陳柯豪 趙燦輝 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局 羅軍 云南云電同方科技有限公司

中低壓配電網(wǎng)運維過程中對有關(guān)潮流計算的研究與實現(xiàn)

陳柯豪 趙燦輝 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局 羅軍 云南云電同方科技有限公司

本文通過研究目前國內(nèi)外配電網(wǎng)潮流計算相關(guān)成果，針對本項目實際情況，結(jié)合某供電局10KV配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)備模型，采用前推回代算法，實現(xiàn)對該局所轄范圍內(nèi)的中低壓配電網(wǎng)進行潮流計算。并將計算結(jié)果應(yīng)用于運維管控系統(tǒng)中，輔助運維人員開展運維工作，有效提高了運維作業(yè)的效率。

中低壓配電網(wǎng) 潮流計算 運維

電網(wǎng)潮流計算是指根據(jù)給定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及設(shè)備模型作為輸入?yún)?shù)，通過一定的方法，來確定整個系統(tǒng)中各個節(jié)點的運行狀態(tài)，包括各個節(jié)點的電壓（幅值和相角），網(wǎng)絡(luò)中功率分布及功率損耗等。在配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、運維決策、故障處理、無功優(yōu)化和狀態(tài)評估等方面都需要用到潮流計算的結(jié)果數(shù)據(jù)，因此可以說，配電網(wǎng)潮流計算是實現(xiàn)配電網(wǎng)分析的基礎(chǔ)，是進行配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計、運行方式合理性評估、可靠性以及經(jīng)濟性分析的依據(jù)。精確合理的配電網(wǎng)潮流計算結(jié)果能夠為配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行提供有力支撐。

中低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)相對于輸電網(wǎng)來說，電壓等級較低、供電范圍較小，輸電網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備模型和潮流計算方式已經(jīng)不再適用。本文通過研究目前國內(nèi)外配電網(wǎng)潮流計算相關(guān)成果，針對本項目實際情況，結(jié)合某供電局10KV配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)備模型，采用前推回代算法，實現(xiàn)對該局所轄范圍內(nèi)的中低壓配電網(wǎng)進行潮流計算。并將計算結(jié)果應(yīng)用于運維管控系統(tǒng)中，輔助運維人員開展運維工作，有效提高了運維作業(yè)的效率。

1 設(shè)備模型

精確的設(shè)備模型是實現(xiàn)潮流計算的前提，為了實現(xiàn)潮流計算，需要根據(jù)配電網(wǎng)中各種設(shè)備的特性，整理出對應(yīng)的參數(shù)模型，設(shè)備模型主要涉及阻抗和導(dǎo)納兩個個參數(shù)。模型計算所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括拓?fù)湫畔⒑驮O(shè)備信息，全部存儲在數(shù)據(jù)庫中。實際計算時先根據(jù)設(shè)備信息生成設(shè)備等值電路圖，然后根據(jù)拓?fù)湫畔⑸膳渚W(wǎng)，生成對應(yīng)配電網(wǎng)的等值電路圖，最后才進行計算。本文主要討論變壓器模型、線路模型以及負(fù)荷模型。

1.1 變壓器模型

變壓器主要有二繞組變壓器和三繞組變壓器兩種，等值模型有τ形，Γ型等。在電力系統(tǒng)計算中，通常用Γ形等值電路模型進行阻抗計算。由于歷史原因，目前配電網(wǎng)系統(tǒng)中使用的變壓器分別來自多個廠家，所提供的變壓器參數(shù)也根據(jù)不同批次而略有不同，因此，本設(shè)計根據(jù)實際情況，建立變壓器參數(shù)數(shù)據(jù)庫，計算時根據(jù)數(shù)據(jù)庫里面的參數(shù)選擇不同的公式計算出等值阻抗。

1.2 線路模型

影響輸電線路模型的參數(shù)主要有輸電線路類型（架空線路和電纜線路）、輸電線截面積、長度、材質(zhì)、線芯數(shù)量等。本文先根據(jù)阻抗估算公式計算出單位長度導(dǎo)線的電阻和電抗。然后綜合考慮線路長度、材質(zhì)、環(huán)境等因素，選取合適的π形、τ形等值電路模型進行計算。本設(shè)計中因為所針對的配網(wǎng)線，其架空線路路長度小于300KM，電纜線路長度小于100KM，不需要考慮分布參數(shù)，所以選擇π形電路進行計算。

1.3 節(jié)點模型

電力系統(tǒng)中的節(jié)點主要有平衡節(jié)點、PQ節(jié)點和PV節(jié)點。對于任意節(jié)點，進行潮流計算時涉及到的運行參數(shù)都是P、Q、U和θ。計算時，已知其中兩個，待求另外兩個。在配網(wǎng)中，平衡節(jié)點通常就是唯一的電源節(jié)點，是其它所有節(jié)點電壓計算的參考點，已知量為U和θ，待求P和Q。PQ節(jié)點已知P和Q，也叫作負(fù)荷節(jié)點，待求量為U和θ。PV節(jié)點（比如對于配網(wǎng)中的無功補償裝置）已知P和U的幅值，待求Q和θ。本設(shè)計中為了簡化計算，不考慮PV節(jié)點。

1.4 負(fù)荷模型

由于用電設(shè)備種類較多，而且各節(jié)點的負(fù)荷具有一定的地域性，很難進行有效分類。因此電力系統(tǒng)通常采用給定的有功功率和無功功率進行負(fù)荷計算。根據(jù)本項目實際情況，單位時間內(nèi)負(fù)荷頻率和電壓的變化不大，因此采用靜態(tài)負(fù)荷模型。實際測試表明，按40%恒功率+60%恒阻抗組合的方式進行負(fù)荷計算，能夠得到較為精確的模型。

2 潮流計算方法

國內(nèi)配電網(wǎng)通常是采用閉環(huán)設(shè)計，開環(huán)運行，并呈輻射狀展開，各饋線之間基本沒有聯(lián)系；而且節(jié)點較多，分支雜亂。其等值電路模型與輸電網(wǎng)相比，具有充電電容小、電阻電抗比(R/X)較大等特點。在利用常規(guī)潮流計算方法比如牛頓法、PQ分解法等進行潮流計算時，這些特點會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的雅克比矩陣的條件數(shù)變大，出現(xiàn)不同程度的病態(tài)特征；也無法滿足P、Q解耦條件Gi＜Bi。最終導(dǎo)致計算不收斂，因而應(yīng)用效果不明顯。

根據(jù)配電網(wǎng)的特點，不僅要求潮流計算方法滿足可靠收斂，還要求計算速度快、使用方便靈活易于修改及擴展。因此，本文選擇前推回代法進行潮流計算。該方法屬于支路類算法，簡單實用，充分利用了網(wǎng)絡(luò)呈輻射狀的結(jié)構(gòu)特點，所有計算數(shù)據(jù)都以矢量形式存儲，因此節(jié)省了大量的內(nèi)存，計算速度極快，對于任何種類的配電網(wǎng)只要有合理的R/X值，此方法均可保證一階收斂。同時，前推回代法編程簡單，被公認(rèn)是求解輻射狀配電網(wǎng)潮流問題的最佳算法之一。

前推回代法以支路數(shù)據(jù)作為研究對象，從根節(jié)點起通過廣度優(yōu)先搜索對配電網(wǎng)進行分層編號，以此編號作為前推回代的順序。根據(jù)配電網(wǎng)樹狀特性，都是由一條主饋線帶有數(shù)條分支，各分支又帶有各自的子分支，最后終止于負(fù)荷節(jié)點。本設(shè)計中定義主饋線為第一層，在主饋線上從左到右依次定義節(jié)點編號；然后從左端開始，依次遍歷下一層各支路節(jié)點。每一層最后一個節(jié)點的編號要比下一層第一個節(jié)點編號小1。此方法非常簡便，特別容易編程實現(xiàn)，下圖是某供電局所轄配電網(wǎng)所使用的潮流計算節(jié)點圖（［］為層編號，（）為支路編號、數(shù)字為節(jié)點編號）：

圖1 潮流計算節(jié)點圖Fig．1 Power flow calculation node diagram

開始計算時，將全配網(wǎng)節(jié)點電壓都設(shè)置為額定電壓，然后由編號最大的節(jié)點依次往前推算，僅計算各節(jié)點的功率而不計算壓降；接著由編號最小的節(jié)點依次往后迭代推算電壓壓降，但這時不再計算功率損耗。具體流程圖如下：

圖2 潮流計算流程圖Fig．2 Flow chart of power flow calculation

3 計算實例

3.1 計算數(shù)據(jù)

計算所需數(shù)據(jù)由等值電路圖導(dǎo)出。部分初始數(shù)據(jù)及計算結(jié)果如下表所示：

表1 計算數(shù)據(jù)表Tab1e 1 Computed data table

計算迭代次數(shù)和收斂精度有關(guān)，當(dāng)設(shè)置收斂精度ε=0．001時,迭代次數(shù) k=4；ε=0．00000001時,迭代次數(shù)k=8。當(dāng)改變R/X的比值時，在相同的收斂精度下，迭代次數(shù)不變，這也表明R/X比值對本算法的收斂性影響不大。

4 結(jié)束語

配電網(wǎng)潮流計算是實現(xiàn)配電網(wǎng)分析的基礎(chǔ)，是進行配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計、運行方式合理性評估、可靠性以及經(jīng)濟性分析的依據(jù)。精確合理的配電網(wǎng)潮流計算結(jié)果能夠為配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行提供有力支撐。本文分析了進行中低壓配電網(wǎng)潮流計算所需的步驟及采用的方法，從某供電局實際情況出發(fā)，建立配網(wǎng)相關(guān)設(shè)備模型，并使用前推回代法實現(xiàn)該局所轄配網(wǎng)的潮流計算。經(jīng)過試運行表明，該方案計算結(jié)果與實際測量結(jié)果基本吻合，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。同時將計算結(jié)果應(yīng)用于該局運維管控系統(tǒng)中，輔助運維人員開展運維工作，有效提高了運維作業(yè)的效率。

[1]張小敏,林群,吳旭光,等.適用于低壓配電網(wǎng)潮流計算的前推回代法[J].水電能源科學(xué),2016(9):183-186.

[2]畢永廷,楊海波,師秀鳳.基于MATLAB的電力系統(tǒng)潮流計算[J].價值工程,2016,35(18):142-144.

[3]初壯,張建強,蔡國偉.基于回路電流與負(fù)荷節(jié)點電壓方程的配電網(wǎng)潮流計算[J].電工技術(shù)學(xué)報,2016,31(12):170-176.

[4]陳艷芳,徐麗杰,王瑋,等.單相三線式變壓器模型在配電網(wǎng)潮流計算中的應(yīng)用[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,38(3):23-27.

[5]趙霞,羅蘭,羅雨萌,等.一種基于線電壓的不接地配電網(wǎng)三相潮流計算方法:,CN105703363A[P].2016.

[6]劉愛國,張弘.一種基于廣度優(yōu)先搜索配電網(wǎng)潮流計算的改進編號方法[J].中國電力,2016,49(10):74-78.

[7]孫充勃,李鵬,王成山,等.含多直流環(huán)節(jié)的混合結(jié)構(gòu)有源配電網(wǎng)潮流計算方法[J].電力系統(tǒng)自動化,2015(21):59-65.

[8]徐青山,劉中澤,楊永標(biāo),等.改進的配電網(wǎng)三相潮流計算方法[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2014,26(9):23-29.

[9]楊雄,衛(wèi)志農(nóng),孫國強,等.變壓器支路處理新方法與配電網(wǎng)三相潮流計算[J].電力系統(tǒng)自動化,2014,38(18):58-64.

[10]高元海,王淳,辛建波,等.計及接地阻抗及含多種分布式電源的中低壓配電網(wǎng)三相潮流計算(一):模型[J].中國電機工程學(xué)報,2016,36(10):2619-2627.

陳柯豪（1986-），男，學(xué)士，工程師，研究方向：電網(wǎng)可靠性管理；

趙燦輝（1983-），男，學(xué)士，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制；羅軍（1980-），男，學(xué)士，研究方向：電力信息化技術(shù)。