裴星宇,梁志鵬,彭顯剛,翁奕珊

(1. 廣東電網(wǎng)有限責任公司珠海供電局,廣東 珠海 519000;2.廣東工業(yè)大學 自動化學院,廣州 510006)

?

基于公共信息模型拓撲收縮的合環(huán)電流計算方法

裴星宇1,梁志鵬2,彭顯剛2,翁奕珊1

(1. 廣東電網(wǎng)有限責任公司珠海供電局,廣東 珠海 519000;2.廣東工業(yè)大學 自動化學院,廣州 510006)

針對目前離線的合環(huán)研究缺乏時效性的問題,提出了一種配電網(wǎng)在線合環(huán)電流計算方法,即利用主網(wǎng)公共信息模型(CIM)數(shù)據(jù)和SCADA系統(tǒng)實時數(shù)據(jù),對主網(wǎng)進行實時拓撲分析,實現(xiàn)節(jié)點歸并、網(wǎng)絡收縮,形成一個實時環(huán)網(wǎng)計算模型。同時,以該模型為基礎(chǔ),采用狀態(tài)估計方法,解決實時數(shù)據(jù)量測誤差影響合環(huán)母線電壓相角計算精度的問題。經(jīng)案例應用驗證,該方法準確、有效,且為地區(qū)電網(wǎng)在線合環(huán)輔助決策系統(tǒng)的開發(fā)提供了理論依據(jù)。

CIM模型; 開關(guān)狀態(tài); 狀態(tài)估計; 合環(huán)電流

國內(nèi)城市電網(wǎng)主要采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)、開環(huán)運行的方式[1]。當線路需要檢修或發(fā)生故障時,為了保證供電可靠性,需要進行帶電合環(huán)操作實現(xiàn)負荷轉(zhuǎn)移。

目前對配電網(wǎng)帶電合環(huán)操作的研究主要分為離線合環(huán)研究和在線合環(huán)研究。文獻[2-5]主要介紹了離線狀態(tài)下的合環(huán)研究,其研究成果為電力部門合環(huán)操作提供了參考依據(jù),但是由于離線合環(huán)計算需要運行操作人員手工操作,缺乏時效性,無法反映電網(wǎng)實時運行狀態(tài),其計算結(jié)果實用性較為局限。因此基于CIM模型的在線合環(huán)電流計算方法研究則成為當前合環(huán)研究的重點。文獻[6]詳細闡述了基于CIM 模型的拓撲分析的過程。文獻[7]提出了一種基于CIM模型拓撲收縮的方法。文獻[8-9]介紹了基于CIM模型的合環(huán)軟件的設(shè)計方案。但這些基于CIM模型的拓撲分析方法和方案并沒有應用于實際工程中。因此,本文提出一種在線合環(huán)電流計算方法,該方法利用CIM模型的網(wǎng)絡拓撲關(guān)系,結(jié)合SCADA系統(tǒng)提供的在線開關(guān)遙信狀態(tài),對合環(huán)母線兩側(cè)的網(wǎng)絡進行動態(tài)拓撲分析,并對復雜的CIM模型進行拓撲收縮,形成一個實用的實時環(huán)網(wǎng)計算模型。同時,針對SCADA系統(tǒng)提供的實時數(shù)據(jù)存在量測誤差且個別環(huán)網(wǎng)設(shè)備實時數(shù)據(jù)缺失的問題,采用狀態(tài)估計的方法進行合環(huán)母線電壓相角計算,從而實現(xiàn)實時的環(huán)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)電流計算。

1 CIM模型簡介

公共信息模型描述了電力系統(tǒng)生產(chǎn)過程涉及到的各類對象,并用對象類和屬性及其之間的關(guān)系來描述電力系統(tǒng)資源[10]。各類之間通過簡單關(guān)聯(lián)、泛化和聚合相互聯(lián)系在一起[11]。CIM模型中的電網(wǎng)對象模型，主要包括電力設(shè)備模型、連接關(guān)系模型。電力設(shè)備模型是指電力網(wǎng)絡中的一次元件模型,包括線路、母線、變壓器等，所有的設(shè)備實體類均繼承于設(shè)備類。連接關(guān)系模型由CIM模型中定義的端點和連接點模型來表示。導電設(shè)備具有不同數(shù)量的端點,例如線路和開關(guān)有兩個端點,而發(fā)電機和變壓器繞組只有一個端點。連接節(jié)點是指這些節(jié)點上的導電設(shè)備的端點通過零阻抗連接在一起的節(jié)點。一個連接節(jié)點可以連接幾個端點,但是跟導電設(shè)備沒有直接連接關(guān)系。CIM模型的這種導電設(shè)備類與端點、連接點之間的連接關(guān)系構(gòu)成了設(shè)備之間的電氣連接關(guān)系。簡單電力網(wǎng)絡的CIM模型如圖1所示。

圖1 簡單電力網(wǎng)絡的CIM模型

從CIM模型的解析結(jié)果可以看出,根據(jù)各對象類的屬性及之間的關(guān)系,可以通過其“設(shè)備——端點——連接點——端點——設(shè)備”的電氣連接關(guān)系,將其轉(zhuǎn)化為物理模型。

2 基于在線開關(guān)狀態(tài)的網(wǎng)絡拓撲收縮

在基于CIM模型的配電網(wǎng)合環(huán)操作的研究中,由于電網(wǎng)CIM模型數(shù)據(jù)量大,因此在對合環(huán)網(wǎng)絡進行拓撲搜索的過程中,需對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行簡化處理。本文提出的基于在線開關(guān)狀態(tài)的網(wǎng)絡拓撲收縮方法是利用基于IEC61970標準的CIM模型數(shù)據(jù),結(jié)合SCADA系統(tǒng)提供的開關(guān)位狀態(tài)信息,通過深度優(yōu)先算法進行合環(huán)網(wǎng)絡動態(tài)拓撲收縮[12-13]。實現(xiàn)實時網(wǎng)絡拓撲收縮的具體步驟如下:

1) 以電源為基本單位,分別進行拓撲分析,即以未遍歷的電源點作為遍歷起點。

2) 根據(jù)CIM模型中的連接關(guān)系模型,從電源端點出發(fā)搜索端點所屬的連接節(jié)點,然后根據(jù)連接節(jié)點搜索連接節(jié)點連接的所有端點,即可找到相連的導電設(shè)備,根據(jù)此方法采用深度優(yōu)先算法進行搜索。

3) 當遍歷到開關(guān)設(shè)備時,判斷開關(guān)的狀態(tài)。若開關(guān)閉合,則將閉合的開關(guān)設(shè)備刪除,并以開關(guān)的另外一個端點為起點進行遍歷,直到搜索到非零阻抗元件,此處形成一個拓撲節(jié)點;若開關(guān)斷開,則此處為開路,按照深度優(yōu)先算法進行退棧操作。

4) 若遇到閉合開關(guān)設(shè)備兩側(cè)端點所屬的連接節(jié)點都與母線連接,則兩條母線直接相連,并將其合并,既刪除其中一條母線。

5) 若遍歷到一個未記錄(未遍歷)的連接節(jié)點,此連接節(jié)點能搜到導電設(shè)備,則形成新的拓撲節(jié)點,并按照步驟2)、3)、4)進行拓撲收縮。

6) 查看是否還有未遍歷的電源,若全部記錄,則拓撲收縮完成,否則,返回步驟1)。

根據(jù)上述步驟對圖1所示的簡單電力網(wǎng)絡進行網(wǎng)絡拓撲收縮,假設(shè)開關(guān)BR4斷開,其余開關(guān)全部閉合,則其拓撲收縮結(jié)果如圖2所示。

圖2 簡單電力網(wǎng)絡簡化模型

Fig.2 Simplified model of simple electric power network

由圖2,可以看出,母線聯(lián)絡開關(guān)BR6為閉合狀態(tài),所以母線BS2和BS3合并為一條母線BS23;開關(guān)BR4斷開,變壓器T1低壓側(cè)開路,無法搜到母線BS2,母線BS2與BS3合并,其輸出由變壓器T2轉(zhuǎn)供。通過此方法進行網(wǎng)絡拓撲收縮,不僅可以簡化網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu),還可以根據(jù)實時的開關(guān)狀態(tài)建立與實際電網(wǎng)運行狀態(tài)相符的計算模型。

3 拓撲收縮方法在實時合環(huán)計算中的應用

將基于在線開關(guān)狀態(tài)的拓撲收縮應用于合環(huán)網(wǎng)絡的搜索,形成由母線、線路、變壓器、負荷節(jié)點組成的合環(huán)計算模型,然后對實時合環(huán)網(wǎng)絡進行狀態(tài)估計并計算合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流。配電網(wǎng)在線合環(huán)電流計算整體流程如圖3所示。

圖3 整體流程圖

3.1 合環(huán)母線電壓計算

在電力網(wǎng)架進行拓撲收縮以后,形成的簡化網(wǎng)架可以直接進行研究和計算。但是在對配電網(wǎng)實時合環(huán)電流計算的研究中,考慮SCADA系統(tǒng)的量測誤差和個別環(huán)網(wǎng)設(shè)備實時數(shù)據(jù)的缺失,本文通過狀態(tài)估計的方法對合環(huán)母線電壓相角進行計算。

基于CIM模型進行拓撲收縮形成的合環(huán)網(wǎng)絡,其主網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要包括兩部分:通過網(wǎng)絡拓撲收縮形成的兩側(cè)10 kV母線到220 kV母線之間的輻射型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu);由兩側(cè)220 kV母線拓撲收縮形成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。將主網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的220 kV以下電壓等級的輻射型網(wǎng)絡部分稱為內(nèi)網(wǎng),220 kV以上電壓等級的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)稱為外網(wǎng)。其中,內(nèi)網(wǎng)部分各段的等效阻抗可以根據(jù)網(wǎng)絡拓撲過程中搜索到的CIM模型中的設(shè)備類參數(shù)進行計算。因而,外網(wǎng)部分的等值計算是狀態(tài)估計的關(guān)鍵。本文將通過Ward等值法對220 kV電壓等級以上的外網(wǎng)進行等值[14-15]。多端口Ward等值網(wǎng)絡如圖4所示。

圖4 外網(wǎng)Ward等值模型

通過拓撲收縮、等值形成的環(huán)網(wǎng)可視為一個小型的電力系統(tǒng)。鑒于最小二乘法狀態(tài)估計[16-17]的基本算法可以直接用于較小的電力系統(tǒng),在給定量測系統(tǒng)、支路參數(shù)和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的條件下,其非線性量測方程可表示為

z=h(x)+u

(1)

式中,z為m維量測向量;x為n維狀態(tài)變量向量;u為m維量測誤差向量,其服從正態(tài)分布。

電力系統(tǒng)狀態(tài)估計中的量測量主要包括節(jié)點電壓幅值、支路功率、節(jié)點注入功率等。本文將SCADA系統(tǒng)獲得環(huán)網(wǎng)等值模型中量測設(shè)備的實時遙測數(shù)據(jù),作為系統(tǒng)的量測量,其量測值可表示為

z=[V1P1Q1P12Q12…VmPmQmPmnQmn]T

(2)

式中,Vm為節(jié)點電壓幅值量測值,Pm、Qm分別為節(jié)點注入有功功率和注入無功功率,Pmn、Qmn分別為支路有功功率和無功功率。

將節(jié)點電壓幅值和相角作為狀態(tài)變量,其算術(shù)表達式為

x=[V1θ1V2θ2…Vnθn]T

(3)

(4)

J(x)=[z-h(x)]TR-1[z-h(x)]

(5)

一般來說,量測函數(shù)h(x)為非線性函數(shù)。因此通過牛頓法可以得到狀態(tài)修正方程,即

(6)

(7)

式中,H(x)為m*n階量測矢量的雅克比矩陣。

按照式(6)對狀態(tài)量x進行迭代修正,以式(8)為收斂依據(jù),不斷迭代直到滿足收斂條件。

(8)

3.2 穩(wěn)態(tài)電流計算

配電網(wǎng)合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流主要包括合環(huán)前輻射型網(wǎng)絡的饋線電流和合環(huán)后形成的環(huán)流,其中合環(huán)環(huán)流的計算是合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流計算的重點。合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流計算模型如圖5所示。

I10和I20——合環(huán)點兩側(cè)饋線初始電流;VL1和VL2——合環(huán)點兩側(cè)的電壓。

合環(huán)開關(guān)兩側(cè)電壓差引起的環(huán)流為

(9)

合環(huán)后流經(jīng)饋線1的穩(wěn)態(tài)電流為

(10)

合環(huán)后流經(jīng)饋線2的穩(wěn)態(tài)電流為

(11)

4 應用實例

本文以廣東省某市港北站黃茅海線F16饋線與南化站南水線F6饋線的合環(huán)聯(lián)絡開關(guān)的合環(huán)操作為例進行計算,其合環(huán)電流計算的系統(tǒng)流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)流程圖

從圖6可以看出,當選定合環(huán)開關(guān)后,系統(tǒng)將根據(jù)本文提出的合環(huán)電流計算方法,通過在線環(huán)網(wǎng)拓撲收縮、合環(huán)網(wǎng)絡等值、合環(huán)母線電壓計算、合環(huán)電流計算等步驟,實現(xiàn)合環(huán)饋線實時穩(wěn)態(tài)電流的準確計算,并生成實時環(huán)網(wǎng)拓撲圖，如圖7所示。

圖7 環(huán)網(wǎng)拓撲圖

Fig.7 Topology architecture of ring network

根據(jù)從主網(wǎng)SCADA系統(tǒng)中讀取的電網(wǎng)實時遙測數(shù)據(jù),通過環(huán)網(wǎng)等值模型進行狀態(tài)估計,其計算結(jié)果如表1所示。

表1 狀態(tài)估計結(jié)果

從表1可以看到,節(jié)點3電壓數(shù)據(jù)缺失;節(jié)點5為港北站黃茅海線F16的10 kV母線節(jié)點,其母線電壓幅值和相角分別為10.6008 kV和-3.0165°;節(jié)點6為南化站南水線F6的10 kV母線節(jié)點,其母線電壓幅值和相角分別為10.52 kV和-4.133°。合環(huán)電流計算結(jié)果如表2所示。

表2 合環(huán)電流計算結(jié)果

由計算結(jié)果可以看出,由于合環(huán)開關(guān)兩側(cè)電壓差引起的環(huán)流使南化站南水線F6饋線的穩(wěn)態(tài)電流從215.53A增加到270.39A,增加了25.5%((穩(wěn)態(tài)電流-初始電流)/初始電流=(270.39-215.53)/215.53=25.5%),但是合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流沒有超過電流保護整定值,因此可以進行合環(huán)操作。

5 結(jié) 語

本文提出的利用主網(wǎng)CIM模型和SCADA系統(tǒng)遙信開關(guān)狀態(tài)進行實時拓撲收縮的方法,經(jīng)案例應用驗證,該方法能有效地利用SCADA系統(tǒng)提供在線遙測、遙信數(shù)據(jù),其形成的動態(tài)模型真實地反應了合環(huán)電流計算時間點的實際環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu);而且對實時網(wǎng)絡進行狀態(tài)估計,既可以對不良遙測數(shù)據(jù)進行修正,實現(xiàn)合環(huán)母線電壓相角的計算,又降低了由于不良數(shù)據(jù)造成的計算誤差。

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(責任編輯 郭金光,王瑩瑩)

Method for closed loop current calculation based on CIM topological contraction

PEI Xingyu1, LIANG Zhipeng2, PENG Xiangang2, WENG Yishan1

(1. Zhuhai Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corporation, Zhuhai 519000, China; 2. School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Aiming at the lack of timeliness for the offline study on closed loop current, this paper proposed a kind of on-line method for closed loop current calculation for distribution networks. It was a method that carried out real-time topology analysis of the higher grid, based on the data from CIM and SCADA, to achieve node merge and network contraction and got a ring network real-time calculation model. Based on the ring network real-time calculation model, at the meantime, it adopted the method of state estimation to solve the influence of real-time data measurement error on the calculation accuracy of closed loop bus voltage phase angle. The example analysis proves the accuracy and effectiveness, which provide theoretical evidence for the development of regional power grid on-line closed loop auxiliary decision system.

CIM model; switch information; state estimation; closed loop current

2015-09-17。

中國南方電網(wǎng)公司科技項目 (K-GD2014-0891)。

裴星宇(1982—),男,工程師,主要從事電力系統(tǒng)運行分析與控制研究工作。

TM727.2

A

2095-6843(2016)01-0006-05