考虑环境因素的配网线路不停电设计研究

聂进培，赵湘文，许兴元，丁佳钰，谢子亮，刘振东，张帆

（广东电网有限责任公司广州增城供电局，广州 511300）

引言

配网连接着电源主网和用户负荷，有着十分重要的作用。尤其以新能源为主体的新型电力系统，配网网架结构复杂，联络开关位置存在位置偏远、不近道路、负荷分配不均等现象，不利于配网线路不停电作业的开展。

配网不停电作业是指采用带电作业法、旁路作业法或移动电源法等手段，在保障用户不停电的前提条件下对配网设备进行施工、检修、更换、安装的一种作业方法。

文献[1, 2]分析了配电不停电作业技术的现状，并对比了几种配电不停电作业技术的异同。文献[3]分析研究了移动发电系统带电接入10 kV配电网，虽然可实现检修过程不停电进行，但需要额外的移动发电系统。文献[4, 5]分析了配电网不停电作业对提高供电可靠性的重要性以及城市配电网的国内外发展现状与展望。

文献[6, 7]研究了10 kV配网线路旁路作业的电磁暂态过程，并进行了仿真计算，旁路作业也能使检修过程不停电进行，但需要额外架设旁路电缆。

文献[8, 9]研究了应用成本分析法的配网线路分段开关的设置、配电网开关的最优配置模型和优化算法。文献[10, 11]研究了配电网网架规划方法以及提升10 kV电缆不停电作业的实用化关键技术。

以上文献都较少考虑环境因素，更多的趋于理论化对配网线路进行改造与优化。因此，本文提出考虑环境因素的配网线路不停电设计，主要体现为在对配网线路的联络开关进行设置时，充分考虑不停电作业的特点和需求等环境因素，使得所设置的联络开关便于不停电作业的开展。

1 配网线路优化现状

配电网的分段开关是提高供电系统稳定性的重要手段，通常为了运行维护方便和提高效益，技术人员会在配网线路的不同位置设置一些开关设备；但如果开关的位置设置不合理，就有可能适得其反，使故障范围扩大[12]。文献[13]利用成本效益分析法分析配电网开关优化配置的计算方法，得到最优配电网线路的开关设置方案，提高开关设置的合理性与科学性。文献[14]引入布尔型表达式描述配网不同位置的开关存在性，并根据故障类型确定负荷对应的停电时间，提出一种主要用于辐射型配网的开关优化配置模型。文献[15]提出基于启发式方法的三阶段优化算法，针对中压架空线上的分段开关优化配置问题，分别以可靠性指标和总费用目标建模求解。

文献[16]提出为满足新型城镇化建设对用电的需求，将负荷区域按功能性和可靠性等属性划分，并对每一区域选取合理的接线模式。文献[17]提供一种基于N-1准则的电网设备停运原因实时排查及预警方法，来解决电网检修作业过程中或设备故障发生时无法做到实时排查停运设备并及时对电网进行分析预警的缺陷。但在不停电作业方面，考虑环境因素的配网线路的优化研究尚不多。

2 配网线路的不停电设计

目前电网的配网线路通常是闭环设计、开环运行，当配网线路发生故障或异常而需要进行检修时，首先将联络开关闭合，然后断开需要检修的设备进行检修，这样就确保了检修的全过程不停电；但联络开关两侧电压幅值和相位不相等，闭合时势必会给电网带来冲击，因此，如何合理的设置联络开关的位置尤为重要，以使闭合联络开关时不影响电网的正常运行。

2.1 考虑环境因素约束

中压线路优化的目标，是在满足一定的约束条件下，使目标函数最小；同时本文优化的目的是为了使故障发生时，能够不停电转供电以提高供电可靠性。

1）气象条件约束

不停电转供应在良好天气下进行，应有适宜的温度、气压、湿度以保安全。风力大于5级，或湿度大于80 %时，不宜进行。如遇雷电、雪、雹、雨、雾等不良天气，禁止进行。作业过程中若遇天气突然变化，可能危及人身及设备安全时，应立即停止进行并撤离人员；禁止在雨、雪天气进行不停电装备敷设、组装、回收等工作。

2）地形环境条件约束

为便于中压发电车的进出和旁路作业系统的接入，中压线路网架设计时需要考虑地形环境条件的约束，如线路走廊尤其分段开关及杆塔应立于方便中压发电车进出的道路旁，同时分段开关应避免在田间或地块中间，以避免旁路作业系统接入困难。

2.2 叠加法原理

根据叠加定理，合环后的支路潮流等于合环前各支路的初始潮流与合环开关两端电压差引起的增量相叠加。合环网络可以等效为一个合环前原有的辐射状开环运行网络叠加一个仅由附加电源作用的环状网络。叠加法计算合环稳态电流的原理图如图1所示。

其中，图1（a）等效为图1（b）与图1（c）的叠加。图1（b）为纯辐射状网络，该网络中的环被解开，保留了原网络中所有的电源和负荷，形成一个不含环状结构的纯辐射状网络；图1（c）为纯环状网络，该网络中所有的电源、负荷以及辐射状支路被移走，只保留参与合环的支路以及合环开关两侧电压差的等效电压源。分别计算两个分解网络的电流，然后将计算结果叠加即可得到原网络的合环稳态电流。

如图1所示，假设I1、I2为参与合环的两条馈线上合环后流过的稳态电流，I10、I20为合环前两馈线上流过的初始电流，IL为环状网络中由合环点两侧电压差引起的稳态环流。则根据叠加定理，合环后两条馈线上流过的稳态电流可表示为：

图1 叠加法计算稳态电流的原理图

其中，稳态环流IL可由下式计算得到：

式中：

△U—合环点两侧电压差；

Z∑—环网等值总阻抗。

在计算环网等值总阻抗Z∑时，首先将网络中所有的独立电源置零，然后对剩下的无源网络进行网络变换。即将网络中所有负荷置零，所有电压源置成短路状态时，从合环开关向上级电网看进去，得到的环路阻抗，在工程中将这个值按合环回路中的所有线路阻抗与变压器阻抗之和来处理。

2.3 合环冲击影响

目前配网线路闭环设计、开环运行的结构示意如图2所示。

图2中，相联络的两条配网线路由同一220 kV变电站供电，通过降压至不同110 kV变电站，然后再降压至10 kV变（配）电站，两条10 kV配网线路通过联络开关进行联络，以实现检修过程不停电，黑色分段开关K1、K2、…Kn为常闭运行分段开关，白色分段开关KL为联络开关，正常运行时处于断开状态。

为便于工程应用计算，对如图2所示的配网线路供电网络系统进行必要的简化，其简化模型如图3所示。

图2 配网线路联络示意图

图3 配网线路联络简化示意图

根据简化模型及文献[18]可知，冲击电流大小与合环前电压差、相角差以及环路线路阻抗等3个因素有关；而冲击电流大小与电压幅值差和相角差近似成正比，与环路线路阻抗近似成反比。

因此，对于本文所述相联络的配网线路而言，无论将其间哪个分段开关设置为联络开关，合环时的环路阻抗相同，因而不同分段开关设计为联络开关，其合环冲击影响主要取决于该分段开关两侧的电压差（含幅值差和相角差，下同）。

2.4 配网线路不停电设计

联络开关不停电设计流程如图4所示。

图4 联络开关不停电设计流程图

为使配网线路在故障发生或更换某电气设备时，能够进行不停电检修或更换，那就需要在检修或更换前，先闭合联络开关、再断开需要检修或更换的部分。而联络开关两侧电压幅值和相位等差异，将导致其闭合时会给电网带来一定的影响，合理的选择联络开关的位置以使其闭合时不对电网的安全、稳定运行带来影响。

3 应用算例

某电网的配网线路供电线路网络系统如图5所示。其中变电站A和变电站B电压相同均为10 kV，各装设一个出线开关，其间有6个分段开关K1～K6，线路型号均为LGJ-150，单位长度电阻为0.21 Ω，单位长度电抗为0.401 Ω，各变电站及各分段开关之间的线路长度如图5中标注。

图5 某电网的配网供电线路网络系统图

通过试验测取气象环境数据如表1所示，由此可知，符合气象条件约束。

表1 试验测取气象环境数据

依次将分段开关K1～K6设计为联络开关，通过潮流计算得到各联络开关两侧的电压差从小到大的排序如下：

从工程应用计算的角度，将分段开关K4设计为联络开关的话，检修时合环冲击影响是最小的；但经过对该配网线路供电网络的现场环境勘察发现，分段开关K4处于一人工养鱼湖旁边，且距离公路较远，不便于施工车辆出入和电网检修人员操作，因此，综合考虑环境因素后，不将分段开关K4作为联络开关的设计，而将分段开关K5设计为联络开关，其现场环境勘察便于电网检修人员的操作和施工车辆的出入，两侧电压差也仅次于分段开关K4，合环冲击影响较小，能够确保检修过程电网的安全稳定运行。

4 结语

随着社会经济的发展，对供电可靠性要求越来越高；供电企业的作业方式也日趋转向不停电作业，社会经济效益不断提高。配网线路闭环设计、开环运行，加之合理的联络开关的设计，使故障发生或设备更换时，可先将联络开关闭合、再断开故障或更换部分进行检修，实现整个检修过程负荷不停电转供，有效提升配电网的供电可靠性以及不停电作业水平，对电网运行和检修作业有着广泛的参考价值。