配電網(wǎng)合環(huán)決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

山東省鄒城市供電公司 劉令民

湖南電力檢修公司 劉令富

浙江省金華市供電公司 金從友

1.引言

配電網(wǎng)一般采用閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行的供電方式。在倒負(fù)荷或線路檢修時(shí)，通過合、解環(huán)操作可以減少停電時(shí)間，提高供電可靠性，但由此引起的環(huán)流，對(duì)配電網(wǎng)的安全運(yùn)行有很大的影響[1]。通過對(duì)可能的合環(huán)路徑進(jìn)行分析，從潮流計(jì)算和分析的角度給運(yùn)行人員以依據(jù)，有助于運(yùn)行人員對(duì)地區(qū)電力網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行方式進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，從而快速、準(zhǔn)確地找出最佳合環(huán)路徑，達(dá)到預(yù)期目的，保證用戶利益，減少停電損失?？梢?，系統(tǒng)的開發(fā)具有重要的實(shí)際指導(dǎo)意義。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本軟件系統(tǒng)的主要目標(biāo)是完善目前配電網(wǎng)合環(huán)調(diào)度系統(tǒng)，使之能跟上電網(wǎng)特別是配電網(wǎng)的發(fā)展；首先實(shí)現(xiàn)對(duì)地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行方式分析和模擬操作的可視化系統(tǒng)，為調(diào)度運(yùn)行提供決策支持和服務(wù)；隨后在建立成熟離線分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)上逐步實(shí)現(xiàn)與SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的接口，建立在線分析系統(tǒng)。因此，我們?cè)谲浖目傮w設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮了以下幾個(gè)因素：

1）為保證軟件良好的用戶界面，采用VC++作為開發(fā)平臺(tái)，借助標(biāo)準(zhǔn)的窗口、菜單、對(duì)話框等圖形界面，使得整個(gè)軟件內(nèi)部功能轉(zhuǎn)換和連接十分平滑，界面美觀，操作邏輯性強(qiáng)，易于學(xué)習(xí)和使用。

2）對(duì)電網(wǎng)的分析過程也就是對(duì)數(shù)據(jù)的存取處理加工過程，對(duì)最終的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表輸出就是用戶所希望看到的結(jié)果。本軟件以數(shù)據(jù)庫為核心，軟件的各模塊通過存取數(shù)據(jù)庫與軟件聯(lián)系起來，而它們之間不直接訪問。這樣就在最大程度上減少了各模塊間的耦合程度，便于各模塊單獨(dú)編程和調(diào)試，具有很好的擴(kuò)充性和移植性。

3）數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中的存儲(chǔ)有兩種方式，一是以整圖為主體（圖文件）作為一個(gè)字段直接存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中；二是以圖中的子元素為主體存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。前者的優(yōu)點(diǎn)是簡單，易于實(shí)現(xiàn)；后者的優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)圖中的每個(gè)元素進(jìn)行操作，靈活性高。鑒于整個(gè)系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性，解決系統(tǒng)間的互聯(lián)和共享問題，本文采用第二種存儲(chǔ)方式。

軟件中各模塊間的關(guān)系如圖1所示。

其中，界面部分作為主控模塊，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的錄入、查詢、修改等工作，同時(shí)具有圖表輸出功能。界面模塊接受使用者的命令，調(diào)用運(yùn)行軟件的功能模塊。功能模塊用來完成系統(tǒng)中各項(xiàng)子功能。

3.系統(tǒng)組成

軟件從整體上可以分為圖形編輯功能和合環(huán)電流分析兩大模塊。圖形編輯功能主要包括網(wǎng)絡(luò)建模模塊、拓?fù)浞治黾半姎鈲u分析、數(shù)據(jù)庫操作模塊；合環(huán)電流分析模塊主要包括瞬時(shí)沖擊電流計(jì)算、合環(huán)后穩(wěn)態(tài)電流計(jì)算等功能。

3.1 網(wǎng)絡(luò)建模模塊

該子系統(tǒng)提供了多種電力系統(tǒng)常用圖元，如發(fā)電機(jī)、變壓器、母線、線路、負(fù)荷、斷路器、電容器，電抗器等電力系統(tǒng)中最基本的組成部分，所有的元件通過連接而形成網(wǎng)絡(luò)。

在面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形VC++為開發(fā)工具，將各種配電網(wǎng)的設(shè)備元件通過一個(gè)類來表示，各個(gè)類對(duì)象的參數(shù)，連接信息組成網(wǎng)絡(luò)對(duì)象。此模塊構(gòu)造了配電網(wǎng)潮流計(jì)算所需要的各一次元件類，在這些類中包含了繪制該類對(duì)象的繪圖函數(shù)。

構(gòu)造一次元件基類：面向?qū)ο蟮募夹g(shù)使我們可以完全按照元件的真實(shí)屬性在程序中構(gòu)造它，即用繼承的方法實(shí)現(xiàn)圖2所示的關(guān)系。所有的電氣元件按照程序的需要包括四個(gè)方面的數(shù)據(jù)：1）電氣參數(shù)；2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)；3）圖形繪制參數(shù)；4）在使用中的名稱和編號(hào)參數(shù)所在位置。在這四種參數(shù)中，名稱、所在位置和編號(hào)參數(shù)是所有元件共有的相同數(shù)據(jù)。從基類中派生出連接類，所有元件類分別為單連接點(diǎn)元件基類、雙連接點(diǎn)元件基類、三連接點(diǎn)元件基類，以及母線類。

3.2 拓?fù)浞治黾半姎鈲u分析

該模塊的主要功能是完成電氣接線圖的繪制，并完成圖形糾錯(cuò)和孤立元素的定位，保證圖紙的正確。之后將對(duì)圖形元素進(jìn)行歸類，合并處理，形成潮流計(jì)算所用的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，為潮流計(jì)算做準(zhǔn)備。

針對(duì)配電網(wǎng)的輻射型結(jié)構(gòu)可以用一棵樹來表示這一特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浞治銎毡椴捎玫氖菢渌阉鞣?。在樹搜索中，將母線(節(jié)點(diǎn))看作圖的頂點(diǎn)，將支路看作是圖的邊。

為加快搜索速度，應(yīng)該盡量減少搜索的范圍。通常對(duì)配電網(wǎng)來說，開關(guān)變位造成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化的情況是很少發(fā)生的。在大多數(shù)情況下，開關(guān)變位的影響是局部的。基于這一點(diǎn)，可以在開關(guān)變位前的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，從而可以大大減少搜索范圍，提高搜索速度。

除變電所開關(guān)外，配電網(wǎng)中存在大量的饋線開關(guān)，饋線開關(guān)的變位不但造成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)/支路關(guān)聯(lián)關(guān)系發(fā)生變化，有可能致使電氣島的合并或解列。

圖1 軟件模塊關(guān)系

圖2 類繼承關(guān)系

一個(gè)電氣島內(nèi)部的一條支路投入運(yùn)行，只需進(jìn)行節(jié)點(diǎn)/支路關(guān)聯(lián)關(guān)系的修正；聯(lián)絡(luò)兩個(gè)子系統(tǒng)的支路投入運(yùn)行，造成電氣島的合并。這兩種情況下，都不需要進(jìn)行樹搜索。而判斷一條支路是加入一個(gè)子系統(tǒng)的內(nèi)部還是連接兩個(gè)子系統(tǒng)，只需簡單的判斷支路將要連接的兩端母線所屬的電氣島號(hào)是否相同。

相反的，如果一條支路退出運(yùn)行，退出以后，以支路的一端母線為起點(diǎn)進(jìn)行樹搜索，如果能夠搜索到支路的另一端母線，則支路是電氣島內(nèi)部的一條支路，如果搜索不到另一端的母線，則該支路有可能是連接兩個(gè)電氣島的聯(lián)絡(luò)線，也可能形成新的孤立的電氣島。上述幾種情況綜合如下：

(1)支路投入運(yùn)行，根據(jù)支路要連接的兩端母線所處的電氣島是否相同，分別進(jìn)行節(jié)點(diǎn)/支路關(guān)聯(lián)關(guān)系的修正和電氣島的合并，不需搜索。

(2)支路退出運(yùn)行，以支路的一端母線為起點(diǎn)進(jìn)行樹搜索，如果能夠搜索到支路的另一端母線，則只進(jìn)行節(jié)點(diǎn)/支路關(guān)聯(lián)關(guān)系的修正；否則系統(tǒng)解列，形成新的電氣島。

3.3 數(shù)據(jù)庫操作模塊

3.3.1 遙測遙信庫

該數(shù)據(jù)庫用來存儲(chǔ)SCADA系統(tǒng)采集到的電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)遙測遙信量，主要提供電網(wǎng)的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，包括：1)開關(guān)、刀閘狀態(tài)量；2)發(fā)電機(jī)、負(fù)荷、線路首末端、變壓器各側(cè)的有功負(fù)荷值、無功負(fù)荷值；3)各母線的電壓值；4)變壓器檔位值等。1)中的狀態(tài)量為遙信量，其余各量為遙測量，主要功能是提供電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)量，為無功優(yōu)化提供初始值。

3.3.2 電網(wǎng)物理參數(shù)數(shù)據(jù)庫

該數(shù)據(jù)庫主要用來定義電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)各種設(shè)備參數(shù)信息，反映電網(wǎng)設(shè)備間的物理拓?fù)溥B接關(guān)系。在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建模時(shí)通過調(diào)用設(shè)備參數(shù)信息提供電網(wǎng)元件的有名值或者標(biāo)么值。電網(wǎng)物理參數(shù)數(shù)據(jù)庫是以EXCEL表的形式構(gòu)成的，每個(gè)表均有特定的物理含義，與實(shí)際電網(wǎng)及所屬設(shè)備相互關(guān)聯(lián)，例如LN表代表線路，包含了線路類型、線路長度、線路首末端物理節(jié)點(diǎn)號(hào)等相關(guān)信息，可以根據(jù)線路類型和線路長度獲得其電阻、電抗和電納參數(shù)，首末端物理節(jié)點(diǎn)號(hào)則反映了其物理拓?fù)溥B接關(guān)系；再如XF表代表變壓器，包含了變壓器的相關(guān)信息。

3.4 合環(huán)電流分析模塊

圖3 暫態(tài)沖擊電流計(jì)算模型

合環(huán)決策分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)是潮流計(jì)算，它是研究電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式的基本手段。潮流計(jì)算的任務(wù)是根據(jù)給定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行數(shù)據(jù)求出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)，包括系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)(母線)的電壓，線路上的功率分布以及功率損耗等。由于潮流計(jì)算的已知量與待求量之間是非線性關(guān)系，因此潮流計(jì)算問題在數(shù)學(xué)上是多元非線性代數(shù)方程組的求解問題，采用迭代方法計(jì)算。潮流計(jì)算完成后，進(jìn)行合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流和沖擊電流的計(jì)算，并判斷合環(huán)電流是否越限。

合環(huán)分析系統(tǒng)提供了正常方式下的電網(wǎng)運(yùn)行工況(即基本工況)。這樣，用戶可以將不同的運(yùn)行方式存為不同的工況(如最大負(fù)荷情況、高峰負(fù)荷情況等)，調(diào)入不同的工況可計(jì)算出不同工況下的合環(huán)電流。

4.合環(huán)計(jì)算模型

合環(huán)電流的計(jì)算包括合環(huán)瞬間沖擊電流和合環(huán)后穩(wěn)態(tài)電流的計(jì)算，以防止合環(huán)產(chǎn)生的環(huán)流對(duì)線路和設(shè)備造成過載，或引起保護(hù)誤動(dòng)作(主要是因?yàn)闆_擊電流)。下面只著重介紹沖擊電流的計(jì)算模型。

所謂沖擊電流是指并列斷路器合閘時(shí)通過斷路器主抽頭的電流，一般情況下，沖擊電流的幅值較高且持續(xù)時(shí)間很短。計(jì)算合環(huán)暫態(tài)沖擊的單相等值電路如圖3所示。

由于線路呈感性，合環(huán)至穩(wěn)態(tài)的整個(gè)過程是振蕩衰減的，因此建立微分方程計(jì)算沖擊電流，得到實(shí)時(shí)響應(yīng)。

計(jì)算模型中的激勵(lì)為A相相電壓，為：

5.結(jié)語

通過對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)可以看出，獲取較為完整的網(wǎng)絡(luò)(供電網(wǎng)和配電網(wǎng))結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)直接關(guān)系到系統(tǒng)的應(yīng)用效果。所以，收集、保存相關(guān)的參數(shù)和信息至關(guān)重要。

在現(xiàn)有的配電網(wǎng)合環(huán)分析系統(tǒng)進(jìn)行合環(huán)分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，加入配電網(wǎng)合環(huán)操作專家系統(tǒng)，不但可以給出計(jì)算結(jié)果，同時(shí)提供解合環(huán)的操作指導(dǎo)，輔助運(yùn)行人員進(jìn)行決策，為配電網(wǎng)能夠更加安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行提供依據(jù)，還有待進(jìn)一步探討。

[1]強(qiáng)興華.地區(qū)電網(wǎng)合環(huán)操作的潮流近似計(jì)算[J].江蘇機(jī)電工程.2002,10(21):39-40.

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