配电网络建模与网络结线分析
关键词 配电管理系统 网络建模 结线分析
DISTRIBUTION NETWORK MODELING AND CONNECTIVITY ANALYSIS
Chen Jingcheng Zhang Xuesong Wang Feng Yu Erkeng
Electric Power Research Institute, State Power Corporation of China
Beijing, 100085 China
Wang Yusheng Zhou Zunguo
Yantai Electrical Power Bureau
Yantai, 264001 China
ABSTRACT The approaches for distribution network modeling and connectivity analysis are presented in this paper. A number of physical models that are designed deliberately for describing distribution feeders, feeder sections, supply sources, etc., are described. These models can help to avoid a vast number of dummy stations and dummy buses in building distribution network database, and can make the users to define the radial network easily and visually. It is shown in a practical engineering application that these approaches are flexible, reasonable and efficient, and they can be applied to the DMS developments.
KEY WORDS distribution management system(DMS); network modeling; connectivity analysis
1 引言
与能量管理系统(EMS)类似，网络建模和结线分析(也称拓扑分析)是配电管理系统(DMS)的基础。但迄今尚无专门研究与探讨适合配电网络结构特点的网络建模方法和在此基础上实现的网络结线分析。目前一些国际著名的DMS产品中，也仍采用与输电网相同的网络数据库结构和建模方法。这样不可避免地带来下列问题。
首先，由于配电网及配电馈线为辐射状结构，为了它的建模必须定义在大量物理上并不存在的“虚电站”和“虚母线”，以描述馈线各元件之间的电气连接，因此必然使配电网络数据库更为庞大，加重用户建立和维护网络数据库的工作量。
其次，在某些DMS应用(如网络重构，故障检测，隔离与恢复，馈线负荷预测)中要求考虑馈线的特定结构和电气接线，然而按上述建模方法建立的网络数据库不能直接提供这些数据。
第三，为了将来与地理信息系统(GIS)和设备管理系统(FM)集成，应该提供在一般意义上设计的适合辐射状配电网络结构特点的统一网络数据库。这些情况说明，对配电网应该采用与输电网有所不同的网络建模方法及结线分析策略，以适应DMS开发的需要。
本文在分析和研究配电网结构特点的基础上，提出了一种适合于配电网的网络建模方法；在数据库结构中，通过定义一些新的物理模型来描述配电馈线、馈线段、电源(输电网部分)，以避免引入大量“虚电站”和“虚母线”，使用户能直观方便地建立网络数据库。在此基础上，实现了配电网络结线分析，根据配电网结构特点，对变电站和馈线开关变位作分别处理，以提高网络结线分析速度和效率。本文提出的方法已在一个实际DMS工程中得到应用。
2 配电网络建模
在EMS网络数据库中，电力系统数据或模型是按层次结构组织的。即公司(CO)包括若干分区(DV)，分区又包括若干电站(ST)和线路(LN)；电站包括若干电压等级(KV)和变压器(XFMR)，电压等级又包括若干元件，如开关(CB)，负荷(LD)，机组(UN)，电容/电抗器(CP)等。元件之间的电气连接由元件的端点或它们之间的公共节点来定义。这样便形成所谓的基于结点的网络模型。
但当上述网络建模方法应用于配电系统时，就有可能存在下列问题。
首先，一条配电馈线可能包括多个分段开关和联络开关，以及数十个甚至数百个馈线段和用户负荷。因此，为了描述这种馈线结构，对馈线段和用户负荷之间的每一个结点都必须引入一个“虚电站”。这种“虚电站”与EMS中的电站不同，物理上它并没有电站的含义，而只对应一个结点，因此使网络数据库十分庞大。
其次，配电系统的运行管理与输电系统有很大不同，例如在输电网中，网损优化主要通过调节无功电源实现，而在配电网中则主要通过合/开馈线上的分段开关和联络开关以改变网络结构来实现。因此在有些DMS应用中，要求提供特定辐射状馈线的结构和电气接线，而这些数据又不能由上述建模方法建立的网络数据库提供。
第三，为了将来与GIS/FM集成，网络数据库必须适应配电网络的结构特点，以有可能直接从FM数据库生成网络数据库，并将网络分析结果送入GIS数据库。
这些情况说明，必须对DMS网络数据库结构进行专门设计。
基于以上考虑，本文提出了一种新的适合配电系统的网络数据库结构。如图1所示。在这种数据库结构中，引入了一些新模型FD、SEC和SO，以分别用来描述配电馈线、馈线段和电源(输电网部分)。与EMS网络数据库比较，这种数据库结构实际上扩展了电压等级的范围，使其进一步包含馈线和馈线段。此外，在馈线与其元件之间定义了一个层次关系，以描述辐射状馈线模型。利用这种建模方法，既可以避免引入大量“虚电站”，又可以提供特定馈线结构。显然，这种数据库结构更适合于DMS。
在图1所示的数据库结构中，馈线类FD的数据包括：馈线标识(ID)、馈线描述(DESCR)、连接变电站(ST)、首端结点(ND)、有功功率(W)、无功功率(R)、电流(I)等等。馈线段SEC的数据包括：线段标识(ID)、线段描述(DESCR)、首端结点(ND)、末端结点(ZND)、线段型号(INTY)、线段长度(LEN)等等。电源类SO的数据包括：电源标识(ID)、电源描述(DESCR)、连接结点(ND)、有功供电功率(W)、无功供电功率(R)、供电电压(V)、 大有功供电功率(WMAX)、 大无功供电功率(RMAX)、 大供电电压(VMAX)、 小供电电压(VMIN)等等。
图1 配电网络数据库结构
Fig.1 Distribution network database structure
应该指出，在图1所示的数据库结构中，电源类SO用来描述配电系统的供电电源，即输电系统部分，它与EMS中将配电系统定义为负荷相互对应。此外，为了描述馈线之间通过联络开关相互连接的连接关系，需要在每一组联络开关的一端与其相应的一个馈线段的一端之间串联一条零阻抗支路，这点与EMS相同。
3 配电网络结线分析
网络结线分析或拓扑分析的主要功能是把上述由用户建立的基于结点的物理模型转换成可供配电潮流、短路计算、网络重构等使用的数学模型。网络结线分析的主要要求是可靠、快速和有效。
网络结线分析分两个步骤：母线分析和电气岛分析。母线分析是将闭合开关联接在一起的结点集合化为母线；电气岛分析是通过线路和变压器将母线联接为岛。其中既有电源又有负荷的岛才有计算意义，称为活岛，否则称为死岛。
虽然从功能、原理和内容上说，配电网络结线分析与输电网络结线分析没有什么本质不同，但是由于配电网络结构与输电网络结构不同，为了提高结线分析的速度和效率，应该充分利用配电网络结构特点和上述网络数据库信息，采用与输电网有所不同的结线分析算法控制策略。
在EMS中，当变电站的所有开关都闭合时，一个电压等级一般只包含一两条母线，因此对开关变位可以将搜索过程限定在电压等级范围之内，以对电压等级内的母线进行重新分配。但在DMS中，一个电压等级可能包括数百条馈线段和数百条母线，某个开关变位只影响很少几个相关的母线重新分配。因此，如果把搜索过程也限定在整个电压等级范围之内，则势必会降低结线分析的速度和效率。
结线分析中的搜索过程实际上是检查某个开关变位是否导致其两端母线的对应变化。当一个开关断开时，如果能在这个开关的两端结点之间通过相邻的闭合开关搜索到另一条连通路径，则网络结线保持不变，否则为该开关一端结点分裂一个条母线。当一个开关闭合时，如果该开关两端结点所对应的母线相同(即在这两个结点之间存在另一条由闭合开关组成的连通路径)，则网络结线保持不变，否则合并这两条母线。
如上所述，配电馈线为辐射状结构，而且馈线分段开关和联络开关为串联分组连接，以与两端馈线段连接。当一个馈线开关断开/闭合时，由于在该开关两端结点之间不存在其它并联开关(或并联开关组)，即在该开关两端结点之间不可能搜索到由其它闭合开关所组成的连通路径，所以必然引起馈线两端母线的分裂/合并。因此可以得出结论：馈线开关变位必然导致网络结线变化。应用这个结论，对馈线开关变位可以省略搜索过程，直接得出母线变化结果，以提高结线分析速度和效率。
配电网络结线分析的程序流程图如图2所示。对每一个开关变位，首先检查该开关是变电站开关还是馈线开关。如果是变电站开关变位，则在变电站内执行宽度优先搜索(从一侧结点开始逐层搜索与各结点相连接的所有闭合开关)，以确定在变电站内是否发生母线变化；如果是馈线开关变位，则直接根据开关状态确定母线变化。即如果馈线开关断开，则为该开关一侧的结点分配一条新母线；如果馈线开关闭合，则将该开关两侧结点的母线合并为一条母线。应用这个简单逻辑，可大大提高网络结线分析的速度和效率。
图2 配电网络结线分析程序流程图
Fig.2 Flow chart for distribution
network connectivity analysis
4 结束语
本文提出一种适合于配电网络结构特点的网络建模方法，通过引入一些新模型来描述配电馈线、馈线段和供电电源，避免了在数据库中定义大量“虚电站”和“虚母线”，使用户能更直观方便地建立网络数据库。在此基础上，实现了配电网络结线分析，对变电站开关变位和馈线开关变位作分别处理，以提高结线分析速度和效率。实际工程应用证明，本文建模方法是合理的也是灵活的，结线分析有效、快速，从而为DMS的研究与开发提供了条件。
陈竟成 博士，高级工程师，从事EMS/DMS应用软件研究与开发工作。
王玉生 硕士，主任工程师，从事电力系统自动化工作。
作者单位：陈竟成 张学松 汪峰 于尔铿（国家电力公司电力科学研究院，100085 北京清河）
王玉生 周尊国（烟台电业局，264001 山东烟台）
参考文献
[1] Cassel W R et al.Distribution management system:functions and payback.IEEE/SM PWRS,1992
[2] 于尔铿，陈竟成，张学松et al.地区电网调度自动化系统的应用功能.电网技术，1998；22(3)
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