分析10KV配网合环装置 电网, 系统

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本文针对10kV线路手拉手换电，为了实现合环换电过程用户不至于中断供电，提高供电可靠性，设计了一种线路合环装置对合环线路参数进行精密测量。解决了测量过程中高压精密测量的问题以及相位测量的问题，同时装置设上采用无线操作，简单方便。
同时设计潮流计算软件，提出了一种有效的系统模型，根据当前系统运行状态，分析合环对系统的影响，提供合环判据，对合环操作进行指导。
电网系统的不断发展对供电可靠性和电能质量的要求也越来越高。10KV配电网一般采用闭环设计，开环运行的方式供电。但是配网在线路检修、负荷倒换等操作时都是通过断电分段投入负荷的方式，为了减少停电时间，提高通电可靠性，10KV线路带电合环操作对提高供电可靠性与经济性有着重要意义。
合环操作中，因为合环点两端电压存在幅差和相差即矢量电压差，以及线路阻抗等因素会影响合环系统潮流分布的影响。装置设计上通过进行带隔离的高精度采样，采用无线手持终端进行测量操作。同时通过装置测量的数据对比潮流软件计算的幅差和相差验证合环软件准确度。通过软件计算合环后流过合环点的电流等参数，为合环参数提供可靠的判据。
一、合环点参数测量原理
1.测量装置的组成
测量装置主要由以下三部分组成操作杆、测量终端和手持终端。其中操作杆为一根8m左右的伸缩杆用于将测试装置挂在线路测量点上，测量终端为一个圆筒用于对线路参数进行采样和将数据传给手持终端，手持终端为一个手持塑料盒用于操作测试和分析测量数据。
2.装置测试基本原理
测量装置通过两根测量杆挂在合环点两端的同相线路上，对线路的电压相位进行测量，整个试验过程使用手持终端通过无线通信操作测量杆进行测量操作。整套装置试验时操作人员远离试验现场，通过手持终端无线操作，安全便捷。
合环装置原理框图图1


3.合环点电压相位测量
10kV线路电压相位测量属于一个高压环境下的电量测量，高压下进行精密测量通常有取样难以及空间干绕问题。同时装置测量是分开独立测量，在进行相位比较时无法采用比较电路进行测量，相位精密测量也有比较大的难度。为了保证电压测量的准确，装置采用电磁传感器隔离测量，高压信号经过处理后通过高精密的传统电压等级的传感器，传感器输出经过信号调理后进行AD采样。同时为了保证相位测量的准确性，测量采用基于正交法的同步测量。同步时间误差小于2us，带来误差小于2′，对相位测量结果基本无影响。
测量杆原理框图如图2：


二、合环系统的分析
1.合环系统建模
10kV配网合环系统分析的基础是潮流计算，通常的潮流计算的方式是根据给定的网络结构及运行方式求出整个网络的运行状态，包含了系统各节点的电压、电流以及线路上的功率分布和功率损耗等，整个系统是一个多元非线性代数方程组的求解问题。但是由于配网系统分布复杂，无法对系统参数进行准确的折算，因此网络系统参数合理的等效折算以及网络等效模型的建立是整个合环系统分析的关键，也是合环系统潮流计算的难点。
合环系统网络模型如图3所示，10千伏架空线路网络结构一般为同一个220kV下经过不同110kV变电站，然后引出各条10千伏出线。因此我们可以对系统做如下图所示等效：


如图所示220kV线路经变压器T0降压到110kV，然后T1和T2共同一条110kV母线。变压器T1降压到10kV后给左侧的10回出线供电，变压器T2降压到10kV后给右侧的10回出线供电。中间两回出线在线路末端通过断路器连接。
系统合环后，系统功率重新分布，两个变电站的负荷通过合环点相互转移，达到一个新的平衡。在合环的整个过程中要求线路的三段保护装置不动作，线路也不能过负荷。因此合环后流经合环点的电流大小直接反应了合环操作对系统的影响。
2. 合环稳态电流分析
合环后流过合环点的功率S合'与流经合环点的电流I合有如下关系：I合= S合'/3Up，其中Up为10kV线路的线电压。由于S合'不方便直接从合环点测量,故无法直接作为判据。根据基尔霍夫电流原理，可以将合环电流I合视为叠加在系统中的环流。
合环前合环点两端有电压差ΔU，合环后形成的环流与ΔU满足如下关系：I合=ΔU/Z，其中Z为环流流过的环路阻抗，包含T1变压器阻抗R1+X1、合环线路阻抗ZLD1、ZLD2和T2变压器阻抗R2+X2，即Z=R1+X1+ZLD1+ZLD2+R2+X2。
合环环流等效电路图如下：


由于合环后形成的环流不流经合环线路之外的线路，故可以将110kV变电站除合环线路负荷之外的负荷进行转移折算，将其折算成为一条负荷支路。故整个系统的模型可以进一步简化。如图5所示： SLD1和SLD2为合环下路负荷，S1为左边变电站其余出线的负荷， S2为右边变电站站其余出线的负荷。


3.合环判据分析
通过对系统模型分析简化以及合环电流计算的研究，我们可以看出合环电流的大小与以下因素有关：
(1) 线路负荷情况;
(2) 线路阻抗;
(3) 变压器变比以及阻抗。
配电网合环负荷模型的处理是根据配电网的负荷结构特点利用数学方法进行负荷转移，提高系统建模时阻抗参数等效的精度，提高潮流计算的精度。
影响合环结果的三点因素最终体现在合环前合环点两侧的电压差上，选取合环线路之后线路阻抗参数基本固定，因此在选取完合环线路之后，可以将合环点两端线路的矢量电压差ΔU作为合环判据。通过潮流计算软件计算得到当前系统状态下的合环电压差ΔU以及合环电流，同时改变负荷参数仿真出当前网络模型下允许最大合环电流对应的电压差ΔUmax。4. 合环判据约束条件
条件一：线路允许最大合环电流跟线路当前负荷电流以及线路允许载流有以下关系：I合max
条件二：合环操作过程中最大电流应该避开线路第三段保护动作值。合环过程中系统中叠加的最大暂态电流为合环稳态电流的1.8倍,即Ish=1.8×I合，故线路电流应该满足如下关系：IⅢ>Ish+ILD，其中IⅢ为线路第三段保护动作值。
条件三：根据线路允许载流量以及线路保护动作值得到的允许最大合环电流，采用潮流计算软件计算得到的允许合环电压差ΔUmax。如果现场测量值小于ΔUmax，则对线路进行合环操作。
三、合环现场测量以及试验操作
测量装置通过测试幅值测量精度在0.5%，相位精确到0.1°可以保证测量误差对合环操作系统无影响。现场试验我们与重庆市电力公司永川供电局选取线路接线形式具有代表性的胜广Ⅱ线和永玉线形成的合环线路进行装置测量试验操作以及合环操作验证整套系统可用性。
试验时间：2012年7月12日
在每相测量了两组数据后调取合环操作线路此时负荷情况，此处仅列出A相数据。读取线路负荷电流为A相出线的电流。其中6:55时刻，永玉线负荷电流为18A，胜广II线为66A。此时再对合环点两侧线路的电压和相位进行测量。
表一
A相
测量时间6:556:56
胜广II相电压(kV)6.1956.14
永玉线相电压(kV)6.076.07
相位差(°)-0.53-0.76
幅值差(kV)0.1250.069
矢量差(kV)0.1370.107
测量完之后申请合环操作，合环之后测量电压和相位，以及调取合环后线路负荷电流。其中胜广II线合环后A相电流为60.1A，永玉线A相电流为30.6A。
表二
A相
测量时间 7:107:25
胜广II相电压(kV)5.9946.022
永玉线相电压(kV)6.0566.063
相位差(°)0.10.1
幅值差(kV)0.0590.041
矢量差(kV)0.0590.041
合环20分钟之后进行解环操作。07:27线路状态为合环，读取线路电流：胜广II线A相电流为66.8A，永玉线A相电流为28.1A。07:30线路状态为解环，读取线路电流：胜广II线A相电流为67.5A，永玉线A相电流为20A。
表三
A相
测量时间7:25 7:30
胜广II相电压(kV)6.0226.081
永玉线相电压(kV)6.0636.022
相位差(°)0.10.35
幅值差(kV)0.0410.059
矢量差(kV)0.0410.069
分析以上数据得到如下结论：由于清晨试验变压器触点、线路负载情况不平度大，合环前两端的实测电压差较大，预估合环电流也比较大，但是合环点的隔离开关等接触器锈蚀比较大存在很大的接触阻抗，导致整个合环环路的阻抗比理想的大很多，因此时机的合环电流很小，在10A左右。
现场合环和解环操作成功，并且系统工作稳定，从而验证了测量装置的准确性以及潮合环系统分析得到合环判据的收敛性。