配电自动化的合环潮流算法研究

詹克非 战锋 于丽丹 陈明恩 杨茂

摘  要： 随着配电网规模的不断扩大，传统的合环转负荷潮流算法已无法适应现代大规模复杂配网对合环后系统潮流分布准确性的相关需求。本文基于前推回代和叠加定理的“两阶段法”，提出了一种新型合环转负荷潮流算法。该算法相较传统的前推回代法不仅可以对合环后的环网潮流进行计算，同时可以对合环点两端的负荷功率进行修正。MATLAB的仿真分析证实该算法可行。

关键词： 配电网; 合环转负荷; 前推回代法; 两階段法

中图分类号：TM744          文献标识码：A     文章编号：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 课题研究背景与研究意义

随着社会的发展，人们对电力系统的供电可靠性要求越来越高。配电网直接面向用户，一般采用“闭环设计，开环运行”的供电模式[1-3]。为了减少停电时间，提高供电可靠率，在线路检修和倒负荷时采取不停电的合环操作已成为供电企业常用的手段。然而，如果合环点两侧存在电压差或两侧短路阻抗不同，合环后会产生环流，并且合环瞬间还会出现较大的短路冲击电流，可能会引起保护误动作，影响电网的安全稳定运行。因此，提高合环潮流计算的准确性就显得尤为重要，它能为实际系统的合环操作提供决策支持，达到提高供电可靠性和配网安全运行的目的。

常见的合环方式大致分为以下三种[4]：

⑴ 同一电压等级中压馈线合环，如两个110kV变电站10kV馈线合环，或两个220kV变电站10kV馈线合环等;

⑵ 不同变电站不同电压等级中压馈线的合环，如220kV变电站10kV馈线与110kV变电站的10kV馈线合环，或110kV变电站的10kV馈线与35kV的10kV馈线合环;

⑶ 同一变电站的中压馈线与母联开关合环。

由于系统的合环操作可能会产生较大的合环稳态电流以及短路冲击电流，为了避免合环电流影响系统的安全稳定运行，合环操作不能引起主变或线路的过载以及保护元件的动作，合环能否实现的判据通常包括以下两点[5]。①合环后的稳态电流应不使设备过载。②合环支路及非合环支路冲击电流应小于相关限时速断保护电流的整定值（保护Ⅰ段、Ⅱ段）。

2 算法分析

2.1 前推回代法

配电网络结构多以辐射状网络为主，前推回代潮流算法是配电网支路类算法中被广泛研究的一类算法，也是求解辐射状配电网络潮流的有效方法之一[6-8]。此算法具有简便、快捷、收敛性较好等优点。但是，前推回代法必须对节点和支路按一定的规则进行分层和编号，即在具体的计算前必须对网络进行拓扑分析，这对于大规模配电网和工程实际应用来说，是一件比较繁重的工作。

此外，该算法处理网孔能力较差，随着网孔数量的增加，算法的收敛性变差，甚至发散[9-10]。

如图1所示的辐射状配电网：

2.2 基于前推回代的两阶段法

由于前推回代法只能用于辐射状网络，对于合环后的环网潮流计算，应该利用叠加定理对前推回代法进行改进，即在合环点将环网打开，对合环开关两侧负荷功率进行修正。环网后的潮流分布应该等于合环前网络潮流和合环后等值网络响应之和，即合环后的支路潮流由两部分叠加而成：一部分是合环之前各支路的初始潮流;另一部分是由合环开关两端电压的相量差引起的循环潮流在网络中的分布。第一部分可以用前推回代法计算，从而得到合环点两侧电压。第二部分则需要采用戴维南定理，将原辐射状网络等效为理想电压源[Uoc]以及一个内阻[Z0]串联的形式，如图2所示。

将配电网合环所造成的弱电磁环网等效为一两端电源电压大小、相位均不相等的两端供电网络。由图3可知，此两端电压不等的供电网络，除了与负荷有关的供载功率外，还有由于两个电源点电压不相等所产生的循环电流，由于电力系统潮流值习惯用功率来表示，因此常用循环功率表示该环流。

其中，[UN]为两端供电网的额定电压，[ZAB]为等效内阻[Z0]与系统串联总阻抗[Zs]之和，循环功率[S?循环=（U?A-U?B）UNZ*AB]。

由式⑹、式⑺可以看出，两端电压不相等的两端供电网络中，各线段中流通的功率由供载功率和循环功率组成，式⑹、式⑺前半部分为与负荷功率有关的电源输出功率，称为供载功率，后半部分为由两个电源电压不相等所产生的功率，称为循环功率，该功率收敛判据为：

两阶段法的具体操作步骤如下。

阶段一

⑴ 通过SCADA读入网络参数，建立节点链接表。

⑵ 通过迭代求得上级电网的等值阻抗。通过拓扑分析从合环点向上搜索，将合环支路的阻抗与上级电网的等值阻抗相加得到合环环路的总阻抗。

⑶ 通过前推回代计算纯辐射网络潮流。计算断开合环点处开口电压。

⑷ 求出合环稳态环流。

阶段二

⑴ 修正合环点两侧节点注入功率。

⑵ 检查迭代终止判据式，若不满足则转到阶段一。

3 算例分析

Matlab是电力系统仿真分析常用的软件之一，simulink是Matlab提供的实现动态系统建模与仿真的软件包，是基于框图的仿真平台。Simulink挂接在Mmatlab环境上，以matlab的强大计算功能为基础，利用直观的模块框圖进行仿真和计算。同时，Simulink提供了各种仿真工具，为系统仿真提供了极大的便利。

根据某地10kV配网结构，使用Simulink搭建的模型如图4所示。

其中，系统中两台变压器均选用三相两绕组变压器模块，连接方式为Y-Y连接;由于忽略对地导纳，线路的模型采用三相串联RLC支路模块;负荷选择动态负荷模型“Three-Phase Dynamic Load”来仿真PQ节点上的负荷;母线的模型采用三相电压测量元件“Three-Phase V-I Measurement”来模拟系统上的母线。其中，变压器的参数采用p.u.（标幺值），负荷和线路阻抗我们则采用SI（有名值）。在完成所有的设置工作后，使用powergui模块的潮流计算功能对系统合环后的潮流进行潮流计算，首先点击模块中的“Initial State”和“Machine Initialization”对系统进行初始化，然后点击“Load Flow”，如图5所示。

这样我们就能得到各母线节点的电压值与相角。如图6所示。

通过仿真分析我们发现，以上结果与常规前推回代的计算结果十分近似，其结果如表1所示。而后者常常会忽略电压损耗中的横分量。由于该算法数据输入量少、简单易行，因此不失为一个可行的计算方法。

4 结束语

本文从电力系统配网合环潮流算法的前推回代概念出发，基于该理论提出了一种“前推回代+叠加定理”的“两阶段”算法，并设计了理论化与简化的算法流程;与传统算法相比，该算法可以很好地处理合环之后的潮流分布并且仿真结果表明其同样可以满足配网对于合环潮流实时性，准确性的要求。配网主站对上级电网的拓扑分析一般通过SCADA系统获取，本文采用的拓扑算法为“节点-节点”关联算法，后期可以改进为“节点-支路”关联算法，把由节点、开关组成的物理模型转化为由母线、线路组成的数学模型。

参考文献（References）：

[1] 姜瀚书，孙翀也，贾彦兵，杨龑亮.10kV配电网合环电流暂态过程的分析与仿真[J].黑龙江电力，2011.33（2）：88-90，94

[2] 邹俊雄，周冠波，付轲，蔡泽祥.10kV配网合环转电计算模型与试验分析[J].电力系统保护与控制，2010.38（8）：144-148

[3] 叶清华，唐国庆，王磊，谢敬东，吴国忠，顾水福.配电网合环操作环流分析系统的开发和应用[J].电力系统自动化，2002.22：66-69

[4] 曹亮，孔峰，陈昆薇.一种配电网的实用潮流算法[J].电网技术，2002.11：58-60

[5] 葛少云，李晓明.基于戴维南等值的配电网合环冲击电流计算[J].电力系统及其自动化学报，2007.6：124-127

[6] 汲亚飞，赵江河.辐射型配电网合环稳态电流计算方法研究[J].电力系统保护与控制，2009.37（12）：15-19

[7] 徐华月，章坚民，王跃强.基于CIM和配电自动化系统的配网快速潮流计算[J].电力系统保护与控制，2009.37（7）：45-48

[8] 冯静，张建华，刘若溪.基于PSCAD的配网合环电流分析[J].现代电力，2009.26（3）：41-44

[9] Zimmerman R， Murillo-Sanchez C， Thomas R.MAT-POWER： Steady-state operations， planning and analysis tools for power systemsresearch and education[J].IEEE Transactions on Power Systems，2011.26（1）：12-19

[10] Zimmerman R， Murillo-Sanchez C， Gan Deqiang.MATPOWER：AMATLAB power system simulation package[DB/OL]. Ithaca，NY：Power Systems Engineering Research Center at Cornell University，2010[2014-12-17].http：//www.pserc.cornell.edu/matpower/.