一种基于节点集GN分裂算法的220kV城市环网分区方法

摘要

本发明公开了一种基于节点集GN分裂算法的220kV城市环网分区方法，包括以下步骤：从城市环网中获取源节点，形成节点集NodeSet；采用传统GN分裂算法，根据源节点获取边介数将220kV线路回数作为边的权重，得到网络各边的综合边介数；不断移除这种综合边介数最大的边，直到网络不再出现新分区，形成初步环网分区结构，构成初步220kV城市环网分区方案；本发明人为因素较小，形成方案更加客观和准确，并且具有有效的理论支撑，更加贴合实际情况。

说明书

技术领域

本发明涉及一种城市环网分区方法，具体涉及一种基于节点集分裂算法的220kV城市环网分区方法。

背景技术

随着中国500kV输电网架的形成，220kV电网逐步向次输电网转变；电源建设快于电网建设导致系统短路容量迅速增加，致使部分变电站主变压器的短路电流水平超过断路器的开断能力；为解决此问题，一些地区已经形成了独立的220kV分区电网。在经济发达、负荷密度高的地区，电力系统分层分区运行已实施。

220kV分区运行主要分为方案制定和评估两部分；目前，针对220kV分区的研究大多集中在方案评估阶段，对于方案制定过程只是根据工程经验按照行政区划或电网所属电力公司来划分，缺乏有效的理论支撑，难以形成合理的分区方案。

发明内容

本发明提供一种基于复杂网中考虑节点集的GN分裂算法的220kV城市环网分区方法。

本发明采用的技术方案是：一种基于节点集GN分裂算法的220kV城市环网分区方法，包括以下步骤：

从城市环网中获取源节点，形成节点集NodeSet；

采用传统GN分裂算法，根据源节点获取边介数，并将220kV线路回数作为边的权重，计算网络各边的综合边介数；

不断移除这种综合边介数最大的边，直到网络不再出现新分区，形成初步环网分区结构，构成初步220kV城市环网分区方案。

作为优选，所述初步220kV城市环网分区方案进行校验后获取最终220kV城市环网分区方案。

作为优选，所述节点集NodeSet的形成方法如下：

获取电网数据，电网数据包括500kV变电站节点数据、220kV变电站节点数据、及其表征220kV站点联系的交流线路及其回数；

根据获取的电网数据将电网抽象成拓扑连接图；

获取每个220kV变电站节点的度，并进行降序排序；

依据电网500kV的个数N，选取节点度在前N类的节点作为节点集NodeSet。

作为优选，根据电网拓扑连接图形成邻接矩阵，根据邻接矩阵和广泛搜索算法获取每个220kV变电站节点的度。

作为优选，所述校验包括静态安全分析和短路电流校验，所述短路电流校验包括三相短路电流校验和单相短路电流校验。

作为优选，所述短路电流校验包括与500kV变电站有直接联系的220kV母线的三相短路电流校验和单相短路电流校验。

作为优选，所述静态安全分析校验包括500kV变电站主变“N-1”和重要线路“N-1”。

作为优选，所述边介数根据源节点的权值和距离计算。

作为优选，所述综合边介数通过220kV线路回数作为权值修正边介数获取。

作为优选，获取节点集NodeSet后，采取传统GN分裂算法划分220kV城市环网分区供电形式的社团结构。

本发明的有益效果是：

(1)本发明形成的分区方案，可避免目前220kV环网分区方案制定，仅依据工程经验按照行政区域划分或电网所属电力公司来划分时受人为因素影响较大、缺乏理论支撑的的问题，形成的分区方案更加准确和客观；

(2)本发明采用邻接矩阵和广泛搜索算法获得电网220kV变电站的节点度，并据此进行降序排序，获得表征电网中电气联系比较密切的220kV变电站点，作为节点集。最后采用传统GN分裂算法进行城市环网的分区划分。此方式计及实际电网规模较大，遍历所有源节点会影响计算速率，且结合220kV环网分区运行需形成以500kV变电站为核心的分区供电形式，故没必要遍历网络所有源节点的特点；

(3)本发明考虑研究电网的电气联系和拓扑特性。以电网交流线路回数作为每条线路的权值，修正基于节点集GN分裂算法获取的每条边的边介数，获取综合边介数。通过移除表征所研究电网的电气联系比较薄弱的综合边介数较大的边，逐步形成分区方案。

附图说明

图1为本发明流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

一种基于节点集GN分裂算法的220kV城市环网分区方法，包括以下步骤：

从城市环网中获取源节点，形成节点集NodeSet；

采用传统GN分裂算法，根据源节点获取边介数将220kV线路回数作为边的权重，计算网络各边的综合边介数；

不断移除这种综合边介数最大的边，直到网络不再出现新分区，形成初步环网分区结构，构成初步220kV城市环网分区方案。

所述初步220kV城市环网分区方案进行校验后获取最终220kV城市环网分区方案。

由于研究网络为500/220kV电磁环网的220kV城市环网，将其划分成独立的社团结构时，需形成以500kV变电站为中心的220kV分区运行，功率交换仅通过500kV联络线传输的分区供电形式；考虑到该网络最终划分结构的特点，节点集应选取与500kV变电站有直接联系的220kV变电站。考虑到这类变电站在对应电力网络中电气联系紧密，即度值最大；但当这些变电站的度相同时，可将其作为一类，并计及除此之外的其他重要的220kV变电站；所以识别这类220kV变电站，并将其作为节点集的步骤如下：

获取电网数据，电网数据包括500kV变电站节点数据、220kV变电站节点数据、及其表征220kV站点联系的交流线路及其回数；

根据获取的电网数据将电网抽象成拓扑连接图；根据电网拓扑连接图形成邻接矩阵，根据邻接矩阵和广泛搜索算法获取每个220kV变电站节点的度，并进行降序排序；

依据电网500kV的个数N，选取节点度在前N类的节点作为节点集NodeSet。

所述校验包括静态安全分析和短路电流校验，所述短路电流校验包括三相短路电流校验和单相短路电流校验。

所述短路电流校验包括与500kV变电站有直接联系的220kV母线的三相短路电流校验和单相短路电流校验。

所述静态安全分析校验包括500kV变电站主变“N-1”和重要线路“N-1”；重要线路“N-1”指研究电网中某区域因负荷过大，导致部分负载比较重的线路。

所述边介数根据源节点的权值和距离计算。

所述综合边介数通过220kV线路回数作为权值修正边介数获取。

获取节点集NodeSet后，采取传统GN分裂算法划分220kV城市环网分区供电形式的社团结构；划分过程中，需考虑电网实际运行方式的特点，主要考虑以下三个原则：

A、500kV站主变为两台的不能独立供一片区，其应与其他500kV站“手拉手”运行；

B、具有三台主变的500kV站可独立供电一片区域；

C、220kV站点不能出现三台及以上的“串供结构”。

基于节点GN分裂算法220kV城市环网分区方案的操作步骤如下：

A、获取电网数据，包含500kV变电站节点数据、220kV变电站节点数据、及其表征220kV站点联系的交流线路及其回数；

B、电网抽象成拓扑连接图，生成邻接矩阵；

C、依据邻接矩阵和广泛搜索算法，获取每个220kV变电站节点的度，并进行降序排序；

D、依据电网500kV的个数N，选取节点度在前N类的节点作为节点集和源节点；

E、遍历源节点，获得网络图的节点的权值、距离并计算边的边介数；

F、将交流线回数作为边的权值，计算边的综合边介数；

G、移除当前综合边介数最大值的边，并修改网络图的邻接矩阵；

H、采用深度搜索算法判定网络是否出现新分区，若是，执行下一步；反之，转至E；

I、判定是否存在不满足主变台数要求的500kV变电站，若否，执行下一步；反之，修改邻接矩阵后，转至H；

J、判断当前分区中是否存在3台及以上的串供结构，若否，执行下一步；反之，进行修改邻接矩阵后，转至H；

K、计算社团结构模块度指标；

L、获取最终的220kV城市环网分区方案；

M、对分区方案进行评估。

下面通过实施例对本发明进行具体的描述：采用某实际城市电网作为算例；该电网在2016年，相比2015年的5个500kV变电站，又新投运了2个500kV变电站；2015年该电网负荷需求为985万千瓦，按照7％的负荷增长率，2016年枯水期最大下网负荷约1050万千瓦；该电网具有67个220kV变电站，变电站彼此联系紧密，共计有175回线路，部分变电站之间有四回线路。

其中，220kV变电站节点编号数据，如表1所示；220kV交流线数据如表2所示，与500kV变电站直接联系的220kV站点数据如表3所示，主要包含220kV变电站联系和线路回数；采用基于复杂网络节点集GN分裂算法，获取220kV城市环网分区方案如表4所示；220kV城市环网分区方案的社团模块度指标如表5所示；对获取方案中进行静态安全分析和短路电流校验，校验结果分别如表6、表7和表8所示，其中，静态安全分析主要进行500kV变电站“N-1”、重要线路“N-1”；短路电流交验主要针对与500kV变电站直接相连的220kV站点母线处发生三相短路和单相短路接地故障。

表1.220kV变电站编号

表2.220kV交流线数据

表3.与500kV变电站直接联系的220kV站点信息

表4.220kV城市环网分区方案

表5.分区方案的社团结构模块度指标

表6.分区方案静态安全分析(主变“N-1”、重要线路“N-1”)

表7.短路电流校验(三相短路电流)

表8.短路电流校验(单相短路电流)

结果表明，考虑电磁环网220kV等级电网分区运行时不能有3台及以上的串供结构等原则，基于节点集的GN分裂算法和将线路回数作为对应边介数的权重，可将某实际电网220kV城市环网划分成4种分区方案，均经过了三相短路电流、单相短路电流、500kV变电站主变“N-1”校验和重要线路“N-1”校验，验证了该方法的正确性，具体分析如下：

1)静态安全分析

静态安全分析主要针对研究电网500kV变电站主变“N-1”和重要线路“N-1”。

A、500kV变电站“N-1”校验

电网中500kV变电站主变2侧(220kV侧)的容量为1000MVA；在故障条件下，过载能力校核具体是指主变实际功率超过其额定容量的部分功率，若占主变该侧容量的20％以上，则认为该主变过载；结合表6，方案1中的各500kV变电站“N-1”后最大过载率为19.67％，其余主变侧主变“N-1”后下网功率均不超过额定容量的20％及以上，故均不过载，故可认为方案1经过主变“N-1”校验；其次，方案2到方案4各500kV主变“N-1”后的下网功率均不超过主变额定容量的20％，故可认为方案2、方案3和方案4均经过主变“N-1”校验。

B、重要线路“N-1”校验

研究电网中重要线路，具体指WX-DEF(LGJ-2*400,2回)、WX-YZ(LGJ-2*630，2回)和M-N(LGJ-400，2回)交流线；三条线路的额定容量分别为1.8208kA、2.43kA和0.9109kA；三条线路的热稳极限分别为458MW、606MW和606MW；方案1进行线路“N-1”校验时，通过WX-DEF线路的功率和电流分别62.8795MW和0.1673kA，对比该线路的热稳极限和额定容量，可见该线路不会出现过载情况；相应地，经过WX-YZ线路和M-N线路的功率、电流分别为：187.7153MW和207.2252MW、0.4651kA和0.5802kA，均未超过对应线路的热稳极限，故可判定方案1经过了线路“N-1”校验；同理，对方案2到方案4进行类似步骤，可知方案2到方案4也经过电网重要线路“N-1”校验。

2)短路电流校验

A、三相短路电流校验

电网中220kV母线侧断路器开关遮断容量按50kA考虑；分析表7，与500kV变电站有直接联系的220kV变电站母线发生三相短路时，方案1的A、BA、N、OP、S、WX和I侧的短路电流分别为40.888kA、42.314kA、42.12kA、39.404、40.89kA、41.34kA和40.826kA，可见均未超过220侧断路器开关的遮断容量，故认为方案1经过三相短路电流校验；同理，对方案2到方案4类似校验；值得注意的是，方案2、方案3和方案4在7处主变侧220kV母线处发生三相短路故障时的最大短路电流均在A侧，分别为50.85kA、50.69kA和50.27kA，略微超标，基本满足实际运行的要求。

B、单相短路电路校验

分析表8，与500kV变电站有直接联系的220kV变电站母线发生单相短路接地时，按照方案1到方案4的顺序，方案各主变侧最大单相短路电流与平均短路电流水平分别为47.29kA、50.77kA、50.04kA和49.72kA与45.58kA、47.53kA、47.39kA和44.45kA；当电网中220kV母线侧断路器开关遮断容量按50kA考虑时，可见方案1到方案4均经过了单相短路电流的校验。

3)基于社团结构模块度的220kV城市环网分区方案评估

传统GN算法存在一个缺陷，即它对于网络的社团结构并没有一个量的定义；因此，不能直接从网络的拓扑结构判断它所求得的社团是否是实际网络中的社团结构，从而需要一些附加的关于网络意义的信息来判断所得到的社团结构是否具有实际意义，即社团结构模块度，其值下限为0，上限为1，越接近1，则说明网络社团结构越明显；实际网络中，该值通常位于0.3到0.7之间。

基于节点集GN分裂算法划分出220kV城市环网分区运行的方案集合；对方案集合中方案进行静态安全分析和短路电流校验，经过校验的方案，按社团结构模块度降序排序；经过校验的220kV城市环网分区方案有四个；分析表5，按照方案1到方案4的顺序，方案社团结构模块度为0.6325、0.5522、0.5557和0.5727；可见方案1为最优方案。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。