基于CYME 軟件的城市配電網規劃仿真

劉煌煌，劉前進，陳柔伊，于 力

（1.華南理工大學電力學院，廣州510640；2.南方電網科學研究院有限責任公司，廣州510080）

隨著經濟發展，電力需求量急劇增長，配電網結構日趨復雜，用戶對電能質量要求越來越高。在配電網結構復雜、負荷信息時刻變化和設備繁多的情況下，如何提高配電網規劃的效率，保證設備運行的安全性和經濟性，是國內在配電網規劃和改造中面臨的一個主要問題[1-3]。

目前，國內外城市配電網規劃大多利用相應軟件進行，但存在以下兩方面的問題[4]：第1，部分軟件的功能集中在應用管理信息系統的層面，缺少較為全面的規劃分析功能；第2，大部分軟件運用上需要較多的人工干預和手動操作，自動化程度低。

加拿大電力系統分析軟件CYME 是協助輸電、配電和工業領域的電力工程師進行電網規劃的一款強大的、成套的、先進的模擬仿真工具。該軟件具備電網分析能力及方案規劃、案例研究功能，不僅有助于電氣工程師解決在電網規劃和運行管理中存在的問題，還可以準確地評估系統現在或將來的狀態，從而對系統進行改進或重新配置。CYMDIST（distribution system analysis）軟件包可對整個配電網（包括變電站和子電網）進行全面的建模和優化，不僅可以提高配網規劃的效率、節省操作和投資支出、降低網損、延長設備資產壽命，還可以提供配電網故障的快速解決方案，提高規劃人員的協作性和規劃能力。

本文運用CYME 軟件CYMDIST 模塊對廣東省佛山市某區的配電網絡進行規劃建模仿真，應用結果表明，該軟件模塊在對配網系統進行規劃和分析方面具有準確度高、可靠性好、實用性強的優良性能，只需搭建一次模型，就可以在該模型的基礎上進行配電網規劃的各類仿真分析，其中適用于配電網規劃的功能包括：鋪置地理圖、變電站及子網絡和分布式電源的建模、平衡或不平衡系統各相電壓降計算、故障計算（故障電流及故障電壓）、潮流分析、負荷配置及平衡、負荷增長和網絡預測分析優化、可靠性評估、預想事故分析、電容器優化配置、開關策略優化等。限于篇幅，本文僅列舉部分仿真功能和結果進行分析。

1 城市配電網規劃現狀

城市配電網規劃以分析研究現狀及負荷增長為基礎，在盡可能滿足未來用戶容量和電能質量條件下，按照規劃方案實施使電力公司及其有關部門獲得的經濟和社會效益。

大規模城鄉電網規劃建設改造方式主要按現狀分析、負荷預測、變電站及網絡規劃等主要傳統步驟進行[5]。傳統規劃步驟具有一定的復雜性，需要各個部門配合才能做好規劃工作，但是市政規劃、電力企業等部門規模龐大，工作往往缺乏協調性[6-7]。如今，城市配電網規劃常用的方法分3 類[8]：一是手工規劃，二是手工規劃結合潮流、短路等技術校驗，三是規劃軟件為主結合專家干預。第1 類完全依賴規劃人員個人經驗和局部計算來進行，可以在有限條件下解決負荷增加、線路過載、電壓偏低等問題，該方法局限于定性分析，工作量大且易出錯，規劃結果質量較低；第2 類主要依賴規劃人員的知識經驗，除了定性分析之外，一般能提供規劃方案的潮流及短路定量計算分析，該方法工作量大，也易出錯，但規劃結果質量有了較大的提高；第3 類主要依賴現代規劃軟件的功能及規劃人員的經驗，該方法有較豐富的定量分析比較手段，規劃結果質量較好。

現階段，國內的電力規劃設計部門主要采用人工選址方法進行變電站選址，配電網結構規劃建設和改造始終缺乏科學、合理地安排[9]。當負荷需求大幅上升時，通常新建變電站以滿足一時的應急需求，這樣不僅造成電力供應區域重疊、分布無序，還使投入的資金難以發揮應有的效益，給配電網運行帶來隱患。

2 配電網規劃存在的問題

在電力工業發展的過程中，我國電網的投資規模遠遠小于發達國家水平，尤其是配電網較為落后，致使大多數配電系統網架薄弱[10]。隨時間的推移，配電系統面臨的問題將更加嚴峻。配電網是電力系統的重要組成部分，其投資比例大約占整個電網投資的40%，特別是對于采用地下電纜的城市配電網比例更大。再者，配電網電壓低且分布廣，相對于輸電網有更多網絡損耗，最高可達整個網絡的85%。因此優化規劃設計、提高規劃效率、降低投資和運行費用，具有顯著的經濟意義。

隨著配電網改造投資比例的逐漸加大，城市電網規劃工作迎來了新的挑戰。首先，電網規劃建設與城市規劃同步進行，如何友好地相互配合成為未來城網規劃必須解決的問題[11-12]。其次，電力企業日益注重自身的經濟效益和投資回報，使得配電網規劃工作的地位越來越高。以上兩方面的轉變，既為城網規劃工作提供了有利條件，同時也使之成為緊迫的任務。因此，結合當前國情深入地研究滿足實際要求的城市電網規劃理論、開展城市電網規劃技術研究、開發和引進專業的配電網規劃軟件，不僅是我國城市電網規劃建設的迫切需求，也是今后可持續發展的重要科學手段，CYME 軟件正是在這樣的背景下引入國內的。

3 CYME 軟件的特點

3.1 CYME 簡介

CYME 是一套專業的電力工程軟件，它以個人計算機及Microsoft Windows（R）為操作平臺，結合優異的分析能力與先進的界面技術，是針對電力配電系統，輸電系統，和工業電力系統的高級分析軟件。該軟件包含了以下5 個軟件包[13]：

（1）CYMDIST（distribution system analysis）——一次配電系統分析軟件，用于電力配電系統規劃優化、故障分析和供電恢復、輸電系統和工業電網絡分析、簡報、潮流、電壓降等功能，并且可透過與CYMTCC 的界面執行保護裝置協調。

（2）CYMTCC（protectivedevicecoordination）——保護裝置的協調分析軟件，主要是用于對饋線上的保護設備進行分析，生成時間匹配曲線。

（3）CYMGRD（substation grounding）——變電所接地網絡的設計，主要用于變電站接地分析[14-15]。

（4）CYMCAP （power cable ampacity calculations）——電力電纜安培容量計算，主要用于電纜實時載流和預期壽命分析。

（5）MARS（management，assessment and restoration of service）——復電策略軟件。MARS 是一款基于Windows 的創新軟件，用于設計一個綜合的復電策略最佳方案，恢復一些由于人力不可抗拒的因數造成的斷電，諸如大風雪、暴風雨、洪水、地震、主要輸電線或變電所因事故斷電停供等破壞性事件。

3.2 CYMDIST 功能模塊

全世界范圍內已有超過250 家的CYMDIST用戶，該軟件模塊可以對配電系統進行建模仿真和分析，是一款集成、綜合、靈活的快速分析工具，提供主流GIS 系統的軟件接口（CYMDIST-Gateway），包括用戶企業數據庫的通用接口、定制的用戶GIS 系統鏈接等功能，可以從GIS 數據庫中提取電網連接，并映射至CYMDIST 模型中的所有相關設備，在北美被廣泛運用于配電系統規劃中[16]。CYMDIST 軟件模塊主要具備以下幾個功能[13-16]：

（1）可對一次和二次配電網進行分析，其模型適合各種配電網架構，包括了平衡/不平衡三相電網、兩相電網、單相電網以及輻射形電網、環網、網格形網。

（2）針對同一配電網，可以建立并管理各種不同時間場景，分析結果可以任意定制；對各種假設案例（預案）的研究特別強大，可以創建、瀏覽、修改各種隨時間變化的項目，可對項目在指定時間段的行為進行各種仿真和研究。

（3）最優化電容器位置和容量，減少網絡損耗，改善電壓分布；平衡負荷，減少網損；負荷分配預測，可依據客戶用電量，配電變壓器容量，實際消耗電量或REA（resource-event-agent）方法進行預測；電動機啟動分析（電壓驟降和最大允許電動機啟動容量）。

（4）靈活的負荷模型，包括了分布式負荷與集中式負荷，能對每個區段建立獨立的或混合的負荷模型；負荷的多年增長預測及負荷轉移仿真，優化電網聯結點（tie points），相合并功能。

（5）可靠性分析（基于預測性數據或歷史性數據）；預想事故分析（負荷恢復）；對指定區段進行自動導線重選或相重組優化；保護設備整定驗證。

（6）分布式電源接入。

因此，結合CYME 軟件的相關優點，開展基于CYME 的城市配電網的規劃建模技術的研究，可以避免傳統城市配網規劃方法的缺點，提高規劃的效率和可靠性，不僅可以滿足不同城市區域對供電可靠性的需求，保障配電網的安全運行，減少事故損失，確?，F代化城市的正常運作，還能節省投資、提升用戶滿意度，為未來城市配電系統的建設與發展奠定基礎性理論和工程應用基礎[17]。

4 基于CYME 的規劃建模與仿真

4.1 配電網建模

本文通過簡化廣東省佛山市某區10 kV 以下的配電網絡，運用CYME 軟件CYMDIST 模塊對該區進行建模。該區實際配電網絡簡化后的拓撲結構模型，如圖1 所示。

圖1 廣東省佛山市某區配電網絡的簡化拓撲結構Fig.1 Simplified topological structure of distribution network of a certain district in Foshan City，Guangdong Province

本區域在建模過程中，110 kV 及220 kV 變電站均簡化為10 kV 出線的等效電源，如圖1 所示的節點1、2、3、4、56 為變電站簡化等效后的電源點，其余節點均為負荷節點。為了便于計算，本算例搭建的配電網絡線路均采用型號為YJV22-3×300 的地下電力電纜；整合負荷節點的配電變壓器容量后，各負荷節點均取平均負荷進行潮流計算。對應于配電網規劃一般步驟中的電氣潮流計算、無功補償規劃、三相負荷不平衡分析，下面以CYME 軟件CYMDIST 模塊規劃功能中的潮流分析計算、電容器優化配置、負荷平衡為例進行仿真研究。

4.2 潮流分析設置步驟

潮流分析是對任何電力系統，包括配電系統、輸電系統和工業用電系統，進行規劃、設計和運行分析的基礎，目的在于評估電網在各種不同運行條件下的穩態表現。本文在CYME 軟件CYMDIST模塊中搭建廣東電網某區實際配電網模型，實現了整個區域配電網的潮流計算分析。

1）參數選卡

本算例采用不平衡電壓降迭代法進行計算，收斂誤差為0.01%（V），最大迭代次數為60。考慮所有約束使潮流計算計及所有發電設備無功輸出約束，以及所有調壓變壓器的調接頭范圍約束。對所有負荷與發電設備調整因子選擇按照定義，即所有設備輸入的有功和無功量將會被應用在潮流分析中。負荷模型采用ZIP，其等同于使用nP、nQ冪函數負荷模型，電壓閾值Vz對所有負荷類型均設為80%的額定電壓值。

2）系統及控制選卡

對于系統控制選卡，選中該區所屬的所有變電站等效電源?？刂七x卡選擇所有電容器、發電機和電動機，并對變壓器調接頭控制選擇正常操作。

3）負載/電壓限值選卡

選擇規劃工況類限值，使相應的負載容量限值欄允許輸入各個設備的限值。在設備額定條件中選中夏季，激活所有設備的夏季額定數據。設置電壓限值為規劃工況限值，即過電壓限值為105%額定值，欠電壓限值為95%額定值。

該模型完成上述設置后，即可運行實現潮流計算分析。其中，潮流分析設置基本流程[18]如圖2所示。

4.3 仿真潮流分析結果

圖2 潮流分析流程Fig.2 Flow chart of load flow analysis

在迭代報告選項中，選中所需的各種潮流結果報表。本算例中選擇輸出的報表為潮流-電壓異常區域（load flow-abnormal voltage areas）、潮流-詳表（load flow-detailed）、潮流-饋線負載（load flowfeeder loading）、潮流-過載導線（load flowoverloaded conductors）、潮流-總結（load flow–summary report）。其中該區按廣州地區1～10 kV 商業電度電價（即0.963 5 元/kW·h）計算，轉換為CYME軟件中的單位為0.154 7$/kW·h。由于篇幅限制，本文僅列出如表1～表3 所示的潮流分析報表。

由表1 可知，潮流分析匯總報表給出了電源、負荷、電容器、電纜電容等部分的潮流計算結果，包括有功功率、無功功率、視在功率及功率因數，基本滿足潮流計算的需求。表2 給出了該模型的預想事故仿真分析結果。網絡預想的異常狀況包括過載、欠電壓及過電壓故障，分析結果包括預想故障的相序、累計次數、最壞狀況的位置及相應的過載率、欠電壓和過電壓的概率。通過該分析結果，規劃人員可以提前制定措施，避免網絡運行存在隱患而造成故障。由表3 可知，通過仿真可以準確地計算出系統的架空線損耗、電纜損耗及變壓器損耗，并通過自定義的電價得出各類網損造成的年度經濟損失。本算例僅考慮采用電纜鋪線的10 kV 以下配電網絡，且變壓器由等效電源替代，故仿真結果僅給出電纜損耗。

表1 潮流分析匯總報表Tab.1 Total summary report of load flow

表2 預想事故報表Tab.2 Forecast accident report

表3 經濟損失報表Tab.3 Economic loss report

4.4 電容器優化配置

根據用戶定義的目標，電容優化配置功能可在故障饋線最優位置上安裝電容器組，優化線路潮流分布，降低有功網損或者提高系統電壓。由于電纜阻抗較小，不宜做電容補償實驗，因此在本算例中將負荷節點34、35、36、37 所在的電纜饋線均替換成型號為JKLYJ-240 架空線，使饋線出現低電壓故障。為解決上述低電壓問題，需進行電容器最優選址分析，改善電壓分布。本算例將配網規劃欠電壓限值設置為97.5%的額定值，門檻電壓為0.98 kV，目標電壓為10 kV，當饋線電壓小于門檻電壓值時，啟動電容器組分析程序；忽略所有單相和兩相線路段，設置投切電容的最小容量為1 kvar/相，最大容量為200 kvar/相，容量增量為1 kvar/相，且電容器組只在一個地方安裝；根據界面顯示數值在負載水平選卡下設置饋線負荷水平，該設置將影響符合各種線路負荷條件所需的固定電容器和投切電容器的容量。

運行電容器最優選址分析后，結果選卡下的樹形列表會顯示電容器組的最優安裝地點的建議，相應電容器組安裝信息會顯示軟件建議的電容器組容量（包括固定容量和可投切容量）、網損降低的有功功率數、電壓提高增量、功率因數修正量等，電容器組安裝信息參見表4。滿負荷狀態下安裝電容器組后，再次運行潮流分析，可以注意到電容器組的接入消除了饋線上的欠電壓問題。比較電容器組接入前后該饋線從電源點一直到最尾端區段電壓分布圖的不同，參見圖3 和圖4 所示。

表4 電容器組安裝信息Tab.4 Installation information of capacitor banks

圖3 電容器優化配置前的饋線電壓分布Fig.3 Feeder voltage profile before capacitanceoptimal placement

圖4 電容器優化配置后的饋線電壓分布Fig.4 Feeder voltage profile before capacitance optimalplacement

由于饋線三相負荷處于平衡狀態，因此A、B、C 三相電壓的分布曲線重合為一條曲線。對比圖3和圖4 可知，運行電容優化配置前，三相電壓隨著饋線離電源點距離的增加而遞減至欠電壓限值以下；經過電容優化配置后，饋線三相電壓的變化量隨著饋線離電源點距離的增加而維持在1%以內波動，從而消除了饋線欠電壓的故障。

4.5 負荷平衡分析

負荷平衡分析功能可以根據用戶定義的目標識別三相負荷不平衡故障，實現導體換相或者負荷換相。其中用戶定義的目標包括：最小化有功網損、平衡負荷及平衡電流和電壓。本算例設置節點34、35、36 均帶A 相負荷，且S34A=S35A=S36A=500 kVA，從而負荷節點34、35、36 將出現三相不平衡的故障。選擇平衡電流作為目標函數，設置最小平衡電流為1 A，最小電流不平衡因子為2%。運行負荷平衡分析功能，識別出所有可能執行換相的導體，每一個換相步驟建議包括負荷轉移量和總網損減少量。運行負荷平衡分析功能，生成的具體報表如表5 和表6 所示。

表5 負荷平衡換相建議表Tab.5 Load balancing re-phasing suggestion

表6 負荷平衡換相前后參數對比表Tab.6 Contrast of load balancing parameters before and after phase shifting

5 結語

本文運用CYME 軟件CYMDIST 模塊對佛山某區配電網進行規劃建模，舉例實現了潮流計算分析、電容器優化配置及負荷平衡分析3 種仿真功能，相當于在配電網規劃的一般步驟中起到了電氣潮流計算、無功補償規劃、三相負荷不平衡分析的作用，并取得了良好的效果，符合實際規劃情況。應用結果表明，該軟件與其他規劃仿真軟件相比，只需建立一次模型便可滿足配電網規劃所需的各類仿真，具有強大的配電網規劃分析功能，對配電網能進行精確的潮流計算分析，可以對過載、高電壓、低電壓等非正常故障狀況進行預測，實現電容優化配置、負荷平衡換相等功能；對系統損耗包括線路損耗、變壓器損耗等造成的年經濟損失可以進行量化的預估等。綜上所述，CYME 軟件為配電網規劃帶來了便利，提高了配網規劃效率和能力，為未來配電網的智能化、效率化奠定了堅實的基礎。

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