基于CYME 软件的城市配电网规划仿真

刘煌煌，刘前进，陈柔伊，于 力

（1.华南理工大学电力学院，广州510640；2.南方电网科学研究院有限责任公司，广州510080）

随着经济发展，电力需求量急剧增长，配电网结构日趋复杂，用户对电能质量要求越来越高。在配电网结构复杂、负荷信息时刻变化和设备繁多的情况下，如何提高配电网规划的效率，保证设备运行的安全性和经济性，是国内在配电网规划和改造中面临的一个主要问题[1-3]。

目前，国内外城市配电网规划大多利用相应软件进行，但存在以下两方面的问题[4]：第1，部分软件的功能集中在应用管理信息系统的层面，缺少较为全面的规划分析功能；第2，大部分软件运用上需要较多的人工干预和手动操作，自动化程度低。

加拿大电力系统分析软件CYME 是协助输电、配电和工业领域的电力工程师进行电网规划的一款强大的、成套的、先进的模拟仿真工具。该软件具备电网分析能力及方案规划、案例研究功能，不仅有助于电气工程师解决在电网规划和运行管理中存在的问题，还可以准确地评估系统现在或将来的状态，从而对系统进行改进或重新配置。CYMDIST（distribution system analysis）软件包可对整个配电网（包括变电站和子电网）进行全面的建模和优化，不仅可以提高配网规划的效率、节省操作和投资支出、降低网损、延长设备资产寿命，还可以提供配电网故障的快速解决方案，提高规划人员的协作性和规划能力。

本文运用CYME 软件CYMDIST 模块对广东省佛山市某区的配电网络进行规划建模仿真，应用结果表明，该软件模块在对配网系统进行规划和分析方面具有准确度高、可靠性好、实用性强的优良性能，只需搭建一次模型，就可以在该模型的基础上进行配电网规划的各类仿真分析，其中适用于配电网规划的功能包括：铺置地理图、变电站及子网络和分布式电源的建模、平衡或不平衡系统各相电压降计算、故障计算（故障电流及故障电压）、潮流分析、负荷配置及平衡、负荷增长和网络预测分析优化、可靠性评估、预想事故分析、电容器优化配置、开关策略优化等。限于篇幅，本文仅列举部分仿真功能和结果进行分析。

1 城市配电网规划现状

城市配电网规划以分析研究现状及负荷增长为基础，在尽可能满足未来用户容量和电能质量条件下，按照规划方案实施使电力公司及其有关部门获得的经济和社会效益。

大规模城乡电网规划建设改造方式主要按现状分析、负荷预测、变电站及网络规划等主要传统步骤进行[5]。传统规划步骤具有一定的复杂性，需要各个部门配合才能做好规划工作，但是市政规划、电力企业等部门规模庞大，工作往往缺乏协调性[6-7]。如今，城市配电网规划常用的方法分3 类[8]：一是手工规划，二是手工规划结合潮流、短路等技术校验，三是规划软件为主结合专家干预。第1 类完全依赖规划人员个人经验和局部计算来进行，可以在有限条件下解决负荷增加、线路过载、电压偏低等问题，该方法局限于定性分析，工作量大且易出错，规划结果质量较低；第2 类主要依赖规划人员的知识经验，除了定性分析之外，一般能提供规划方案的潮流及短路定量计算分析，该方法工作量大，也易出错，但规划结果质量有了较大的提高；第3 类主要依赖现代规划软件的功能及规划人员的经验，该方法有较丰富的定量分析比较手段，规划结果质量较好。

现阶段，国内的电力规划设计部门主要采用人工选址方法进行变电站选址，配电网结构规划建设和改造始终缺乏科学、合理地安排[9]。当负荷需求大幅上升时，通常新建变电站以满足一时的应急需求，这样不仅造成电力供应区域重叠、分布无序，还使投入的资金难以发挥应有的效益，给配电网运行带来隐患。

2 配电网规划存在的问题

在电力工业发展的过程中，我国电网的投资规模远远小于发达国家水平，尤其是配电网较为落后，致使大多数配电系统网架薄弱[10]。随时间的推移，配电系统面临的问题将更加严峻。配电网是电力系统的重要组成部分，其投资比例大约占整个电网投资的40%，特别是对于采用地下电缆的城市配电网比例更大。再者，配电网电压低且分布广，相对于输电网有更多网络损耗，最高可达整个网络的85%。因此优化规划设计、提高规划效率、降低投资和运行费用，具有显著的经济意义。

随着配电网改造投资比例的逐渐加大，城市电网规划工作迎来了新的挑战。首先，电网规划建设与城市规划同步进行，如何友好地相互配合成为未来城网规划必须解决的问题[11-12]。其次，电力企业日益注重自身的经济效益和投资回报，使得配电网规划工作的地位越来越高。以上两方面的转变，既为城网规划工作提供了有利条件，同时也使之成为紧迫的任务。因此，结合当前国情深入地研究满足实际要求的城市电网规划理论、开展城市电网规划技术研究、开发和引进专业的配电网规划软件，不仅是我国城市电网规划建设的迫切需求，也是今后可持续发展的重要科学手段，CYME 软件正是在这样的背景下引入国内的。

3 CYME 软件的特点

3.1 CYME 简介

CYME 是一套专业的电力工程软件，它以个人计算机及Microsoft Windows（R）为操作平台，结合优异的分析能力与先进的界面技术，是针对电力配电系统，输电系统，和工业电力系统的高级分析软件。该软件包含了以下5 个软件包[13]：

（1）CYMDIST（distribution system analysis）——一次配电系统分析软件，用于电力配电系统规划优化、故障分析和供电恢复、输电系统和工业电网络分析、简报、潮流、电压降等功能，并且可透过与CYMTCC 的界面执行保护装置协调。

（2）CYMTCC（protectivedevicecoordination）——保护装置的协调分析软件，主要是用于对馈线上的保护设备进行分析，生成时间匹配曲线。

（3）CYMGRD（substation grounding）——变电所接地网络的设计，主要用于变电站接地分析[14-15]。

（4）CYMCAP （power cable ampacity calculations）——电力电缆安培容量计算，主要用于电缆实时载流和预期寿命分析。

（5）MARS（management，assessment and restoration of service）——复电策略软件。MARS 是一款基于Windows 的创新软件，用于设计一个综合的复电策略最佳方案，恢复一些由于人力不可抗拒的因数造成的断电，诸如大风雪、暴风雨、洪水、地震、主要输电线或变电所因事故断电停供等破坏性事件。

3.2 CYMDIST 功能模块

全世界范围内已有超过250 家的CYMDIST用户，该软件模块可以对配电系统进行建模仿真和分析，是一款集成、综合、灵活的快速分析工具，提供主流GIS 系统的软件接口（CYMDIST-Gateway），包括用户企业数据库的通用接口、定制的用户GIS 系统链接等功能，可以从GIS 数据库中提取电网连接，并映射至CYMDIST 模型中的所有相关设备，在北美被广泛运用于配电系统规划中[16]。CYMDIST 软件模块主要具备以下几个功能[13-16]：

（1）可对一次和二次配电网进行分析，其模型适合各种配电网架构，包括了平衡/不平衡三相电网、两相电网、单相电网以及辐射形电网、环网、网格形网。

（2）针对同一配电网，可以建立并管理各种不同时间场景，分析结果可以任意定制；对各种假设案例（预案）的研究特别强大，可以创建、浏览、修改各种随时间变化的项目，可对项目在指定时间段的行为进行各种仿真和研究。

（3）最优化电容器位置和容量，减少网络损耗，改善电压分布；平衡负荷，减少网损；负荷分配预测，可依据客户用电量，配电变压器容量，实际消耗电量或REA（resource-event-agent）方法进行预测；电动机启动分析（电压骤降和最大允许电动机启动容量）。

（4）灵活的负荷模型，包括了分布式负荷与集中式负荷，能对每个区段建立独立的或混合的负荷模型；负荷的多年增长预测及负荷转移仿真，优化电网联结点（tie points），相合并功能。

（5）可靠性分析（基于预测性数据或历史性数据）；预想事故分析（负荷恢复）；对指定区段进行自动导线重选或相重组优化；保护设备整定验证。

（6）分布式电源接入。

因此，结合CYME 软件的相关优点，开展基于CYME 的城市配电网的规划建模技术的研究，可以避免传统城市配网规划方法的缺点，提高规划的效率和可靠性，不仅可以满足不同城市区域对供电可靠性的需求，保障配电网的安全运行，减少事故损失，确保现代化城市的正常运作，还能节省投资、提升用户满意度，为未来城市配电系统的建设与发展奠定基础性理论和工程应用基础[17]。

4 基于CYME 的规划建模与仿真

4.1 配电网建模

本文通过简化广东省佛山市某区10 kV 以下的配电网络，运用CYME 软件CYMDIST 模块对该区进行建模。该区实际配电网络简化后的拓扑结构模型，如图1 所示。

图1 广东省佛山市某区配电网络的简化拓扑结构Fig.1 Simplified topological structure of distribution network of a certain district in Foshan City，Guangdong Province

本区域在建模过程中，110 kV 及220 kV 变电站均简化为10 kV 出线的等效电源，如图1 所示的节点1、2、3、4、56 为变电站简化等效后的电源点，其余节点均为负荷节点。为了便于计算，本算例搭建的配电网络线路均采用型号为YJV22-3×300 的地下电力电缆；整合负荷节点的配电变压器容量后，各负荷节点均取平均负荷进行潮流计算。对应于配电网规划一般步骤中的电气潮流计算、无功补偿规划、三相负荷不平衡分析，下面以CYME 软件CYMDIST 模块规划功能中的潮流分析计算、电容器优化配置、负荷平衡为例进行仿真研究。

4.2 潮流分析设置步骤

潮流分析是对任何电力系统，包括配电系统、输电系统和工业用电系统，进行规划、设计和运行分析的基础，目的在于评估电网在各种不同运行条件下的稳态表现。本文在CYME 软件CYMDIST模块中搭建广东电网某区实际配电网模型，实现了整个区域配电网的潮流计算分析。

1）参数选卡

本算例采用不平衡电压降迭代法进行计算，收敛误差为0.01%（V），最大迭代次数为60。考虑所有约束使潮流计算计及所有发电设备无功输出约束，以及所有调压变压器的调接头范围约束。对所有负荷与发电设备调整因子选择按照定义，即所有设备输入的有功和无功量将会被应用在潮流分析中。负荷模型采用ZIP，其等同于使用nP、nQ幂函数负荷模型，电压阈值Vz对所有负荷类型均设为80%的额定电压值。

2）系统及控制选卡

对于系统控制选卡，选中该区所属的所有变电站等效电源。控制选卡选择所有电容器、发电机和电动机，并对变压器调接头控制选择正常操作。

3）负载/电压限值选卡

选择规划工况类限值，使相应的负载容量限值栏允许输入各个设备的限值。在设备额定条件中选中夏季，激活所有设备的夏季额定数据。设置电压限值为规划工况限值，即过电压限值为105%额定值，欠电压限值为95%额定值。

该模型完成上述设置后，即可运行实现潮流计算分析。其中，潮流分析设置基本流程[18]如图2所示。

4.3 仿真潮流分析结果

图2 潮流分析流程Fig.2 Flow chart of load flow analysis

在迭代报告选项中，选中所需的各种潮流结果报表。本算例中选择输出的报表为潮流-电压异常区域（load flow-abnormal voltage areas）、潮流-详表（load flow-detailed）、潮流-馈线负载（load flowfeeder loading）、潮流-过载导线（load flowoverloaded conductors）、潮流-总结（load flow–summary report）。其中该区按广州地区1～10 kV 商业电度电价（即0.963 5 元/kW·h）计算，转换为CYME软件中的单位为0.154 7$/kW·h。由于篇幅限制，本文仅列出如表1～表3 所示的潮流分析报表。

由表1 可知，潮流分析汇总报表给出了电源、负荷、电容器、电缆电容等部分的潮流计算结果，包括有功功率、无功功率、视在功率及功率因数，基本满足潮流计算的需求。表2 给出了该模型的预想事故仿真分析结果。网络预想的异常状况包括过载、欠电压及过电压故障，分析结果包括预想故障的相序、累计次数、最坏状况的位置及相应的过载率、欠电压和过电压的概率。通过该分析结果，规划人员可以提前制定措施，避免网络运行存在隐患而造成故障。由表3 可知，通过仿真可以准确地计算出系统的架空线损耗、电缆损耗及变压器损耗，并通过自定义的电价得出各类网损造成的年度经济损失。本算例仅考虑采用电缆铺线的10 kV 以下配电网络，且变压器由等效电源替代，故仿真结果仅给出电缆损耗。

表1 潮流分析汇总报表Tab.1 Total summary report of load flow

表2 预想事故报表Tab.2 Forecast accident report

表3 经济损失报表Tab.3 Economic loss report

4.4 电容器优化配置

根据用户定义的目标，电容优化配置功能可在故障馈线最优位置上安装电容器组，优化线路潮流分布，降低有功网损或者提高系统电压。由于电缆阻抗较小，不宜做电容补偿实验，因此在本算例中将负荷节点34、35、36、37 所在的电缆馈线均替换成型号为JKLYJ-240 架空线，使馈线出现低电压故障。为解决上述低电压问题，需进行电容器最优选址分析，改善电压分布。本算例将配网规划欠电压限值设置为97.5%的额定值，门槛电压为0.98 kV，目标电压为10 kV，当馈线电压小于门槛电压值时，启动电容器组分析程序；忽略所有单相和两相线路段，设置投切电容的最小容量为1 kvar/相，最大容量为200 kvar/相，容量增量为1 kvar/相，且电容器组只在一个地方安装；根据界面显示数值在负载水平选卡下设置馈线负荷水平，该设置将影响符合各种线路负荷条件所需的固定电容器和投切电容器的容量。

运行电容器最优选址分析后，结果选卡下的树形列表会显示电容器组的最优安装地点的建议，相应电容器组安装信息会显示软件建议的电容器组容量（包括固定容量和可投切容量）、网损降低的有功功率数、电压提高增量、功率因数修正量等，电容器组安装信息参见表4。满负荷状态下安装电容器组后，再次运行潮流分析，可以注意到电容器组的接入消除了馈线上的欠电压问题。比较电容器组接入前后该馈线从电源点一直到最尾端区段电压分布图的不同，参见图3 和图4 所示。

表4 电容器组安装信息Tab.4 Installation information of capacitor banks

图3 电容器优化配置前的馈线电压分布Fig.3 Feeder voltage profile before capacitanceoptimal placement

图4 电容器优化配置后的馈线电压分布Fig.4 Feeder voltage profile before capacitance optimalplacement

由于馈线三相负荷处于平衡状态，因此A、B、C 三相电压的分布曲线重合为一条曲线。对比图3和图4 可知，运行电容优化配置前，三相电压随着馈线离电源点距离的增加而递减至欠电压限值以下；经过电容优化配置后，馈线三相电压的变化量随着馈线离电源点距离的增加而维持在1%以内波动，从而消除了馈线欠电压的故障。

4.5 负荷平衡分析

负荷平衡分析功能可以根据用户定义的目标识别三相负荷不平衡故障，实现导体换相或者负荷换相。其中用户定义的目标包括：最小化有功网损、平衡负荷及平衡电流和电压。本算例设置节点34、35、36 均带A 相负荷，且S34A=S35A=S36A=500 kVA，从而负荷节点34、35、36 将出现三相不平衡的故障。选择平衡电流作为目标函数，设置最小平衡电流为1 A，最小电流不平衡因子为2%。运行负荷平衡分析功能，识别出所有可能执行换相的导体，每一个换相步骤建议包括负荷转移量和总网损减少量。运行负荷平衡分析功能，生成的具体报表如表5 和表6 所示。

表5 负荷平衡换相建议表Tab.5 Load balancing re-phasing suggestion

表6 负荷平衡换相前后参数对比表Tab.6 Contrast of load balancing parameters before and after phase shifting

5 结语

本文运用CYME 软件CYMDIST 模块对佛山某区配电网进行规划建模，举例实现了潮流计算分析、电容器优化配置及负荷平衡分析3 种仿真功能，相当于在配电网规划的一般步骤中起到了电气潮流计算、无功补偿规划、三相负荷不平衡分析的作用，并取得了良好的效果，符合实际规划情况。应用结果表明，该软件与其他规划仿真软件相比，只需建立一次模型便可满足配电网规划所需的各类仿真，具有强大的配电网规划分析功能，对配电网能进行精确的潮流计算分析，可以对过载、高电压、低电压等非正常故障状况进行预测，实现电容优化配置、负荷平衡换相等功能；对系统损耗包括线路损耗、变压器损耗等造成的年经济损失可以进行量化的预估等。综上所述，CYME 软件为配电网规划带来了便利，提高了配网规划效率和能力，为未来配电网的智能化、效率化奠定了坚实的基础。

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