CN102498632B - 配电系统自动化中用于负载平衡的实时馈电线重新配置的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供配电系统自动化中用于负载平衡的实时馈电线重新配置的系统和方法。变压器和馈电线的负载平衡借助从过载变压器或馈电线转移负载到轻负载的邻近的变压器或馈电线而实现。该方法包括定义目标函数为变压器/馈电线的负载偏差的平方和。该目标函数的最小化确定对开关分段化的最佳操作状态(断开或闭合)。变压器和馈电线的负载平衡操作通过其中重新配置多个开关的单个操作而实行。

Description

配电系统自动化中用于负载平衡的实时馈电线重新配置的系统和方法

技术领域

本发明涉及公用配电系统中的馈电线重新配置并且更具体地涉及用于在配电的系统自动化中平衡负载的实时馈电线重新配置系统。

背景技术

公用配电系统中的馈电线重新配置已经是配电自动化的重要方面。需要该重新配置以避免关键的变压器和馈电线由于负载变化引起的过载。在配电馈电线中，负载可随时间变化并且在一些重负载期间过冲其额定热容量。该负载变化还取决于负载的种类，例如住宅负载、商业或工业负载等。在过载的情况下，为了保持系统可靠，来自过载馈电线的负载的一部分必须转移到相对轻负载的邻近的馈电线。相似地，主变压器过载问题可以通过识别引起过载的适当的馈电线并且将来自馈电线负载的负载的一部分转移到轻负载的邻近的变压器而解决。这种负载在馈电线和变压器之间的重新分布使得系统更平衡并且使过载的风险降低由此增加系统的可靠性。

美国专利6,654,216提供对于配电的电力网络的分布式监测和保护系统。该电网具有多条用于从站传送电力的线(其中断路器包括在这些线中)。该分布式监测和保护系统包括：耦合于多条电力线中的至少一个用于测量电力线的电参数的至少一个监测单元；和在数据网上与该监测单元通信并且从该监测单元接收测量的电参数的至少一个控制单元。

由本发明描述的保护系统监测系统中的电参数(电流、电压，等)到达其阈值并且当任何电参数过冲其阈值时使断路器跳闸。描述的方法不牵涉通过最小化目标函数使各种设备上的负载标准化。

美国专利5,734,586针对用于通过使用损耗公式、电压公式和为此的线路流通量公式来实现最佳稳定状态的大规模、不平衡的配电网络。就系统和网络数据来说，还公开了用于关于控制装置、网络部件和连接的变化确定系统损耗、三相线路流通量和电压的变化的显式公式。识别显式表达式对于配电系统的实时控制的应用。三相功率流和损耗公式能够应付：大量的节点、分支和侧支；多相接地或未接地负载；一般的大规模、不平衡配电系统中的任何连接的联合发电机、多相分路元件和变压器。

由本发明描述的系统不牵涉使各种设备上的负载标准化。同样，它更复杂地牵涉网络流编程技术和在实际实现控制步骤之前评估控制步骤的效果。

存在许多涉及重新配置的出版物，但除了少数出版物外没有一个解释在线重新配置。那些少数出版物具有采用复杂方式描述的算法。存在一些已经提出以在短期内达到接近最优解的启发式技术。其他则开发一种方案，其中在对于配置(其中所有开关闭合)的最佳负载流方案中通过断开具有最低电流的分支实现最佳配置。存在这样的出版物，其提出使用模糊逻辑和紧接着基于组合最优化的实现步骤的相平衡的新的重新配置。对于模糊步骤的输入是馈电线的每相总负载。模糊步骤的输出是负载变化值，对于负载释放是负值并且对于负载接收是正值。模糊步骤的输出是对负载变化系统的输入。负载变化系统使用组合最优化技术来将变化值(kW)转化成负载点的数量并且然后选择特定的负载点。还采用最佳模式进行释放和接收相之间的负载点的互换。

在2002年1月InternationalJournalofElectricalPower&Energysystems的KashmenM.A的“Three-phaseloadbalancingindistributionsystemsusingindexmeasurementtechnique”中使用的指数值是分支负载平衡指数并且从系统角度来说没有解决该问题。

在出版物中描述的方法中，用于负载平衡的网络重新配置通过在由考虑分支交换式开关形成的不同的径向配置上进行搜索而完成。需要有使用适合于分支的指数和系统的指数值来有助于实现最佳负载平衡的分支和整个系统的负载状况的系统方法。

现在正考虑改进用于管理配电系统的现有技术的系统和方法。

发明目标

本发明的主要目标是提供用于在配电系统自动化中借助实时馈电线重新配置来平衡负载的系统和方法。

本发明的另一个目标是提供用于使系统的所有节点上的负载标准化的配电系统自动化中平衡负载的系统和方法。

本发明的再另一个目标是提供使配电系统操作者能够采取快速和可行的决策以操作平衡条件中的设备的算法方法。

发明内容

因此，本发明提供用于借助从过载变压器或馈电线转移负载到轻负载的邻近的变压器或馈电线来平衡变压器和馈电线的负载的系统和方法。该方法的目的是在所有设备上具有均匀的负载并且避免它们中的任何一个过载。为了该目的，目标函数定义为变压器/馈电线的负载偏差的平方和。该目标函数的最小化确定对开关(其是能够中断和启动负载的简单的隔离装置)分段化的最佳操作状态(断开或闭合)。从而，通过高效地改变受到变压器和馈电线容量约束的开关的断开位置，避免任何过载状况并且实现负载的均匀分布。

提出的发明的特性特征是同时实行变压器和馈电线的负载平衡操作。允许操作者借助于提出的方法实时操作开关用于改变负载以得到某个网络配置。该操作实践的优势是增加设备、变压器、馈电线和开关的预期寿命。假定在系统中是平衡的三相负载状况，不考虑三相中的不平衡。

在本发明的优选实施例中，用于借助从过载变压器或馈电线转移负载到邻近的变压器或馈电线来平衡变压器和馈电线的负载的实时馈电线重新配置的方法包括以下步骤：

a.获得配电系统的系统负载指数(SLI)和变压器和馈电线的负载指数；

b.优化公式化为SLI和负载指数的函数的目标函数；和

c.通过优化转移负载以使变压器和馈电线的负载指数与SLI对齐来获得负载平衡。

在本发明的其他实施例中，用于借助从过载变压器或馈电线转移负载到邻近的变压器或馈电线来平衡变压器和馈电线的负载的实时馈电线重新配置的方法，其中最优化包括以下步骤：

a.定义目标函数为变压器/馈电线的负载偏差的平方和；

b.最小化所述的目标函数以确定能够中断和启动负载的隔离装置的例如断开或闭合状态等最佳操作状态；和

c.改变受到变压器和馈电线容量约束的隔离装置的断开位置来避免过载状况以获得负载的均匀和平衡分布。

在本发明的其他实施例中，转移负载的步骤包括以下步骤：

(a)确定需要负载转移的源馈电线和汇馈电线；

(b)追踪所述源馈电线和所述汇馈电线之间的路径；

(c)通过断开开关将路径分割成两部分；

(d)选择所述断开开关的相邻分段用于负载转移；和

(e)接着在下一分段中实行所述转移过程以实现平衡的系统。

在本发明的其他实施例中，用于借助从过载变压器或馈电线转移负载到邻近的变压器或馈电线来平衡变压器和馈电线的负载的实时馈电线重新配置的方法，其中确定源馈电线的所述步骤基于：

(a)如果具有最大负载偏差的设备是馈电线，则选择具有最大负载偏差的馈电线作为源馈电线，或

(b)如果具有最大负载偏差的设备是具有负的负载偏差的变压器，则在所述变压器中的所有馈电线中选择具有最小负载偏差的馈电线作为源馈电线；或

(c)如果具有最大负载偏差的设备是具有正的负载偏差的变压器，则在所述变压器中的所有馈电线中选择具有最大负载偏差的馈电线作为源馈电线。

在本发明的其他实施例中，用于借助从过载变压器或馈电线转移负载到邻近的变压器或馈电线来平衡变压器和馈电线的负载的实时馈电线重新配置的方法，其中确定汇馈电线的所述步骤包括以下步骤：

a.对于连接到所述源馈电线的所有馈电线计算最大负载转移；和

b.选择具有MaximumLoadTransfer最大值的馈电线作为汇馈电线，其中，最大负载转移是实际过载和容量之间的差。

在本发明的另一个实施例中，变压器和馈电线的负载平衡操作通过单个操作(其中重新配置多个开关)而实行。

在本发明的另外的实施例中，根据如本文上文中描述的用于借助从过载变压器或馈电线转移负载到邻近的变压器或馈电线来平衡变压器和馈电线的负载的实时馈电线重新配置的方法，提供有用于基于配电网络中SLI和变压器和馈电线的负载指数值进行变压器和馈电线负载平衡的配电管理系统。

在本发明的再另一实施例中，提供有能够通过单个操作(其中重新配置多个开关)进行变压器和馈电线的所述负载平衡的系统。

附图说明

上文提到的本发明的特征在本段中借助于图详细描述。然而，要注意附图仅图示本发明的典型的实施例并且因此不认为限制它的范围，因为本发明可承认其他同等有效的实施例。

图1示出由本发明提出的方法牵涉的步骤的图形表示；

图2示出从源馈电线F_r到汇馈电线F_s的负载转移；

图3示出根据示范性实施例代表配电系统的14总线测试情况。

图4示出在重新配置前图3的配电系统的示范性情况，并且

图5示出在开关后图4的配电系统的示范性情况。

具体实施方式

其中每个变压器和馈电线被负载成处于平衡条件的负载的配电系统叫做具有平衡的变压器和馈电线负载的系统。在本发明中，负载平衡问题通过提出系统以及配电系统的设备、变压器和馈电线的各种负载指数而公式化。系统的平衡条件使用系统负载指数(SLI)来确定。配电系统的SLI代表在那个时间点占据的仍然可用而没有违反设备的容量约束的负载裕度。

Load_System＝所述配电系统中的总负载

Margin_System＝所述配电系统中总容量

${\mathrm{Load}}_{\mathrm{System}}=\underset{i}{\overset{\mathrm{nf}}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{Fi}}$ ${M\arg \mathrm{in}}_{\mathrm{System}}=\underset{j}{\overset{\mathrm{nt}}{\mathrm{\Σ}}}{M}_{\mathrm{Tj}}=\underset{i}{\overset{\mathrm{nf}}{\mathrm{\Σ}}}{M}_{\mathrm{Fi}}$

L_Tj＝变压器j的负载指数，(j＝1，nT)＝变压器T_j中的实际负载

L_Fi＝馈电线i的负载指数，(i＝1，nf)＝馈电线F_i中的实际负载

M_Tj＝变压器T_j的容量

M_Fi＝馈电线F_i的容量

相似地，设备(变压器和馈电线)的裕度(M_Tj，M_Fi)定义为

$M_{\mathrm{Tj}}=\min (S_{\mathrm{Tj}},\underset{i}{\overset{\mathrm{nf}}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{Fi}})$

当馈电线F_i由变压器T_j供电时。

$M_{\mathrm{Fi}}=M_{\mathrm{Tj}}\×\frac{S_{\mathrm{Fi}}}{\underset{i}{\overset{\mathrm{nf}}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{Fi}}}$

当馈电线F_i由变压器T_j供电时

S_Tj＝变压器T_j的额定容量

S_Fi＝馈电线F_i的额定容量

用于系统平衡的基本理念是避免任何设备(变压器，馈电线)基于负载指数而过载使得每个设备均匀负载。

平衡条件是系统中的任何部件/设备负载成与系统中的统一/平均负载相同的程度的时候。如上文描述的，系统的平衡条件使用SLI并且对于馈电线/设备通过负载指数来确定或指数化。在平衡条件中，负载指数和SLI将几乎是相同的值。

因为系统可能不同分段，这些分段具有不等或不同的容量，必须使对于每分段的负载状况标准化以有效地达到平衡的系统条件。

馈电线/变压器的负载的正常值是馈电线/变压器的负载指数。

如可以容易地看到，在平衡条件中，标准负载值将与系统负载指数几乎相同。也就是说，在平衡操作配电系统中的每个变压器和馈电线负载成与SLI相同的标准负载。

平衡条件下的负载＝(SLI)X(变压器或馈电线的裕度)

要注意负载偏差值是标准值。

通过以具有最高负载偏差值的设备开始来调整馈电线/变压器中的负载偏差而实现平衡。

配电系统由作为对于单个馈电线或一组馈电线的源的变压器(其具有变电站断路器和分段化开关)组成。这些分段化开关是能够中断和启动负载的简单的隔离装置。这些分段化开关的断开和闭合由控制系统控制。要注意，仅考虑其中馈电线配置不具有任何馈电线环路并且所有馈电线分段径向来通电的情况。

为了使变压器/馈电线处于平衡状态，负载偏差必须最小化。因此，对于系统，平衡的目标是在所有分段(馈电线、变压器和分支)中具有最小化的负载偏差。最优化的目标函数定义为

$J={\mathrm{\Σ}}_j^{\mathrm{nt}}{\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{Tj}}^2+{\mathrm{\Σ}}_i^{\mathrm{nf}}{\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{Fi}}^2$

负载偏差项平方以使表达式对于极性是不变式。然后使用目标函数的最小-最大优化获得负载平衡。这里的目的是识别适当的开关操作(断开/闭合)以便获得变压器和馈电线(其受到它们的容量的约束)的负载平衡的目标。

最优化方案识别应该闭合或断开使得重负载的变压器/馈电线上的负载可以转移到相对更少重负载的变压器/馈电线的开关的适当的集合以便平衡所有变压器/馈电线上的负载。

当任何变压器或馈电线过载时在配电系统的操作期间，用负载偏差值作为系统中的事件来识别过载条件。监督控制和数据采集(SCADA)系统配置成感测该事件并且触发通过馈电线重新配置的平衡负载(LBFR)的配电管理系统(DMS)应用。该LBFR方法借助图1来描述。

图1示出由本发明提出的方法牵涉步骤的图形表示。它以上文描述的事件的发生开始并且继续以在下列步骤中获得开关操作的适当的集合：

在图1的步骤102，事件处理程序(eventhandler)等待直到事件发生。一旦感测到事件，触发DMS应用。

在图1的步骤104，接收拓扑、开关状态(断开/闭合)和馈电线分段负载连同系统的实际系统负载(作为系统中的测量值)。变压器和馈电线的容量限制也从配电管理系统数据库获得。

在图1的步骤106，实行系统负载指数、变压器和馈电线的裕度(M_Tj；M_Fi)、变压器和馈电线的标准负载的计算。另外，还计算变压器和馈电线的负载偏差。

在图1的步骤108，从负载偏差值确定用于负载转移的源馈电线。源馈电线是具有最大负载偏差值(ΔL_Tj；ΔL_Fi)的那个。给予具有最大负载偏差值的变压器或馈电线上的负载转移最高优先权。如果具有最大负载偏差的设备(变压器/馈电线)碰巧是馈电线，那么从负载转移必须发生的地方将它标记为源馈电线。否则如果具有最大负载偏差值的设备是变压器(T_j)，那么基于该变压器(ΔL_Tj)的负载偏差值识别源馈电线。如果ΔL_Tj＜0，由过载变压器供电的馈电线中的具有最小负载偏差(ΔL_Fi))的馈电线被指定为用于负载转移的源馈电线，并且如果ΔL_Tj＞0，那么具有最大负载偏差(ΔL_Fi)的馈电线被指定为用于负载转移的源馈电线。

一旦源馈电线被识别，从连接到源馈电线的馈电线的列表中确定汇馈电线。这些馈电线的每个标记为目标馈电线。为了在目标馈电线中选择适当的汇馈电线，计算最大负载转移(MLT)。该MLT值最大等于负载偏差值。负载(L_t)从馈电线(F_r)转移到馈电线(F_s)。具有最大MLT值的目标馈电线选择作为汇馈电线。

图2示出在下文解释的在图1的步骤110中正实行的从源馈电线F_r到汇馈电线F_s的负载转移。

在图1的步骤110，源馈电线和汇馈电线之间的路径被追踪。路径由断开开关分割成两部分，使得路径中的一部分由源馈电线供电并且路径中的另一部分由汇馈电线供电。选择该断开开关的相邻分段用于负载转移。该转移过程在下一分段中接着实行直到不可能有进一步负载转移或达到MLT值为止。在每个连续中，负载转移值取决于开关的配置。每个连续中转移的负载称为增量负载。

在图1的步骤112，基于计算的负载偏差值，确定任何另外的负载转移的可能性以努力最小化目标函数。在任何另外的可能性情况下，重复步骤108、110和112。否则实行步骤114。

在图1的步骤114，实行该步骤以检查在负载转移后每个变压器和馈电线中的稳定的负载值。在最优化目标函数的过程中，使用负载流量计算检查在其他变压器/馈电线中由于负载转移因而发生的过载状况(若有的话)。

在图1的步骤116，如果在系统中不存在负载违规，则具有伴随正确的序列的适当的开关操作的结果打印并且公布给操作者。

为了证明提出的方法的高效工作，考虑示范性情况。

已经关于具有微小改动以代表和配电系统相同的系统的14总线测试情况解释本发明并且这在图3中示出，该系统由三个变压器、九个馈电线和十七个馈电线分段组成。该系统装备有十六个开关来操作，使得配电系统在径向条件下操作。系统的基本情况的开关状态在图3中示出，其中实心圆符号代表常开开关并且实心方形符号指定常闭开关并且实心对角符号代表环路开关，即，该开关限制系统在网格条件下操作。

首先做出系统在径向条件下操作的假设。实心方形符号代表常闭开关。本发明的方法通过示范性情况来证明，其中考虑从总线9并且遍布总线10、总线11连接到总线6的馈电线，如在图4中示出的。要注意关于该示范性情况，SLI维持大约0.9。

总线6至总线11馈电线分段断开(SW9)，其示出0.0MVA功率流。总线9至总线10馈电线分段的容量限制设置为12MVA并且对于总线6至总线11分段的容量限制设置为4.5MVA。在系统操作期间，看到总线9至总线10馈电线分段过载有14.8MVA的功率流。

使用本发明的方法，SW9和SW14的开关状态互换，这导致总线11的负载从总线9处的变压器转移到总线6处的变压器。通过该过程，总线9至总线10馈电线分段中的功率流回落到在限制值内的10.8MVA，如在图5中示出的。在“闭合”开关SW9并且“断开”开关SW14后，因而发生的从总线6至总线11的功率流已经从0.0MVA增加至3.96MVA。总线11至总线10馈电线分段的功率流变成0.0MVA。从总线9至总线10的功率流从14.8MVA降至10.8MVA。

从图5中呈现的结果，观察到对于总线9至总线10源馈电线分段的标准负载值是0.9。相似地，在总线6至总线11汇馈电线分段的标准负载值也是0.9。因此对于该示范性情况，标准负载值与保持的SLI相同。

因此本发明在得到需要的开关操作以克服馈电线的过载是高效的。

本发明中描述的方法使配电系统操作者能够采取快速和可行的决策以将设备操作在平衡条件。本发明的特性特征是一次同时实行变压器和馈电线的负载平衡操作。允许操作者借助于本发明实时操作开关用于改变负载以得到某个网络配置。该操作实践的优势是增加设备、变压器、馈电线和开关的预期寿命。

要注意这里描述的示范性情况是配电系统中的非常特定的情况。然而，提出的方法适用于所有可能的情况。提到的情况因此不认为限制本发明的范围。

Claims (9)

1.用于借助从过载变压器或馈电线转移负载到邻近的变压器或馈电线来平衡变压器和馈电线的负载的实时馈电线重新配置的方法，包括以下步骤：

a.获得配电系统的系统负载指数SLI和变压器和馈电线的负载指数；

b.优化公式化为系统负载指数SLI和负载指数的函数的目标函数；以及

c.通过优化转移负载以使变压器和馈电线的负载指数与系统负载指数SLI对齐来获得负载平衡，

其中所述目标函数考虑了馈电线和变压器以及

其中所述转移负载的步骤进一步包括以下步骤：

i.基于以下来确定源馈电线：

（a）如果具有最大负载偏差的设备是馈电线，则选择具有最大负载偏差的馈电线作为源馈电线，

（b）如果具有最大负载偏差的设备是具有负的负载偏差的变压器，则在所述变压器中的所有馈电线中选择具有最小负载偏差的馈电线作为源馈电线；以及

（c）如果具有最大负载偏差的设备是具有正的负载偏差的变压器，则在所述变压器中的所有馈电线中选择具有最大负载偏差的馈电线作为源馈电线；以及

ii.确定具有最大值的最大负载转移的馈电线作为汇馈电线；

其中，最大负载转移是实际过载和容量之间的差，

其中变压器和馈电线的所述负载平衡操作通过其中重新配置多个开关的单个操作而实行。

2.如权利要求1所述的用于借助从过载变压器或馈电线转移负载到邻近的变压器或馈电线来平衡变压器和馈电线的负载的实时馈电线重新配置的方法，其中优化包括以下步骤：

a.定义目标函数为变压器/馈电线的负载偏差的平方和；

b.最小化所述的目标函数以确定能够中断负载和启动负载的隔离装置的最佳操作状态；和

c.改变受到变压器和馈电线容量约束的隔离装置的断开位置来避免过载状况以获得负载的均匀和平衡分布。

3.如权利要求2所述的用于借助从过载变压器或馈电线转移负载到邻近的变压器或馈电线来平衡变压器和馈电线的负载的实时馈电线重新配置的方法，其中所述最佳操作状态是断开或闭合状态。

4.如权利要求1所述的用于借助从过载变压器或馈电线转移负载到邻近的变压器或馈电线来平衡变压器和馈电线的负载的实时馈电线重新配置的方法，其中所述转移负载的步骤进一步包括以下步骤：

追踪所述源馈电线和所述汇馈电线之间的路径；

通过断开开关将路径分割成两部分；

选择所述断开开关的相邻分段用于负载转移；和

接着在下一分段中实行所述转移过程以实现平衡的系统。

5.如权利要求1所述的用于借助从过载变压器或馈电线转移负载到邻近的变压器或馈电线来平衡变压器和馈电线的负载的实时馈电线重新配置的方法，其中所述确定汇馈电线的步骤进一步包括以下步骤：

对于连接到所述源馈电线的所有馈电线计算最大负载转移。

6.如权利要求2所述的用于借助从过载变压器或馈电线转移负载到邻近的变压器或馈电线来平衡变压器和馈电线的负载的实时馈电线重新配置的方法，其中所述负载偏差基于变压器和馈电线在平衡条件的负载和变压器与馈电线的实际负载。

7.如权利要求1所述的用于借助从过载变压器或馈电线转移负载到邻近的变压器或馈电线来平衡变压器和馈电线的负载的实时馈电线重新配置的方法，其中所述配电系统的配置在除了开关的断开/闭合状态之外的计算过程期间保持相同。

8.一种配电管理系统，其用于根据前面的权利要求中任一项所述的方法来基于配电网络中系统负载指数SLI和变压器和馈电线的负载指数值进行变压器和馈电线负载平衡。

9.如权利要求8所述的配电管理系统，其中所述系统能够通过其中重新配置多个开关的单个操作进行变压器和馈电线的所述负载平衡。