考虑约束条件预处理的配电网重构技术

刘文军（北京密云供电公司，北京102206）

考虑约束条件预处理的配电网重构技术

刘文军
（北京密云供电公司，北京102206）

支路交换法是配电网正常运行时网络重构的一种基本方法。工程实际中，应用支路交换法选择重构方案前需考虑初始化约束条件，包括备选重构支路无过负荷、主变无过负荷、补偿度符合要求。提出了一种改进支路算法，将满足初始化约束条件的所有备选重构支路作为网络重构可选方案，归为一类，命名为支路交换子集S。对于子集S中的支路，利用联络开关2侧电压差，将重构方案分成2个部分，差值小的可以先合后分，差值大的另一部分，需要先分后合。现场实际运行对该方法进行了验证，表明该方法能够满足实用要求。

配电网；正常运行网络重构；改进支路交换法；初始化约束条件；补偿度

支路交换法作为配电网正常运行网络重构的一种基本方法，其优点是可以快速确定降低配电网线损的配电网结构，通过启发式规则减少需要考虑的开关组合，利用公式估算开关操作带来的线损变化。因此得到了广泛的应用[1-3]。

实际现场应用支路交换法进行网络重构时，需考虑初始化约束条件，包括重构后支路和主变无过负荷现象、补偿度符合要求（备选重构支路消弧线圈提供的电感电流能够对网络电容电流就行足够的补偿，使补偿后的残留仍然是感性的）[4-6]。只有满足初始化约束条件的备选重构支路才能作为重构可选方案，命名为支路交换子集S；不满足约束条件的直接排除。

本文提出了一种考虑上述约束条件预处理的改进支路算法，在进行网络重构前先考虑初始化约束条件，符合要求的才可作为备用方案。进行重构时，利用联络开关2侧电压的差，将重构方案分成2个部分，对于电压差值小的部分，可以先合联络开关后断开故障开关处断路器，差值大的另一部分，需要先断开断路器后闭合联络开关[8-10]。与此同时，选择子集S中电压降符合要求且网损最小的支路作为最优备选重构线路。这种改进支路法充分考虑了约束条件的限制，减少了备选重构方案的数目，加快了重构速度，提高了算法的计算效率，具有很强的实用性。

1　配电网正常运行网络重构数学模型

某10 kV配网系统如图1所示，为了保护整定和故障定位的方便，配电系统一般采用辐射状网络结构运行，网内n个10 kV供电子系统之间通过联络开关开环运行。

图1　某10 kV配电系统Fig.1　1　0 kV distribution system

如图1所示配电网正常运行但存在故障开关4，进行网络重构时首先搜索出所有可用的备选重构支路集C，判断C中线路是否满足下述初始化约束条件：

1）备选重构支路无过负荷现象。

2）备选重构支路主变无过负荷现象。

3）补偿度符合要求。即备选重构支路消弧线圈提供的电感电流能够对网络电容电流就行足够的补偿，使补偿后的残留仍然是感性的。

将满足初始化约束条件的备选重构支路作为网络重构可选方案，命名为支路交换子集S。对于子集S中的所有支路，若联络开关处装有电压互感器PT，则通过PT测得联络开关两端电压差ΔU；否则通过潮流计算出ΔU。通过ΔU算得此时冲击电流IS，如果IS小于给定定值，则先闭合联络开关，再跳开故障开关处断路器。如果IS大于给定定值，则先断开断路器，再闭合联络开关。

配电网正常运行时网络重构需要考虑安全性、可靠性和经济性，具体要求为网损尽可能小、馈线的负荷分配尽可能均衡，电压质量尽可能提高等。其中网损最小化作为电网运行经济性的重要指标，可以表示为：

式中：F为重构优化目标函数；i为支路总数；ki对应的支路i的开合状态；ki=1为该支路是闭合的；ki=0为该支路是打开的；Ii为流经支路i的电流；Ri为支路i的电阻。

本文选择网损值最小作为优化目标，计算子集S中所有备选重构支路的网损最优指标minF。

将子集S中由ΔU算得的冲击电流IS小于给定值的所有备选重构线路归类到组合X中，大于给定值的归类到组合Y中。分别计算出X和Y中网损值最小的备选重构线路minFX、minFY，比较这2个值得大小，（该值得大小可以根据现场经验适当调节），则选择minFY作为最优重构线路，否则选择minFX。

以上比较网损最优值时还要考虑到重构研究的网络特点，需要满足以下的约束条件:

1.1配电网辐射状运行的约束

配电网中不存在环网，并且配电网中每一个负荷点都被供电，即不存在电力孤点。

1.2节点电压约束

对于所有备选重构线路，由于用电设备的容许电压偏移为±5%，为保证供电质量，需要考核配网的供电末端节点电压值不能超越规定的上下限。

Vimin

2　改进支路交换算法

2.1初始化约束条件介绍

2.1.1备选重构支路无过负荷现象

重构后的网络不能引起支路过负荷，也就是线路容量的约束，即：

式中:Si为支路i的实际传输功率；Simax为支路i能提供的最大容量。

2.1.2备选重构支路主变无过负荷现象

如上述所示，若选择与故障开关所处不同段母线的支路作为重构线路，则重构后的网络也不能引起主变容量过负荷。

2.1.3补偿度符合要求

随着城市电网的快速发展，电缆线路的比重增大，特别是大型民用建筑及住宅小区中，要求全部采用电缆供配电。而一般情况下电缆的电容电流比同长度架空线路的大25（三芯电缆）到50倍（单芯），使电网的电容电流达到30～70 A。按规定，对于10 kV供电系统，当全系统的电容电流超过20 A时应该装设消弧线圈。

采用中性点经消弧线圈接地形式时，可以在正常情况下实时测量流过消弧线圈电流的幅值和相位变换，计算出电网当前方式下的接地电容电流值，故障开关点的残留可以被限制在设定的范围内。而消弧线圈容量主要根据系统正常运行但存在故障开关时的电容电流的大小来确定，并应留一定裕度，以适应系统今后的发展和满足设备裕度的要求。

一般情况下，消弧线圈的容量可按式（2）确定：

式中：Q为消弧线圈的容量，kV·A；Un为系统标准电压，kV；IC为对地电容电流，A。

可见，消弧线圈容量的选择首先由电网的电容电流确定，对于改造工程，IC以实测值为依据，对于新建工程，则根据配电网络的规划、设计资料进行估算。

消弧线圈的补偿方式分为过补偿，欠补偿和全补偿3种，实际中要求采用过补偿方式运行。

在系统正常运行进行网络重构需要启用备用电源或进行负荷转移时，如果备选重构路径消弧线圈容量不够大，不足以补偿全系统电容电流时，容易出现欠补偿和全补偿，这在工程实际中是不允许的。因此，将补偿度作为配电网络重构的一个约束条件是很有必要的，我们定义：补偿度来表示备选重构径中由消弧线圈容量所确定的IL大于IC∑的程度。

若P>0，则备选重构路径消弧线圈提供的电感电流能够对网络电容电流就行足够的补偿，使补偿后的残留仍然是感性的。实际中过补偿不能选的太大，一般选择补偿度P=5%～10%，而不大于10%。

若P≤0，则网络全电容电流大于备选重构路径能提供的最大电感电流，此时该备选重构支路不能作为网络重构方案，应排除掉。

2.2支路交换法介绍

支路交换法是由S.Civanlar等人[5-6]最先提出的，该方法首先计算配电网的初始潮流和网损，利用潮流计算的结果将负荷表示为恒定电流，每次只合上一个联络开关，在配电网中形成一个环网;选择环网中的一个分段开关并将其打开使配电网恢复为辐射状，从而实现负荷转移，达到负荷均衡和降低网损的目的。为了保证开关交换使网损下降，S.Civanlar等人给出了一个估计支路交换前后网损变化的公式:

式中：D为发生负荷转移的节点集合；Rloop为合上联络开关后形成环网的总电阻。

2.3改进支路交换算法重构步骤

第一步：策略搜索选择并判断初始化约束条件

当配网正常运行但存在故障开关时，首先搜索出所有可用的备选重构线路集C。

如2.1节所述，判断C中线路是否符合初始化约束条件，将满足条件的归到支路交换子集S中。

第二步：计算各备选重构线路相关值

（1）对于子集S中的所有支路，若联络开关处装有电压互感器PT，则通过PT测得联络开关两端电压差△U觶；否则通过潮流计算出△U觶。通过△U觶算得此时冲击电流I觶S，如果I觶S小于给定定值，则先闭合联络开关，再跳开故障开关处断路器。如果I觶S大于给定定值，则先断开断路器，再闭合联络开关。

（2）对上述所有备选重构支路进行潮流计算，采用比较常用的“功率前推电压后代”法对故障开关下游区进行各点功率和电压的计算。选择各节点电压均在正常±5%Un范围内的备选重构线路。

此时将支路交换子集S中的备选重构线路按电压满足约束条件，网损值从小到大排列。

第三步：比较组合X、组合Y中网损最优指标minF

将子集S中由△U觶算得的冲击电流I觶S小于给定值的所有备选重构线路归类到组合X中，大于给定值的归类到组合Y中。分别计算出X和Y中网损值最小的备选重构线路minFX、minFY，比较这2个值得大小，（该值得大小可以根据现场经验适当调节），则选择minFY作为最优重构线路，先断开断路器，再合适联络开关；否则选择minFX，操作与之相反。

3　算例

本文提出的方法已在现场得到了实际应用。如图2所示，该配电网为10 kV系统，正阳线为电缆线路，从顺城变电站引出，长约1 400 m。万寿线为架空线路，从顺城变电站引出，主干线杆塔98根。辽艺线为架空线路，从顺城变电站引出，主干线杆塔46根。万中线为架空线路，从万柳变电站引出，主干线杆塔49根。正阳线、万寿线、辽艺线从同一条母线引出。

图2　现场网络拓扑图Fig.2　The network topology of distribution system on site

负荷情况为：

正阳线：1号环网柜接负荷762.1+j571.6 kW，2号环网柜接负荷595.8+j446.9 kW，万中线42号杆接负荷318.7+j239.0 kW。

万寿线：25号杆接负荷457.2+j342.9 kW，44号杆接负荷859.1+j644.3 kW，53号杆接负荷484.9+ j363.7 kW。

辽艺线：18号杆接负荷304.8+j228.6 kW，26号杆接负荷497.7+j373.2 kW，万寿线71号杆接负荷512.5+j384.3 kW。

万中线：15号杆接负荷748.2+j561.2 kW。

万寿线：由青年站供电部分（71号杆接负荷623.5+ j467.6 kW）。

如图2所示，当万寿线33号杆前发生单相接地故障后，通过策略搜索得到故障下游区所有备用供电恢复线路为：

1）辽艺线重构。

2）正阳线重构。

3）万中线重构。

4）青年变电站重构。取系统额定电压为10 kV， LGJ-240导线参数r=0.132 Ω/km，x=0.159 Ω/km。

对上述备选供电恢复线路进行潮流计算，计算结果如表1所示。

表1　各供电恢复线路数据Tab.1Data of each power restored line

分析表中数据可得：4条备选供电恢复线路电压降指标都满足要求，网损值由小到大的顺序为：万中线、辽艺线、正阳线、青年变电站。优先选择与故障线路所处母线合环运行的分支电路，即群A中的线路。算例中为辽艺线和正阳线。虽然万中线的网损值小于辽艺线，但而且未出现过负荷情况，所以选择辽艺线作为该网络重构线路，操作时先闭合母线联络开关（62号），再断开故障处断路器（33号），从而保证万寿线负荷不会停电。

4　结语

本文针对配电网单相接地故障网络重构，提出了一种改进支路交换算法。将所有备选供电恢复线路分为2个群，优先选择与故障线路所处母线合环运行的所有分支电路，将其中网损值最小的线路作为重构线路。这种改进支路算法充分利用了单相接地故障的特点，在供电恢复过程中不会停电，提高了供电可靠性。现场试验数据充分验证了该方法的正确性与可行性。

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（编辑黄晶）

Distribution Network Reconfiguration Based on Preprocessing of Constraint Conditions

LIU Wenjun
（Beijing Miyuan Power Supply Company，Beijing 102206，China）

The branch exchange method is a basic method for network reconfiguration for the distribution network in normal operation.In engineering practice，selection of the reconfiguration scheme by the branch exchange method should consider the many initial constraints，including no overload in the branch to be reconfigured，no overload on the transformer and compensation degree meeting the requirement.This paper proposes an improved branch exchange algorithm，by which all the branches available for reconfiguration which meet the initial constraints are considered as network reconfiguration options，which can be classified into one class，and named Subset S. For all the branches in Subset S，the reconfiguration scheme can be divided into two parts according to the voltage difference at the two sides of the contact switch.For the small voltage difference，the switch can be closed before opened，while for the big one，opened before closed.The method is verified by the actual operation in the field，indicating that the method can meet the practical requirements.

distribution network；normal operation network reconfiguration；improved branch exchange method；initialization constraint condition；compensation degree

1674-3814（2015）07-0064-05中图分类号：TM727

A

2014-12-30。

刘文军（1977—），男，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为电力系统分析与控制、配电网自动化等。