配電網(wǎng)絡(luò)建模與網(wǎng)絡(luò)結(jié)線分析

摘　要　提出適合于配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)建模方法，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)線分析，為配電管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析研究與開(kāi)發(fā)提供了條件。

　　關(guān)鍵詞　配電管理系統(tǒng)　網(wǎng)絡(luò)建模　結(jié)線分析

DISTRIBUTION NETWORK MODELING AND CONNECTIVITY ANALYSIS

Chen Jingcheng　Zhang Xuesong　Wang Feng　Yu Erkeng
Electric Power Research Institute, State Power Corporation of China
Beijing, 100085 China

Wang Yusheng　Zhou Zunguo
Yantai Electrical Power Bureau
Yantai, 264001 China

　　ABSTRACT　The approaches for distribution network modeling and connectivity analysis are presented in this paper. A number of physical models that are designed deliberately for describing distribution feeders, feeder sections, supply sources, etc., are described. These models can help to avoid a vast number of dummy stations and dummy buses in building distribution network database, and can make the users to define the radial network easily and visually. It is shown in a practical engineering application that these approaches are flexible, reasonable and efficient, and they can be applied to the DMS developments.

　　KEY WORDS　distribution management system(DMS); network modeling; connectivity analysis

1　引言

　　與能量管理系統(tǒng)(EMS)類似，網(wǎng)絡(luò)建模和結(jié)線分析(也稱拓?fù)浞治?是配電管理系統(tǒng)(DMS)的基礎(chǔ)。但迄今尚無(wú)專門(mén)研究與探討適合配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)建模方法和在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)線分析。目前一些國(guó)際著名的DMS產(chǎn)品中，也仍采用與輸電網(wǎng)相同的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)和建模方法。這樣不可避免地帶來(lái)下列問(wèn)題。
　　首先，由于配電網(wǎng)及配電饋線為輻射狀結(jié)構(gòu)，為了它的建模必須定義在大量物理上并不存在的“虛電站”和“虛母線”，以描述饋線各元件之間的電氣連接，因此必然使配電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)更為龐大，加重用戶建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)的工作量。
　　其次，在某些DMS應(yīng)用(如網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，故障檢測(cè)，隔離與恢復(fù)，饋線負(fù)荷預(yù)測(cè))中要求考慮饋線的特定結(jié)構(gòu)和電氣接線，然而按上述建模方法建立的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)不能直接提供這些數(shù)據(jù)。
　　第三，為了將來(lái)與地理信息系統(tǒng)(GIS)和設(shè)備管理系統(tǒng)(FM)集成，應(yīng)該提供在一般意義上設(shè)計(jì)的適合輻射狀配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。這些情況說(shuō)明，對(duì)配電網(wǎng)應(yīng)該采用與輸電網(wǎng)有所不同的網(wǎng)絡(luò)建模方法及結(jié)線分析策略，以適應(yīng)DMS開(kāi)發(fā)的需要。
　　本文在分析和研究配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種適合于配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)建模方法；在數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)中，通過(guò)定義一些新的物理模型來(lái)描述配電饋線、饋線段、電源(輸電網(wǎng)部分)，以避免引入大量“虛電站”和“虛母線”，使用戶能直觀方便地建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)線分析，根據(jù)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)變電站和饋線開(kāi)關(guān)變位作分別處理，以提高網(wǎng)絡(luò)結(jié)線分析速度和效率。本文提出的方法已在一個(gè)實(shí)際DMS工程中得到應(yīng)用。

2　配電網(wǎng)絡(luò)建模

　　在EMS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中，電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)或模型是按層次結(jié)構(gòu)組織的。即公司(CO)括若干分區(qū)(DV)，分區(qū)又括若干電站(ST)和線路(LN)；電站括若干電壓等級(jí)(KV)和變壓器(XFMR)，電壓等級(jí)又括若干元件，如開(kāi)關(guān)(CB)，負(fù)荷(LD)，機(jī)組(UN)，電容/電抗器(CP)等。元件之間的電氣連接由元件的端點(diǎn)或它們之間的公共節(jié)點(diǎn)來(lái)定義。這樣便形成所謂的基于結(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)模型。
　　 但當(dāng)上述網(wǎng)絡(luò)建模方法應(yīng)用于配電系統(tǒng)時(shí)，就有可能存在下列問(wèn)題。
　　首先，一條配電饋線可能括多個(gè)分段開(kāi)關(guān)和聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，以及數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)饋線段和用戶負(fù)荷。因此，為了描述這種饋線結(jié)構(gòu)，對(duì)饋線段和用戶負(fù)荷之間的每一個(gè)結(jié)點(diǎn)都必須引入一個(gè)“虛電站”。這種“虛電站”與EMS中的電站不同，物理上它并沒(méi)有電站的含義，而只對(duì)應(yīng)一個(gè)結(jié)點(diǎn)，因此使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)十分龐大。
　　其次，配電系統(tǒng)的運(yùn)行管理與輸電系統(tǒng)有很大不同，例如在輸電網(wǎng)中，網(wǎng)損優(yōu)化主要通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)功電源實(shí)現(xiàn)，而在配電網(wǎng)中則主要通過(guò)合/開(kāi)饋線上的分段開(kāi)關(guān)和聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)以改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此在有些DMS應(yīng)用中，要求提供特定輻射狀饋線的結(jié)構(gòu)和電氣接線，而這些數(shù)據(jù)又不能由上述建模方法建立的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)提供。
　　第三，為了將來(lái)與GIS/FM集成，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)必須適應(yīng)配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以有可能直接從FM數(shù)據(jù)庫(kù)生成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，并將網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果送入GIS數(shù)據(jù)庫(kù)。
　　這些情況說(shuō)明，必須對(duì)DMS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行專門(mén)設(shè)計(jì)。
　　基于以上考慮，本文提出了一種新的適合配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)。如圖1所示。在這種數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)中，引入了一些新模型FD、SEC和SO，以分別用來(lái)描述配電饋線、饋線段和電源(輸電網(wǎng)部分)。與EMS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)比較，這種數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)實(shí)際上擴(kuò)展了電壓等級(jí)的范圍，使其進(jìn)一步含饋線和饋線段。此外，在饋線與其元件之間定義了一個(gè)層次關(guān)系，以描述輻射狀饋線模型。利用這種建模方法，既可以避免引入大量“虛電站”，又可以提供特定饋線結(jié)構(gòu)。顯然，這種數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)更適合于DMS。
　　在圖1所示的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)中，饋線類FD的數(shù)據(jù)括：饋線標(biāo)識(shí)(ID)、饋線描述(DESCR)、連接變電站(ST)、首端結(jié)點(diǎn)(ND)、有功功率(W)、無(wú)功功率(R)、電流(I)等等。饋線段SEC的數(shù)據(jù)括：線段標(biāo)識(shí)(ID)、線段描述(DESCR)、首端結(jié)點(diǎn)(ND)、末端結(jié)點(diǎn)(ZND)、線段型號(hào)(INTY)、線段長(zhǎng)度(LEN)等等。電源類SO的數(shù)據(jù)括：電源標(biāo)識(shí)(ID)、電源描述(DESCR)、連接結(jié)點(diǎn)(ND)、有功供電功率(W)、無(wú)功供電功率(R)、供電電壓(V)、 大有功供電功率(WMAX)、 大無(wú)功供電功率(RMAX)、 大供電電壓(VMAX)、 小供電電壓(VMIN)等等。

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圖1　配電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)
Fig.1　Distribution network database structure

　　應(yīng)該指出，在圖1所示的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)中，電源類SO用來(lái)描述配電系統(tǒng)的供電電源，即輸電系統(tǒng)部分，它與EMS中將配電系統(tǒng)定義為負(fù)荷相互對(duì)應(yīng)。此外，為了描述饋線之間通過(guò)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)相互連接的連接關(guān)系，需要在每一組聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的一端與其相應(yīng)的一個(gè)饋線段的一端之間串聯(lián)一條零阻抗支路，這點(diǎn)與EMS相同。

3　配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)線分析

　　網(wǎng)絡(luò)結(jié)線分析或拓?fù)浞治龅闹饕δ苁前焉鲜鲇捎脩艚⒌幕诮Y(jié)點(diǎn)的物理模型轉(zhuǎn)換成可供配電潮流、短路計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等使用的數(shù)學(xué)模型。網(wǎng)絡(luò)結(jié)線分析的主要要求是可靠、快速和有效。
　　網(wǎng)絡(luò)結(jié)線分析分兩個(gè)步驟：母線分析和電氣島分析。母線分析是將閉合開(kāi)關(guān)聯(lián)接在一起的結(jié)點(diǎn)集合化為母線；電氣島分析是通過(guò)線路和變壓器將母線聯(lián)接為島。其中既有電源又有負(fù)荷的島才有計(jì)算意義，稱為活島，否則稱為死島。
　　雖然從功能、原理和內(nèi)容上說(shuō)，配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)線分析與輸電網(wǎng)絡(luò)結(jié)線分析沒(méi)有什么本質(zhì)不同，但是由于配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與輸電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，為了提高結(jié)線分析的速度和效率，應(yīng)該充分利用配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和上述網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)信息，采用與輸電網(wǎng)有所不同的結(jié)線分析算法控制策略。
　　在EMS中，當(dāng)變電站的所有開(kāi)關(guān)都閉合時(shí)，一個(gè)電壓等級(jí)一般只含一兩條母線，因此對(duì)開(kāi)關(guān)變位可以將搜索過(guò)程限定在電壓等級(jí)范圍之內(nèi)，以對(duì)電壓等級(jí)內(nèi)的母線進(jìn)行重新分配。但在DMS中，一個(gè)電壓等級(jí)可能括數(shù)百條饋線段和數(shù)百條母線，某個(gè)開(kāi)關(guān)變位只影響很少幾個(gè)相關(guān)的母線重新分配。因此，如果把搜索過(guò)程也限定在整個(gè)電壓等級(jí)范圍之內(nèi)，則勢(shì)必會(huì)降低結(jié)線分析的速度和效率。
　　結(jié)線分析中的搜索過(guò)程實(shí)際上是檢查某個(gè)開(kāi)關(guān)變位是否導(dǎo)致其兩端母線的對(duì)應(yīng)變化。當(dāng)一個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，如果能在這個(gè)開(kāi)關(guān)的兩端結(jié)點(diǎn)之間通過(guò)相鄰的閉合開(kāi)關(guān)搜索到另一條連通路徑，則網(wǎng)絡(luò)結(jié)線保持不變，否則為該開(kāi)關(guān)一端結(jié)點(diǎn)分裂一個(gè)條母線。當(dāng)一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，如果該開(kāi)關(guān)兩端結(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的母線相同(即在這兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間存在另一條由閉合開(kāi)關(guān)組成的連通路徑)，則網(wǎng)絡(luò)結(jié)線保持不變，否則合并這兩條母線。
　　如上所述，配電饋線為輻射狀結(jié)構(gòu)，而且饋線分段開(kāi)關(guān)和聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)為串聯(lián)分組連接，以與兩端饋線段連接。當(dāng)一個(gè)饋線開(kāi)關(guān)斷開(kāi)/閉合時(shí)，由于在該開(kāi)關(guān)兩端結(jié)點(diǎn)之間不存在其它并聯(lián)開(kāi)關(guān)(或并聯(lián)開(kāi)關(guān)組)，即在該開(kāi)關(guān)兩端結(jié)點(diǎn)之間不可能搜索到由其它閉合開(kāi)關(guān)所組成的連通路徑，所以必然引起饋線兩端母線的分裂/合并。因此可以得出結(jié)論：饋線開(kāi)關(guān)變位必然導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)線變化。應(yīng)用這個(gè)結(jié)論，對(duì)饋線開(kāi)關(guān)變位可以省略搜索過(guò)程，直接得出母線變化結(jié)果，以提高結(jié)線分析速度和效率。
　　 配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)線分析的程序流程圖如圖2所示。對(duì)每一個(gè)開(kāi)關(guān)變位，首先檢查該開(kāi)關(guān)是變電站開(kāi)關(guān)還是饋線開(kāi)關(guān)。如果是變電站開(kāi)關(guān)變位，則在變電站內(nèi)執(zhí)行寬度優(yōu)先搜索(從一側(cè)結(jié)點(diǎn)開(kāi)始逐層搜索與各結(jié)點(diǎn)相連接的所有閉合開(kāi)關(guān))，以確定在變電站內(nèi)是否發(fā)生母線變化；如果是饋線開(kāi)關(guān)變位，則直接根據(jù)開(kāi)關(guān)狀態(tài)確定母線變化。即如果饋線開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，則為該開(kāi)關(guān)一側(cè)的結(jié)點(diǎn)分配一條新母線；如果饋線開(kāi)關(guān)閉合，則將該開(kāi)關(guān)兩側(cè)結(jié)點(diǎn)的母線合并為一條母線。應(yīng)用這個(gè)簡(jiǎn)單邏輯，可大大提高網(wǎng)絡(luò)結(jié)線分析的速度和效率。

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圖2　配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)線分析程序流程圖
Fig.2　Flow chart for distribution
network connectivity analysis

4　結(jié)束語(yǔ)

　　本文提出一種適合于配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)建模方法，通過(guò)引入一些新模型來(lái)描述配電饋線、饋線段和供電電源，避免了在數(shù)據(jù)庫(kù)中定義大量“虛電站”和“虛母線”，使用戶能更直觀方便地建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)線分析，對(duì)變電站開(kāi)關(guān)變位和饋線開(kāi)關(guān)變位作分別處理，以提高結(jié)線分析速度和效率。實(shí)際工程應(yīng)用證明，本文建模方法是合理的也是靈活的，結(jié)線分析有效、快速，從而為DMS的研究與開(kāi)發(fā)提供了條件。

　　陳竟成　博士，高級(jí)工程師，從事EMS/DMS應(yīng)用軟件研究與開(kāi)發(fā)工作。
　　王玉生　碩士，主任工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化工作。

作者單位：陳竟成　張學(xué)松　汪峰　于爾鏗（國(guó)家電力公司電力科學(xué)研究院，100085 北京清河）
　　　　　王玉生　周尊國(guó)（煙臺(tái)電業(yè)局，264001 山東煙臺(tái)）

參考文獻(xiàn)

　[1]　Cassel W R et al.Distribution management system:functions and payback.IEEE/SM PWRS,1992
　[2]　于爾鏗，陳竟成，張學(xué)松et al.地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用功能.電網(wǎng)技術(shù)，1998；22(3)

職稱論文代寫(xiě)代發(fā)表（國(guó)家級(jí)發(fā)表3個(gè)月，省級(jí)期刊2個(gè)月）...

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