基于图论的短路融冰方案快速制定方法

1、2009年3月第35卷第3期高电压技术HighVoltageEngineeringVol.35No.3Mar.2009579基于图论的短路融冰方案快速制定方法苏盛,刘勤,蔡德福,段献忠(华中科技大学电气与电子工程学院,武汉430074)摘要:为减轻调度运行人员制定融冰方案的工作压力,提出了一种融冰方案快速生成方法。通过分析调度人员制定的融冰预案,得出了融冰方案必须遵循的一些规则;在这些规则的基础上结合图论方法提出了电网融冰路径选择方法,编制了相关软件。该系统能根据电网的拓扑结构和运行状态,枚举网络中满足路径选择规则的融冰路径,然后从中选择包含待融冰线路的路径,计算短路融冰时间。由此,调度运行人

2、员即可根据电网运行情况和融冰操作人员的调度安排,选择切合需要的融冰路径,再辅以必要的负荷转供和保护定值调整,即可制定出短路融冰方案。该研制的系统能在紧急情况下快速高效地帮助调度运行人员制定融冰方案,减少融冰操作数量和融冰时间,有利于保障电网安全稳定运行。关键词:电力系统;融冰;图论;规则;枚举;短路电流中图分类号:TM726文献标志码:A文章编号:100326520(2009)0320579205ApproachtoFormDe2icingRouteBasedonGraphTheorySUSheng,LIUQin,CAIDe2fu,Xian2(CollegeofElectricalandEle

3、ctronicsofScienceand)Abstract:Anapproachtode2isonthegraphtheorytofacilitateoperation.Thepre2establishedde2toruletoformde2icingscheme.Thereafter,agraph2theory2basedapproachisdeschemebycombiningempericalrules.Thesystemcanenumerateallde2icingroutestosatisfytherequirementsofrulesaccordingtosystemstatean

4、dtopology.Thereby,thede2icingtimecanbecalculated.Dispatchersincontrolcentercanselectappropriateroute,andconfigurenecessaryaccessorymeasuresincludingloadredirectionandrelayre2coordinationtodrawupade2icingscheme.Thedevelopedsystemcanhelppreparede2icingschemeaccuratelyandconveniently.Keywords:powersyst

5、ems;de2icing;graphtheory;rule;enumeration;shortcircuitcurrent0引言因气候、季节变化及地理条件的特点,湖南省的架空线路在冬、春时节容易覆冰。覆冰对线路和杆塔造成巨大的机械破坏,可能导致断线、倒塔和冰闪等事故。由于冰灾往往大面积发生,被破坏的线路修复难度大,耗时长,对电力系统的安全稳定运行也构成很大威胁。针对冰雪对电力系统造成的危害,长期以来,国内外科研人员进行了大量的研究。文献1收集了魁北克地区天气降水数据和315kV输电线路上每小时覆冰的数据,建立了输电线路覆冰与降水之间的数学模型,利用该模型,根据降水数据可以较为准确地估算线路覆冰

6、厚度,为融冰操作提供决策依据。文2利用蒙特卡洛方法就雪灾对电网可靠性的影响进行了建模,可以评估不同强度冰灾下电网的故障恢复时间等可靠性指标。冰灾发生时,除了线路断线和杆塔倒塌外,绝缘子覆冰导致的冰闪现象也是冰灾影响电网安全运行的主要形式3,4。利用带半导体涂层的绝缘子可以通过半导体涂层的泄露电流发热,消除绝缘子表面的覆冰,降低发生冰闪的几率5。针对冰灾对输配电线路的危害,国内外研究人员已经提出了一系列的应对措施6210。最引人瞩目的是文献11提出的在输电线路上通过短路电流使得线路发生剧烈振荡,从而消除线路覆冰。在实际系统中,应用最多的还是通过在导线上引入大的电流发热融冰。文献12,13建立了导

7、线通电后的发热对融冰影响的模型,能准确评估在不同天气条件下导线融冰所需电流,确保快速有效融冰的同时保证不对线路造成损伤。IEEE还制定了融冰电流的指引,以规范线路大电流融冰方法的应用14。大电流发热融冰按其对电网的影响分为带负荷融冰和短路融冰。带负荷融冰是通过网络结构和潮流的调整来增大待融冰线路负荷电流实现。带负荷融冰的优点在于不需停运,缺点是由于要保持系统运行方式不变,难以显著地增大特定线路的负荷电基金资助项目:中国电机工程学会电力青年科技创新项目。ProjectSupportedbyYouthScientific&TechnologicalInnova2tionProjectoft

8、heCSEE.580Mar.2009HighVoltageEngineeringVol.35No.3流,因而所需融冰时间较长,一般仅在覆冰不太严重的冰灾初期使用。为了解决这一难题,文献15采用启发式算法进行电网重构,可以加大特定线路承载的负荷电流,达到加快融冰速度的目的15。短路融冰是在架空线路的某一点装设三相融冰短接线,再由中压配电点对线路送短路融冰电流,借助短路电流发热融化覆冰。目前,短路融冰是电力系统中防止冰害应用最多的技术手段。应用短路融冰首先需要根据电网运行方式制定融冰方案,确定融冰电源和路径。短路融冰操作属于事故处理性质,值班调度员根据电网运行情况拟写融冰操作票,安排电网运行方式以

9、尽可能将待融冰线路上的用户转移到其它线路上供电,操作任务繁杂。为加快融冰处理进度,避免忙中出错,电力运行部门一般对配置有融冰电源的变电站根据正常运行方式制定融冰预案,但由于冰害往往大面积发生,部分线路还跳闸退出运行,电网运行方式剧烈变化,制定的融冰预案并不一定可行。路需要执行融冰操作,漏导致事故,所以对调度运行人员造成了巨大的工作压力。融冰操作属于事故处理性质,冰害发生时及时准确地制定融冰方案是保障电网安全稳定运行的重要基础。本文通过分析调度运行人员制定的融冰预案,得出了融冰方案时需要遵循的一些规则,并在这些规则的基础上,结合图论方法提出了融冰路径快速选择方法,并研制了相关软件。该软件首先枚举

10、网络中所有符合路径选择规则的融冰路径,然后从中选择包含待融冰线路的路径,根据短路电流计算融冰时间,形成待选融冰路径列表。调度运行人员可根据实际情况选择切合需要者,再辅以必要的负荷转供和保护定值调整等措施,即可高效快捷地制定短路融冰方案。2)如待融冰线路所在变电站有融冰电源,则选择其为融冰路径的起点;否则选取邻近有融冰电源的变电站为融冰路径起点,并通过其间的无故障线路连接到待融冰线路,提供融冰电源。3)在融冰路径末端设置三相短路点,计算融冰路径的电气参数和短路电流;当短路电流太大时,在其末端再串入其它邻接线路或是在首端选择临近其它带融冰电源的变电站作为融冰路径的起点,以保障线路安全。4)根据待融

11、冰线路的型号和环境温度确定所需的融冰时间。融冰时间一般根据冰情和电网运行情况控制在11.5h之间。5)由于主变运行方式变化对电网影响巨大,而且串入主变后会有变流作用,融冰路径中不包含变压器。融冰路径仅在110kV或220kV单一电压,)作者在分析长沙所辖各变电站110kV和220kV侧母线发现,变电站110kV和220kV一般采用较为复杂和可靠性较高的母线接线方式,如双母加旁母、双母分段加旁母、单母分段加旁母等,进行融冰操作一般都能保证负荷的可靠转移。因此,在制定融冰方案形成融冰路径时,可以先形成跨站的融冰路径,然后再考虑各变电站内的负荷转供操作和各维操队执行操作的协调;实际应用中,为保障双母

12、线或单母分段的负荷转供,融冰路径最多经过一个变电站一次。7)确定融冰路径以后,调度员再对相关各变电站开列负荷转供和继电保护定值调整加以对应操作,即可形成可供执行的融冰方案。基于以上分析,作者提炼的融冰方案需遵循的规则如下:1)融冰路径以带融冰电源变电站为起点搜索;2)搜索电网为待融冰线路同一电压等级电网图;3)融冰路径在每个变电站最多经过1次;4)当搜索的某一路径短路电流小于特定值时,1短路融冰预案的分析由于500kV线路采用多分裂导线,线路电抗大、阻值小,在实际应用中不能使用短路融冰,目前我国短路融冰操作的主要对象是110kV和220kV线路。通过对实际电网制定的融冰预案,总结其制定的流程如

13、下:1)在没有发电装机的电网中,一般在部分变电站的10kV或35kV母线侧装设专用的融冰间隔,在执行融冰操作时通过站内配置的连接器直接连通到110kV或220kV线路,提供融冰电源。不再延展该路径的搜索。2基于图论和规则的融冰路径搜索2.1电网的图示化表示作为分析大型工程问题的有力工具,图论16218能帮助简化复杂电力系统的拓扑连接关系。从图论的角度出发,可以很自然地将变电站处理为节点,将变电站间的线路处理为连接节点的边。由此,作者2009年3月高电压技术第35卷第3期581将长沙地区220kV系统的网架结构绘制如图1。其中粗线节点是带有融冰电源的变电站,虚线边为待融冰线路。由于变电站总是通过

14、输配电线路相互连接的,在选择融冰路径时可以利用电网络理论中的关联矩阵来描述电网中变电站和线路的拓扑连接关系。以图1所示的长沙电网220kV系统为例,其对应的关联矩阵r为abcdefihijklmnopa1100000000000000b1111000000000000c0111000000100000d0111110000000000e0001100000000000f000101100000000g0000011111011000h000000110000000i0000001010000011j000000100101000k001000000010000l000000100101000m

15、000000100000110n0000000000001o000000001000010p00000001000010图1长沙电网220kV网络接线图Fig.1Wiringdiagramofa220kVpowernetwork。表1ab.1linesb2cc2db2dc2kd2ed2ff2gg2hg2i3.87+j20.361.29+j6.832.17+j9.893.71+j19.080.96+j3.777.63+j39.82.06+j11.30.31+j1.921.30+j8.190.69+j4.34线路g2jj2lg2lg2mm2nn2pp2in2oi2o阻抗参数1.09+j6.850.

16、69+j4.341.80+j6.952.54+j12.794.29+j22.021.59+j7.720.87+j2.791.15+j7.251.08+j6.82矩阵外符号a,pa,b,c,p。矩阵对角元素为1,表示变电站与其自身总是相连的;第i行第j列的数值为1则表示变电站i和变电站j间有线路相连,为0则表示变电站之间没有线路直接相连。比如,对变电站a而言,它仅通过一回线路与变电站b相连,因此在第1行仅有2个非零元素。而变电站b则通过线路与变电站a、c、d相连,因此矩阵第2行的前4列全部为非零元。2.2融冰路径的搜索融冰路径的搜索从各带融冰电源的变电站开始枚举所有可能的融冰路径。搜索过程采用深

17、度优先的搜索策略,即从搜索起点开始逐次往当前融冰路径末端追加邻接线路,计算当前融冰路径的阻抗和短路电流值,查表计算对应的融冰时间,并将其保存到可能融冰路径列表。搜索融冰路径时,如当前路径经过某一变电站的次数>1,回退到前一路径;此外,由于短路融冰要求大的短路电流,当前融冰路径短路电流小于某一特定值如600A时,放弃当前路径,回退到前一路径继续搜索。枚举完当前融冰电源点所有可能路径后,选取下一融冰电源,继续新的搜索。在开始融冰路径搜索前,需要整理网络中各条线路的参数,以便计算不同融冰路径的短路电流。图1所示电网各线路参数如表1所示。以下结合图1电网的关联矩阵r,以融冰电源c为例说明枚举融冰

18、路径的过程。1)搜索与c同一行中非零元,形成路径c2b,计算短路电流1438A,满足路径搜索规则,保存;2)搜索与当前路径b同一行中非零元,形成路径c2b2a,短路电流361A,违背路径搜索规则,放弃该路径,回退到前一路径c2b;3)搜索与路径终点b同一行的非零元,形成路径c2b2c,因两次经过c,违背路径搜索规则,放弃该路径,回退到前一路径c2b;4)搜索与路径终点b同一行的非零元,形成路径c2b2d,短路电流379A,违背路径搜索规则,放弃该路径,回退到前一路径c2b;5)因b同行非零元搜索完毕,回退到前一路径c,搜索同行非零元形成路径c2d,短路电流988A,保存;6)搜索与路径终点d同

19、一行的非零元,形成路径c2d2b,短路电流338A,违背路径搜索规则,放弃该路径,回退到前一路径c2d;582Mar.2009HighVoltageEngineeringVol.35No.3表2枚举融冰路径表7)搜索与路径终点d同一行的非零元,形成路径c2d2c,因两次经过c,违背路径搜索规则,放弃该路径,回退到前一路径c2d;8)搜索与路径终点d同一行的非零元,形成路径c2d2e,短路电流197A,违背路径搜索规则,放弃该路径,回退到前一路径c2d;9)搜索与路径终点d同一行的非零元,形成路径c2d2f,短路电流462A,违背路径搜索规则,放弃该路径,回退到前一路径c2d;10)因b同行非零

20、元搜索完毕,回退到前一路径c,搜索同行非零元形成路径c2k,短路电流2570A,Tab.2Enumeratedde2icingrouteforshortcircuit序号12345678线路c2bc2kc2dl2jl2j2gl2j2g2il2gl2g2h短路电流/A序号1438.692570.49987.632275.57882.56635.921392.89647.089101112131415线路l2g2il2g2i2pn2on2o2in2pn2p2in2p2i2g短路电流/A864.95690.831362.28701.971268.71926.44658.74保存;11)因k同行非零元

21、搜索完毕,回退到前一路径c,同行非零元搜索完毕,完成对融冰电源c的所有路径搜索。对网络中所有融冰电源按以上步骤搜索,即可枚举出各融冰电源站所有可能的融冰路径。表3备选融冰路径表Tab.3Candidatede2icingrouteforshortcircuit345线路l2j2gl22l2g2i2pn2p2in2p2i2g/A635.92690.83926.44658.74融冰时间/min46148101401263融冰路径搜索的应用,将其所有路径及其短路电流列举如表2所示。制定枚举融冰路径表后,通过软件程序判断可将不包含待融冰线路的融冰路径剔除,从而形成备选融冰路径表如表3。由于该电网220

22、kV系统主要采用的是LGJ400型号线路,因此将按短路电流融冰时间表查询得到的该型线路融冰时间也列举如表3所示。显然,调度运行人员可以快捷地根据表3判断出融冰路径1和7能提供最大的融冰电流和最小的融冰时间。由于表3提供了所有可选路径,如果有某些变电站不希望进行转负荷操作或是维操队人员正在另一处变电站操作,调度运行人员也可灵活的在表3中选择其它切合需要的路径,然后进行追加到负荷和调整保护定值等必要手续,完成融冰操作票的制定。定。由于可以根据电网实际情况设置电网络图中各变电站(节点)和线路(边)的运行状态,电网络的关联矩阵可以与实际电网保持一致,本文所提方法能够适应冰灾时电网拓扑结构的变化。此外,

23、当有多条待融冰线路需要执行融冰操作时,在适当的情况下,本文所提方法还能枚举出同时包含多条待融冰线路的融冰路径,从而大大加快融冰操作进程。本文所提方法能正确工作的基础为从长沙地区电网现有操作预案上提取的规则。对于其它电网,由于在电网结构上、变电站母线型式上有显著区别,其制定融冰预案的规则可能有异,如有的地区在相邻变电站间有多回线路联系且变电站内采用双母线分段情况下,融冰路径可以两次经过同一变电站。对这些地区,根据调度运行的需要和电网结构的特点,同样有望提出相应的融冰路径搜索规则,按本文类似的模式在紧急情况下为调度运行人员快速提供融冰操作的参考方案。4结语本文分析了电力系统制定的融冰预案,提取了制

24、定融冰方案的规则,并结合图论方法提出了基于关联矩阵的融冰路径搜索方法。该方法能快速枚举所有能提供合适短路电流的融冰路径,再从中选取包含待融冰线路的路径,形成备选融冰路径表。调度运行人员可根据系统运行和人员调度情况,快捷地选择切合需要的融冰路径,并加以必要的倒负荷和继电保护定值调整措施,完成融冰操作方案的制参考文献1MasoudFarzaneh,KonstantinSavadjiev.StatisticalanalysisoffielddataforprecipitationicingaccretiononoverheadpowerlinesJ.IEEETransonPowerDel,2005,

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