基于數字孿生的配電網潮流網絡模型構建研究

李林

（江蘇電力信息技術有限公司，江蘇南京 210024）

在配電網絡中，中性線和反復接地是配電網不均衡電流的主要來源，這對于提高電能質量、配電安全、敏感性起著十分重要的作用。由于電力系統中有大量的中性線路和重復接地裝置，所以在配網的設計和應用中，中性線路和重復接地的電壓也是一個很重要的物理指標。目前，將中性線路和重復接地裝置納入考慮范圍之內。

文獻[1]提出了一種充分考慮中性線路影響的節點注入電流方程方法，通過在檢測節點中注入電流的方式，計算通過中性線路的潮流。雖然使用該方法充分考慮了中性線路影響，但缺少對重復接地裝置的研究。文獻[2]提出了一種前推回代法，該方法充分考慮大地導體影響，構建支路電壓、節點注入電流方程，使用前推回代法求解該方程。通過該方法能夠獲取精準電壓數值，但是隨著不對稱電流分布的不同，導致計算結果不精準。針對這些問題，提出了基于數字孿生的配電網潮流網絡模型構建研究方法。

1 基于數字孿生的配電網魯棒最優潮流計算

構建的配電網數字孿生技術架構是一種仿真模擬結構，通過傳感器傳輸的各種信息和歷史資料來反映電力系統的實時狀況和演變趨勢[3]。配電網數字孿生技術架構如圖1 所示。

圖1 配電網數字孿生技術架構

數字孿生技術是利用網絡中的數據，實現對配電網網絡的實時優化，從而實現對配電網魯棒最優潮流計算分析[4-6]。配電網魯棒最優潮流是以配電網網損與配電網總電力消耗總和為最優，其最優潮流模型是：

式中，δ表示網損單價；in-m,t表示時間t下線路nm的購電單價；rn-m表示線路nm電阻；sx表示調度時間段集合；sn表示節點集合；sm(n)表示線路nm的節點集合[7]。在配電網絡中，提供一定無功支持的電儲能系統。結合式（1）為所提供的最優潮流模型，構建決策函數，通過判定式（2）來確定最佳的潮流模型的操作總費用，其可表達為：

2 網絡模型構建

配電網潮流網絡模型構建步驟如下：

步驟1：配電網潮流網絡拓撲結構分析10 kV 配電網絡以輻射方式工作，以簡化對保護的要求。在實際運行中，10 kV 配電網不像輸電網以點為單位，而是以平面形式存在，其負載節點數目龐大[14]。然而，配電網具有閉環、開環的特點，在某些場合，比如饋線間的負荷平衡必須進行轉換，如此會產生暫時的雙重供電或者閉環供電情況。配電網潮流網絡拓撲結構如圖2 所示。

圖2 配電網潮流網絡拓撲結構

在拓撲結構中，電源點、T 接點、線段兩端的點和連接變壓器的點，都可以看作是一個節點。但是，在常規情況下，該系統是以開環方式進行的，多個供電線路由一個常開式連接開關連接。在潮流計算中，電源點被用作均衡或根節點，饋線的總體拓撲為輻射型[15]。

步驟2：假定在配電網絡中存在兩個切換狀態為斷開狀態，為了判斷切換狀態變化后的連接系統的范圍，首先在切換狀態矩陣中尋找相應的切換器，從而確定在切換狀態下的兩側節點，因為在切換側的節點分支沒有電力流通，因此在基礎結構矩陣中的每一行都設置為0[16]。

步驟3：將各功率點從開關量矩陣中提取出來，由電源點出發，按照網絡結構矩陣查找各節點。若由節點i查找節點j，則第i線的j不會改變，將網絡結構矩陣的第j線設定為0，當從節點j進行搜尋時，則忽略該節點i。在對一個節點進行查找時，結構矩陣中對應的數據單元都是0。若所搜尋的節點與各行列饋線的末端相等，則停止搜尋。通過對網絡基礎結構矩陣的修正，可以構造出曲線結構矩陣，從而決定切換后各個分支的潮流走向。

在切換時，電流的分配也會隨之變化，由此可以反映出目前的各個分支線路潮流走向，進而求出各個分支的電流。由潮流分布所決定的節點，也可反映出網絡的T 接點間的層級關系。潮流計算以末級分支中的最終節點為出發點，因為只有輸入方的能量才能到達，所以在矩陣中，每個節點的每一行元素都是0，并以此為前提，開始對任何一級分支潮流進行計算。

步驟4：采用以下公式計算節點分支電流Ib：

式中，C表示配電網線路中的回路函數；rL表示節點注入電流后線路的阻抗函數；iN表示注入的N階電流函數；T′表示支路-道路關聯函數；e表示電動勢資源列向量。

步驟5：當配電網注入電流后，計算節點處的電壓值，針對各個支路電流值，計算相應的電壓值，公式為：

步驟6：若兩次迭代的電壓偏離值均超出可接受范圍，則重復步驟3-4，否則轉到步驟7。

步驟7：如果兩個相鄰的迭代節點中的電壓誤差都不在容許的范圍之內，則對節點的無功功率進行修正，重復步驟4-5，否則轉到步驟8。

步驟8：計算并輸出相關結果。利用關聯后的特征數據，構建數字孿生潮流網絡模型，如圖3 所示。

圖3 數字孿生潮流網絡模型

由圖3 可知，該模型結合動靜態屬性數據，對各種數據進行監測，能夠較好地適應配電網實際需求。

3 實 驗

為了驗證基于數字孿生的配電網潮流網絡模型構建的有效性，對不同方法進行實驗研究。

3.1 實驗平臺及過程

在配電網中存在大量感性負荷，將低壓電容器和配電變壓器連接起來，配電網結構如圖4 所示。

圖4 配電網結構

由圖4 可知，該配電網共存在90 個負荷端點和90 個單相負荷，支路均為架空導線支路。

實驗過程主要是對以下四個算例進行實驗測試：

算例1：充分考慮平衡負荷端點外所有端點接地和不接地的情況；

算例2：充分考慮端點23、32、40、43、57、60、65、80 等八個端點，存在重復接地的情況；

算例3：充分考慮端點9、11、25、45、64、73 等六個端點，存在重復接地的情況；

算例4：充分考慮端點10、12、31、42 等四個端點，存在重復接地的情況；

3.2 收斂性測試結果與分析

分別使用節點注入電流法、前推回代法、數字孿生對比分析收斂次數，對比結果如表1 所示。

表1 三種方法收斂次數對比分析

由表1 可知，隨著重復接地阻抗的增加，使用注入電流法、前推回代法收斂性都變差，甚至出現了不收斂現象；而使用數字孿生法收斂次數較多，明顯優于前兩種方法。

為了進一步驗證所研究方法收斂性較好，分別采用這三種方法對比分析收斂時間，三種方法收斂時間對比結果如表2 所示。

表2 三種方法收斂時間對比分析

由表2 可知，隨著重復接地阻抗的增加，使用注入電流法、前推回代法收斂時間較長，最長時間分別為21.32 s 和17.10 s，使用數字孿生法收斂時間較短，最短為1.30 s，由此可知，使用數字孿生法收斂性較好。

4 結束語

當前，配電網絡中有關的檔案類數據分布在不同的專業信息系統中，這對建立和使用配電網的數字孿生計算模型產生了一定的負面影響。為此，對配電網絡進行多維數據的整合和共享，并對其進行進一步的優化。