基于主網(wǎng)GIM的配電網(wǎng)合環(huán)潮流計(jì)算①

賀 翔，劉永強(qiáng)，樊利民

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510640）

國(guó)內(nèi)城市電網(wǎng)普遍采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)、開(kāi)環(huán)運(yùn)行的方式。正常運(yùn)行時(shí)，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)為打開(kāi)，以保證配電網(wǎng)的輻射狀運(yùn)行結(jié)構(gòu)。當(dāng)線路設(shè)備需要檢修時(shí)，饋線上的多電源供電的負(fù)荷就可以通過(guò)合環(huán)操作，轉(zhuǎn)移到與之相連的其他母線或饋線上，以減少停電時(shí)間，提高供電可靠性。在合環(huán)操作前，對(duì)合環(huán)操作產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)電流進(jìn)行計(jì)算和分析可以對(duì)配電網(wǎng)合環(huán)后運(yùn)行可靠性評(píng)估提供依據(jù)。

對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行合環(huán)潮流分析的方法較多，比較常用的方法有“兩階段法”等［1～4］。該方法按照疊加原理和替代原理將合環(huán)潮流分為兩部分，即一部分是合環(huán)之前各支路的初始潮流；另一部分是由合環(huán)開(kāi)關(guān)兩端電壓相量差引起的循環(huán)潮流在網(wǎng)絡(luò)中的分布。而在第二階段計(jì)算時(shí)上級(jí)電網(wǎng)等值阻抗的求取是一個(gè)難點(diǎn)［1］。

傳統(tǒng)的方法主要有迭代法［1］、REI等值法［5］及Ward等值法［5］等。迭代法需要了解上級(jí)電網(wǎng)特點(diǎn)，不斷逼近，求得的等值阻抗有一定誤差。REI或Ward等值法則需要復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)建模分析。

文獻(xiàn)［6］提出采用戴維南等值法進(jìn)行合環(huán)潮流分析，利用節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣求取等值阻抗，其上級(jí)電網(wǎng)處理使用了REI和Ward結(jié)合的等值方式。部分合環(huán)分析系統(tǒng)忽略上級(jí)電網(wǎng)阻抗部分或用環(huán)路上的支路阻抗直接相加［7］。

為了滿足實(shí)時(shí)分析要求，本文直接利用主網(wǎng)公用信息模型CIM（common information model）信息和數(shù)據(jù)采集監(jiān)視控制SCADA（supervisory control data acquisition）數(shù)據(jù)，生成主網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，利用戴維南定理得到精確等值阻抗。

1 CIM模型介紹

公用信息模型（CIM）是一個(gè)抽象模型，用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)定義［8］，表示包含在能量管理系統(tǒng)EMS（energy management system）信息模型中電力企業(yè)所有主要對(duì)象。它提供了一種用對(duì)象類和屬性及它們之間關(guān)系來(lái)表示的電力系統(tǒng)資源的標(biāo)準(zhǔn)方法。CIM數(shù)據(jù)使用統(tǒng)一建模語(yǔ)言（UML）表達(dá)方法，它將CIM定義成一組包，包括域包、核心包、電線包、測(cè)量包、保護(hù)包以及SCADA包等等。每1個(gè)包包含1個(gè)或多個(gè)類圖，用以表示該包中的所有類及它們之間的相互關(guān)系，各個(gè)類是通過(guò)聚合、繼承和簡(jiǎn)單關(guān)聯(lián)而聯(lián)系在一起的。一個(gè)類是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中發(fā)現(xiàn)的一種對(duì)象的表示，在電力系統(tǒng)中具有唯一身份的一個(gè)具體對(duì)象則被建模成它所屬類的一個(gè)實(shí)例，根據(jù)類的屬性及與其它類的關(guān)系，用約定的字符定義電力資源。

CIM模型定義了導(dǎo)電設(shè)備類與端點(diǎn)、端點(diǎn)與連接節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。計(jì)算拓?fù)渌枰母骰绢惣瓣P(guān)系如圖1所示。

圖1 CIM中各基本類及關(guān)系Fig.1 Basic class of CIM and its relationships

根據(jù)各對(duì)象類的屬性及之間的關(guān)系可以恢復(fù)出完整的系統(tǒng)邏輯視圖［9］。

2 合環(huán)電流計(jì)算

正常情況下，電力系統(tǒng)輸電網(wǎng)一般為環(huán)狀運(yùn)行狀態(tài)，10 k V以下配電網(wǎng)一般開(kāi)環(huán)運(yùn)行。正常時(shí)候，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)，兩個(gè)變電站母線分別帶各自的配電線路，當(dāng)一側(cè)母線需要檢修或出現(xiàn)故障時(shí)，就需要在配電網(wǎng)合環(huán)點(diǎn)先合上聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，再斷開(kāi)該站出線開(kāi)關(guān)，將該側(cè)負(fù)荷轉(zhuǎn)移到另一側(cè)母線，從而保證不間斷供電。為了判斷合環(huán)操作是否安全，需要對(duì)合環(huán)后潮流進(jìn)行分析，本文使用基于疊加定理的改進(jìn)兩階段法進(jìn)行分析。

圖2 配電網(wǎng)絡(luò)合環(huán)模型Fig.2 Models of distribution network for loop closing operation

如圖2所示，圖2（a）表示合環(huán)后的網(wǎng)絡(luò)，按照疊加原理和替代原理，可以分解為圖2（b）與圖2（c）之和。也就是說(shuō)電磁環(huán)網(wǎng)的潮流分布等于合環(huán)前網(wǎng)絡(luò)潮流和合環(huán)后等值網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)之和，即合環(huán)后的支路潮流由兩部分疊加而成：一部分是合環(huán)之前各支路的初始潮流；另一部分是由合環(huán)開(kāi)關(guān)兩端電壓相量差引起的循環(huán)潮流在網(wǎng)絡(luò)中的分布。第一部分可以用前推回代法計(jì)算，從而得到合環(huán)點(diǎn)電壓。第二部分原輻射網(wǎng)絡(luò)可以等效為理想電壓源Uij和一個(gè)串聯(lián)內(nèi)阻Zkk，想要求合環(huán)點(diǎn)流過(guò)的電流，這里由于涉及到了上級(jí)電網(wǎng)，對(duì)上級(jí)電網(wǎng)等值阻抗Zeq的求取是個(gè)難點(diǎn)，還需要對(duì)上級(jí)電網(wǎng)進(jìn)行分析。

3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?/h2>

由于電網(wǎng)CIM數(shù)據(jù)量大，在計(jì)算等值阻抗時(shí)沒(méi)必要對(duì)整個(gè)全部電網(wǎng)進(jìn)行分析，我國(guó)電網(wǎng)采用自上而下分層結(jié)構(gòu)，聯(lián)絡(luò)比較簡(jiǎn)單，故可以把主網(wǎng)中每個(gè)220 k V供電區(qū)域作為一個(gè)子區(qū)域，與其它子區(qū)域的聯(lián)絡(luò)線可暫時(shí)當(dāng)作功率恒定的電源或負(fù)荷處理。這樣對(duì)單個(gè)子區(qū)域進(jìn)行計(jì)算。

為了加快檢索速度，按照上述分區(qū)首先把需要的信息提取出來(lái)，包含區(qū)域內(nèi)形成拓?fù)湫枰母髯冸娬緝?nèi)設(shè)備信息。

變壓器分為雙繞組變壓器和三繞組變壓器，在計(jì)算時(shí)對(duì)其進(jìn)行π形等值，轉(zhuǎn)換成可以直接用來(lái)計(jì)算的支路樣式，與線路信息一起，構(gòu)成同一結(jié)構(gòu)的支路信息。

根據(jù)片區(qū)內(nèi)支路信息，找到該片區(qū)與其他片區(qū)的聯(lián)絡(luò)支路，根據(jù)SCADA中的遙測(cè)數(shù)據(jù)，查詢片區(qū)內(nèi)電壓等級(jí)最高的電源點(diǎn)，即下面計(jì)算所需要的根節(jié)點(diǎn)。與外界聯(lián)絡(luò)的支路按上面流過(guò)的負(fù)荷值當(dāng)作電源或負(fù)荷。

根據(jù)CIM對(duì)選定主網(wǎng)進(jìn)行拓?fù)浞治龅幕静襟E如下：

1）選取區(qū)域內(nèi)電壓等級(jí)最高的電源點(diǎn)，定義該點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)，記其新編號(hào)為0。定義變量：“當(dāng)前節(jié)點(diǎn)”，它有兩個(gè)屬性值，新編號(hào)和原始編號(hào)。賦值為根節(jié)點(diǎn)的新編號(hào)和原始編號(hào)。

2）設(shè)“當(dāng)前節(jié)點(diǎn)”新編號(hào)為i，原始編號(hào)為k，上次查詢找到的支路編號(hào)為j。第一次時(shí)i為0，j為0，k為根節(jié)點(diǎn)原始編號(hào)。根據(jù)“當(dāng)前節(jié)點(diǎn)”原始編號(hào)搜索相連接的支路和開(kāi)關(guān)信息。

3）如果本節(jié)點(diǎn)接著一個(gè)開(kāi)關(guān)，查詢本開(kāi)關(guān)是否導(dǎo)通，如果不導(dǎo)通，刪除該開(kāi)關(guān)信息，返回第二步搜索過(guò)程。如果導(dǎo)通，則設(shè)置開(kāi)關(guān)另一側(cè)節(jié)點(diǎn)新編號(hào)為i，“當(dāng)前節(jié)點(diǎn)”如果還連有其他設(shè)備，“當(dāng)前節(jié)點(diǎn)”信息記入堆棧。開(kāi)關(guān)另一側(cè)節(jié)點(diǎn)的新編號(hào)和原始編號(hào)賦值給“當(dāng)前節(jié)點(diǎn)”。刪除該開(kāi)關(guān)信息。重復(fù)第二步搜索過(guò)程。

4）如果查到本節(jié)點(diǎn)接著一條支路，命名該支路編號(hào)為j＋1。如果該支路末端節(jié)點(diǎn)沒(méi)有新編號(hào)，該支路末端節(jié)點(diǎn)新編號(hào)為j＋1?！爱?dāng)前節(jié)點(diǎn)”如果還連有其他設(shè)備，“當(dāng)前節(jié)點(diǎn)”信息記入堆棧。支路末端節(jié)點(diǎn)新編號(hào)和原始編號(hào)賦值給“當(dāng)前節(jié)點(diǎn)”。刪除該支路信息。重復(fù)第二步搜索過(guò)程。

5）如果搜索“當(dāng)前節(jié)點(diǎn)”已經(jīng)找不到相連的設(shè)備，彈出堆棧最上層的信息，為“當(dāng)前節(jié)點(diǎn)”賦值，繼續(xù)第二步搜索過(guò)程。

6）如果搜索“當(dāng)前節(jié)點(diǎn)”已經(jīng)找不到相連的設(shè)備，堆棧中也沒(méi)有數(shù)據(jù)，搜索完成。

4 等值阻抗求取

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浍@取后，利用主網(wǎng)CIM和SCADA系統(tǒng)提供的支路阻抗和節(jié)點(diǎn)功率，求取等值阻抗，具體可分為兩步：

1）對(duì)主網(wǎng)用牛頓－拉夫遜法進(jìn)行潮流計(jì)算，得到開(kāi)環(huán)點(diǎn)開(kāi)路電壓；

2）假設(shè)開(kāi)環(huán)點(diǎn)連接已知阻抗支路，再次求取合環(huán)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)電壓。

通過(guò)對(duì)主網(wǎng)進(jìn)行戴維南等效，得到實(shí)時(shí)主網(wǎng)的環(huán)路阻抗。計(jì)算方法如下：

設(shè)第一次測(cè)得的開(kāi)環(huán)點(diǎn)電壓差為˙U1，第二次測(cè)量的電壓差為˙U2，第二次計(jì)算時(shí)引入的已知阻抗支路的阻抗為Z，則環(huán)路等效阻抗Zeq即為

5 實(shí)際算例分析

依照該算法編制了配電網(wǎng)合環(huán)分析系統(tǒng)，以廣東省某市紅旗線、前豐線環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)合環(huán)為算例進(jìn)行計(jì)算。

紅旗線出線與前豐線出線分開(kāi)運(yùn)行，由不同主變供電。紅旗線共有7段，前豐線共有8段。按功率流向給兩段線各節(jié)點(diǎn)分別依次編號(hào)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涿枋龇謩e見(jiàn)表1和表2。

其中，監(jiān)測(cè)到紅1段末端有負(fù)荷1101.6＋j122.4 k VA，紅2段末端有負(fù)荷1647＋j183 k VA，紅3段末端有負(fù)荷569.7＋j63.3 k VA，紅5段上有負(fù)荷237.6＋j26.4 k VA，紅7段上有負(fù)荷1128.6＋j125.4 k VA，前5段上有負(fù)荷4336.2＋j481.8 k VA。

軟件從主網(wǎng)SCADA系統(tǒng)中讀取到紅旗線出線電壓為10.4 k V，相角為－11.46°，前豐線出線電壓為10.33 k V，相角為－12.7°。通過(guò)計(jì)算得到的該供電片區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞蠈?shí)際運(yùn)行狀況，紅旗線、前豐線出線上級(jí)電網(wǎng)的在該處的等值阻抗為0.0156＋j0.422Ω。并依此阻抗值計(jì)算紅旗線、前豐線環(huán)網(wǎng)合環(huán)后的潮流分布，如表3所示，接近實(shí)際運(yùn)行值，滿足工程要求。

表1 紅旗線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ab.1 Network topology information of Hongqi line

表2 前豐線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ab.2 Network topology information of Qianfeng line

表3 計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results

6 結(jié)論

本文提出的利用上級(jí)電網(wǎng)CIM及SCADA數(shù)據(jù)計(jì)算等值阻抗主要用于配電網(wǎng)合環(huán)潮流計(jì)算。該方法的優(yōu)越性在于：能夠根據(jù)主網(wǎng)傳遞過(guò)來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)迅速分析主網(wǎng)接線狀態(tài)，從而得到精確的環(huán)網(wǎng)阻抗值，降低了合環(huán)潮流計(jì)算誤差。依照此原理編制的配電網(wǎng)合環(huán)輔助決策軟件，對(duì)調(diào)度員進(jìn)行合環(huán)操作起到指導(dǎo)作用。

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［5］ 龍娓莉（Long Weili）.配電網(wǎng)合環(huán)操作的研究及決策軟件的開(kāi)發(fā)（The Research on Loop Closing Operation in Distribution Network and the Development of Decision Software）［D］.北京：華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院（Beijing：School of Electrical and Electronic Engineering of North China Electric Power U－niversity），2006.

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