淺談弱環狀配電網的潮流計算

(石河子市國能能源投資有限公司天河分公司，石河子市，832000） 翁 磊

1 配電網潮流計算的現狀和意義

弱環配電網的潮流問題處理最基本和應用較廣的算法是前推回代法和導納求和法，但經典的前推回代法只適用于放射形配電網。為處理環網問題，有人提出了一種基于多端口補償注入電流的弱互聯配電網潮流計算方法；還有人將配電網絡分解為開環運行的放射形網絡和僅保留環狀支路及合環點處電壓源的純環狀網絡，然后分別采用前推回推法和回路分析法進行求解，最后將兩種網絡的計算結果疊加即可計算出整個網絡的潮流。這兩種方法均是以前推回推法為核心基礎，在對環網進行處理的基礎上，實際上兩者所運用的方法在本質上是相同的。

通過對弱環配電網算法的比較認為,基于節點注人電流模型的算法、改進的快速分解算法的迭代穩定性受初值或R/X值影響是其在弱環網潮流分析中很少應用的根本原因，而回路阻抗法雖然穩定性較好、處理多回路能力強,但其存儲量大、處理多電源的能力較弱,且因弱環配電網中環路少而使其多回路處理優勢減弱,故在實際應用中也受到一定限制；法處理多電源的能力較強,但其存儲量大,對復雜配電網需進行大規模矩陣運算,效率不夠高前推回代類算法和導納求和算法及電流求和法處理多電源能力強,占用資源少,且隨著網絡復雜程度的增加計算速度降低不多,是性能優異的弱環配電網的潮流算法,但前推回代類算法比導納求和算法及電流求和法編程簡單,計算速度更快。

當今，各種各樣的用電器出現在人們的生活中，為電力生產和供電行業的電能質量提出了更高的要求。分析、研究配電網的潮流計算目的在于更方便快捷地對配電系統進行管理和控制找到有效的方法。由于配電系統直接面向用戶，所以配電網潮流計算是電網經濟運行、系統分析的重要基礎。配電系統不同于采用多環路環網式結構的高壓輸電系統，配電系統一般采用輻射狀、環狀或網狀等結構方式，絕大多數情況下為輻射狀運行方式。輻射狀結構運行的優點是結構簡單，因此保護裝置的整定也比較簡單，但是也存在不足，因為它的結構屬于單電源供電方式，所以供電可靠性較低。環狀或網狀的運行方式屬于有備用電源的供電方式，正常運行的時候以開環方式工作，此時聯絡開關的兩側都相當于支路的末端，當某個區域停電或出現故障時，聯絡開關自動將環閉合，由另一側反向供電，因此有很高的供電可靠性，尤其在用戶比較密集的城市配電系統中得到廣泛的推廣應用。由于配電網絡結構是從任意給定母線到源節點具有唯一的路徑特征，所以在配電網絡重構時,為減小對用戶的影響而采用“先閉環后開環”的策略改變運行方式來達到優化控制的目的,會出現短暫的弱環網運行的情況。而為改善電壓質量、平衡負荷、提高供電可靠性和經濟性,現代配電網也在嘗試弱環運行。

2 弱環配網潮流計算

考慮到配電網的正常運行時，網孔是開環輻射型的，即使有時為了倒換負荷的需要，出現短時的環路運行狀況，但網孔數一般不會超過一個，而對于少網孔的弱環網處理并不困難，具體做法是：首先將環打開，做環路的處理，假定連接一個純輻射狀網絡的兩條末端母線i和j而形成一條環路，則純輻射狀網絡變成了弱環結構，然后采用前推回推算法一般采用補償方法。

對于輻射型網絡，前推回代法的基本原理是：①假定節點電壓不變，已知網絡末端功率，由網絡末端向首端計算支路功率損耗和支路功率，得到根節點注入功率；②假定支路功率不變，已知根節點電壓，由網絡首端向末端計算支路電壓損耗和節點電壓。前推時，每條支路的功率都由該支路的下一層支路功率決定，回代時，節點電壓都由上一層節點決定。這種特點一方面限制了不同層次間的功率前推和電壓回代不能同時進行，另一方面也說明同一層次的支路功率之間沒有前后關聯，因此同一層次內完全可以實現功率或電壓的并行計算。前推回代法在回代過程中，計算各結點的注入電流，從末梢結點開始，通過對支路電流的求和計算，獲得各條支路的始端電流，同時可能修正結點的電壓；在前推的過程中，利用已經給定的源節點的結點電壓作為邊界條件，計算各支路的電壓降和末端電壓，同時可以修正支路電流；如此重復前推和回代的過程，直到電壓收斂為止。前推實際上是運用各個節點流過的電流和上級電壓算出下一級的電壓。

潮流計算非常重要，因此一直作為電力系統研究的熱點，為了提高計算結果的精度，電力科技工作者先后提出了各種算法。潮流算法的優劣可用以下幾方面進行評判：（1）算法計算速度；（2）算法的收斂性；（3）計算機內存的占有量；（4）程序設計的方便性以及可移植性。電力系統潮流的主要計算方法有：高斯-賽德爾法、牛頓-拉夫遜法、快速解耦法、直流潮流法、最優乘子法和優化潮流。在他們當中，牛頓法最有效，應用的范圍更廣。

經過比較可知前推回代法所需的計算時間短但迭代次數少，牛頓法計算所需時間長但迭代次數遠小于前推回代法。究其原因：牛頓法由于要求解雅可比矩陣因此計算時間較長，當配電網復雜時，前推回代法的迭代次數會成線性增加，所以它比牛頓法迭代的次數多。兩種方法的優缺點：前推回代法具有物理概念簡明、求解過程快捷、收斂性好等優點。但是，前推回代法必須對節點和支路進行編號，這對于大規模配電網和工程實際應用來說是一件很麻煩的事情。此類方法在實際應用中的主要問題，就是在主流程序之外，需額外編制另外一部分程序對回路問題進行特殊處理，因此算法的通用性不強。經典的前推回代法不能用于含有多個回路的配電網絡。由于牛頓-拉夫遜算法具有二階收斂特性，在配電網潮流計算中仍然保持著收斂速度和迭代次數方面的優勢，但是牛頓法潮流計算方法是二階算法，其收斂性受初值影響較大。牛頓法需要求雅可比矩陣，因此運算時間長且占用計算機內存較大

3 結束語

對帶有弱環的配電網潮流計算分析、研究已經取得很大進展，前推回代法是配電網特別是輻射網潮流計算最為有效的方法，并不斷的應用到工作實踐和實際配電網中。它具有收斂性能好、迭代次數少的明顯特點，運算時間短，不需要進行矩陣運算，占用計算機資源少。牛頓法已經成為求解電力系統潮流問題時應用最廣泛的一種方法，而且牛頓法為求解非線性方程組最有效的方法之一。弱環的配電網潮流計算會使現代配電網弱環運行效能優化，從而改善電壓質量、平衡負荷、提高供電可靠性和經濟性。

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