中低壓配電網運維過程中對有關潮流計算的研究與實現(xiàn)

陳柯豪 趙燦輝 云南電網有限責任公司昆明供電局 羅軍 云南云電同方科技有限公司

中低壓配電網運維過程中對有關潮流計算的研究與實現(xiàn)

陳柯豪 趙燦輝 云南電網有限責任公司昆明供電局 羅軍 云南云電同方科技有限公司

本文通過研究目前國內外配電網潮流計算相關成果，針對本項目實際情況，結合某供電局10KV配電網拓撲結構和設備模型，采用前推回代算法，實現(xiàn)對該局所轄范圍內的中低壓配電網進行潮流計算。并將計算結果應用于運維管控系統(tǒng)中，輔助運維人員開展運維工作，有效提高了運維作業(yè)的效率。

中低壓配電網 潮流計算 運維

電網潮流計算是指根據(jù)給定的網絡拓撲結構及設備模型作為輸入參數(shù)，通過一定的方法，來確定整個系統(tǒng)中各個節(jié)點的運行狀態(tài)，包括各個節(jié)點的電壓（幅值和相角），網絡中功率分布及功率損耗等。在配電網的網絡重構、運維決策、故障處理、無功優(yōu)化和狀態(tài)評估等方面都需要用到潮流計算的結果數(shù)據(jù)，因此可以說，配電網潮流計算是實現(xiàn)配電網分析的基礎，是進行配電網規(guī)劃設計、運行方式合理性評估、可靠性以及經濟性分析的依據(jù)。精確合理的配電網潮流計算結果能夠為配電網安全穩(wěn)定運行提供有力支撐。

中低壓配電網系統(tǒng)相對于輸電網來說，電壓等級較低、供電范圍較小，輸電網系統(tǒng)相關的設備模型和潮流計算方式已經不再適用。本文通過研究目前國內外配電網潮流計算相關成果，針對本項目實際情況，結合某供電局10KV配電網拓撲結構和設備模型，采用前推回代算法，實現(xiàn)對該局所轄范圍內的中低壓配電網進行潮流計算。并將計算結果應用于運維管控系統(tǒng)中，輔助運維人員開展運維工作，有效提高了運維作業(yè)的效率。

1 設備模型

精確的設備模型是實現(xiàn)潮流計算的前提，為了實現(xiàn)潮流計算，需要根據(jù)配電網中各種設備的特性，整理出對應的參數(shù)模型，設備模型主要涉及阻抗和導納兩個個參數(shù)。模型計算所需的基礎數(shù)據(jù)包括拓撲信息和設備信息，全部存儲在數(shù)據(jù)庫中。實際計算時先根據(jù)設備信息生成設備等值電路圖，然后根據(jù)拓撲信息生成配網，生成對應配電網的等值電路圖，最后才進行計算。本文主要討論變壓器模型、線路模型以及負荷模型。

1.1 變壓器模型

變壓器主要有二繞組變壓器和三繞組變壓器兩種，等值模型有τ形，Γ型等。在電力系統(tǒng)計算中，通常用Γ形等值電路模型進行阻抗計算。由于歷史原因，目前配電網系統(tǒng)中使用的變壓器分別來自多個廠家，所提供的變壓器參數(shù)也根據(jù)不同批次而略有不同，因此，本設計根據(jù)實際情況，建立變壓器參數(shù)數(shù)據(jù)庫，計算時根據(jù)數(shù)據(jù)庫里面的參數(shù)選擇不同的公式計算出等值阻抗。

1.2 線路模型

影響輸電線路模型的參數(shù)主要有輸電線路類型（架空線路和電纜線路）、輸電線截面積、長度、材質、線芯數(shù)量等。本文先根據(jù)阻抗估算公式計算出單位長度導線的電阻和電抗。然后綜合考慮線路長度、材質、環(huán)境等因素，選取合適的π形、τ形等值電路模型進行計算。本設計中因為所針對的配網線，其架空線路路長度小于300KM，電纜線路長度小于100KM，不需要考慮分布參數(shù)，所以選擇π形電路進行計算。

1.3 節(jié)點模型

電力系統(tǒng)中的節(jié)點主要有平衡節(jié)點、PQ節(jié)點和PV節(jié)點。對于任意節(jié)點，進行潮流計算時涉及到的運行參數(shù)都是P、Q、U和θ。計算時，已知其中兩個，待求另外兩個。在配網中，平衡節(jié)點通常就是唯一的電源節(jié)點，是其它所有節(jié)點電壓計算的參考點，已知量為U和θ，待求P和Q。PQ節(jié)點已知P和Q，也叫作負荷節(jié)點，待求量為U和θ。PV節(jié)點（比如對于配網中的無功補償裝置）已知P和U的幅值，待求Q和θ。本設計中為了簡化計算，不考慮PV節(jié)點。

1.4 負荷模型

由于用電設備種類較多，而且各節(jié)點的負荷具有一定的地域性，很難進行有效分類。因此電力系統(tǒng)通常采用給定的有功功率和無功功率進行負荷計算。根據(jù)本項目實際情況，單位時間內負荷頻率和電壓的變化不大，因此采用靜態(tài)負荷模型。實際測試表明，按40%恒功率+60%恒阻抗組合的方式進行負荷計算，能夠得到較為精確的模型。

2 潮流計算方法

國內配電網通常是采用閉環(huán)設計，開環(huán)運行，并呈輻射狀展開，各饋線之間基本沒有聯(lián)系；而且節(jié)點較多，分支雜亂。其等值電路模型與輸電網相比，具有充電電容小、電阻電抗比(R/X)較大等特點。在利用常規(guī)潮流計算方法比如牛頓法、PQ分解法等進行潮流計算時，這些特點會導致網絡的雅克比矩陣的條件數(shù)變大，出現(xiàn)不同程度的病態(tài)特征；也無法滿足P、Q解耦條件Gi＜Bi。最終導致計算不收斂，因而應用效果不明顯。

根據(jù)配電網的特點，不僅要求潮流計算方法滿足可靠收斂，還要求計算速度快、使用方便靈活易于修改及擴展。因此，本文選擇前推回代法進行潮流計算。該方法屬于支路類算法，簡單實用，充分利用了網絡呈輻射狀的結構特點，所有計算數(shù)據(jù)都以矢量形式存儲，因此節(jié)省了大量的內存，計算速度極快，對于任何種類的配電網只要有合理的R/X值，此方法均可保證一階收斂。同時，前推回代法編程簡單，被公認是求解輻射狀配電網潮流問題的最佳算法之一。

前推回代法以支路數(shù)據(jù)作為研究對象，從根節(jié)點起通過廣度優(yōu)先搜索對配電網進行分層編號，以此編號作為前推回代的順序。根據(jù)配電網樹狀特性，都是由一條主饋線帶有數(shù)條分支，各分支又帶有各自的子分支，最后終止于負荷節(jié)點。本設計中定義主饋線為第一層，在主饋線上從左到右依次定義節(jié)點編號；然后從左端開始，依次遍歷下一層各支路節(jié)點。每一層最后一個節(jié)點的編號要比下一層第一個節(jié)點編號小1。此方法非常簡便，特別容易編程實現(xiàn)，下圖是某供電局所轄配電網所使用的潮流計算節(jié)點圖（［］為層編號，（）為支路編號、數(shù)字為節(jié)點編號）：

圖1 潮流計算節(jié)點圖Fig．1 Power flow calculation node diagram

開始計算時，將全配網節(jié)點電壓都設置為額定電壓，然后由編號最大的節(jié)點依次往前推算，僅計算各節(jié)點的功率而不計算壓降；接著由編號最小的節(jié)點依次往后迭代推算電壓壓降，但這時不再計算功率損耗。具體流程圖如下：

圖2 潮流計算流程圖Fig．2 Flow chart of power flow calculation

3 計算實例

3.1 計算數(shù)據(jù)

計算所需數(shù)據(jù)由等值電路圖導出。部分初始數(shù)據(jù)及計算結果如下表所示：

表1 計算數(shù)據(jù)表Tab1e 1 Computed data table

計算迭代次數(shù)和收斂精度有關，當設置收斂精度ε=0．001時,迭代次數(shù) k=4；ε=0．00000001時,迭代次數(shù)k=8。當改變R/X的比值時，在相同的收斂精度下，迭代次數(shù)不變，這也表明R/X比值對本算法的收斂性影響不大。

4 結束語

配電網潮流計算是實現(xiàn)配電網分析的基礎，是進行配電網規(guī)劃設計、運行方式合理性評估、可靠性以及經濟性分析的依據(jù)。精確合理的配電網潮流計算結果能夠為配電網安全穩(wěn)定運行提供有力支撐。本文分析了進行中低壓配電網潮流計算所需的步驟及采用的方法，從某供電局實際情況出發(fā)，建立配網相關設備模型，并使用前推回代法實現(xiàn)該局所轄配網的潮流計算。經過試運行表明，該方案計算結果與實際測量結果基本吻合，具有較高的準確性和可靠性。同時將計算結果應用于該局運維管控系統(tǒng)中，輔助運維人員開展運維工作，有效提高了運維作業(yè)的效率。

[1]張小敏,林群,吳旭光,等.適用于低壓配電網潮流計算的前推回代法[J].水電能源科學,2016(9):183-186.

[2]畢永廷,楊海波,師秀鳳.基于MATLAB的電力系統(tǒng)潮流計算[J].價值工程,2016,35(18):142-144.

[3]初壯,張建強,蔡國偉.基于回路電流與負荷節(jié)點電壓方程的配電網潮流計算[J].電工技術學報,2016,31(12):170-176.

[4]陳艷芳,徐麗杰,王瑋,等.單相三線式變壓器模型在配電網潮流計算中的應用[J].華北電力大學學報(自然科學版),2011,38(3):23-27.

[5]趙霞,羅蘭,羅雨萌,等.一種基于線電壓的不接地配電網三相潮流計算方法:,CN105703363A[P].2016.

[6]劉愛國,張弘.一種基于廣度優(yōu)先搜索配電網潮流計算的改進編號方法[J].中國電力,2016,49(10):74-78.

[7]孫充勃,李鵬,王成山,等.含多直流環(huán)節(jié)的混合結構有源配電網潮流計算方法[J].電力系統(tǒng)自動化,2015(21):59-65.

[8]徐青山,劉中澤,楊永標,等.改進的配電網三相潮流計算方法[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報,2014,26(9):23-29.

[9]楊雄,衛(wèi)志農,孫國強,等.變壓器支路處理新方法與配電網三相潮流計算[J].電力系統(tǒng)自動化,2014,38(18):58-64.

[10]高元海,王淳,辛建波,等.計及接地阻抗及含多種分布式電源的中低壓配電網三相潮流計算(一):模型[J].中國電機工程學報,2016,36(10):2619-2627.

陳柯豪（1986-），男，學士，工程師，研究方向：電網可靠性管理；

趙燦輝（1983-），男，學士，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制；羅軍（1980-），男，學士，研究方向：電力信息化技術。