（电力系统及其自动化专业论文）城市配电网规划自动n1校验研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , t h er e s e a r c ho nu r b a np o w e r s y s t e mp l a n n i n gi sa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni no r d e rt om e e tt h er a p i d l y i n c r e a s i n gd e m a n do ne l e c t r i cp o w e r a i m i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc i t ye l e c t r i c n e t w o r k , t h er e q u i r e m e n ta b o u th i g h e rr e l i a b i l i t y , s e c u r i t y a n de c o n o m yo f d i s t r i b u t i o ns y s t e mi sg e t t i n gm o r ea n dm o r ei n t e n s i v e a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t o f ”p l a n n i n ga n dd e s i g n i n gg u i d e l i n ef o ru r b a n p o w e rn e t w o r k ”t h e n 1 v e r i f i c a t i o no nd i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n gg e t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n f o ral o n g t i m e m o s to ft h es t u d i e sf o rn - 1v e r i f i c a t i o na r ef o c u s e do nt h es a f e t ya n a l y s i so ft h e p o w e rs y s t e m a l t h o u g hs o m eq u a n t i t ys t a n d a r d s h a v eb e e n p r e s e n t e d ，t h e s es t a n d a r d s h a v en o tb e e na p p l i e dt op r a c t i c a lp l a n n i n ge n g i n e e r i n gd u et ot h ec o m p l e xs t r u c t u r e o fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k t m sp a p e rh a sl a u n c h e das t u d yo nt h ea p p l i c a t i o no fn 一1t h e o r yo nd i f f e r e n t s i t u a t i o na n de q u i p m e n tb a s e do nf u n d a m e n t a lt h e o r yo fn - 1v e r i f i c a t i o na n dt h e m e t h o do fd e p t ha n db r e a d t h f i r s tl o c a lt o p o l o g y , a n dl a u n c h e dt h ep r i n c i p l eo f f m d i n gt h el o a dt r a n s f e rp a t hi sb a s e do nt h em i n i l n u l t ls w i t c h i n go p e r a t i o n p o w e r f l o wc a l c u l a t i o ni su s e dt ov e r i f yw h e t h e re q u i p m e n th a sc a s eo fo v e r l o a do rv o l t a g e o f f - l i m i t i m p r o v e m e n ta n dc o m p l e m e n th a v eb e e nm a d eo nt h em e t h o do fn - l v e r i f i c a t i o no fp l a n n i n go fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k 。a n di ta l s oo f f e r sd i f f e r e n tn 一1 v e r i f i c a t i o nm e t h o d so nh i g h v o l t a g ea n dm e d i u m - v o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h em o d e li n t h i sp a p e rh a sb e e np r o g r a m m e d u n d e rt h es o f t w a r ep l a t f o r mo f “c o m p u t e r - a i d e dd e c i s i o n - m a k i n gs y s t e mf o ru r b a np o w e rn e t w o r k ”，t h ev i s u a lu s e r i n t e r f a c eh a sb e e nd e s i g n e da n dt h ep r o g r a mu s a b i l i t yh a sa l s ob e e nv e r i f i e dv i a c a l c u l a t i o ns a m p l e 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 kp l a n n i n g ，n 1v e r i f i c a t i o n , t r a n s f e rp a t h 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，也不包含为获得墨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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： ；焉岛 签字日期： 2 。孑年月了日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤注盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂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：焉禺导师签名：丑成厶 签字日期：护奇彳年月f r p 日签字日期：二呻】i 年占月d 日 第一章绪论 1 1 课题研究的意义和背景 第一章绪论 随着现代工业和农业的不断发展及人民生活水平的日益提高，社会对电力的 需求量越来越大，近年来电力工业在经济发展的带动下蓬勃发展。为了满足日益 增大的电力需求，必须不断扩大电力系统的规模，电力系统面临着日益繁重的规 划任务。合理的进行电力系统规划不仅可以获得巨大的社会效益，也可以获得巨 大的经济效益，因此，对电力系统规划问题进行研究，合理的配置电源分布，改 善网架结构，意义十分重大。 本课题研究立足于电网规划辅助决策系统【lj 中n 1 校验功能的开发。n 1 校 验是电网规划过程中不可忽视的重要组成部分，随着电网快速发展，用户对电能 质量要求的不断提高，n 1 校验越来越重要。根据城市电力网规划设计导则 要求，城市配电网的供电安全通常采用n 一1 准则，即城网规划设计得到的电网方 案必须满足n 1 检验。 本课题结合电网拓扑、接线模式分析、潮流计算、故障恢复等方面的内容， 分析配电网存在的问题，帮助调度人员校验运行方式，辅助规划人员进行设计工 作，对可能出现的问题提前分析防患于未然，并且可以对故障情况作出初步的转 供方案，有利于规划运行人员更加全面的分析电网，搞好电网管理，保证电网安 全稳定的运行。 1 2 电网规划的发展 1 2 1 电网规划的模型 目前，国内外对学者在研究电力系统规划中应用了许多数学模型，它们各有 所长，但还没有一个通用的标准模型，因为电力系统规划涉及问题很广，而且需 要具体问题具体分析。随着电网规划的发展，与之相关的数学模型也是不断发展 的。主要可以分为静态规划模型、动态规划模型 2 和灵活规划模型p 】，其中静态 规划模型包括经济性模型和可靠性模型【4 j 。 静态规划模型包括经济性模型和可靠性模型，其中经济模型包括无明确目标 函数规划模型和以明确经济指标为目标函数的模型。 第一章绪论 在传统启发式方法【5 】中，没有明确的目标函数，而是将线路投资等隐含目标 与线路的有效性指标相结合。这种方法以网络投资费用、运行费用、设备折旧维 修费用和电能损耗费用等指标之和为目标函数，水平年电网规划数学模型应用比 较普遍。这种模型以预测规划水平年的负荷水平为己知条件，以待选线路为决策 变量，以线路建设投资和系统运行费用为目标函数。 需求侧管理的研究使人们对可靠性有了新的认识和方法【6 】。大家不再仅以供 电方节省投资为目的，而更注重投资产生的效益，认识到由于减少投资造成的停 电损失会超过节省资金，于是基于用户的停电损失提出了可靠性价值【7 】。影响停 电损失的因素很多，如何合理权衡停电损失和建设投资之间的关系是电网规划中 需要深入研究的问题。 动态规划模型中，决策变量在各阶段的取值相互制约，因此变量不可以重复 选用。对于目标函数，长期规划需要考虑资金的时间价值瞄j ，这是一个经济和时 间关系的指标。动态规划模型要求一条线路最多只能在一个阶段被选中。其规划 方案的优劣，直接影响电力系统网架的发展趋势，所以这方面的研究非常重要。 传统的电网规划方法无法适应某些复杂多变的不确定性因素，如果只是从数 学的角度上严格求出最优解对于实际情况而言也许并不是最优，甚至可能由于不 确定性因素的影响无形中增大了投资，或者加大停电损失，从而失去了最优规划 的意义。为了弥补传统规划方法的不足，综合考虑不确定性因素的影响，提高规 划方案的适应性，越来越多的学者采用灵活规划方法【9 】。这种方法是在静态和动 态规划模型基础上，综合考虑各种不确定性信息并做相应的处理，从而得到各种 灵活规划模型。根据规划的规模和不同电压等级规划的要求，灵活规划可以采取 严格约束模型和柔性约束模型。 1 2 2 电网规划的算法 电网规划中采用最多的算法主要包扩启发式方法，数学方法和一些结合智能 理论的现代启发式算法。 启发式方法【1 0 4 】是以直观分析为依据的算法。这种方法比较接近于工程规划 人员的思路，根据经验和计算分析给出较好的设计方案，但得到的最优方法有局 限性。启发式方法直观、灵活、计算时间短，便于人工参与决策且能够给出符合 工程实际的较优解，但是一般来讲依靠经验的内容比较多。它主要包括过负荷校 验、灵敏度分析、方案的形成三个部分。其中，最核心部分是灵敏度分析法：包 括逐步扩展法【1 5 】和逐步倒推法 16 1 ，基本思想是分析某项运行指标与决策和控制 变量的关系来确定该变量对系统的影响，从而进一步提出改善该项运行指标的措 施。逐步扩展法是通过衡量变量对某项指标的贡献来决定是否选取该变量并逐步 第一章绪论 扩展网络，逐步倒推法是将所有待选变量全部加入系统后通过各个变量的某项指 标来决定是否保留并逐步去除有效性低的线路。电网规划启发式方法总体思路是 逐步扩展网络，但对于各扩展线路的相互影响考虑得不充分。因此，启发式方法 不能严格的最优，所以一般只适用于求解小规模电网。 电网规划的数学优化方法主要是将电网规划的设计要求归纳为运筹学中的 数学规划模型，然后通过一定的优化算法求解，从而获得满足约束条件的最优规 划方案。电网规划数学优化模型主要包含变量、约束条件和目标函数三个要素。 变量有决策变量和状态变量两类。决策变量表示输电线路是否被选中加入网 络，因而是整数型变量或者布尔型变量，它确定了规划网络的拓补结构。状态变 量表示系统的运行状态，如通过潮流计算得到的线路潮流、节点电压等等。状态 变量一般是实数型变量。 约束条件包括决策变量的建设条件约束、各状态变量的上下界以及各变量应 满足的制约关系。应用于配电网的数学规划模型只考虑线路过负荷约束和潮流方 程约束，但是对电压、稳定等约束考虑得不够充分。 目标函数是决策变量、状态变量的函数，主要包括电网的输变电建设投资费 用和运行费用，对于长期规划还要考虑贴现率，规划的目标应使总的贴现费用最 小。数学优化方法可以把投资决策和运行决策同时包括在一个优化模型中求解， 从全局上进行把握。然而电网规划中变量的数目很多、约束条件复杂，现有的优 化模型对于求解大规模的规划问题存在很大的困难，用数学方法严格求解这样的 问题只适宜于小型系统。对于大型系统，需要对原问题的数学模型进行简化处理， 一般方法有线性规划方法、非线性规划方法、混合整数规划方法等优化方法。但 这种处理又可能导致丢失最优解。传统的数学优化方法在求解大规模电网规划时 存在着较大的局限性，不能获得令人满意的结果，主要表现在维数过多、无局部 最优、约束条件和目标函数不易处理等方面。 随着计算机工业的不断发展，新型现代启发式算法开始应用于电网规划。这 类方法适用于解决目标函数及某些约束条件不可微的非线性优化问题，往往能获 得比较合理的局部最优解，其中包括遗传算法 1 7 - 1 9 】、人工神经网络法 2 0 - 2 4 】、禁忌 搜索方法 2 5 】、模拟退火方法【2 6 】、蚁群算法等【2 7 】。此外，还有模拟规划人员的经 验进行规划决策的专家系统方法。这些方法各具特色，在电力系统网络规划中得 到了广泛的应用。 1 3 本课题研究现状 n 1 校验是配电网规划的重要组成部分，在过去相当长的时间里，许多电力 第一章绪论 系统专家把精力投入在输电网安全分析的研究中，提出了基于输电网安全分析的 n 一1 准则【2 引，但是对于配电网的n _ 1 准则的应用却没有统一完整实用的评价体系。 输电网中的静态安全分析是在考虑无故障情况下开断一个或多个电力元件时系 统的稳态表现。即进行n 1 扫描式的故障选择和分析，按照n 一1 原则或事先排定 的“开断表”分别开断系统的每个网络元件，一般采用补偿法，少量修正因子表， 通过前推回推即得开断后潮流，获得系统各节点、支路及网络元件的运行状态， 并计算给定的安全性指标，然后对所有开断按计算后的安全性指标的降序排队， 越排在前面的开断对系统的危害越大。 而在配电系统中，因为是面向客户，所以着重强调的是连续供电和保证电能 质量的问题，保证运行尽量不失负荷【2 9 】配电网大多呈辐射状，因此任何一个元件 的开断都有可能引起网络的失负荷，形成孤岛点，因此对于配电网n 1 校验，很 重要的一个任务是校验元件故障后，是否能够通过网络转供负荷，转供后是否产 生过载线路或者电压越限点，给出转供路径。而目前对于配电网n 1 校验采用的 比较通用的办法是对需要校验出线相联络的出线备用容量做代数计算，如果备用 容量大于需转供容量，则判断通过校验，这种方法虽然计算速度快，但是没有考 虑转供后是否符合线路过载和电压越限要求，因此本文结合启发式转供路径搜 索，同时校验线路是否过载，电压是否越限并给出转供路径，对原有自动n 1 校 验方法进行完善和补充。 1 4 本文主要工作 基于城市电网规划发展的实际需要，对于电网规划运行人员而言，考察设备 能否通过n 1 校验并给出转供方案很有意义，本文采用的方法不仅可以校验元 件，而且可以找出转供路径，辅助运行人员进行故障恢复方案的研究，对系统进 行更加全面可行的n 1 校验研究。 所以本文所做工作如下： 1 ) 详细阐述分析配电网n 1 校验的方法原则和应用，通过对高压中压配电网 不同接线模式的分析，阐明高中压配网的不同特点，应用配电网自动n 1 校验的 不同方法。介绍应用于n 1 校验的潮流计算模型，以及本文所采用的前推回推潮 流模型。 2 ) 结合电网拓扑分析、接线模式分析、潮流计算和故障恢复的相关内容，将 结合深度优先广度优先的路径搜索方法应用于自动n 1 校验分析中，并且针对不 同电压等级和不同类型元件的校验分别提出具体校验方法。 3 ) 在城市电网规划计算机辅助决策系统的软件平台上加入自动n - 1 校 第一章绪论 验模块，设计出可视化程序界面，功能菜单，人机对话界面，结果输出及分析界 面。 4 ) 以某城区实际电网算例分析证明该算法可用性。 第二章n 1 校验基本原理及应用 第二章n - 1 校验基本原理及应用 2 1n 一1 校验准则在配网中的应用 按照电网稳定导则相关定义要求，n 1 准则是指正常运行方式下电力系统中 任意一个元件( 如线路、发电机、变压器等) 无故障或因故障断开后，电力系统应 能保持稳定运行和正常供电，其他元件不过负荷，电压和频率均在允许范围内。 n 1 准则用于单一元件无故障断开条件下电力系统静态安全分析，或单一元件故 障断开后的电力系统稳定性分析即动态安全分析。当发电厂仅有一回送出线路 时，送出线路故障可能导致失去一台以上发电机组，此种情况也按n 1 原则考虑。 由以上规定可知，n 1 准则包含两层含义：一是保证电网的稳定，二是保证 用户得到符合质量要求的连续供电。从目前情况看，保证电网的稳定由于涉及整 个电网安全，无论在资金投入、运行方式还是技术措施上均得到足够的重视，但 在保证用户连续供电以及电能质量方面仍存在认识上的不足。 配电网规划中n 1 校验的应用与输电网有所不同，它属于配电网的安全性分 析的一部分，主要是面向用户，校验发生故障后，能否保证持续供电和良好的能 质量，配电网的供电安全性是指在供电的任意一个时间断面，针对一组预想故障， 电网能够保持对负荷正常持续供电的能力，即电网有能力避免较大面积的供电中 断，并保持线路等设备的负载和电压幅值在允许的限制范围内。在规划中一般只 需考虑全年最大负荷时的供电安全性。所以n 1 校验一般是以全年最大负荷作为 校验条件的。 2 2 配网n 1 校验类型 配网n 1 校验有很多类型，一般可以从时效性和设备类型两个大方面来给出 分类。 2 2 1n 1 校验的时效性分类 按照n 1 校验的时效性一般可以分为计划性停运、非计划停运和事故停运。 计划性停运是指电网设备的计划性检修、预防性试验、季节性维护等。它的特点 是预先可针对停运设备及相关元件、电网运行方式、负荷状况及环境因素采取措 第二章n 1 校验基本原理及应用 施，一般不会对电网稳定造成影响，即使可能造成局部停电，影响范围是有限的， 影响时间可预知。对于这种停运，我们在配网n 1 校验中考虑主变检修n 1 校验。 非计划停运因设备运行过程中发生缺陷或局部故障而造成设备必须临时停运处 理。其特点是与设备类型有密切联系，由于随机性较大，难以采取全面有效措施， 因此可能对电网安全稳定性造成较大影响，非计划停运时间一般为数小时到数 天。故障停运是以断路器分断为特征的瞬间或短时过程，因为正常运行方式下已 对机组出力、电网潮流、电压等采取了措施，所以瞬间故障不会对电网稳定造成 明显影响，单一永久故障对电网稳定造成的影响也很小，但是有可能对局部区域 造成严重的影响，瞬间故障为几百毫秒到几秒，永久故障数分钟到数小时，当设 备严重损坏时，其停运时间一般为数天甚至数月，往往对局部区域正常供电造成 严重影响。配网n 一1 中把永久故障作为考虑重点，而对于瞬时故障由于可重合成 功，不会对供电造成很大影响，所以不重点分析。 2 2 2n 一1 校验的设备类型分类 n 1 校验从设备类型上可以分为主变n 1 校验和线路n 1 校验，主变n 1 校 验分为主变故障n 1 校验和主变检修n 1 校验，变电站全停校验。主变检修n - l 校验要求在检修期间，所有负荷都可由站内其他主变和下级联络线路转带。主变 故障n 1 校验是在主变故障发生时，故障主变所有负荷由站内其他主变转带，允 许变压器短时过载。但最高负载率不能超过1 3 0 。变电站全停校验实际上是反 应系统抵御大区域停电的能力，一般情况下对于全停变电站的负荷不能完全转 带，可以求出失电比例。线路n 1 校验是其他校验的基础，在校验支援出线备用 容量是否满足要求的同时，还要验证转供后是否有线路过载或者电压越限的情况 发生。对于高压校验来讲，还可以考虑对电源点进行n 1 校验。 2 3n 1 校验的接线模式分析 n 1 校验原则运用于高压配电网和中压配电网有所不同，我国对配电网电压 等级的划分【3 0 】如图2 1 所示： 第二章n 1 校验基本原理及应用 r 一一r 一一 1 a v l 炉啦i 附l 划队玉l一厂弋z ， 1 酬i i 1 a p l | | u h p 唰薹 q k 发电系统：输电系统i 婵鳓l 一壹熙懒；勰蝴 图2 - 1 配电网的等级划分 ( 1 ) 高压配电系统与输电系统直接相连，接收输电系统输送的电能，向负 荷中心直接放射供电或经降压配电。高压配电系统的电压等级通常选为3 5 k v 、 6 6 k v 或1 1 0 k v ，有些大型城市2 2 0 k v 也属于高压配网。高压配电系统的电源一般 来自不同的2 2 0k v 或5 0 0 k v 变电站。 ( 2 ) 中压配电系统是指从1 1 0 k v 1 0 k v 或3 5 k v 1 0 k v 降压变电站的1 0 k v 母 线出发经中压配电线路到低压配电变压器的那一部分网络系统。中压配电系统的 电压等级一般选为1 0 k v ( 6 3 k v ) 或2 0 k v 。 在n 1 校验中，变电站和线路的接线模式对计算结果有着很大影响，在这里 首先研究一下n 一1 校验中典型的接线模式。 2 3 1 中压配网接线模式 比较常见的中压配网接线模式主要有以下几种： ( 1 ) 单电源辐射接线( 简称单辐射) 单辐射接线如图2 - 2 所示，适用于城市非重要负荷和郊区季节性用户。它的 优点就是比较经济，配电线路和高压开关柜数量少、投资小，新增负荷也比较方 便。但其缺点也很明显，主要是故障影响范围较大，当线路故障时，部分线路段 或全线将停电，当电源故障时，将导致整条线路停电。随着配网可靠性要求的提 高，在电网规划时，要对这种接线模式的线路进行改造。我们在做n 1 校验的时 候，这些线路会在校验预处理中被查出，列入不符合n 1 校验支路表。 第二章n 一1 校验基本原理及应用 母线 图2 2 单辐射接线示意图 ( 2 ) 不同母线环式接线( 手拉手接线) 手拉手接线如图2 - 3 所示，有两个电源( 可以取自同一变电站的不同母线段 或不同变电站) 。它适用于负荷密度较大且供电可靠率要求高的城区供电，运行 方式一般采用开环。这种接线的最大优点是可靠性比单电源线辐射接线模式大大 提高，接线清晰、运行比较灵活。线路故障或电源故障时，在线路负荷允许的条 件下，通过切换操作可以使非故障段恢复供电。 母线1 母线2 图2 - 3 手拉手接线示意图 ( 3 ) 分段联络接线 这种接线模式如图2 - 4 所示，通过在干线上加装分段开关把每条线路进行分 段，并且每一分段都有联络线与其他线路相连接，当任何一段出现故障时，均不 影响另一段正常供电，这样使每条线路的故障范围缩小。 母线 图2 - 4 分段联络接线示意图 第二章n 1 校验基本原理及应用 2 3 2 高压配网接线模式 高压配电网不同于中压配电网，它的可操作开关一般位于变电站内部，分段 线路比较少，因此研究高压配电网的站内接线形式很重要，那么在做n 1 校验的 时候不宜采用普通的拓扑规则，而应对站内接线和站内各自投设备加以研究。 各级高压网络接线模式不同，且供电模式众多。一个实际的高压网络往往不 是由一种供电模式构成，而是由若干种供电模式组成。因此在进行高压n - 1 校验 时要对各电压等级的高压网络接线模式进行分析，从而确定变电站内部接线关 系，研究变电站内部各自投设备操作模式。 高压配电网络的基本供电接线模式有十余种，从中挑出比较长见的九种加以 简单介绍： ( 1 ) 同电源不同母线辐射接线( 变电站设二台变) 二_ 一 c 、 、 - - - - - 。- - 。- 。- 。：。_ 一 1 ：，一 i 一! ，7 f l 一、j ：一7 一、， ， f 、f 、1 、， 变电站a变电站b 图2 - 5 同电源不同母线辐射接线率 这种接线简单实用，正常运行时变电所母线上的断路器开关断开，两条线路 分别带5 0 负荷。当其中一条线路发生故障时，这条线路退出运行，合上变电所 母线上的断路器，由剩下的一条正常线路带两台变压器。 ( 2 ) 不同电源双t 接线( 变电站设二台变) ( 一i ( ，一、j 1 ，一： 一5f 一 7 一j 变电站a变电站b 图2 - 6 不同电源双t 接线 第二章n 一1 校验基本原理及应用 这种模式接线采用变压器母线组的形式，所需的变电站设备投资较少，并且 对实施自动化特别有利。当有一条线路发生故障时，所带的变压器必须停电，变 压器所带的负荷只能通过变电站低压侧备用转带，若没有低压备用，则负荷就要 停电。 ( 3 ) 同电源不同母线双t 接线( 变电站设二台变压器) 变电站a变电站b 图2 - 7 同电源不同母线双t 接线 这种接线的主要优点是简单，投资省，有较高的可靠性。变压器高压侧为线 路一变压器组接线，线路和变压器之间可以用断路器或隔离开关。它们的差别在 于高压线路的长度可能不一样。 ( 4 ) 双侧电源不同母线双兀接线( 变电站设二台变) 变电站a变电站b 图2 - 8 双侧电源不同母线双n 接线 这种接线模式又可称为双n 接线，接线模式稍显复杂，设备投资较大，但是 灵活性较好，可靠性较高。正常运行时联络线两侧的开关断开，当有一条线路发 生故障时，相应的联络线投入从而不会造成长时间断电，停电的时间主要是由倒 闸操作时间决定。 ( 5 ) 不同电源双t 接线( 变电站设三台变压器) 第二章n 1 校验基本原理及应用 变电站a燹电站b 图2 - 9 不同电源双t 接线 这种接线模式接线原理跟接线模式( 2 ) 类似。接线模式( 2 ) 是两台变压器，而 这种模式是三台变压器。1 0 k v 变电所的三条进路分别来自两个不同的高压变电 站的三段母线，1 1 0 k v 变电所站内是变压器母线组接线。当有一条线路发生故障 时，该线路所带的变压器必须停电，变压器所带的负荷只能通过变电站低压侧备 用转带，若没有低压备用，则负荷就要停电。 ( 5 ) 同电源不同母线双t 接线( 变电站设三台变压器) ，、 ，、1f ，1 1 一一， 变电站a变电站b 图2 1 0 同电源不同母线双t 接线 这种接线模式特点同接线模式( 3 ) 类似。变电站的三条进路来自同一高压变 电站的三段不同母线。站内接成变压器母线组的形式。运行简单、可靠。 ( 7 ) 双侧电源不同母线双兀接线( 变电站设三台变压器) 。1 。 ， 一 l f ：一】l 一7l 一- 、一1i 一 f 、一i 、一一i 、“、7 一一一 变电站a变电站b 图2 - 1 1 双侧电源不同母线双兀接线 1 2 第二章n 1 校验基本原理及应用 这种接线模式的特点同接线模式( 4 ) 。 ( 8 ) 同电源不同母线辐射接线( 进线侧不设开关) 变电站a变电站b 图2 - 1 2 同电源不同母线辐射接线 这种接线模式与接线模式( 1 ) 相比，最大的特点是在变电站进线侧没有开关。 线路平常都带满负荷，当其中的一条线路发生故障，其相应的变压器必须停电。 ( 9 ) 双侧电源辐射接线( 变电所采用内桥接线) 图2 - 1 3 双侧电源辐射接线 这种接线模式与模式( 1 ) 和模式( 2 ) 都有类似之处。它与模式( 1 ) 的区别在于 变电所的两条进线来自不同电源。与模式( 2 ) 相比，模式( 9 ) 的变电所采用内桥接 线。 ( 1 0 ) 兀t 混合接线 j 、 变电站a r f r 一_ - - 一 ：i 变电站c 图2 - 1 4h t 混合接线 一是。 j一一一b j _ 蚴 | 变 第二章n 1 校验基本原理及应用 这种接线模式为两座2 2 0 k v 变电站间串入三座高压配电变电站，其中两侧的 配电变电站采用t 接方式，而中间的配电变电站采用兀接方式。 2 4 应用于n 一1 校验的潮流计算模型 潮流计算有很多方法，从类别上区分主要有直流潮流法和交流潮流法，直流 潮流法具有计算速度快的特点，因为直流潮流方程的求解不需要任何迭代过程， 所以它在实际电力系统规划和运行中得到了广泛的应用，但这种方法存在着不能 考虑系统电压和无功功率的影响的缺陷，计算精度往往达不到要求。交流潮流法 可考虑系统的实际响应过程、电压质量及潮流的实际制约等因素，能够反应出电 压水平和无功功率，精度较高。但由于配电系统网络结构复杂，系统可能出现的 偶然事故状态数非常大，而事故后系统行为的分析过程是一组非线性方程和非线 性优化的求解问题，因此要达到理想精度，其计算量常常会比较大，计算速度较 慢，而且对数据要求较高，其收敛性会影响计算效果，但是它计算结果准确度很 高，那么对于不同要求需要选择不同的潮流计算方法，合理的选择潮流计算程序 对n 1 校验的速度和效果有很大的影响，因此在n 1 校验过程中，选择潮流计算 方法非常重要。 2 4 1 直流潮流模型 直流潮流只关心系统的有功潮流分布，不计算各节点的电压幅值，忽略网络 元件电阻，忽略支路的并联支路，忽略线路充电电容或非标准变比变压器支路的 等值并联支路，因此不计系统无功功率，没有有功功率损耗问题。 对于支路( i ，j ) ，如果忽略其并联支路，则支路的有功潮流方程可写成： r = 哪；一u i u jc o s 万o ) g q u i u j s i n6 0 b ( 2 - 1 ) 根据电力系统的运行特点，节点电压在额定电压附近，支路两端相角差很小， 网线路电阻比电抗小的多。因此可做如下简化假设：= g j = 1 ，s i n 万u = 1 ，吩= o ， 那么上式可以简化为： 弓= 而0 ( 4 一哆) = ( 4 一巧) 7 西 ( 2 - 2 ) 对于一个包括n 个节点，m 条支路的电力系统，将上式写成矩阵形式，支路 第二章n 1 校验基本原理及应用 功率可计算如下： p l = x ：m t 6 ( 2 - 3 ) 上述计算中，设参考节点= o ，曰为i n 维支路有功潮流列向量，以为m x m 电抗对角阵m 为n x m 维节点支路关联矩阵，线路首端为l ，线路末端为一1 ， 护为n 维节点相角列向量，p 是n 维节点注入功率列向量，x 为n x n 维节点电抗 矩阵，平衡节点对应行和列分别为零。 对i 节点，根据功率平衡，节点i 的注入有功功率为： 只= 乃= ( 艿，一万) x 玎 | e ii t i j i j - i ( 2 - 4 ) 写成矩阵的形式为：p = b 万，对直流潮流模型而言，平衡节点即为参考节点， 其电压为1 ，电压相角为0 ，而b 中包含平衡节点，故b 是奇异矩阵，故要去除平 衡节点，即将平衡节点对应的行和列去掉得到： p t - b 万此时b 为非奇异阵，假设b = - ) 。1 则有： 口= x p ( 2 - 5 ) 设平衡节点为第i 个节点，矩阵n 为在n 阶单位对角矩阵中的第i - 1 行和第 i 行之间插入全为零的一行向量而得的矩阵。在上式中，左右两边都左乘矩阵n 可得t 万= n 8 = n x 尸，则线路有功功率潮流为： 异= e m 7 n x p 它的增量形式可以表示为： 衅= 1 m 7 n x a p 、该式中a p 不包括平衡节点，表示平衡节点有功功率不变化。 2 4 2 交流潮流模型 在极坐标系下，对于n 节点系统，节点的注入功率为： ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 第二章n 一1 校验基本原理及应用 p i + j q i = 矽巧u ( i = l ，2 ，刀) j * l 其中，玩为节点i 电压向量，弓是导纳矩阵y 中第i j 个元素： q = u , z 4 = u ( c o s 4 + j s i n 4 ) 毛锈午归扩 将式( 2 - 8 ) 展开： p = u v + ( g o c o s 4 j + s o s i n 4 j ) j = l q = ( g ：f ，s i l l 岛一岛c o s 岛) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 式中，谚，= 4 一万，为i 、j 两节点电压的相角差。 为了叙述方便，设1 m 个节点为p q 节点，m + l - - n - 1 号节点为p v 节点，第 n 节点为平衡节点。则方程有n 一1 个节点的电压相角磊，五，玩和1 1 1 个节点的电 压幅值u ，u 。是未知量。 实际上，对于每一个p q 节点或每一个p v 节点都可以列写一个有功功率不平 衡量方程式： 衅= 最一只= 足一u ( g o c o s 4 + + 岛s i n 岛) = o ，等l ( f = l ，2 ，疗一1 ) ( 2 1 2 ) 而对于每一个p q 节点还可以再列写一个无功功率不平衡量方程式： 月 q = g - 2 = q 一u j ( g o s i n 巧j 一岛c o s 岛) = o j = l ( f = 1 ，2 ，肌) ( 2 1 3 ) 式( 2 - 1 2 ) 和式( 2 - 1 3 ) 一共包含了n l + m 个方程式，正好同未知量的数目 第二章n 1 校验基本原理及应用 相等。 将式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 3 ) 按泰勒级数展开，略去高次项后，得到修正方程 如下： 上式中： 阱降 l 邱 胪：i 华 l ： i 必一。 球纠 q = q 1 拿zl 艿： ：i q m j a 6 , 疋 瓯一1 v = ( 2 - 1 4 ) a u l u a u m h 是( n - 1 ) x ( n 一1 ) 阶方阵，n 是( ，z l o x m 阶矩阵，k 是m x ( n - - 1 ) 阶矩阵，l 是m x m 阶矩阵。各矩阵中的元素分别为： a 心j = 二 a 6 ： 峄u j 尝 雅克比矩阵中元素表达式如下： 当i j 时： 当f = j 时： 1 7 = 筹岛= 参 = 一 j = l ， a 万， ” a ? ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 、，、， 岛岛劲 s 1 莎 h 嘲，毗吲鹕驰驰归驷柏一邶易呜磊岛p 铲 1 s 6 ( 繁峨蛐啄q 夸啪孵抑弹叫川州哪 = = = i - i ，i-l_-cl-li_l吩岛 q只q 一一一一 第二章n l 校验基本原理及应用 在求得了电压的修正量后，可以得到下次迭代的电压： 2 4 3n 一1 潮流模型补充 ( 2 - 1 7 ) 电力系统在n 1 开断情况下的潮流计算与正常运行情况下相比较而言总体上 没有区别。只有因为网络结构的变化而导致了节点导纳矩阵的变化。 图2 - 1 5 支路模型 如图2 - 1 5 所示兀型支路模型，当支路k m 尚未开断时，节点导纳矩阵y 有： 式中， y = i 。i ： e 。艺： k 。k ： 匕。匕： k 。k ： y 册 弓= - y 驴= 一( g 驴+ 鹏)巧= e f ( 2 - 1 8 ) 删 枷越 ” 似 u = = m 艿u n n 玎 川 咐 圪瓦；k； ；k； 一 一 第二章n l 校验基本原理及应用 当支路l ( m 开断后，节点导纳矩阵中相应的元素就要发生变化，开断后的节 点导纳矩阵为： y ： x 2 圪 ： + 一厥o 0 0 + 一i b m o 2 4 4 本文算法中所采用的潮流模型 ( 2 1 9 ) 综合分析以上的潮流算法，结合配电网闭环设计，开环运行呈辐射状特点， 本文所采用的是前推回推的潮流模型。前推回推潮流算法是求解辐射型配电网络 潮流的有效方法。配电网络的显著特征是从任一给定母线到源节点具有唯一的路 径，前推回推类方法正是充分利用了配电网络的这一特征，沿这些唯一的供电路 径修正电压和电流( 或功率流) 。前推回推算法每次迭代的计算量与母线数成正 比。因此，如果迭代次数恒定，则计算复杂性随网络的规模呈线性增长，这说明 前推回推类算法适于求解大规模辐射型配电系统。前推回推类方法在回推过程计 算各负荷节点的注入电流或功率流，从末梢节点开始，通过对支路电流或功率流 的求和计算，获得各条支路始端的电流或功率流，同时可能修正节点电压，在前 推过程计算利用己设定的源节点电压作为边界条件计算各支路电压降落和末端 电压，同时可能修正支路电流或功率流，如此不断重复前推和回推两个步骤直到 收敛。配电网前推回推潮流算法适合采用宽度优先搜索顺序对母线和支路进行编 号。 第一步，前推运算，按照排好的支路顺序，从与叶节点连接的支路开始，利 用叶节点功率和对应的节点电压，初始值为线路额定电压，逆着功率传送的方向， 依次计算出各段支路的功率损耗和功率分布。对于线路支路，如图2 1 6 - 图2 - 1 6 线路支路功率计算 1 9 一q j n ” 对 坍 n；k；k； 第二章n ，1 校验基本原理及应用 晦= 华m 胁胪 s 口= s j + s u s = s ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 第二步，回推运算，按照排好的支路顺序的逆序，从电源点开始，顺着功率 传送的方向，利用第一步所得的支路首端功率和本步骤刚算出的本支路始节点的 电压，逐条支路进行计算，求得各支路终节点的电压。计算公式为： = ( 2 2 3 ) ，巡月、 驴钞矿l 舞j ( 2 - 2 4 ) 式中、谚：节点f 的电压幅值和相角 玖弧度) 。 通过以上两个步骤便完成了第一轮的计算。为了提高计算精度，可以重复以 上的计算，在计算功率损耗时可以利用上一轮第二步所求得的节点电压。若已给 定的容许误差为占，则以 即 m 警i _ “一_ i 占 ( 2 2 5 ) 作为计算收敛的条件。s 的值可取为1 0 - 2 - 1 0 - 3 。 也可以用根节点给定功率和计算出功率的误差小于给定的容许误差蜀， m a x p i 一只。i ，p p 一q l f o i b ，则将 k 1 6 ，k 3 l ， k 2 2 依次列入可转供开关集合。 ( 2 ) 选择主转供路径 第三章n 一1 校验程序设计 把备用容量最大的路径作为主转供路径，如果该路径备用容量大予等于需转 供负荷，那么闭合联络开关，进行潮流计算，无线路过载电压越限，则该路径就 是最终路径。如果有越限状况或备用容量小于需转供负荷，则用它来限制以后的 转供路径的搜索，尽量保持改变后的网络结构与原电网结构相似。 出线e 一 、： l 1 5 l 。r 惮尊遣一 、 蹈i ”7 图3 - 4 失电区示意图 如图3 4 所示，圆内区域为失电区域，由于我们校验的是出