吳 奕 ，萬真理 ，張玉林 ，朱海兵 ，熊 浩 ，陳 娜 ，范 青

(1.江蘇省電力公司，江蘇南京210024；2.寧波電業(yè)局，浙江寧波315336；3.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210061)

調(diào)度控制中心為了對電力系統(tǒng)進(jìn)行實時安全監(jiān)控，需要根據(jù)實時數(shù)據(jù)庫所提供的信息，隨時判斷系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)并對預(yù)想事故進(jìn)行安全分析，這就需要進(jìn)行廣泛的潮流計算，并且對計算速度等還提出更高的要求，現(xiàn)有潮流計算方法已提出很多改進(jìn)的措施[1]，但還需結(jié)合配網(wǎng)實際運(yùn)行情況進(jìn)一步加強(qiáng)實用化應(yīng)用。雖然配電網(wǎng)的量測水平在不斷提高，在配電網(wǎng)局部已經(jīng)具有大量的量測數(shù)據(jù)，但是從整個配電網(wǎng)全局角度上來看，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)可觀測范圍所占比例還是較小。相應(yīng)的自動化設(shè)備的技術(shù)和管理要求不完善，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和管理制度還在制定中，現(xiàn)有配電網(wǎng)自動化技術(shù)的實用化水平較低，由于技術(shù)不成熟、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整頻繁、運(yùn)行維護(hù)力量不足等原因，部分區(qū)域存在缺失的情況。分布式電源的大量接入，改變了配電網(wǎng)饋線系統(tǒng)的故障電流大小及方向[2]，也為配電網(wǎng)潮流計算帶來難度。

針對配電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)現(xiàn)狀，在智能配電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)的分析平臺上，結(jié)合實時采集、用電信息和典型負(fù)荷特性，利用配電網(wǎng)狀態(tài)估計預(yù)處理、對不可觀察的配電網(wǎng)負(fù)荷量測區(qū)域，利用歷史數(shù)據(jù)、用電信息采集數(shù)據(jù)、負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)增加偽量測，并對量測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評價，利用拓?fù)浞治鲞M(jìn)行負(fù)荷校驗處理，通過拓?fù)渌阉鲗崿F(xiàn)配電網(wǎng)可觀測性，在當(dāng)前配電網(wǎng)現(xiàn)狀下能夠有效地進(jìn)行準(zhǔn)確的潮流分析，實現(xiàn)配電網(wǎng)實用化潮流計算。

1 拓?fù)浞治?/h2>

1.1 主配電網(wǎng)模型拼接

配電自動化主站系統(tǒng)模型范圍覆蓋主網(wǎng)以及配電網(wǎng)。配電網(wǎng)圖模信息從地理信息系統(tǒng)獲取，主網(wǎng)模型從能量管理系統(tǒng)獲取，在配電自動化主站系統(tǒng)完成主、配電網(wǎng)模型的拼接以及模型動態(tài)變化管理功能，構(gòu)建完整的配電網(wǎng)分析應(yīng)用模型。配電自動化主站系統(tǒng)與相關(guān)系統(tǒng)的圖模交換全部通過信息交換總線實現(xiàn)。地理信息系統(tǒng)按照CIM/SVG格式導(dǎo)出配電網(wǎng)的模型以及相關(guān)圖形，配電自動化主站系統(tǒng)中不再維護(hù)的圖模，而是通過信息交換總線接受生產(chǎn)管理導(dǎo)出的圖模信息，并轉(zhuǎn)換到配電自動化主站系統(tǒng)中。能量管理系統(tǒng)按照CIM/SVG格式導(dǎo)出上級電網(wǎng)的模型以及相關(guān)圖形，配電自動化主站系統(tǒng)通過信息交換總線接受能量管理導(dǎo)出的上級電網(wǎng)圖模信息。配電自動化主站系統(tǒng)通過信息交換總線獲取配電網(wǎng)圖模數(shù)據(jù)和主網(wǎng)圖模數(shù)據(jù)，然后在圖模庫一體化平臺上實現(xiàn)饋線模型與站內(nèi)模型拼接，在配電自動化主站系統(tǒng)中可以得到完整的電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型，為配電網(wǎng)調(diào)度的指揮管理提供完整的電網(wǎng)模型及拓?fù)滟Y料。

1.2 配電網(wǎng)拓?fù)浞治?/h3>

在同一個電壓等級內(nèi)部，根據(jù)開關(guān)刀閘的狀態(tài)給每個節(jié)點進(jìn)行著色，將與著色起始點通過閉合開關(guān)刀閘連在一起的所有節(jié)點全部著成同一個顏色，形成母線號。然后將通過支路（線路和變壓器支路）連在一起的母線劃分到同一個電氣島中去。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鲕浖哪康木褪怯蓮S站的結(jié)線方式抽象出系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)通關(guān)系的單線圖。拓?fù)浞治鲕浖饕瓿梢韵鹿ぷ鳎?/p>

（1）電氣島分析。電氣島即一個獨立的供電、輸電、用電系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障繼保動作后，系統(tǒng)經(jīng)常會解列成多個電氣島，有了對電氣島的分析就可以進(jìn)行多島計算。

（2）生成計算母線。通過對網(wǎng)絡(luò)結(jié)線方式的搜索，將所有通過閉合的開關(guān)、刀閘以及聯(lián)結(jié)線所聯(lián)接的點聚集到一起，從而使每個節(jié)點之間都通過阻抗支路聯(lián)接的，從而生成由母線和阻抗支路組成的系統(tǒng)單線圖。

（3）負(fù)荷數(shù)據(jù)校驗與補(bǔ)全。綜合利用用電信息采集電表數(shù)據(jù)、營銷系統(tǒng)電量數(shù)據(jù)、歷史曲線數(shù)據(jù)，負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)，主配電網(wǎng)開關(guān)實時量測數(shù)據(jù)，通過拓?fù)浔闅v，進(jìn)行負(fù)荷分配和負(fù)荷校準(zhǔn)，以獲得用于潮流計算的負(fù)荷信息。

2 配電網(wǎng)等值處理

2.1 配電網(wǎng)電源等值處理

配電網(wǎng)根據(jù)其自身的特點，以饋線作為一個計算單元，將變電站出線斷路器作為等值電源處理，讀取站內(nèi)母線作為根節(jié)點的電壓，同時讀取到能量管理調(diào)度員潮流計算得到的站內(nèi)母線的相角，以斷路器的功率作為根節(jié)點的輸出功率。

2.2 配電網(wǎng)負(fù)荷等值處理

2.2.1配電網(wǎng)負(fù)荷模型處理

配電網(wǎng)負(fù)荷讀取，配電網(wǎng)負(fù)荷主要是配電網(wǎng)公變和配電網(wǎng)專變模型及量測數(shù)據(jù)的讀取。但是由于大部分供電公司的配變量測無法準(zhǔn)確實時的讀取，必須采取其他的方法來獲得配電網(wǎng)負(fù)荷量測數(shù)據(jù)。本文采取將配電網(wǎng)開關(guān)等值處理為負(fù)荷方法，在模型中首先維護(hù)好配電網(wǎng)開關(guān)的開關(guān)類型。配電網(wǎng)開關(guān)類型主要分為線路開關(guān)和負(fù)荷開關(guān)，對于負(fù)荷開關(guān)的配電網(wǎng)開關(guān)則等值處理為負(fù)荷，將該負(fù)荷開關(guān)下游側(cè)所有負(fù)荷等值為一個總負(fù)荷。讀取到負(fù)荷開關(guān)的量測等值處理為該負(fù)荷開關(guān)下游所有負(fù)荷的總量測功率消耗。

如果開關(guān)站或者環(huán)網(wǎng)柜因為負(fù)荷沒有量測導(dǎo)致流入配電網(wǎng)母線電流之和與流出配電網(wǎng)母線電流之和不平衡，則將流入與流出電流之差分配給該配電網(wǎng)母線上沒有量測的負(fù)荷。當(dāng)配電網(wǎng)母線出線開關(guān)下游側(cè)實際上有負(fù)荷消耗功率，而配電網(wǎng)中并沒有建立配電網(wǎng)負(fù)荷模型時，本文將配電網(wǎng)饋線段等值處理為負(fù)荷，并對該等值負(fù)荷分配負(fù)荷功率。

2.2.2配電網(wǎng)負(fù)荷量測數(shù)據(jù)處理

負(fù)荷功率準(zhǔn)確分配和讀取是影響潮流計算準(zhǔn)確度較大的因素。對于配電網(wǎng)負(fù)荷量測的讀取，如果配電網(wǎng)開關(guān)沒有功率量測值，只有電流量測值。則采用默認(rèn)的功率因數(shù)。求節(jié)點功率值：流入節(jié)點功率為正，流出節(jié)點功率為負(fù)，節(jié)點流入功率一定是大于或等于流出的功率，如果流出功率小于流入功率，則該節(jié)點有剩余的功率來分配給負(fù)荷。獲得了小區(qū)段總剩余功率注入，總功率減去各個注入元件的節(jié)點注入功率和支路損耗功率，最后的差值就為該小區(qū)段的負(fù)荷或者電源分配得到功率值。對于無量測的負(fù)荷，將小區(qū)段中剩余功率分配給負(fù)荷元件如果小區(qū)段沒有負(fù)荷，則將剩余功率分配給電源元件。

負(fù)荷功率分配前提：所有配電網(wǎng)開關(guān)均計算得到開關(guān)流過的功率值。所有流入?yún)^(qū)段開關(guān)功率-所有流出區(qū)段開關(guān)功率-區(qū)段內(nèi)節(jié)點注入功率（節(jié)點注入功率指該區(qū)段內(nèi)負(fù)荷的功率與電源的功率之和）=不平衡功率。然后將不平衡功率分配給該區(qū)段內(nèi)無量測的負(fù)荷或者電源。

配電網(wǎng)負(fù)荷量測數(shù)據(jù)分配步驟：利用配電網(wǎng)變壓器功率數(shù)據(jù)作為其冗余數(shù)據(jù)分析，是將配電網(wǎng)變壓的量測作為注入量測，求解超線性矩陣方程，得到正確的狀態(tài)值。狀態(tài)分析用于處理冗余的或不良的測量數(shù)據(jù)，以獲得正確的一致的信息。功率方向定義：流入節(jié)點功率為正，流出節(jié)點功率為負(fù)。

程序處理步驟如下：

（1）如果配電網(wǎng)開關(guān)沒有功率量測值，則采用出線斷路器的功率因數(shù)，否則采用默認(rèn)的功率因數(shù)。

（2）求節(jié)點功率值：節(jié)點流入功率大于或等于流出的功率，則該節(jié)點有剩余的功率來分配給負(fù)荷；如果流出功率大于流入功率，則該節(jié)點有剩余的功率來分配給分布式電源。

（3）獲得小區(qū)段總剩余功率，注入總功率減去各個注入元件的節(jié)點注入功率和支路損耗功率，最后的差值就為該小區(qū)段的負(fù)荷或者電源分配得到功率值。

（4）對于無量測的負(fù)荷，將小區(qū)段中剩余功率分配給負(fù)荷元件。

（5）若小區(qū)段沒有負(fù)荷，則將剩余功率分配給電源元件。負(fù)荷功率分配前提是：所有配電網(wǎng)開關(guān)均計算得到開關(guān)流過的功率值。技巧是：能夠分清區(qū)段內(nèi)那些開關(guān)是功率流入的開關(guān)，那些開關(guān)是功率流出的開關(guān)。

（6）所有流入?yún)^(qū)段開關(guān)功率-所有流出區(qū)段開關(guān)功率-區(qū)段內(nèi)節(jié)點注入功率（節(jié)點注入功率指該區(qū)段內(nèi)負(fù)荷的功率與電源的功率之和）=不平衡功率。

然后將不平衡功率分配給該區(qū)段內(nèi)無量測的負(fù)荷或者電源。

2.3 靜態(tài)準(zhǔn)實時量測一致性校驗

靜態(tài)負(fù)荷量測包括有功功率、無功功率、電流、電壓、功率因數(shù)等。依據(jù)電路KVL和KCL，PQI匹配等基本準(zhǔn)則進(jìn)行校驗分析，將不滿足電路基本約束關(guān)系的量測去除。一致性檢查的內(nèi)容還包括：配電網(wǎng)開關(guān)PQI不匹配；饋線段兩端（中間無分叉）有功、無功、電流相沖突；配電網(wǎng)母線量測流入流出不匹配；配電網(wǎng)負(fù)荷與負(fù)荷開關(guān)量測不匹配；配電網(wǎng)開關(guān)遙測與遙信不對應(yīng)。

3 配電網(wǎng)潮流分析

配電網(wǎng)潮流計算其目的是求解配電網(wǎng)進(jìn)行各種模擬操作后的穩(wěn)態(tài)潮流分布，為其他分析模塊提供基態(tài)潮流。配電網(wǎng)與輸電網(wǎng)相比，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)上有著明顯的差異。配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)呈輻射狀，在正常運(yùn)行時是開環(huán)的，只有在轉(zhuǎn)移荷時才有可能出現(xiàn)短時環(huán)網(wǎng)運(yùn)行情況；另外，配電線路的總長度較輸電線路要長且分支較多；配電線的線徑比輸電網(wǎng)細(xì)，導(dǎo)致配電網(wǎng)的R/X較大，且線路的充電電容可以忽略。由于配電網(wǎng)特殊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)分布特點，導(dǎo)致無法滿足牛頓法的P，Q解耦條件，所以在輸電網(wǎng)中常用的快速解耦算法在配電網(wǎng)中則難以收斂。

本文采用了多種潮流算法，包括：前推回代法[3]、牛頓拉夫遜法[4]及最優(yōu)乘子法[5]等。既能進(jìn)行輻射網(wǎng)的潮流計算，也能進(jìn)行環(huán)網(wǎng)的潮流計算。對于配電網(wǎng)絡(luò)，由于饋線的R/X值一般較大，應(yīng)用快速分解法進(jìn)行潮流計算時可能遇到困難。對于輻射型配電網(wǎng)的潮流計算，前推回代法因其原理簡單、算法實現(xiàn)方便，收斂性好等原因得到了廣泛的應(yīng)用。對于出現(xiàn)環(huán)網(wǎng)運(yùn)行的情況，采用前推回代法進(jìn)行潮流計算將遇到困難，可采用牛頓拉夫遜法或最優(yōu)乘子法進(jìn)行潮流計算。潮流計算流程如圖1所示。

圖1 潮流計算流程圖

而配電網(wǎng)較之主網(wǎng)而言具有以下特點：配電網(wǎng)設(shè)計及實際運(yùn)行為開環(huán)、以輻射型網(wǎng)絡(luò)或少網(wǎng)孔型網(wǎng)絡(luò)為主、電壓等級低、容量有限、節(jié)點間距離短、低電壓配電網(wǎng)線路電阻較大不滿足R＜＜X。根據(jù)配電網(wǎng)的特點綜合比較各算法的優(yōu)劣，考慮現(xiàn)有潮流計算模塊所采用算法，決定采用牛頓—拉夫遜算法和稀疏向量矩陣技術(shù)[6，7]進(jìn)行潮流計算開發(fā)。牛頓—拉夫遜法也廣泛地應(yīng)用于主網(wǎng)的潮流計算軟件中，他對復(fù)雜電網(wǎng)的處理能力，優(yōu)于其他算法，牛頓—拉夫遜算法可直接處理雙電源狀態(tài)，不需另寫代碼加以處理，該算法是二階收斂又對初值較為敏感影響其收斂速度 （但可采用牛頓法和其他簡單迭代相結(jié)合的方法加以解決）。

調(diào)度員潮流所需要的已知量包括每條母線上的有功無功量測、PV節(jié)點和平衡節(jié)點上的電壓量測。求出每條母線上的電壓和相角，從而進(jìn)一步確定出系統(tǒng)中的有功無功電流分布情況。計算步驟：（1）通過拓?fù)浞治龃_定系統(tǒng)中的電氣島個數(shù)；（2）在每個電氣島內(nèi)，進(jìn)行操作；（3）尋找出此電氣島中的所有設(shè)備；（4）對母線按照出現(xiàn)度的大小進(jìn)行排序；（5）形成此電氣島的導(dǎo)納矩陣；（6）形成此電氣島的節(jié)點注入功率；（7）計算雅克比矩陣，根據(jù)功率偏差計算電壓和相角的修正量；（8） 返回第（7）步，直至計算收斂或者發(fā)散；（9） 計算收斂以后，計算系統(tǒng)中的潮流分布情況，統(tǒng)計越限信息，以及網(wǎng)損信息。

4 案例分析

本案例以某供電公司開發(fā)變221相關(guān)電氣島進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，該電氣島簡化等值計算電路圖如圖2所示。負(fù)荷校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)補(bǔ)全分析結(jié)果如表1所示。該電氣島潮流計算結(jié)果如表2所示。

圖2 電氣島簡化等值計算電路圖

表1 配電網(wǎng)負(fù)荷功率分配表

表2 線路潮流計算分布表

由表2可知，對沒有量測的配電網(wǎng)負(fù)荷首先進(jìn)行合理的量測分配，并對分配的量測進(jìn)行校驗。然后進(jìn)行配電網(wǎng)潮流計算分析，部分沒有量測的開關(guān)通過潮流計算后進(jìn)行了量測補(bǔ)全。

4.1 配電網(wǎng)潮流誤差分析

影響配電網(wǎng)潮流的誤差因素主要有：（1）模型建立不完整，線路中沒有改造的環(huán)網(wǎng)柜沒有建立模型，或者新建的并且已經(jīng)投運(yùn)的負(fù)荷沒有進(jìn)行模型更新。（2）部分環(huán)網(wǎng)柜沒有采集到開關(guān)狀態(tài)，需要人工對開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，而錯誤的人工置位導(dǎo)致拓?fù)渌阉麇e誤。（3）饋線部分開關(guān)站或者環(huán)網(wǎng)柜量測不可觀察性，無法對負(fù)荷進(jìn)行量測分配。分配的偽量測導(dǎo)致潮流計算存在誤差。（4）配電網(wǎng)變壓器量測非實時性及不完整性。（5）線路狀態(tài)估計不收斂或者無法進(jìn)行狀態(tài)估計。（6）饋線只有極少部分開關(guān)采集實時量測，絕大部分開關(guān)沒有采集量測數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

由于配電自動化系統(tǒng)在配變終端覆蓋率低，缺少完整實時的配變量測，將用電信息采集系統(tǒng)讀取到的電度表的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線轉(zhuǎn)發(fā)到配電自動化系統(tǒng)，利用實時較為準(zhǔn)確的線路開關(guān)的量測來校驗用電信息的負(fù)荷量測數(shù)據(jù)，對缺少的配變量測通過拓?fù)浞治?，利用開關(guān)的量測進(jìn)行補(bǔ)全，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一次配電網(wǎng)潮流計算。為了提高計算的準(zhǔn)確性，也可以采用了將與配變直接相連的負(fù)荷開關(guān)上的量值等值處理為配變的量測，而負(fù)荷開關(guān)的量測比較準(zhǔn)確實時，通過等值處理后，潮流計算和的準(zhǔn)確度就有了較大的提高。但是當(dāng)部分負(fù)荷開關(guān)沒有安裝終端采集到量測，或者通信等原因?qū)е铝繙y不變化，那么這部分線路就成為不可觀察點無法計算，就只能將整條線路或者環(huán)網(wǎng)柜等值處理成為一個負(fù)荷以保證全網(wǎng)潮流計算的準(zhǔn)確性。

利用拓?fù)渌阉髟?，結(jié)合用電信息和典型負(fù)荷特性的配電網(wǎng)狀態(tài)分析進(jìn)行負(fù)荷校驗和負(fù)荷補(bǔ)全，或者負(fù)荷等值處理，進(jìn)行潮流計算。利用最優(yōu)乘子法，結(jié)合配電網(wǎng)輻射網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采取分塊稀疏矩陣技術(shù)，既保證了潮流計算收斂，又保證了計算快速準(zhǔn)確性，滿足了實際工程的需要。

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