CN108595372B - 一种基于10千伏配电网gis系统的大规模数据快速计算方法 - Google Patents

一种基于10千伏配电网gis系统的大规模数据快速计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力系统技术领域，特别涉及一种基于10千伏配电网GIS系统的大规模数据快速计算方法。包括以下步骤：S1：定义数据源和采集数据对象；S2：执行指定的采集数据对象，获取指定字段数据，指定数据页面导入Excel文件；S3：在Excel文件中以公式、函数和数组功能创建短路计算模板页面，引用数据页面作为计算模板页面中的原始数据来源；S4：执行Excel模板页面的短路计算程序，生成10千伏设备短路电流的状态信息。本发明基于配电网GIS系统设备拓扑关系及常规电网数据，将10千伏开关设备简化成各节点与支路模型，运用短路电流计算原理作建模应用，计算评价10千伏开关设备短路水平，应用于电气设备选型、继电保护装置的整定、主接线方案及运行方式的确定。

Description

一种基于10千伏配电网GIS系统的大规模数据快速计算方法
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，特别涉及一种基于10千伏配电网GIS系统的大规模数据快速计算方法。
背景技术
短路电流计算程序是电力系统必备的系统分析工具之一，常规短路计算分析至变电站10千伏母线层面，较少关注变电站外10千伏配电网的短路水平。
随着城市电网规模的不断扩大和电网结构的不断完善，地区电网短路电流水平呈持续增长趋势，越来越多变电站10千伏母线短路电流超过控制水平规定的20kA，而目前10千伏开关设备基本按开断电流20kA选型，10千伏线路开关设备短路电流超标风险问题日益突出，有必要定期对现有大规模开关设备做短路校验，以采取相应的措施消除风险。
PSD-BPA和PSASP程序是目前国内应用最为广泛的电力系统分析工具，可实现对电力系统中任意指定区域或电压等级范围内的所有节点的短路电流水平进行扫描计算。程序主要针对高压配电网及输电网开发，由于10千伏电网整体数据量庞大、型号多样，分析工具的运行效率不高，难以保证短路电流计算结果的准确性；电网结构复杂且变化频繁，每一次网络结构的调整及运行方式的改变都可能造成电网设备短路水平的变化，因此传统分析工具不适用于日常的运行维护。10千伏电网设备大规模化及电网结构复杂变化频繁的情况下，需要一种可实时提取电网基础数据，适合配电网大规模数据处理，实用、简便、无次数限制、能快速计算开关设备短路电流水平的方法。
基于GIS的营配一体化系统在南方电网已得到广泛应用，在统一的电网设备和客户信息模型、基础资料和拓扑关系的基础上，建立高效的安全生产管理信息系统。涵盖“变电站—10千伏馈线—配变—低压线路—用电客户”的电网模型，已完成数据录入并建立定时更新维护机制，可输出电网设备的实时数据应用于10千伏配电网分析计算中。
目前电网运行管理中传统短路电流计算程序仅计算至变电站10千伏母线，日常运行一般仅对新建及改造开关设备进行短路电流校验，而忽略对现有开关设备短路电流水平的整体考虑。电网短路电流水平会随着各种影响因素动态变化，应将所有开关设备的短路校验作为日常运行管理工作，故提出适合10千伏配电网大规模数据处理及能快速计算开关设备短路电流水平的方法，及时对存在超标风险的母线及开关设备制定相应的短路电流控制措施及设备选型建议，减少电网运行安全隐患。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种基于10千伏配电网GIS系统的大规模数据快速计算方法，本发明基于配电网GIS系统设备拓扑关系及常规电网数据，将10千伏开关设备简化成各节点与支路模型，运用短路电流计算原理作建模应用，计算评价10千伏开关设备短路水平，应用于电气设备选型、继电保护装置的整定、主接线方案及运行方式的确定。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于10千伏配电网GIS系统的大规模数据快速计算方法，包括以下步骤：
S1：定义数据源和采集数据对象；
S2：执行指定的采集数据对象，获取指定字段数据，指定数据页面导入Excel文件；
S3：在Excel文件中以公式、函数和数组功能创建短路计算模板页面，引用数据页面作为计算模板页面中的原始数据来源；
S4：执行Excel模板页面的短路计算程序，生成10千伏设备短路电流的状态信息。
进一步的，在步骤S1中，数据源和采集数据对象为设备开关所属线路的变电站10千伏母线短路水平及开关设备至10千伏母线的线路信息。
进一步的，在步骤S2中，数据对象包括三部分：10千伏开关设备信息、变电站10千伏母线短路结果数据和10千伏常用线路阻抗参数经验值。
进一步的，在步骤S3中，具体计算步骤为：
S31、计算模板页面序号列、开关设备名称列，分别直接引用开关设备台账信息表页面对应列原始数据；
S32、计算模板页面额定短路开断电流列，直接引用开关设备台账信息表页面对应列原始数据；
S33、计算模板页面母线短路电流列，采用数组公式SUMPRODUCT，根据开关设备所属变电站及所属母线引用变电站10千伏母线短路电流情况表页面中母线三相短路电流值；
S34、计算模板页面基准容量列、基准电压列、基准电流列，系统基准电流由
Figure GDA0002521253180000031
求得；
其中，Ij为基准电流；Sj为系统基准容量，取100兆伏安；Uj为线路电压基准值，Uj＝1.05Un，Un为各级线路电压标称值，千伏；
S35、计算模板页面系统电抗标幺值列，由上级变电站的短路容量确定，即电力系统的阻抗相对值等于基准容量与短路容量的比值，因电阻值很小所以只计入电抗值：
Figure GDA0002521253180000032
或
Figure GDA0002521253180000033
求得，
其中，X*s为系统电抗标幺值，Is为设备所属变电站的10千伏母线短路电流值，Ss为系统短路容量；
S36、计算模板页面线路电阻有名值列、线路电抗有名值列，采用函数公式VLOOKUP，引用开关设备台账信息表页面中开关设备至变电站母线10千伏线路截面及长度信息，再结合10千伏线路阻抗数据参考表页面中10千伏线路阻抗数据参考，通过XL＝x0L、RL＝r0L计算10千伏线路阻抗有名值；
其中，XL、RL分别为输电线路电抗、电阻有名值；x0、r0分别为输电线路每公里电抗、电阻有名值；L为输电线路长度；
S37、计算模板页面线路电阻标幺值列、线路电抗标幺值列，可引用计算模板页面线路电阻有名值列、线路电抗有名值列计算，由
Figure GDA0002521253180000034
Figure GDA0002521253180000035
求得；
其中，X*L为线路电抗标幺值，R*L为线路电阻标幺值；
S38、计算模板页面总阻抗标幺值列，因电力系统阻抗只计入电抗值的影响，故总阻抗标幺值由
Figure GDA0002521253180000041
求得；
S39、计算模板页面开关设备短路电流列，可引用计算模板页面基准电流列与总阻抗标幺值列计算，由
Figure GDA0002521253180000042
求得；
S310、计算模板页面是/否超标列，由开关设备额定短路开断电流及开关设备短路电流计算值作比较，短路电流计算值大于额定短路开断电流即判断该开关设备短路电流超标。
进一步的，在步骤S4中，计算模板页面是否超标列为10千伏设备短路电流是否超标的状态信息结果，“是”即设备短路电流计算值大于设备自身参数额定短路开断电流值，处于超标状态。
与现有技术相比，有益效果是：本发明运用短路电流计算原理，基于配电网GIS系统设备拓扑关系及常规电网数据，将电网10千伏开关设备简化成各个节点模型与支路模型，实现大规模数据快速计算短路电流水平，填补变电站外10千伏电网进行大规模数据快速计算短路水平技术的薄弱。基于10千伏配电网GIS系统的大规模数据进行快速计算，为电气设备选型与继电保护装置的整定提供技术依据。Excel工作表具有丰富的公式、函数和数组计算功能，在工作表中创建公式比较简便而且能更好地编辑公式、输入函数及创建自定义模板。
附图说明
图1是本发明方法流程图；
图2、3是本发明在一个实施例中开关设备台账信息表；
图4是本发明在一个实施例中变电站10千伏母线短路电流情况表；
图5是本发明在一个实施例中10千伏线路阻抗数据参考表；
图6、7是本发明在一个实施例中计算模板数据表。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
如图1所示，一种基于10千伏配电网GIS系统的大规模数据快速计算方法，包括以下步骤：
S1：定义数据源和采集数据对象；
S2：执行指定的采集数据对象，获取指定字段数据，指定数据页面导入计算模板文件；
S3：在计算模板文件中以公式、函数和数组功能创建短路计算模板页面，引用数据页面作为计算模板页面中的原始数据来源；
S4：执行Excel模板页面的短路计算程序，生成10千伏设备短路电流的状态信息。
其中，在步骤S1：定义数据源和采集数据对象：
10千伏设备短路电流水平与上级电网至设备开关的线路长度呈反相关关系，一旦发生短路故障，由上级电网提供的故障电流经过10千伏线路阻抗的削弱会有所降低。在单电源辐射状网络中，随着10千伏线路供电半径越长的网点，其10千伏设备开关短路电流超标风险也降低。超标风险高的开关设备为所属变电站10千伏母线短路水平高，距离变电站10千伏母线较近的开关设备。
本发明数据源和采集数据对象为设备开关所属线路的变电站10千伏母线短路水平及开关设备至10千伏母线的线路信息。
10千伏开关设备信息由配网GIS系统的配电网安全生产管理平台输出。
变电站10千伏母线短路结果数据可摘自地区电网年度运行方式报告。
10千伏常用线路阻抗参数经验值，可从手册资料中或产品样本中获得。
在步骤S2：执行指定的采集数据对象，获取指定字段数据，指定数据页面导入计算模板文件：
数据对象包括三部分：
1)开关设备台账信息表
基于GIS的营配一体化系统，在统一的电网设备和客户信息模型、基础资料和拓扑关系的基础上，建立高效的安全生产管理信息系统，实现电网设备管理、运行维护等核心业务应用。各地区电网公司所应用的GIS系统由于开发者不尽相同，其管理平台会存在一定差异，但系统核心功能一致。系统可实时导出相关开关设备信息，并通过拓扑算法，回溯功能自动追踪网点来统计开关设备至变电站母线的10千伏线路截面选型及长度信息。由于各地区电网公司所应用的GIS系统不尽相同，所以数据导出方法不在本发明内详细介绍，仅列出本发明算法所采集数据中的指定字段数据。
参考图2、3中的开关设备台账信息表作为数据1页面导入计算模板文件
(某电网中共有断路器开关29132个，其中柱上断路器开关4220个，室内断路器开关24912个。10千伏短路器采用的开断电流等级分别有20千安、25千安与31.5千安)
2)变电站10千伏母线短路电流情况
摘自地区电网年度运行方式报告，电网年度运行方式是电力部门指导次年内电力系统生产和运行的技术方案，年度运行方式的编制对多方面技术专题进行分析计算，可扫描变电站各电压等级的短路电流水平。本发明采集地区电网年度运行方式报告中的变电站10千伏母线短路结果数据。
参考图4变电站10千伏母线短路电流情况表，变电站10千伏母线短路电流情况表，作为数据2页面导入计算模板文件
(某电网变电站站内10千伏母线共有650回，其中220千伏变电站27座，站内10千伏母线为125回，而110千伏变电站133座，站内10千伏母线为525回。)
3)10千伏线路阻抗数据参考
10千伏常用线路阻抗参数经验值，可从手册资料中或产品样本中获得，线路参数表征电力线路每公里的电阻与电抗有名值。
参照图5，10千伏线路阻抗数据参考表，10千伏线路阻抗数据参考表，作为数据3页面导入计算模板文件。
在步骤S3：在计算模板文件中以公式、函数和数组功能创建短路计算模板页面，引用数据页面作为计算模板页面中的原始数据来源：
参考图6、7的计算模板数据表，具体的计算步骤为如下：
S31、计算模板页面A列(序号)、B列(开关设备名称)分别直接引用数据1页面A、B列原始数据。
(Excel计算页面第3行举例：A3：“＝数据1！A3”、B3：“＝数据1！B3”)
S32、计算模板页面C列(额定短路开断电流)直接引用数据1页面F列原始数据。
(Excel计算页面第3行举例：C3：“＝数据1！F3”)
S33、计算模板页面D列(母线短路电流)采用数组公式SUMPRODUCT(返回相应的数组或区域乘积的和)，根据开关设备所属变电站及所属母线引用数据2页面中母线三相短路电流值。
(Excel计算页面第3行举例：D3：“＝SUMPRODUCT((数据2！$C:$C＝数据1！$H3)*(数据2！$D:$D＝数据1！$J3),数据2！$E:$E)”)
S34、计算模板页面E列(基准容量)、F列(基准电压)、G列(基准电流)，系统基准电流由
Figure GDA0002521253180000071
求得。
其中，Ij为基准电流；Sj为系统基准容量，取100兆伏安；Uj为线路电压基准值，Uj＝1.05Un(Un为各级线路电压标称值，千伏)；
(Excel计算页面第3行举例：F3：“＝1.05*10”、G3：“＝E3/(3^0.5)/F3”)
S35、计算模板页面H列(系统电抗标幺值)由上级变电站的短路容量确定，即电力系统的阻抗相对值等于基准容量与短路容量的比值，因电阻值很小所以只计入电抗值：
Figure GDA0002521253180000072
也可
Figure GDA0002521253180000073
求得。
其中，X*s为系统电抗标幺值，Is为设备所属变电站的10千伏母线短路电流值，Ss为系统短路容量；
(Excel计算页面第3行举例：H3：“＝G3/D3”)
S36、计算模板页面I列(线路电阻有名值)、J列(线路电抗有名值)采用函数公式VLOOKUP(搜索表区域首列满足条件的元素，确定待检索单元格在区域中的行序号，再进一步返回选定单元格的值)，引用数据1页面中开关设备至变电站母线10千伏线路截面及长度信息，再结合数据3页面中10千伏线路阻抗数据参考，通过XL＝x0L、RL＝r0L计算10千伏线路阻抗有名值。
其中，XL、RL分别为输电线路电抗、电阻有名值；x0、r0分别为输电线路每公里电抗、电阻有名值；L为输电线路长度；
(Excel计算页面第3行举例：I3：“＝IF(数据1！$K3＝0,0,VLOOKUP(数据1！$K3,数据3！$A$2:$C$20,2,FALSE)*数据1！$L3/1000+IF(数据1！$M3＝0,0,VLOOKUP(数据1！$M3,数据3！$A$2:$C$20,2,FALSE)*数据1！$N3/1000))+IF(数据1！$P3＝0,0,VLOOKUP(数据1！$M3,数据3！$A$2:$C$20,2,FALSE)*数据1！$Q3/1000)”、J3：“＝IF(数据1！$K3＝0,0,VLOOKUP(数据1！$K3,数据3！$A$2:$C$20,3,FALSE)*数据1！$L3/1000+IF(数据1！$M3＝0,0,VLOOKUP(数据1！$M3,数据3！$A$2:$C$20,3,FALSE)*数据1！$N3/1000))+IF(数据1！$P3＝0,0,VLOOKUP(数据1！$M3,数据3！$A$2:$C$20,3,FALSE)*数据1！$Q3/1000)”)
S37、计算模板页面K列(线路电阻标幺值)、L列(线路电抗标幺值)可引用计算模板页面I列、J列中线路阻抗有名值计算，由
Figure GDA0002521253180000081
Figure GDA0002521253180000082
求得。
其中，X*L为线路电抗标幺值，R*L为线路电阻标幺值。
(Excel计算页面第3行举例：K3：“＝$E3/($F3^2)*I3”、L3：“＝$E3/($F3^2)*J3”)
S38、计算模板页面M列(总阻抗标幺值)，因电力系统阻抗只计入电抗值的影响，故总阻抗标幺值由
Figure GDA0002521253180000083
求得。
(Excel计算页面第3行举例：M3：“＝(K3^2+(L3+H3)^2)^0.5”)
S39、计算模板页面N列(开关设备短路电流)，对称稳态短路电流有效值
Figure GDA0002521253180000084
(Excel计算页面第3行举例：N3：“＝G3/M3”)
S310、计算模板页面O列(是/否超标)，由开关设备额定短路开断电流及开关设备短路电流计算值作比较，短路电流计算值大于额定短路开断电流即判断该开关设备短路电流超标。
(Excel计算页面第3行举例：O3：“＝IF(N3>C3,"是","否")”)
在步骤S4：执行Excel模板页面的短路计算程序，生成10千伏设备短路电流的状态信息
计算模板页面O列为10千伏设备短路电流是否超标的状态信息结果，“是”即设备短路电流计算值大于设备自身参数额定短路开断电流值，处于超标状态。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于10千伏配电网GIS系统的大规模数据快速计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：定义数据源和采集数据对象；
S2：执行指定的采集数据对象，获取指定字段数据，指定数据页面导入Excel文件；
S3：在Excel文件中以公式、函数和数组功能创建短路计算模板页面，引用数据页面作为计算模板页面中的原始数据来源；
S4：执行Excel模板页面的短路计算程序，生成10千伏设备短路电流的状态信息；
在步骤S3中，具体计算步骤为：
S31、计算模板页面序号列、开关设备名称列，分别直接引用开关设备台账信息表页面对应列原始数据；
S32、计算模板页面额定短路开断电流列，直接引用开关设备台账信息表页面对应列原始数据；
S33、计算模板页面母线短路电流列，采用数组公式SUMPRODUCT，根据开关设备所属变电站及所属母线引用变电站10千伏母线短路电流情况表页面中母线三相短路电流值；
S34、计算模板页面基准容量列、基准电压列、基准电流列，系统基准电流由
Figure FDA0002530730040000011
求得；
其中，Ij为基准电流；Sj为系统基准容量，取100兆伏安；Uj为线路电压基准值，Uj＝1.05Un，Un为各级线路电压标称值，千伏；
S35、计算模板页面系统电抗标幺值列，由上级变电站的短路容量确定，即电力系统的阻抗相对值等于基准容量与短路容量的比值，因电阻值很小所以只计入电抗值：
Figure FDA0002530730040000012
或
Figure FDA0002530730040000013
求得，
其中，X*s为系统电抗标幺值，Is为设备所属变电站的10千伏母线短路电流值，Ss为系统短路容量；
S36、计算模板页面线路电阻有名值列、线路电抗有名值列，采用函数公式VLOOKUP，引用开关设备台账信息表页面中开关设备至变电站母线10千伏线路截面及长度信息，再结合10千伏线路阻抗数据参考表页面中10千伏线路阻抗数据参考，通过XL＝x0L、RL＝r0L计算10千伏线路阻抗有名值；
其中，XL、RL分别为输电线路电抗、电阻有名值；x0、r0分别为输电线路每公里电抗、电阻有名值；L为输电线路长度；
S37、计算模板页面线路电阻标幺值列、线路电抗标幺值列，引用计算模板页面线路电阻有名值列、线路电抗有名值列计算，由
Figure FDA0002530730040000021
Figure FDA0002530730040000022
求得；
其中，X*L为线路电抗标幺值，R*L为线路电阻标幺值；
S38、计算模板页面总阻抗标幺值列，因电力系统阻抗只计入电抗值的影响，故总阻抗标幺值由
Figure FDA0002530730040000023
求得；
S39、计算模板页面开关设备短路电流列，引用计算模板页面基准电流列与总阻抗标幺值列计算，由
Figure FDA0002530730040000024
求得；
S310、计算模板页面是/否超标列，由开关设备额定短路开断电流及开关设备短路电流计算值作比较，短路电流计算值大于额定短路开断电流即判断该开关设备短路电流超标。
2.根据权利要求1所述的一种基于10千伏配电网GIS系统的大规模数据快速计算方法，其特征在于，在步骤S1中，数据源和采集数据对象为设备开关所属线路的变电站10千伏母线短路水平及开关设备至10千伏母线的线路信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于10千伏配电网GIS系统的大规模数据快速计算方法，其特征在于，在步骤S2中，数据对象包括三部分：10千伏开关设备信息、变电站10千伏母线短路结果数据和10千伏常用线路阻抗参数经验值。
4.根据权利要求1所述的一种基于10千伏配电网GIS系统的大规模数据快速计算方法，其特征在于，在步骤S4中，计算模板页面是否超标列10千伏设备短路电流是否超标的状态信息结果，“是”即设备短路电流计算值大于设备自身参数额定短路开断电流值，处于超标状态。
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