设备配置水平，10kV配网线路合环点两端压差无法计算或监测，为此需要进行等值考虑。
考虑极限情况下，10kV线路1的R1及X1为0，10kV线路2的R1及X1为一个较大值，因此:
为了确保合环的安全性，可认为ABS（V2-V1）≤20%min（V1，V2），从而解决了Vp1、Vp2无法测量或计算的问题。
（2）环路阻抗比
根据图1，设定：
Z0=R0+jX0
Z1= R1+jX1
Z2=R2+jX2
Nz=Z0/(Z1+Z2)
式中，Z0为外网等值阻抗，Z1为10kV线路1等值阻抗，Z2为10kV线路2等值阻抗，Nz为外网与10kV环路的等值阻抗比。
由此可知，在同一电压等级下，Nz越小，流经10kV环网的系统穿越功率越小。
（3）合环期间的环路电流
合环后流经线路1的电流为：
合环后流经线路2的电流为：
且I10=I20，故为了使得合环能安全、稳定进行，必须确保:
式中：IN1为10kV线路1的额定承载电流，IN2为10kV线路2的额定承载电流。
（二）10kV配网合环调电影响因素分析
（1）压差对应影响因素
众所周知，工频50Hz情况下，两段母线电压差的大小存在两个因素：电压幅值及相角。
式中：U为电压有效值，Um为电压幅值，ω为角速度，δ为相角。
由此可知，Um及δ均可能影响两段母线的电压差。从而导致两段母线压差不在合理范围内导致10kV配网合环失败。
（2）环路阻抗比对应影响因素
假定两段母线电压V1=V2：
由于外网等值阻抗Z0随不同的电压等级不同，对于并联回路：
即电流与阻抗大小成反比，其中I10=I20，由此可知，在两段母线电压一致的情况下，环路阻抗比的大小，决定了流经10kV合环回路的电流大小。因此可认为两条10kV线路的长度越长，阻抗越高，其环路电流会越小，10kV配网合环可能性越大。
同时根据云南电网系统运行要求，不得出现500kV-110kV及更大电压等级差的电磁环网（即不得跨电压等级合环）。因此可将10kV配网线路合环电压等级设定在110kV及以下。
综上所述，环路阻抗比对10kV配网合环调电的影响因素，应为外网阻抗足够小，10kV线路阻抗足够大，同时电磁环网不超110kV电压等级。
（3）环路电流对应影响因素
结合前述分析得到以下公式：
影响10kV配网合环成功与否的因素涉及线路承载能力、线路阻抗、电压幅值及电压相角。
（三）工作目标
为有效降低10kV配网停电调电次数，提高10kV配网合环调电成功率，并能使得工作流程能有效、简便开展。设定工作目标如下：
（1）通过验证在上级电网正常方式下可直接合环的直接采取合环调电；
（2）考虑到运行人员的工作能力参差不齐，要求运行人员的工作应尽量简单实用。
（3）若存在部分存疑的需要深入分析的，暂不纳入合环调电操作目标中。
四、10kV配网合环调电实用化模型
还是以等值网络模型进行分析：
图2 10kV线路合环等值电路图
（1）电压条件分析
考虑极限情况下，10kV线路1的R1及X1为0，10kV线路2的R1及X1为一个较大值，因此:
为了确保合环的安全性，可认为：
假定V1=10kV＜V2，因此可知：
引申到相电压，即：
根据我国的国家标准GB12325—2008《电能质量供电电压允许偏差》规定，10kV母线正常运行电压的允许偏差范围为10kV～10.7kV。我们进一步将条件缩小，要求ABS（V2-V1）≤0.7kV，从而能确保在此条件下合环成功，且也进一步为降低10kV合环穿越电流起到有效保障。
涉及相角差的问题，根据220kV及以下同期合环电压要求，电压幅值差小于20%Un，电压相角差小于30度。因此为避免10kV配网合环形成相间接地故障，设定更为苛刻但不会影响目标的“相角差小于等于25度”作为电压相角条件。
（2）阻抗条件分析
我局10kV线路中架空线路导线截面为185 mm2及以上，电缆线路截面为300mm2及以上的，根据《电气工作手册得知》10kV线路中架空线路导线截面为185 mm2 的导线允许的安全电流为515A，电缆线路截面为300mm2 的电缆允许的安全电流为423A，根据电阻定律，线路的阻抗大小和线路的线经和长度（即最大供电半径）有关系，因此只要知道线路的线经和长度，合环线路的阻抗就确定了，为了使该方案的实用性更强，需确定一些边界条件：
1）根据我局10kV线路载流量统计表可知，大部分10kV线路载流量在0A~300A之间，即10kV合环线路的负载率取50%。10kV配变选择容量为315kVA。变电站10kV母线出口电压取10.7kV，末端电压取10kV，功率因数统一取为0.95，根据线路型号及其负载率可以得出线路的所带负荷为：
其中U：为变电站出线电压（kV）
Imax ：为变电站出线长期允许的最大载流量（A）
：为功率因素
：为线路负载率（%）
根据10kV线路潮流计算公式，已知线路首端电压、末端电压及线路负荷，可以得到线路最大供电半径计算公式，因此线路的长度（最大供电半径）计算公式为：
其中：U1为线路首端电压（kV）
上述计算中可以通过先得到线路负荷，接下来就可以利用求得的计算结果及末端电压不低于10kV的临界条件，从而求得不同导线截面下的最大供电半径。
结合前述分析，线路阻抗比对10kV配网合环调电的影响因素，应为外网阻抗足够小，10kV线路阻抗足够大，同时电磁环网不超110kV电压等级。
我们建议的条件为：同一110kV母线为电源的10kV配网线路可进行合环。由此根据我局变电站接线方式进行分析如下：
1）220kV变电站同一母线不同110kV变电站
2）220kV变电站同一母线同一110kV变电站不同10kV母线
3）220kV变电站同一母线同一110kV变电站同一10kV母线
4）110kV变电站和35kV变电站10kV母线联络线
5）220kV变电站110kV母线不同110kV站不同35kV站不同10kV母线
6）同一110kV变电站不同35kV变电站不同10kV母线
7）同一35kV站同一10kV母线
对以上7种情况进行甄别，接线4存在因35kV主变和110kV主变存在接线方式不一致从而可能导致相角差天然存在的情况，故不纳入考虑。因此其他6种情况均符合“同一110kV母线为电源的10kV配网线路可进行合环”的要求。
（3）承载能力分析
1）稳态承载能力
根据以上公式，稳态承载能力涉及开关、线路、保护阈值等因素。我局10kV线路中架空线路导线截面为185 mm2及以上，电缆线路截面为300mm2及以上的，根据《电气工作手册得知》10kV线路中架空线路导线截面为185 mm2 的导线允许的安全电流为515A，电缆线路截面为300mm2 的电缆允许的安全电流为423A。我局10kV线路载流量根据统计表2可知，大部分10kV线路的载流量集中在0A~300A之间。
因此可设定以下条件作为承载能力基础：（1）回路中的电流互感器变比为500/5及以上。（2）回路中架空线路导线截面为185 mm2及以上。（3）回路中的电缆截面为300mm2及以上。（4）回路中的断路器、隔离开关、负荷开关的额定电流大于500A。
2）电磁暂态承载能力分析
在进行合环操作时，不仅需要分析合环之后稳态潮流对电网运行的影响，还应考虑合环后的暂态潮流即冲击电流对电网安全运行的影响。合环冲击电流为合环电流可能产生的最大瞬时值，冲击电流一般幅值比较大，但是持续的时间很短，由于电力系统三相对称，以Ａ相为例进行分析，计算合环冲击电流暂态过程的单相等值电路模型如图3所示。图中合环点两侧电压差等效为Ａ相相电压e（ｔ）。
图3 合环冲击电流暂态过程的单相等值电路模型
设ΔＵ为合环点两侧电压相量差，则有:
合环电路的时域微分方程为:
式中：α为合环时刻，ｔ=0时Ｅ的初始相角，它由该时刻合环点两侧电压的相角差决定。
利用拉普拉斯变换，将时域非线性微分方程转换为复频域中的代数方程进行求解，可得合环电流的表达式为：
从上式可知，合环电流分别由两部分构成，其中一个为周期分量，另一个为非周期分量。当电路参数已知时，周期分量的幅值是大小不变的，而非周期分量是按照指数函数的规律单调递减的直流分量。当该直流分量递减到0时，说明合环己进入稳定状态。由非周期分量知，冲击电流的最大瞬时值与其初始值和递减速度有关，而非周期分量的初始值大小又和初等值电压的相角有关，递减速度则和电路当中R/L的比值有关。所以，对于具体的配网环路，最大冲击电流值等于稳态环流幅值乘以一个固定的系数，工程计算中一般取1.8～1.9；而衰减周期一般不超过10个周波（0.2S）。从上述分析可以看出，冲击电流的表达式为
式中： Im为冲击电流的最大有效值，I为合环稳态电流的幅值。
根据我局10kV线路保护定值的整定原则，10kV线路过流Ⅰ段最小动作定值为3000A，10kV线路过流Ⅲ最小动作定值为CT一次值的1.4~1.5倍。设定线路中断路器、隔离开关、负荷开关的额定电流大于500A。
由此可知设定合环回路最大电流不超500A，能有效避开过流Ⅰ段保护定值，同时由于冲击衰减周期仅0.2S，因此也不会触发过流Ⅱ、Ⅲ段动作。
五、基于模型的10kV配网合环条件
（一）基本原则
（1）调电回路设备不过载；
（2）调电回路中的电气设备无影响调电的缺陷；
（3）继电保护满足快速动作要求。
（4）两条10kV合环调电线路必须是由220kV变电站同一110kV母线（或并列运行的不同110kV母线）供电。
（5）两条10kV合环调电线路上无T接水、火电发电机组或其他新能源发电机组。
（二）设备条件
（1）调电设备必须相序、相位一致，合环点两侧相角差在25度以内；
（2）合环回路设备要求：
a.回路中的电流互感器变比为500/5及以上。
b.回路中架空线路导线截面为185 mm2及以上。
c.回路中的电缆截面为300mm2及以上。
d.回路中的断路器、隔离开关、负荷开关的额定电流大于500A。
（三）技术条件
（1）进行合环调电的10kV配电网设备的供电电源变电站按照正常运行方式运行；
（2）合环点两侧对应变电站的10kV母线电压差不超过0.7kV。
（3）来自不同110kV变电站的两条10kV出线，需考虑两个110kV变电站低压侧中性点不能分别是电抗接地和电阻接地。
六、10kV配网合环工作流程
为有效减少10kV配网线路合环调电工作流程，主要进行了以下几个方面的工作：
（1）提前根据基本原则、设备条件梳理可合环线路台账；
（2）要求各运行单位根据可合环线路台账在月度检修计划中提出合环需求；
（3）填报申请时明确提出合环调电要求及核相情况。
（4）方式审核，满足条件即安排合环调电。
（5）调度员核实条件是否满足要求，执行合环调电。
（6）运行单位更新可合环线路台账。
图3 10kV配网合环工作流程
七、10kV配网线路合环工作方法
（一）建立可合环台账表
由于为了节省运行、调度各专业工作量，需要首先建立可合环台账表。可合环台账表的建立，根据前述分析，需考虑以下几种情况：
（1）两条可合环线路必须出自同一110kV母线（或并列运行的不同110kV母线）；
（2）两条可合环线路设备条件满足要求；
（3）两条线路均未T接发电机组或其他新能源小电机组。
以此为筛查条件设定表格格式如下：
根据以上要求制定可合环台账表详见附件1。
（二）月度停电计划的填报
在月度检修计划中，项目管理单位协调运行单位填报转供电方案时，由运行单位在转供电方案中，涉及可合环的转供电需明确“合环调电”。
（三）检修申请填报
在检修申请填报阶段，若在月度停电计划中明确的转供电方案，需要在检修申请中明确两线核相情况。
（四）调度方式批复
在检修申请批复阶段，方式人员根据月度停计划及检修申请，明确批复调电模式及调电回路。
（五）调度执行
调度员在执行前，需了解两条10kV线路的相位、相序、相角差是否满足要求，涉及上级电源的运行方式是否正常运行方式，涉及两段10kV母线电压是否一致。
八、总结
本项目结合目前10kV配网合环存在问题，提出了10kV配网潮流计算实用化模型，并对模型进行分析，明确了10kV配网合环调电相关条件、工作流程、工作方法。本项目的应用，使得10kV配网合环调电的工作能大范围应用于实际工作中，减少了10kV配网合环调电的中间判断环节，有效提高了各环节工作效率。同时应用本项目可使得10kV配网合环调电率有效提升。