考慮約束條件預處理的配電網重構技術

劉文軍（北京密云供電公司，北京102206）

考慮約束條件預處理的配電網重構技術

劉文軍
（北京密云供電公司，北京102206）

支路交換法是配電網正常運行時網絡重構的一種基本方法。工程實際中，應用支路交換法選擇重構方案前需考慮初始化約束條件，包括備選重構支路無過負荷、主變無過負荷、補償度符合要求。提出了一種改進支路算法，將滿足初始化約束條件的所有備選重構支路作為網絡重構可選方案，歸為一類，命名為支路交換子集S。對于子集S中的支路，利用聯絡開關2側電壓差，將重構方案分成2個部分，差值小的可以先合后分，差值大的另一部分，需要先分后合。現場實際運行對該方法進行了驗證，表明該方法能夠滿足實用要求。

配電網；正常運行網絡重構；改進支路交換法；初始化約束條件；補償度

支路交換法作為配電網正常運行網絡重構的一種基本方法，其優點是可以快速確定降低配電網線損的配電網結構，通過啟發式規則減少需要考慮的開關組合，利用公式估算開關操作帶來的線損變化。因此得到了廣泛的應用[1-3]。

實際現場應用支路交換法進行網絡重構時，需考慮初始化約束條件，包括重構后支路和主變無過負荷現象、補償度符合要求（備選重構支路消弧線圈提供的電感電流能夠對網絡電容電流就行足夠的補償，使補償后的殘留仍然是感性的）[4-6]。只有滿足初始化約束條件的備選重構支路才能作為重構可選方案，命名為支路交換子集S；不滿足約束條件的直接排除。

本文提出了一種考慮上述約束條件預處理的改進支路算法，在進行網絡重構前先考慮初始化約束條件，符合要求的才可作為備用方案。進行重構時，利用聯絡開關2側電壓的差，將重構方案分成2個部分，對于電壓差值小的部分，可以先合聯絡開關后斷開故障開關處斷路器，差值大的另一部分，需要先斷開斷路器后閉合聯絡開關[8-10]。與此同時，選擇子集S中電壓降符合要求且網損最小的支路作為最優備選重構線路。這種改進支路法充分考慮了約束條件的限制，減少了備選重構方案的數目，加快了重構速度，提高了算法的計算效率，具有很強的實用性。

1　配電網正常運行網絡重構數學模型

某10 kV配網系統如圖1所示，為了保護整定和故障定位的方便，配電系統一般采用輻射狀網絡結構運行，網內n個10 kV供電子系統之間通過聯絡開關開環運行。

圖1　某10 kV配電系統Fig.1　1　0 kV distribution system

如圖1所示配電網正常運行但存在故障開關4，進行網絡重構時首先搜索出所有可用的備選重構支路集C，判斷C中線路是否滿足下述初始化約束條件：

1）備選重構支路無過負荷現象。

2）備選重構支路主變無過負荷現象。

3）補償度符合要求。即備選重構支路消弧線圈提供的電感電流能夠對網絡電容電流就行足夠的補償，使補償后的殘留仍然是感性的。

將滿足初始化約束條件的備選重構支路作為網絡重構可選方案，命名為支路交換子集S。對于子集S中的所有支路，若聯絡開關處裝有電壓互感器PT，則通過PT測得聯絡開關兩端電壓差ΔU；否則通過潮流計算出ΔU。通過ΔU算得此時沖擊電流IS，如果IS小于給定定值，則先閉合聯絡開關，再跳開故障開關處斷路器。如果IS大于給定定值，則先斷開斷路器，再閉合聯絡開關。

配電網正常運行時網絡重構需要考慮安全性、可靠性和經濟性，具體要求為網損盡可能小、饋線的負荷分配盡可能均衡，電壓質量盡可能提高等。其中網損最小化作為電網運行經濟性的重要指標，可以表示為：

式中：F為重構優化目標函數；i為支路總數；ki對應的支路i的開合狀態；ki=1為該支路是閉合的；ki=0為該支路是打開的；Ii為流經支路i的電流；Ri為支路i的電阻。

本文選擇網損值最小作為優化目標，計算子集S中所有備選重構支路的網損最優指標minF。

將子集S中由ΔU算得的沖擊電流IS小于給定值的所有備選重構線路歸類到組合X中，大于給定值的歸類到組合Y中。分別計算出X和Y中網損值最小的備選重構線路minFX、minFY，比較這2個值得大小，（該值得大小可以根據現場經驗適當調節），則選擇minFY作為最優重構線路，否則選擇minFX。

以上比較網損最優值時還要考慮到重構研究的網絡特點，需要滿足以下的約束條件:

1.1配電網輻射狀運行的約束

配電網中不存在環網，并且配電網中每一個負荷點都被供電，即不存在電力孤點。

1.2節點電壓約束

對于所有備選重構線路，由于用電設備的容許電壓偏移為±5%，為保證供電質量，需要考核配網的供電末端節點電壓值不能超越規定的上下限。

Vimin

2　改進支路交換算法

2.1初始化約束條件介紹

2.1.1備選重構支路無過負荷現象

重構后的網絡不能引起支路過負荷，也就是線路容量的約束，即：

式中:Si為支路i的實際傳輸功率；Simax為支路i能提供的最大容量。

2.1.2備選重構支路主變無過負荷現象

如上述所示，若選擇與故障開關所處不同段母線的支路作為重構線路，則重構后的網絡也不能引起主變容量過負荷。

2.1.3補償度符合要求

隨著城市電網的快速發展，電纜線路的比重增大，特別是大型民用建筑及住宅小區中，要求全部采用電纜供配電。而一般情況下電纜的電容電流比同長度架空線路的大25（三芯電纜）到50倍（單芯），使電網的電容電流達到30～70 A。按規定，對于10 kV供電系統，當全系統的電容電流超過20 A時應該裝設消弧線圈。

采用中性點經消弧線圈接地形式時，可以在正常情況下實時測量流過消弧線圈電流的幅值和相位變換，計算出電網當前方式下的接地電容電流值，故障開關點的殘留可以被限制在設定的范圍內。而消弧線圈容量主要根據系統正常運行但存在故障開關時的電容電流的大小來確定，并應留一定裕度，以適應系統今后的發展和滿足設備裕度的要求。

一般情況下，消弧線圈的容量可按式（2）確定：

式中：Q為消弧線圈的容量，kV·A；Un為系統標準電壓，kV；IC為對地電容電流，A。

可見，消弧線圈容量的選擇首先由電網的電容電流確定，對于改造工程，IC以實測值為依據，對于新建工程，則根據配電網絡的規劃、設計資料進行估算。

消弧線圈的補償方式分為過補償，欠補償和全補償3種，實際中要求采用過補償方式運行。

在系統正常運行進行網絡重構需要啟用備用電源或進行負荷轉移時，如果備選重構路徑消弧線圈容量不夠大，不足以補償全系統電容電流時，容易出現欠補償和全補償，這在工程實際中是不允許的。因此，將補償度作為配電網絡重構的一個約束條件是很有必要的，我們定義：補償度來表示備選重構徑中由消弧線圈容量所確定的IL大于IC∑的程度。

若P>0，則備選重構路徑消弧線圈提供的電感電流能夠對網絡電容電流就行足夠的補償，使補償后的殘留仍然是感性的。實際中過補償不能選的太大，一般選擇補償度P=5%～10%，而不大于10%。

若P≤0，則網絡全電容電流大于備選重構路徑能提供的最大電感電流，此時該備選重構支路不能作為網絡重構方案，應排除掉。

2.2支路交換法介紹

支路交換法是由S.Civanlar等人[5-6]最先提出的，該方法首先計算配電網的初始潮流和網損，利用潮流計算的結果將負荷表示為恒定電流，每次只合上一個聯絡開關，在配電網中形成一個環網;選擇環網中的一個分段開關并將其打開使配電網恢復為輻射狀，從而實現負荷轉移，達到負荷均衡和降低網損的目的。為了保證開關交換使網損下降，S.Civanlar等人給出了一個估計支路交換前后網損變化的公式:

式中：D為發生負荷轉移的節點集合；Rloop為合上聯絡開關后形成環網的總電阻。

2.3改進支路交換算法重構步驟

第一步：策略搜索選擇并判斷初始化約束條件

當配網正常運行但存在故障開關時，首先搜索出所有可用的備選重構線路集C。

如2.1節所述，判斷C中線路是否符合初始化約束條件，將滿足條件的歸到支路交換子集S中。

第二步：計算各備選重構線路相關值

（1）對于子集S中的所有支路，若聯絡開關處裝有電壓互感器PT，則通過PT測得聯絡開關兩端電壓差△U觶；否則通過潮流計算出△U觶。通過△U觶算得此時沖擊電流I觶S，如果I觶S小于給定定值，則先閉合聯絡開關，再跳開故障開關處斷路器。如果I觶S大于給定定值，則先斷開斷路器，再閉合聯絡開關。

（2）對上述所有備選重構支路進行潮流計算，采用比較常用的“功率前推電壓后代”法對故障開關下游區進行各點功率和電壓的計算。選擇各節點電壓均在正常±5%Un范圍內的備選重構線路。

此時將支路交換子集S中的備選重構線路按電壓滿足約束條件，網損值從小到大排列。

第三步：比較組合X、組合Y中網損最優指標minF

將子集S中由△U觶算得的沖擊電流I觶S小于給定值的所有備選重構線路歸類到組合X中，大于給定值的歸類到組合Y中。分別計算出X和Y中網損值最小的備選重構線路minFX、minFY，比較這2個值得大小，（該值得大小可以根據現場經驗適當調節），則選擇minFY作為最優重構線路，先斷開斷路器，再合適聯絡開關；否則選擇minFX，操作與之相反。

3　算例

本文提出的方法已在現場得到了實際應用。如圖2所示，該配電網為10 kV系統，正陽線為電纜線路，從順城變電站引出，長約1 400 m。萬壽線為架空線路，從順城變電站引出，主干線桿塔98根。遼藝線為架空線路，從順城變電站引出，主干線桿塔46根。萬中線為架空線路，從萬柳變電站引出，主干線桿塔49根。正陽線、萬壽線、遼藝線從同一條母線引出。

圖2　現場網絡拓撲圖Fig.2　The network topology of distribution system on site

負荷情況為：

正陽線：1號環網柜接負荷762.1+j571.6 kW，2號環網柜接負荷595.8+j446.9 kW，萬中線42號桿接負荷318.7+j239.0 kW。

萬壽線：25號桿接負荷457.2+j342.9 kW，44號桿接負荷859.1+j644.3 kW，53號桿接負荷484.9+ j363.7 kW。

遼藝線：18號桿接負荷304.8+j228.6 kW，26號桿接負荷497.7+j373.2 kW，萬壽線71號桿接負荷512.5+j384.3 kW。

萬中線：15號桿接負荷748.2+j561.2 kW。

萬壽線：由青年站供電部分（71號桿接負荷623.5+ j467.6 kW）。

如圖2所示，當萬壽線33號桿前發生單相接地故障后，通過策略搜索得到故障下游區所有備用供電恢復線路為：

1）遼藝線重構。

2）正陽線重構。

3）萬中線重構。

4）青年變電站重構。取系統額定電壓為10 kV， LGJ-240導線參數r=0.132 Ω/km，x=0.159 Ω/km。

對上述備選供電恢復線路進行潮流計算，計算結果如表1所示。

表1　各供電恢復線路數據Tab.1Data of each power restored line

分析表中數據可得：4條備選供電恢復線路電壓降指標都滿足要求，網損值由小到大的順序為：萬中線、遼藝線、正陽線、青年變電站。優先選擇與故障線路所處母線合環運行的分支電路，即群A中的線路。算例中為遼藝線和正陽線。雖然萬中線的網損值小于遼藝線，但而且未出現過負荷情況，所以選擇遼藝線作為該網絡重構線路，操作時先閉合母線聯絡開關（62號），再斷開故障處斷路器（33號），從而保證萬壽線負荷不會停電。

4　結語

本文針對配電網單相接地故障網絡重構，提出了一種改進支路交換算法。將所有備選供電恢復線路分為2個群，優先選擇與故障線路所處母線合環運行的所有分支電路，將其中網損值最小的線路作為重構線路。這種改進支路算法充分利用了單相接地故障的特點，在供電恢復過程中不會停電，提高了供電可靠性。現場試驗數據充分驗證了該方法的正確性與可行性。

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（編輯黃晶）

Distribution Network Reconfiguration Based on Preprocessing of Constraint Conditions

LIU Wenjun
（Beijing Miyuan Power Supply Company，Beijing 102206，China）

The branch exchange method is a basic method for network reconfiguration for the distribution network in normal operation.In engineering practice，selection of the reconfiguration scheme by the branch exchange method should consider the many initial constraints，including no overload in the branch to be reconfigured，no overload on the transformer and compensation degree meeting the requirement.This paper proposes an improved branch exchange algorithm，by which all the branches available for reconfiguration which meet the initial constraints are considered as network reconfiguration options，which can be classified into one class，and named Subset S. For all the branches in Subset S，the reconfiguration scheme can be divided into two parts according to the voltage difference at the two sides of the contact switch.For the small voltage difference，the switch can be closed before opened，while for the big one，opened before closed.The method is verified by the actual operation in the field，indicating that the method can meet the practical requirements.

distribution network；normal operation network reconfiguration；improved branch exchange method；initialization constraint condition；compensation degree

1674-3814（2015）07-0064-05中圖分類號：TM727

A

2014-12-30。

劉文軍（1977—），男，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向為電力系統分析與控制、配電網自動化等。