一起由配电网合解环操作引起的出线开关跳闸分析

周 云，张 佳，巴 宇，马海薇，马海涛

(国网镇江供电公司，江苏 镇江 212000)

随着“人民电业为人民”宗旨的不断推进，供电可靠性得到了前所未有的提高。配电网设计原则是“闭环设计，开环运行”，当配电网线路检修、临时故障、非计划停电等需要进行停电检修时，配电网线路之间通过“手拉手”的方式将非停电线路段负荷串供出去是配电网调控运行常规方式安排与操作，即需要进行合解环操作[1-3]。

文献[4-5]将配电网合环电路模型转换为兼顾工程应用于代数计算的数学模型，利用合环电流冲击电路数学函数在自变量的闭区间内找出函数的所有极值点绝对值等效为合环电流最大值。分析表明合环支路的最大冲击电流必在模型的首个极值点处取得。文献[6]利用配电网线路负荷节点历史负荷数据为输入量，采用半不变量法计算配电网线路合环稳态电流与暂态冲击电流的概率分布，通过计算电流越限概率和越限程度对配电网合环操作的安全性进行评估，该方法可以得到多时间尺度、多场景条件下的概率分布特性，从而求取合环后流经各馈线合环电流的概率分布特性。文献[7-8]在计算合环电流时引入分支系数，将不同分布类型的分支负荷等值为相应的负荷阻抗，等效为修正的负荷阻抗，以消除配电网分支负荷分布对合环稳态电流计算的影响，使得合环稳态电流计算更加准确。文献[9]采用计及主网等值阻抗的潮流法、忽略主网等值阻抗影响的潮流法及近似公式法对中压配电网合环电流进行计算，该方法可以满足生产实际需要，为调度人员操作提供一定的技术支撑。但所提出的计算量较多，为调度操作人员增加了很长的工作时间。文献[10]以传统潮流叠加法和图论中深度优先搜索算法为关键技术的配电网辅助决策，为调度人员在配电网合环开关优化搜索及操作安全校核提供了一定的指导。

电网调控运行人员依据运行方式安排对电网进行合解环操作，主要依据是调度员自身经验和D5000系统中监测到的合环点两侧电压值。在实际应用中，单纯依据合环点两侧电压数值进行合解环可能会造成合解环线路开关跳闸事故的发生。

1 事故基本情况

某日，110 kV甲变电站1号主变压器(以下简称“主变”)检修。为保证供电可靠性，该变电站10 kV配电网方式需要调整优化，保证110 kV 甲变电站每条10 kV母线中有一条出线调至备供变电站，并且甲变电站该开关处于热备用状态。当110 kV甲变电站1号主变检修竣工，复役后恢复配电网方式过程中，操作过程中首先应该合上1H23开关，然后将1901H23开关改为冷备用状态，但是在合上1H23开关时候发生1H23开关保护动作，事故跳闸。

1.1 事故前运行情况

110 kV甲站：110 kV 1号主变由220 kV丙变电站2号主变供电。

110 kV乙站：110 kV 2号主变由220 kV丁变电站2号主变供电。

10 kV 1H23线路、190线路配三段式过流保护、出线开关重合闸正确启用。

图1为电网初始方式，实心矩形为运行状态开关，空心矩形为热备用或者冷备用状态开关。

1.2 事故经过

a.监控信息及初步判断

当110 kV 甲变电站1号主变检修竣工复役后，操作过程中首先应该合上1H23开关，然后将1901H23开关改为冷备用状态，但是在合上1H23开关时，D5000系统发出1H23开关保护动作，事故跳闸信号及报文信息。

当值监控员接受调度命令：合上1H23开关。该开关保护动作，事故分闸。1H23开关在分位，监控员立即汇报当值调控员，当值调控员判断为合解环操作失败。

依据保护控制逻辑和监控系统上传的信号，监控信息如下。

① 09:37:24，甲变电站/10 kV.1H23开关合闸(停电)；

② 09:37:24.871，甲变电站/10 kV.1H23保护出口动作；

③ 09:37:25，甲变电站/10 kV.1H23开关事故分闸；

④ 09:37:25，甲变电站/10 kV.1H23开关控制回路断线动作。

值班监控员立即汇报值班调控员：110 kV甲变电站1H23开关保护动作，事故分闸。甲、乙站母线电压均在正常范围内，主网系统运行稳定。110 kV甲变电站10 kV Ⅱ段母线线电压为10.30 kV，110 kV乙变电站10 kV Ⅱ段母线线电压为10.55 kV。

b.调控处理

值班调控员收集信息后，经过初步判断以后，09:40汇报相关领导，说明事件发生的过程；09:45通知运维值班人员到甲变电站进行现场检查；09:46通知运维值班人员到乙变电站进行现场检查；在运维值班人员、监控人员检查现场及设备确认甲、乙变电站电网设备运行正常，可以继续安全操作后，排除是现场设备缺陷导致合解环开关保护动作事故分闸。

通过运维值班人员、监控人员现场检查，结合调度系统监控信号，调控员初步判断可能为系统电压相差较大引起合解环过程中开关跳闸。

当值调控员下令调整110 kV甲变电站10 kV Ⅱ段母线线电压、110 kV乙变电站10 kV Ⅱ段母线线电压。尽可能将110 kV甲变电站10 kV Ⅱ段母线线电压与110 kV乙变电站10 kV Ⅱ段母线线电压接近。

当值调控员继续下令进行合解环操作：合上110 kV甲变电站1H23开关。在此过程中，110 kV甲变电站1H23开关仍然保护动作，事故分闸，其保护动作信号如下。

① 10:13:23，甲变电站/10 kV.1H23开关合闸(停电)；

② 10:13:23.417，甲变电站/10 kV.1H23保护出口动作；

③ 10:13:24，甲变电站/10 kV.1H23开关事故分闸；

④ 10:13:24，甲变电站/10 kV.1H23开关控制回路断线动作。

c.现场反馈

运维值班员、配电运检人员按照调度指令，对甲、乙变电站相关设备进行仔细检查，确认设备状态后向值班调度员汇报：甲变电站10 kV 1H23开关、乙变电站10 kV 190开关分别在热备用状态、运行状态，甲、乙变电站现场未发现明显异常。配电运检人员经过带电巡视，汇报1901H23开关在运行状态，190线路、1H23线路查无异常。

2 配电网合环冲击电流分析

配电网合解环操作时风险点是合环后馈线首端的暂态冲击电流与稳态电流过大均有可能导致电流保护动作。影响合环线路潮流的因素除合环点两端的电压之外，与环网内设备参数也密切相关[11-12]。由图1可知，该事故涉及的配电网属于同一500 kV供电区域不同110 kV变电站10 kV线路合环。

2.1 合环暂态过程影响因素分析

合环点两侧有压差或合环点两侧环网阻抗不同，合环后会出现环流，过大的环流可能引起环路内继电器动作而跳闸。重点分析合环点两侧环网阻抗不同导致合解环过程中开关过流的合解环暂态电流。合解环暂态电流的求解过程简化如图2所示。

合环的环网阻抗简化为串联支路，如式(1)所示。

Zloop=R+jωL

(1)

激励电动势E为合环前开关两侧电压差。电网三相电压对称，用单相等值。

(2)

以系统平衡点为基准，E超前ΔU角度一定的角度φ，则合环电路方式为一阶非齐次方程为

(3)

式中：φ为合环时刻t=0时E的初相角。假定合环相角为0°，配电网的电阻远小于电抗，方程的解也就是冲击电流，可以简化为

(4)

由式(4)可知，冲击电流最大值出现在合环后的半个周期，冲击电流最大值为

(5)

由以上分析可知，合环电流的大小与合环时的潮流及合环的串联支路阻抗Zloop有关。可见，减少合环潮流的同时，合环电流也会相应减小。

2.2 合环稳态过程影响因素分析

配电网合环计算分析可以利用电路原理中的叠加原理，即合环点线路流过的潮流为环状电网各个级联组成的潮流总和[13]。图3所示为包含多电压等级线路合环连接示意图，其中将110 kV及以上电压等级设备参数等效至110 kV相应设备。

合环点左侧电压Ul表达为

(6)

合环点右侧电压Ur表达为

(7)

式中：klp为左侧级联p级线路；krq为右侧级联q级线路；Slp为左支路第p级母线上负荷潮流；Ulp为第p级母线线电压值；Zlp为第p条串联支路阻抗。

合环点左右侧电压与阻抗的关系为

(8)

当合解环线路属于同一500 kV供电区域不同110 kV变电站10 kV线路时候，可以将电网等值为110 kV与10 kV 2种电压等级，依据上述合环潮流计算公式，可以简化为

Sh=A/B

(9)

(10)

(11)

近似地，取Ul1≈Ur1≈Ul2≈Ur2≈U，则:

(12)

合环线路潮流大小与环状内主变变比、变压器阻抗值大小、主变负荷潮流以及环状线路阻抗、线路负载有一定的密切联系。

3 事故过程推演及解决措施

经过上述理论分析，调度人员可知导致合环失败的关键原因不仅仅是两侧电压差，而是与合环线路潮流大小与环状内主变变比、变压器阻抗值大小、主变负荷潮流以及环状线路阻抗、线路负载情况密切相关。因此，调度人员应该统筹考虑各种因素对即将进行的合解环操作的影响，尤其是该调控员调管范围之前的上级电源线路应该有所了解。

当值调控员汇报地区当值调控员，要求将110 kV乙变电站2号主变调至220 kV丙变电站2号主变供电。如此，合解环操作形成的环网如图4所示，合解环线路供电路径发生了根本性变化。

110 kV电网方式调整后SOE报文及动作逻辑如下。

① 11:00:59，甲变电站/10 kV.1H23开关合闸(停电)；

② 11:01:18，甲变电站/10 kV.1H23重合闸投入动作。

此时，甲变电站10 kVⅡ段母线线电压为10.25 kV，乙变电站10 kVⅡ段母线线电压为10.55 kV，相对于最初运行方式下的甲、乙变电站10 kVⅡ段母线线电压电压差变大，但是依然成功合解环。

4 结论

a.本次案例中，单凭调控操作人员的经验无法判断合环操作产生的环流对配电网安全运行的影响及对配电网的冲击。更进一步，需要通过潮流计算对合环路径进行分析，才可以有依据地对配电网进行恰当调整，保证用电的连续性与可靠性，减少开关跳闸次数及线路停电次数。

b.合环开关两侧变电站10 kV母线存在电压差(数值差、相位差)产生环流。若两侧母线对系统的环网阻抗比较接近，环流可用两侧母线的电压差值除以合环线路的阻抗计算出近似值，此方法在实际调控运行操作中难以实施。

合环时往往只考虑联络开关两侧的电压差，而事实上系统环网阻抗及潮流对合环电流也有很大影响。不同变电站母线出线形成的环网阻抗不同，即便电压一样，母线合环也有可能产生很大环流。这一点容易被忽视，也是造成合环操作失败的原因之一。所以建议合环操作增加一项判别条件：合环的两侧母线至合环点的综合阻抗适宜。

c.合环线路潮流大小与环状内主变变比、变压器阻抗值大小、主变负荷潮流以及环状线路阻抗、线路负载有一定的密切联系。因此，配电网操作时，应该掌握上一级电网的运行情况以及配电网的运行方式，尤其是配电网变电站供电路径，掌握电网操作可能引起的电网中电气量的变化，电网操作给电网带来的运行方式的变化。

d.优化电网运行方式，合理安排上一级变电站负荷分配。根据线路具体情况以及往常的经验，安排更为合适的运行方式。