（电力系统及其自动化专业论文）配电网合环操作的研究及决策软件的开发.pdf

华强电力太擘橛士学位谵文 摘要 在配电网进行倒负衙或线路检修时，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翡稳态瞧流戳及冲击电流，遮将盔接影蛹到电蹒的安 全稳定逡行。钳潴以上特赢，开发一套醚电溺合环决策较悔，使之在台环撩佟游 可以遴过系统麴仿真从瓤澍合环操作起到一定的搬导 # 用，具有很强豹研究意义 和实用价值。本文提出了配电网合环操 乍的简化模型，对合环稳态电流和j 申击电 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，找出了影响台 环毫流静因素帮合嚣患电匾差，通过调整亳容器於偻帮交蠖嚣势接头来改变台环 点电蕊献丽减夺合环毫流，使合环瞧流誉越疆，并绘出了详缨豹调整滚程强。蹲 合环撩侔有了比较全嘲的研究后，采用麟向对象技术，以v i s u a lc + + 6 0 作为配 电网合环决策软髂的开发工具，著详细的分析了软件的设计以及系统的功能。 关键调：配电网，台环操作，稳淼电流，冲击电流，潮流调整 a b s t r a c t i nt h ec l o s i n gl o o po p e r a t i o no fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k 羹w i l lg e n e r a t el a r g el o o p c u r r e n ta n di m p a c tc u r r e n t ，w h i c hd i r e c t l ya f f e c t st h en e ts a f e t y s oi ti sn e c e s s a r yt o d e v e l o pac o m p u t e r - a i dd e c i s i o n m m a k i n gs 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 o o 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 sp 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 t f o r w a r das i m p l i 姆m o d eo fl o o po p e r a t i o na n di td e d u c e st h ec a l c u l a t i o no fs t a b l e c u r r e n ta n di m p a c tc u l c n t i nt h i sp a p e ri ta n a l y z e st h el o o pp o w e rf l o wt h e nf i n dt h e k 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 ed i f f e r e n c eo fv o l t a g e ，t h e ni tc a r c 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 gt 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 e t h el o o pc u r r e n t + w ea d o p to o p t e c h n i q u ea n dc h o o s ev i s u a lc 十+ 6 0a sd e v e l o pt o o lt od e v e l o pt h es o f t w a r e a n di t a l s oa n a l y z e st h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no ft h es y s t e m ， l o n gw e i * l i ( 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 z h a n gj i a n h u a 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 r 8 g 7 7 6 3 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文配电网合环操作的研究及决策 软件的开发，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在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注和致谢之处外，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任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：生! 匿茎! 1日期：q 6 ：圭! ! 生 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，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查阅或借阅；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) 作者签名生竖麴 日 期：q 8 - 墨1l 生 导师签名： 日 期：口6 ，# 华北l b 力大学砸1 学位论文 第一章绪论 电力生产的主要目的是满足用户对电能的要求。发电厂一般建在使总体销售 成本最低的地方，然后利用输电系统将大量电能从各个主力电厂输送到重要的负 荷中心。配电系统则是利用最适当的电压等级将电能输送给最终用户1 1 。因此， 电力系统包括发电、输电、配电三个不同的部分。在现代电力系统中，大型的电 厂往往远离负荷中心，电厂发出的电能一般要通过高电压输电网络送到负荷的中 心，然后在负荷中心由电压等级较低的网络把电能分配到不同等级的用户。配电 网敏锐的反映着对用户的服务，故对其进行研究和分析具有现实意义。 11 论文工作的研究背景 配电网最大的特点是闭环结构，开环运行i “。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， 以保证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 大，否则会出现很大的合环电流，导致相连的两条母线或馈线上的保护跳闸，反 而导致供电事故。根据现场的了解，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 判断是否进行台环，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 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。 12 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来解决。例 如美国纽约联合爱迪公司是世界首屈一指的电力公司，它主要负责纽约市区以及 华北电力大学倾士学位论文 其它地区的供电，9 0 以上的城网采用环网系统，环网电源来自两条不同的线路， 采用隔离器和真空重合闸。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，但由于选跳保护的动作也属于保护误 动作事故j ，影响电网的安全运行，所以应用并不。泛。在国内，电磁环网是电网发 展过程中的产物，2 2 0 k v 电网初期为了满足输电配电的要求形成了5 0 0 k v 、2 2 0 k v 电磁环网，而随着5 0 0 k v 网架的加强，许多2 2 0 k v 电磁环网为了限制短路要求开环 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。 条2 2 0 k v 线路合环失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 1 介绍了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问题有： n 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 线问进行，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。 f 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生很大的影响。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 1 没有建立完善的合环瞬时冲击电流的计算模型。当合环点两侧电压差较大时， 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 ) 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，但是它只是对台环稳态电流的 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，没有给出 具体的调整措施。 1 3 本文工作的研究意义及主要内容 13 1 论文工作的研究意义 毕北电山大学颧i 一学位论文 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 1 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，不 仅可以加强配电网络的供电可靠性，而且保证了配电网络的供电灵活性，提高配 电网运行的经济性。 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。 132 论文工作的主要研究内容 本论文完成的主要工作有： ( 1 ) 由于配电网合环操作既涉及到输电网，又涉及到配电网，因此要选择适合 配电网合环系统特点的潮流计算方法。本文提出将牛顿一拉夫逊法和前推回代法 相结合的方法，保证系统的潮流计算收敛。 f 2 ) 建立了配电网合环操作的简化模型，并对合环稳态电流的计算和瞬时冲击 电流的计算进行详细的推导。 f 3 1 应用合环操作的简化模型，对合环潮流进行了详细的分析，找到影响合环 电流的因素，并通过调整电容器补偿和变压器分接头来实现潮流调整，减小合环 潮流从而减小合环电流，并通过电压幅值与合环电流的定性关系找到了进行潮流 调整的最佳组合。 f 4 1 进行配电网合环辅助决策软件的设计。从分析系统需求开始，制定系统的 主要任务以及要达到的目标，设汁系统的结构及其应具有的功能模块，并对各个 功能模块的设计以及实现的功能进行详细的说明。并采用面向对象技术，以v i s u a l c + + 作为系统的开发工具，实现图形化界面的操作系统。 f 5 1 研究数据库技术及其应用，深入分析合环操作所需数据的组成，对系统数 据库结构进行设计，科学、高效地组织、存储和处理数据文件，系统采用m ss o l s e r v e r 作为数据库管理系统。 f 6 1 通过对北京两个合环变电站进行了系统仿真，对北京西单站合环电流越限 芈北u 力火学颇士学位沧史 的情况提出调整意见，对于北京前门站不能进行合环操作的原因进行详细的分析。 通过对两个算例的分析验证了本文提出的潮流调整方法的正确性，并得到了合环 操作的一般性结论。 华北 u 力火学砸i 学位论文 第二章配电网合环操作简介 2 1 配电网合环操作概念及模式分类 2 。t1 配溉网合环攘 乍豹概念 随羞翻蔑经济盼发展，双斌供电成为常用蛇供电模式。匿晦聚电嘲一般采用 闭环设计、开环运行的供电方式。存倒负荷域线路稳修时，通过合、解环操作可 以减少停电时间，提高供电可靠性，但由此引起的环流对配电网的安全运行有很 大静影确，清况严黧对还可能对整个毫翘静安全运行遗藏影酶。 豳2 - 1 配电网合环摄作示意圈 翻2 - 1 为配龟网台环操作示意嗣。正常情况下，电力系统输电主干潮( 2 2 0 k v 柳5 0 0 k v ) 一般为环状结构运行状态，1 1 0 k v 及以下线路都是开环运行的，低腻 懿龟弱迄都楚开环遥 亍。至譬嚣时，联络习1 关为数野，蒋巾变电避母线分裂萤各霸 的配电线路；当母线a 需要检修或出现故障时，就需强通过在酉己网合环点先合上 联络开关，愿断殍该站出线开关，将a 上的部分负赫转移到母线b 上，从丽保证 不间断供电，这种对联络开关进行酾闭合操作就称为合环操作。 2 ， 2 醚毫鼹台繇搂式戆分类 ( 1 ) 同厂站来自不同分区的馈线合环。 粕妥2 ，2 繇示，配霹台环点1 禚子这秘诲毽，母线a 帮母线b 都楚鹰于，一站 5 - 华北电力人学坝i 。学他论文 a ，他们的上一级电源来自不同的分区，他们之间直接通过母联开关或联络t 关 进行合环操作。根攒我们的调查信息，北京供魄公司的台环情况大多数都足这种。 酡鹣啬环矗2翻爝音环煮3 燃2 2 醣电嚼台环的种类 ( 2 ) 同一厂站简区域馈线台环释j 。 如图2 2 所示，配网合环点2 属于这种情况，母线b 和母线c 都是属于厂站 a ，都是垂j 同一个1 1 0 k v 懿撼线筷电，链翻之溺壹接遴过母联开关或联络歼美遴 行合环操作，这类台环操作相对比较简单安垒些。当勰压网出现故障时，通过母 联开关进行合环操作也不会爨现差错，属于保守合环愤援，焉且比较安全。 f 3 1 不同厂站馈线的合环情况 如图2 2 所示，配网台环点3 就是这种情况，母线c 属予厂站a ，黼另一端 豫线d 耩予厂菇b ，母线或馈线阉瀵道母联开关或联络开关迸 亍台环撵彳笮。 般的供电公词都会出现这两种台环情况，都根据自身的条件，选择合适的 合巧操作方式。 2 2 配电网台环操作的优点以及潜在危险 以往城网供电般多采用单电源辐射线路，但发生故障造成的停电范围大， 恢复供电懿麓力较弱。若采蹋巧踺臻孛每、辐瓣运行的方式，姻当手双侧残多铡嗽 源，只要措施得当，就可阻在发生敬障时缩小故障区段，快速饿复正常供电，隔 溜故障区域，便于控制。在正常情况f ，也使“f 负荷的转移和设备的检修和维护。 m 此，可珏获知，台环操 馨是提高酝电网供电可靠柱的一个有效手段。 6 华北电力大学硕士举位论文 任何事物都存在两面能。合环搛作一方面可以减少用户的停电，提高网络的 供电可靠性，但是另一方联，合环操作对电力系统来说，存在潜在的戴险性。疑 体分析如下： ( 1 ) 如图2 - 1 中，母线c 和母线d 通过联络开关并联运行时，f 常情况下，只 要e ，d 母线黥电压差甭楚穰丈，邂_ 蓬联络开关静电漉不大，瞧是当系统基琉救 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1 出现跳 阐，退出运行对，联络开关霄可能邋过高压侧姥过来的很大蜘潮流，必然会导致 保护动作，从而造成更大潮积的停电事故，造成无法弥补豹社会和经济损失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 相差较丈，薅么台薜操作盘会导致台环稳态淑流帮冲击电流过夫，；i 超秣护误动， 从而造成故障。 这也是失侍么电力系绫除了输悬主子嘲楚翊环运行，瑟其宅的l l o k v 及其以 下的电压簿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，警 合环母线电压差很大时，也罐误的判断为可以台环，也会造成傅电事故。 困诧，对于既嘲合环撩作，一定要谨慎的进行，遮也是为什么许多的供电公 对合环操作持保守态度的一个很大的原因。 2 3 合环电流声生的原因 配电网络避芎亍合舔揉佟对，台环线路两螽j 电源一般处于分裂运行状态，僵它 们的上级电源( 也许是更上一级电源) 应该怒并列的。合环电流产生原因1 7 1 如下 ( 戳1 0 k v 配网会坯淹铡) ： ( 1 ) 台环开关两侧变电所1 0 k v 母线的电压差( 数值差、相位差) 产生环流。文 献l s l q 6 指嫩，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 可班翔两侧变电新1 0 k v 母线的电援数值差除以台环线路的蕊抗计算出涯似值， 用这种近似方法计髀一般与实际值的误差在2 0 以内。 f 2 台强开关嚣瓣变电掰1 0 k v 鸳线对系统瓣短路辫撬不嗣产生臻流。合臻撵 作时，台环开关掰侧变电所的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，这一环漉是造成食环操作失败的另一原网。 综上：配电嗣馈线闻避行合环搽作时，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 c ，一0 ，积当断路器闭合时，两端的电压羞突 然发生突变，并确舍舔鼗籍器两德电压突然变为大小相等，撩旁差为0 ，也翱 a u ；0 ，遮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 发电概的电势和角度也将声生变化。然蕊，魄予发电枧的转子是寅馁性的，发电 机的角度，也就是转子的角度不能袋生突变，而是要经过一个摇摆过程彳能达到 7 华北电力 学碳 学位论文 新的稳态值，当开口电压的相角或频率不相等时，发电机和环网各线路合环后必 梅产生功率振荡，从而产生并列合环操作的稳态电流和冲击电流。 2 4 配电网台环的条件 由配电网络环流产生的原因可知，若合环点两侧有电压整( 电压数德莲或相位 薏) 或者两侧的短路阻抗不同，合环厥会出现环流，遗可能引起环路内继电器动作 瓶虢阐。为了避受合环操律对出现过大的环流，使台环操作冁莉进行，文献滞苻鬻 出合环操作需满熙以下条件： ( 1 ) 繁涯参与含巧熬变电肇中，1 0 k v 母线懿穗黟帮穗位稳窝； ( 2 ) 尽量满足合环点两侧的电骶信相同； ( 3 ) 参与合环的蕊个变电站到台环点的综合阻抗不宜楣差过大； ( 4 ) 逡当调整合环点两侧负荷的大小和功率因数，使两侧辎差不致过大，避免 造成不能台环； 筠) 合繇撬帮受蘅之黟不瘴超邋两臻j 开关之一靛额定受蕊，番瓤帮徨条释翅满 足也不熊互相替代。 以一e 条锌为理想条 牛，文献 9 l 搬出，在实际盼酝趣网络运行过程中，钽位建 在5 。以内合环即无问题。但由于系统结构不嗣，有的系统合环相位差允许1 0 。1 5 “， 电压差允许在1 0 以内。在合环前，对合环电流一般需要计算，做模拟或实时工 况合环试验，根掇计算帮试验结巢确定合环时兔许酌槿缱差和电压差。进行合环 操作时。若相位麓和电压麓不符合允许要求，必须进行调整。 2 5 遭会配电湖合环系统的潮流计算方法 由上文可觅，合环稳惫电渡和瓣嗣冲毒嘏流静爨现洽台辫环搽襻瀚可执行注 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 剐断的綦硇。它不经姥求出台环支鼹酶电流，各个线路上鲍功率分毒、功率损耗 以及各个节点的母线电压。通过合环电流的计算，操作人员可以通过台环电流的 大小判断出台环操作的可执彳亍性。 出于配电嬲络和输愈掰络密不可分，瓷诗算台环毫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 豹特点，芎能褥到较为缝臻豹蓬。在实强弱凝滚计算中，魏蓉慧旗建疆电隧终的 实际运行状况，仪仅考虑配电网络的运行情况，将造成很大的误差。 f 1 ) 输电网潮流计算方法 输魂稠潮流计算的研究起步较早，并趋予成熟，常见的有n e w t o n 。r a p h s o n 法f ”j 、 8 + 华北电力大学硕士学位论文 快速解耦法【1 l 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 计算中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。凼此，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，迭代次数与电网模型基本无关，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 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； 2 1 从网络参数看，配电网络支路参数r x 的比值较大； 3 1 从负荷情况看，配电网络三相负荷不对称问题比较突出； 4 1 配电网络中存在大量的分布式负荷。 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。八十年代中期到九十年代中期，配电网潮流的研究也广泛开展，出现了众 多结合配电网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，建立运算模型，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 母线类算法：常见的有z b u s 和y b u s 法，这两个算法在本质上是一致的。 z b u s 方法根据叠加原理，母线的电压可以根据节点( 松弛节点) 在母线上产生的 电压与母线e 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 的是除根节点以外的其他配电元件如负荷，电容电抗器、无功补偿器等在它们所 连的母线上产生的等值注入电流。详述参见文献【1 2 】和【1 3 】。 b 支路类算法：此类方法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。一类是面向回路的回路法，参看文献 1 4 】；另一 类是前推回代法，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，参看文献 1 5 】； 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 | f 算 方法保证潮流的计算收敛和计算结果准确【“】。由于牛顿拉夫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 9 华北电力大学硕l 学位论文 顿拉夫逊法作为潮流计算的方法之一。如果配电嘲的结构太复杂，将会导致牛顿 法的不收敛，为确保潮流计算能收敛，系统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网络的潮流计算，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扣 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。 聚用这两种方法的结合可以保证系统的潮流计算顺利的进行。 2 6 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 ) 分析了合环电流产生的原因是由于合环点存在电压差，包括电压幅值差和 相角差。 f 3 1 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。 f 4 1 介绍了输电网和配电网常用的潮流计算方法，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。 1 0 华北电山大学碲j 士带位论文 第三章配电网含环操 乍环流分析及控制 电力系统环网的合环操作将形成环流，当在负荷高峰时并列合环，形成的环 流可能造成某些线路和设备过载，超过断路嚣的开短容量导致断路器损坏，使继 电保护动作导致非故障网络停电或扩大了网络的停电范围等。所以在避行并列合 环操作前必须定量计算合环操作后的稳态电流和冲击电流，防止出现上述情况损 坏系统设备葙悬急系统豹交全运行。因魏分橱含繇操作对系绕的影桶，并在环流 超过允许值时提出减小环流的策略，减小由于环流引起设备的损坏，摁高电网运 行数安全性、可靠性，具卷缀大的现实意义。 3 1 合坏稳态电流和冲击电流的计算 3 1 1 含环稳态电流的计算 f 1 ) 采矧叠蕊定理嚣葵 1 7 l ( n m 仓环翦静潮流情爨) 化简后的合环图如图3 - 1 所示：正常情况下联络开关1 2 为开断运行，在倒负 蒋或捡修线路时透过闭台开关1 2 形成短时强霹运行。凌翻颞关心约甭鼹单缝的金 环后的循环功率或循环电流的大小，而是支路1 3 和2 4 侧的电流，它是支路的负 荷电流耳循环电流的叠加。保证台环电流不越限也就是指支路1 3 和2 4 的电流不 会超过断路器1 l 和短路器2 2 的稳定运芎亍极限。 匿3 - 1 叠船原壤在台环电流计算中的应用 根攒叠加定理；支路1 3 和支路2 4 的电流由两部分叠加而成：一部分是台环 蒋支路的负荷电流：另一部分是台环点两侧电压差a u 引起的循环电流。假设 u ，u ：，涮电流的流向为翻3 - 1 辑汞，飙节点1 流商节点2 。 支路1 3 侧的电流为： ，拈- s ，+ 艏) 锺朽u 1 )( 3 - 1 ) 支路2 4 侧的电流为： ，* ；( 一搽) 瓶砚)( 3 - 2 ) 】t * 毕北电山大学硕士学位论文 循环功率：出= ( u 。u ) 2 ，其中2 z 为环网总阻抗，a u 为合环前合环开关两 侧的电压差，u 。为合环两点的额定电压。 ( 2 ) 支路电流法( 利用合环后的潮流情况) 图3 - 2 支路电流法中的合环等效幽 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 2 所示为合环 模板图经过合环后其等效电路图。以图3 2 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 一s ( 34 u 3 )( 3 4 ) 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： 一 ，1 3 ；( u l u 3 ) 3 + z 1 3 )( 3 - 5 ) 同理可得： 一 ，孙一( u 2 一，) “3 + z 2 j )( 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【1 8 】【1 9 】，如果要得到准确的环 网阻抗必须要进行网络等值【2 0 】【2 l j 【2 2 j ，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大小，不关心环网阻抗，是一种简单而且准确的方法。 31 2 合环冲击电流的计算 1 2 - 蘑一 耩一 兰苎堂皇查堂堡主登壁堡墨 所谓冲击电流是指并列断路器合闸时通过断路器主触头的电流，般情况下 冲击电流螺值较高丽持续时雠较短 2 3 1 。当电力系统环嘲弗列合环操作时形成的冲 击船巢太大，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珏4 1 。 所以进行并列合环操作时必须预先计算并列台环形成的冲击电流，从而为运行人 爨采取朝应对蓑撬供蔹据。 ( 1 ) 合环冲击电流计算模型 2 5 】 出于魄力系统三樱对称，翳默只研究其中黪一稿，躲a 提。诗算台环释态冷 击韵单相等值电路如图3 - 3 新示。 图3 - 3 暂态冲击计算模型 系统经过蕊纯，环随辩抗三。简纯为r 、l 串联支路，澈麓为a 稳相电压， 五；半( 3 - 7 ) 以系统平衡节点为基准，雷超前“角度3 0 度。 f 2 ，计算公式攥导 电路的非其次微分方程为 o ；s i n ( w t + 擎) = r i + 罢； ( 3 8 ) 口为合环时刻t = 0 时毒的初始相角。 方程的解由两部分组成，第一部分是方程( 3 培) 的特解，它表示合环蜃稳态电 流的周期分量；第二部分是方程( 3 8 ) 对应的齐次方程的通解，它代表合环电流的 自由分量，是一个衰减的电流。 蠲端分塞滔薜毫淹) 为： f p 一，加s i n ( “+ c p t a n “越博) 一；垩坚芎掣s i n 陋+ q - t a n 一越埘) ( 3 - 9 ) 4 r 。m l 其中a 。t a n - “为整个环网回路的阻抗角。 垂瞧分垂与努勰电源蠢关，它楚按指数攥律衰减兹壹透，豫为j 攫麓嚷流域 1 3 - ! j ! 塑查查兰堡! ：兰些堡兰 特解： i 。p = c i p “ ( 3 _ 1 0 ) 完全解为特解与通解之和： 嗣嘞m 啪m ，岬+ 赢咖卜川n 。( 警) p 冲击电流是由于合环两点电压差造成，因此在合环前瞬间电感上没有电流通 过，可以求出c l ，从而有冲击电流的完全表达式 雄) _ e 焉譬藏咖旷t ”_ i ( 釉 + 焘咖m 妒t a n 。1 等) 】( 3 _ 1 2 ) 可以看出，妒一t a n 4 睁= o 或口的整数倍时，直流分量为o ，即合环时没有 冲击电流立即进入稳态；当q o - t a n 一1 ( 警) 等于9 0 。左右时，直流分量初始值与周期 分量幅值相等，冲击电流最大。在进行配电网合环操作时，很难计及合环点电压 差啻和- t a n l l ( i w l ) 的角度，因此我们考虑最严重的情况下，假定合环时刻初始 角度舻。0 的最严重情况，由于配电网中电阻远远小于电抗，因此可以认为 t 。l 些1 近似为9 0 。因此式予( 3 1 2 ) i l l 以化简为： lrj f o ) z 。：j 震：；：甭p 。8 7 + s l n ( “一9 。 3 - 1 3 由式子( 3 1 3 ) 可知冲击电流出现的最大时刻为合环后半个周期r 也即： f ，( 1 + e - o o l r ) 下车磐焉= k j m ( 3 1 4 ) 。了霉童x _ 亍为循环电流的幅值，f 。为最大冲击电流，其中l ；l ，。r 。其中 t ，。1 + 。- o m 称为冲击系数，它和电力系统中短路电路的计算中取值相似，在电 力系统中一般取t 。* 1 8 。 由于速断保护中电流整定值为电流的有效值，是指时刻t 为中心的一个周 期内瞬时电流的均方根，即： 1 4 华址电力人学碳i j 学位论文 r 了_ 厂f 一 牿睁r8 归坼巾t ( 3 - 1 5 ) 假定非周期分量在以时间t 为中心的一个周期内恒定不变，因此它的有效值 就等于它的瞬时值，。= o 。对于周期分量，也认为它所计算的周期内幅值是恒 定的，它的有效蓬为如；，。，压，它也就是舍环操作中驰循环电流的有效值。 由( 3 - 1 4 ) 可知：，口一罅。一”， 于是最大喜效德为( 警= 1 8 时) ： z 厕- 佤) 2 + 瓦。一1 ) 西玎f 3 - 。如l + 2 ( k 一1 ) 2 ；l 。5 1 p 当然上述只是由于电压麓引起的冲击电流，我们考虑的是流经线路的电流， 因此台环冲击电流必颁是线路负荷电漉与冲击电流的登加。台玮冲击电漉： k f f + 1 5 1 p( 3 - 1 7 ) 其中f ，为受萄邀滚。 3 2 合环潮流分柝 3 2 1 合环潮流的理论分析【2 6 】 由上述的分析可以知道，台环电流与合环潮流之间有宣接晌联系，减小合环 潮流的同时合环电流也会相应的减小。因此以下将着重分析合环潮流，找出影响合 强灞凌靛各个鬟素。 化简后的配电网合环等值电路如图3 - 1 所示。在合环前节点1 和节点2 之问 有联络开关相连，开关为断开。在台耶后，联络开关为闭台，系统可以譬值为图 3 - 1 右边的霄源网络和无源潮络的叠加。 根据登加定理，合环后的潮流由两部分叠加而成，一部分魁合环前静个支路 的镯始潮流。贯一郝分是盛会环，开关秘端毫蓬向量差a u t ：g i 起豹均簿潮漉a s 在嬲 络中的分布。特别地，由于台环前开关支路1 2 的潮流为0 ，因此合环盾流经支 路l 2 的潮漉即为纯粹的均褥潮流艇。 f 1 ) 均衡潮流分析 我们以图3 - 1 为例。假定整个环网的阻抗为z = r + 掣a 设定玎，为参考商量，屯为台环行关两端静电压稻角差t 趱辫潮流a s * a p + 趣， 则有： 反。u ：十鲤f 燮t + ，】8)_japx-：,or(3- 一2”2 1 5 华北电力大学硕士学位论文 电压d 。还可以表示成： u l = u sd 1 2 + ， s i n 6 h( 3 1 9 ) 联立( 3 - 1 8 ) 、 u 2 时电容器调节流摆脚 当玎1 t u ：时，冀调整方法和u ，u ：的方法一样，谯此不并详述。 3 3 2 调节变莲器分接头 变压器分接头位置在实际运行操作中经常变动，假记录数据往往被忽视。实 断上，对予台环馈线来说，其所属变压器韵隧抗( 由分抽头位鬣和变蕊器型号决 定) ，对合环电流的太小有很大的影响。 在交瑟王器授运螽，其黻抗大小交分接头位置凌定，交基嚣黼抗懿燮纯，势赫 会造成系统中节点电压的改变，从而引起台琊电流的变化。经计算分析可知，替 变压器撼头位置改变一个档位，会引起几十安培的电溅变化，因此采取调节变压 器分抽头也是一个很好的办法。 ，2 0 。 华北电力人学硕士学位论文 变压器型号一定，那么它的分抽头位置就是定的，我们统计了北京地i 整所 有的变压器型号及其对应的变压器抽头位置，以双绕组变压器为例其分接头位置 如下表所示： 表3 - 1 变压器档位分解表 变压器型号抽头情况可能抽头位置变比 1 1 0 + 9 12 5 1 051 2 2 3 7 5 1 05 1 1 0 + 8 12 5 1 051 2 1 1 05 1 1 0 + 7 1 ，2 5 1 0 5 1 1 96 2 5 1 05 1 1 0 + 6 12 5 1 051 1 82 5 1 0 5 1 1 0 + 5 1 2 5 ，1 0 51 1 6 8 7 5 1 05 1 1 0 + 4 12 5 1 051 1 55 1 0 5 1 1 0 + 3 12 5 儿0 5 1 1 4 1 2 5 1 05 1 1 0 + 2 12 5 1 051 1 27 5 1 0 5 1 1 0 + 1 1 2 5 1 051 1 13 7 5 ，1 0 5 s f z 7 1 1 0 9 1 2 5 ，1 05 1 1 0 1 051 1 0 1 05 1 1 0 1 12 5 1 051 0 86 2 5 1 0 5 1 l o2 1 2 5 9 甜】o 51 0 72 5 1 05 1 1 0 3 x 12 5 1 0 51 0 5 8 7 5 1 05 1 1 0 一4 x 12 5 1 1 051 0 4 5 1 0 5 1 1 0 5 12 5 儿051 0 3 1 2 5 1 05 1 1 0 6 1 2 5 ，1 05 1 0 17 5 1 05 1 1 0 7 12 5 1 0 51 0 03 7 5 1 05 1 1 0 一8 12 5 1 0 59 9 ，1 05 1 1 0 9 12 5 1 05 9 76 2 5 1 0 5 由表3 1 可知，变压器分接头的位置变化情况很多，单侧变压器的分接头位 置就有1 9 种位置，如果将两侧变压器联合起来，那么两个关键变压器的分接头位 置u 一共有3 6 1 种组合。如果对每一种组合都进行潮流计算那么会使得潮流调整的 时间大大的增加，大量的调用潮流计算也可能造成程序崩溃等。因此对变压器分 接头的调整不能盲目的进行，可以按照本文上述的分析方法，使合环点电压比较 高的一侧的电压降低，具体可以通过将变压器分接头提高一个档位来实现，减小 合环点两侧电压差，从而减小合环电流。 变压器分接头的调整原则和调节电容器的补偿容量原则一样，它以t l 档为单 位，依次改变变压器变比，修改节点导纳矩阵，然后进行潮流计算，计算出合环 2 1 华北电力 学硕l 学位论文 电流并与额定电流比较，若均不越限，则调节成功，若越限，则和上次结果比较 若越限值变小，则继续调节，否则调节失败。其具体流程如图3 1 0 所示。 3 4 本章小结 图3 - 1 0u ，u 2 时变压器调节流程图 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， 并针对合环电流越限的情况提出了一种简单有效的潮流调整的方法，其主要内容 概括如下： n 1 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。 2 2 北电力大学硕 学位论文 f 2 ) 建立了合环冲击电流的计算模型，并对其计算进行了详细的推导。 f 3 、将含环潮流的有功和无功进行解耦分析，找出了影响台环潮流的因素，即 台环点的电压差，着重的辩电压幅饿与台环潮流的关系进行了详细的势析，建立 r 台环潮流和电压幅值的定性关系。 f 4 在对舍环灞流毒了嚣绸豹分孝螽嚣，按照台琢潮漉与合昂点电压旗馕嚣雯能 舰律，找到了潮流调整的最佳方向，通过改变电容器补偿和变压器分接头来实现 潮流调整，共找出电容器秘变压器分接头调熬的最佳缀合，并绘出了详细的调熬 流程图。 2 3 华北电由大学硕上学位论文 第四章系统总体及功能设计 4 1 系统总体需求分析及设计思想 4 11 系统需求分析 如前文所讲，国民经济的不断发展对电脚的供电可靠性提出了更高的要求， 电力系统需要更为科学、可靠、高效的管理手段。为了保证配电网对用户的可靠 供电，提高配电 【】9 运行的经济行，从而提高供电企业的经济效益和社会效益，合 解环操作已成为电力系统运行操作中必不可少的环节。 在系统进行线路检修或倒负荷的时候，经常会涉及到合环操作。进行合环操 作时，电网巾可能产生较大的稳态电流和冲击电流，将直接影响到电网的安全稳 定运行。操作人员往往只能凭经验决定是否可以台环，通常采用比较保守的做法， 在没有特别的把握时尽量避免合环操作，这样将增加停电次数，降低系统的供电 可靠性。考虑到以上因素，开发一套合环次策软件”7 i 使之能对现场操作起指导作 j j ，将具有非常大的意义。我们特制定此系统的目标如下： ( 1 ) 建立一套开放式、通册性强而土土运行效能好的合环决策系统，能运用于不 同的合环系统，能满足现场实际操作人员的需求。 ( 2 ) 建立合理的合耶操作等值系统，既要满足系统简单化，具有简化的网络结 构，又要保证等值系统合理。 ( 3 ) 采用合理的潮流计算方法，由于配屯网合环操作既涉及到输电网，又涉及 到配电网，因此必须综合考虑到它们的特点，采用适合的潮流计算方法，既要保 证潮流计算的收敛性，叉要保证潮流计算的准确性。 ( 4 ) 建立完善的合环稳态电流和冲击电流的计算模型，准确的计算出合环稳态 电流和冲击电流，并且系统能判断合环电流是否越限。 r 5 ) 在合环电流越限时，系统能自动的分析潮流计算结果，并能从众多的电容 器和变压器调整方法组合找到有效的调整方向，使之能快速而且准确的找出合理 的调整措施，给出调整意见以供用户参考。 412 系统的设计思想 现代