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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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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。