配電自動化的合環(huán)潮流算法研究

詹克非 戰(zhàn)鋒 于麗丹 陳明恩 楊茂

摘? 要： 隨著配電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的合環(huán)轉(zhuǎn)負(fù)荷潮流算法已無法適應(yīng)現(xiàn)代大規(guī)模復(fù)雜配網(wǎng)對合環(huán)后系統(tǒng)潮流分布準(zhǔn)確性的相關(guān)需求。本文基于前推回代和疊加定理的“兩階段法”，提出了一種新型合環(huán)轉(zhuǎn)負(fù)荷潮流算法。該算法相較傳統(tǒng)的前推回代法不僅可以對合環(huán)后的環(huán)網(wǎng)潮流進(jìn)行計算，同時可以對合環(huán)點兩端的負(fù)荷功率進(jìn)行修正。MATLAB的仿真分析證實該算法可行。

關(guān)鍵詞： 配電網(wǎng); 合環(huán)轉(zhuǎn)負(fù)荷; 前推回代法; 兩階段法

中圖分類號：TM744? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2020）11-23-03

Abstract： As the scale of the distribution network expanding continuously， the traditional flow algorithm of closed-loop and load transformation power flow cannot meet the requirements of modern large-scale complex power system for the accuracy of the power flow distribution after the system loop closed. This paper proposes a new topology analysis algorithm based on the "two-stage method" of forward push-back algorithm and superposition theorem. Compared with the traditional single algorithm， this algorithm can calculate the power flow of the ring network after the loop is closed， and can also modify the load power at both ends of the loop close point. The simulation analysis with MATLAB verifies that the algorithm is feasible.

Key words： distribution network; closed-loop and load transformation; forward push-back algorithm; two-stage method

1 課題研究背景與研究意義

隨著社會的發(fā)展，人們對電力系統(tǒng)的供電可靠性要求越來越高。配電網(wǎng)直接面向用戶，一般采用“閉環(huán)設(shè)計，開環(huán)運行”的供電模式[1-3]。為了減少停電時間，提高供電可靠率，在線路檢修和倒負(fù)荷時采取不停電的合環(huán)操作已成為供電企業(yè)常用的手段。然而，如果合環(huán)點兩側(cè)存在電壓差或兩側(cè)短路阻抗不同，合環(huán)后會產(chǎn)生環(huán)流，并且合環(huán)瞬間還會出現(xiàn)較大的短路沖擊電流，可能會引起保護(hù)誤動作，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。因此，提高合環(huán)潮流計算的準(zhǔn)確性就顯得尤為重要，它能為實際系統(tǒng)的合環(huán)操作提供決策支持，達(dá)到提高供電可靠性和配網(wǎng)安全運行的目的。

常見的合環(huán)方式大致分為以下三種[4]：

⑴ 同一電壓等級中壓饋線合環(huán)，如兩個110kV變電站10kV饋線合環(huán)，或兩個220kV變電站10kV饋線合環(huán)等;

⑵ 不同變電站不同電壓等級中壓饋線的合環(huán)，如220kV變電站10kV饋線與110kV變電站的10kV饋線合環(huán)，或110kV變電站的10kV饋線與35kV的10kV饋線合環(huán);

⑶ 同一變電站的中壓饋線與母聯(lián)開關(guān)合環(huán)。

由于系統(tǒng)的合環(huán)操作可能會產(chǎn)生較大的合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流以及短路沖擊電流，為了避免合環(huán)電流影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，合環(huán)操作不能引起主變或線路的過載以及保護(hù)元件的動作，合環(huán)能否實現(xiàn)的判據(jù)通常包括以下兩點[5]。①合環(huán)后的穩(wěn)態(tài)電流應(yīng)不使設(shè)備過載。②合環(huán)支路及非合環(huán)支路沖擊電流應(yīng)小于相關(guān)限時速斷保護(hù)電流的整定值（保護(hù)Ⅰ段、Ⅱ段）。

2 算法分析

2.1 前推回代法

配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多以輻射狀網(wǎng)絡(luò)為主，前推回代潮流算法是配電網(wǎng)支路類算法中被廣泛研究的一類算法，也是求解輻射狀配電網(wǎng)絡(luò)潮流的有效方法之一[6-8]。此算法具有簡便、快捷、收斂性較好等優(yōu)點。但是，前推回代法必須對節(jié)點和支路按一定的規(guī)則進(jìn)行分層和編號，即在具體的計算前必須對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)浞治?，這對于大規(guī)模配電網(wǎng)和工程實際應(yīng)用來說，是一件比較繁重的工作。

此外，該算法處理網(wǎng)孔能力較差，隨著網(wǎng)孔數(shù)量的增加，算法的收斂性變差，甚至發(fā)散[9-10]。

如圖1所示的輻射狀配電網(wǎng)：

2.2 基于前推回代的兩階段法

由于前推回代法只能用于輻射狀網(wǎng)絡(luò)，對于合環(huán)后的環(huán)網(wǎng)潮流計算，應(yīng)該利用疊加定理對前推回代法進(jìn)行改進(jìn)，即在合環(huán)點將環(huán)網(wǎng)打開，對合環(huán)開關(guān)兩側(cè)負(fù)荷功率進(jìn)行修正。環(huán)網(wǎng)后的潮流分布應(yīng)該等于合環(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)開關(guān)兩端電壓的相量差引起的循環(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算，從而得到合環(huán)點兩側(cè)電壓。第二部分則需要采用戴維南定理，將原輻射狀網(wǎng)絡(luò)等效為理想電壓源[Uoc]以及一個內(nèi)阻[Z0]串聯(lián)的形式，如圖2所示。

將配電網(wǎng)合環(huán)所造成的弱電磁環(huán)網(wǎng)等效為一兩端電源電壓大小、相位均不相等的兩端供電網(wǎng)絡(luò)。由圖3可知，此兩端電壓不等的供電網(wǎng)絡(luò)，除了與負(fù)荷有關(guān)的供載功率外，還有由于兩個電源點電壓不相等所產(chǎn)生的循環(huán)電流，由于電力系統(tǒng)潮流值習(xí)慣用功率來表示，因此常用循環(huán)功率表示該環(huán)流。

其中，[UN]為兩端供電網(wǎng)的額定電壓，[ZAB]為等效內(nèi)阻[Z0]與系統(tǒng)串聯(lián)總阻抗[Zs]之和，循環(huán)功率[S?循環(huán)=（U?A-U?B）UNZ*AB]。

由式⑹、式⑺可以看出，兩端電壓不相等的兩端供電網(wǎng)絡(luò)中，各線段中流通的功率由供載功率和循環(huán)功率組成，式⑹、式⑺前半部分為與負(fù)荷功率有關(guān)的電源輸出功率，稱為供載功率，后半部分為由兩個電源電壓不相等所產(chǎn)生的功率，稱為循環(huán)功率，該功率收斂判據(jù)為：

兩階段法的具體操作步驟如下。

階段一

⑴ 通過SCADA讀入網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，建立節(jié)點鏈接表。

⑵ 通過迭代求得上級電網(wǎng)的等值阻抗。通過拓?fù)浞治鰪暮檄h(huán)點向上搜索，將合環(huán)支路的阻抗與上級電網(wǎng)的等值阻抗相加得到合環(huán)環(huán)路的總阻抗。

⑶ 通過前推回代計算純輻射網(wǎng)絡(luò)潮流。計算斷開合環(huán)點處開口電壓。

⑷ 求出合環(huán)穩(wěn)態(tài)環(huán)流。

階段二

⑴ 修正合環(huán)點兩側(cè)節(jié)點注入功率。

⑵ 檢查迭代終止判據(jù)式，若不滿足則轉(zhuǎn)到階段一。

3 算例分析

Matlab是電力系統(tǒng)仿真分析常用的軟件之一，simulink是Matlab提供的實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模與仿真的軟件包，是基于框圖的仿真平臺。Simulink掛接在Mmatlab環(huán)境上，以matlab的強大計算功能為基礎(chǔ)，利用直觀的模塊框圖進(jìn)行仿真和計算。同時，Simulink提供了各種仿真工具，為系統(tǒng)仿真提供了極大的便利。

根據(jù)某地10kV配網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使用Simulink搭建的模型如圖4所示。

其中，系統(tǒng)中兩臺變壓器均選用三相兩繞組變壓器模塊，連接方式為Y-Y連接;由于忽略對地導(dǎo)納，線路的模型采用三相串聯(lián)RLC支路模塊;負(fù)荷選擇動態(tài)負(fù)荷模型“Three-Phase Dynamic Load”來仿真PQ節(jié)點上的負(fù)荷;母線的模型采用三相電壓測量元件“Three-Phase V-I Measurement”來模擬系統(tǒng)上的母線。其中，變壓器的參數(shù)采用p.u.（標(biāo)幺值），負(fù)荷和線路阻抗我們則采用SI（有名值）。在完成所有的設(shè)置工作后，使用powergui模塊的潮流計算功能對系統(tǒng)合環(huán)后的潮流進(jìn)行潮流計算，首先點擊模塊中的“Initial State”和“Machine Initialization”對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后點擊“Load Flow”，如圖5所示。

這樣我們就能得到各母線節(jié)點的電壓值與相角。如圖6所示。

通過仿真分析我們發(fā)現(xiàn)，以上結(jié)果與常規(guī)前推回代的計算結(jié)果十分近似，其結(jié)果如表1所示。而后者常常會忽略電壓損耗中的橫分量。由于該算法數(shù)據(jù)輸入量少、簡單易行，因此不失為一個可行的計算方法。

4 結(jié)束語

本文從電力系統(tǒng)配網(wǎng)合環(huán)潮流算法的前推回代概念出發(fā)，基于該理論提出了一種“前推回代+疊加定理”的“兩階段”算法，并設(shè)計了理論化與簡化的算法流程;與傳統(tǒng)算法相比，該算法可以很好地處理合環(huán)之后的潮流分布并且仿真結(jié)果表明其同樣可以滿足配網(wǎng)對于合環(huán)潮流實時性，準(zhǔn)確性的要求。配網(wǎng)主站對上級電網(wǎng)的拓?fù)浞治鲆话阃ㄟ^SCADA系統(tǒng)獲取，本文采用的拓?fù)渌惴椤肮?jié)點-節(jié)點”關(guān)聯(lián)算法，后期可以改進(jìn)為“節(jié)點-支路”關(guān)聯(lián)算法，把由節(jié)點、開關(guān)組成的物理模型轉(zhuǎn)化為由母線、線路組成的數(shù)學(xué)模型。

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