一种基于供电安全标准的中压配电网诊断分析方法

摘要

一种基于供电安全标准的中压配电网诊断分析方法：输入配电网网络结构，梳理配电网线路之间的联络关系；对配电网进行接线模式分析；通过潮流计算验证转供后是否有电压越限的情况发生；对配电网线路进行预处理分析，找出不能通过“N-1”校验的线路，并把它们输入到结果表中保存，其余数据存入需要“N-1”校验的元件表中；对存入需要“N-1”校验的元件表中线路按照开关数优先的路径选择方法进行“N-1”校验；结合城市供电安全标准分析“N-1”校验结果表；判定出不同线路转供时间，判断转供时间是否达到城市供电安全标准规定的时间要求；给出措施。本发明可以对供电安全进行定量分析和指导，对配电网供电安全提供解决方案和指导意见。

说明书

技术领域

本发明涉及一种。特别是涉及一种基于供电安全标准的中压配电网诊断分析方法。

背景技术

随着社会经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，城市电网终端用户对供电安全性 和供电可靠性水平提出了更高的要求，如何以适度的投资满足用户可接受的供电安全性和供 电可靠性要求，成为我国城市电网面临的主要问题和技术难点。

供电可靠性水平不仅取决于元件的质量和运行维护水平，还与元件停运后负荷所遭受的 损失程度密切相关，即电网的供电安全性水平。必须科学合理地设定供电安全判据、制定出 简单实用的供电安全标准，才能有效地解决提高供电安全性、供电可靠性与提高投资经济性 之间的矛盾。因此，迫切需要对国内外城市电网的供电安全标准进行细致比较和深入分析， 汲取先进的理念和成熟的方法，并根据我国城市电网的实际情况，科学合理地利用数据资源 与运行经验，创造性地进行供电安全判据研究，为我国城市电网供电安全标准的发展与完善 提供理论依据和方法保障。

因此，构建基于供电安全标准的中压配电网诊断分析方法，是亟待解决的实际问题，具 有良好的应用价值和工程价值。

我国电力体制改革经历了多个发展阶段，已初步建立了竞争、开放的区域电力市场，在 产业上经历了用电需求从“萌芽成长”到“高速增长”的过程，正向“波动上升”阶段迈进。目前， 城市电网的电压等级序列、变压器容量系列己基本稳定，电网结构有待完善，电网自动化水 平与发达国家接近，供电可靠性水平呈逐步上升趋势，但与发达国家的城市电网相比仍有一 定的差距。我国城市供电安全标准作为电网安全标准的基础性文件，其核心思想为：以最终 客户的供电可靠性作为规划目标，将系统安全性与客户负荷大小相关联，按照负荷组大小划 分级别，用“N-1”和“N-1-1”法则作为衡量手段，给出各级电网所应达到的不同的安全和可靠 水平。

城市供电安全标准具有深厚的理论和工程实践背景，逻辑严密基础严谨，并且是完全量 化的确定性准则，简洁明了，便于直接使用。该标准是根据我国城市电网实际情况制定，基 于多年的实际操作经验和多地调研汇总的结果，更符合中国国情和现阶段我国电网架构的性 能水平，同时借鉴国外发达国家经验，参考英国ERP2/6标准，具有一定的国际视野，同发达 国家相比，分析结果具有可比性。

另外，我国电网自动化程度不高。电网性能越完善，自动化程度越高，系统整体水平越 先进，提供的统计数据准确性越高。目前我国电网整体自动化程度不高，部分数据来源需要 人工统计完成，在数据收集阶段人为因素较大，部分数据真实性存在问题。因此构建一套基 于供电安全标准的中压配电网诊断方法具有重要的应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种适用于我国电网诊断工作的基于供电安全标准 的中压配电网诊断分析方法、

本发明所采用的技术方案是：一种基于供电安全标准的中压配电网诊断分析方法，包括 如下步骤：

1)输入配电网网络结构，包括元件信息、线路长度、各负荷位置及负荷峰值、断路器及 隔离开关位置、配电网联络关系，首先对配电网进行拓扑结构分析，梳理配电网线路之间的 联络关系；

2)对配电网进行接线模式分析，包括按照不同的接线模式进行分类处理，分为单电源辐 射接线，不同母线环式接线、分段两联络接线和分段三联络接线，按照不同接线模式结合步 骤1)的信息对配电网网络进行数据分析；

3)通过潮流计算验证转供后是否有电压越限的情况发生，包括：

(1)前推运算：按照排好的支路顺序，从与叶节点连接的支路开始，利用叶节点功率和 对应的节点电压，初始值为线路额定电压，逆着功率传送的方向，依次计算出各段支路的功 率损耗和功率分布；

(2)计算各段支路始节点的电压；

(3)回代运算，按照排好的支路顺序的逆序，从电源点开始，顺着功率传送的方向，利 用第(1)步所得的各段支路的首端功率和第(2)算出的本支路始节点的电压，逐条支路进 行计算，求得各支路终节点的电压；

(4)当终节点的电压值超过供电安全标准规定的标准电压值，认为电压越限。

4)对配电网线路进行预处理分析，通过判断配电网线路联络情况，找出不能通过“N-1” 校验的线路，并把它们输入到结果表中保存，其余数据存入需要“N-1”校验的元件表中；

5)对存入需要“N-1”校验的元件表中线路按照开关数优先的路径选择方法进行“N-1”校 验，所述开关数优先的路径选择方法具体包括：

(1)形成与需要转供区域联络的开关集合；

(2)选择主转供路径进行转供；

(3)主转供路径以外的线路进行转供；

(4)对导致电压越限的负荷部分进行转移；

(5)得到能够通过“N-1”校验和不能通过“N-1”校验的线路，分别记录相应的数据结果， 生成“N-1”校验结果分析表。

6)结合城市供电安全标准对步骤5)得到“N-1”校验结果分析表进行分析，得到负荷供电 级；

7)根据配电网运行维护的平均倒闸操作时间，以及转供路径开关数的多少，判定出不同 线路转供时间，判断转供时间是否达到城市供电安全标准规定的时间要求；

8)转供时间达到城市供电安全标准规定的时间要求，修订供电安全标准，转供时间未达 到城市供电安全标准规定的时间要求，改造线路、提升运行维护水平，把结果和措施汇总， 得到诊断报告。

步骤3)中第(1)步所述的前推运算具体是：

(a)确定潮流计算所需的全部负荷节点的注入功率；

(b)假定各节点电压初值为所述各节点的额定电压值；

(c)由节点的注入功率和电压值，使用式如下公式，求解各支路的功率损耗和功率分布，

$\Delta S_{\mathrm{ij}}=\frac{P_j^2+Q_j^2}{V_j^2}(R+\mathrm{jX})\times {10}^{-3}---\left(1\right)$

S_ij＝S_j+△S_ij            (2)

S_i＝∑S_ij             (3)

(d)由出线首端根结点电压值和支路始端功率，使用如下公式求解节点电压，所述的电 压包括幅值和相角，

$V_j=\sqrt{{(V_i-\frac{P_{\mathrm{ij}}R+Q_{\mathrm{ij}}X}{V_i})}^2+{\left(\frac{P_{\mathrm{ij}}X-Q_{\mathrm{ij}}R}{V_i}\right)}^2}---\left(4\right)$

${\delta }_j={\delta }_i-{\tan }^{-1}(\frac{P_{\mathrm{ij}}X-Q_{\mathrm{ij}}R}{V_i}/V_i-\frac{P_{\mathrm{ij}}R+Q_{\mathrm{ij}}X}{V_i})---\left(5\right)$

S_ij表示线路的视在功率，P表示线路的有功功率，V表示线路的电压值，δ表示电压的 相角，Q表示线路的无功功率，R表示线路的电阻，X表示线路的电抗，i，j表示线路节点 编号。

(e)检查收敛条件，当满足收敛条件时结束计算，否则返回第(3)继续迭代计算。

步骤3)中第(2)步所述的各段支路始节点的电压的计算是采用如下公式，

$V_j=\sqrt{{(V_i-\frac{P_{\mathrm{ij}}R+Q_{\mathrm{ij}}X}{V_i})}^2+{\left(\frac{P_{\mathrm{ij}}X-Q_{\mathrm{ij}}R}{V_i}\right)}^2}---\left(4\right).$

步骤3)中第(3)步所述的回代运算，是按照第(1)步所给出的公式计算，求得各支 路终节点的电压，所述的电压包括幅值和相角。

步骤8)中所述的城市供电安全标准中的时间规定为：

(1)维修完成时间，根据维修对象的不同，从几个小时到几天；(2)通过人工操作重构 电网进行转供负荷，使得负荷恢复供电所需要的时间为3h；(3)遥控操作重构电网，使得电 网恢复供电的时间15min；(4)通过自动装置完成操作60s。

本发明的一种基于供电安全标准的中压配电网诊断分析方法，通过结合城市供电安全标 准构建的诊断方法，可以对供电安全进行定量分析和指导，挖掘配电网线路中的薄弱环节， 对配电网供电安全提供解决方案和指导意见。

附图说明

图1是中压配电网诊断流程；

图2是线路“N-1”校验流程图；

图3是线路比对分析流程图；

图4是比对判定模块判定流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种基于供电安全标准的中压配电网诊断分析方法做 出详细说明。

本发明的一种基于供电安全标准的中压配电网诊断分析方法，是用以诊断我国中压配电 网的安全性。

城市电网的供电安全采用“N-1”准则，即：

(1)变电站中失去任何一回进线或者一台降压变压器时，不损失负荷；

(2)高压配电网中一条架空线，或一条电缆，或一台降压变压器发生故障停运时候,

a)正常情况下，不损失负荷；

b)在计划停运的条件下又发生故障停运，允许部分停电，但应在规定的时间内恢复供电；

(3)中压配网中一条架空线，或一条电缆，或配电室中一台配电变压器发生故障停运时；

a)在正常情况下，除故障段外不停电，并不得发生电压过低，以及供电设备不允许的过 负荷；

b)在计划停运情况下，又发生了故障停运，允许部分停电，但应在规定时间内恢复供电。

(4)低压配电网中，当一台变压器或低压线路发生故障时，允许部分停电，待故障修复 后恢复供电。

我国城市电网供电安全标准根据组负荷的大小将组负荷划分为A级到F级一共6个等级， 级别越高，回路停运后的供电恢复时间越短，负荷恢复程度越高。针对中压配电网，负荷等 级为A级和B级两类，不同组负荷级别具体分析见下。

A级：组负荷范围在0～2MW。单台10/0.4kV变压器的典型容量为0.015～1MVA。相邻2 个分段开关将几台(通常选取5台以下)10/0.4kV变压器隔离成一个单元，每个单元的负荷 约为0～2MW，不需要其他供电回路。

B级：组负荷范围在2～12MW。一条10kV线路输送容量是3～4MW，单台35/10kV变压 器常见容量为：31.5MVA、20MVA、16MVA、5MVA。35/10kV变电站的典型容量构成为 5*2MVA、16*2MVA，所带负载约为5～10MW。该部分所提供的负荷约为2～12MW。

对于一个供电级别来说，“N-1”停运和“N-1-1”停运可能包含多种情况，最严重的“N-1-1” 停运情况是：一条回路计划停运的情况下，另一条具有同样功能的回路再发生故障停运。例 如某变电站的一条变压器回路(或一条进线)计划停运的情况下，该变电站的另一条变压器回 路(或另一条进线)又故障停运。为了更好的满足安全性的标准，以下只讨论最严重的情况。

A级(0～2MW)：“N-1”停运，分段内的一个元件故障停运或者计划停运，维修完成后， 恢复组负荷供电。“N-1-1”停运不要求。

B级(2～12MW)：“N-1”停运，分为2种情况：(1)分段内的一个元件故障停运或计划 停运，要求3h内能够供给组负荷-2MW，维修完成后恢复组负荷供电；(2)10kV线路主干线 上开关，保护等设备故障停运或者计划停运，或者一条变压器回路故障停运或计划停运，要 求3h内能够恢复组负荷供电。“N-1-1”停运不要求。

城市电网的供电安全水平需要通过有效的网络结构来保障，包括备用电源、备用元件、 冗余容量以及电网自动化水平等多个方面。在我国城市供电安全标准中，供电安全水平和网 络结构关系分析如下。

A级(0～2MW)：在“N-1”停运时候，维修完成后恢复组负荷，此类负荷不需要备用电源， 系统的性能取决于故障维修时间的长短。尽量缩短维修时间，是保证A级用户组系统性能的 唯一手段。

B级(2～12MW)：在“N-1”停运时，必须在3h内恢复组负荷-2MW，3h是基于人工重构 电网来恢复供电所需要的时间来确定的，通常是指人工到现场完成手动操作所需要的时间， 所以此类负荷组需要备用电源。未被恢复的2MW用户组自动降级为A级，等待维修完成后， 恢复供电即可。

如图1～图4所示，本发明的一种基于供电安全标准的中压配电网诊断分析方法，包括， 包括如下步骤：

1)输入配电网网络结构，包括元件信息、线路长度、各负荷位置及负荷峰值、断路器及 隔离开关位置、配电网联络关系，首先对配电网进行拓扑结构分析，梳理配电网线路之间的 联络关系；

2)对配电网进行接线模式分析，包括按照不同的接线模式进行分类处理，分为单电源辐 射接线，不同母线环式接线、分段两联络接线和分段三联络接线，按照不同接线模式结合步 骤1)的信息对配电网网络进行数据分析；

3)通过潮流计算验证转供后是否有电压越限的情况发生，包括：

(1)前推运算：按照排好的支路顺序，从与叶节点连接的支路开始，利用叶节点功率和 对应的节点电压，初始值为线路额定电压，逆着功率传送的方向，依次计算出各段支路的功 率损耗和功率分布；

所述的前推运算具体是：

(a)确定潮流计算所需的全部负荷节点的注入功率；

(b)假定各节点电压初值为所述各节点的额定电压值；

(c)由节点的注入功率和电压值，使用式如下公式，求解各支路的功率损耗和功率分布，

$\Delta S_{\mathrm{ij}}=\frac{P_j^2+Q_j^2}{V_j^2}(R+\mathrm{jX})\times {10}^{-3}---\left(1\right)$

S_ij＝S_j+△S_ij            (2)

S_i＝∑S_ij            (3)

(d)由出线首端根结点电压值和支路始端功率，使用如下公式求解节点电压，所述的电 压包括幅值和相角，

$V_j=\sqrt{{(V_i-\frac{P_{\mathrm{ij}}R+Q_{\mathrm{ij}}X}{V_i})}^2+{\left(\frac{P_{\mathrm{ij}}X-Q_{\mathrm{ij}}R}{V_i}\right)}^2}---\left(4\right)$

${\delta }_j={\delta }_i-{\tan }^{-1}(\frac{P_{\mathrm{ij}}X-Q_{\mathrm{ij}}R}{V_i}/V_i-\frac{P_{\mathrm{ij}}R+Q_{\mathrm{ij}}X}{V_i})---\left(5\right)$

(e)检查收敛条件，当满足收敛条件时结束计算，否则返回第(3)继续迭代计算。

S_ij表示线路的视在功率，P表示线路的有功功率，V表示线路的电压值，δ表示电压的 相角，Q表示线路的无功功率，R表示线路的电阻，X表示线路的电抗，i，j表示线路节点 编号。

(2)计算各段支路始节点的电压，所述的各段支路始节点的电压的计算是采用如下公式，

$V_j=\sqrt{{(V_i-\frac{P_{\mathrm{ij}}R+Q_{\mathrm{ij}}X}{V_i})}^2+{\left(\frac{P_{\mathrm{ij}}X-Q_{\mathrm{ij}}R}{V_i}\right)}^2}---\left(4\right);$

(3)回代运算，按照排好的支路顺序的逆序，从电源点开始，顺着功率传送的方向，利 用第(1)步所得的各段支路的首端功率和第(2)算出的本支路始节点的电压，逐条支路进 行计算，求得各支路终节点的电压，所述的回代运算，是按照第(1)步所给出的公式计算， 求得各支路终节点的电压，所述的电压包括幅值和相角；

为了提高计算精度，可以重复以上(1)～(3)步的计算，选出最接近的值为最终的结 果值。

由于配电网的辐射状结构，可以认为一条出线上的潮流发生变化不会引起其他出线潮流 变化，在进行潮流计算时可以选择需要检验的出线以及网络结构变化后的相关出线进行局部 潮流计算，以减少潮流计算的次数。

(4)当终节点的电压值超过供电安全标准规定的标准电压值，认为电压越限。

4)对配电网线路进行预处理分析，通过判断配电网线路联络情况，找出不能通过“N-1” 校验的线路，并把它们输入到结果表中保存，其余数据存入需要“N-1”校验的元件表中；

5)对存入需要“N-1”校验的元件表中线路按照开关数优先的路径选择方法进行“N-1”校 验，所述开关数优先的路径选择方法具体包括：

(1)形成与需要转供区域联络的开关集合；

(2)选择主转供路径进行转供；

(3)主转供路径以外的线路进行转供；

(4)对导致电压越限的负荷部分进行转移；

(5)得到能够通过“N-1”校验和不能通过“N-1”校验的线路，分别记录相应的数据结果， 生成“N-1”校验结果分析表。

“N-1”的基础数据处理模块分为三个部分：拓扑分析、接线模式分析和潮流计算分析。

通过对系统原始数据的梳理，针对“N-1”校验方法中提出的潮流计算方法，对得到的数据 进行换算和标幺化处理，使之成为可供算法使用的数据。通过电网拓扑分析可以找出主变和 线路之间的联络关系以及开关的状态信息，为“N-1”校验计算中开关操作选择集提供数据准 备。通过潮流计算得到各个主变供出功率，各元件流过的潮流，为“N-1”算法中主变最大转带 负荷，线路最大转供负荷等提供数据准备。

“N-1”校验预处理部分主要有两大功能：一是排除明显不能通过校验的数据，并把它们输 入到结果表中，另外一个功能是筛选明显能通过校验的数据，输入结果表中。其余数据进入 需要校验的元件表中。

“N-1”校验转供方案确定部分是“N-1”校验算法模块的核心部分，它的作用是对于需校验 元件表中的元件进行“N-1”校验并且给出转供路径，记录转供负荷的大小。对于线路“N-1”校 验采取不同的方法来进行。

6)结合城市供电安全标准对步骤5)得到“N-1”校验结果分析表进行分析，得到负荷供电 级；

7)根据配电网运行维护的平均倒闸操作时间，以及转供路径开关数的多少，判定出不同 线路转供时间，判断转供时间是否达到城市供电安全标准规定的时间要求；

8)转供时间达到城市供电安全标准规定的时间要求，修订供电安全标准，转供时间未达 到城市供电安全标准规定的时间要求，改造线路、提升运行维护水平，把结果和措施汇总， 得到诊断报告。所述的城市供电安全标准中的时间规定为：(1)维修完成时间，根据维修对 象的不同，从几个小时到几天；(2)通过人工操作重构电网进行转供负荷，使得负荷恢复供 电所需要的时间为3h；(3)遥控操作重构电网，使得电网恢复供电的时间15min；(4)通过 自动装置完成操作60s。

在结果分析表中有不同元件、不同负荷的校验结果，为了同城市供电安全标准进行对比， 需要对其按照负荷等级进行分类。

(1)单台10/0.4kV变压器的典型容量为0.015～1MVA，常见的为0.8MVA。相邻2个分 段开关将几台(通常选取5台以下)10/0.4kV变压器隔离成一个分段单元，每个分段单元的 负荷约为0～2MW。在该范围内的属于A级组负荷。

(2)一条10kV线路输送容量是3～4MW，单台35/10kV变压器常见容量为：16MVA、 5MVA。35/10kV变电站的典型容量构成为5*2MVA、16*2MVA，所带负载约为5～10MW。 10kV线路和35/10变电站所提供的负荷约为2～12MW，在该范围内属于B级组负荷。

该类负荷在时间上满足标准中的详细规定，转供负荷量也达到标准中的明确要求。可以 认为该部分电网结构达到安全供电要求。

根据不同地区发展程度不同，如果实际情况普遍比该标准要求的时间短，可以按照实际 情况进行修正标准，使得标准可以起到促进电网结构以及运维水平提高的作用。该类负荷不 满足相关要求，主要表现在在规定的时间内，不能转供负荷或者转供负荷不满足标准中要求 的负荷量。这时，查询“N-1”校验结果分析表，分析该部分元件是否通过“N-1”校验。(1)如 果该部分元件可以通过“N-1”校验，说明不达标的原因在于负荷转供时，人工重构过程耗时较 长，需要提高运维水平；同时考虑该地区电网运维实际情况，如果普遍无法达到标准要求， 则可以适当调整标准，更符合该地区实际情况。(2)如果该部分元件无法通过“N-1”校验，说 明不达标的原因在于网络本身的问题，需要对电网进行改造，如何进行电网改造较为复杂， 在本文中不予讨论。

下面给出具体实例：

MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，是一个可用于算法开发、数据可 视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。本发明以MATLAB为基础， 实现了含分布式电源接入的配网可靠性评估模型，将本发明在其中进行了应用，并以IEEE RBTS配电网标准算例(图4)为基础对应用效果进行了测试验证。

以改造的某地区电网作为算例进行分析，给该区域命名为A区。改造后的系统如表1所 示，包括3个变电站，每个变电站包括2台变压器，出线共88条。具体线路的联络情况如表 2所示。

(1)A1站(10kV侧供电容量100MVA，负载率为49％)

A1站为110kV变电站，该站位于该区域中部，目前有32条线路为所覆盖区域供电。

(2)A2站(10kV侧供电容量80MVA，负载率为56.25％)

A2站位于本区域东北部，该站主要供电范围为A区中心以居住为主的生活用地以及区 北部的部分农村电网用电，该站目前共有28条线路为所覆盖区域供电。

(3)A3站(10kV侧供电容量80MVA，负载率为50％)

A3站位于该区域区南部，供电范围为该区域中的以居住、旅游度假为主的用地。该站目 前共有28条线路为所覆盖区域供电。

表1 该区域电压器情况

表2 A区线路联络关系

线路故障计算结果如表3所示。

表3A区10kV线路故障分析结果

按照上表分析结果，详细描述如下。

(1)A1站线路线7、线8，A2站线路线37、线38、线39、线40，A3站线路线67、 线72、线88。这些线路是单辐射线路，不满足“N-1”校验，发生故障时无法转带负荷，需要 等到线路故障维修后才能恢复供电。其中A1站线路线8，A2站线路线37、线39、线40， A3站线路线67、线72、线88，这些线路属于A级负荷，维修时间8小时达到安全供电标准， 满足要求；A1站线路线7，A2站线路线38所带负荷较大，属于B级负荷，当故障发生时不 能转供出达到标准的负荷量，因此需要对该部分线路进行改造升级，使之满足供电安全标准 所规定的转供时间。

(2)A1站线路线2、线10，A2站线路线36。这些线路是单联络线路，由于转供容量 不足，当发生故障时不能转带全部负荷，不满足“N-1”校验，存在部分负荷需要在故障维修完 成后恢复供电。需要转供的部分可以在2小时之内完成转供，达到供电安全标准规定时间， 其余部分在故障维修完成后，即8小时之后恢复供电，也满足供电安全标准。

(3)其余线路。其余线路都是有联络的线路，可以通过“N-1”校验，在2小时之内完成 转供，达到供电安全标准的要求。

经过上述分析，该区域的运行维护水平可以满足供电安全标准要求，除去2条亟待改进 的线路之外，其余部分都可以较好的达到标准要求。

A区发展情况较好，线路之间有较好的联络，并且联络容量充裕。在考虑当前发展情况 条件下，适当的提高供电安全标准，促进该地区的运行维护水平进一步提升。对安全标准进 行修订，得到表4所示结果。

表4 适用于A区的供电安全标准修正版

序号 时间标准分类 恢复时间 1 故障维修完成所需要的平均时间 5小时 2 基于人工重构电网恢复供电所需要的平均时间 2小时 3 基于遥控重构电网恢复供电所需要的平均时间 15分钟 4 完成自动切换所需要的平均时间 60s