基于分布式计算的配电网短路电流计算方法及系统

摘要

本发明提供了基于分布式计算的配电网短路电流计算方法，包括构建分布式并行计算平台;通过平台获取并解析SCADA系统提供的数据和CIM模型的XML数据，从而确定配电网的具体参数；将配网的物理模型转化为计算模型；判断故障类型并计算故障时电路参数；利用前推回推法计算出正常运行状态时的电路信息；将正常运行时的状态与故障时的电路叠加，得到故障电流及任意支路的电流和任意节点的电压；对短路计算的结果进行分析与应用；基于多端口理论，结合前推回推潮流计算来判断归纳故障类型，并进行短路电流计算，时间短，可以满足实时在线短路计算的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统配电网短路电流计算领域，具体涉及一种基于分布式计算的配电网短路电流计算方法及系统。

背景技术

配电网短路计算是配电网系统规划、设计和运行中必须进行的工作。而目前配电网短路计算存在以下缺点：

配电网本身规模大、节点多，支路参数R/X的比值比较大，分支线较多，因此短路计算的时间较为长，不能满足实时在线短路计算的要求；

针对配电网特点的短路计算方法如相域分析法或采取专家系统计算电力系统短路故障的方法，虽然原理较为简单直观，但无法处理多重故障。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种主要基于障碍口理论，将简单故障与复杂故障统一处理，推导出适合计算机实现的型式，并采用中间件技术，将庞大的配电网分解为若干子系统派发给不同的计算机实现并行计算，基于分布式计算的配电网短路电流计算方法及系统。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

基于分布式计算的配电网短路电流计算方法，其特征在于包括以下步骤：

1)分布式并行计算平台构建的步骤；

2)数据处理的步骤，通过平台获取并解析SCADA系统提供的数据和CIM模型的XML数据，从而确定配电网的具体参数；

3)拓扑分析的步骤，将配网的物理模型转化为计算模型；

4)短路计算的步骤：

判断故障类型并计算故障时电路参数，该故障参数包括故障时任意节点的电压和任意支路电流的故障分量；

利用前推回推法计算出正常运行状态时的电路信息；

将正常运行时的状态与故障时的电路叠加，得到故障电流及任意支路的电流和任意节点的电压，进而得出故障点短路电流；

5)短路分析的步骤，对短路计算的结果进行分析与应用，并将短路计算的结果和分析结果封装后向上提供或入库保存。

进一步，所述步骤2)中配电网的具体参数包括平衡节点电压、各节点的注入功率及各支路阻抗。

进一步，所述步骤4)中计算故障时电路参数的方法为基于故障口理论的计算方法，包括简单故障电路参数的计算步骤和多重故障电路参数的计算步骤。

进一步，所述简单故障电路参数的计算步骤为：

将各独立序网的故障口方程与边界条件联立，求出故障口的电流和电压信息，进而求出任意节点的电压和任意支路的电流，故障口的电压方程为：

U_p＝Z_p·I_p(1)

其中，U_p为故障口的等效电压，

I_p为从故障口看进去的注入电流，即故障电流；

Z_p为网络收缩至故障口的等效阻抗；

其中，单相接地短路的边界条件为：

I⁽¹⁾＝I⁽²⁾＝I⁽⁰⁾

U⁽¹⁾+U⁽²⁾+U⁽⁰⁾＝0(2)

两相短路和两相短路接地的的边界条件为：

U⁽¹⁾＝U⁽²⁾＝U⁽⁰⁾

I⁽¹⁾+I⁽²⁾+I⁽⁰⁾＝0(3)

式中，I⁽¹⁾、I⁽²⁾、I⁽⁰⁾分别是短路电流的三序分量，U⁽¹⁾、U⁽²⁾、U⁽⁰⁾是短路点的三序电压。

进一步，所述多重故障电路参数的计算步骤为：

应用双口理论写出各故障口的序网口参数方程，同时联立各故障处序分量的边界条件，求解得到各故障口的电压和电流，进而求得任意支路的电流和任意节点的电压；

各故障口的序网参数方程为：

其中，各序的电压和电流列向量分别为各故障口的三序电压、电流分量；系数矩阵Z为整个网络收缩至故障口的阻抗矩阵；

当每一类故障只计及金属性接地时，可以得出统一型式的边界条件，其中

单相接地短路与两相断线故障的边界条件为：

I⁽¹⁾＝I⁽²⁾＝I⁽⁰⁾

U⁽¹⁾+U⁽²⁾+U⁽⁰⁾＝0(7)

两相接地短路、两相短路和单相断线的边界条件为：

U⁽¹⁾＝U⁽²⁾＝U⁽⁰⁾

I⁽¹⁾+I⁽²⁾+I⁽⁰⁾＝0(8)

式中，I⁽¹⁾、I⁽²⁾、I⁽⁰⁾分别是短路电流的三序分量，U⁽¹⁾、U⁽²⁾、U⁽⁰⁾是短路点的三序电压。

进一步，所述步骤4)利用前推回推法计算出正常运行状态时的电路信息的步骤包括：计算节点注入电流、回推计算各支路电流和前推求解各节点电压。

进一步，所述计算节点注入电流的公式为：

$>{\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{I}}_{ja}\\ {\stackrel{·}{I}}_{jb}\\ {\stackrel{·}{I}}_{jc}\end{array}\right)}^{\left(k\right)}=\left(\begin{array}{c}{\left(\frac{S_{ja}}{u_{ja}^{k-1}}\right)}^{*}\\ {\left(\frac{S_{ja}}{u_{jb}^{k-1}}\right)}^{*}\\ {\left(\frac{S_{ja}}{u_{jc}^{k-1}}\right)}^{*}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{ccc}{Y}_{ja}& & \\ & Y_{jb}& \\ & & Y_{jc}\end{array}\right){\left(\begin{array}{c}{U}_{ja}\\ U_{jb}\\ U_{jc}\end{array}\right)}^{\left(k-1\right)}---\left(9\right)$>

其中，公式中(k)代表迭代次数，为节点j注入电流的三相分量；Y_ja、Y_jb、Y_jc是节点自导纳的三相分量；S_ja、S_ja、S_ja是节点注入功率的三相分量；是第k次迭代节点电压的三相分量。

进一步，所述回推计算各支路电流的方法为，从最后一层支路开始向根节点递推，支路l的电流为：

$>{\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{I_{la}^{\prime }}\\ \stackrel{·}{I_{lb}^{\prime }}\\ \stackrel{·}{I_{lc}^{\prime }}\end{array}\right)}^{\left(k\right)}={\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{I_{ja}}\\ \stackrel{·}{I_{jb}}\\ \stackrel{·}{I_{jc}}\end{array}\right)}^{\left(k\right)}+\underset{x\in X}{\Sigma }{\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{I_{xa}}\\ \stackrel{·}{I_{xb}}\\ \stackrel{·}{I_{xc}}\end{array}\right)}^{\left(k\right)}---\left(10\right)$>

则支路l始端电流为：

$>{\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{I}}_{la}\\ {\stackrel{·}{I}}_{lb}\\ {\stackrel{·}{I}}_{lc}\end{array}\right)}^{\left(k\right)}=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{ccc}{Y}_{aa}& Y_{ab}& Y_{ac}\\ Y_{ba}& Y_{bb}& Y_{bc}\\ Y_{ca}& Y_{cb}& Y_{cc}\end{array}\right)\left({\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{U}}_{ia}\\ {\stackrel{·}{U}}_{ib}\\ {\stackrel{·}{U}}_{ic}\end{array}\right)}^{\left(k-1\right)}+{\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{U}}_{ja}\\ {\stackrel{·}{U}}_{jb}\\ {\stackrel{·}{U}}_{jc}\end{array}\right)}^{\left(k-1\right)}\right)+{\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{I}}_{la}^{\prime }\\ {\stackrel{·}{I}}_{lb}^{\prime }\\ {\stackrel{·}{I}}_{lc}^{\prime }\end{array}\right)}^{\left(k\right)}---\left(11\right)$>

其中，公式中(k)代表迭代次数，为支路l的末端电流；为支路l的始端电流；x为与节点j相连的所有分支的集合。

进一步，所述前推求解各节点电压的方法为，对于配网馈线支路，从根节点开始向末端推进，则节点j的电压为：

$>{\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{U_{ja}}\\ \stackrel{·}{U_{jb}}\\ \stackrel{·}{U_{jc}}\end{array}\right)}^{\left(k\right)}={\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{U_{ia}}\\ \stackrel{·}{U_{ib}}\\ \stackrel{·}{U_{ic}}\end{array}\right)}^{\left(k\right)}-\left(\begin{array}{ccc}{Z}_{aa}& Z_{ab}& Z_{ac}\\ Z_{ba}& Z_{bb}& Z_{bc}\\ Z_{ca}& Z_{cb}& Z_{cc}\end{array}\right)\left({\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{I_{la}}\\ \stackrel{·}{I_{lb}}\\ \stackrel{·}{I_{lc}}\end{array}\right)}^{\left(k\right)}-\frac{1}{2}\left(\begin{array}{ccc}{Y}_{aa}& Y_{ab}& Y_{ac}\\ Y_{ab}& Y_{bb}& Y_{bc}\\ Y_{ac}& Y_{cb}& Y_{cc}\end{array}\right){\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{U_{ia}}\\ \stackrel{·}{U_{ib}}\\ \stackrel{·}{U_{ic}}\end{array}\right)}^{\left(k\right)}\right)---\left(12\right)$>

基于分布式计算的配电网短路电流计算系统，其特征在于包括：

数据处理模块，一是用于将从平台获取数据的进行解析，二是提供对计算结果的处理，封装成标准的格式；

拓扑分析模块，是短路计算的基础，用于将配网的物理模型转化为计算模型；

短路计算模块，用于在分布式平台上实现短路电流的计算；

结果分析模块，用于对短路计算的结果进行分析与应用，并将短路计算模块和结果分析模块的计算结果或交于数据处理模块封装后向上提供或入库保存。

进一步，所述从平台获取的数据包括SCADA系统提供的数据、CIM模型的XML数据，这些数据通过标准的CIS接口进行传输。

进一步，所述拓扑的方式为全局拓扑或者动态局部拓扑。

本发明的有益效果是：本发明的基于分布式计算的配电网短路电流计算方法及系统，将各类故障类型的边界条件进行统一与归纳，提出适合计算机的新方法，便于计算机编程，同时能够处理非特殊故障及多重故障；

此外，基于多端口理论，结合前推回推潮流计算来判断归纳故障类型，并进行短路电流计算，时间短，可以满足实时在线短路计算的要求；

此外，分布式计算将任务分解成若干子任务派发给不同计算机同时处理，提高了计算效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式进行进一步的说明：

图1是本发明实施例的系统总体结构框图；

图2是本发明实施例的计算方法总体流程图；

图3是本发明实施例的辐射状配电网的基本计算单元示意图；

图4是本发明实施例的分布式并行计算平台总体架构图；

图5是本发明实施例的分布式并行计算平台的通信框架图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思及技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

参照图2，基于分布式计算的配电网短路电流计算方法，其特征在于包括以下步骤：

1)分布式并行计算平台构建的步骤；

2)数据处理的步骤，通过平台获取并解析SCADA系统提供的数据和CIM模型的XML数据，从而确定配电网的具体参数；

3)拓扑分析的步骤，将配网的物理模型转化为计算模型；

4)短路计算的步骤：

判断故障类型并计算故障时电路参数，该故障参数包括故障时任意节点的电压和任意支路电流的故障分量；

利用前推回推法计算出正常运行状态时的电路信息；

将正常运行时的状态与故障时的电路叠加，得到故障电流及任意支路的电流和任意节点的电压，进而得出故障点短路电流；

5)短路分析的步骤，对短路计算的结果进行分析与应用，并将短路计算的结果和分析结果封装后向上提供或入库保存。

其中，短路计算的步骤中的前两个步骤部分先后顺序，可以同时进行

进一步参照图4，介绍本发明较佳实施例分布式并行计算平台的构建方案，该分布式并行计算平台系统包括3部分：PAS客户端、服务器端以及执行端。客户端可以对每个服务器端的各个实例进行管理，如启停、禁用等操作；服务器端(有两个，且互为主备)主要包括管理模块和实例，管理模块主要负责联系客户端与实例，并实现负载均衡，实例则可以实现任务分解，并为执行端准备计算所需要的数据；执行端负责执行各类计算任务，并将计算结果返回给相应的实例。

系统各模块启动后，客户端向管理模块发出一个任务请求，通过管理模块查询是否有启动的实例，若没有，则由客户端手动启动一个实例。每个实例各自维护一个Fastdb数据库，实例之间的数据是相互独立的，存放着电网的CIM模型和动态SACDA数据。客户端把任务所需要的数据(如故障信息、参数设置等)写到外存的Oracle数据库中，并把任务号发送给实例，实例接收到任务编号后从Oracle中读取任务信息。实例接收到任务的所有信息后进行任务分解，并将分解完的所有子任务发送给管理模块，由管理模块负载均衡的向各个执行端派发子任务。执行端计算结束后，将结果直接返回给实例，实例收集计算结果并写入Oracle数据库中，并通知客户端任务完成。这样，客户端就可以从数据库中查找自己所需要的计算结果。

为了实现该平台的数据传输，采用全局通信是分布式实现的关键，本实施例采用ZeroMQ作为整个分布式计算平台的全局通信框架，如图5所示。根据分布式平台系统的设计方案，可以把具体的通信分成以下几个方面：

(1)外部系统与实例的数据通信

实例启动后首先与外部系统的IP和端口相连，通过套接字REQ向外部系统请求初始化，外部系统会通过REP将所有数据返回。同时，实例还需要通过PUB-SUB套接字，“订阅”外部系统“发布”的动态数据更新。

(2)PAS客户端与管理模块的通信

PAS客户端与管理模块通过套接字REQ-REP交互，PAS客户端从管理模块获取实例的信息，如可用的实例列表、实例所在的IP与绑定的端口号等。

(3)PAS客户端与实例的交互

PAS客户端获取实例的信息后可与某一实例相连，通过套接字DEALER-ROUTER套接字发送任务请求。

(4)执行端与管理模块、实例的交互

执行端启动后首先要通过套接字REQ-REP与管理模块连接，并从管理模块中获取所有的实例信息，执行端按照实例信息依次创建一组组套接字并连接至实例。

执行端计算结束后，需要将结果返回给实例。该功能是通过PULL-PUSH套接字实现的。

通过构建上述分布式并行计算平台系统和通讯模式，获取并解析SCADA系统提供的数据和CIM模型的XML数据，从而确定配电网的具体参数后计算短路的具体步骤如下：

判断故障类型并计算故障时电路参数，

当故障为简单故障时，将各独立序网的故障口方程与边界条件联立，求出故障口的电流和电压信息，进而求出任意节点的电压和任意支路的电流，故障口的电压方程为：

U_p＝Z_p·I_p(1)

其中，U_p为故障口的等效电压，该电压源为网络的唯一的电压源，I_p为从故障口看进去的注入电流，即故障电流；Z_p为网络收缩至故障口的等效阻抗。

在求解故障口的电压方程时，需要借助短路类型的边界条件，除对称性短路外，其余短路类型可以归纳为两种形式：

单相接地短路为：

I⁽¹⁾＝I⁽²⁾＝I⁽⁰⁾

U⁽¹⁾+U⁽²⁾+U⁽⁰⁾＝0(2)

两相短路和两相短路接地为：

U⁽¹⁾＝U⁽²⁾＝U⁽⁰⁾

I⁽¹⁾+I⁽²⁾+I⁽⁰⁾＝0(3)

式中，I⁽¹⁾、I⁽²⁾、I⁽⁰⁾分别是短路电流的三序分量，U⁽¹⁾、U⁽²⁾、U⁽⁰⁾是短路点的三序电压。

当故障为多重故障时，应用双口理论写出各故障口的序网口参数方程，同时联立各故障处序分量的边界条件，求解得到各故障口的电压和电流，进而求得任意支路的电流和任意节点的电压。

各故障口的序网参数方程为：

其中，各序的电压和电流列向量分别为各故障口的三序电压、电流分量；系数矩阵Z为整个网络收缩至故障口的阻抗矩阵。

对于每一类故障(包括横向故障与纵向故障)，只计及金属性接地时，可以写出如下统一型式的边界条件：

单相接地短路与两相断线故障：

I⁽¹⁾＝I⁽²⁾＝I⁽⁰⁾

U⁽¹⁾+U⁽²⁾+U⁽⁰⁾＝0(7)

两相接地短路、两相短路和单相断线：

U⁽¹⁾＝U⁽²⁾＝U⁽⁰⁾

I⁽¹⁾+I⁽²⁾+I⁽⁰⁾＝0(8)

各种故障类型组合的推导结果如表1所示：

表1各故障类型组合的计算公式

表1给出了求解双重故障时的矩阵方程，利用以上方程可以容易的求解出故障口的各序电流和电压，从而方便的求出任意节点的电压和任意支路的电流。

进一步，使用前推回推法进行潮流计算，可得到支路和节点信息，即正常运行时的状态，与故障时的电路叠加，从而求出故障电流及任意支路的电流和任意节点的电压，前推回推法分别通过回推与前推两个过程求解支路电流与节点电压，辐射状配电网的基本计算单元如图3所示，具体计算过程为：

1.计算节点注入电流：

$>{\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{I}}_{ja}\\ {\stackrel{·}{I}}_{jb}\\ {\stackrel{·}{I}}_{jc}\end{array}\right)}^{\left(k\right)}=\left(\begin{array}{c}{\left(\frac{S_{ja}}{u_{ja}^{k-1}}\right)}^{*}\\ {\left(\frac{S_{ja}}{u_{jb}^{k-1}}\right)}^{*}\\ {\left(\frac{S_{ja}}{u_{jc}^{k-1}}\right)}^{*}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{ccc}{Y}_{ja}& & \\ & Y_{jb}& \\ & & Y_{jc}\end{array}\right){\left(\begin{array}{c}{U}_{ja}\\ U_{jb}\\ U_{jc}\end{array}\right)}^{\left(k-1\right)}---\left(9\right)$>

其中，公式中(k)代表迭代次数，为节点j注入电流的三相分量；Y_ja、Y_jb、Y_jc是节点自导纳的三相分量；S_ja、S_ja、S_ja是节点注入功率的三相分量；是第k次迭代节点电压的三相分量。

2.回推计算各支路电流：

从最后一层支路开始向根节点递推，支路l的电流为：

$>{\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{I_{la}^{\prime }}\\ \stackrel{·}{I_{lb}^{\prime }}\\ \stackrel{·}{I_{lc}^{\prime }}\end{array}\right)}^{\left(k\right)}={\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{I_{ja}}\\ \stackrel{·}{I_{jb}}\\ \stackrel{·}{I_{jc}}\end{array}\right)}^{\left(k\right)}+\underset{x\in X}{\Sigma }{\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{I_{xa}}\\ \stackrel{·}{I_{xb}}\\ \stackrel{·}{I_{xc}}\end{array}\right)}^{\left(k\right)}---\left(10\right)$>

则支路l始端电流为：

$>{\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{I}}_{la}\\ {\stackrel{·}{I}}_{lb}\\ {\stackrel{·}{I}}_{lc}\end{array}\right)}^{\left(k\right)}=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{ccc}{Y}_{aa}& Y_{ab}& Y_{ac}\\ Y_{ba}& Y_{bb}& Y_{bc}\\ Y_{ca}& Y_{cb}& Y_{cc}\end{array}\right)\left({\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{U}}_{ia}\\ {\stackrel{·}{U}}_{ib}\\ {\stackrel{·}{U}}_{ic}\end{array}\right)}^{\left(k-1\right)}+{\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{U}}_{ja}\\ {\stackrel{·}{U}}_{jb}\\ {\stackrel{·}{U}}_{jc}\end{array}\right)}^{\left(k-1\right)}\right)+{\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{I}}_{la}^{\prime }\\ {\stackrel{·}{I}}_{lb}^{\prime }\\ {\stackrel{·}{I}}_{lc}^{\prime }\end{array}\right)}^{\left(k\right)}---\left(11\right)$>

其中，公式中(k)代表迭代次数，为支路l的末端电流；为支路l的始端电流；x为与节点j相连的所有分支的集合。

3.前推求解各节点电压

对于配网馈线支路，从根节点开始向末端推进，则节点j的电压为：

$>{\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{U_{ja}}\\ \stackrel{·}{U_{jb}}\\ \stackrel{·}{U_{jc}}\end{array}\right)}^{\left(k\right)}={\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{U_{ia}}\\ \stackrel{·}{U_{ib}}\\ \stackrel{·}{U_{ic}}\end{array}\right)}^{\left(k\right)}-\left(\begin{array}{ccc}{Z}_{aa}& Z_{ab}& Z_{ac}\\ Z_{ba}& Z_{bb}& Z_{bc}\\ Z_{ca}& Z_{cb}& Z_{cc}\end{array}\right)\left({\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{I_{la}}\\ \stackrel{·}{I_{lb}}\\ \stackrel{·}{I_{lc}}\end{array}\right)}^{\left(k\right)}-\frac{1}{2}\left(\begin{array}{ccc}{Y}_{aa}& Y_{ab}& Y_{ac}\\ Y_{ab}& Y_{bb}& Y_{bc}\\ Y_{ac}& Y_{cb}& Y_{cc}\end{array}\right){\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{U_{ia}}\\ \stackrel{·}{U_{ib}}\\ \stackrel{·}{U_{ic}}\end{array}\right)}^{\left(k\right)}\right)---\left(12\right)$>

然后，将正常运行时的状态与故障时的电路叠加，得到故障电流及任意支路的电流和任意节点的电压，进而得出故障点短路电流。

参照图1，基于分布式计算的配电网短路电流计算系统，包括：

数据处理模块，一是用于将从平台获取数据的进行解析，，如SCADA系统提供的数据、CIM模型的XML数据，这些数据通过标准的CIS接口传入本系统；二是提供对计算结果的处理，封装成标准的格式，通过标准CIS接口返回用户；

拓扑分析模块，是短路计算的基础，用于将配网的物理模型转化为计算模型，既可以全局拓扑，也可以动态局部拓扑；

短路计算模块，是该系统的核心模块，用于在分布式平台上实现短路电流的计算；

结果分析模块，用于对短路计算的结果进行分析与应用，，如遮断容量扫描、消弧线圈的整定等，并将短路计算模块和结果分析模块的计算结果或交于数据处理模块封装后向上提供或入库保存。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，只要其以基本相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。