配电网不停电倒负荷技术研究与实现

王 松，王海燕，朱晨光

（1.河南平高电气股份有限公司组合电器事业部，河南 平顶山 467001；2.平高集团有限公司技术中心，河南 平顶山 467001）

配电网不停电倒负荷技术研究与实现

王 松1，王海燕2，朱晨光2

（1.河南平高电气股份有限公司组合电器事业部，河南 平顶山 467001；2.平高集团有限公司技术中心，河南 平顶山 467001）

目前配电网在进行线路检修或倒负荷操作时，通常是在停电的状态下进行操作。针对倒负荷操作需要进行线路停电的问题，提出了一种通过馈线终端监测合环点两侧线路电压差和相位差，以合环动作条件做为判据来实现不停电倒负荷的方法。该方法以辐射线路配电系统模型为基础，利用前推回代算法进行配电网环网潮流计算，利用叠加原理开展合环电流的计算，开展了以ARM处理器为核心的FTU馈线终端不停电倒负荷程序设计和逻辑判据研究。研究表明：具有不停电倒负荷功能的馈线终端在电压差及相位差整定值范围内，能够准确判别联络开关两侧的系统状态，实现可靠的合环控制，保障不停电倒负荷操作的正确性。

不停电倒负荷；环网潮流；合环操作

0　引言

随着经济的快速发展和城市规模的不断扩大，城市用电负荷日益增长，居民用电和工业生产对供电的的可靠性要求越来越高，采用双向手拉手供电和多电源方式供电的电网结构日渐增多。正常情况下，为保证配电网的辐射线路运行方式，联络开关一般位于分闸状态，即 “闭环网络，开环运行”。考虑到电网的经济安全运行以及线路设备的定期检修维护、事故处理、过载转负荷等问题，配电线路运行方式经常会发生变化，需要进行倒负荷操作。实际倒负荷的方法大多是先将线路电源侧开关断开，再合上联络开关将它投运到另一个电源供电，即操作过程中要有短时的停电，约0.5～1 h。据统计，倒负荷操作占系统全部操作（设备检修、投入、退出等）的70%左右。

在计划检修或其它电网突发事件的情况下，配电网实行不停电倒负荷成为提高供电可靠性的有力措施，也已经是 “手拉手”配电线路运行的必然趋势［1］。目前，许多配电线路安装了联络或分段负荷开关，使得配电线路运行方式更加灵活，大规模地采用配电网不停电倒负荷技术已经成为可能。

智能电网的快速发展为不停电倒负荷技术在配电网调度中的应用提供了必要条件。智能配电网具有自愈、高可靠性、高安全性、高经济效益等特点，这就要求配电网调度要摒弃传统的停电转移负荷技术，利用不停电倒负荷技术来保证供电可靠性。

1　不停电倒负荷技术

配电网实施不停电倒负荷具有很多技术优越性，能够显著提高供电可靠率，缩短户均停电时间，但在实际线路运行中并不能盲目采用，需要针对线路运行参数进行具体分析。当线路因接地故障或天气原因出现分闸，此时不停电倒负荷操作执行后，线路中的环网潮流重新进行了分布，线路另一侧的开关设备会带上倒负荷操作转移而来的电力负荷，甚至会超出设备的峰值耐受能力。如电流超出保护整定范围，则会导致开关保护跳闸，造成倒负荷操作失败，引起更大范围的线路断电。

配电线路正常运行时，合环点两边的线路处于开环独立运行状态，两侧的线路通常是由不同的母线供电的。当系统进行合环操作时，会因合环点两边的母线相位差、电压差、母线对系统短路阻抗、合环过程的暂态冲击电流等因素可能会产生较大的环网电流，甚至会导致保护测控装置误动作，因此需要考虑环网线路的合环电流和环网潮流分布，在进行合环操作时，必须要先进行计算校验。

1.1合环电流计算

计算合环电流采用叠加原理，将合环网络拆分为开环网络和等效闭环网络的叠加［2］，如图1所示，闭环网络的电流、功率等于开环网络和等效闭环网络的电流、功率之和。

图1　合环电流的计算

即:合环电流=开环网络负荷电流+合环点因电压差所引起的循环电流。

式中:S1、S2分别表示节点1、2处的负荷容量；S为环网功率；I11负荷、I22负荷分别为节点1、2处的负荷电流；I环为环网电流；I11环、I22环分别表示支路1、2上的电流。

1.2环网潮流计算

计算环网潮流需要考虑以下配电网结构特点:从负荷分类上看，存在大量的离散式、随机负荷；从负载能力上看，通常发生三相负载不平衡问题；从线路走线方式看，以辐射型网架为主，以弱环连接结构为辅。

考虑到配网网架的结构特殊性，目前适用于配网潮流算法的计算方法主要有代数求解法、牛顿-拉夫逊法和前推回代法等［3］。对于图2中辐射型配电网系统，其中a、b、c表示网络节点，根据潮流流向将节点a定义为节点b的根节点，节点b是节点a的子节点，同理定义节点b与节点c；Pab、Qab分别代表根节点a流向子节点b的有功功率和无功功率，PLab、QLab分别代表支路ab上的负载有功功率损耗和无功功率损耗，PDb、QDb分别代表子节点 b的负载有功功率和无功功率。

图2　辐射型配电网系统模型

利用前推回代算法计算电网潮流的过程有五个步骤，如下所示:

（2）考虑负载的静态电压特性，计算负载参数；

节点i的前推计算公式:

当进行节点b的节点电压回代时，根节点a电压已由当前迭代公式计算完毕。节点b的回代公式:

式中:Va表示节点a复电压的共轭。

1.3不停电倒负荷操作的条件

合环操作产生的冲击电流和稳态电流的大小和以下因素有关:联络开关两侧对配电系统的短路阻抗值、联络开关两侧的电压差和电压相位角差的大小。如果冲击电流超过额定值，就有可能超过保护整定值引起线路继电装置的跳闸动作，造成合环操作失败。为保证不停电倒负荷操作的正确率，线路或装置需要满足以下几点要求:

（1）相位应保持一致，第一次执行和环操作或进行了可能会改变相序的检修维护作业后，必须要进行核相检验；

（2）应尽量缩小合环点联络开关两侧的线路电压差；

（3）合环后不会引起网络内各电气装置过负荷；

（4）二次测控装置和保护装置应具备环网运行自适应功能；

（5）合环线路内存在接地情况时，禁止合环操作。

当然，上述不停电倒负荷条件为理论最优条件，在实际的配电网络运行过程中，以上合环条件为理想条件，在实际操作中相位差在5°以内满足即可。由于配电网络结构形式和负载的多样性，各别场合甚至允许合环点两侧电压差小于10%、相位差小于15°即满足操作要求。所以在不停电倒负荷操作之前，开展稳态电流和冲击电流的仿真计算，得出允许的相位和电压差值区间，还是很有必要的。若计算结果不在允许范围内，必须针对线路运行方式进行优化调度，符合条件后方可开展倒负荷操作。

2　不停电倒负荷在终端设备中的实现

要实现配电网不停电倒负荷功能，除了主站端需要评估合环可行性外，还需要在就地测控终端FTU上对合环开关两侧线路的电气参数进行实时监测，包括两侧线路的断路器、联络开关、合环点两侧的相电压、电流等。依据监测结果，对合环开关两侧的压差、相位进行分析判断，确定是否具备实时合环条件。当站端指令合环时，若当前系统工作在稳态，相应的继保未启动，则控制联络开关合环，并向主站上送合环成功；否则，向主站端上送合环失败。

2.1不停电倒负荷逻辑判据

图3所示为合环逻辑判据图，主要逻辑关系为:合环压板投入，联络开关在分闸位置，系统未启动（暂态），接收合环命令，检测开关两端电压差、相位差、频率差是否均小于整定值。当以上判据均为真时，经整定时间延时后，系统进行合环动作。

图3　合环判据逻辑图

图4所示为合环计数器逻辑图，主要逻辑关系为:合环压板投入，联络开关位于分闸位置，系统未启动（暂态），接收合环命令，检测开关两端电压差、相位差、频率差是否均小于整定值，当以上判据存在一个为假时，则清零合环计数器。

图4　合环计数器逻辑图

2.2馈线终端合环操作程序流程设计

不停电倒负荷功能首先需要在程序中计算联络开关两侧电压差、相位差和频率差（频率差根据不同主接线运行方式的不同可以选择，当两侧母线电压来源为同一主变时，其频率不存在偏差因素，可不用判别），然后与相应的设定定值相比较并置位响应状态标志，当这些参数满足合环要求且有就地或远方合环命令时，设备持续监测开关位置、运行稳态、合环功能投入压板等IO状态参量，当这一持续时间大于等于时间定值TZD时，装置认为合环条件满足，驱动继电器投入联络开关，并发送相应的报文通知合环状态。

图5所示为不停电倒负荷软件流程:将合环状态标志为清零，判断合环压板是否投入，若为“否”，则置合环压板未投入标志位；判断联络开关是否分位，若为 “否”，则置联络开关合位标志位；判断启动标志是否为0，若为 “否”，则置启动标志位；判断当前压差是否小于定值，若为“否”，则置压差超限标志位；判断当前相差是否小于定值，若为 “否”，则置相差超限标志位；判断当前频差是否小于定值，若为 “否”，则置频差超限标志位；判断合环状态标志位是否为0，若为 “否”，则合环计数器为0、合环启动标志为0、清环合命令，返回；判断合环状态标志是否为1，若为 “否”，则判断是否有合环命令，若为“否”，则合环闭锁标志位为1、合环计数器为0、合环启动标志为0、清环合命令，返回；若为“是”，则合环计数器为0、合环启动标志为0、清环合命令，返回。合环启动标志为1，判断合环计数器是否大于整定值，若为 “否”，则返回；若为 “是”，则闭合联络开关发送状态报告，清合环状态标志、清合环计数器，程序返回。

图5　不停电倒负荷程序流程图

2.3馈线终端硬件系统设计

馈线终端硬件系统基于模块化、平台化的理念搭建，主要由数据处理模块、模拟量采集模块、开入开出控制模块和通信模块组成，硬件系统原理框图如图6所示。

馈线终端采用统一硬件技术方案设计，终端采用DSP+CPLD+ARM的多处理器方式，配以容量可扩展的RAM和FLASH芯片，通过CAN-BUS数据总线实现插件间数据传输。其中DSP芯片作为保护数据计算专用处理器，保证了馈线终端保护功能的可靠执行。

图6　硬件系统原理图

软件程序方面，采用可视化的编程软件开展编程操作，软件集成了大量的功能元件库和电气逻辑元件，通过直接调用各种元件进行出口入口参量编辑，即可实现不同功能要求下的执行逻辑。

馈线终端采用可视化图形界面逻辑编程平台，通过调用元件库中各种功能元件，对装置的保护测量功能进行可视化的逻辑组态二次开发，实现各种设备所要求的保护逻辑，大大降低了编程的复杂度和程序修改的难度。

3　试验验证

具有不停电倒负荷技术的馈线终端依据行业标准 《DL/T 721-2013配电自动化远方终端》，在国家继电保护及自动化设备质量监督检验中心开展了带电合环控制功能检验和电磁兼容严酷等级验证。表1、表2为带电合环控制功能检验结果，表3为电磁兼容严酷等级测试结果。试验结果表明具有不停电倒负荷技术的馈线终端在电压差及相位差整定值范围内，能够准确判别联络开关两侧的系统状态，能够实现可靠的合环控制。

表1　电压差整定误差功能检验

表2　相位差整定误差功能检验

表3　电磁兼容严酷等级测试

4　结论

配网不停电倒负荷操作是建立在正确的合环电流计算和环网潮流计算基础上，FTU馈线终端是实现倒负荷的关键执行设备。通过馈线终端开展合环点两侧线路电压差和相位差监测，从倒负荷逻辑判据和合环操作的角度给操作人员以指导，保障不停电倒负荷操作的正确性，对于提升供电可靠性和线路自动化水平具有重要的意义。

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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，工程师，研究方向为开关设备智能化及集成技术，E-mail:1411344186@qq.com。