（电气工程专业论文）中压配电网合环调度运行分析的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 在配电网进行倒负荷或线路检修时 通常要涉及到合环操作 但在进行合环操作 时电网中可能产生较大的稳态电流以及冲击电流 这将直接影响到电网的安全稳定运 行 针对以上特点 利用一种专业软件对系统进行建模仿真 使之在合环操作前可以 通过系统的仿真从而对合环操作起到一定的指导作用 具有很强的研究意义和实用价 值 本文提出了配电网合环操作的简化模型 对合环稳态电流和冲击电流的计算进行 了详细的推导 同时对合环潮流进行了详细的分析 找出了影响合环电流的因素即合 环点电压差 通过调整电容器补偿和变压器分接头米改变合环点电撤从而减小合环电 流 使合环电流彳 越限 对合环操作有r 比较全面的研究后 对大兴地区部分线路进 行了合环建模仿真与计算分析 关键词 配电网 合环操作 稳态电流 冲击电流 潮流调整 a b s t r a c t w h e nr e p a i r i n gt h el i n eo rr e d i s t r i b u t i o nt h el o a di nt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k c l o s i n g l o o po p e r a t i o nw i l lg e n e r a t el a r g el o o pc u r r e n ta n di m p a c tc u r r e n tw h i c hc o u l da f f e c tt h e s y s t e ms a f e t yd i r e c t l y s oi t i sn e c e s s a r yt od e v e l o pac o m p u t e r a i dd e c i s i o n m a k i n g s o f t w a r ew h i c hc a no f f e rs o m eg u i d a n c et oo p e r a t o r sb e f o r em a k i n gt h eo p e r a t i o n i th a s p r a g m a t i cv a l u e s i nt h i sp a p e r w ep u tf o r w a r das i m p l i f ym o d eo fl o o po p e r a t i o na n di t d e d u c e st h ec a l c u l a t i o no fs t a b l ec u r r e n ta n di m p a c tc u r r e n t a tt h es a m et i m ei ta n a l y z e s t h el o o pp o w e rf l o wa n dt h e nf i n d st h ek e yf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h el o o pc u r r e n ti st h e d i f f e r e n c eo fv o l t a g e i tc a nc h a n g et h ed i f f e r e n c eo fv o l t a g em o d ea c c o r d i n gt oa d j u s t i n g t h ec o m p e n s a t i o no f c a p a c i t o ra n dt h et a po ft r a n s f o r m e rt or e d u c et h el o o pc u r r e n ts ot h a t i ti so fc o n t r 0 1 a f t e rr e s e a r c h i n gt h ec l o s i n gl o o po p e r a t i o nc o m p l e t e l y w em a k eac l o s i n g l o o pm o d e l i n go fp a r t so fs o m el i n e so fd a x i n ga r e aa n dt h e ns i m u l a t ea n da n a l y z ei t c a ol i a n g e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n d i r e c t e db yp r o f h u a n gw e i k e yw o r d s d i s t r i b u t i o nn e t w o r k c l o s i n gl o o po p e r a t i o n s t a b l el o o pc u r r e n t i m p a c t c u r r e n t a d j u s t i n go f l o o pp o w e rf l o w 声明尸明 本人郑重声明 此处所提交的工程硕士专业学位论文 基于市场化模式下的电力运营支 持系统 是本人存华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间 存导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果 据本人所知 除了文中特别加以标沣和致谢之处外 论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的仟何贡献均已存论文中作了明 确的说明并表示了谢意 学位沦文作者签名 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力人学有关保留 使用学位论义的规定 即 学校有权保管 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件 学校可以采用影印 缩印或其它复制手段复 制并保存学位论文 学校可允许学位论文被杏阅或借阅 学校可以学术交流为目的 复 制赠送和交换学位论文 同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表 传播学位论文的全 部或部分内容 涉密的学位论文在解密后遵守此规定 作者签名 业 日 期 旦鱼 坐 导师签名 e l期 2 丝盗 墨 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 论文工作的研究背景 第一章绪论 随着国内买方电力市场的出现和城市建设的不断发展 城市用电负荷日益增长 对供电的品质和可靠性的要求也越来越高 一些重要或敏感的负荷 即使是短时停电 也会造成重大的经济损欠或不良的政治影响 因此 在要求配电网络的运行和管理更 加可靠 合理 高效的同时 实现城市电网负荷的不停电转移 有着重要的现实意义 配电网最大的特点是闭环结构 开环运行 2 j 配电网分布于城市中的各个角落 组成了一个挂满负荷的网络 这个网络中的每一个负荷都是由单一的母线供电 不同 母线所带的负荷区域用联络开关隔离 形成供电负荷岛 正常情况下 联络开关为开 断运行 以保证配电网的辐射状运行结构 随着配网的发展和社会对供电可靠性要求 的提高 配网中出现了双电源供电甚至多电源供电配网结构 以保让重要用户的不间 断供电 当某个母线 开关或馈线需要检修或者发生故障时 该母线 开关或馈线上 的多电源供电的负荷就可以进行负荷转移 通过合环操作 转移到与之相连的其他母 线或馈线上 合环操作的最大的受益就是可以减少用户的停电 大大的提高了供电的 可靠性 出于对电网系统安全的考虑 在进行配网合环操作时 两端的电压差不能太人 否j i j 会出现很人的合环电流 导敏相连的两条母线或馈线上的保护跳闸 反而导敛供 电事故 根据现场的j 解 现在城市配网中这种合环操作很普遍 但是却缺少有力的 理论和分析软件来指导这种操作 现场都是依靠运行人员的经验来判断是否进行合环 这样 不仅很容易出现判断偏差 而且 对可能出现的合环电流缺少量化的分析 实 际操作的结果具有很大的随机性 因此对配电网合环后的调度运行分析以及系统的安 全 稳定问题的研究具有很重要的理论价值和实际意义 1 2 国内外研究现状 国外由于配电网结线运行方式以及保护配置与国内有差异 有一套成熟的合环保 护系统 对双端供电网络合环电流的研究很少 所有问题直接由隔离开关米解决 例 如美国纽约联合爱迪公司是世界首心一指的电力公司 它主要负责纽约市区以及其它 地区的供电 9 0 以上的城嘲采用环嘲系统 环蚓电源来自两条 卜同的线路 采用隔 华北电力大学工程硕士学位论文 离器和真空重合闸 一旦发生馈线或用户故障时则会将故障自动隔离 而开环点断路 器会自动闭合 将电源从另一侧引入正常用户 其供电指数达到9 9 9 8 3 国内虽然也安装了一些合环选跳保护系统 彳日 由于选跳保护的动作也属于保护误 动作事故 3 l 影响电网的安全运行 所以应用并不广泛 在国内 电磁环网是电网发 展过程中的产物 2 2 0 k v 电嘲初期为j 满足输电配电的要求形成j 5 0 0 k v 2 2 0 k v 电 磁环嘲 而随着5 0 0 k v 嗍架的加强 许多2 2 0 k v 电磁环刚为j 限制短路要求开环运 行 这也伴随着产生了1 1 0 k v 以下配电网的合环问题 国内对这个问题的研究也是刚 刚起步 并且大部分都是对合环出现问题之后的事后理论分析 文献 4 即为对一条 2 2 0 k v 线路合环欠败的原因进行了分析及改进 由于双区供电的合环问题是最近才开 始在国内出现的 并没有形成一套完整的为合环操作提供理论依据的分析计算方法 文献 5 介绍了一套合环操作辅助决策软件 建立了一种配电网络的简化方法和合环电 流的计算分析方法 但由于无法获得网络的实时运行参数 使网络简化和计算精度可 能产生很大的误差 最大与实际参数相差了1 4 7 这种情况下并不能对合环操作提 供准确的指导决策 纵观合环操作现有的研究主要存在的6 可题有 1 没有一套完整可靠的网络简化方法 由于合环操作主要在配电网两条母线或馈线 间进行 涉及了输电网和配电网 所以 必须对整个网络进行简化 保留对合环电流影响 大的节点 线路 负荷等 并建立合理的等值网络 2 对计算模型的建立研究还不太深入 变压器分抽头的位置 电容器的投切 馈线 负荷分布和性质等都对合环计算结果产乍很大的影响 如何与实时系统相联 获得准确的 配电网络运行参数 建立合理的计算模型 是计算分析满足实际情况的难点和关键 进行 合环电流时需要的数据比较多 需要有很好的数据和软件支持才能完成 3 没有建立完善的合环瞬时冲击电流的计算模型 当合环点两侧电j 玉差较大时 即 使合环后稳态电流能躲过过流保护的整定值 但由此引起的瞬时合环冲击电流仍有可能引 起电流速断保护的动作 4 在实际工程巾 各个配 变电站运行都有各自的运行工况和特点 当通过合环计 算得出合坏操作由于环流过大不能进行时 如何采取措施减小环流没有提出完善的解决办 法 5 迄今为止还没有一套软件能对合环操作进行详细的分析和指导 文献 5 虽然开发 了一套针对配电网合环操作的合环电流计算软件 但是它只是对合环稳态电流的计算作了 探讨 忽略了合环冲击电流电网的影响 并且在合环电流越限时 没有给m 具体的调整措 2 华北电力大学工程硕士学位论文 施 1 3 论文工作的研究意义和主要内容 1 3 1 研究意义 随着国民经济的发展 电网管理需要更为可靠合理高效 在配电管理系统 d m s d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m 这一课题不断发展时 配电网络运行管理作为其中的 一部分也被广泛研究 在现代配电网络的运行过程中 双向供电和多电源供电的供电 模式日益增多 使得负荷转移 停电检修 或突发事件的情况更为普遍 为了提高供 电可靠性 为用户更好的服务 不停电转移负荷使合环操作成为配电网运行管理中常 用的操作手段 而多电源供电方式的应用 使得运行人员在供电路径的选择方面更为 灵活 若选择适当的供电路径进行合环操作 小仪可以加强配电网络的供电可靠性 而且保证j 配电嘲络的供电灵活性 提高配电嗍运行的经济性 对于合环操作 误合环会造成设备的损坏并引发更大的故障 漏合闸则可能停止 对用户的供电 造成用户的损失 如果能计算出合环稳态电流和冲击电流并判断其合 环操作的可行性 则可以避免误合闸 漏合闸 对于不能合环的情况 如果系统能自 动的进行潮流调整 提供辅助措施给调度人员参考 这样势必减轻调度人员的任务 保证了系统合环操作的安全性 并提高了电网的供电可靠性 1 3 2 主要研究内容 奉论文完成的土要工作有 1 对北京人兴地区电嗍原始数据进行收集 整理与校验 整理出相关线路 变压器 发电机以及负荷等的数据 2 建立简单的配电网合环操作的一般模型 对合环稳态电流的计算和瞬时冲击电 流的计算公式进行详细的推导 3 运用可视化仿真软件p o w e r w o r l ds i m u l a t o r 进行北京大兴地区屯网潮流计算 其 土要工作包括建立电网模型 录入整理好的设备原始数据 用以校验收集的北京大必地区 电网数据和潮流 4 分别对北京大兴地区合环相关输电网进行适当的等值后 建立配电网合环操作 的简化模犁 对合环潮流进行详细的分析 容器补偿和变乐器分接头来实现潮流调整 3 找到影响合环电流的冈素 并通过调整电 减小合环潮流从而减小合环电流 并通过 华北电力大学工程硕士学位论文 电压幅值与合环电流的定性关系找到进行潮流调整的最佳组合 5 通过对北京大兴地区部分合环线路进行系统仿真 对其合环电流越限的情况进 行详细的分析 并提出调整意见 通过对算例的分析验证本文提出的计算方法的正确 性 并得到了合环操作的一般性结论 4 华北电力大学工程硕士学位论文 2 1 配电网接线模式 第二章配电网合环简介 与高压输电网络所采用的多环路环网式结构不同 配电网络更多采用的是辐射型 环式或网格式结构方式 其中辐射性结构方式结构简单 保护装置的整定比较简单 但其结构属单电源供电方式 可靠性较低 环式和网格式等属于有备用电源的供电方 式 正常运行时以开环方式运行 联络开关一般处于断开状态 联络开关的两侧都相 当于一条馈线的末端 当某侧停电时 联络开关闭合 南另一侧供电 具有较高的供 电可靠性 1 普通环网 如图2 1 所示 b t 联络开关 b 1 b 2 出线开关 b f l b t 2 b f n 分段开关 f l f 2 一 f n 馈电点 耳l t f 2 o e m p t f 配电变压器 u n 低压3 8 0 2 2 0 网络 图2 1普通环型网络 2 双端电源链网 如图2 2 所示 b l 联络开关 b 1 b 2 出线开关 b f l b f 2 e o 9b f n 分段开关 f 1 f 2 f n 馈电点 t f l t f 2 t f n 配电变压器 u n 低压3 8 0 2 2 0 m 络 5 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 2 舣端电源链网 3 多电源供电模式 如图2 3 所示 2 2 配电网合环基本概念 b i 联络开关 b 1 b 2 出线开关 b n b f 2 分段开关 f l f 2 f 二 馈电点 t f i t f 2 o o o jt f n 配电变压器 u n 低压3 8 0 2 2 0 网络 网2 3 多电源供电模式 随着城市经济的不断发展 以及配电网络结构的不断发展 城市配电网络中线路 的走向以及配电设施和用户的分布具有明显的地理特征 因地域和配电设施比较集中 城市配屯网络与其他地物交叉跨越较多 为提高供电可靠性 除了建设可靠的电源点 外 配电网络的常用结构多采用图2 1 的坏型网络 或者是图2 2 的双端电源链网及图 2 3 的多电源供电网络 即将原先独立的辐射式配电网改变为运行灵活的链环式配电 网 图2 4 是1 0 k v 母线及环网配网系统一次接线图 出 高扯侧母线 高山侧母线高扯倒母线 i 白i 1 用户变l 嗣 酬鬟 i 钭i i l 1 袭审 妻 蓁葚 萎 l i 裳白fj 美 开l 用户变 霎 关悯 晤 i i r i 若干分段丌关 i 若干用户变 环网线路i 一 凸 一 o 二 一 一 二 一 联络开关联络开关联络开关联络开关 图2 41 0 k v 母线及环删配蚓系统一次接线图 6 华北电力大学工程硕士学位论文 配电系统带电合环就是指两个变电站的低压母线各带一段配电线路 而线路之间 通过联络开关联络 正常时 联络开关断开 两个站的母线分别带各自的配电线路 当其中某一个站所带配电线路的出线开关需要检修或有其他突发事件时 先合上联络 开关 再断开该站出线开关 通过另一个站的低压母线带上两段配电线路负荷的总过 程 2 3 合环电流产生原因 配电网络进行合环操作时 合环线路两侧电源一般处于分裂运行状态 但它们的 上级电源 也许是更上一级电源 虚该是并列的 合环电流产生原凼 7 如下 以1 0 k v 配电网合环为例 1 合环开关两侧变电所1 0 k v 母线的电压差 数值差 相位差 产生环流 文献 8 中指出 如果两侧变电所1 0 k v 母线对系统的短路阻抗比较接近 这一环流可以用两 侧变电所i o k v 母线的电压数值差除以合环线路的阻抗计算出近似值 用这种近似方 法计算一般与实际值的误差在2 0 以内 2 合环开关两侧变电所1 0 k v 母线对系统的短路阻抗 1 同产生环流 合环操作时 合环开关两侧变电所的1 0 k v 母线电压数值即使相同 但对系统的短路阻抗差异较大 时也会产生很大的环流 这一环流是造成合环操作失败的另一原因 综上可知 配电网馈线问进行合环操作时 必然要经历一个暂态过程 这是由于 断路器闭合前合环两侧存在电压差a u 0 而当断路器闭合时 两端的电压差突然发 生突变 并列合环断路器两侧电压突然变为大小相等 相角差为0 也即a u 0 这必 然引起环内各个节点电压大小和角度的相应变化 连接于环上节点发电机的电势和角 度也将产生变化 然而 由于发电机的转子是有惯性的 发电机的角度 也就是转子 的角度不能发生突变 而是要经过一个摇摆过程才能达到新的稳态值 当开口电压的 相角或频率不相等时 发电机和环网符线路合环后必将产生功率振荡 从而产生并列 合环操作的稳态电流和暂态电流 冲击电流 2 4 合环操作的意义及其潜在危险 以往城网供电一般多采用单电源辐射线路 但发生故障造成的停电范围大 恢复 供电的能力较弱 若采用环网结构 辐射运行的方式 相当于双侧或多侧电源 只要 措施得当 就可以在发生故障时缩小故障区段 伙速恢复正常供电 隔离故障区域 便十控制 在现代配电网络的运行过程中 双向供电和多电源供电的供电模式日益增 7 华北电力大学工程硕士学位论文 多 使得负荷转移 停电检修 或突发事件的情况更为普遍 为了提高供电可靠性 为用户更好的服务 不停电转移负荷使合环操作成为配电网运行管理中常用的操作手 段 而对于故障恢复后 通过解环操作使配电网络按开环方式运行也使解环操作应用 频繁 而多电源供电方式的应用 使得运行人员在供电路径的选择方面更为灵活 若 选择适当的供电路径进行合环操作 1 仪可以加强配电网络的供电可靠性 而且保证 j 配电网络的供电灵活性 提高配电嘲运行的经济性 配网台环点1配网舍环点2配网舍环点3 图2 5 葬己电网合环操作示意图 任何事物都存在两面性 合环操作一方面可以减少用户的停电 提高网络的供电 可靠性 但是另一方面 合环操作对电力系统来说 存在潜在的危险性 具体分析如 下 1 如图2 5 中 母线c 和母线d 通过联络丌关并联运行时 正常情况下 只要c d 蹲线的电压差不是很大 通过联络丌关的电流不大 但是当系统出现故障时 比如 遭到雷击或者短路时 出现不平衡的运行状况 特别是线路l 出现跳闸 退出运行时 联络开关有可能通过高压侧传过来的很大的潮流 必然会导致保护动作 从而造成更 大面积的停电事故 造成无法弥补的社会和经济损失i 6 j 2 如果合环点两侧电压差较大 电压幅值差以及相角差较大 或系统短路阻抗相 差较人 那么合环操作也会导致合环稳态电流和冲击电流过人 引起保护误动 从而 8 华北电力大学工程硕士学位论文 造成故障 这也是为什么电力系统除了输电丰干网是闭环运行 而其它的1 1 0 k v 及其以下的 电压等级都是辐射状运行的道理 同时 如果运行人员由于判断的失误 当合环母线 电压差很人时 也错误的判断为可以合环 也会造成停电事故 因此 对于配网合环操作 一定要谨慎的进行 这也是为什么许多的供电公司对 合环操作持保守态度的一个很大的原因 2 5 配电网合环条件 由配电网络环流产生的原凶可知 若合环点两侧台电压差 电压数值差或相位差 或者两侧的短路阻抗不l 一 合环后会出现环流 这可能引起环路内继电器动作而跳闸 为了避免合环操作时出现过大的环流 使合环操作顺利进行 文献 2 中指出 合环操 作需满足以下条件 1 保证参与合环的变电站中 1 0 k v 母线的相序和相位相同 2 尽量满足合环点两侧的电压值相同 3 参与合环的烤变电站剑合环点的综合阻抗 1 宜相差过人 4 适当调整合环地点两侧负荷的大小和功率因数 使两侧相差彳 致过大 避免 造成不能合环 5 合环两侧负荷之和不应超过两侧开关之一的额定负荷 否则即使条件均满足 也不能互相替代 以上条件为理想条件 文献 3 指出 在实际的配电网络运行过程巾 相位差在5 度以内合环即无问题 但由十系统结构不同 有的系统合环相位差允许1 0 度 上5 度 电压差允许在1 0 以内 在合环前对合环环流一般需要计算 作模拟或实时工况合环 试验 根据计算和试验结果确定合环时允许的相位差和电乐差 进行合环操作时 若 相位差和电压差不符合允许要求 须进行调整 2 6 基本操作规程 根据电力系统调度规程 分区运行的电网在合环时应满足 同一系统下 相位讵 确 电压筹在2 0 以内 i 个条件 一般有如下的基本操作规则 1 明确知晓合解环系统是属于同一系统 且对合环后潮流大致掌握 2 了解上一级的网络状况 特别是涉及到上一级调度管辖的网络时 应取得有 关调度的同意 9 华北电力大学工程硕士学位论文 3 了解两侧系统的电压情况 考虑合环点两侧的相角差和电压差 以保证合环 时潮流变化不会引起继电保护动作 4 消弧线圈接地的系统 应考虑存合解环后消弧线圈的正确运行 5 应使用开关进行合解环操作 合环操作中 应考虑合环时潮流的变化 这可根据上一级嘲络的运方情况和恻络 参数 参与合环的低压侧母线压差 原有潮流情况 以及运行经验来估计 如估计潮 流较大有可能引起过流动作时 可采取以下措施 1 将可能的保护停用 2 在预定解列的开关设解列点 必要时可更改定值 并通知变电值班员注意潮流 变化和保护动作情况 3 参与合环的两低压侧母线电压差调至最小 正常合解环操作时压差最大不超 过l o 事故处理时3 5 k v 一般不宜超过1 5 1 1 0 k v 及以上不宜超过2 0 4 如果压差较大 估计环流较大时 亦可用改变系统参数来降低环流或同时采 用 1 2 项办法 尽可能避免重荷侧电压高于轻荷侧较多的情况 5 比较复杂的两系统合解环操作 并 又兀运行经验时 宜先通过潮流计算 义献 1 也总结了一些经验 以避免合环时两端变电所 丌关跳闸 或即使发生丌关 跳闸也应保证不中断供电 主要有以下几条措施 1 两侧变电所l o k v 母线对系统的短路阻抗差异不大 两侧变电所变压器类型相 同 上级电网并列运行 的合环操作 只要调整好两侧变电所l o k v 母线的电压差值小 于1 0 2 公里以内的短线路小于5 就能可靠避免因环流造成的开关跳闸情况 2 两侧变电所不同类型的变压器如 1 l o k v 3 5 k v l o k v 变压器与3 5 k v l o k v 变 压器 l1 0 k v 3 5 k v l o k v 变压器与1l o k v l o k v 变压器 3 5 k v l o k v 变压器与l l o k v l o k v 变压器在进行l o k v 侧合环操作时会产生较大的环流 可能会引起过电流动作造成开关 跳闸 此类操作可以采取以下措施 改变运行方式减小两侧变电所l o k v 母线对系统短路阻抗的差值 提高对系统短路阻抗较大一侧的变电所l o k v 母线电压 以降低对系统的短路阻 抗值 退出对系统短路阻抗较小一侧变电所l o k v 合环线路的重合闸 确保在合环操作 失败时不中断供电 3 对合环电流大的线路进行合环操作时最好待有关操作人员到现场后才开始操作 尽 最缩短合环时间 l o 华北电力大学工程硕士学位论文 2 7 本章小结 本章对配电网合环操作进行了详细的介绍 其主要内容有 1 介绍了配电网合环的概念和意义 以及合环操作的优缺点和潜在的危险 2 分析了合坏电流产生的原因是由于合坏点存在电压差 包括电压幅值差和相角 差 3 统计了一些关于合环操作的经验和合环操作的条件 包括调度规程和实际现场 人员的经验 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章配电网合环电流的计算与分析 3 1 配电网合环系统潮流计算方法 由上文可见 合环稳念电流和瞬 日j 冲击电流的出现给合解坏操作的可执行性带来 疑问 电力系统潮流计算是电力系统分析中最基础的计算 是进行合环电流判断的基 础 它不仅能求出合环支路的电流 各个线路卜的功率分布 功率损耗以及各个节点 的母线电乐 通过合环电流的计算 操作人员可以通过合环电流的大小判断m 合环操 作的可执行性 由于配电网络和输电网络密不可分 在计算合环电流时必须考虑到地区电网的影 响 将地区电网和配电网做适当的模型简化 综合考虑地区供电网与配电网的特点 才能得到较为准确的值 在实际的潮流计算中 如果忽略地区电网络的实际运行状况 仅仅考虑配电网络的运行情况 将造成很大的误差 1 输电网潮流计算方法 输电网潮流计算的研究起步较早 并趋于成熟 常见的有n e w t o n r a p h s o n 法 1 0 快速解耦法 l i j 以及它们的改进方法 由于潮流计算的己知量与待求量之间是非线性关 系 所以潮流计算问题在数学上是多元非线性代数方程组的求解问题 一般采用迭代 方法计算 n e w t o n r a p h s o n 法是解非线性代数方程组的一种基本方法 在潮流计算中得到广 泛应用 由于采用了稀疏矩阵技术和节点优化编号技术 它成为电力系统潮流计算巾 广泛采用的基本算法 n e w t o n r a p h s o n 法的要点是把非线性方程式的求解过程变成反 复对相应的线性方程式进行求解的过程 由于潮流的收敛阶数是决定收敛速度的关键 阶数越高 速度越快 而n e w t o n r a p h s o n 法是二阶收敛 它在求解方程组时采用了系数矩阵的一阶导数 对解具有平 方逼近性 所以是一种二阶方法 冈此 n e w t o n r a p h s o n 法突出的优点是收敛速度快 达代次数与电网模型基木兀关 同时具有良好的收敛性 2 配电网潮流算法 与输电网络相比 配电网络在实际的运行过程中有其自身的特点和基本要求 1 从网络结构看 配电网络基本是放射形结构 或者是弱环结构 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 2 从网络参数看 配电网络支路参数刚x 的比值较大 3 从负荷情况看 配电网络三相负荷不对称问题比较突出 4 配电网络中存存大量的分布式负荷 因此 配电网潮流计算必须采用适合于配电网特点的 有效的 鲁棒性好的潮流 计算方法 八十年代中期剑几十年代中期 配电嘲潮流的研究也广泛开展 出现 广众 多结合配电嗍特殊网络结构而开发的简单迭代算法 国内外许多专家学者对配网潮流 进行了大量的研究探索 提出了一系列新的算法 这些方法根据配电网辐射状网络的 特点 以支路电流或母线电压为研究对象 建寺运算模型 具有算法简单 能够可靠 收敛的特点 由于配电网潮流计算方法很多 大致可以分为两类 a 支路类算 泫 此类方泫以配电网的支路数据为研究对象列出潮流方程 这类潮 流方法又可被划分为两类 一类是面向叫路的叫路法n 引 另一类是前推倒代法 将负 荷用等值注入电流表示 用回代法求支路电流 再用前推回代法求得节点电压u 刨 b 母线类算法 常见的有z b u s 和y b u s 法 这两个算法在本质卜是一致的 z b u s 方法根据番加原理 母线的电乐可以根据节点 松弛节点 在母线卜产生的电压与母 线上的等值注入电流所产生的电压降叠加求得 这里的等值注入电流指的足除根节点 以外的其他配电元件如负荷 电容电执器 无功补偿器等在它们所连的母线上产生的 等值注入电流 2 儿 儿1 4 0 由于配电网合环操作即涉及到输电网也涉及到配电网 必须采用适合的计算方法 保证潮流的计算收敛和计算结果准确 其常用的潮流计算方法参见文献 1 9 2 2 由 于牛顿托大逊法突出的优点是收敛速度快 迭代次数与电网模型基本无关 同时具有 良好的收敛性 因此选择牛顿拉大逊法作为潮流计算的方法之一 如果配电网的结构 太复杂 将会导致牛顿法的 1 收敛 为确保潮流计算能收敛 可以将前推回代法作为 除牛顿拉夫逊法外的一个辅助方法 由于前推回代潮流算法特别适合辐射状嘲络的潮 流计算 且具有算法简单 所需迭代次数少 存储量较小的优点 但是其计算结果没 有牛顿拉夫逊法的计算结果准确 并且当网内出现多个环网时还会出现潮流计算不收 敛 采用这两种方法的结合可以保证潮流计算顺利的进行 3 2 合环稳态电流的计算 3 2 1 叠加法 如果已知开环运行时开环点处两端的电压 则两端的电压荠也是已知的 若把合 环运行看作是在开环运行的两端点之问叠加一负的电压源 则可将合环运行方式分解 l3 华北电力大学工程硕士学位论文 为开环运行方式和具有一个电压源的附加分量 图3 1 a 所示为一简单的环网网络示意图 应用上面提出的方法可将该网络分解为 两个网络 一是纯辐射状网络 如图3 1 b 所示 该网络中所有环都被解开 并保留原 网络中所有的电源和节点负荷 形成了一个不含环状结构的纯辐射状网络 另一是纯 环状网络 如图3 1 c 所示 该网络中所有电源和节点负钓 被移走 所有的辐射状支路 也被移走 只保留包含在环中的支路和合环点处附加的电压源 对于分解形成的两个 网络 可分别进行潮流计算 将计算的结果叠加即可求出整个网络的潮流 配电珂 一i 扼辐射嗣 若 z i on 嚣 z 2 0 图3 1 叠加法原理示意冈 厶z c 挖坏同 如图3 1 所示 基于叠加原理 配电网合环后的稳态合环电流由两部分组成 3 1 其l 卜 s 为稳态合环电流 1 1 为丌环方式下的负荷电流 l 为合环点两侧电压差 引起的环流 7 的幅值取至调度的s c a d a 系统 实际工程中 配电网的功率凶数一 般取o 9 5 c 可由下式计算 丘 牟坠 3 2 3 z 环 其中 a f a 为合环点两侧电压矢量差 2 环为配电网与等值后主网的环网总阻抗 由e m s 实时潮流计算得到的变压器高压侧节点电压与合环节点到变压器高压侧节点 的总阻抗 通过潮流计算可得到 舀 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 3 2 2 支路电流法 系统 l l i 2 o 之2 0 井幂方式下负膂电淀台环点阿 i 电脚f 起的环滚 图3 2 稳态合环电流的叠加计算 图3 3 支路电流法巾的合环等效图 支路电流法求合环电流是基于合环后的潮流计算结果的 图3 3 所示为合环模板 图经过合环后其等效电路图 以图3 3 右部分来分析 根据合环后潮流计算得到节点 1 2 和3 的电压后 合环电流的计算方法有如下两种 a 由支路流动功率及合环点电压求得支路的电流 1 3 s 1 3 3 u 3 3 3 同理可得 一 2 3 s 2 3 3 u 3 3 4 l5 华北电力大学工程硕士学位论文 b 适合支路1 3 和2 3 的阻抗不为0 的情况 由电压和支路阻抗计算得到 1 3 缈l u 3 3 z 1 3 3 5 同理可得 2 3 u 2 一u 3 3 z 2 3 3 6 计算方法小结 基于叠加定理的计算不需要进行合环后的潮流计算 直接由合环 前的潮流计算结果就可以计算出合环电流的大小 它采用工程上的原则 默认环网阻 抗为合环变压器及其以下线路阻抗之和构成乜明乜 如果要得到准确的环网阻抗必须要 进行网络等值乜刚乜们b 引 但是网络等值十分复杂 不易实现 因而工程上采用的是这种 近似计算方法 第二种支路电流法则通过合环后的潮流计算的结果直接得到电流的人 小 4 关心环嘲阻抗 是一种简单而且准确的方法 3 3 合环冲击电流的计算 在配电网实际合环操作时 我们不仅需要分析合环后稳态潮流对电网安全稳定运 行的影响 而且需要考虑合环瞬时的最大冲击电流对电网运行的影响 所谓冲击电流是指并夕l j 断路器合闸时通过断路器主触头的电流 一般情况下冲击 电流幅值较高而持续时间较短 3 1 当电力系统环网并列合环操作时形成的冲击如果太 大 可能对网络中的发电机和合闸断路器等设备造成冲击甚至损坏t 3 2 1 所以进行并列 合环操作时必须预先计算并列合环形成的冲击电流 从而为运行人员采取相应对策提 供依据 3 3 1 计算模型 图3 4 所示为一简单的配电网合环系统 讵常运行时合环点联络开关断开 网络 保持辐射状 当设备检修或倒负荷时合上联络开关 由于合环点两侧电压筹的存在 势必在环网系统巾产生冲击电流 对系统做适当简化以方便对冲击电流的计算和分析 由于电力系统兰相对称 所以只研究其r f l 的一相 如a 相 计算合环暂态冲击电流的 单相等值电路如图3 5 所示 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 e s i n t o t 口 图3 4简单配电网合环略图图3 5简化后的计算模型 计算模犁中对系统进行如下简化 略玄图中负荷 对于1 0 k v 及以下电压级的架空线路 不计线路电纳 对于合环开关所在联络线路部分 使削集中参数模型 不考虑合环开关在线路 中的位置分布及作用 系统合环线路外其他部分用等值负荷处理 由于等值负荷和线路阻抗比很大 故存计算冲击电流时可忽略不计 图3 5 中l 和r 为环网中所有电气元件的电感和电阻之和 合环点两侧的电压差 等效为一电压源存在于计算模型中 系统经过简化 环网阻抗2 环简化为r l 串联史 路 激励为a 相相电压 应 下a u x 3 0 3 7 7 j x 3 以系统甲衡节点为基准 e 超前 西角度3 0 度 3 3 2 公式推导 由于线路呈感性 合环至稳态的整个过程是振荡衰减的 冲击电流 得到实时响府 电路的非其次微分方程为 巨僦s i 咖h 加r i 三罢 缈为合环时刻t 0 时e 的初始相角 方程的特解为 f 口 f a s i n w t t p b c o s w t 妒 l7 因此建立微分方程计算 3 8 3 9 华北电力大学工程硕士学位论文 其中 4 一rk 尺2 功2 r b 一惹舞 完全解为特解与通解之和 f o f c l e 似 t 熹s i n 卅缈一t a n 一 等 3 邶 1 砰 w 2 r 尺 合环前瞬间电感上没有电流通过 可以求出c 从而有冲击电流的完全表达式 以 e 批x 志s i n 伊一t a n l 等 4 焘s i n w t q 伊 t a n l 等 3 1 1 可以看出 q j t a n 一1 i w l 0 或万的整数倍时 直流分量为0 即合环时没有冲击电 流寺即进入稳态 当妒一t a n 一1 i w l 9 0 左有时 直流分量初始值与周期分量幅值相等 冲击电流最大 配电网合环操作时 很难计及合环点电压差应和缈一t a n 一1 i w l 的角度 合环冲击电流的计算均为合环时刻应初始角度缈 0 的最严重情况 最严重情况下 最 大瞬时电流出现在合环后半个周期 有 i 1 exp o 01 驯丽 am8x l 3 1 2 其中乃 l r m 2 了零晕静为循环电流的幅值 乙为最大瞬时冲击电流 k l e 吨0 1 仃 称为冲击系数 它和电力系统中短路电流的计算系数取值相似 在电力 系统中一般取k 1 8 由于速断保护中电流整定值为电流的有效值 所以考虑以合环瞬时t 为中心一个 蒯期内瞬时电流的均方根值 即 i 厄兀孵 3 1 3 式中假设在t 前后一周期内乙 商流分景 不变 南于最大有效倩电流发生在合 环后半个周期时 假设在最恶劣情况下合环 其值为 当k m 1 8 时 j m c 2 2 j2 0 o o l s j c 2 2 i r a 1 c 2 一 c 2 2 c 2 髟m 一1 2 1 5 2 鲁 q 2 3 1 4 因为速断保护的整定值很高 且冲击主要由合环点两侧电压差引起 所以不考虑 负荷电流的叠加 近似认为 为合坏最大冲击电流 l8 华北电力大学工程硕士学位论文 3 3 合环电流的影响因素 3 3 1 公式推导 将合环系统作适当简化 以方便对其影响因素进行分析 具体的配电网络结构有 所芳别 合环点位置的选取也有所不同 应结合实际运行情况 抽象出一种具有普遍 适应性且便于分析的计算模型 最基本的合环模型巾应具备参与合环的变电所的主变 压器 低压侧母线及负荷 合环线路与联络开关 如图3 6 所示 u h l u h 2 合环前变压器高压侧母线电压 u t u t 2 合环前变压器低压侧母线电压 s h l s 2 合环前变压器高压侧流进的功率 s t l s r 2 合环前变压器低压侧流出的功率 s i 岛 合环线路卜的负荷 将分布在合环线路 上的所有负荷集中到一点 l l b 主变压器其他线路上的负荷 斫1 珞2 主变压器阻抗 冈3 6 典犁的合环情况 略去站用变 电容器和实际损耗的影响 变压器低压侧流出的功率等于合环线路 的负荷与其他线路负荷之和 即s r l s 厶 昌 s 厶 合环前 对于1 2 t 变压器有如下数学笑系 爵 蝇 损 品 f 等1 2 掌乙 鼯驰 斟 吣 章 5 吮1 c 2 2 孕 掌乙 设合环后两幸变压器高压侧母线电压为 t 坼为合环后两丰变低压侧母 线电压 合环后两卡变高压测流进的功率为 h 2 低压侧流出的功率为o 6 t 2 c v t v f a 1 9 其数学关系为 华北电力大学工程硕士学位论文 由 式3 15 可得两主 舀 爵 s 二 2 s 2 2 謇乙l 2 z 7 2 u 二 u l 孕 乙l q u 二 拿 乙 u 上2 变高乐侧母线电乐差a u a u 一 南 式3 1 6 可得如下关系式 又 品l 书乙l一 q 枣7 r 2 t 2 u 工 a u 砖2 z r 2 宰乙l l 乙 1 2 s t 2 岛 l q 2 s l 十是十厶 如 s 总 为两主变所带负荷之和 协羔二委 联立 式3 1 7 式3 1 8 可得合环后两变压器低压侧功率为 q l s 总 z r 2 au 一 u l z t l 七z r 2 爵 墅筝尝垫 乙l 乙2 3 1 6 3 1 7 3 1 8 3 1 9 3 2 0 若吮 叽 合坏后流过联络开关的电流如由 l 流向 2 如图3 5 中实线所示 流过联络开关的功率s 和i c n 2 0 华北电力大学工程硕士学位论文 研 一s 一厶 照些姿 p 孕纽业 3 2 1 乙l 乙2 m 选 s 2 l 2 z r 2 s l l 1 z n 旦 3 2 2 锄一玩一 乙 引r 五 z r l 7 t 2 v 7 t l旺n z 1 l l 厶t l 若u l i u 工2 3 2 5 l l u l 2 1c 雷一 一 一一 7 魄 z r i 乙2 z r l z r 2 3 2 6 乞 s c s 鳋型巫幺玉墅华一等 吼 a 若两主变压器的阻抗比较接近 负荷也近似相等 则式中第一项值较小 电流 与a u 近似成正比 b 若两侧阻抗与负荷的乘秘相差较大 即 是 乙2 和 s 厶 乙 的差值较大 则第一项的值较大 第二项由于a u 的存在也不为0 两项之间即可能因为符号一致而 导致环流较大 也可能因为符号相反而彼此抵消 当电流越限时 应采取措施摔制潮流 影响因素中的可调因素为合环系统卡变压 器阻抗和负荷 在实际的电力系统中 合环线路上游变压器分接头的改变以及合环线 路上游1 0 k v 母线电容器的投切能够达剑调整主变阻抗和负荷的目的 而且这两种因 素是地区电嘲在进行合环操作时可以人为调整的因素 也是比较有效的因素 因此 可采取如下措施来调整系统潮流 使得可以快速的减小合环电流从而达到安全合环 1 调节变压器分接头位置 变压器的阻抗由变压器型号和其分抽头的位置决定 当变压器型号确定时 其在 待归算级卜 的阻抗为凡 x 则在基本级卜 的有名值r x 为 凡 r 七 如岛 2 x x 后l k 2 k 3 2 其中毛 毛 织 变乐器变比 从基本级到待归算级 可见 改变分接头位置可改变其5 f l 抗 影响潮流分布从而改变合环电流的大小 2 2 华北电力大学工程硕士学位论文 2 改变变压器负荷大小 改变电容器的无功投切容量 即改变了系统的无功负荷 在实际运行中 电容器 的投切律律是成组进行的 而一组电容器的大小是3 0 0 0 k v a r 或3 6 0 0 k v a r 折合几百 安培的客性电流 该电流与感性电流合成后产成的是一个矢量值 作为参与计算的合 环变压器其他线路负荷 即厶 厶 改变电容器容量必然带米合环电流的变化 3 4 本章小结 本章对合环电流的计算进行了详细的推导 同时合环潮流进行了详细的分析 并 对影响合环电流的凶素进行了详细的推导和讨论 其主要内容概括如下 1 介绍了输电网和配电网常削的潮流计算方法 鉴于配电网合环操作的特殊性 提出将牛顿拉夫逊法和前推回代法作为配电网合环系统的潮流计算方法 2 提出了两种计算合环稳态电流的方法 一种是利用合环前的潮流计算情况来推 算合环后的稳态电流 另一种是利用合环后的潮流计算结果直接得到稳态电流 并比 较了它们的优缺点 3 建立j 合环冲击电流的计算模型 并对其计算进行j 详细的推导 4 将合环潮流的有功和尤功进行解耦分析 找出j 影响合环潮流的因素 即合环 点的电压筹 着重的对电压幅值与合环潮流的关系进行了详细的分析 建立了合环潮 流和电压幅值的定性关系 5 在对合环潮流有了详细的分析后 按照合环潮流与合环点电压幅值的变化规 律 通过改变电容器补偿和变压器分接头来实现潮流调整 2 3 华北电力大学工程硕士学位论文 第四章大兴地区典型合环分析 4 1 大兴地区现状介绍 大必的屯网建设起步十1 9 5 6 年 到2 0 0 6 年已经历了5 0 个春秋 在这5 0 年巾 大兴地区的电网建设发生了翻大梭地的变化 最初只有3 座3 5 千伏变电站 年售电 量3 9 万千瓦时 截至到2 0 0 6 年1 2 月底 大兴地区变电站2 2 座 主变4 5 台 运行容 鼍9 9 5 m v a 1 1 0 k v 变电站9 座 主变2 0 台 运行容量7 6 3 5 m v a 3 5 k v 变电站1 3 座 主变2 5 台 运行容量2 31 5 m v a 其中3 5 k v 局属变电站9 座 主变l8 台 运行 容量1 9 6 5 m v a 3 5 k v 用广变电站4 座 主变7