CN101431255A - 电力系统合环操作风险分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力系统合环操作风险分析方法，包括下列步骤：(1)在线电网模型及数据断面的获取；(2)合环操作点的设置；(3)合环路径的全网自动拓扑搜索；(4)合环端口阻抗的计算；(5)合环电流的在线计算；(6)合环后电网状态的分析计算；(7)合环操作的风险提示：根据合环电流、合环潮流及合环后电网潮流计算的结果和合环路径的拓扑搜索结果，给出合环是否合理的提示消息供电力系统调度或运方人员参考。根据本发明可以准确地分析出合环的风险，提示操作人员，防止误动，保证操作的安全。

Description

电力系统合环操作风险分析方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统安全分析方法，更准确地说本发明涉及一种电力系统合环操作风险分析方法。属于电力技术领域。

背景技术

随着国民经济的发展，用户对供电可靠性要求不断提高，配电网络的运行和管理也有了新的目标，要求更加可靠、合理、高效。大规模的城市电网改造后，10kV配电网通过改造大多达到了“闭环结线，开环运行”的供电方式。其中每一个负荷都是由单一的母线供电，不同母线所带的负荷区域用联络开关隔离，形成供电负荷。正常情况下，为保证配电网的辐射状运行结构，联络开关一般开断运行。随着配电网双向供电和多电源供电的情况日益增多，若选择适当的供电路径进行合环操作，可以增强配电网络的供电可靠性，保证配电网络的供电灵活性，提高配电网络的运行经济性。但由此引起的环流，对配电网的安全运行有很大的影响。

在合环操作中，可能会引发很大的环流，致使过流保护或速断保护动作，严重的过电流甚至能烧毁供电设备，影响供电的可靠性和系统的安全运行，严重时甚至造成设备爆炸而引起人员伤亡，这主要是由于合环点两侧母线电压存在幅值、相位等差异而造成的。因此，在合环之前进行合环潮流的分析和计算，通过仿真研究以确定能否进行合环，避免由于环流引起的事故发生，提高电网运行的安全性和可靠性，具有很大现实意义。

但是目前国内尚无完整的合环风险分析方法，且国内现有类似工具面临着三个方面的问题：1、离线分析系统。电网的实时数据不能从能量管理系统中在线获得，电力系统运方或调度人员必须根据电网的运行情况手动的建立等值模型，十分繁琐且无法保证准确，不具有通用型；2、环路阻抗采用粗略累加计算，导致在此基础上计算的合环信息结果往往误差不可避免，不具有实用性；3、缺乏从环路路径检查、环路相位校验、合环电流校验到合环后在线潮流分析的完整风险提示机制。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的发明目的在于提供一种电力系统合环操作风险分析方法，可以根据对合环电流等参数的计算，给出合环操作风险提示，共电力调度或运方人员参考，保证合环操作的安全。

为了实现上述目的，本发明是采取以下的技术方案来实现的：

一种电力系统合环操作风险分析方法，包括下列步骤：

(1)在线电网模型及数据断面的获取：从调度中心的能量管理系统中取得实时或研究方式下的数据断面，在线获得的信息包括电网设备参数、电网的运行方式和量测；将这些信息导入该产品的层次数据库作为生成计算模型和参数的基础；

(2)合环操作点的设置：电力系统调度或运方人员直接在调度中心的能量管理系统的电网模型中，将电网内设备设置为合环设备，设置合环操作点；

(3)合环路径的全网自动拓扑搜索：将合环操作点设置为初始节点和终止节点，进行在线电网拓扑分析，将每条闭合的线路支路和变压器支路进行编号并与各自的两端端点进行关联，然后根据此信息对各电气节点进行编号并记录下每个节点通过支路连接的其它节点集，之后从初始节点开始向下一层推，记录本节点为父节点并记录与本节点相连的节点号，再从此相连节点向更下一层推，直至找到终止节点，之后从终止节点开始找每一个节点搜索表的父节点一直反推至初始节点，从而找到合环路径；

(4)合环端口阻抗的计算：根据能量管理系统导入的在线电网模型，得到全网的导纳阵，采用处理后的数值解法对导纳阵进行部分求逆，得到合环环路阻抗，再结合合环环路阻抗从而得到合环端口阻抗；

(5)合环电流的在线计算：在能量管理系统导入的电网实时数据断面和方式的基础上，进行潮流计算，得到合环前合环点的电压幅值和相位，由前面计算得到合环端口阻抗，得到RL环路中合环电流的强制分量和自由分量的衰减周期，从而计算出合环电流在各个时刻的最大值和有效值；

(6)合环后电网状态的分析计算：根据计算得到的合环电流和合环母线的电压幅值、相角，计算出合环潮流，修改合环母线的注入潮流，再次进行在线全网潮流计算，得到由合环操作而引起越限的设备的列表；

(7)合环操作的风险提示：根据合环电流、合环潮流及合环后电网潮流计算的结果和合环路径的拓扑搜索结果，判断该合环操作是否为跨大区域操作，判断合环路径上变压器支路是否造成合环相位差，判断合环电流的在某一时刻(如0.2秒)的有效值能否躲过合环线路的保护整定值，判断合环电流的稳态值是否会超过合环开关的电流限，判断合环后是否会造成电网内其它设备的越限，从而给出合环是否合理的提示消息供电力系统调度或运方人员参考。

前述的电力系统合环操作风险分析方法，其特征在于在上述的步骤3中，在将合环路径上各支路描述出来的同时，对合环路径上的变压器绕组接线方式进行相位校验，搜索结果以环路拓扑展图和列表、消息的形式予以展现。

前述的电力系统合环操作风险分析方法，其特征在于对于变压器绕组接线方式为“Yn d11”或“Y d11”的变压器，如果合环电流流经环路，合环点两侧的相位差超过30度，则不应该进行合环操作。

前述的电力系统合环操作风险分析方法，其特征在于在上述的步骤4中，采用修正后的高斯消元法求取合环端口阻抗。

本发明的有益效果是：

1、保证了电力系统调度或运方人员不必为了进行合环计算分析而手动建立一个粗略的等值模型，从而提高了实用性和准确性；

2、实现根据在线电网运行方式和合环点设置的自动全网拓扑搜索，找出合环路径，给出合环拓扑图信息展示；

3、根据合环路径上变压器支路所属变压器的接线方式类别，进行合环路径相位检验；

4、实现根据电力系统全网模型的在线环路阻抗计算。本发明能够充分考虑多环路情况，准确无误的计算出合环端口的环路阻抗；

5、实现根据在线电网潮流数据的合环电流计算和合环后电网越限设备的分析计算，并能够给出合环电流的时域仿真结果及合环操作引起设备越限分析；

6、实现根据计算分析结果提出合环操作风险提示，保证合环操作安全。

附图说明

图1：电网合环接线示意图；

图2：合环后的潮流影响示意图；

图3：合环操作风险分析计算流程图；

图4：合环操作风险分析模块机制结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作具体的介绍。

本发明提供了一种电力系统合环操作风险分析方法，包括下列步骤：

(1)在线电网模型及数据断面的获取：从调度中心的能量管理系统中取得实时或研究方式下的数据断面，在线获得的信息包括电网设备参数、电网的运行方式和量测；将这些信息导入该产品的层次数据库作为生成计算模型和参数的基础；

(2)合环操作点的设置：电力系统调度或运方人员直接在调度中心的能量管理系统的电网模型中，将电网内设备设置为合环设备，设置合环操作点；

(3)合环路径的全网自动拓扑搜索：将合环操作点设置为初始节点和终止节点，进行在线电网拓扑分析，将每条闭合的线路支路和变压器支路进行编号并与各自的两端端点进行关联，然后根据此信息对各电气节点进行编号并记录下每个节点通过支路连接的其它节点集，之后从初始节点开始向下一层推，记录本节点为父节点并记录与本节点相连的节点号，再从此相连节点向更下一层推，直至找到终止节点，之后从终止节点开始找每一个节点搜索表的父节点一直反推至初始节点，从而找到合环路径；

(4)合环端口阻抗的计算：根据能量管理系统导入的在线电网模型，得到全网的导纳阵，采用处理后的数值解法对导纳阵进行部分求逆，得到合环环路阻抗，再结合合环环路阻抗从而得到合环端口阻抗；

(5)合环电流的在线计算：在能量管理系统导入的电网实时数据断面和方式的基础上，进行潮流计算，得到合环前合环点的电压幅值和相位，由前面计算得到合环端口阻抗，得到RL环路中合环电流的强制分量和自由分量的衰减周期，从而计算出合环电流在各个时刻的最大值和有效值；

(6)合环后电网状态的分析计算：根据计算得到的合环电流和合环母线的电压幅值、相角，计算出合环潮流，修改合环母线的注入潮流，再次进行在线全网潮流计算，得到由合环操作而引起越限的设备的列表；

(7)合环操作的风险提示：根据合环电流、合环潮流及合环后电网潮流计算的结果和合环路径的拓扑搜索结果，判断该合环操作是否为跨大区域操作，判断合环路径上变压器支路是否造成合环相位差，判断合环电流的在某一时刻(如0.2秒)的有效值能否躲过合环线路的保护整定值，判断合环电流的稳态值是否会超过合环开关的电流限，判断合环后是否会造成电网内其它设备的越限，从而给出合环是否合理的提示消息供电力系统调度或运方人员参考。

在上述方案中，披露了一种基于在线的全网模型合环路径自动拓扑搜索方法，搜索的目的是为电力系统调度或运方人员给出合环路径的拓扑图的直观展示，确认合环操作所形成的环路：

首先建立2个向量容器和1个链表(见表1)：

表1：自动合环路径拓扑搜索容器结构

(1)、支路结构向量容器，称为容器1。包括支路号、支路类型、支路名及首节点号、末节点号共5个成员，分别称为容器1的成员1、成员2、成员3、成员4、成员5。

(2)、电气节点结构向量容器，称为容器2。包括节点的逻辑母线号和该节点相连节点集的结构向量容器共2个成员，分别称为容器2的成员1、成员2。对于每一个容器2的元素来说，成员2中的元素个数大于或等于1。对应的电力系统概念，一个活的电气节点与1个或多个电气节点相连。

(3)、搜索路径链表，称为链表1。包括节点的逻辑母线号、父节点逻辑母线号、与其父记录逻辑母线相连的逻辑支路号、与父节点相连的支路的类型和与父节点相连的支路名称共5个成员，分别称为链表1的成员1、成员2、成员3、成员4、成员5。

从能量管理系统中取出实时数据断面。对模型中所有的闭合线路以及闭合变压器支路作循环遍历，对这些支路进行编号，并将每个支路的支路号、支路类型、支路名及首节点号、末节点号都分别存储在容器1的成员1、成员2、成员3、成员4和成员5中。

对每个支路结构向量的成员作循环遍历，发现新的电气节点后，建立一个新的容器2元素，将该节点的逻辑母线号放入容器2的成员1中，并将此遍历支路对端的节点号加入容器2的成员2中，遍历别的支路时如果发现此支路的首或末节点号等于已有的容器2中某一元素成员1的值，则将此遍历支路的对端节点号加入容器2中该元素的成员2中。

将初始节点的节点号置为链表1成员1的值和成员2的值，然后利用广度优先搜索法，将从初始节点开始的搜索路径中的节点信息存入链表1中，其中，链表1成员1存储支路对端节点号，成员2存储支路本端节点号，成员3存储成员1与成员2相连的支路在容器1中的支路号，成员4存储成员1与成员2相连的支路在容器1中的支路类型，成员5存储成员1与成员2相连的支路在容器1中的支路名称。如果通过此搜索法无法找到终止节点，则得出通过闭合支路不构成合环操作的结论；如果通过此搜索法能够找到终止节点，则由终止节点起，寻找上层父节点直至初始节点，由链表1中的信息获得节点号，支路类型和支路名称，从而完成合环路径的拓扑搜索。

根据自动在线合环路径拓扑搜索结果，对合环路径上所有的变压器进行检查。对于“Yn d11”或“Y d11”的变压器接线方式的变压器，二次侧的线电压滞后或超前一次侧线电压30度。因此，在做合环路径拓扑搜索时，需要遍历合环路径包含的变压器支路并进行变压器绕组接线方式进行相位校验，搜索结果以环路拓扑展现图和列表、消息的形式予以展现。如果合环电流流经环路，合环点两侧的相位差超过30度，则不应该进行合环操作。

另外，在本发明的上述方案中，还披露了一种基于全网在线模型的合环端口阻抗计算方法。图1是电网合环接线示意图。在合环操作中，要计算出合环电流，从而计算出合环潮流以及其对电网的影响，就必须要计算出两母线间的合环端口阻抗。

合环端口阻抗由两部分组成，分别是合环线路阻抗，称为阻抗1；合环之前电网的端口阻抗，称为阻抗2。对于电力系统调度或运方人员来说，阻抗1是已知的，所以所做的工作主要是为了求解阻抗2。

对于阻抗2的求解，传统的求取方法是由电力系统运方人员画出环路的路径，将路径上各支路的阻抗求和，这是一个非常粗略的方法，当存在多环情况时，所得的端口阻抗不准确，会引起合环电流和潮流计算的误差，影响分析结论。本发明中所采用的方法，是根据全网导纳阵信息求取端口阻抗。

对于一个合环端口，有：

Z＝Z_t+Z_h                                  (1)

式中，z为合环端口阻抗，合环之前电网的端口阻抗即为两电气母线i与j之间的阻抗Z_t，即为阻抗2；Z_h为合环线路阻抗，即为阻抗1。根据下式：

Z_t＝Z_ii+Z_jj-2Z_ij                          (2)

可以对导纳阵进行部分求逆，以求得z_t。

由于阻抗阵是导纳阵的逆阵，即：

Y_BZ_K＝I                                  (3)

式中，I为单位阵，Y_B为导纳阵。

因此有：

其中：Z_ii为母线i自阻抗，Z_jj为母线j自阻抗，Z_ij为母线i和母线j互阻抗，y_nn为导纳阵中元素，n为导纳阵阶数即该电气岛电气节点数。

这样就转化为一个解线性方程问题，可以直接采用按行消去、按行回代的高斯消去法来求解。对于本发明的计算方法，求解该方程有三个特点：

1、由于导纳阵是稀疏阵，整个过程中需要运用稀疏存储技术；

2、导纳矩阵的对角元是一行中的主元素，绝对值最大，因此在解该方程时不必增加选择主元的步骤；

3、由于合环之前电网的端口阻抗只需求取一次，不必采用因子表法，此时可以将方程右侧的常数列代入消去和回代。

首先进行消去和规格化以求得上三角阵，之后再按行回代以求取Z_i和Z_j，从而求得Z_t，即阻抗2，再将其与阻抗1相加，求得合环端口阻抗Z。

同时，在本发明的方案中，还披露了一种基于全网在线潮流的合环电流及潮流的计算方法。

在得到合环端口阻抗之后，可以求解出合环电流，并对合环后的电网状态进行分析。

由于电网的线路和变压器支路上含有电阻和电抗，因此合环操作完成后，环路可以看作为RL串联电路，其合环电流的计算过程也可以看作RL串联电路在正弦输入情况下得零状态响应。

首先，可以根据合环前的在线基态潮流信息求出理想电源的电压

$\stackrel{\·}{U}=(U_i*\cos {\mathrm{\θ}}_i-U_j*\cos {\mathrm{\θ}}_j)+\mathrm{img}(U_i*{\sin \mathrm{\θ}}_i-U_j*{\sin \mathrm{\θ}}_j)---\left(5\right)$

该式的前半部分为实部，后半部分为虚部，用img表示。其中，i和j为合环两端电气母线，U_i为母线i的电压幅值，U_j为母线j的电压幅值，θ_i为母线i的电压相角，θ_j为母线j的电压相角。对于RL电路，外施电压源为正弦电压：

其中，u_s为合环电压表达式，U_m为理想电源的幅值，为合环时电源电压的初相角，它取决于合环的时刻，所以可以称作接入相位角。ω为角速度，t为时间。合环后，电路方程为：

其中：R、L为一阶RL电路的电阻和电抗，I为合环支路电流。不难解出，合环电流如下：

其中，设 $\mathrm{\τ}=\frac{L}{R},$ $\mathrm{tg\δ}=\frac{\mathrm{\ωL}}{R},$ Z为合环端口阻抗。

根据上式可以看出，合环电流分为前半部的强制分量和后半部分的自由分量组成，其状态与合环时电源电压的初相角即接入相位角有关，当时，后半部自由分量为0，即合环后直接进入稳态状态。

由于无法控制合环时的接入相位角，在进行合环操作前，应该预计合环后可能产生的极致情况。当

时，有：

$i=\frac{U_m}{\left|Z\right|}\sin (\mathrm{\ωt}\±\frac{\mathrm{\π}}{2})-\frac{U_m}{\left|z\right|}{e}^{-\frac{R}{L}t}---\left(9\right)$

从而得到合环电流的时域特性。

之后可以计算合环操作对电网的影响。对于需要快速计算环网合环潮流分布的调度人员来说，应用等值发电机原理和重叠原理是较为适合的方法。图2为合环后的潮流影响示意图，由 $S_{\mathrm{ij}}=U_i{\stackrel{*}{I}}_{\mathrm{ij}},$ 即可求出合环点的合环冲击潮流值P_ij和Q_ij，等效后的注入量计算公式分别为：

$P_i^{\′}=P_i+P_{\mathrm{ij}}---\left(10\right)$

$Q_i^{\′}=Q_i+Q_{\mathrm{ij}}---\left(11\right)$

$P_j^{\′}=P_j-P_{\mathrm{ij}}---\left(12\right)$

$Q_j^{\′}=Q_j-Q_{\mathrm{ij}}---\left(13\right)$

其中，S_ij为合环支路视在功率，U_i为母线i的电压幅值，I_ij为合环支路的电流，P_ij、Q_ij分别为合环支路上的有功、无功潮流，P_i、Q_i、P_j、Q_j分别为等效注入前母线i和j的有功无功注入，分别为等效注入后母线i和j的有功无功注入。

为了计算合环冲击潮流在其它支路设备上的分布，我们可以利用稳态潮流计算的程序，将合环冲击潮流的影响等效为合环支路两端的逻辑母线的有功无功的注入量的变化。对于合环时刻的冲击潮流P_ij、Q_ij，其对其它支路潮流设备的影响可以将其等效为稳态潮流计算的方法来计算。在进行等效时，将合环支路断开，在合环支路的首末端对注入量分别增加和减少合环冲击潮流的数值，从而计算出合环冲击潮流对整个系统的其它支路设备的影响。

另外，在本发明中，还披露了一种合环操作风险的认定方法。根据计算结果，可以对合环操作的合理性进行分析，给电力系统调度或运方人员以提示，防止进行错误合环而造成人员和财产的损失。

为了保证电网稳定性，我国很多地区500kV厂站之间的220kV及以下输配网打开运行，避免形成500kV电磁环网。根据自动在线合环路径拓扑搜索结果，当合环操作所形成的环路造成了500kV或220kV的电磁环网时，给出跨区域合环的告警，造成了500kV电磁环网时，给出严重告警和风险提示。

根据计算得到的合环电流时域特性，能够判断在某一时刻的合环电流能否躲过保护的整定值，该时刻可以在软件产品中由电力系统调度或运方人员进行设定。如果不能躲过，则可能造成保护的误动，当合环冲击电流过大时，还可能造成对电力设备的破坏，甚至发生爆炸造成人员伤亡。此时，给出合环风险提示。根据计算得到的合环后对电网的影响分析，当合环操作发生后，如果穿越潮流较大，可能造成电网设备的越限，此时给出合环风险提示。图3是合环操作风险分析计算流程图，图4合环操作风险分析模块机制结构图。

本发明按照优选实施例进行了说明，应当理解，但上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1、电力系统合环操作风险分析方法，包括下列步骤：

(1)在线电网模型及数据断面的获取：从调度中心的能量管理系统中取得实时或研究方式下的数据断面，在线获得的信息包括电网设备参数、电网的运行方式和量测；将这些信息导入该产品的层次数据库作为生成计算模型和参数的基础；

(2)合环操作点的设置：电力系统调度或运方人员直接在调度中心的能量管理系统的电网模型中，将电网内设备设置为合环设备，设置合环操作点；

(3)合环路径的全网自动拓扑搜索：将合环操作点设置为初始节点和终止节点，进行在线电网拓扑分析，将每条闭合的线路支路和变压器支路进行编号并与各自的两端端点进行关联，然后根据此信息对各电气节点进行编号并记录下每个节点通过支路连接的其它节点集，之后从初始节点开始向下一层推，记录本节点为父节点并记录与本节点相连的节点号，再从此相连节点向更下一层推，直至找到终止节点，之后从终止节点开始找每一个节点搜索表的父节点一直反推至初始节点，从而找到合环路径；

(4)合环端口阻抗的计算：根据能量管理系统导入的在线电网模型，得到全网的导纳阵，采用处理后的数值解法对导纳阵进行部分求逆，得到合环环路阻抗，再结合合环环路阻抗从而得到合环端口阻抗；

(5)合环电流的在线计算：在能量管理系统导入的电网实时数据断面和方式的基础上，进行潮流计算，得到合环前合环点的电压幅值和相位，由前面计算得到合环端口阻抗，得到RL环路中合环电流的强制分量和自由分量的衰减周期，从而计算出合环电流在各个时刻的最大值和有效值；

(6)合环后电网状态的分析计算：根据计算得到的合环电流和合环母线的电压幅值、相角，计算出合环潮流，修改合环母线的注入潮流，再次进行在线全网潮流计算，得到由合环操作而引起越限的设备的列表；

(7)合环操作的风险提示：根据合环电流、合环潮流及合环后电网潮流计算的结果和合环路径的拓扑搜索结果，判断该合环操作是否为跨大区域操作，判断合环路径上变压器支路是否造成合环相位差，判断合环电流的在某一时刻的有效值能否躲过合环线路的保护整定值，判断合环电流的稳态值是否会超过合环开关的电流限，判断合环后是否会造成电网内其它设备的越限，从而给出合环是否合理的提示消息供电力系统调度或运方人员参考。

2、根据权利要求1所述的电力系统合环操作风险分析方法，其特征在于在上述的步骤3中，在将合环路径上各支路描述出来的同时，对合环路径上的变压器绕组接线方式进行相位校验，搜索结果以环路拓扑展图和列表、消息的形式予以展现。

3、根据权利要求2所述的电力系统合环操作风险分析方法，其特征在于对于变压器绕组接线方式为“Yn d11”或“Y d11”的变压器，如果合环电流流经环路，合环点两侧的相位差超过30度，则不应该进行合环操作。

4、根据权利要求1所述的电力系统合环操作风险分析方法，其特征在于在上述的步骤4中，采用修正后的高斯消元法求取合环端口阻抗。

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