基于主網GIM的配電網合環潮流計算①

賀 翔，劉永強，樊利民

（華南理工大學電力學院，廣州 510640）

國內城市電網普遍采用環網結構、開環運行的方式。正常運行時，聯絡開關為打開，以保證配電網的輻射狀運行結構。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。在合環操作前，對合環操作產生的穩態電流進行計算和分析可以對配電網合環后運行可靠性評估提供依據。

對配電網進行合環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潮流分為兩部分，即一部分是合環之前各支路的初始潮流；另一部分是由合環開關兩端電壓相量差引起的循環潮流在網絡中的分布。而在第二階段計算時上級電網等值阻抗的求取是一個難點［1］。

傳統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絡建模分析。

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

為了滿足實時分析要求，本文直接利用主網公用信息模型CIM（common information model）信息和數據采集監視控制SCADA（supervisory control data acquisition）數據，生成主網網絡拓撲，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EMS（energy management system）信息模型中電力企業所有主要對象。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資源的標準方法。CIM數據使用統一建模語言（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、繼承和簡單關聯而聯系在一起的。一個類是對現實世界中發現的一種對象的表示，在電力系統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、端點與連接節點之間的關聯關系。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

根據各對象類的屬性及之間的關系可以恢復出完整的系統邏輯視圖［9］。

2 合環電流計算

正常情況下，電力系統輸電網一般為環狀運行狀態，10 k V以下配電網一般開環運行。正常時候，聯絡開關為斷開，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故障時，就需要在配電網合環點先合上聯絡開關，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。為了判斷合環操作是否安全，需要對合環后潮流進行分析，本文使用基于疊加定理的改進兩階段法進行分析。

圖2 配電網絡合環模型Fig.2 Models of distribution network for loop closing operation

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

3 網絡拓撲分析

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

為了加快檢索速度，按照上述分區首先把需要的信息提取出來，包含區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。

根據片區內支路信息，找到該片區與其他片區的聯絡支路，根據SCADA中的遙測數據，查詢片區內電壓等級最高的電源點，即下面計算所需要的根節點。與外界聯絡的支路按上面流過的負荷值當作電源或負荷。

根據CIM對選定主網進行拓撲分析的基本步驟如下：

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

2）設“當前節點”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為根節點原始編號。根據“當前節點”原始編號搜索相連接的支路和開關信息。

3）如果本節點接著一個開關，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點新編號為i，“當前節點”如果還連有其他設備，“當前節點”信息記入堆棧。開關另一側節點的新編號和原始編號賦值給“當前節點”。刪除該開關信息。重復第二步搜索過程。

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

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

6）如果搜索“當前節點”已經找不到相連的設備，堆棧中也沒有數據，搜索完成。

4 等值阻抗求取

網絡拓撲獲取后，利用主網CIM和SCADA系統提供的支路阻抗和節點功率，求取等值阻抗，具體可分為兩步：

1）對主網用牛頓－拉夫遜法進行潮流計算，得到開環點開路電壓；

2）假設開環點連接已知阻抗支路，再次求取合環點節點電壓。

通過對主網進行戴維南等效，得到實時主網的環路阻抗。計算方法如下：

設第一次測得的開環點電壓差為˙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合環分析系統，以廣東省某市紅旗線、前豐線環網聯絡開關合環為算例進行計算。

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點分別依次編號，網絡拓撲描述分別見表1和表2。

其中，監測到紅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SCADA系統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網絡拓撲符合實際運行狀況，紅旗線、前豐線出線上級電網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、前豐線環網合環后的潮流分布，如表3所示，接近實際運行值，滿足工程要求。

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

表2 前豐線網絡拓撲信息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CIM及SCADA數據計算等值阻抗主要用于配電網合環潮流計算。該方法的優越性在于：能夠根據主網傳遞過來的實時數據來迅速分析主網接線狀態，從而得到精確的環網阻抗值，降低了合環潮流計算誤差。依照此原理編制的配電網合環輔助決策軟件，對調度員進行合環操作起到指導作用。

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［8］ Draft IEC 61970，Energy Management System Application Program Interface Part 301：Common Information Model Base［S］.

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