何禹清，毛麗林，蘇 黎，劉菁菁，徐 超，彭建春

（1.國網(wǎng)湖南省電力公司經(jīng)濟技術研究院，長沙 410007；2.深圳大學機電與控制工程學院，深圳 518060）

配電網(wǎng)可靠性評估及重構優(yōu)化系統(tǒng)的設計

何禹清1，毛麗林1，蘇 黎1，劉菁菁1，徐 超1，彭建春2

（1.國網(wǎng)湖南省電力公司經(jīng)濟技術研究院，長沙 410007；2.深圳大學機電與控制工程學院，深圳 518060）

設計開發(fā)了一套可靠性評估及重構優(yōu)化的軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分計及可靠性評估和網(wǎng)絡重構的內(nèi)在聯(lián)系，全面考慮并解決新型能源接入配電網(wǎng)時面臨的問題和挑戰(zhàn)，采用可靠性評估及網(wǎng)絡重構的理論和算法拓展軟件的準確性和適用性。系統(tǒng)以Visual C++6.0為開發(fā)平臺，以數(shù)據(jù)庫為核心，通過與臺區(qū)遠抄系統(tǒng)、低壓集抄系統(tǒng)和EMS系統(tǒng)的互聯(lián)實現(xiàn)配網(wǎng)數(shù)據(jù)的實時交互更新，滿足大規(guī)模配電網(wǎng)離線和在線計算的要求。湖南電網(wǎng)的實際算例表明，本軟件可靠、有效。

電力系統(tǒng)；配電網(wǎng)；可靠性評估；重構

配電網(wǎng)的可靠性和運行結構直接關系到用戶的用電質量和電網(wǎng)企業(yè)的經(jīng)濟效益。本世紀初，受配電網(wǎng)自動化水平的限制，配電網(wǎng)可靠性評估和網(wǎng)絡優(yōu)化的工程應用尚未得到重視和大范圍普及。但隨著近幾年國家農(nóng)網(wǎng)改造和智能電網(wǎng)建設的推進，在線的可靠性評估和網(wǎng)絡優(yōu)化系統(tǒng)成為可能。

很多專家、學者及公司對配電網(wǎng)可靠性評估和網(wǎng)絡重構進行了深入研究[1-16]并開發(fā)了大量的相關軟件，這些軟件為配電網(wǎng)的可靠經(jīng)濟運行提供了良好的技術支撐。但目前這些軟件還存在明顯的不足，主要體現(xiàn)在3個方面：①絕大部分軟件沒有綜合考慮可靠性評估和網(wǎng)絡重構的聯(lián)系，往往把它們當成獨立的問題分別處理；②這些軟件沒有考慮現(xiàn)代配電網(wǎng)發(fā)展的新問題，尤其是沒有充分考慮風電等新型能源接入的情況；③這些軟件所用的算法和理論在計算準確性和全局最優(yōu)方面仍值得商榷，適用范圍有限且計算速度慢，不宜運用于大規(guī)模配電網(wǎng)。

針對上述問題，開發(fā)了一套配電網(wǎng)的可靠性評估及網(wǎng)絡重構系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分計及可靠性評估和網(wǎng)絡重構的內(nèi)在聯(lián)系，全面考慮并解決新型能源接入配電網(wǎng)時面臨的問題和挑戰(zhàn)，采用可靠性評估及網(wǎng)絡重構的理論和算法。系統(tǒng)以Visual C++6.0為開發(fā)平臺，以數(shù)據(jù)庫為核心，通過與臺區(qū)遠抄系統(tǒng)的互聯(lián)實現(xiàn)配網(wǎng)數(shù)據(jù)的實時交互更新，滿足大規(guī)模配電網(wǎng)離線和在線計算的要求。

1 系統(tǒng)結構和功能

1.1 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)VC++6.0為編程工具，采用面向對象的程序設計方法，以數(shù)據(jù)庫為核心，通過數(shù)據(jù)庫將各功能模塊連接成一個統(tǒng)一的整體。系統(tǒng)的整體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的整體結構Fig.1 System structure

1.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫管理、潮流計算分析、可靠性評估、網(wǎng)絡重構分析、綜合網(wǎng)絡優(yōu)化、風機出力分析、多方案對比分析、敏感度分析、報表打印9個功能模塊構成，部分功能的簡介如下。

數(shù)據(jù)庫管理功能包括變電站主變參數(shù)、線路結構參數(shù)、電源參數(shù)、節(jié)點負荷參數(shù)、開關狀態(tài)、標準導線庫的輸入，臺區(qū)數(shù)據(jù)和線路接線圖的導入（可導入CAD格式和圖片格式），同時還包括數(shù)據(jù)的刪除、復制和粘貼等數(shù)據(jù)庫的修改和維護功能等。

支路數(shù)據(jù)、變壓器數(shù)據(jù)、標準導線公共數(shù)據(jù)和變壓器型號公共數(shù)據(jù)庫中的部分數(shù)據(jù)除可以從其對應的公共數(shù)據(jù)庫中直接導入外，考慮設備的老化或實際的運行情況還可以由用戶手動輸入，以保證系統(tǒng)技術數(shù)據(jù)的準確性。

為滿足節(jié)點負荷等公用數(shù)據(jù)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，方便數(shù)據(jù)的直接獲取，系統(tǒng)實現(xiàn)了與臺區(qū)遠抄系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的互連，可從臺區(qū)遠抄系統(tǒng)直接導入并生成所選日的24/96點負荷數(shù)值以實現(xiàn)臺區(qū)數(shù)據(jù)的快速、批量更新。同時該模塊提供了負荷導入數(shù)據(jù)的曲線顯示和負荷特性分析。另外，為避免導入數(shù)據(jù)源本身的不良數(shù)據(jù)，該模塊嵌套了不良數(shù)據(jù)和缺失數(shù)據(jù)的處理程序供用戶選擇。

潮流計算功能潮流計算是電力系統(tǒng)分析的一項基本計算。與輸電網(wǎng)絡相比，配電網(wǎng)往往具有病態(tài)參數(shù)、三相負荷不平衡、負荷模型復雜等特點，使得傳統(tǒng)的潮流計算方法難以有效解決配電網(wǎng)絡潮流計算問題。為確保潮流計算可靠收斂，該系統(tǒng)實現(xiàn)并集成了前推回代法、牛頓-拉夫遜法、ZBUS法3種潮流算法，能夠根據(jù)潮流數(shù)據(jù)自動或手動選擇計算速度快、收斂可靠的潮流算法。需注意的是，若配電網(wǎng)中含有風電機組，系統(tǒng)會自動調用風機出力分析模塊，其中的潮流計算采用基于風力發(fā)電機組P-Q（V）穩(wěn)態(tài)模型的方法[17]。

風機出力分析功能針對風速分布描述方法、風電機組參數(shù)、風電場風速參數(shù)的多樣性，該功能模塊提供了相關參數(shù)的計算和分析。其中，風速分布描述方法有Weibull分布、皮爾遜Ⅲ型分布、極值Ⅰ型分布等；風電機組參數(shù)中包含的風電機組類型有結構簡單的異步風電發(fā)電機、雙饋異步風力發(fā)電機、直驅式永磁同步發(fā)電機，包含的主要風機參數(shù)有額定容量、切入風速、額定風速和切出風速；風電場風速參數(shù)包括形狀參數(shù)k、尺度參數(shù)c。同時，該功能模塊還包括場景分析方法的設定，提供滿足用戶和實踐工程的多種場景設定方法，包括典型的三段式劃分法、依風速區(qū)間劃分法和依功率區(qū)間劃分法。

多方案分析功能工程實踐中經(jīng)常碰到多個網(wǎng)架方案的對比分析，該模塊主要為用戶提供多個備選方案的橫向比較，為用戶提供一個明確的含多元信息的優(yōu)選信息。多方案比較中主要討論的技術指標包括：各節(jié)點的可靠性指標綜合分析、系統(tǒng)可靠性指標的綜合分析、有功損耗比較等。通過這些數(shù)據(jù)的比較，為用戶提供一個橫向的直觀結論。同時，為滿足用戶對不同地區(qū)的重視程度，系統(tǒng)可以進行全網(wǎng)的指標比較，也可以進行用戶指定區(qū)域的指標比較。

敏感度分析功能敏感度分析分為兩部分：其中一部分主要分析系統(tǒng)可靠性指標對某類或某些元件的敏感程度，也即是系統(tǒng)可靠性對元件參數(shù)的影響。通過這部分分析，可以為用戶提供元件選型和改造的依據(jù)。另一部分主要分析節(jié)點負荷對網(wǎng)絡損耗的敏感程度，主要依據(jù)文獻[13]的負荷耗散分量和路徑耗散因子，通過這部分分析，可以為用戶提供新線路架設和改造的依據(jù)。對于可靠性敏感度分析部分，可設置節(jié)點可靠性指標或（和）系統(tǒng)可靠性指標對6種基本元件可靠性參數(shù)的敏感度；對于重構敏感度分析部分，可設置有功網(wǎng)損或（和）節(jié)點電壓對線路阻抗、負荷大小、功率因數(shù)、電纜比例和變壓器變比的敏感度；滿足用戶對不同地區(qū)的特殊需求，兩類敏感度分析都提供全網(wǎng)和用戶指定區(qū)域的敏感度分析。

結果查看與輸出功能該功能模塊包括系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)的輸出和打印及計算結果的自定義打印。系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)的輸出和打印主要包括網(wǎng)絡結構和各元件參數(shù)的打印和輸出；計算結果的自定義打印涵蓋節(jié)點可靠性指標、系統(tǒng)可靠性指標、網(wǎng)絡重構結果等結果的打印和輸出；方案對比信息的自定義打印包括多方案比較以及敏感度分析結果的打印和輸出。

2 核心功能模塊及算法

2.1 可靠性評估分析模塊

可靠性模塊可以實現(xiàn)不含風電機組的配電網(wǎng)可靠性評估和含風電機組的配電網(wǎng)可靠性評估。首先，根據(jù)系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)中是否含有風電機組自動調用相應的模塊，若含有風電機組，則調用風電出力分析模塊，確定風電機組的類型和參數(shù)、風電場風速參數(shù)、場景劃分的個數(shù)和組合方式。然后，該模塊選擇可靠性分析的方法，本軟件提供的可靠性分析方法包括：蒙特卡羅法[5]、故障模式影響分析法[6]、網(wǎng)絡等值法[7]、基于故障指標傳遞特性的方法[8]以及含風電的網(wǎng)絡可靠性評估方法[9]。

2.2 網(wǎng)絡重構分析模塊

網(wǎng)絡重構模塊同樣包括了對不含風電機組的網(wǎng)絡重構和含風電機組的網(wǎng)絡重構兩個部分。系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡重構分析方法包括：支路交換法[10]、最優(yōu)流法[11]、基本遺傳算法[12]和基于最小可行分析法[13]以及含風電的網(wǎng)絡重構方法[14]。用戶可根據(jù)自身需要對網(wǎng)絡重構的目標函數(shù)和約束條件進行設置，目標函數(shù)的類型包括：系統(tǒng)有功網(wǎng)損、開關動作次數(shù)、電壓質量以及它們相互的組合方式，權重也需在此模塊中確定。約束條件包括：節(jié)點電壓約束和功率因數(shù)等（支路傳輸功率約束已在線路參數(shù)輸入中限定）。

2.3 綜合網(wǎng)絡優(yōu)化模塊

綜合網(wǎng)絡優(yōu)化模塊主要獲取考慮網(wǎng)絡可靠性的網(wǎng)絡重構方案。該模塊首先須對綜合評估的目標函數(shù)和相應權重進行設置，系統(tǒng)提供了直接設置權重和按判斷矩陣法確定權重的兩種方法。接著，對考慮系統(tǒng)可靠性的配電網(wǎng)重構算法的參數(shù)進行設置。最后利用文獻[15]介紹的方法計算滿足條件的最優(yōu)重構方案。

3 實例分析

3.1 實際配電網(wǎng)簡介

圖2為某市城區(qū)部分10 kV線路的接線圖。該局部網(wǎng)絡有3個10 kV變電站，分別為大科變、城中變和仙人橋變，3個變電站之間形成互聯(lián)。該區(qū)域所帶負荷臺區(qū)數(shù)為54個，變壓器臺數(shù)為68臺、容量為23.91 MVA，負荷類型包括商業(yè)負荷、政府辦公負荷和農(nóng)業(yè)負荷。該區(qū)域的線路結構復雜，是典型的電纜線路和架空線路混合線路，其中主干線以YJV-300和LGJ-240為主，支線包括LGJ-50、LGJ-70和YJV-50等線路型號。單臺異步風電機組接入該網(wǎng)絡。

3.2 可靠性評估分析模塊的應用

運行本系統(tǒng)的可靠性評估分析模塊，可靠性評估方法選擇故障指標傳遞特性法，并采用區(qū)域塊等值模型。設置斷路器、熔斷器的可靠動作概率均為1.0，輸出設置中選定節(jié)點可靠性指標和系統(tǒng)可靠性指標兩類指標。可靠性評估結束后，選擇調用可靠性敏感性分析，敏感性分析的分析對象為系統(tǒng)可靠性指標，分析區(qū)域為全網(wǎng)，分析元件為斷路器。

根據(jù)功能選擇系統(tǒng)自動生成可靠性評估分析報表。該報表分為可靠性評估計算結果、敏感性分析結果、結果分析與建議3個部分?？煽啃栽u估計算結果列出了負荷節(jié)點可靠性參數(shù)和系統(tǒng)可靠性參數(shù)，其中，負荷節(jié)點可靠性參數(shù)包括年故障停運率、平均停運持續(xù)時間、平均停運時間；系統(tǒng)可靠性參數(shù)包括系統(tǒng)平均停電頻率指標、系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間指標、用戶平均停電持續(xù)時間指標、平均供電可用率指標、系統(tǒng)供電量不足指標。敏感性分析結果列出了系統(tǒng)供電用量不足指標與斷路器元件年故障停運率和平均停運時間的關系，著重分析了斷路器元件年故障停運率和平均停運時間兩個參數(shù)的變化對系統(tǒng)供電用量不足指標的影響。結果分析與建議主要包括：①判斷該網(wǎng)絡在當前結果下，可靠性水平是否滿足國標的要求；②在不滿足國標要求的情況下，給出當前網(wǎng)絡的薄弱環(huán)節(jié)和網(wǎng)絡結構調整的建議；③通過敏感性分析，判斷元件選型是否恰當，并給出合理的元件可靠性參數(shù)范圍供用戶參考。

圖2 實際配電網(wǎng)Fig.2 Practical distribution network

3.3 網(wǎng)絡重構分析模塊的應用

運行本系統(tǒng)的網(wǎng)絡重構分析模塊，網(wǎng)絡重構方法選擇最小可行分析法，目標函數(shù)選定為系統(tǒng)有功網(wǎng)損，約束條件選定節(jié)點電壓約束，并在最大和最小電壓框中分別輸入1.05 p.u.和0.95 p.u.，分析過程中不配置無功補償。網(wǎng)絡重構分析結束后，選擇調用重構敏感性分析，敏感性分析的分析對象為有功網(wǎng)損，分析區(qū)域為全網(wǎng)，分析元件為負荷。

同樣，根據(jù)功能選擇系統(tǒng)自動生成網(wǎng)絡重構分析報表。報表分為網(wǎng)絡重構計算結果、敏感性分析結果、結果分析與建議3個部分。網(wǎng)絡重構計算結果列出了重構前后系統(tǒng)的連枝號、有功網(wǎng)損、節(jié)點電壓最低值；敏感性分析結果列出了系統(tǒng)有功網(wǎng)損與各節(jié)點負荷的關系，并以靈敏度系數(shù)的方式顯示出來。結果分析與建議主要包括：①造成網(wǎng)絡損耗增大的主要區(qū)域及對該區(qū)域的網(wǎng)絡改造建議；②識別網(wǎng)絡中的“卡脖子”線路和元件，并給出上述元件的改造建議。

3.4 綜合網(wǎng)絡優(yōu)化模塊的應用

運行本系統(tǒng)的綜合網(wǎng)絡優(yōu)化分析模塊。綜合網(wǎng)絡優(yōu)化的目標函數(shù)包括系統(tǒng)有功網(wǎng)損、系統(tǒng)供電量不足指標、平均供電可用率指標。按判斷矩陣確定各個指標的權重。約束條件選定節(jié)點電壓約束，并在最大和最小電壓框中分別輸入1.05 p.u.和0.95 p.u.，分析過程中不配置無功補償?？煽啃栽u估結束后，選擇調用可靠性敏感性分析，敏感性分析的分析對象為系統(tǒng)可靠性指標，分析區(qū)域為全網(wǎng)，分析元件為斷路器。選擇調用重構敏感性分析，敏感性分析的分析對象為有功網(wǎng)損，分析區(qū)域為全網(wǎng)，分析元件為負荷。

圖3為考慮可靠性的重構后系統(tǒng)結構。由圖可知，該10 kV網(wǎng)絡的開關開合與原始狀態(tài)相比發(fā)生了較大變化，重構后的系統(tǒng)負荷供電方式更加合理，整個系統(tǒng)的可靠性明顯提高。根據(jù)功能選擇系統(tǒng)自動生成包括可靠性分析和網(wǎng)絡重構分析兩方面內(nèi)容的報表。

圖3 考慮可靠性的重構后系統(tǒng)結構Fig.3 Distribution network after network reconfiguration considering reliability evaluation

4 結論

本文介紹的配電網(wǎng)可靠性評估及重構優(yōu)化系統(tǒng)具有以下典型特點：

（1）采用可靠性評估及網(wǎng)絡重構的理論和算法，滿足準確性和全局最優(yōu)的要求，計算速度快，能夠適用于大規(guī)模配電網(wǎng)；

（2）充分考慮了新型能源接入配電網(wǎng)時面臨的問題，尤其是在風電接入配網(wǎng)時的情況進行了全面研究和分析；

（3）具有全面的多方案分析和敏感度分析功能，能為配電網(wǎng)的運行和規(guī)劃提供直觀的對比分析和數(shù)據(jù)支撐；

（4）該系統(tǒng)功能結構清晰、界面友好、操作簡單、使用方便，運用先進的數(shù)據(jù)庫技術和面向對象的可編程方法，系統(tǒng)擴展性好；

（5）該系統(tǒng)已經(jīng)在工程中應用，取得了良好的工程實際效果，具有很好的實用價值和推廣性。

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Design and Implementation of a Reliability Evaluation and Reconfiguration Software for Distribution Networks

HE Yu-qing1，MAO Li-lin1，SU Li1，LIU Jing-jing1，XU Chao1，PENG Jian-chun2
（1.Hunan Electric Power Corporation Economical&Technical Research Institute，Changsha 410007，China；2.College of Mechatronics&Control Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China）

A reliability evaluation and reconfiguration software for distribution networks is designed and developed. This system fully considers the inner link between reliability evaluation and network reconfiguration，and the problems and challenges are overall considered and solved when new energy resources access the distribution network.New theory and algorithm for reliability evaluation and network reconfiguration are used which guarantees the accuracy and applicability of this software.Visual C++6.0 is selected as the development platform，and all the system functions are realized together through the database.The connection with remote reading system，low-voltage wave-carrying system and energy management system（EMS）is realized which satisfies the real-time data update and large-scale distribution network offline and online calculation.Practical examples at Hunan Power Grid show that this software is feasible and reliable.

power system；distribution network；reliability evaluation；reconfiguration

TM744

A

1003-8930（2013）06-0148-06

何禹清（1982—），男，博士，工程師，研究方向為配電網(wǎng)優(yōu)化運行與控制。Email：iheyuqing@163.com

2011-11-25；

2012-01-09

毛麗林（1982—），女，碩士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃與設計。Email：jiandan5190@163.com

蘇 黎（1981—），男，碩士，工程師，研究方向為配電網(wǎng)規(guī)劃。Email：sony1981@163.com