基于富裕容量動(dòng)態(tài)分析的配網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供輔助決策

宋 燁，段 雪，董 紅，王莉娟，黃文婷

（國網(wǎng)資陽供電公司，四川 資陽641300）

近年來，配電網(wǎng)得到快速發(fā)展，作為高壓輸電網(wǎng)和用戶變壓器之間的中間環(huán)節(jié)，在整個(gè)電力系統(tǒng)中扮演著重要角色。國內(nèi)電力系統(tǒng)目前“兩頭薄弱”的問題，改革開放初期為了首先滿足用戶的供電需求，忽略了前期的配電網(wǎng)規(guī)劃工作，當(dāng)前配電網(wǎng)供電可靠性問題日益突出[2-4]。

配電網(wǎng)環(huán)節(jié)中除了聯(lián)絡(luò)線路轉(zhuǎn)帶能力、電能質(zhì)量等重要指標(biāo)外，饋線和線路段裝接容量情況也直接影響著線路整體的供電能力，裝接容量過大的饋線段可能導(dǎo)致局部損耗過高，分段聯(lián)絡(luò)不合理，故障時(shí)負(fù)荷無法轉(zhuǎn)帶，導(dǎo)致供電可靠性低下。裝接容量偏低，也會(huì)造成配電線路浪費(fèi)，不能物盡其用。

因此，從配電網(wǎng)發(fā)展的角度來看，利用EMS、PMS、GIS、營銷管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，對在運(yùn)配網(wǎng)線路、裝備容量進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，能夠大幅提高工作效率的同時(shí)保障電網(wǎng)可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，增加供電設(shè)備使用壽命、減少維修費(fèi)用，為電力企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益[5-7]。

綜上所述，本文針對設(shè)備重過載、檢修、運(yùn)行方式倒換等情況，基于富裕容量動(dòng)態(tài)分析，建立了配網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供輔助決策模型。通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，獲取線路負(fù)載情況；分析電網(wǎng)設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，獲取線路聯(lián)絡(luò)關(guān)系，并通過深度優(yōu)先搜索算法確定負(fù)荷轉(zhuǎn)供路徑候選集；最后，運(yùn)用考慮裕度系數(shù)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移輔助決策方法，對某一配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，獲得了目標(biāo)線路的最優(yōu)負(fù)荷轉(zhuǎn)供路徑。

1 配網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供分析模型

配網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供分析主要包括電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與分析、電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析、富裕容量動(dòng)態(tài)分析等。其研究思路如圖1所示。

圖1 配網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供分析模型

首先，采集有功、無功等電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析線路實(shí)時(shí)狀態(tài)，從而確定每條線路負(fù)載情況。其次，根據(jù)電網(wǎng)設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析線路聯(lián)絡(luò)關(guān)系，采用深度優(yōu)先搜索算法得出所有供電路徑。最后，通過建立富裕容量動(dòng)態(tài)分析模型，按照裕度系數(shù)確定配網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供路徑。

2 線路負(fù)載實(shí)時(shí)狀態(tài)及供電路徑分析

2.1 數(shù)據(jù)采集與線路負(fù)載狀態(tài)分析計(jì)算

線路負(fù)載實(shí)時(shí)狀態(tài)分析依賴于運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，該功能的實(shí)現(xiàn)須在OPEN3000 系統(tǒng)中定時(shí)導(dǎo)出E 文件格式的斷面數(shù)據(jù)，通過正向隔離傳至III區(qū)，由部署在III區(qū)的配網(wǎng)富裕容量動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，進(jìn)一步通過對解析得到的電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)線路負(fù)載狀態(tài)的分析計(jì)算。

2.2 線路聯(lián)絡(luò)關(guān)系

當(dāng)配網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，某條線路所帶的負(fù)荷可以通過聯(lián)絡(luò)線和聯(lián)絡(luò)開關(guān)轉(zhuǎn)供到另一條線路，則稱這兩條線路之間存在聯(lián)絡(luò)關(guān)系。同理，當(dāng)某條母線或某臺(tái)主變發(fā)生故障時(shí)，也可通過線路之間的聯(lián)絡(luò)關(guān)系進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)供。

配網(wǎng)作為電力系統(tǒng)供電的最后環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，可運(yùn)用圖論對其進(jìn)行簡化。圖論由點(diǎn)和線2種元素組成，其中點(diǎn)表示不同的對象，點(diǎn)與點(diǎn)之間的線表示兩不同對象間的某種關(guān)聯(lián)關(guān)系。因此，本文將配網(wǎng)簡化等效后的圖，頂點(diǎn)集合用以模擬線路的開關(guān)，用邊的集合表征各開關(guān)間的線路。

假設(shè)某配網(wǎng)簡化后的圖存在M個(gè)頂點(diǎn)，則各頂點(diǎn)之間的聯(lián)絡(luò)關(guān)系可用關(guān)聯(lián)矩陣G來表示，如下式所示：

式中：Gij為頂點(diǎn)i、j之間的聯(lián)絡(luò)關(guān)系，若Gij=1，則表示頂點(diǎn)i、j之間存在聯(lián)絡(luò)關(guān)系，Gij=0則表示頂點(diǎn)i、j之間不存在聯(lián)絡(luò)關(guān)系。

2.3 基于深度優(yōu)先搜索算法分析供電路徑

深度優(yōu)先搜索算法（depth first search，DFS）是圖的重要遍歷算法之一[8]。其基本思路為：

以圖的某個(gè)頂點(diǎn)v為起始點(diǎn)進(jìn)行訪問；

圖2 深度優(yōu)先搜索確定負(fù)荷轉(zhuǎn)供路徑

依次從頂點(diǎn)v的未被訪問的相鄰頂點(diǎn)出發(fā)，對圖展開深度搜索，直到圖中與頂點(diǎn)v有路徑聯(lián)通的頂點(diǎn)均被訪問；

假設(shè)圖中還有剩余頂點(diǎn)未被訪問，那么從剩余未被訪問的某一頂點(diǎn)出發(fā)，再次進(jìn)行深度優(yōu)先遍歷，直至圖中所有的頂點(diǎn)全部被訪問過為止。

本文采用深度優(yōu)先算法對配網(wǎng)圖進(jìn)行深度優(yōu)先遍歷，輸出結(jié)果為目標(biāo)線路相對應(yīng)的所有可轉(zhuǎn)供路徑。圖2為確定目標(biāo)線路所有可轉(zhuǎn)供路徑的流程圖。

3 富裕容量動(dòng)態(tài)分析

3.1 富裕容量及裕度系數(shù)

富裕容量是一個(gè)動(dòng)態(tài)變量，即以線路安全載流量為限值，考慮線路在當(dāng)前運(yùn)行方式下可額外承載的負(fù)荷電流值。其中，線路安全載流量須按照變電站出口側(cè)線路至線路末端線路的全線進(jìn)行考慮。用ΔIabun來表示，其計(jì)算公式如下所示：

式中：Isaf為線路安全載流量；Icur為線路實(shí)時(shí)電流。

定義裕度系數(shù)為線路在當(dāng)前運(yùn)行方式下承載額外負(fù)荷電流的能力。通過將富裕容量與目標(biāo)轉(zhuǎn)移電流進(jìn)行比較，形成統(tǒng)一量化標(biāo)準(zhǔn)的裕度系數(shù)。裕度系數(shù)用η來表示。其計(jì)算公式如下所示：

Itar為線路目標(biāo)轉(zhuǎn)移電流。其中當(dāng)線路、母線或主變負(fù)荷需要全部轉(zhuǎn)移時(shí)，Itar=Icur；若只需轉(zhuǎn)移部分負(fù)荷，則依據(jù)方式給出的轉(zhuǎn)移負(fù)荷量進(jìn)行轉(zhuǎn)移。

3.2 轉(zhuǎn)移路徑選取的影響因素

影響轉(zhuǎn)移路徑選取的因素主要包括線路的檢修狀態(tài)和設(shè)備的缺陷情況等。下面以線路是否檢修以及設(shè)備是否具有缺陷這2 個(gè)因素為例說明對某一轉(zhuǎn)移路徑的影響情況。本文以α、β分別表示線路檢修和設(shè)備缺陷的影響因子，如式（4）（5）所示。

當(dāng)某條線路需要進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)供時(shí)，通過上文闡述的方法求出被轉(zhuǎn)移路徑候選集，當(dāng)所選線路存在檢修或缺陷時(shí)，則該條轉(zhuǎn)移路徑無效。

3.3 考慮檢修、缺陷影響因子及裕度系數(shù)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移輔助決策方案

綜合考慮線路運(yùn)行狀態(tài)、富裕容量等外在因素的影響，結(jié)合裕度系數(shù)形成決策方案優(yōu)先級(jí)判斷，用Γ來表示。通過該方法形成統(tǒng)一量化標(biāo)準(zhǔn)，使不同運(yùn)行狀態(tài)的線路可以同時(shí)對比承載能力，進(jìn)而優(yōu)化負(fù)荷轉(zhuǎn)移輔助決策方案。

4 算例分析

4.1 算法流程

由上文闡述可知，配電網(wǎng)的負(fù)荷轉(zhuǎn)供受設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)兩個(gè)維度的影響，因此本文采用富裕容量動(dòng)態(tài)分析輔助決策方法，研究配網(wǎng)的負(fù)荷轉(zhuǎn)供，流程圖如圖3所示。其計(jì)算步驟如下：

圖3 基于富裕容量動(dòng)態(tài)分析的負(fù)荷轉(zhuǎn)供輔助決策流程

采集相關(guān)參數(shù)。通過OPEN3000 系統(tǒng)采集電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括有功功率、實(shí)時(shí)電流、安全電流等；整理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括線路聯(lián)絡(luò)關(guān)系、檢修狀態(tài)、缺陷情況。

依據(jù)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出線路i的負(fù)載率，根據(jù)實(shí)際情況得出需轉(zhuǎn)移負(fù)荷。分析設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，得出線路i的所有供電路徑，采用深度優(yōu)先搜索算法確定被轉(zhuǎn)移路徑候選集。

基于需轉(zhuǎn)移負(fù)荷與被轉(zhuǎn)移路徑，計(jì)算得出被轉(zhuǎn)移線路LiN的富裕容量?？紤]設(shè)備的檢修狀態(tài)、缺陷情況，計(jì)算每一條被轉(zhuǎn)移線路的裕度系數(shù)ηiN，輸出的所有可行路徑，并按照裕度系數(shù)ηiN從大到小進(jìn)行排序，其中裕度系數(shù)ηiN最大的一條即為線路i負(fù)荷轉(zhuǎn)供的最優(yōu)方案。

4.2 負(fù)荷轉(zhuǎn)供算例分析

本文選取當(dāng)?shù)夭糠峙渚W(wǎng)聯(lián)絡(luò)圖來驗(yàn)證本文所提方法的有效性?，F(xiàn)有A 變電站線路L1、線路L2與B變電站線路L3、線路L4構(gòu)成一配網(wǎng)聯(lián)絡(luò)圖，其中B變電站分段F00開關(guān)為熱備用狀態(tài)。在該配網(wǎng)聯(lián)絡(luò)圖中，線路L1通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)F13與線路L4相聯(lián)絡(luò)、線路L2通過開關(guān)F22與線路L4相聯(lián)絡(luò)、線路L3通過開關(guān)F32與線路L4相聯(lián)絡(luò)，正常運(yùn)行方式下開關(guān)F13、開關(guān)F22、開關(guān)F32均保持熱備用狀態(tài)。假設(shè)開關(guān)F12的檢修因子為α12=0，其余開關(guān)檢修因子與缺陷因子均為1。圖4中各線路的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4 配網(wǎng)聯(lián)絡(luò)圖

表1 線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

按照計(jì)劃工作B 站II 母將進(jìn)行檢修，工作期間開關(guān)F41需處于冷備用狀態(tài)，需轉(zhuǎn)供線路L4的負(fù)荷。各線路實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 線路實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)

應(yīng)用圖論對圖4的配網(wǎng)聯(lián)絡(luò)圖進(jìn)行等效和簡化，并采用深度優(yōu)先搜索算法對簡化后的圖進(jìn)行深度優(yōu)先遍歷，得到目標(biāo)線路L4的可轉(zhuǎn)供負(fù)荷路徑候選集Rgather={R1,R2,R3}。具體路徑如下所示：

根據(jù)上述負(fù)荷轉(zhuǎn)供路徑候選集，綜合考慮富裕容量裕度系數(shù)、線路檢修狀態(tài)、設(shè)備缺陷情況，采用配網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供富足決策方法，分析計(jì)算得出各條負(fù)荷轉(zhuǎn)供路徑的評(píng)價(jià)參數(shù)，如表3所示。

表3 負(fù)荷轉(zhuǎn)供路徑評(píng)價(jià)參數(shù)

根據(jù)式（6）計(jì)算可知，對于可轉(zhuǎn)供負(fù)荷路徑候選集中的R1，由于其α12=0，即開關(guān)F12處于檢修狀態(tài)，無法對線路L4提供負(fù)荷轉(zhuǎn)供。因此，最終可對線路L4進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)供的路徑為R2、R3，其中R3為負(fù)荷轉(zhuǎn)供最優(yōu)路徑。

5 結(jié)束語

針對配電網(wǎng)重過載、檢修、運(yùn)行方式倒換等需要進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)供的情況，提出了一種基于富裕容量動(dòng)態(tài)分析的配網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供輔助決策方法。該方法充分考慮配網(wǎng)轉(zhuǎn)供負(fù)荷的各種情況，利用OPEN3000系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，同步分析線路負(fù)載情況，為負(fù)荷轉(zhuǎn)供提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過分析電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，獲取設(shè)備間聯(lián)絡(luò)關(guān)系，并采用深度優(yōu)先搜索算法，得出負(fù)荷轉(zhuǎn)供路徑候選集。最后，基于富裕容量同臺(tái)分析，綜合考慮裕度系數(shù)、檢修因子、缺陷因子，確定負(fù)荷轉(zhuǎn)供最優(yōu)路徑。算例結(jié)果表明，該方法在配網(wǎng)發(fā)生負(fù)荷轉(zhuǎn)供需求的情況下，能夠快速、可靠地給出最優(yōu)轉(zhuǎn)供方案，有效提高配網(wǎng)工作效率。