賀 翔，劉永強，樊利民

（華南理工大學電力學院，廣州 510640）

國內城市電網(wǎng)普遍采用環(huán)網(wǎng)結構、開環(huán)運行的方式。正常運行時，聯(lián)絡開關為打開，以保證配電網(wǎng)的輻射狀運行結構。當線路設備需要檢修時，饋線上的多電源供電的負荷就可以通過合環(huán)操作，轉移到與之相連的其他母線或饋線上，以減少停電時間，提高供電可靠性。在合環(huán)操作前，對合環(huán)操作產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)電流進行計算和分析可以對配電網(wǎng)合環(huán)后運行可靠性評估提供依據(jù)。

對配電網(wǎng)進行合環(huán)潮流分析的方法較多，比較常用的方法有“兩階段法”等［1～4］。該方法按照疊加原理和替代原理將合環(huán)潮流分為兩部分，即一部分是合環(huán)之前各支路的初始潮流；另一部分是由合環(huán)開關兩端電壓相量差引起的循環(huán)潮流在網(wǎng)絡中的分布。而在第二階段計算時上級電網(wǎng)等值阻抗的求取是一個難點［1］。

傳統(tǒng)的方法主要有迭代法［1］、REI等值法［5］及Ward等值法［5］等。迭代法需要了解上級電網(wǎng)特點，不斷逼近，求得的等值阻抗有一定誤差。REI或Ward等值法則需要復雜的網(wǎng)絡建模分析。

文獻［6］提出采用戴維南等值法進行合環(huán)潮流分析，利用節(jié)點阻抗矩陣求取等值阻抗，其上級電網(wǎng)處理使用了REI和Ward結合的等值方式。部分合環(huán)分析系統(tǒng)忽略上級電網(wǎng)阻抗部分或用環(huán)路上的支路阻抗直接相加［7］。

為了滿足實時分析要求，本文直接利用主網(wǎng)公用信息模型CIM（common information model）信息和數(shù)據(jù)采集監(jiān)視控制SCADA（supervisory control data acquisition）數(shù)據(jù)，生成主網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲，利用戴維南定理得到精確等值阻抗。

1 CIM模型介紹

公用信息模型（CIM）是一個抽象模型，用面向對象的建模技術定義［8］，表示包含在能量管理系統(tǒng)EMS（energy management system）信息模型中電力企業(yè)所有主要對象。它提供了一種用對象類和屬性及它們之間關系來表示的電力系統(tǒng)資源的標準方法。CIM數(shù)據(jù)使用統(tǒng)一建模語言（UML）表達方法，它將CIM定義成一組包，包括域包、核心包、電線包、測量包、保護包以及SCADA包等等。每1個包包含1個或多個類圖，用以表示該包中的所有類及它們之間的相互關系，各個類是通過聚合、繼承和簡單關聯(lián)而聯(lián)系在一起的。一個類是對現(xiàn)實世界中發(fā)現(xiàn)的一種對象的表示，在電力系統(tǒng)中具有唯一身份的一個具體對象則被建模成它所屬類的一個實例，根據(jù)類的屬性及與其它類的關系，用約定的字符定義電力資源。

CIM模型定義了導電設備類與端點、端點與連接節(jié)點之間的關聯(lián)關系。計算拓撲所需要的各基本類及關系如圖1所示。

圖1 CIM中各基本類及關系Fig.1 Basic class of CIM and its relationships

根據(jù)各對象類的屬性及之間的關系可以恢復出完整的系統(tǒng)邏輯視圖［9］。

2 合環(huán)電流計算

正常情況下，電力系統(tǒng)輸電網(wǎng)一般為環(huán)狀運行狀態(tài)，10 k V以下配電網(wǎng)一般開環(huán)運行。正常時候，聯(lián)絡開關為斷開，兩個變電站母線分別帶各自的配電線路，當一側母線需要檢修或出現(xiàn)故障時，就需要在配電網(wǎng)合環(huán)點先合上聯(lián)絡開關，再斷開該站出線開關，將該側負荷轉移到另一側母線，從而保證不間斷供電。為了判斷合環(huán)操作是否安全，需要對合環(huán)后潮流進行分析，本文使用基于疊加定理的改進兩階段法進行分析。

圖2 配電網(wǎng)絡合環(huán)模型Fig.2 Models of distribution network for loop closing operation

如圖2所示，圖2（a）表示合環(huán)后的網(wǎng)絡，按照疊加原理和替代原理，可以分解為圖2（b）與圖2（c）之和。也就是說電磁環(huán)網(wǎng)的潮流分布等于合環(huán)前網(wǎng)絡潮流和合環(huán)后等值網(wǎng)絡響應之和，即合環(huán)后的支路潮流由兩部分疊加而成：一部分是合環(huán)之前各支路的初始潮流；另一部分是由合環(huán)開關兩端電壓相量差引起的循環(huán)潮流在網(wǎng)絡中的分布。第一部分可以用前推回代法計算，從而得到合環(huán)點電壓。第二部分原輻射網(wǎng)絡可以等效為理想電壓源Uij和一個串聯(lián)內阻Zkk，想要求合環(huán)點流過的電流，這里由于涉及到了上級電網(wǎng)，對上級電網(wǎng)等值阻抗Zeq的求取是個難點，還需要對上級電網(wǎng)進行分析。

3 網(wǎng)絡拓撲分析

由于電網(wǎng)CIM數(shù)據(jù)量大，在計算等值阻抗時沒必要對整個全部電網(wǎng)進行分析，我國電網(wǎng)采用自上而下分層結構，聯(lián)絡比較簡單，故可以把主網(wǎng)中每個220 k V供電區(qū)域作為一個子區(qū)域，與其它子區(qū)域的聯(lián)絡線可暫時當作功率恒定的電源或負荷處理。這樣對單個子區(qū)域進行計算。

為了加快檢索速度，按照上述分區(qū)首先把需要的信息提取出來，包含區(qū)域內形成拓撲需要的各變電站內設備信息。

變壓器分為雙繞組變壓器和三繞組變壓器，在計算時對其進行π形等值，轉換成可以直接用來計算的支路樣式，與線路信息一起，構成同一結構的支路信息。

根據(jù)片區(qū)內支路信息，找到該片區(qū)與其他片區(qū)的聯(lián)絡支路，根據(jù)SCADA中的遙測數(shù)據(jù)，查詢片區(qū)內電壓等級最高的電源點，即下面計算所需要的根節(jié)點。與外界聯(lián)絡的支路按上面流過的負荷值當作電源或負荷。

根據(jù)CIM對選定主網(wǎng)進行拓撲分析的基本步驟如下：

1）選取區(qū)域內電壓等級最高的電源點，定義該點為根節(jié)點，記其新編號為0。定義變量：“當前節(jié)點”，它有兩個屬性值，新編號和原始編號。賦值為根節(jié)點的新編號和原始編號。

2）設“當前節(jié)點”新編號為i，原始編號為k，上次查詢找到的支路編號為j。第一次時i為0，j為0，k為根節(jié)點原始編號。根據(jù)“當前節(jié)點”原始編號搜索相連接的支路和開關信息。

3）如果本節(jié)點接著一個開關，查詢本開關是否導通，如果不導通，刪除該開關信息，返回第二步搜索過程。如果導通，則設置開關另一側節(jié)點新編號為i，“當前節(jié)點”如果還連有其他設備，“當前節(jié)點”信息記入堆棧。開關另一側節(jié)點的新編號和原始編號賦值給“當前節(jié)點”。刪除該開關信息。重復第二步搜索過程。

4）如果查到本節(jié)點接著一條支路，命名該支路編號為j＋1。如果該支路末端節(jié)點沒有新編號，該支路末端節(jié)點新編號為j＋1。“當前節(jié)點”如果還連有其他設備，“當前節(jié)點”信息記入堆棧。支路末端節(jié)點新編號和原始編號賦值給“當前節(jié)點”。刪除該支路信息。重復第二步搜索過程。

5）如果搜索“當前節(jié)點”已經(jīng)找不到相連的設備，彈出堆棧最上層的信息，為“當前節(jié)點”賦值，繼續(xù)第二步搜索過程。

6）如果搜索“當前節(jié)點”已經(jīng)找不到相連的設備，堆棧中也沒有數(shù)據(jù)，搜索完成。

4 等值阻抗求取

網(wǎng)絡拓撲獲取后，利用主網(wǎng)CIM和SCADA系統(tǒng)提供的支路阻抗和節(jié)點功率，求取等值阻抗，具體可分為兩步：

1）對主網(wǎng)用牛頓－拉夫遜法進行潮流計算，得到開環(huán)點開路電壓；

2）假設開環(huán)點連接已知阻抗支路，再次求取合環(huán)點節(jié)點電壓。

通過對主網(wǎng)進行戴維南等效，得到實時主網(wǎng)的環(huán)路阻抗。計算方法如下：

設第一次測得的開環(huán)點電壓差為˙U1，第二次測量的電壓差為˙U2，第二次計算時引入的已知阻抗支路的阻抗為Z，則環(huán)路等效阻抗Zeq即為

5 實際算例分析

依照該算法編制了配電網(wǎng)合環(huán)分析系統(tǒng)，以廣東省某市紅旗線、前豐線環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡開關合環(huán)為算例進行計算。

紅旗線出線與前豐線出線分開運行，由不同主變供電。紅旗線共有7段，前豐線共有8段。按功率流向給兩段線各節(jié)點分別依次編號，網(wǎng)絡拓撲描述分別見表1和表2。

其中，監(jiān)測到紅1段末端有負荷1101.6＋j122.4 k VA，紅2段末端有負荷1647＋j183 k VA，紅3段末端有負荷569.7＋j63.3 k VA，紅5段上有負荷237.6＋j26.4 k VA，紅7段上有負荷1128.6＋j125.4 k VA，前5段上有負荷4336.2＋j481.8 k VA。

軟件從主網(wǎng)SCADA系統(tǒng)中讀取到紅旗線出線電壓為10.4 k V，相角為－11.46°，前豐線出線電壓為10.33 k V，相角為－12.7°。通過計算得到的該供電片區(qū)網(wǎng)絡拓撲符合實際運行狀況，紅旗線、前豐線出線上級電網(wǎng)的在該處的等值阻抗為0.0156＋j0.422Ω。并依此阻抗值計算紅旗線、前豐線環(huán)網(wǎng)合環(huán)后的潮流分布，如表3所示，接近實際運行值，滿足工程要求。

表1 紅旗線網(wǎng)絡拓撲信息Tab.1 Network topology information of Hongqi line

表2 前豐線網(wǎng)絡拓撲信息Tab.2 Network topology information of Qianfeng line

表3 計算結果Tab.3 Calculation results

6 結論

本文提出的利用上級電網(wǎng)CIM及SCADA數(shù)據(jù)計算等值阻抗主要用于配電網(wǎng)合環(huán)潮流計算。該方法的優(yōu)越性在于：能夠根據(jù)主網(wǎng)傳遞過來的實時數(shù)據(jù)來迅速分析主網(wǎng)接線狀態(tài)，從而得到精確的環(huán)網(wǎng)阻抗值，降低了合環(huán)潮流計算誤差。依照此原理編制的配電網(wǎng)合環(huán)輔助決策軟件，對調度員進行合環(huán)操作起到指導作用。

［1］ 王秀云，楊勁松，熊謙敏，等（Wang Xiuyun，Yang Jinsong，Xiong Qianmin，et al）.一種配電網(wǎng)合環(huán)實用潮流算法（A practical algorithm of load flow calculation for loop distribution networks）［J］.電力系統(tǒng)保護與控制（Power System Protection and Control），2009，37（6）：23－26，31.

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