一种配电网馈线段等效化简的方法
【专利摘要】本发明涉及一种配电网馈线段等效化简的方法，属于电力系统拓扑结构设计【技术领域】。首先建立合并节点规则库，确定哪些节点需合并；将保留节点的出线度设置为0，合并节点出线度仍为2；接着对出线度为2的节点进行深度优先搜索，有电气连接关系的节点归到一个岛，每个岛上有且仅有两个出线度为0的节点；对岛上馈线段数大于等于2的岛进行馈线段合并，形成一条新的馈线段，新馈线段的两端点是岛上出线度为0的两个节点；依次删除各个岛上除出线度为0的两个节点之外的节点，删除岛上除新馈线段之外的所有馈线段。该发明可以在不降低分析精度的前提下，显著减少系统规模，从而间接提高了状态估计、潮流等计算效率，可以满足实时计算、调度的需求。
【专利说明】一种配电网馈线段等效化简的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力系统拓扑结构设计【技术领域】，特别涉及一种配电网馈线段等效化简的方法。
【背景技术】
[0002]配电网是电网的重要组成部分，是直接与亿万用户直接打交道的关键环节，智能电网倡导的用户侧响应主要在配电网侧起到作用，与传统输电网相比，配电网的有着自身的特点:
[0003]1.省级输电网的模型的节点数目一般是几千这个量级，配电网节点更多、馈线段更多，动辄都是上十万、百万的规模，一般中小城市的馈线规模都超过几万条，1kV节点规模都在百万以上。
[0004]2.不同于输电网三相参数基本对称、负荷均衡，配电网三相参数有较大的不对称性，且馈线段的A、B、C三相有功功率、无功功率差异大，不平衡度高。
[0005]3.配电网络的馈线段型号多，馈线段长度差异性大，有的仅仅几米，有的达几千米。
[0006]4.配电网包含的设备种类更多，各种分布式电源已经超过几百种，它们的数学模型不相同，而传统输电网仅有发电机、电动机、馈线段、变压器、负荷、开关、电容器、电抗器等有限1?型。
[0007]由于第I点的缘故，很多现有的电网分析软件都无法对如此巨大规模的网络进行求解，将待求解网络的节点数目记为n，大多数电网分析软件求解的极限一般是n〈5000，且随着节点数目接近极限时，求解耗时长，无法满足实时控制、调度的要求。
[0008]由于第2点的缘故，三相负荷、参数有较大的不对称性，传统输电网将三相等效为单相模型的处理方法得到的结果精度不高，因此必须采用三相建模，仅考虑三相三线制，待求网络的节点规模也由η增加至3η，求解难度进一步增大、求解时间进一步增加，如果考虑三相四线制，则待求节点的规模将接近4η，求解难度和时间更是大幅增加。虽然采用稀疏矩阵技术可以处理更大规模的系统，现在主流的电力系统分析工具大多引入了稀疏矩阵处理技术以提高分析效率，但是如果可以从网络初始模型进行等效化简，从源头上减少节点规模，再引入稀疏矩阵技术，则会事半功倍。
[0009]由于第3点的缘故，大部分成熟面向传统输电网的分析工具一般不能够直接应用于配电网络，其主要原因包括两方面，一是需要引入大量的新模型，分布式电源的模型相当多；二是这些模型的接入往往在较低的电压等级，普遍在1kV以下，因此要进行较为准确的分析，需要将1kV网络建模，而传统输电网分析工具受分析规模所限，一般仅对35kV甚至IlOkV以上进行建模。另外是，更多类型的设备接入，加大了网络化简的难度。
[0010]由于第4点的缘故，馈线段长度的巨大差异性，其本质对应电气参数(电阻、电抗)的巨大差异，从而导致系统的导纳矩阵元素差异大，以常见的电缆短接线为例，其阻抗很小，对应的导纳极大(阻抗为零，导纳无穷大)，这样导致系统导纳阵中对应的互导纳(导纳方阵中的非对角元都是互导纳，对角元是自导纳)。现有的电网分析工具大多是基于系统导纳阵的，而馈线段长度差异大导致的系统导纳阵某些互导纳过大会影响数值分析的稳定性、精度、速度，进一步导致求解失败。
[0011]配电网馈线段呈现分段多，长短差异性大，现有配网模型一般均由GIS(地理信息系统)负责维护，大量电线杆等的存在，导致馈线段数量过多，实际上距离相近的馈线段，其型号基本一致，如果中间没有负荷、分布式电压、变压器、开关等，可以进行等效合并，从而对网络进行等效化简，解决现有电网分析手段计算耗时长、计算精度差、不易收敛的问题。鉴于此，寻求高效馈线段等效化简的方法，而不降低复杂模型的计算分析精度，迫在眉睫。
【发明内容】
[0012]本发明的目的旨在解决现有技术的不足，提出一种配电网馈线段等效简化的方法，通过建立合并节点规则库，将节点分为需合并节点和保留节点两类，并设定保留节点的出线度为2，然后对保留节点采用深度优先的拓扑搜索形成拓扑岛，对各岛的馈线段进行合并，合并后生成新的馈线段，新馈线段两端节点为该岛上的两个保留节点，新馈线段的阻抗参数为合并前的馈线段组阻抗之和，新馈线段的导纳参数为合并前的馈线段导纳参数之和，通过馈线段的等效合并，在保持计算精度的前提下，减少系统的规模，节省数据库存储空间，为电力系统状态估计、潮流计算等实时分析模块提供优质数据，间接缩短了电力系统计算服务、优化调度的计算时间，提高了电力系统实时控制、调度的计算效率。
[0013]本发明提出的配电网馈线段等效化简的方法，包括以下步骤:
[0014]I)建立合并节点规则库:规则库包括出线度为2的节点且该节点未连接有开关、绕组、负荷、电容器、电抗器或分布式电源，则该节点需合并；开关(包括断路器和刀闸)、绕组两端的节点，连接有负荷、电容器、电抗器、分布式电源的节点，开关、绕组的两端节点，以及出线度大于2的节点，均是不需合并的节点，称这些节点为保留节点；
[0015]2)将保留节点的出线度设置为0，需合并的节点的出线度仍为2 ；
[0016]这样处理后所有节点可以分为两类，一类是出线度为零的节点，另一类是出线度为2的节点。
[0017]3)对出线度为2的节点进行深度优先搜索，将与该节点有电气连接关系的节点归到一个岛，每个岛上有且仅有两个出线度为O的节点；
[0018]4)对馈线段数大于等于2的岛进行馈线段合并，形成一条新的馈线段，该馈线段的两端点为岛上出线度为O的两个节点，新馈线段的阻抗等于该岛上所有馈线段阻抗代数和，导纳等于该岛上所有馈线段导纳代数和；
[0019]5)删除岛上出线度为2节点，删除岛上除新馈线段之外的所有馈线段。
[0020]本发明提出的配电网馈线段等效化简的方法优点是:
[0021]本方法可以在不降低分析精度的前提下，显著减少系统规模(节点和馈线段数目均减少)，提供给状态估计、潮流等计算更为优质的数据，从而间接提高了电力系统计算效率，可以满足实时控制、调度的需求，同时合并馈线段一定程度上改善了系统导纳矩阵，有利于提高算法收敛性。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明实施例所用配电网拓扑示意图。
[0023]图2是实施例等效化简后的拓扑示意图。
【具体实施方式】
[0024]本发明提出的配电网馈线段等效化简的方法，结合附图及实施例详细说明如下:
[0025]本发明提出的配电网馈线段等效化简的方法，包括以下步骤:
[0026]I)建立合并节点规则库:规则库包括出线度为2的节点且该节点未连接有开关、绕组、负荷、电容器、电抗器或分布式电源，则该节点需合并；开关(包括断路器和刀闸)、绕组两端的节点，连接有负荷、电容器、电抗器、分布式电源的节点，开关、绕组的两端节点，出线度大于2的节点，均是不需合并的节点，称这些节点为保留节点；
[0027]2)将保留节点的出线度设置为0，需合并的节点的出线度仍为2 ；
[0028]这样处理后所有节点可以分为两类，一类是出线度为零的节点，另一类是出线度为2的节点。
[0029]3)对出线度为2的节点进行深度优先搜索，将与该节点有电气连接关系的节点归到一个岛，每个岛上有且仅有两个出线度为O的节点；具体解释如下:
[0030]将第i个电气岛记为Islandi,从该岛上的第一个出线度为O的节点依次排列各个节点和馈线段。其中包含的m条馈线段集合记为Segi, Segi的第j条馈线段记为Sij ;包含的m+Ι个节点集合记为NodeyNodei中的第j个节点记为Iiij, Islandi上的馈线段和节点存在着这样的关系:1? S11^i2 S^ni3.......1ii m+1,这样节点nn Iii m+1的出线度均为O,构成电气岛的首尾节点。
[0031]4)对馈线段数大于等于2的岛进行馈线段合并，形成一条新的馈线段，该馈线段的两端点为岛上出线度为O的两个节点，新馈线段的阻抗等于该岛上所有馈线段阻抗代数和，导纳等于该岛上所有馈线段导纳代数和；
[0032]5)删除岛上出线度为2节点，删除岛上除新馈线段之外的所有馈线段。
[0033]经过该步骤的处理后，岛Islandi上的节点和馈线段有这样的关系。nn S^ni m+1。
[0034]为了更清楚说明本发明，采用如图1所示的简单配电网络作为本发明的实施例。图1中，配电网络包含I台发电机G、10个节点(图中编号为1-10)，7条馈线段(图中两个节点之间为一条馈线段)，2个开关和3个负荷。其中节点I处挂载I台发电机、节点1、2之间有开关，节点6、8、10上挂有负荷、节点6、7之间有开关。
[0035]对上述配电网按照下列步骤进行等效化简，
[0036](I)建立合并节点规则库，出线度为2的节点且该节点未连接有开关、绕组、负荷、电容器、电抗器或分布式电源，则该节点需合并；开关(包括断路器和刀闸)、绕组两端的节点，连接有负荷、电容器、电抗器、分布式电源的节点，开关、绕组的两端节点，出线度大于2的节点，均是不需合并的节点，称这些节点为保留节点；
[0037]按照上述规则，可知本实施例中由于挂载电力设备，节点1、6、8、10不应该进行合并(保留节点)，节点2、7由于是开关的节点，也不应该合并(保留节点)，节点4由于出线度为3，不应该合并(保留节点)；只有节点3、5、9三个节点可以合并。
[0038](2)将保留节点的出线度设置为0，需合并的节点的出线度仍为2 ；
[0039]这样处理后所有节点可以分为两类，一类是出线度为零的节点，另一类是出线度为2的节点，为；合并前多条馈线段汇集于一点的节点，经过步骤(2)的处理后，其出线度被置为O ;挂载负荷、电源、电容器、电抗器等电力系统一次设备的节点，其出线度被置为O ;剩下的出线度为2的节点均是需合并的节点，剩下的出线度为2的节点为节点3、5、9。
[0040](3)对出线度为2的节点进行深度优先搜索，将与该节点有电气连接关系的节点归到一个岛，每个岛上有且仅有两个出线度为O的节点；
[0041]在该实施例中出线度为2的点为3、5、9，其他点的出线度均为0，即可以形成3个拓扑岛。三个点深度优先搜索的结果如下。
[0042]Island1 3:3-2-4
[0043]Island2 5:5-4-6
[0044]Island3 9:9-4-10
[0045]其中对于节点3所在拓扑岛Island1，其首尾节点分别为2、4。对于节点5所在拓扑岛Island2，其首尾节点分别为4、6 ;对于节点9所在拓扑岛Island3，其首尾节点分别为
4、10 ；
[0046](4)对馈线段数大于等于2的岛进行馈线段合并，形成一条新的馈线段，该馈线段的两端点为岛上出线度为O的两个节点，新馈线段的阻抗等于该岛上所有馈线段阻抗代数和，导纳等于该岛上所有馈线段导纳代数和；
[0047]经过该步骤的化简，第i个岛Islandi上的m条馈线段，用合并后的新馈线段的等效代替，为保证等效性，必须将电气参数进行等效，电力系统分析中馈线段最常用的模型是η模型，其核心电气参数是馈线段的串联阻抗和并联导纳，新馈线段的串联阻抗等于该岛上所有馈线段阻抗代数和，并联导纳等于该岛上所有馈线段导纳代数和。
[0048]对于Island1,需要合并的是节点2?3、3?4对应的两条馈线段，形成新馈线段的两个端点是2、4，新馈线段的串联阻抗等于该岛上所有馈线段阻抗代数和，并联导纳等于该岛上所有馈线段导纳代数和。
[0049]对于Island2,需要合并的节点4?5，5?6对应的两条馈线段,形成一新馈线段，新馈线段两个端点是4、6。新馈线段的串联阻抗等于该岛上所有馈线段阻抗代数和，并联导纳等于该岛上所有馈线段导纳代数和。
[0050]对于Island3,需要合并的节点4?9，9?10对应的两条馈线段,形成一新馈线段，新馈线段两个端点是4、10。新馈线段的串联阻抗等于该岛上所有馈线段阻抗代数和，并联导纳等于该岛上所有馈线段导纳代数和。
[0051](5)依次删除各个岛上除出线度为O的两个节点后的其他的节点，删除岛上除新馈线段之外的所有馈线段。
[0052]对于Island1Jd节点的出线度为0，保留；节点3删除，节点2?3、3?4对应的两条馈线段删除。
[0053]对于Island2,4、6节点的出线度为0，保留；节点5删除，节点4?5、5?6对应的两条馈线段删除。
[0054]对于Island3,4、10节点的出线度为0，保留;节点9删除，节点4?9、9?10对应的两条馈线段删除。
[0055]该步骤完毕后，化简后得到的网络拓扑如图2所示。经过等效化简后系统节点包括1、2、4、6、7、8、10共7个节点，2~4、4~6、6~7、4~10共4条馈线段，I~2、7~8
共两个开关，三个负荷，一台发电机。
[0056]再以一个实际案例，分析一下馈线段等效化简的效果，实际配电网中，由于电缆分接头等非常多，一个岛上合并的馈线段有时候多达十几甚至几十条，压缩效果显著。
[0057]该案例中包含15条馈线，共3501条馈线段，4827个节点，经过化简后系统规模变为1354条馈线段，2680个节点，简化前和简化后的模型如表1所示，系统规模变化明显，针对简化前和简化后的模型进行计算，节点电压、负荷功率、支路电流的误差均在10-4以内，符合计算精度的要求。
[0058]表1化简前后网络规模对比表
[0059]
【权利要求】
1.一种配电网馈线段等效化简的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 1)建立合并节点规则库:规则库包括出线度为2的节点且该节点未连接有开关、绕组、负荷、电容器、电抗器或分布式电源，则该节点需合并；开关、绕组两端的节点，连接有负荷、电容器、电抗器、分布式电源的节点，开关、绕组的两端节点，以及出线度大于2的节点，均是不需合并的节点，称这些节点为保留节点； 2)将保留节点的出线度设置为O，需合并的节点的出线度仍为2； 3)对出线度为2的节点进行深度优先搜索，将与该节点有电气连接关系的节点归到一个岛，每个岛上有且仅有两个出线度为O的节点； 4)对馈线段数大于等于2的岛进行馈线段合并，形成一条新的馈线段，该馈线段的两端点为岛上出线度为O的两个节点，新馈线段的阻抗等于该岛上所有馈线段阻抗代数和，导纳等于该岛上所有馈线段导纳代数和； 5)删除岛上出线度为2节点，删除岛上除新馈线段之外的所有馈线段。
【文档编号】G06F17/50GK104134161SQ201410310644
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月1日 优先权日:2014年7月1日
【发明者】王玮, 柳涛, 吴卫, 纪元, 李飞, 任晓兵, 李兴涛, 杨耀 申请人:贵州电网公司信息通信分公司, 航天科工深圳（集团）有限公司