馬洲俊，王 勇，朱 紅，徐青山

(1.國網(wǎng)南京供電公司，江蘇南京210019；2.東南大學電氣工程學院，江蘇南京210096)

源網(wǎng)荷不對稱的配電網(wǎng)全三相仿真方法

馬洲俊1，王 勇1，朱 紅1，徐青山2

(1.國網(wǎng)南京供電公司，江蘇南京210019；2.東南大學電氣工程學院，江蘇南京210096)

智能配電網(wǎng)日趨靈活、可靠、高效和多變，源網(wǎng)荷三重強不對稱性日趨凸顯，傳統(tǒng)經(jīng)驗型調(diào)度無法實現(xiàn)對智能配電網(wǎng)運行狀態(tài)和發(fā)展趨勢全面管控。文中首先提出了源網(wǎng)荷不對稱下的配電網(wǎng)全三相運行仿真技術(shù)的總體構(gòu)架；其次在構(gòu)建智能配電網(wǎng)關(guān)鍵元件全三相模型的基礎上，依托全三相潮流計算，進行全三相節(jié)點電壓短路計算和暫/穩(wěn)態(tài)仿真技術(shù)研究；最后開發(fā)基于OPEN3200系統(tǒng)的運行仿真平臺，并在南京河西新城示范區(qū)成功應用，驗證了所提方法的合理性、有效性。

智能配電網(wǎng)；源網(wǎng)荷；全三相運行仿真技術(shù)；三相潮流；穩(wěn)/暫態(tài)仿真

智能電網(wǎng)是未來電網(wǎng)發(fā)展的趨勢，城市交直流多端接入、分布式電源大規(guī)模并網(wǎng)、主動配電網(wǎng)帶來能量雙向流動等，使得配電網(wǎng)中能源消耗者和提供者并存[1]。配電網(wǎng)能源互聯(lián)網(wǎng)化要求未來配電系統(tǒng)更加靈活和高效，分布式電源和儲能等新型配電網(wǎng)設備即插即用；能量與信息以能量信息流的方式在能源路由器間儲存轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)電能雙向按需傳輸和動態(tài)平衡[2]。與輸電網(wǎng)不同，配電網(wǎng)諸多特殊之處，包括不存在大型同步旋轉(zhuǎn)元件，因此無功角穩(wěn)定問題；電壓等級較低，饋線長度和輸送容量一般都遠遠小于輸電線路；配電網(wǎng)中含有大量缺相和不對稱情況。

目前，國內(nèi)外在智能配電網(wǎng)領(lǐng)域開展大量研究工作集中在以下幾個方面[3-5]：調(diào)度自動化鼻祖Dyliacco提出利用“智能調(diào)度機器人”實現(xiàn)傳統(tǒng)調(diào)度規(guī)則在線運行，通過精細化調(diào)控提升電網(wǎng)輸電能力；美國PJM提出先進電網(wǎng)控制中心和完美調(diào)度等理念，探索在完全電力市場化條件下電網(wǎng)滾動規(guī)劃和電網(wǎng)實時潮流控制；國內(nèi)張伯明等提出采用云計算技術(shù)搭建時間、空間和控制目標三維協(xié)調(diào)新一代EMS系統(tǒng)，實現(xiàn)對于全局協(xié)調(diào)優(yōu)化后電網(wǎng)系統(tǒng)閉環(huán)控制。但在電網(wǎng)公司，配電網(wǎng)運行仿真研究較少，尤其是適應源網(wǎng)荷強三重不對稱的智能配電網(wǎng)全三相運行仿真的研究仍為空白。國內(nèi)供電部門使用的OPEN3200系統(tǒng)中針對配電網(wǎng)的運行管理的軟件模塊是配電網(wǎng)自動化子系統(tǒng)，實時數(shù)據(jù)均為單相檢測值，不具備三相潮流計算、穩(wěn)定分析等功能，導致現(xiàn)有配電網(wǎng)調(diào)度控制缺乏有效準確的仿真參考，無法實現(xiàn)對智能配電網(wǎng)運行狀態(tài)和發(fā)展趨勢全面管控。

1 全三相運行仿真技術(shù)總體構(gòu)架

配電網(wǎng)三相負荷不對稱、網(wǎng)絡不對稱、用戶側(cè)分布式電源大多單相接入使得配電網(wǎng)形成了源網(wǎng)荷的三重不對稱，在此情況下配電網(wǎng)潮流、短路電流計算等將發(fā)生變化，本文提出源網(wǎng)荷不對稱下智能配電網(wǎng)全三相運行仿真技術(shù)的總體構(gòu)架，實現(xiàn)對智能配電網(wǎng)運行狀態(tài)的精細化把控，如圖1所示。

2 機理分析及配網(wǎng)關(guān)鍵元件三相建模

智能配電網(wǎng)建設加速建設導致傳統(tǒng)配電網(wǎng)負荷的不平衡性、網(wǎng)絡參數(shù)及運行的不對稱性變得日益突出。配電網(wǎng)大量分布式電源單/三相接入配電網(wǎng)、無源配電網(wǎng)變?yōu)橛性磁潆娋W(wǎng)，傳統(tǒng)三相對稱的配電網(wǎng)電源變?yōu)椴粚ΨQ電源，形成源網(wǎng)荷三重不對稱中的 “源不對稱”。其次配電網(wǎng)不同于輸電網(wǎng)，配電網(wǎng)線路不存在三相輪轉(zhuǎn)換位，同時不同接線方式下的配電網(wǎng)三繞組變壓器的阻抗具有不對稱性，形成源網(wǎng)荷三重不對稱中的“網(wǎng)不對稱”。最后配電網(wǎng)靠近負荷中心，大多用電采用單相供電方式，使得配電網(wǎng)存在著單相/兩相/三相線路供電形式共存的現(xiàn)象，這就形成源網(wǎng)荷三重不對稱中的“荷不對稱”。

2.1 變壓器全三相仿真模型

配電網(wǎng)三相不平衡潮流計算、三相短路電流計算已經(jīng)無法采用輸電網(wǎng)的單相變壓器模型，因此需要考慮變壓器不同接線方式（包括接地方式等）帶來的相位偏移問題和變壓器抽頭位置變化導致的非標準變比問題[6，7]，建立全三相配變模型。無連接組別變壓器模型如圖2所示。其相應的繞組阻抗為：

在式（1）中，YT0是6階方陣，而且所有參數(shù)都可以通過按自導納與互導納定義進行變壓器短路測試實驗得到，考慮節(jié)點導納矩陣的對稱性，再根據(jù)耦合的對稱性以及變壓器三相之間的近似對稱性，YT0形式可以表示為：

圖1 源網(wǎng)荷不對稱下的智能配電網(wǎng)全三相運行仿真技術(shù)總體構(gòu)架圖

圖2 無連接組別三相變壓器模型

式（2）中：y1為一次繞組自導納；y2為二次繞組自導納；-y12為一次、二次繞組同相之間互導納；-y1m為一次繞組各相之間互導納；-y2m為二次繞組各相之間互導納；-y12m為一次/二次繞組不同相之間互導納。

考慮變壓器不同接線組別及連接方式，先根據(jù)上述無任何接線組別方式下變壓器導納參數(shù)矩陣，再根據(jù)某種接線方式畫出變壓器接線示意圖，通過接線圖寫出各節(jié)點電壓與線圈支路電壓間的關(guān)系、各節(jié)點電流與線圈支路電流之間的關(guān)系式，便可得到相應模型。

2.2 線路全三相仿真模型

配電線路模型大多采用三相π型等值電路，如圖3所示。對于短線路，為簡化計算可以忽略配電線路的對地并聯(lián)導納，但對于長的輻射型線路，對地并聯(lián)導納不能忽略[7-9]。

圖3 配電線路三相模型

式（3）中：Zk=

2.3 負荷模型

配電網(wǎng)中負荷由于大部分為居民負荷且單相接入，且配電網(wǎng)三相負荷的接線方式可能是星型接線也可能是角型接線，其中缺相負荷一般采用星型接線方式。目前負荷靜態(tài)模型大多采用ZIP模型。常用的負荷動態(tài)模型為考慮感應電動機機械暫態(tài)過程和機電暫態(tài)過程的負荷動態(tài)模型。本文采用的負荷暫態(tài)模型為恒阻抗負荷、恒功率負荷和異步電動機負荷按一定比例組合成的綜合模型。

2.4 分布式電源暫穩(wěn)態(tài)仿真建模

隨著多類型分布式電源的接入，新型配電網(wǎng)出現(xiàn)了除Vθ節(jié)點和PQ節(jié)點外其他新的節(jié)點類型，像PV，PI，PQ（V）。不同接口及運行方式下分布式電源穩(wěn)態(tài)模型如表1所示。準確的分布式電源穩(wěn)態(tài)模型需要根據(jù)其向網(wǎng)絡注入有功和無功的大小及注入方式等最終運行情況來確定[8-11]。

表1 不同接口分布式電源的穩(wěn)態(tài)模型

3 智能配電網(wǎng)全三相運行仿真關(guān)鍵技術(shù)

3.1 全三相潮流計算功能

傳統(tǒng)配電網(wǎng)研究最多的潮流算法主要分為2類：一是適應規(guī)模大且結(jié)構(gòu)為輻射狀配電網(wǎng)的改進型牛頓拉夫遜法潮流算法，二是適合求解配電網(wǎng)存在的弱環(huán)、多PV節(jié)點問題而不斷改進的的前推回代法潮流計算方法[8-10]。

如果配電網(wǎng)中不含弱環(huán)、不含PV節(jié)點，則采用三相前推回代潮流算法；否則采用通用三相牛拉法，如果三相牛拉法沒有收斂，采用“單相前推回代+三相牛拉法”，潮流計算流程圖如圖4所示。

3.2 基于矩陣變換的三相短路計算方法

傳統(tǒng)對稱分量法計算短路電流在本文計算過程中遇到了無法跨越的瓶頸，配電網(wǎng)通常環(huán)型結(jié)構(gòu)設計、開環(huán)方式運行，支路參數(shù)R/X的比值較大；單相負荷、主干饋線上的單相和兩相“輻射狀支線”以及不相等的三相負荷同時存在；中性點非有效接地，使得傳統(tǒng)的對稱分量法不再適合于配電網(wǎng)的短路電流計算，這些都直接導致對稱分量法解耦失效[9，10]。因此，配電網(wǎng)短路計算必須采用abc全耦合模型。

短路情況下電壓不能維持在正常水平，所以負荷并不能按潮流計算時的方法處理，采用計算負荷的等值阻抗，其中U為潮流計算得到的電壓，S為負荷參數(shù)P+jQ。將得到的阻抗值并入節(jié)點導納矩陣Ykk=此時除平衡節(jié)點外各節(jié)點將不存在負荷，即各節(jié)點的注入電流均為0，新的網(wǎng)絡方程為：

其中，節(jié)點導納矩陣為恒阻抗并入網(wǎng)絡后的新的節(jié)點導納矩陣；左側(cè)只有平衡節(jié)點注入電流I1a，I1b，I1c是未知量，其余均為0；右側(cè)電壓矩陣中除了平衡節(jié)點電壓U1a，U1b，U1c是已知量，其余均為未知量。

發(fā)生短路故障時，節(jié)點導納矩陣不變，只改變網(wǎng)絡邊界條件，只要方程個數(shù)等于未知量個數(shù)，便可通過矩陣變換進行求解，計算流程如圖5所示。

圖5 三相短路計算流程圖

3.3 暫/穩(wěn)態(tài)運行仿真方法

配電網(wǎng)中各元件模型、網(wǎng)絡模型以及二者之間的接口模型構(gòu)成全配電網(wǎng)的數(shù)學模型，其運行問題任何時刻都可以看作滿足一組聯(lián)立的微分方程組和代數(shù)方程組的數(shù)學問題[11，12]，其靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析如圖6所示。

圖6 靜態(tài)電壓穩(wěn)定算法流程圖

在配電網(wǎng)三相潮流的基礎上，結(jié)合給定參數(shù)求解各代數(shù)量、狀態(tài)量初值，將各負荷、分布式電源中能夠并入網(wǎng)絡的恒阻抗部分并入網(wǎng)絡，繼而在初值和新網(wǎng)絡基礎上不斷求解代數(shù)方程和微分方程，遇到故障和操作時，作網(wǎng)絡修改或變量增減處理，并進行代數(shù)量躍變計算，仿真一直到給定時間界限結(jié)束[9]，暫態(tài)仿真一般過程如圖7所示。

圖7 配電網(wǎng)暫態(tài)仿真一般過程

4 離線/在線運行仿真平臺開發(fā)

基于上述章節(jié)的理論和關(guān)鍵技術(shù)研究，開發(fā)了智能配電網(wǎng)離線/在線運行仿真平臺并實現(xiàn)了與傳統(tǒng)配電自動化系統(tǒng)無縫對接。在平臺的基礎支撐層，元件模型參考標準CIM模型，采用構(gòu)建的全三相模型；數(shù)據(jù)庫設計完成仿真平臺數(shù)據(jù)的存儲與展現(xiàn)，利用XML文件進行數(shù)據(jù)處理；高級應用層，拓撲檢測完成從仿真平臺獲取網(wǎng)絡參數(shù)，仿真計算包括潮流計算、靜態(tài)電壓穩(wěn)定計算、短路計算以及時域仿真計算，且均為全三相算法；用戶交互層，提供人機交互方式；數(shù)據(jù)訪問實現(xiàn)了配電自動化系統(tǒng)與本仿真平臺的數(shù)據(jù)交互。整體平臺架構(gòu)如圖8所示。仿真平臺具備離線和在線仿真功能，具體實現(xiàn)方式如圖9所示。

圖8 仿真平臺整體架構(gòu)

圖9 仿真平臺功能實現(xiàn)

仿真平臺基于QT平臺開發(fā)，完全采用面向?qū)ο蠹軜?gòu)設計，各個元件、UI文件、算法模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊之間完全解耦，彼此之間通過成員函數(shù)的方式進行通訊和信息交換。電力系統(tǒng)元件基于CIM模型構(gòu)建，其他模塊之間設計了一整套完整、高效、易于維護和擴展的結(jié)構(gòu)體系。

5 工程實踐

依托南京河西智能配電網(wǎng)精細化調(diào)度示范工程進行了研發(fā)平臺的示范應用。試點范圍內(nèi)共有饋線110余條，線路長度約540 km，最大負荷功率約為900 MW，轄區(qū)范圍內(nèi)分布著光伏和風光儲等分布式電源7個，總功率5000 kW。以南京河西新城中勝變和雙閘變?yōu)槔?，展示平臺運行仿真情況。對該網(wǎng)絡進行潮流計算得到電網(wǎng)的各節(jié)點三相電壓，如圖10所示。

圖10 潮流計算節(jié)點三相電壓

短路故障設置在和府奧園2號線，0.1 s時發(fā)生ab兩相接地短路，仿真總時間0.5 s，結(jié)果如圖11所示。

圖11 短路點對地三相電流

通過模擬網(wǎng)絡短路故障，計算短路發(fā)生后的電網(wǎng)的“未來態(tài)”，根據(jù)配電網(wǎng)的不同“現(xiàn)在態(tài)”制定與之相適應的故障處理策略。設置場景為0.2 s時將分布式電源PV2接入節(jié)點8，1.5 s時切除分布式電源PV3，分布式電源PV2和PV3的有功出力均為1000 kW，無功為0。PV2和PV3的有功無功曲線以及周圍節(jié)點的電壓曲線如圖12、圖13所示。

圖12 分布式電源接入點有功無功曲線

可見分布式電源接入或者切除對于配電網(wǎng)三相造成了不同程度的影響。通過對分布式電源的接入涉及暫態(tài)穩(wěn)定性研究可以確定其是否可以投切。當PV3的有功功率從1000 kW上升到2000 kW，中勝變網(wǎng)絡節(jié)點三相電壓普遍不同程度升高，支路潮流有所減少。通過仿真計算，可精確分析分布式電源接入后對配電網(wǎng)三相的影響，從而合理設置分布式電源出力，尋求較為合適的接入容量、相別和地點。

圖13 距離分布式電源接入點不同位置處電壓

平臺根據(jù)迎峰度夏及特殊運行方式，合理安排停電計劃173項，調(diào)整運行方式76次，根據(jù)電網(wǎng)的“現(xiàn)在態(tài)”和“未來態(tài)”對源網(wǎng)荷不對稱情況下配電網(wǎng)重載、故障等異常情況進行運行仿真，對快速診斷處理各類異常及惡劣天氣條件下的突發(fā)故障具有很好的輔助作用，平均縮短故障處理時間15～20 min。

6 結(jié)束語

本文在分析源網(wǎng)荷不對稱機理基礎上，通過數(shù)學和電路理論分析得出對稱分量法無法適用于網(wǎng)絡不對稱的配電網(wǎng)，然后研究了建立配電網(wǎng)關(guān)鍵元件全三相模型的一般性建模思路。結(jié)合本文所提的源網(wǎng)荷不對稱下配電網(wǎng)全三相運行仿真技術(shù)總體構(gòu)架，研究了配電網(wǎng)全三相潮流計算和節(jié)點電壓短路計算以及暫/穩(wěn)態(tài)仿真技術(shù)，依托南京河西智能配電網(wǎng)精細化調(diào)度示范工程，一體化開發(fā)完成了智能配電網(wǎng)全三相運行仿真平臺并進行了工程實踐，為源網(wǎng)荷三重不對稱下的配電網(wǎng)精細化調(diào)度控制提供技術(shù)手段，對于新形勢下的智能配電網(wǎng)能源精細化互聯(lián)互通有具有借鑒意義。

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Three-phase Operation Simulation Method of Intelligent Distribution Network with Source-Grid-Load Asymmetry

MA Zhoujun1,WANG Yong1,ZHU Hong1,XU Qingshan2
(1.State Grid Nanjing Power Supply Company,Nanjing 210019,China; 2.School of Electrical Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)

The intelligent distribution network is becoming more and more flexible,reliable,efficient and multivariate.As the strong source-grid-load triple asymmetry in the distribution network is increasingly prominent,the traditional empirical dispatching method can't fully control the operation state and development trend of distribution network.In this paper,the overall framework of three phase operation simulation technology of the intelligent distribution network with the source-grid-load asymmetry is put forward.Secondly,the steady and transient three-phase models of key components are established and the three-phase power flow is calculated.On these basis,the three-phrase node voltage short-circuit calculation and steady/transient simulation technologies are thoroughly studied.Finally,an operation simulation platform is developed based on the OPEN3200,and successfully applied to Nanjing Hexi CBD which verifies the rationality and the effectiveness of the proposed methods.

intelligent distribution network;source-grid-load;three-phase operation simulation technology;three phase power flow;steady/transient simulation

TM743

A

1009-0665（2016）06-0050-06

馬洲?。?986），男，江蘇無錫人，工程師，研究方向為配電網(wǎng)調(diào)控運行；

王 勇（1974），男，江蘇鹽城人，高級工程師，研究方向為配電網(wǎng)調(diào)控運行管理；

朱 紅（1971），女，江蘇常州人，研究員級高級工程師，研究方向為配電自動化；

徐青山（1979），男，江蘇姜堰人，博士生導師，研究方向為新能源發(fā)電與智能配電網(wǎng)。

2016-09-01；

2016-10-10

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目：智能配電網(wǎng)

優(yōu)化調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)研究（2012AA050214）