配电网合环决策系统的设计与分析

山东省邹城市供电公司 刘令民

湖南电力检修公司 刘令富

浙江省金华市供电公司 金从友

1.引言

配电网一般采用闭环设计、开环运行的供电方式。在倒负荷或线路检修时，通过合、解环操作可以减少停电时间，提高供电可靠性，但由此引起的环流，对配电网的安全运行有很大的影响[1]。通过对可能的合环路径进行分析，从潮流计算和分析的角度给运行人员以依据，有助于运行人员对地区电力网络的运行方式进行适当的调整，从而快速、准确地找出最佳合环路径，达到预期目的，保证用户利益，减少停电损失。可见，系统的开发具有重要的实际指导意义。

2.系统设计

本软件系统的主要目标是完善目前配电网合环调度系统，使之能跟上电网特别是配电网的发展；首先实现对地区电网运行方式分析和模拟操作的可视化系统，为调度运行提供决策支持和服务；随后在建立成熟离线分析系统的基础上逐步实现与SCADA系统数据库的接口，建立在线分析系统。因此，我们在软件的总体设计的时候考虑了以下几个因素：

1）为保证软件良好的用户界面，采用VC++作为开发平台，借助标准的窗口、菜单、对话框等图形界面，使得整个软件内部功能转换和连接十分平滑，界面美观，操作逻辑性强，易于学习和使用。

2）对电网的分析过程也就是对数据的存取处理加工过程，对最终的数据进行图表输出就是用户所希望看到的结果。本软件以数据库为核心，软件的各模块通过存取数据库与软件联系起来，而它们之间不直接访问。这样就在最大程度上减少了各模块间的耦合程度，便于各模块单独编程和调试，具有很好的扩充性和移植性。

3）数据在数据库中的存储有两种方式，一是以整图为主体（图文件）作为一个字段直接存储在数据库中；二是以图中的子元素为主体存储到数据库中。前者的优点是简单，易于实现；后者的优点是可以对图中的每个元素进行操作，灵活性高。鉴于整个系统的灵活性和可扩展性，解决系统间的互联和共享问题，本文采用第二种存储方式。

软件中各模块间的关系如图1所示。

其中，界面部分作为主控模块，负责数据的录入、查询、修改等工作，同时具有图表输出功能。界面模块接受使用者的命令，调用运行软件的功能模块。功能模块用来完成系统中各项子功能。

3.系统组成

软件从整体上可以分为图形编辑功能和合环电流分析两大模块。图形编辑功能主要包括网络建模模块、拓扑分析及电气岛分析、数据库操作模块；合环电流分析模块主要包括瞬时冲击电流计算、合环后稳态电流计算等功能。

3.1 网络建模模块

该子系统提供了多种电力系统常用图元，如发电机、变压器、母线、线路、负荷、断路器、电容器，电抗器等电力系统中最基本的组成部分，所有的元件通过连接而形成网络。

在面向对象的编程技术的基础上，结合计算机图形VC++为开发工具，将各种配电网的设备元件通过一个类来表示，各个类对象的参数，连接信息组成网络对象。此模块构造了配电网潮流计算所需要的各一次元件类，在这些类中包含了绘制该类对象的绘图函数。

构造一次元件基类：面向对象的技术使我们可以完全按照元件的真实属性在程序中构造它，即用继承的方法实现图2所示的关系。所有的电气元件按照程序的需要包括四个方面的数据：1）电气参数；2）网络拓扑参数；3）图形绘制参数；4）在使用中的名称和编号参数所在位置。在这四种参数中，名称、所在位置和编号参数是所有元件共有的相同数据。从基类中派生出连接类，所有元件类分别为单连接点元件基类、双连接点元件基类、三连接点元件基类，以及母线类。

3.2 拓扑分析及电气岛分析

该模块的主要功能是完成电气接线图的绘制，并完成图形纠错和孤立元素的定位，保证图纸的正确。之后将对图形元素进行归类，合并处理，形成潮流计算所用的节点编号，为潮流计算做准备。

针对配电网的辐射型结构可以用一棵树来表示这一特点，网络的拓扑分析普遍采用的是树搜索法。在树搜索中，将母线(节点)看作图的顶点，将支路看作是图的边。

为加快搜索速度，应该尽量减少搜索的范围。通常对配电网来说，开关变位造成网络结构发生重大变化的情况是很少发生的。在大多数情况下，开关变位的影响是局部的。基于这一点，可以在开关变位前的网络结构的基础上进行分析，从而可以大大减少搜索范围，提高搜索速度。

除变电所开关外，配电网中存在大量的馈线开关，馈线开关的变位不但造成网络的节点/支路关联关系发生变化，有可能致使电气岛的合并或解列。

图1 软件模块关系

图2 类继承关系

一个电气岛内部的一条支路投入运行，只需进行节点/支路关联关系的修正；联络两个子系统的支路投入运行，造成电气岛的合并。这两种情况下，都不需要进行树搜索。而判断一条支路是加入一个子系统的内部还是连接两个子系统，只需简单的判断支路将要连接的两端母线所属的电气岛号是否相同。

相反的，如果一条支路退出运行，退出以后，以支路的一端母线为起点进行树搜索，如果能够搜索到支路的另一端母线，则支路是电气岛内部的一条支路，如果搜索不到另一端的母线，则该支路有可能是连接两个电气岛的联络线，也可能形成新的孤立的电气岛。上述几种情况综合如下：

(1)支路投入运行，根据支路要连接的两端母线所处的电气岛是否相同，分别进行节点/支路关联关系的修正和电气岛的合并，不需搜索。

(2)支路退出运行，以支路的一端母线为起点进行树搜索，如果能够搜索到支路的另一端母线，则只进行节点/支路关联关系的修正；否则系统解列，形成新的电气岛。

3.3 数据库操作模块

3.3.1 遥测遥信库

该数据库用来存储SCADA系统采集到的电网各节点遥测遥信量，主要提供电网的实时和历史数据，包括：1)开关、刀闸状态量；2)发电机、负荷、线路首末端、变压器各侧的有功负荷值、无功负荷值；3)各母线的电压值；4)变压器档位值等。1)中的状态量为遥信量，其余各量为遥测量，主要功能是提供电网运行实时状态量，为无功优化提供初始值。

3.3.2 电网物理参数数据库

该数据库主要用来定义电网的网络结构和存储各种设备参数信息，反映电网设备间的物理拓扑连接关系。在进行网络建模时通过调用设备参数信息提供电网元件的有名值或者标么值。电网物理参数数据库是以EXCEL表的形式构成的，每个表均有特定的物理含义，与实际电网及所属设备相互关联，例如LN表代表线路，包含了线路类型、线路长度、线路首末端物理节点号等相关信息，可以根据线路类型和线路长度获得其电阻、电抗和电纳参数，首末端物理节点号则反映了其物理拓扑连接关系；再如XF表代表变压器，包含了变压器的相关信息。

3.4 合环电流分析模块

图3 暂态冲击电流计算模型

合环决策分析系统的基础是潮流计算，它是研究电力系统稳态运行方式的基本手段。潮流计算的任务是根据给定的网络结构及运行数据求出整个网络的运行状态，包括系统各个节点(母线)的电压，线路上的功率分布以及功率损耗等。由于潮流计算的已知量与待求量之间是非线性关系，因此潮流计算问题在数学上是多元非线性代数方程组的求解问题，采用迭代方法计算。潮流计算完成后，进行合环稳态电流和冲击电流的计算，并判断合环电流是否越限。

合环分析系统提供了正常方式下的电网运行工况(即基本工况)。这样，用户可以将不同的运行方式存为不同的工况(如最大负荷情况、高峰负荷情况等)，调入不同的工况可计算出不同工况下的合环电流。

4.合环计算模型

合环电流的计算包括合环瞬间冲击电流和合环后稳态电流的计算，以防止合环产生的环流对线路和设备造成过载，或引起保护误动作(主要是因为冲击电流)。下面只着重介绍冲击电流的计算模型。

所谓冲击电流是指并列断路器合闸时通过断路器主抽头的电流，一般情况下，冲击电流的幅值较高且持续时间很短。计算合环暂态冲击的单相等值电路如图3所示。

由于线路呈感性，合环至稳态的整个过程是振荡衰减的，因此建立微分方程计算冲击电流，得到实时响应。

计算模型中的激励为A相相电压，为：

5.结语

通过对该系统的设计和开发可以看出，获取较为完整的网络(供电网和配电网)结构参数和运行参数直接关系到系统的应用效果。所以，收集、保存相关的参数和信息至关重要。

在现有的配电网合环分析系统进行合环分析计算的基础上，加入配电网合环操作专家系统，不但可以给出计算结果，同时提供解合环的操作指导，辅助运行人员进行决策，为配电网能够更加安全、经济地运行提供依据，还有待进一步探讨。

[1]强兴华.地区电网合环操作的潮流近似计算[J].江苏机电工程.2002,10(21):39-40.

[2]叶清华,唐国强等.配电网络合环操作环流分析的开发应用[J].电力系统自动化,2002,26(22):66-69.

[3]王伟灿,周昱甬.电力系统合环电流的分析及控制对策[J].供用电,2002,8(19):26-28.

[4]戴雯霞,吴捷.基于支路电流的配网潮流前推回代法[J].继电器,2002,30(5).