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配電網(wǎng)絡建模與網(wǎng)絡結(jié)線分析
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增大字體關鍵詞 配電管理系統(tǒng) 網(wǎng)絡建模 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)絡建模和結(jié)線分析(也稱拓撲分析)是配電管理系統(tǒng)(DMS)的基礎。但迄今尚無專門研究與探討適合配電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)特點的網(wǎng)絡建模方法和在此基礎上實現(xiàn)的網(wǎng)絡結(jié)線分析。目前一些國際著名的DMS產(chǎn)品中，也仍采用與輸電網(wǎng)相同的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和建模方法。這樣不可避免地帶來下列問題。
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)絡數(shù)據(jù)庫更為龐大，加重用戶建立和維護網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫的工作量。
其次，在某些DMS應用(如網(wǎng)絡重構(gòu)，故障檢測，隔離與恢復，饋線負荷預測)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)絡數(shù)據(jù)庫不能直接提供這些數(shù)據(jù)。
第三，為了將來與地理信息系統(tǒng)(GIS)和設備管理系統(tǒng)(FM)集成，應該提供在一般意義上設計的適合輻射狀配電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)特點的統(tǒng)一網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫。這些情況說明，對配電網(wǎng)應該采用與輸電網(wǎng)有所不同的網(wǎng)絡建模方法及結(jié)線分析策略，以適應DMS開發(fā)的需要。
本文在分析和研究配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點的基礎上，提出了一種適合于配電網(wǎng)的網(wǎng)絡建模方法；在數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)中，通過定義一些新的物理模型來描述配電饋線、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)絡數(shù)據(jù)庫。在此基礎上，實現(xiàn)了配電網(wǎng)絡結(jié)線分析，根據(jù)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點，對變電站和饋線開關變位作分別處理，以提高網(wǎng)絡結(jié)線分析速度和效率。本文提出的方法已在一個實際DMS工程中得到應用。
2 配電網(wǎng)絡建模
在EMS網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫中，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(KV)和變壓器(XFMR)，電壓等級又括若干元件，如開關(CB)，負荷(LD)，機組(UN)，電容/電抗器(CP)等。元件之間的電氣連接由元件的端點或它們之間的公共節(jié)點來定義。這樣便形成所謂的基于結(jié)點的網(wǎng)絡模型。
但當上述網(wǎng)絡建模方法應用于配電系統(tǒng)時，就有可能存在下列問題。
首先，一條配電饋線可能括多個分段開關和聯(lián)絡開關，以及數(shù)十個甚至數(shù)百個饋線段和用戶負荷。因此，為了描述這種饋線結(jié)構(gòu)，對饋線段和用戶負荷之間的每一個結(jié)點都必須引入一個“虛電站”。這種“虛電站”與EMS中的電站不同，物理上它并沒有電站的含義，而只對應一個結(jié)點，因此使網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫十分龐大。
其次，配電系統(tǒng)的運行管理與輸電系統(tǒng)有很大不同，例如在輸電網(wǎng)中，網(wǎng)損優(yōu)化主要通過調(diào)節(jié)無功電源實現(xiàn)，而在配電網(wǎng)中則主要通過合/開饋線上的分段開關和聯(lián)絡開關以改變網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。因此在有些DMS應用中，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)絡數(shù)據(jù)庫提供。
第三，為了將來與GIS/FM集成，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫必須適應配電網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)特點，以有可能直接從FM數(shù)據(jù)庫生成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫，并將網(wǎng)絡分析結(jié)果送入GIS數(shù)據(jù)庫。
這些情況說明，必須對DMS網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)進行專門設計。
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)絡數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。如圖1所示。在這種數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)中，引入了一些新模型FD、SEC和SO，以分別用來描述配電饋線、饋線段和電源(輸電網(wǎng)部分)。與EMS網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫比較，這種數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)實際上擴展了電壓等級的范圍，使其進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層次關系，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)庫結(jié)構(gòu)更適合于DMS。
在圖1所示的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)中，饋線類FD的數(shù)據(jù)括：饋線標識(ID)、饋線描述(DESCR)、連接變電站(ST)、首端結(jié)點(ND)、有功功率(W)、無功功率(R)、電流(I)等等。饋線段SEC的數(shù)據(jù)括：線段標識(ID)、線段描述(DESCR)、首端結(jié)點(ND)、末端結(jié)點(ZND)、線段型號(INTY)、線段長度(LEN)等等。電源類SO的數(shù)據(jù)括：電源標識(ID)、電源描述(DESCR)、連接結(jié)點(ND)、有功供電功率(W)、無功供電功率(R)、供電電壓(V)、 大有功供電功率(WMAX)、 大無功供電功率(RMAX)、 大供電電壓(VMAX)、 小供電電壓(VMIN)等等。
圖1 配電網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)
Fig.1 Distribution network database structure
應該指出，在圖1所示的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)中，電源類SO用來描述配電系統(tǒng)的供電電源，即輸電系統(tǒng)部分，它與EMS中將配電系統(tǒng)定義為負荷相互對應。此外，為了描述饋線之間通過聯(lián)絡開關相互連接的連接關系，需要在每一組聯(lián)絡開關的一端與其相應的一個饋線段的一端之間串聯(lián)一條零阻抗支路，這點與EMS相同。
3 配電網(wǎng)絡結(jié)線分析
網(wǎng)絡結(jié)線分析或拓撲分析的主要功能是把上述由用戶建立的基于結(jié)點的物理模型轉(zhuǎn)換成可供配電潮流、短路計算、網(wǎng)絡重構(gòu)等使用的數(shù)學模型。網(wǎng)絡結(jié)線分析的主要要求是可靠、快速和有效。
網(wǎng)絡結(jié)線分析分兩個步驟：母線分析和電氣島分析。母線分析是將閉合開關聯(lián)接在一起的結(jié)點集合化為母線；電氣島分析是通過線路和變壓器將母線聯(lián)接為島。其中既有電源又有負荷的島才有計算意義，稱為活島，否則稱為死島。
雖然從功能、原理和內(nèi)容上說，配電網(wǎng)絡結(jié)線分析與輸電網(wǎng)絡結(jié)線分析沒有什么本質(zhì)不同，但是由于配電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)與輸電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)不同，為了提高結(jié)線分析的速度和效率，應該充分利用配電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)特點和上述網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫信息，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，當變電站的所有開關都閉合時，一個電壓等級一般只含一兩條母線，因此對開關變位可以將搜索過程限定在電壓等級范圍之內(nèi)，以對電壓等級內(nèi)的母線進行重新分配。但在DMS中，一個電壓等級可能括數(shù)百條饋線段和數(shù)百條母線，某個開關變位只影響很少幾個相關的母線重新分配。因此，如果把搜索過程也限定在整個電壓等級范圍之內(nèi)，則勢必會降低結(jié)線分析的速度和效率。
結(jié)線分析中的搜索過程實際上是檢查某個開關變位是否導致其兩端母線的對應變化。當一個開關斷開時，如果能在這個開關的兩端結(jié)點之間通過相鄰的閉合開關搜索到另一條連通路徑，則網(wǎng)絡結(jié)線保持不變，否則為該開關一端結(jié)點分裂一個條母線。當一個開關閉合時，如果該開關兩端結(jié)點所對應的母線相同(即在這兩個結(jié)點之間存在另一條由閉合開關組成的連通路徑)，則網(wǎng)絡結(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)，而且饋線分段開關和聯(lián)絡開關為串聯(lián)分組連接，以與兩端饋線段連接。當一個饋線開關斷開/閉合時，由于在該開關兩端結(jié)點之間不存在其它并聯(lián)開關(或并聯(lián)開關組)，即在該開關兩端結(jié)點之間不可能搜索到由其它閉合開關所組成的連通路徑，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：饋線開關變位必然導致網(wǎng)絡結(jié)線變化。應用這個結(jié)論，對饋線開關變位可以省略搜索過程，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)絡結(jié)線分析的程序流程圖如圖2所示。對每一個開關變位，首先檢查該開關是變電站開關還是饋線開關。如果是變電站開關變位，則在變電站內(nèi)執(zhí)行寬度優(yōu)先搜索(從一側(cè)結(jié)點開始逐層搜索與各結(jié)點相連接的所有閉合開關)，以確定在變電站內(nèi)是否發(fā)生母線變化；如果是饋線開關變位，則直接根據(jù)開關狀態(tài)確定母線變化。即如果饋線開關斷開，則為該開關一側(cè)的結(jié)點分配一條新母線；如果饋線開關閉合，則將該開關兩側(cè)結(jié)點的母線合并為一條母線。應用這個簡單邏輯，可大大提高網(wǎng)絡結(jié)線分析的速度和效率。
圖2 配電網(wǎng)絡結(jié)線分析程序流程圖
Fig.2 Flow chart for distribution
network connectivity analysis
4 結(jié)束語
本文提出一種適合于配電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)特點的網(wǎng)絡建模方法，通過引入一些新模型來描述配電饋線、饋線段和供電電源，避免了在數(shù)據(jù)庫中定義大量“虛電站”和“虛母線”，使用戶能更直觀方便地建立網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫。在此基礎上，實現(xiàn)了配電網(wǎng)絡結(jié)線分析，對變電站開關變位和饋線開關變位作分別處理，以提高結(jié)線分析速度和效率。實際工程應用證明，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的研究與開發(fā)提供了條件。
陳竟成 博士，高級工程師，從事EMS/DMS應用軟件研究與開發(fā)工作。
王玉生 碩士，主任工程師，從事電力系統(tǒng)自動化工作。
作者單位：陳竟成 張學松 汪峰 于爾鏗（國家電力公司電力科學研究院，100085 北京清河）
王玉生 周尊國（煙臺電業(yè)局，264001 山東煙臺）
參考文獻
[1] Cassel W R et al.Distribution management system:functions and payback.IEEE/SM PWRS,1992
[2] 于爾鏗，陳竟成，張學松et al.地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的應用功能.電網(wǎng)技術，1998；22(3)
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