基于联络关系的主变故障负荷转供方案

马 静，马 伟，王增平

基于联络关系的主变故障负荷转供方案

马 静，马 伟，王增平

(新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京 102206)

针对主变故障后负荷转供过程中联络线路容量不足、主变过载等问题，提出了一种基于联络关系的主变故障负荷转供方案。该方案在配电网正常运行情况下，利用简化的网络拓扑关系形成主变联络关系矩阵及负荷转移区域，当主变因故障或检修退出运行时，基于负荷转移小区容载比对故障主变负荷进行“按需分配”。在分配的过程中，充分计及了联络线路及主变容量约束条件，分别设计了次级负荷转供策略及二次转供策略。算例结果表明，该方案有效地提高了配电网设备利用率和负荷转供能力，同时，使负荷转供后配电网中的负荷分布更加均衡。

负荷转移能力；供电恢复；主变故障；容载比；设备利用率

0 引言

当主变发生故障或需要检修时，若不考虑配电网在站间的负荷转供，则主变-1的安全问题将退化为站内主变间负荷转移的简单问题，这种“各自为站”的运行方式既限制了配电网的供电能力，也违背了配电设备利用率最大的要求。近年来，随着大规模配电网的建设和改造以及大范围配电网联络的加强，供电恢复的路径与方式的选择日益灵活。与此同时，变电站综合自动化技术的快速发展与应用也为站间主变迅速、灵活地负荷转供提供了有利的条件。

目前，计及−1安全准则的负荷转供方法主要包括：负荷法、主变互联转供法、综合转移矩阵法等。负荷法提出把主变间联络馈线作为负荷转供途径，形成站间负荷转移的思想雏形，但计算过程较为繁琐。主变互联转供法将故障主变的负荷平均分配给与其存在联络关系的主变，转供思路清晰，计算量小，但存在负荷转移路径通畅和设备容量充足的假定，并未计及网络结构和设备容量的约束。在此基础上，综合转移矩阵法考虑主变和联络线路容量的约束，研究了与故障主变同站的过载主变二次转供问题，更贴近实际配电系统运行状况，但由于未考虑主变容载比，转供后可能出现部分主变负载率偏高，部分主变负载率偏低的情况。

针对上述问题，本文提出一种基于联络关系的主变故障负荷转供方案。该方案在配电网正常运行情况下，利用简化的网络拓扑关系形成主变联络关系矩阵及负荷转移区域，当主变因故障或检修退出运行时，基于负荷转移小区容载比对故障主变负荷进行“按需分配”。在分配的过程中，充分计及了联络线路及主变容量约束条件，分别设计了次级负荷转供策略及二次转供策略。算例结果表明：该方案在提高配电网设备利用率和负荷转供能力的同时，使转供后配电网中负荷分布也更加均衡。

1 主变联络关系

在满足电网-1条件下，某台主变所带负荷可通过联络线和联络开关动作转移至另外一台主变，就定义这两台主变之间存在联络关系。

设某配电系统内共有座变电站，分别编号为1, 2,…,，与其对应的各座变电站的主变台数分别为,, …,N。将第座变电站的第号主变编号为，则该配电系统的主变总台数为。定义该区域主变关联矩阵为

式中：若a= 1，表示主变和之间存在联络关系；若a= 0，表示主变和之间不存在联络关系，即主变故障或检修时，主变无法直接转供主变的负荷。

2 负荷转移方案

2.1负荷转移区域

在供电区域中，设某台主变为中心主变，与其存在联络关系的主变定义为直连主变，与直连主变存在联络关系的下级主变定义为次连主变。当中心主变故障或者检修时，为满足不中断供电的原则，需要对中心主变上的负荷进行转移。

负荷转移区域指由中心主变的所有直连主变和次连主变构成的区域。在负荷转移区域中，每个直连主变和与其存在联络关系的次连主变构成一个负荷转移小区。配电网中每台主变均可离线形成以自身为中心主变的负荷转移区域，一旦确定故障或者检修主变，可迅速得到负荷转移区域。

2.2负荷转移策略

假设在号变电站中，主变（即∈）因故障或检修退出运行时，定义以主变为中心主变的负荷转移区域为C。

其中，C表示主变的第号负荷转移小区。若主变不属于主变的直连主变，即a= 0时，C= 0；同时，主变自身不构成负荷转移小区，即C= 0。

对于主变所在母线上的直接挂接负荷（如放射状馈线负荷），仅通过站内主变进行转供。定义负荷转移小区C的容载比Q为

式中，q定义如式(4)所示。

(4)

式中：R、F分别表示主变的额定容量和负荷；F为主变所在母线上的直接挂接负荷；∈表示主变属于号变电站。

为使配电区域中的负荷分布更均衡，除母线直接挂接负荷外，对其他馈线负荷按照负荷转移小区的容载比进行“按需分配”，即容载比大的负荷转移小区多转供，容载比小的负荷转移小区少转供。定义负荷转移小区转供的负荷量P为

式中：F表示主变的负荷；F为主变所在母线上的直接挂接负荷；Q表示负荷转移小区的容载比。

利用式(5)，形成初级负荷转移矩阵为

3 约束条件

3.1联络线路容量约束

对站内联络来说，假定联络线路存在且容量足够大，支持主变负荷与同一站内其他主变的转移是畅通且可均分的。对站间联络来说，每条联络线路都有容量限制，因此主变间的负荷转移量受联络线路型号和数量的限制，即负荷转移量不能超过主变间的最大联络容量。针对联络线路容量约束的问题，本文提出以联络线路容量进行功率传输的次级负荷转供策略。定义联络线路容量矩阵为

式中，s表示主变和之间的最大联络线路容量。

若两台主变之间不存在联络关系，即a= 0时，s= 0；同时，主变自身联络线路容量s= 0。

定义联络线路容量约束判断矩阵为

式中：为联络线路容量矩阵的第行；为初级负荷转移矩阵。当L=0时，表明主变和之间的联络线路容量满足负荷转移要求，可按照初级负荷转移容量P进行转供；当L>0时，表明主变和之间的联络线路容量不满足负荷转移要求。此时，该负荷转移小区的负荷转移量取联络线路容量s，即P=s。为避免切除负荷，对满足联络线路容量约束的负荷转移小区的负荷转移量进行调整，修正式(5)为

(9)

式中，表示矩阵中非0元素的数目。

计及联络线路容量约束，形成次级负荷转移矩阵为

当主变故障或检修时，因联络线路容量约束需切除的负荷量为：

(11)

式中，表示对矩阵中元素求和。其中，当时，表示故障主变的负荷可全部转供；当时，表示由于联络线路容量的约束，故障主变的负荷不能全部转供，此时需要运行人员根据实际情况对重要负荷优先转供。

3.2主变容量约束

在主变故障或检修之前，若部分直连主变负载率较高，当其转供故障主变的负荷后可能出现过载情况，此时就有必要对该类直连主变的部分负荷进行二次转供，即通过次连主变进行转供。

定义主变过载容量矩阵为

故障主变所在母线直接挂接负荷F由站内非故障主变平均分配转供，元素u计算公式如式(13)所示。

(13)

式中：P表示次级负荷转移矩阵中的第个元素；R、F分别表示主变的额定容量和负荷；F为故障主变所在母线上的直接挂接负荷；N表示号变电站的主变台数。

定义主变容量约束判断矩阵为

式中：若T=0，表示主变满足主变容量约束，无需二次转供；若T>0，表示主变转供负荷后过载，需二次转供。

对于过载主变，二次转供时优先考虑站内转供，站内转供失败时由站内主变和站间主变共同转供。定义主变的二次转供方案选择逻辑Y为

方案1：站内主变转供

对过载主变所在变电站中主变负荷进行平均分配，定义二次转供后主变需要承担的负荷为

方案2：站间主变转供

以过载主变为中心主变，重新划分负荷转移区域(不包括故障主变)，对过载负荷量T进行二次转供，计算方法同故障主变。

一般情况下T远小于F，因此，二次转供时通常可通过站内主变转供成功。

4 负荷转移步骤

正常运行情况下，利用简化的网络拓扑关系形成主变联络关系矩阵及负荷转移区域，当主变因故障或检修退出运行时，基于负荷转移小区容载比对故障主变负荷进行“按需分配”。在分配的过程中，针对联络线路及主变容量约束条件，分别执行次级负荷转供策略及二次转供策略。

具体转供步骤如下。

步骤1：简化配电网络拓扑关系，形成主变关联矩阵。

步骤2：确定中心主变，划分负荷转移区域，形成负荷转移小区。

步骤3：计算负荷转移小区容载比，形成初级负荷转移矩阵。

步骤4：判断初级负荷转移矩阵是否满足联络线路容量约束。若满足约束，按照初级负荷转移矩阵进行转供；若不满足约束，形成次级负荷转供策略。

步骤5：判断直连主变是否过载。若主变不过载，负荷转移过程结束；若主变过载，二次转供优先进行站内转供，当站内转供失败时通过站间转供。负荷转供过程流程图如图1所示。

图1负荷转供流程图

5 算例

5.1算例概述

在IEEE配电网算例的基础上形成现状网数据，该配电系统站间联络电气接线图如图2所示，电气参数在表1和表2中给出。

图2主变互联配电网算例

表1 变电站数据

表2 联络支路数据

5.2算例求解

主变关联矩阵和联络线路容量矩阵分别为

(18)

以主变T5停电检修为例，验证负荷转供方案的可行性。以主变T5为中心主变的负荷转移区域为

主变T5所在母线的直接挂接负荷F= 2 MW，依式(3)、式(4)计算各个负荷转移小区的容载比，结果如表3所示。

表3 负荷转移小区的容载比

初级负荷转移矩阵为

依式(8)可得，联络线路容量约束判断矩阵为

(21)

计算结果表明，主变T4-T5间联络线路不满足容量约束，利用式(9)形成次级负荷转移矩阵为

依式(11)可得，因联络线路容量约束，需要切除主变T5的负荷为

(23)

计算结果表明，主变T5的负荷能够通过联络线路，由负荷转移区域中其他主变转带。

计及主变容量约束后，判断矩阵为

由于>0，表示主变T2不满足主变容量约束，需二次转供。

如图2所示，主变T2和故障主变T5不属于同一变电站，依据式(15)得主变T2的二次转供方案选择逻辑为

计算结果表明，主变T2二次转供时可通过站内转供，因此执行方案1。

至此，整个负荷转移过程结束，本方案对失电负荷全部恢复供电。主变T2、T4、T6的负载率分别为：0.86、0.77、0.90。

5.3算例对比

利用文献[16]的方法，主变T5故障时需要切除负荷5.98 MW。负荷转供结束后，主变T2、T4、T6的负载率分别为1.0、0.77、0.83。

综上所述，本文方法对主变T5的全部负荷进行了较好的消纳，提高了该区域的负荷转供能力和设备利用率。同时，基于负荷转移小区容载比对故障主变T5的负荷进行“按需分配”，使配电区域中的负荷分布更加均衡。

6 结语

针对主变故障后负荷转供过程中联络线路容量不足、主变过载等问题，提出了一种基于联络关系的主变故障负荷转供方案。该方案在配电网正常运行情况下，利用简化的网络拓扑关系形成主变联络关系矩阵及负荷转移区域，当主变因故障或检修退出运行时，基于负荷转移小区容载比对故障主变负荷进行“按需分配”。在分配的过程中，充分计及了联络线路及主变容量约束条件，分别设计了次级负荷转供策略及二次转供策略。仿真结果表明，该方案具有如下特点：

(1) “按需分配”的负荷转移方法，充分考虑了联络线路容量约束、主变容量约束以及主变实际负载水平，更符合实际，在提高了设备利用率的同时使配电网的负荷分布更加均衡。

(2) 在负荷分配的过程中，针对联络线路容量约束提出了次级负荷转移策略，针对主变容量约束提出了二次转供策略，有效提升了配电网的负荷转供能力。

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Power restoration scheme for main transformer fault based on the interconnection relationship

MA Jing, MA Wei, WANG Zeng-ping

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China)

In order to solve the problems such as insufficient interconnection capacity, overload of main transformer and so forth during the power supply recovering process after main transformer fault, this paper presents a novel power restoration scheme based on interconnection relationship capability. This scheme firstly forms main transformer interconnection matrix and conforms load transfer area by using simplified network topology relationship. When the main transformer is out of operation due to failure or maintenance, the load of faulted main transformer is distributed basing on the capacity-load ratio of the load transfer district. In the process of distribution, sub-load transfer strategy is proposed aiming at the constraint of interconnection capacity and secondary transfer strategy aiming at the constraint of main transformer capacity. Simulation results verify that the scheme can effectively improve the equipment utilization ratio of distribution network and load transfer capability, besides, the load distribution is more balanced. This work is supported by National Basic Research Program of China (973 Program) (No. 2012CB215200), National Natural Science Foundation of China (No. 51277193), the Chinese Universities Scientific Fund Project (No. 2014ZZD02), the Scientific Research Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars of State Education Ministry ([2011] No. 1139), Natural Science Foundation of Hebei Province (No. E2012502034), Beijing Metropolis Beijing Nova Program (No. Z141101001814012), the Excellent Talents in Beijing City (No. 2013B009005000001), and the Fund of Fok Ying Tung Education Foundation (No. 141057).

load transfer capability; power restoration; main transformer fault; capacity-load ratio; equipment utilization ratio

TM715

A

1674-3415(2014)19-0001-07

2013-12-24；

2014-01-16

马 静(1981-)，男，博士，副教授，曾在美国弗吉尼亚理工大学做博士后，研究方向为电力系统保护与控制；E-mail：hdmajing@aliyun.com

马 伟(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统供电恢复；E-mail：jnyz-mawei@163.com

王增平(1964-)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为电力系统自动化、继电保护、变电站综合自动化。

国家重点基础研究发展计划项目(973项目)(2012CB215200)；国家自然科学基金项目(51277193)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(2014ZZD02)；教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(教外司留[2011] 1139号)；河北自然科学基金项目(E2012502034)；北京市科技新星支持计划(Z141101001814012)；北京市优秀人才支持计划(2013B009005000001)；霍英东教育基金(141057)