一種配電網(wǎng)故障恢復(fù)快速拓?fù)浜统绷饔?jì)算方法

范瑞娟1，王 倩1，羅 強(qiáng)2

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一種配電網(wǎng)故障恢復(fù)快速拓?fù)浜统绷饔?jì)算方法

范瑞娟，王 倩，羅 強(qiáng)

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

針對配電網(wǎng)故障恢復(fù)的特點(diǎn)，提出了一種快速拓?fù)浞治龊统绷饔?jì)算方法。首先利用SQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲配網(wǎng)的連接關(guān)系和節(jié)點(diǎn)、支路信息，方便數(shù)據(jù)維護(hù)，提高拓?fù)渲貥?gòu)的靈活性，在故障分析時，將數(shù)據(jù)庫中的配網(wǎng)信息加載到內(nèi)存中形成面向?qū)ο蟮膶?shí)時數(shù)據(jù)庫。然后運(yùn)用廣度優(yōu)先搜索法進(jìn)行拓?fù)浞治?，并結(jié)合前推回代法進(jìn)行潮流計(jì)算。最后采用基于QT的 C++實(shí)現(xiàn)用GUI界面顯示拓?fù)浜统绷饔?jì)算結(jié)果。結(jié)果表明：該算法能快速正確檢測配網(wǎng)的連通性、判斷是否存在環(huán)路或孤島；同時具有良好的數(shù)據(jù)維護(hù)性，計(jì)算速度快。

配電網(wǎng)故障恢復(fù)；面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫；廣度優(yōu)先搜索法；前推回代法；GUI

0 引言

配電網(wǎng)故障恢復(fù)是發(fā)生故障時，搜索開關(guān)操作策略，恢復(fù)對非故障停電區(qū)的供電，而開關(guān)狀態(tài)改變使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和潮流方向發(fā)生變化。因此，拓?fù)浞治龊统绷饔?jì)算在故障恢復(fù)中不斷被調(diào)用判斷網(wǎng)絡(luò)能否正常運(yùn)行，是實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)的基礎(chǔ)。

配電網(wǎng)拓?fù)浞治霾粌H要反映網(wǎng)絡(luò)的連接關(guān)系還要得出潮流方向和層次關(guān)系，為潮流計(jì)算提供數(shù)據(jù)。常用配網(wǎng)拓?fù)浞治龇椒ǚ譃榫仃嚪ê退阉鞣?，文獻(xiàn)[4-5]采用了矩陣表示配電網(wǎng)分層的問題，雖結(jié)構(gòu)簡單，分析過程清晰，但是隨著配網(wǎng)規(guī)模增大，計(jì)算量成倍增長，內(nèi)存占用量大，計(jì)算緩慢，而且現(xiàn)有矩陣法不能直接反映配網(wǎng)潮流方向和層次結(jié)構(gòu)。

文獻(xiàn)[6]利用圖狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行配電網(wǎng)建模，采用鄰接矩陣存儲和深度優(yōu)先遍歷算法動態(tài)監(jiān)測配網(wǎng)拓?fù)?，并編程用圖形用戶界面（GUI）顯示拓?fù)浣Y(jié)果。但采用鄰接矩陣重用性較差；實(shí)際上，故障恢復(fù)中配網(wǎng)是輻射型結(jié)構(gòu)，利用樹狀結(jié)構(gòu)建模更適合，文獻(xiàn)[8]將配網(wǎng)等效為樹建模，并采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲，方便數(shù)據(jù)重用和維護(hù)但訪問速率比較慢，影響計(jì)算效率；文獻(xiàn)[9]利用孩子-兄弟的鏈表將配電網(wǎng)拓?fù)鋽?shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中，訪問速度較快，但是數(shù)據(jù)維護(hù)不方便。本文針對以上問題，用數(shù)據(jù)庫存儲配網(wǎng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，然后將節(jié)點(diǎn)、支路信息加載到內(nèi)存形成面向?qū)ο蟮膶?shí)時數(shù)據(jù)庫，再運(yùn)用廣度優(yōu)先搜索法拓?fù)浞治?，結(jié)合前推回代法進(jìn)行潮流計(jì)算，從而在方便數(shù)據(jù)重用和維護(hù)的同時，提高計(jì)算速度。

1 配電網(wǎng)簡化建模

配電網(wǎng)拓?fù)浞治鍪紫纫獙⑴渚W(wǎng)簡化為數(shù)學(xué)模型方便分析。配電網(wǎng)故障恢復(fù)中的拓?fù)浞治龆际侵刚就獾耐負(fù)浞治?，即對站外配網(wǎng)簡化，站外配網(wǎng)的主要元件是饋線，根據(jù)IEC61968對饋線的定義，將變電站或者開閉所看成饋線的電源點(diǎn)，將負(fù)荷、分布式電源、與另一條饋線相聯(lián)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)看成終點(diǎn)，而饋線本身包括將饋線分成饋線段的分段開關(guān)、饋線段、聯(lián)絡(luò)開關(guān)等，配網(wǎng)模型如圖1所示，其中，是饋線變壓器供出的負(fù)荷，T節(jié)點(diǎn)為無功率損耗節(jié)點(diǎn)。將圖1中的電源點(diǎn)A、T節(jié)點(diǎn)、配電變壓器和負(fù)荷等效為節(jié)點(diǎn)，電源節(jié)點(diǎn)供出的功率、流過T節(jié)點(diǎn)的功率和配電變壓器供出的負(fù)荷表示為節(jié)點(diǎn)的權(quán)，配電線路、分段開關(guān)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)等效為邊，開關(guān)的開合用邊的連接與否表示，邊上所有線路損耗表示為邊的權(quán)。等效圖如圖2，其中：T節(jié)點(diǎn)的等效用節(jié)點(diǎn)融合法，將圖1中負(fù)荷3～9等效為節(jié)點(diǎn)345、67和89后，將圖中T節(jié)點(diǎn)和345、67、89節(jié)點(diǎn)融合為新的T0節(jié)點(diǎn)，此時，新的T0節(jié)點(diǎn)的損耗就是負(fù)荷3～9之和，即為T0節(jié)點(diǎn)的權(quán)；為電源供出的功率；；；；；；實(shí)線表示開關(guān)閉和；虛線表示開關(guān)斷開。

圖1 配網(wǎng)模型

圖2 配網(wǎng)拓?fù)浞治龅刃Ｐ?/p>

2 配電網(wǎng)拓?fù)鋽?shù)據(jù)錄入與存儲

配電網(wǎng)簡化后，將配網(wǎng)的拓?fù)湫畔⑼ㄟ^友好的人機(jī)界面錄入并采用SQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲，方便拓?fù)浞治龊统绷饔?jì)算。本文涉及的主要數(shù)據(jù)庫表分別是節(jié)點(diǎn)表和支路表，表單設(shè)計(jì)如表1和表2。

表1 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫表單

表2 支路數(shù)據(jù)庫表單

然后在Qt上編程建立GUI窗口，分別建立“節(jié)點(diǎn)”和“支路”菜單，下拉列表包括“新建節(jié)點(diǎn)（或支路）”、“編輯節(jié)點(diǎn)（或支路）”，“刪除節(jié)點(diǎn)（或支路）”菜單命令，并對應(yīng)各自的對話框，用來新建、編輯和刪除節(jié)點(diǎn)（或支路），對話框分別包含要輸入、編輯和刪除的節(jié)點(diǎn)（或支路）信息，如圖3所示為新建節(jié)點(diǎn)對話框。通過將保存、刪除或者其他按鈕與數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的操作函數(shù)對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)直接通過對話框改變數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。當(dāng)配網(wǎng)的結(jié)構(gòu)包括節(jié)點(diǎn)和支路信息改變時，只需通過對話框改變數(shù)據(jù)，與矩陣法要重新生成矩陣相比，數(shù)據(jù)維護(hù)簡單，重用性高。

圖3 新建節(jié)點(diǎn)對話框

在拓?fù)浞治龊统绷饔?jì)算前，為了提高計(jì)算速度，將SQL數(shù)據(jù)庫中的配網(wǎng)信息加載到內(nèi)存中形成面向?qū)ο蟮膶?shí)時數(shù)據(jù)庫，提高數(shù)據(jù)的訪問速度。其主要的對象類為節(jié)點(diǎn)類和支路類分別如下：

class Node //節(jié)點(diǎn)類

{ int nodeId; //節(jié)點(diǎn)編號

Complex current; //節(jié)點(diǎn)電流

Complex voltage; //節(jié)點(diǎn)電壓

Complex power; //節(jié)點(diǎn)功率

double px,py; //節(jié)點(diǎn)位置

bool isSource; //是否是電源節(jié)點(diǎn)

int sourceId; //節(jié)點(diǎn)電源編號

NodeType nodeType; //節(jié)點(diǎn)類型

int flag; //節(jié)點(diǎn)標(biāo)志

Brand *brands[BRAND_COUNT]; //與節(jié)點(diǎn)相連支路};

class Branch //支路類

{ int branchId; //支路編號

bool status; //支路狀態(tài)

Complex impedance; //支路阻抗

Complex current; //支路功率

Complex fPower; //支路首端功率

Complex rPower; //支路末端功率

int frontId; //支路首端節(jié)點(diǎn)編號

int rearId; //支路末端節(jié)點(diǎn)編號

bool flag; //支路標(biāo)志

void exchangeNode(); //支路首末節(jié)點(diǎn)調(diào)換函數(shù)};

然后定義節(jié)點(diǎn)列表類和支路列表類存放多個節(jié)點(diǎn)和支路地址，運(yùn)用數(shù)據(jù)庫操作函數(shù)將節(jié)點(diǎn)、支路信息加載到相應(yīng)列表中，并且按節(jié)點(diǎn)和支路編號存放相應(yīng)節(jié)點(diǎn)和支路信息，即節(jié)點(diǎn)（或支路）編號就是節(jié)點(diǎn)（或支路）在列表中的位置，這樣可以便于實(shí)時內(nèi)存對象的快速檢索。

3 配電網(wǎng)拓?fù)浞治?/h2>

配電網(wǎng)故障恢復(fù)中的拓?fù)浞治霭ㄟB通性分析、環(huán)路和孤島的判斷，同時反映層次結(jié)構(gòu)和潮流方向。配網(wǎng)閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行，在故障恢復(fù)中拓?fù)浞治鰴z測出環(huán)路時，不進(jìn)行潮流計(jì)算，只需要重新搜索無環(huán)路恢復(fù)路徑，即故障恢復(fù)中配網(wǎng)是輻射型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與計(jì)算機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)中的樹結(jié)構(gòu)相似，另外，樹能反映配網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)和潮流方向，因此，將配網(wǎng)看成根節(jié)點(diǎn)是電源節(jié)點(diǎn)的樹。當(dāng)配網(wǎng)是多電源網(wǎng)絡(luò)，將配網(wǎng)等效為多棵樹。

本文運(yùn)用廣度優(yōu)先搜索算法進(jìn)行配網(wǎng)拓?fù)浞治?，?jié)點(diǎn)類中的“flag”標(biāo)志節(jié)點(diǎn)是正常、環(huán)路和孤島，“sourceId”標(biāo)志節(jié)點(diǎn)所屬樹，支路類中的“exchangeNode()”函數(shù)改變支路的潮流方向，將拓?fù)浞治鼋Y(jié)果的樹結(jié)構(gòu)（包括層次關(guān)系和潮流方向）存入節(jié)點(diǎn)隊(duì)列NodeQueue和支路隊(duì)列BranchQueue?；趶V度優(yōu)先搜索算法的配網(wǎng)拓?fù)浞治隽鞒倘鐖D4。

圖4 配網(wǎng)拓?fù)浞治隽鞒虉D

4 配電網(wǎng)潮流迭代計(jì)算

本文采用前推回代法進(jìn)行潮流計(jì)算，基本原理是：已知配網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)，末端負(fù)荷和根節(jié)點(diǎn)的電壓，以饋線為計(jì)算基本單位，設(shè)全網(wǎng)電壓為額定電壓，根據(jù)負(fù)荷功率由最后一層向上一層逐層推導(dǎo)支路電流；再根據(jù)給定的始端電壓和求得的支路電流，由第一層向下一層逐段計(jì)算各段的電壓降，求得各點(diǎn)電壓，如此反復(fù)，直至各個節(jié)點(diǎn)的電壓率偏差滿足容許條件為止。下面根據(jù)拓?fù)浞治鼋Y(jié)果隊(duì)列NodeQueue和BranchQueue，進(jìn)行潮流計(jì)算的具體步驟如下。

第二步：如果配網(wǎng)存在多個電源，根據(jù)節(jié)點(diǎn)電源編號和層次關(guān)系，提取每棵樹；否則跳過此步；

第三步：分別對每棵樹進(jìn)行前推計(jì)算。利用式（1），從樹的最底層末梢節(jié)點(diǎn)開始向上一層推算支路的電流；

第四步：回代計(jì)算。利用式（2）從樹的根節(jié)點(diǎn)開始向下一層回代計(jì)算各節(jié)點(diǎn)電壓；

5 算例

5.1拓?fù)浞治龇抡?/p>

在Qt上用C++編程實(shí)現(xiàn)用GUI界面顯示拓?fù)浞治鼋Y(jié)果，窗口的右側(cè)用圖形顯示配網(wǎng)的連接關(guān)系，并標(biāo)志節(jié)點(diǎn)和支路類型，左側(cè)顯示拓?fù)浞治鼋Y(jié)果。分別對單電源的IEEE33節(jié)點(diǎn)和多個電源的IEEE16節(jié)點(diǎn)配網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行拓?fù)浞治觯@兩個系統(tǒng)參數(shù)見文獻(xiàn)[12]。正常情況下33節(jié)點(diǎn)和16節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)如圖5和圖6，圖5中節(jié)點(diǎn)0和圖6中節(jié)點(diǎn)1、2、3為電源節(jié)點(diǎn)。將正常33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)17設(shè)為電源節(jié)點(diǎn)，支路34閉合，支路21斷開，進(jìn)行拓?fù)浞治?，分析結(jié)果如圖7，存在孤島和環(huán)路；將正常16節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中的支路11斷開，支路14閉合，進(jìn)行拓?fù)浞治觯治鼋Y(jié)果如圖8，存在孤島和環(huán)路。

5.2 潮流計(jì)算仿真

分別用本文方法，文獻(xiàn)[8-9]的方法在同一臺計(jì)算機(jī)上對正常的33節(jié)點(diǎn)和16節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)運(yùn)用前推回代法進(jìn)行潮流計(jì)算，收斂精度為10，計(jì)算結(jié)果相近，表3、表4所示為本文方法計(jì)算的部分結(jié)果，但是運(yùn)行時間有所不同，如表5所示。

圖5 IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

Fig. 5The 33 nodes distribution network

圖6 IEEE16節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

Fig. 6The 16 nodes distribution network

圖7 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)拓?fù)浞治鼋Y(jié)果

Fig. 7The 33 nodes distribution network topology results

圖8 16節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)拓?fù)浞治鼋Y(jié)果

表3 16節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)潮流計(jì)算支路電流結(jié)果

表4 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)潮流計(jì)算節(jié)點(diǎn)電壓結(jié)果

表5 三種不同方法的潮流計(jì)算時間

從表5可以得出，本文算法和文獻(xiàn)[9]由于直接訪問內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，運(yùn)行時間比文獻(xiàn)[8]快，隨著配網(wǎng)規(guī)模變大，計(jì)算速度的差別明顯；而本文算法克服了文獻(xiàn)[9]的數(shù)據(jù)維護(hù)和重用性較差的弱點(diǎn)?？梢姳疚乃惴ǎ诜奖銛?shù)據(jù)的維護(hù)和重用的前提下，提高了配電網(wǎng)拓?fù)浞治龊统绷饔?jì)算速度，且隨著配網(wǎng)規(guī)模的增加，優(yōu)勢明顯。

6 結(jié)論

本文針對配電網(wǎng)故障恢復(fù)中的拓?fù)浞治龊统绷饔?jì)算，利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL存儲配網(wǎng)的連接關(guān)系和節(jié)點(diǎn)、支路信息，提高了數(shù)據(jù)維護(hù)性和拓?fù)浞治龅撵`活性；通過將數(shù)據(jù)庫中的配網(wǎng)結(jié)構(gòu)信息加載到內(nèi)存中形成面向?qū)ο蟮膶?shí)時數(shù)據(jù)庫后，再進(jìn)行拓?fù)浞治龊统绷饔?jì)算，同時采用廣度優(yōu)先的搜索法不僅可以直接得出配網(wǎng)潮流方向和層次結(jié)構(gòu)，為潮流計(jì)算提供依據(jù)，而且不需要形成導(dǎo)納矩陣，避免了形成因子表所花費(fèi)的時間，計(jì)算速度快；基于QT的 C++實(shí)現(xiàn)用GUI界面顯示拓?fù)浜统绷饔?jì)算結(jié)果表明：該算法能正確通過友好的人機(jī)界面檢測配網(wǎng)的連通性、判斷是否存在環(huán)路或孤島；且在保證數(shù)據(jù)維護(hù)性的同時，提高了計(jì)算速度，特別對規(guī)模較大配網(wǎng)進(jìn)行故障分析優(yōu)勢更為顯著，為快速恢復(fù)故障奠定了基礎(chǔ)。

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A fast topology analysis and power flow calculation algorithm for distribution network service restoration

FAN Rui-juan,WANG Qian,LUO Qiang

(1.School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Sichuan Electric Power Design & Consulting Co.,Ltd., Chengdu 610031, China)

Aiming to the distribution network service restoration, this paper proposes a fast topology analysis and power flow calculation method. Firstly, the distribution network structure is stored by SQL relational database. The data maintenance can be convenient and the topology reconstruction can be highly flexible. Both of the node list and branch list store the data loaded from a relational database, which forms the object-oriented real-time database. Then the topology based on the breadth first search method is analyzed, and the power flow combined with the forward and backward substitution method is calculated. Finally, based on C++ programme on QT, the results of topology analysis and power flow on GUI are provided. Results show that the algorithm can quickly detect the distribution network connectivity, judge whether there are loops or isolations, and calculate fast on the premise of the convenient data maintenance.

distribution network service restoration; object-oriented real-time database; breadth first search method; forward and backward substitution method; GUI

TM71

A

1674-3415(2014)21-0023-06

2014-01-25；

2014-04-21

范瑞娟（1988-），女，碩士研究生，從事智能配電網(wǎng)故障恢復(fù)研究；E-mail: fanruijuan88＠126.com

王 倩（1962-），女，教授，碩士研究生導(dǎo)師，從事電力調(diào)度綜合自動化系統(tǒng)、分布式SCADA系統(tǒng)、嵌入式保護(hù)/測控系統(tǒng)研究；

羅 強(qiáng)（1987-），男，碩士研究生，從事發(fā)輸電系統(tǒng)研究。