王 松，王海燕，朱晨光

（1.河南平高電氣股份有限公司組合電器事業(yè)部，河南 平頂山 467001；2.平高集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南 平頂山 467001）

配電網(wǎng)不停電倒負(fù)荷技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

王 松1，王海燕2，朱晨光2

（1.河南平高電氣股份有限公司組合電器事業(yè)部，河南 平頂山 467001；2.平高集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南 平頂山 467001）

目前配電網(wǎng)在進(jìn)行線路檢修或倒負(fù)荷操作時(shí)，通常是在停電的狀態(tài)下進(jìn)行操作。針對倒負(fù)荷操作需要進(jìn)行線路停電的問題，提出了一種通過饋線終端監(jiān)測合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)線路電壓差和相位差，以合環(huán)動(dòng)作條件做為判據(jù)來實(shí)現(xiàn)不停電倒負(fù)荷的方法。該方法以輻射線路配電系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，利用前推回代算法進(jìn)行配電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)潮流計(jì)算，利用疊加原理開展合環(huán)電流的計(jì)算，開展了以ARM處理器為核心的FTU饋線終端不停電倒負(fù)荷程序設(shè)計(jì)和邏輯判據(jù)研究。研究表明：具有不停電倒負(fù)荷功能的饋線終端在電壓差及相位差整定值范圍內(nèi)，能夠準(zhǔn)確判別聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)的系統(tǒng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)可靠的合環(huán)控制，保障不停電倒負(fù)荷操作的正確性。

不停電倒負(fù)荷；環(huán)網(wǎng)潮流；合環(huán)操作

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市用電負(fù)荷日益增長，居民用電和工業(yè)生產(chǎn)對供電的的可靠性要求越來越高，采用雙向手拉手供電和多電源方式供電的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日漸增多。正常情況下，為保證配電網(wǎng)的輻射線路運(yùn)行方式，聯(lián)絡(luò)開關(guān)一般位于分閘狀態(tài)，即 “閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，開環(huán)運(yùn)行”?？紤]到電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行以及線路設(shè)備的定期檢修維護(hù)、事故處理、過載轉(zhuǎn)負(fù)荷等問題，配電線路運(yùn)行方式經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化，需要進(jìn)行倒負(fù)荷操作。實(shí)際倒負(fù)荷的方法大多是先將線路電源側(cè)開關(guān)斷開，再合上聯(lián)絡(luò)開關(guān)將它投運(yùn)到另一個(gè)電源供電，即操作過程中要有短時(shí)的停電，約0.5～1 h。據(jù)統(tǒng)計(jì)，倒負(fù)荷操作占系統(tǒng)全部操作（設(shè)備檢修、投入、退出等）的70%左右。

在計(jì)劃檢修或其它電網(wǎng)突發(fā)事件的情況下，配電網(wǎng)實(shí)行不停電倒負(fù)荷成為提高供電可靠性的有力措施，也已經(jīng)是 “手拉手”配電線路運(yùn)行的必然趨勢［1］。目前，許多配電線路安裝了聯(lián)絡(luò)或分段負(fù)荷開關(guān)，使得配電線路運(yùn)行方式更加靈活，大規(guī)模地采用配電網(wǎng)不停電倒負(fù)荷技術(shù)已經(jīng)成為可能。

智能電網(wǎng)的快速發(fā)展為不停電倒負(fù)荷技術(shù)在配電網(wǎng)調(diào)度中的應(yīng)用提供了必要條件。智能配電網(wǎng)具有自愈、高可靠性、高安全性、高經(jīng)濟(jì)效益等特點(diǎn)，這就要求配電網(wǎng)調(diào)度要摒棄傳統(tǒng)的停電轉(zhuǎn)移負(fù)荷技術(shù)，利用不停電倒負(fù)荷技術(shù)來保證供電可靠性。

1　不停電倒負(fù)荷技術(shù)

配電網(wǎng)實(shí)施不停電倒負(fù)荷具有很多技術(shù)優(yōu)越性，能夠顯著提高供電可靠率，縮短戶均停電時(shí)間，但在實(shí)際線路運(yùn)行中并不能盲目采用，需要針對線路運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行具體分析。當(dāng)線路因接地故障或天氣原因出現(xiàn)分閘，此時(shí)不停電倒負(fù)荷操作執(zhí)行后，線路中的環(huán)網(wǎng)潮流重新進(jìn)行了分布，線路另一側(cè)的開關(guān)設(shè)備會(huì)帶上倒負(fù)荷操作轉(zhuǎn)移而來的電力負(fù)荷，甚至?xí)鲈O(shè)備的峰值耐受能力。如電流超出保護(hù)整定范圍，則會(huì)導(dǎo)致開關(guān)保護(hù)跳閘，造成倒負(fù)荷操作失敗，引起更大范圍的線路斷電。

配電線路正常運(yùn)行時(shí)，合環(huán)點(diǎn)兩邊的線路處于開環(huán)獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，兩側(cè)的線路通常是由不同的母線供電的。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行合環(huán)操作時(shí)，會(huì)因合環(huán)點(diǎn)兩邊的母線相位差、電壓差、母線對系統(tǒng)短路阻抗、合環(huán)過程的暫態(tài)沖擊電流等因素可能會(huì)產(chǎn)生較大的環(huán)網(wǎng)電流，甚至?xí)?dǎo)致保護(hù)測控裝置誤動(dòng)作，因此需要考慮環(huán)網(wǎng)線路的合環(huán)電流和環(huán)網(wǎng)潮流分布，在進(jìn)行合環(huán)操作時(shí)，必須要先進(jìn)行計(jì)算校驗(yàn)。

1.1合環(huán)電流計(jì)算

計(jì)算合環(huán)電流采用疊加原理，將合環(huán)網(wǎng)絡(luò)拆分為開環(huán)網(wǎng)絡(luò)和等效閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)的疊加［2］，如圖1所示，閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)的電流、功率等于開環(huán)網(wǎng)絡(luò)和等效閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)的電流、功率之和。

圖1　合環(huán)電流的計(jì)算

即:合環(huán)電流=開環(huán)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷電流+合環(huán)點(diǎn)因電壓差所引起的循環(huán)電流。

式中:S1、S2分別表示節(jié)點(diǎn)1、2處的負(fù)荷容量；S為環(huán)網(wǎng)功率；I11負(fù)荷、I22負(fù)荷分別為節(jié)點(diǎn)1、2處的負(fù)荷電流；I環(huán)為環(huán)網(wǎng)電流；I11環(huán)、I22環(huán)分別表示支路1、2上的電流。

1.2環(huán)網(wǎng)潮流計(jì)算

計(jì)算環(huán)網(wǎng)潮流需要考慮以下配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn):從負(fù)荷分類上看，存在大量的離散式、隨機(jī)負(fù)荷；從負(fù)載能力上看，通常發(fā)生三相負(fù)載不平衡問題；從線路走線方式看，以輻射型網(wǎng)架為主，以弱環(huán)連接結(jié)構(gòu)為輔。

考慮到配網(wǎng)網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)特殊性，目前適用于配網(wǎng)潮流算法的計(jì)算方法主要有代數(shù)求解法、牛頓-拉夫遜法和前推回代法等［3］。對于圖2中輻射型配電網(wǎng)系統(tǒng)，其中a、b、c表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)潮流流向?qū)⒐?jié)點(diǎn)a定義為節(jié)點(diǎn)b的根節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)b是節(jié)點(diǎn)a的子節(jié)點(diǎn)，同理定義節(jié)點(diǎn)b與節(jié)點(diǎn)c；Pab、Qab分別代表根節(jié)點(diǎn)a流向子節(jié)點(diǎn)b的有功功率和無功功率，PLab、QLab分別代表支路ab上的負(fù)載有功功率損耗和無功功率損耗，PDb、QDb分別代表子節(jié)點(diǎn) b的負(fù)載有功功率和無功功率。

圖2　輻射型配電網(wǎng)系統(tǒng)模型

利用前推回代算法計(jì)算電網(wǎng)潮流的過程有五個(gè)步驟，如下所示:

（2）考慮負(fù)載的靜態(tài)電壓特性，計(jì)算負(fù)載參數(shù)；

節(jié)點(diǎn)i的前推計(jì)算公式:

當(dāng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)b的節(jié)點(diǎn)電壓回代時(shí)，根節(jié)點(diǎn)a電壓已由當(dāng)前迭代公式計(jì)算完畢。節(jié)點(diǎn)b的回代公式:

式中:Va表示節(jié)點(diǎn)a復(fù)電壓的共軛。

1.3不停電倒負(fù)荷操作的條件

合環(huán)操作產(chǎn)生的沖擊電流和穩(wěn)態(tài)電流的大小和以下因素有關(guān):聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)對配電系統(tǒng)的短路阻抗值、聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)的電壓差和電壓相位角差的大小。如果沖擊電流超過額定值，就有可能超過保護(hù)整定值引起線路繼電裝置的跳閘動(dòng)作，造成合環(huán)操作失敗。為保證不停電倒負(fù)荷操作的正確率，線路或裝置需要滿足以下幾點(diǎn)要求:

（1）相位應(yīng)保持一致，第一次執(zhí)行和環(huán)操作或進(jìn)行了可能會(huì)改變相序的檢修維護(hù)作業(yè)后，必須要進(jìn)行核相檢驗(yàn)；

（2）應(yīng)盡量縮小合環(huán)點(diǎn)聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)的線路電壓差；

（3）合環(huán)后不會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各電氣裝置過負(fù)荷；

（4）二次測控裝置和保護(hù)裝置應(yīng)具備環(huán)網(wǎng)運(yùn)行自適應(yīng)功能；

（5）合環(huán)線路內(nèi)存在接地情況時(shí)，禁止合環(huán)操作。

當(dāng)然，上述不停電倒負(fù)荷條件為理論最優(yōu)條件，在實(shí)際的配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中，以上合環(huán)條件為理想條件，在實(shí)際操作中相位差在5°以內(nèi)滿足即可。由于配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式和負(fù)載的多樣性，各別場合甚至允許合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓差小于10%、相位差小于15°即滿足操作要求。所以在不停電倒負(fù)荷操作之前，開展穩(wěn)態(tài)電流和沖擊電流的仿真計(jì)算，得出允許的相位和電壓差值區(qū)間，還是很有必要的。若計(jì)算結(jié)果不在允許范圍內(nèi)，必須針對線路運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，符合條件后方可開展倒負(fù)荷操作。

2　不停電倒負(fù)荷在終端設(shè)備中的實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)不停電倒負(fù)荷功能，除了主站端需要評估合環(huán)可行性外，還需要在就地測控終端FTU上對合環(huán)開關(guān)兩側(cè)線路的電氣參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，包括兩側(cè)線路的斷路器、聯(lián)絡(luò)開關(guān)、合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)的相電壓、電流等。依據(jù)監(jiān)測結(jié)果，對合環(huán)開關(guān)兩側(cè)的壓差、相位進(jìn)行分析判斷，確定是否具備實(shí)時(shí)合環(huán)條件。當(dāng)站端指令合環(huán)時(shí)，若當(dāng)前系統(tǒng)工作在穩(wěn)態(tài)，相應(yīng)的繼保未啟動(dòng)，則控制聯(lián)絡(luò)開關(guān)合環(huán)，并向主站上送合環(huán)成功；否則，向主站端上送合環(huán)失敗。

2.1不停電倒負(fù)荷邏輯判據(jù)

圖3所示為合環(huán)邏輯判據(jù)圖，主要邏輯關(guān)系為:合環(huán)壓板投入，聯(lián)絡(luò)開關(guān)在分閘位置，系統(tǒng)未啟動(dòng)（暫態(tài)），接收合環(huán)命令，檢測開關(guān)兩端電壓差、相位差、頻率差是否均小于整定值。當(dāng)以上判據(jù)均為真時(shí)，經(jīng)整定時(shí)間延時(shí)后，系統(tǒng)進(jìn)行合環(huán)動(dòng)作。

圖3　合環(huán)判據(jù)邏輯圖

圖4所示為合環(huán)計(jì)數(shù)器邏輯圖，主要邏輯關(guān)系為:合環(huán)壓板投入，聯(lián)絡(luò)開關(guān)位于分閘位置，系統(tǒng)未啟動(dòng)（暫態(tài)），接收合環(huán)命令，檢測開關(guān)兩端電壓差、相位差、頻率差是否均小于整定值，當(dāng)以上判據(jù)存在一個(gè)為假時(shí)，則清零合環(huán)計(jì)數(shù)器。

圖4　合環(huán)計(jì)數(shù)器邏輯圖

2.2饋線終端合環(huán)操作程序流程設(shè)計(jì)

不停電倒負(fù)荷功能首先需要在程序中計(jì)算聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)電壓差、相位差和頻率差（頻率差根據(jù)不同主接線運(yùn)行方式的不同可以選擇，當(dāng)兩側(cè)母線電壓來源為同一主變時(shí)，其頻率不存在偏差因素，可不用判別），然后與相應(yīng)的設(shè)定定值相比較并置位響應(yīng)狀態(tài)標(biāo)志，當(dāng)這些參數(shù)滿足合環(huán)要求且有就地或遠(yuǎn)方合環(huán)命令時(shí)，設(shè)備持續(xù)監(jiān)測開關(guān)位置、運(yùn)行穩(wěn)態(tài)、合環(huán)功能投入壓板等IO狀態(tài)參量，當(dāng)這一持續(xù)時(shí)間大于等于時(shí)間定值TZD時(shí)，裝置認(rèn)為合環(huán)條件滿足，驅(qū)動(dòng)繼電器投入聯(lián)絡(luò)開關(guān)，并發(fā)送相應(yīng)的報(bào)文通知合環(huán)狀態(tài)。

圖5所示為不停電倒負(fù)荷軟件流程:將合環(huán)狀態(tài)標(biāo)志為清零，判斷合環(huán)壓板是否投入，若為“否”，則置合環(huán)壓板未投入標(biāo)志位；判斷聯(lián)絡(luò)開關(guān)是否分位，若為 “否”，則置聯(lián)絡(luò)開關(guān)合位標(biāo)志位；判斷啟動(dòng)標(biāo)志是否為0，若為 “否”，則置啟動(dòng)標(biāo)志位；判斷當(dāng)前壓差是否小于定值，若為“否”，則置壓差超限標(biāo)志位；判斷當(dāng)前相差是否小于定值，若為 “否”，則置相差超限標(biāo)志位；判斷當(dāng)前頻差是否小于定值，若為 “否”，則置頻差超限標(biāo)志位；判斷合環(huán)狀態(tài)標(biāo)志位是否為0，若為 “否”，則合環(huán)計(jì)數(shù)器為0、合環(huán)啟動(dòng)標(biāo)志為0、清環(huán)合命令，返回；判斷合環(huán)狀態(tài)標(biāo)志是否為1，若為 “否”，則判斷是否有合環(huán)命令，若為“否”，則合環(huán)閉鎖標(biāo)志位為1、合環(huán)計(jì)數(shù)器為0、合環(huán)啟動(dòng)標(biāo)志為0、清環(huán)合命令，返回；若為“是”，則合環(huán)計(jì)數(shù)器為0、合環(huán)啟動(dòng)標(biāo)志為0、清環(huán)合命令，返回。合環(huán)啟動(dòng)標(biāo)志為1，判斷合環(huán)計(jì)數(shù)器是否大于整定值，若為 “否”，則返回；若為 “是”，則閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)發(fā)送狀態(tài)報(bào)告，清合環(huán)狀態(tài)標(biāo)志、清合環(huán)計(jì)數(shù)器，程序返回。

圖5　不停電倒負(fù)荷程序流程圖

2.3饋線終端硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

饋線終端硬件系統(tǒng)基于模塊化、平臺(tái)化的理念搭建，主要由數(shù)據(jù)處理模塊、模擬量采集模塊、開入開出控制模塊和通信模塊組成，硬件系統(tǒng)原理框圖如圖6所示。

饋線終端采用統(tǒng)一硬件技術(shù)方案設(shè)計(jì)，終端采用DSP+CPLD+ARM的多處理器方式，配以容量可擴(kuò)展的RAM和FLASH芯片，通過CAN-BUS數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)插件間數(shù)據(jù)傳輸。其中DSP芯片作為保護(hù)數(shù)據(jù)計(jì)算專用處理器，保證了饋線終端保護(hù)功能的可靠執(zhí)行。

圖6　硬件系統(tǒng)原理圖

軟件程序方面，采用可視化的編程軟件開展編程操作，軟件集成了大量的功能元件庫和電氣邏輯元件，通過直接調(diào)用各種元件進(jìn)行出口入口參量編輯，即可實(shí)現(xiàn)不同功能要求下的執(zhí)行邏輯。

饋線終端采用可視化圖形界面邏輯編程平臺(tái)，通過調(diào)用元件庫中各種功能元件，對裝置的保護(hù)測量功能進(jìn)行可視化的邏輯組態(tài)二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備所要求的保護(hù)邏輯，大大降低了編程的復(fù)雜度和程序修改的難度。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

具有不停電倒負(fù)荷技術(shù)的饋線終端依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《DL/T 721-2013配電自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端》，在國家繼電保護(hù)及自動(dòng)化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心開展了帶電合環(huán)控制功能檢驗(yàn)和電磁兼容嚴(yán)酷等級驗(yàn)證。表1、表2為帶電合環(huán)控制功能檢驗(yàn)結(jié)果，表3為電磁兼容嚴(yán)酷等級測試結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明具有不停電倒負(fù)荷技術(shù)的饋線終端在電壓差及相位差整定值范圍內(nèi)，能夠準(zhǔn)確判別聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)的系統(tǒng)狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的合環(huán)控制。

表1　電壓差整定誤差功能檢驗(yàn)

表2　相位差整定誤差功能檢驗(yàn)

表3　電磁兼容嚴(yán)酷等級測試

4　結(jié)論

配網(wǎng)不停電倒負(fù)荷操作是建立在正確的合環(huán)電流計(jì)算和環(huán)網(wǎng)潮流計(jì)算基礎(chǔ)上，F(xiàn)TU饋線終端是實(shí)現(xiàn)倒負(fù)荷的關(guān)鍵執(zhí)行設(shè)備。通過饋線終端開展合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)線路電壓差和相位差監(jiān)測，從倒負(fù)荷邏輯判據(jù)和合環(huán)操作的角度給操作人員以指導(dǎo)，保障不停電倒負(fù)荷操作的正確性，對于提升供電可靠性和線路自動(dòng)化水平具有重要的意義。

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Research and Implementation of Reverse Load Operation Without Power Outagein Distribution Network

WANG Song1，WANG Haiyan2，ZHU Chenguang2
（1.Henan Pinggao Electric Co.，Ltd.，Combination Electrical Division，PingDingshan 467001，China；2.Pinggao Group Co.，Ltd.，Technology Center，PingDingshan 467001，China）

At present line maintenance or reverse load operation of the distribution network often under the condition of power failure.Aiming at this problem of power failure when the line maintenance proposes a method of using feeder terminal to monitor the voltage and phase difference on both sides of the closedloop point.when the conditions are met，the load can be charged to achieve the operation.This method based on the model of radiation distribution network，using the forward and backward substitution method calculates the power flow in distribution network，using the principle of superposition calculates the loop current.Meanwhile，the research of FTU program and logic criterion based on ARM processor is carried out.The results indicate that the feeder terminal setted in the range of voltage and phase can determine the state of the system and control the operation accurately，insure the correctness of the operation.

reverse load operation without power outage；ringed network power folw；loop closing operation

TM762

A DOI：10.3969/j.issn.1672-0792.2016.07.004

2016-05-23。

王松（1976-），男，工程師，研究方向?yàn)殚_關(guān)設(shè)備智能化及集成技術(shù)，E-mail:1411344186@qq.com。