（电气工程专业论文）配电网合环计算与分析系统的设计与开发.pdf

摘要 配电网络合环操作是提高系统供电可靠性，减少负荷用户停电时间的一种有 效方式，但由此会给系统带来一点安全隐患。实际系统操作过程中，往往凭借系 统调度人员的经验进行合环操作，为保证系统的安全性，调度员往往持以保守态 度。对配电网合环计算与分析系统进行设计和开发将具有重大的工程应用价值。 本文首先对电网合环计算中的合环网络模型建立、负荷模型建立以及潮流计 算、合环稳态电流计算和合环冲击电流计算的基础理论进行了分析和研究，为合 环操作辅助决策系统设计和开发给予理论支持和指导。 其次，本文在v c + + 系统平台上设计并开发了电网合环计算分析系统，着重 对系统总体设计思想、数据库设计及其功能和系统各模块的功能进行了详细介 绍。 最后，本文以某地区l1 0 k v 变电站内l o k v 母线的母联开关2 4 5 进行合环计 算分析，并对合环分析过程中的重要计算结果以系统截图的形式表示出来。通过 对潮流计算结果和冲击电流计算结果验证分析充分说明了本文所设计系统的实 用性。 本文设计并开发的配电网合环计算与分析系统一定程度上可以辅助系统调 度人员进行合环分析校验，指导进行正确的合环操作。 关键词：配电网，合环操作，系统设计，系统开发 a bs t r a c t l o o pc l o s i n go p e r a t i o ni sa ne f f e c t i v ew a y t oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fp o w e r s u p p l yo fs y s t e m ，w h i l es h o r t e nt h ep o w e r c u tt i m eo ft h el o a du s e r w h e r e a s ，i ta l s o b r i n g so u tt h eh i d d e nt r o u b l eo f t h es a f e t y d u r i n gt h ep r o c e s so fr e a ls y s t e mo p e r a t i o n ， i ta l w a y si sc a r r i e da sp e rt h ee x p e r i e n c eo ft h ed i s p a t c h e r s ，w h oa r eu s u a l l yh o l d i n ga c o n s e r v a t i v e sa t t i t u d ef o rt h eg u a r a n t e eo ft h es a f e t yo ft h es y s t e m t h e r e f o r e ，t h e d e s i g n a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h ec a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n gf o rt h el o o pc l o s i n gi s o fi m p o r t a n ta p p l i c a t i o nv a l u e t h i sp a p e rf i r s to fa l lr e s e a r c ha n da n a l y z et h ef u n d a m e n m lt h e o r y f o rt h e c o n s t r u c t i n go ft h em o d e lo fl o o pc l o s i n g ，a n d t h em o d e ll o a df l o w e r , a n dt h e c a l c u l a t i o no fp o w e rf l o w , a n ds t a b l ec u r r e n to fl o o pc l o s i n g ，a n ds u r g ec u r r e n to f c l o s i n gl o o p w h i c hp r o v i d et h e o r e t i cs u s t a i na n dd i r e c t i o nf o rt h ed e s i g n a t i o na n d d e v e l o p m e n to ft h es y s t e m s e c o n d l y ，t h i sp a p e rd e s i g n e da n dd e v e l o p e dt h el o o pc l o s i n gc a l c u l a t i n ga n d a n a l y z i n gs y s t e mo nt h eb a s i so fv c + + p l a t f o r mm a k ed e t a i l i n t r o d u c t i o ns p e c i f i c a l l y o nt h ee n t i r ei d e ao fd e s i g n a t i o no ft h es y s t e m ，t h ed a t ab a s ea n dt h ef u n c t i o no f s y s t e m s ，t h ep r a c t i c a b i l i t yo f t h ed e s i g n a t es y s t e mi sw e l ld e m o n s t r a t e d f i n a l l y , t h i sp a p e ra n a l y z el o o pc l o s i n gb ys w i t c h2 4 5f o r10 k vb u so f110 k v r e c e i v i n gs u b s t a t i o nw h i c hi si nac e r t a i na n ds h o wt h ei m p o r t a n tr e s u l to f c a l c u l a t i o n i nt h ep r o c e s so fi o o pc l o s i n gi nt h ef o r mo fm a p b ya n a l y z i n gt h ec a l c u l a t i o no f f l o w s t u d i e sa n di m p u l s ec u r r e n t ，t h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kl o o pc l o s i n gs y s t e md e s i g n e d a n dd e v e l o p e di nt h i sp a p e rm a ya s s i s tt h ed i s p a t c h e r st oc a r r yo u tt h ea n a l y s i sa n d e x a m i n a t i o nt ot h el o o pc l o s i n ga n dp r o v i d ed i r e c t i o n st o c u r r e n tl o o pc l o s i n g o p e r a t i o n t h ea n a l y s e so f t h i se x a m p l es h o wc l e a r l yt h a tt h ef u n c t i o no fl o o pc l o s i n g o f t h i ss y s t e mi sa v a i l a b i l i t y t h i sp a p e rd e s i g n e da n dd e v e l o p e dt h es y s t e mi no r d e r t oa n a l y z el o o pc l o s i n g i t w i l la s s i s td i s p a t c h e r st oa n a l y z el o o pc l o s i n ga n dm a k ec o r r e c td e c i s i o n s k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，l o o pc l o s i n go p e r a t i o n ，d e s i g no fs y s t e m ， d e v e l o p m e n t o fs y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得吞鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 变竽吼。1 年毒月，。日 ，学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤奎态茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：亨 导师签名：丑心如 签字日期：吵1 年g 月，秒日签字日期：2 叩 年g , e lt s e t 第一章绪论 1 1 课题背景及选题意义 1 1 1 课题背景 第一章绪论 电力系统由发电、变电、输电和配电等环节组成，其中配电网络位于电力系 统的最后一个环节，直接影响着用户在电能质量、安全、经济等方面的需求。我 国地域广阔，配电网络覆盖面广，用户众多，设备繁杂，地理情况变化多样，并 且系统接线方式受用户侧的影响明显，加之我国配电系统的自动化水平不高，使 得配电管理系统难度较大。随着现代化社会和经济的快速发展，用电负荷增加， 广大用户对供电质量及供电可靠性提出了更高的要求，传统的配电网结构、运行 方式以及管理模式等已不适合经济增长的需求。因此加强配电网的建设、提高配 电网的管理水平，提高配电网的自动化水平迫在眉睫。 我国配电网的最大特点是闭环设计，开环运行n 1 。配电网分布于城市中的各 个角落，是一个挂满负荷的网络，这个网络中的每一个负荷都是由单一的母线供 电，不同母线所带的负荷区域用联络开关隔离。正常情况下，联络开关都是打开 的，以保证配电网的辐射状结构运行。在线路故障或者检修时，通过先停电隔离， 再转供负荷的方式，可以在一定程度上减少停电时间，提高供电可靠性。当前， 转供负荷的实现方法是先将待转供负荷的线路从现有电源侧断开，再将它投运到 另一个电源供电，操作过程中要有短时的停电。“停电”转供负荷主要是基于对 上级系统安全的考虑，但它的代价是待转供负荷线路上的所有负荷要短时停电 ( 现场人员操作通常要lh 左右) ，这既损失了负荷电量，又造成负荷用户减产， 影响正常的生产秩序，甚至导致重大的经济损失。 随着配电网络的发展，配电网双向供电和多电源供电的供电模式日益增多。 当某个母线、开关或馈线需要检修或者发生故障时，该母线、开关或馈线上的多 电源供电的负荷就可以进行负荷转移，通过合环操作，将负荷转移到与之相连的 其他母线或馈线上，从而实现不停电倒负荷( 带电合环) 。带电合环操作的最大 好处就是可以减少用户的停电时间，大大提高了供电的可靠性，保证系统供电质 量，提高公众对电力服务的满意度。伴随电力负荷密度增大，电网结构愈加复杂， 双电源供电甚至多电源供电越来越多，通过合解环操作实现不停电倒负荷成为一 种必然趋势。因此，研究不停电倒负荷的方法势在必行。 第一章绪论 1 1 2 选题意义 提高电力系统供电可靠性、经济性以及保障系统供电质量一直是电力系统运 行致力的最高目标，其中带电合环操作即是提高系统供电可靠性的一种方法。然 而，合环操作在减少用户的停电，提高网络供电可靠性的同时，又对整个系统的 安全运行隐存着危险性。 首先，配电网络通过联络开关进行合环操作时，如果两侧母线的电压差不是 很大，正常情况下通过联络开关的电流不大，但是当系统出现故障时，如遭到雷 击或者短路时，出现不平衡的运行状况，特别是其中某一条线路出现跳闸，退出 运行时，联络开关有可能通过高压侧传过来的很大的潮流，可能会导致保护动作， 从而造成更大面积的停电事故，造成无法弥补的社会和经济损失。 其次，如果合环点两侧电压差较大( 电压幅值差以及相角差较大) ，那么合环 操作将会导致合环网络产生很大的稳态环流和冲击电流，可能会引起保护误动， 亦会造成大面积停电。 因此，运行人员对于配电网络能否合环的判断至关重要。在没有充足把握的 情况下，一定要谨慎地进行。在实际系统运行中，调度人员经常根据自己的运行 经验来判断系统是否可以进行合环操作，但由于电力系统本身的复杂性，一个开 关动作不对，即可能引起一系列的连锁反应，可能导致系统大面积停电甚至系统 解裂，因此，仅依靠系统调度人员的运行经验来判断系统合环操作，有较大的局 限性，不能统筹全局，这也是实际运行中调度人员对带电合环操作多持保守态度 的原因。因此，迫切需要一个辅助决策分析系统来协助调度人员的调度运行。 电网合环计算与分析系统是基于图形操作平台而开发的具有合环计算功能 的分析系统。该系统包含四个电力系统图符库，可以根据需要绘制电力系统中的 网络接线图，如变电站。除此之外，可以选择系统中需要进行合环操作的开关进 行合环分析，在形成网络拓扑后可以进行潮流计算与合环分析计算等高级功能， 通过分析结果可以校验当前系统的设备是否过载、系统是否过负荷、线路是否过 电压等情况，从而辅助操作人员进行正确的合环操作。 电网合环计算与分析系统的设计一方面为电力系统带电合环操作提供一个 理论依据，同时可将系统分析结果与系统调度人员的运行经验相结合，使系统带 电合环操作可以更安全更可靠的进行。本系统可以在我国各电压等级的配电网中 推广使用，作为系统调度人员的一个辅助决策分析系统。配电网络合环操作系统 的设计与开发将具有重大的实际意义。 2 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 由于电力系统配电网络结线运行方式以及保护配置的差异，国外对多端供电 配电网络合环操作的研究很少。在国内，电磁环网是电网发展过程中的产物。起 初，为了提高系统供电可靠性要求，2 2 0 k v 与5 0 0 k v 网络形成电磁环网，随着 5 0 0 k v 电网结构的加强，为了限制短路电流，2 2 0 k v 电磁环网要求开环运行， 这也伴随着产生了1 1 0 k v 及以下配电网的合环问题。国内对多端供电的配网合 环问题研究也是近些年才开始，并没有形成一套完整的合环操作的理论计算方 法。文献【2 】至文献【7 】主要介绍了对配电网络合环操作中的潮流计算方法；文献 【8 】和文献【9 】对电力系统配电网络合环冲击电流的计算模型以及计算方法进行了 研究；文献【l o 】和文献【ll 】介绍了电网合环操作分析系统的开发思路，其中文献【1 l 】 介绍了一套合环操作辅助决策分析软件，介绍了一种配电网络的简化方法和合环 环流的计算分析方法，但由于无法获得网络的实时运行参数，使网络简化和计算 精度可能产生很大的误差。文献【1 2 1 提出所研究的合环网络与外部网络之间只存 在一个或两个边界节点，并研究了馈线负荷模型，提出将负荷分别集中于馈线的 首端或末端。文献【1 3 】提出一种计算合环瞬间冲击电流的频域模型，通过拉普拉 斯反变换得到了时域下冲击电流瞬时表达式，但拉普拉斯反变换计算过程较为复 杂，且文中没有对冲击电流的有效值进行分析。 为了保证合环操作正确进行，合环前对需要进行合环的配电网络进行仿真计 算是至关重要的，此过程中需要解决的主要问题有： ( 1 ) 合环网络等值模型和合理建立 等值网络模型的建立是计算的基础。配电网实际运行中，合环操作指令是由 地方调度中心发出，但由于配电系统自动化程度不高，使调度中心无法获取外部 网络的实时信息，很难进行准确的潮流计算。因此，在建立合环网络的计算模型 时，需要对外部网络进行合理等值。 ( 2 ) 负荷模型的建立 配电网络分布广泛，所带负荷节点多且无实时负荷量测。因此，在对配电网 进行潮流计算时，需要对配电网的馈线负荷进行适当的处理。 ( 3 ) 配电网合环稳态电流和冲击电流的计算 配电网络进行合环操作时，因合环开关两侧电压差( 幅值差、相角差) 的存 在，合环后网络中会产生循环电流( 稳态电流) ，同时合环瞬间网络中还会产生 较大的冲击电流。如果合环后网络中的稳态环流或冲击电流过大，超过了保护设 备的整定值，将会引起保护设备的误动作，从而造成停电事故。因此，准确地计 算合环后的稳态电流和冲击电流是判断系统能否合环的关键。 第一章绪论 以系统理论分析为核心算法，在v c + + 系统平台上对电网合环分析系统进行 设计和开发，该系统的成功完成将协调系统调度人员对合环操作进行正确指导。 1 3 本文的主要工作 本论文完成的主要工作有： ( 1 ) 对电网合环的理论基础进行研究，着重分析了合环网络等值模型建立、 负荷模型建立、潮流计算方法以及合环稳态电流和冲击电流的计算方法，为合环 系统设计和开发提供理论基础支持。 ( 2 ) 着重介绍合环计算与分析系统的总体设计思路、数据库的设计和功能 以及系统模块的功能，介绍中以系统截图的形式给出，使大家不仅能够直观的了 解系统界面结构，而且可以从整体上对本系统进行了解。 ( 3 ) 对某地区l l o k v 变电站内的l o k v 母线的母联开关2 4 5 进行合环计算 分析，并对中间重要的计算结果以系统截图的形式给出，通过对潮流计算结果和 冲击电流计算结果分析校验得出，可以对该开关进行合环操作。充分说明了本系 统合环计算与分析功能的有效性。 4 第二章配电网络仑环等值模型 第二章配电网络合环等值模型 目前，电力系统配电网络带电合环的方法主要有电压互感器法、核相杆法、 理论计算方法等。其中，理论计算方法本身不需要任何实物投资，同时又有可靠 的理论依据，并且对环流的大小能够进行较为准确的计算，对能否合环可以给出 较为正确的判断。虽然该方法是在一定的简化条件下进行的，与实际情况会有一 些出入，但我们可以采用适当的理论分析，忽略对结果影响小的部分，保留影响 大的部分，使计算结果具有足够高的计算精度，满足实际工程的要求。本章将着 重对配电网络合环的理论计算方法进行分析研究。 2 1 电网合环简介 2 1 1 合环模式 配电网合环操作可以归纳为三种典型的模式，将其分类进行分析，可以形成 模板。当对系统进行合环分析时，只要调入合环模板，选择合环馈线所在母线， 输入必需的线路参数、变压器参数以及负荷参数即可进行合环计算。这样，一个 模板适用多种合环操作，用户使用十分方便。根据上级电源的差异，l o k v 中压 配电网合环一般可以分为三类，如图2 - 1 所示。 ( 1 ) 同一变电站同一区域的馈线合环 图中联络开关k 的合环操作属于这种情况，母线a 和母线b 都是属于变电 站a ，都是由同一个1l o k v 的母线供电，他们之间直接通过母联开关或联络开关 进行合环操作，这类合环操作相对比较简单安全。当高压网出现故障时，通过母 联开关进行合环操作也不会出现差错，属于保守合环情况，而且比较安全。 ( 2 ) 同一变电站来自不同区域的馈线合环 图中联络开关忽的合环操作属于这种情况，母线b 和母线c 都是属于变电站 a ，但它们的上一级电源来自不同的分区，它们之间直接通过母联开关或联络开 关进行合环操作。 ( 3 ) 不同变电站的馈线合环 图中联络开关幻的合环操作就是这种情况，母线c 属于变电站a ，而另一 端母线d 属于变电站b ，馈线间通过联络开关进行合环操作。因为不同变电站 上级网络和所带负荷可能存在较大差异，这种合环操作存在较大风险。 第_ 章配电网络合环等值模型 1 1 0 k v 变电站ai i o k v i1 0 k v 变电蛳l 。，o k v 母线a1 0 k v母线b1 0 k v母线c li o k v 上唰上斟上崞 图2 - 1 配电网合环模式分类 烹1 i o k v变电蜘i 上述配电网合环的三种模式中，参考文献【1 2 】将第一种合环模式称为单边界 节点合环，后两种合环模式称为双边界节点合环。 2 1 2 合环问题研究 由于电力系统是一个非常复杂的大系统，对其进行任何一项简单的操作都会 引起一系列的连锁反应，所以对系统进行操作之前一定要保障系统的安全性，并 且操作过程也要严格按照一定的程序进行。对配电网进行合环操作的主要步骤 为：首先，建立研究网络的数学模型；第二，选定合环开关进行拓扑分析，生成 相应的计算网络；第三，对研究网络进行潮流分析；第四，根据给定的冲击模型 计算冲击电流；第五，合环校验。其中，第五步主要是通过潮流计算和冲击电流 计算得出的电压、电流、功率等与线路以及设备的限制进行比较，如果不超过设 备的最大限制，则满足合环要求，可以进行系统合环，否则不允许进行合环操作。 对系统进行的每一项计算都需要一定的理论分析做指导，同时对系统进行设计和 开发时的核心算法也是基于系统的理论分析，所以说，在系统设计和开发之前对 其进行理论分析显得尤为重要。配电网络合环操作的主要步骤包括合环模型的建 6 第二章配电网络合环等值模型 立、配电负荷的处理、潮流计算以及稳态电流和冲击电流的计算等。下面将对每 一步计算中涉及的基础理论进行介绍和分析。 2 2 配电网络合环模型建立 建立网络的数学模型是配电网所有计算和分析的基础。这里提出了两种网络 模型建立的方法，一是变结构耗散网络模型，基本思想就是将配电网看成赋权图， 从图论的角度去解释配电网络；另一种方法是依据结构单元来化简的方法，基本 思想是将配电网中配电变压器的结构分成三类，根据不同的类型分别进行化简。 2 2 1 变结构耗散网络模型 l i p 由于仅能得到柱上开关的信息，该方法是将线路上的柱上开关看成是节点， 节点的权为流过该节点的负荷，并将相邻2 个节点间的配电馈线和配电变压器综 合看做是边，边的权即是该条边上所有配电变压器供出的负荷之和的简化方案。 该简化模型的要点如下： ( 1 ) 用无向图描述配电网的潜在联接方式。 即将馈线当做无向边，并采用行列的网基结构矩阵刃加以描述，其中 为配电网中节点个数，若顶点j 和顶点- ，之间存在一条边，则d , j = 妒1 ，否 则为0 ，称这种图为配电网的“网基”。 建立1 行矽0 的源点分布矩阵m ，若节点j 为电源点，则皿= 1 ，否则为0 ；建立 l 行列的t 接点分布矩阵0 ，若节点j 为t 接点，则旷1 ，否贝u o , - - 0 ；建立1 行n 列 的节点状态矩阵t ，若节点冶闸，则t 。= 1 ，否则t i _ 0 。 ( 2 ) 用有向图描述配电网当前的实际运行方式。 即将配电网的馈线当做有向边，其方向就是线路上潮流的方向，并采用n 行n 列的弧结构矩阵c 加以描述，其中n 为配电网中顶点个数。若顶点i 和顶点j 之间 存在一条由i 指向j 的边，则c ；。= 1 ，c ，；= 0 ，称这种图为配电网的“网形”。 建立n 行n 列的配电网负荷分布矩阵l ，其对角线元素为流过各节点的负荷， 其他元素为该元素所对应的弧供出的负荷，l 中没有对应的弧的位置的元素为0 。 建立行列的配电网额定负荷分布矩阵r ，其对角线元素为各顶点的额定负荷， 其他元素为该元素所对应的弧所能供出的额定负荷。建立行列的配电网归一 化额定负荷矩阵眺其中的元素分别为l ，= j ，以，和= b 。 由d 阵、m 阵、0 阵和t 阵求得c 阵的过程，称为基形变换。对于一个给定 的n 点开环变结构网络，实际上其d 阵和m 阵是确定的，而其t 阵是变化的。基形变 换的内在含义是根据配电网的潜在联接方式和各开关的当前状态求得配电网的 第一：章配电网络合环等值模型 当前运行方式的过程。 如图2 2 所示。图2 2 ( a ) 中所示的模型共有1 9 个节点、3 3 个元件( 1 4 个配电变 压器和1 9 条馈线段) ，而采用图2 2 ( b ) 中所示的简化模型则一共只有6 个节点和5 个耗散元件，但是在简化模型中，必须将分支线路的末梢表示为处于分状态的节 点。 b i 垃k 一址t h t t 譬 m i i 乙豫j ： si k j ： ej 。 i 。! ； bt 披rz ，i ：j ! ： t ：隹r i ：i i 中：凡j 4 1 ： ，i ：oi ? l ：t ，冬1 1 0 j j 图2 2 一个配电网局部的传统模型和简化模型 2 2 2 分类化简模型 该方法化简的原则为网络简化前后计算所得的线损相等或在误差允许的范 围内。低压网络通常用3 种基本结构单元来描述，如图2 3 所示。结构单元l 表 示多台负荷变压器经一定长的线路接成星形网情况；结构单元2 表示多台负荷变 压器直接构成星形网情况；结构单元3 是上述两种情况的综合，其中部分变压器 是经线路连接，另一部分变压器直接连接。 谚_ 于_ 谚? 砖嘲终栩：r f ：j 图2 3 配电网的基本结构单元 ( 1 ) 结构l 化简 假设有n 条支路需合并为一条，如图2 4 所示，则有： ，z = ，足= 只，睦= q ( 2 - 1 ) i = li = 1，i 式中卜流经第j 条支路首端的电流； 卜第j 条支路的总有功损耗； 卜第，条支路的总无功损耗； ，z 、足、绞化简后等效支路的对应参数。 若每一节点支路的等效网络如图2 - 5 ( a ) 所示，则化简后的等效电路的等效网 络如图2 - 5 ( b ) 所示， 第二章配电网络合环等值模型 图2 - 4 结构l 的化简图 rrxp q f d 1 i2 t , ；矗川i 卜b 1 ，j 阳l ；薯戗毡j j 图2 - 5 结构l 化简前后的等效网络 ( 2 ) 结构2 化简 结构2 化简的示意图如图2 - 6 所示，化简前后的等效电路如图2 7 所示，化 简过程遵循的基本公式为 只，绞 ，= l 巧鹾 j = 1 月 1 q ，l 8 1 l 羔纠，i f = 1 j 式中p 、q 第j 条支路的有功负荷与无功负荷； 、q 7 第j 条支路的有功损耗与无功损耗。 i u 瀑琏 一宅i 翰壤旧 图2 - 6 结构2 的化简图 |x 口 口 皇x p 口 图2 7 结构2 的等效网络 9 ( 2 2 ) 第二章配电网络合环等值模型 ( 3 ) 结构3 化简 结构3 可视为结构1 的一个特例。此时可将直接连接于节点的变压器支路按 经极短线路连于节点的变压器支路处理，线路长度可设为极小值，如1 0 - s k m 。单 位长度的线路参数采用一般值，结构3 的化简方法参照结构l o 实际设计中，单独一个合环计算与分析系统的设计，则优先考虑采用分类化 简的模型，不同的结构特点用不同的模型进行简化。该方法化简的原则为网络简 化前后计算所得的线损相等或在误差允许的范围内。因此在下一部分的负荷分布 模型的确定时，可以相应的采用按容量分配的办法，考虑线损时负荷分布的影响， 可以使计算更加符合实际。 2 3 负荷模型的建立 配电网合环计算不仅涉及到配电网络，还涉及到输电网络，由于合环负荷模 型的处理与网络结构有关，所以对配电网合环分析中负荷模型的建立要针对配电 网络的结构进行。对于实时系统来说，配电网节点数目众多，但测量元件有限， 节点的信息获取的不全，这时要对其进行状态估计，利用已测量的有限量，估算 出全网所有节点的信息。 由于目前配电网的自动化程度不高，不能实现与实时系统相连，对负荷的处 理主要有以下几种方法【。1 引。 2 3 1 点负荷 将所有负荷归结于一点，并且所有的负荷具有相同的功率因数：即影响电压 相位只是变压器自身电抗和与合环点之间的线路阻抗，与所带负荷的性质无关。 这种方法虽然简化了计算，但模型不够准确。 2 3 2 按容量分配的方法 1 0k v 配电网中，通常各供电分区只有有功电能计量装置，没有有功和无功 计量装置。但在供电线路的首端，通常既有电能计量、又有功率计量装置。为分 析配电网不停电调负荷时短时环网潮流的变化情况，必须先将配电线首端的有功 和无功合理地分配到各供电分区。为简化分析，拟采用按各供电分区配电变压器 容量成正比的方法将配电线首端的功率分配到各个供电分区。假定预计的下一个 时间段( 即将进行合环的时间段) 配电线路首端的功率为( p + q ) m e , 4 。 当忽略配电线路上的损耗，则分配到第f 个供电分区的负荷功率只+ ，q ，为 尸+ q = ( 只+ ，q ，) s m s ， ( 2 3 ) l o 第_ 二章配电网络合环等值模犁 其中，s m 为供电分区j 的配变总容量，纳该配电线路上的配电变压器总容量。 当给定线损率，考虑线路损耗时，设给定负荷水平下配电线路的线损率为 口( ) 。假定线损沿线路均匀分布，则得各供电分区的负荷功率为 只+ q = 【l 一口1 0 0 ) ( e + _ ，q ) s 肺s ( 2 4 ) 显然，式( 2 4 ) 的结果比式( 2 3 ) 更好地反映了电网的实际情况。 考虑到实际配电网络中，各供电分区变压器的负载情况是千差万别的，即各 供电分区变压器的负荷率是有区别的，有的常常处于过载运行状态、而有的却长 时间处于轻载状态。如果根据历史电量统计资料能分析出各供电分区大致的变压 器负载率卢( ) ，则有计算各供电分区的负荷功率式为 p + q j = 【l a l l o o ) ( e + q ，) s 二s ：，( 2 - 5 ) 式中s 二= 几1 1 0 0 ；s n = s 二若以此作为不停电转供负荷分析的依据， 则 分析结果更接近配电网的实际运行情况。 2 3 3 负荷移置的方法 考虑到配电网络负荷分配的均匀性，将负荷归结于合环线路的中央，如图2 - 8 所示。其中，l d 。、l d 。，表示合环线路负荷的集中值。这样不仅可以反映配电网 结构特点，而且便于计算环流大小。在进行理论分析后，对这一假定加以论证。 u z ui 吲。” 口：u uz u l 可 zu 1t ：j l 妒 图2 8 负荷集中至中点位置 如图2 9 所示，取一段线路1 2 ，其中，、节点的负荷功率分别是s ，、s ，。在 负荷点，和负荷点抻取一点詹，设从点1 到点2 的各段线路阻抗值依次是z ，z z k j ，z j 2 。 图2 9 中，拟将节点j ，j 的负荷移置到节点七。保证移置前后，网络其它部分 的电压、电流、功率仍保持不变。现求节点k 的位置。 + l 7 z 一飞 l + 一一 + 一一 乩乩 二 写 第二章配电网络合环等值模型 s 一下呻 图2 9 负荷由两处移至一处 如图2 9 ，设移置前，节点1 的注入功率为s 。，那么s ，也是流经阻抗z 。i 的功率。 凡满足式( 2 - 6 ) ： s ：兰堕墨氅当互 ( 2 6 ) j ) = 7 _ ：= _ = ：_ 一= 一 iz dj z l j + z ，i + z 向+ z ，2 、 设负荷移置后，流经阻抗z ，；的功率为s ：，脯的负荷是s 与5 2 和。那么， 流经阻抗z “的功率吖满足式( 2 5 ) ： 骷垫曼望堑型 l z l l + z 噍z 畸+ z1 2 移置前后，流经阻抗z 。的功率应相等，即s 。= s ； 式( 2 7 ) ，且有 z i l = z 渡+ z b 可解得式( 2 8 ) z 睹 z 白 ( 2 7 ) 。所以，联立式( 2 6 ) ， ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 由z 。或历都可确定节点k 的位置。 上述推导从等电压两端供电网络的关系式出发，其结论也适用于不等电压两 端供电网络，因负荷的移置并不影响仅由电压差决定的循环功率。 对于负荷分布模型，优先采用按容量分布的方法。该方法分为三个阶段，可 以根据用户数据的完备与否采取不同的方法，当数据比较全面( 即可以获得线损 率和变压器的负载率) 的时候，可以用第三个模型，模型比较精确；若是数据收 集有困难的时候，采用第一个模型，也可以满足工程上的精度要求。 2 4 潮流计算 潮流计算是电力系统分析最基本，也是最重要的的计算之一，通过潮流计算 去专 乙 乙 第_ - 章配电嘲络含环等值模型 的可以了解系统当前的运行状态，给调度运行人员最直接的掌握系统状况，同时， 电力系统中的计算分析几乎都是在潮流计算的基础上进行，所以对配电网络进行 潮流计算则显得相当重要。为了判断系统能否进行合环操作，我们需要对研究系 统进行三次潮流计算，即合环前树状网潮流计算、合环后稳态潮流计算以及解环 后的稳态潮流计算，其中，通过合环前的树状网的计算，可以求得合环馈线所在 母线的电压、相角，以计算合环后的冲击电流，校验电流速断保护是否误动；合 环后环网的稳态潮流计算求得稳态电流，用于校验过电流保护是否误动；解环后 的系统，也是一个树状网络结构。计算得到解环后的稳态潮流分布，以判断解环 后系统是否能正常运行。 当前常见的潮流计算方法很多，主要有牛顿一拉夫逊法，快速解耦法( p - q 分 解法) 、前推回代法和分布系数法等。由于我国配电网络多是辐射状接线模式， 并且线路参数并不满足x r 条件，所以快速解耦法并不适合于配电网络的潮流 计算。根据理论分析与运行实践得出，目前我国配电网络主要采用牛顿一拉夫逊 法、前推回代法和分布系数法，下面简单介绍一下各种算法的原理。 2 4 1 牛顿拉夫逊法 牛顿一拉夫逊法( 简称牛顿法) 在数学上是求解非线性代数方程式的有效方 法。其要点是把非线性方程式的求解过程变成反复地对相应的线性方程式进行求 解的过程，即通常所称的逐次线性化过程。这种算法的优点是收敛速度快，迭代 次数与所计算网络的规模基本无关，并且具有良好的收敛可靠性。缺点是所需的 内存量及每次迭代所需时间较多，并且该算法的可靠收敛取决于有一个良好的启 动初值。如果初值选择不当，算法有可能根本不收敛或收敛到一个无法运行的解 点上。 2 4 2 前推回代法 前推回代法实际上就是手算潮流的方法，先按照各点的平均额定电压从后往 前计算潮流，然后根据所得的结果，从前往后刚推，修正各点的电压值，直到满 足一定的精度要求为止。无论是算法，还是编程都比牛顿法简单，而且很适合配 电网的辐射状接线模式，因此，此法广泛的应用于配电网的潮流计算中。但对于 一些特殊结构和特殊情况下的配网( 出现弱环的现象) 还是需要应用牛顿法求解。 如果系统接地支路不能忽略，则导致弱环数目较多时，宜采用回路阻抗法进行求 解。 第 二章配电网络合环等值模型 2 4 3 分布系数法 利用分布系数1 3 , 8 1 和重叠原理计算电网合环操作时的潮流分布的步骤是：首先 利用分布系数法求出环网的自然功率分布，然后计算仅考虑变压器变比不同引起 的均衡功率，最后将这两部分结果叠加起来便得到电网合环操作时的实际潮流 分布。 由以上分析可得，对于树状网的潮流计算时，可以采用前推回代法，算法实 现简单，且很适合辐射状的网络结构；对于合环过程中暂时形成的环网，可以采 用牛顿法来计算，在精度要求不高的情况下，可以采用分布系数法来进行近似的 计算。 此外，合环后的解环操作，也需满足系统稳定的要求。解环后，系统应处于 长期的稳定运行状态，应该对线路进行n 1 校验以及线损最小的比较等，可以以 此作为解环时开关选择的标准。 因此，为了判断系统能否合环，要进行三次潮流计算。合环前的树状网的潮 流计算通过合环前的树状网的计算，可以求得合环馈线所在母线的电压、相角， 以计算合环后的冲击电流，校验电流速断保护是否误动；合环后的稳态潮流的 计算，是个环网的计算求得稳态电流，用于校验过电流保护是否误动，以及合环 网络设备是否过载；解环后的系统，也是一个树状网络结构。计算得到解环后的 稳态潮流分布，以判断解环后系统是否能正常运行。 另外，高压合环和中低压合环的目的不一样。高压解环是为了降低低一级电 网的短路电流，而中低压的解环是为了转带负荷，因此，各自选择的解环开关的 方式不同。高压环网要求在潮流薄弱的地方解开，中低压的要求是找到另一个系 统能正常运行的状态。 针对合环计算时的三个阶段，可以采用不同的潮流计算方法。当网络是辐射 状结构时，可以采用前推回代法；处于环网运行状态时，可以采用牛拉法计算。 但是在实际编程过程中，可以考虑到程序通用性或是代码重用性的问题，也可以 都采用牛拉法计算。 2 5 合环稳态电流和冲击电流的计算 配电网络进行合环操作时，由于合环开关两侧存在一定的电压差( 幅值差、 相角差) ，合环后网络中会产生循环电流，即合环稳态电流1 1 5 1 ，同时，在合环的 瞬间网络中也会产生较大的冲击电流，如果产生的电流过大，超过了保护设备的 整定值，将会引起保护设备的误动作，从而造成停电事故发生；同时，合环稳态 电流过大会造成设备( 如线路、变压器等) 过载；合环后也可能造成系统过负荷， 1 4 第二章配电网络合环等值模型 或者线路终端母线电压过低。因此，准确地计算合环后的稳态环流和冲击电流， 是判断系统能否合环操作的关键问题。 2 5 1 合环稳态电流的计算 2 5 1 1 分布系数法f 3 8 利用分布系数法计算配电网合环操作时潮流分布的基本思路如前所述。其 中，自然功率分布的计算过程为1 6 】：在进行功率分布计算时，首先要选取平衡节 点，一般选取功率变化较大、支路较多的电源点为平衡节点。平衡节点选定后， 再选定顺时针或逆时针作为环绕方向，如求得的功率方向与选定的环绕方向相 同，那么分布系数就是正的，否则为负的。 k 图2 1 0 利用分布系数计算环网潮流分布示意图 如图2 - 1 0 所示电力网有n + 1 个节点( 负荷点) ，其中a 是选取的平衡节点， 通过支路a 的功率与各节点负荷的关系为 月 疋= c 朋鼠 l ( 2 - 1 0 ) 式中，s o = p o - j q o 为通过支路a 的功率；邑= 只- j q 为节点n 的负荷； l 一2 一- ，成为节点n 的负荷在支路a 中的分布系数。在实际潮流计算时，大 多数电力网均可近似地视为均一网，此时，分布系数是个实数，虚部为零，从而 可用各个支路的模数来计算，工作量大为简化。此时公式可改写为 已 s o = 一j q = 巳( 一q ) 1 ( 2 一l1 ) 如果节点处接的不是负荷，而是电源，则该电源就可以认为是负的负荷。下 面以图2 - 1 0 所示简单环网来说明分布系数的计算方法。 先在节点1 处接一个单位的负荷，而其他节点不接负荷，且s = 1 0 的负荷 第_ 章配电f b 9 络合环等值模型 由平衡节点a 的电源供给时，支路a 的功率就是节点1 的负荷在支路a 中的分布 系数c l 。，这样便可求出c i 。同理，可在另一节点处接一个等于1 0 的单位负荷， 而其他节点不接负荷，同样可求出c i 。、c 2 。、巳。求出上述分布 系数后，便可求出支路a 中的功率只= 巳最，其他支路中的功率可相应求出。 ， 1 2 0 k 、。 3 k v 图2 - l l 电磁环网不意图 均衡功率的计算：均衡功率即为合环点两侧电压差引起的循环功率。电网结 构如图2 1 1 所示，如果0 e 吼，则合上开关k 将引起均衡电流。其中k i 、k 、 丘分别为变压器b - i 、b - 2 、b 一3 的变比，当开关k 合上后，环网中的均衡 功率为 a s = a e 牛i j n( 2 - 1 2 ) ，r 磊 其中，a e = ( 砖- 1 ) u n 。a s 为环网的均衡功率：为开环处的额定电压； k z 为整个环路的阻抗；叠为等值变比。在上述电网中，延= 号 ，若如= 1 ， a ，a ， 则环路中无均衡功率：若艮 l ，则说明均衡功率与选定功率绕向相同。 在电网结构及参数一定的条件下，利用分布系数法计算自然功率分布，然后 计算合环后网络的均衡功率，叠加得到环网的稳态潮流分布，从而计算得到环网 的稳态电流，确定是否可以合环。本方法多用于结构较简单网络的手工计算。 2 5 1 2 叠加法【1 7 - 1 9 l 如果已知合环前联络开关两侧的电压，则开关两侧的电压差也是已知的。若 把合环运行看作是在开环运行的两端点之间叠加一负的电压源，则合环运行方式 可分解为开环运行方式和具有一个电压源的附加分量。 1 6 第二章配电网络合环等值模犁 图2 1 2 ( a ) 所示为一简单的环形网络示意图。应用上面提出的方法可将该网 络分解为两个网络：一是纯辐射状网络，如图2 1 2 ( b ) 所示，该网络中所有环都 被解开，并保留原网络中所有的电源和节点负荷，形成了一个不含环状结构的纯 辐射状网络；另一是纯环状网络，如图2 1 2 ( c ) 所示，该网络中所有电源和节点 负荷被移走，所有的辐射状支路也被移走，只保留包含在环中的支路和合环点处 附加的电压源。对于分解形成的两个网络，可分别进行计算，将计算的结果叠加 即可求出整个网络的电流。 上l岛 上i厶 ( a )( b ) 图2 1 2 叠加原理在合环电流计算中的应用 u ( c ) 如图2 1 2 所示，假如合环前支路1 3 侧的电流为j ，支路2 - 4 侧的电流为厶， 合环后流过开关的稳态环流为厶，基于叠加原理，配电网合环后的稳态电流由两 部分组成，则合环后两侧支路的稳态电流可表示为 1 1 j = 1 1 ( 2 1 3 ) 乙= l e + l ( 2 1 4 ) 式中，丘= a o 磊，乏为环网总阻抗。 2 5 1 3 潮流计算法 直接对合环后的配电网络进行潮流计算，通过潮流分布和节点电压计算合环 后的稳态电流，判断能否合环。潮流计算方法前面已经介绍过，在此不再多说。 由于在合环计算分析过程中需要进行三次潮流计算，即合环