高中压配电网的一体化安全性校验方法与流程

本发明涉及电力输送技术领域，具体讲,涉及高中压配电网的一体化安全性校验方法。

背景技术：

N-1准则[1]是配电系统规划和运行中的重要准则，要求配电网在运行时，其中某个独立元件(如主变，馈线等)发生故障，负荷能完全转带成功，电网保持安全运行。配电系统的N-1校验主要包括主变N-1校验和馈线N-1校验。在配电网N-1发生后，负荷转带需满足一定的约束条件，比如电压约束条件，馈线容量约束条件，主变容量约束条件等。

随着配电网电压等级的提高，220kV、110kV以及35kV高压配电网逐渐接入到城市配电网中，与标准的10kV中压配电网形成混合配电网系统。目前已有学者结合电网拓扑结构与接线模式，对配电网进行完全和逐段两种形式的“N-1”校验[2]；在故障后的负荷转带中，将启发式规则和模糊逻辑结合起来是一种高效的负荷恢复策略[3]。上述研究均基于中压配电网，高压配电网与中压配电网统一的安全性校验缺乏研究。文献[4-5]对高压配电网的安全性校验原理做出了阐述，但分析并不全面。文献[6-7]提出了计及高压配电网转供能力的配电系统综合供电能力计算方法，但未阐明高中压配电网一体化安全性校验的基本原则。

参考文献：

[1]肖峻，贡晓旭，王成山.配电网最大供电能力与N-1安全校验的对比验证[J].电力系统自动化，2012，36(18):86-90

[2]张海波，张晓云，陶文伟.基于广度优先搜索的配电网故障恢复算法[J].电网技术，2010，34(7)：103-108

[3]方芹，杨建华，马龙，等.基于N-1准则的配电网重构分区评估分析[J].电网技术，2013，37(4)：1090-1094

[4]王平，余昆，李振坤，等.采用多代理技术提高高压配电网的供电可靠性[J].中国电机工程学报，2009，29(1)：50-54

[5]苏宜强.基于负荷分类的备自投配合及投退控制策略[J].电气应用，2013(17)：50-55

[6]王磊，刘洪，曾平良等.计及高压配电线路转供约束的配电系统综合供电能力计算[J].电网技术，2013(12):3584-3589

[7]葛少云，郭寅昌，刘洪.基于供电能力分析的高压配电线路容量优化方法[J].电网技术，2014(3):768-775

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，提升高压配电网安全性，挖掘现有配电网供电潜力。在高压配电网安全校验不通过的情况下，利用中压配电网的负荷转供能力保证用户供电安全。本发明采用的技术方案是高中压配电网的一体化安全性校验方法，高中压配电网一体化安全性校验原则为：

1)先考虑高压层网架转供，其次考虑中压层网架转供；

2)先考虑变电站内负荷转供，其次考虑变电站外网架转供；

3)高压层网架转供无法成功时，考虑结合中压层网架转供；

中压配电网由高压配电变电站和中压配电线路组成，向低压配电网或者用户直接提供电能，高压配电变电站主变称为配电主变；高压配电网由高压送电变电站和高压配电线路组成，并向中压配电网提供电能，其中高压送电变电站主变称为送电主变；

具体步骤如下：

A、假设配电网中高压线路i发生N-1事故，高中压一体化安全性校验过程如下：

(1)采集配电系统数据

假设研究区域内有n座送电变电站，将其分别编号为1,2,…,n；对应各座送电变电站的送电主变台数分别为Nt1,Nt2,…,Ntn，取NtΣ＝Nt1+Nt2+…+Ntn，表示该电网内送电主变的总台数；假设研究区域内有m座配电变电站，将其分别编号为1,2,…,m；对应各座配电变电站的主变台数分别为NMt1,NMt2,…,NMtm，取NMtΣ＝NMt1+NMt2+…+NMtm，表示该电网内配电主变的总台数；假设研究区域内有NlΣ条高压配电线路，将其分别编号为1,2,…,NlΣ；

定义联通高压网架电源和配电主变的高压配电线路序列为配电主变的供电路径；根据研究区域内正常运行时配电主变的供电路径，建立配电主变供电关系矩阵M(本文用i、l、s标识线路，j、k、p、q标识主变)；

矩阵中元素Mi,j表示第i条高压线路与第j台配电主变的供电关系，第i条高压线路属于第j台配电主变的供电路径，则Mi,j＝1，否则Mi,j＝0；

为明确送电主变与高压配电线路联接关系，建立送电主变和高压配电线路的联接矩阵N；

式中矩阵元素Ni,k表示第k台送电主变与第i条高压线路的供电关系，第i条高压线路与第k台送电主变有联接关系，则Ni,k＝1，否则Ni,k＝0；

根据配电主变负荷与高压线路的转供关系，建立配电主变转供矩阵Q；

式中矩阵元素Qi,j表示第j台配电主变与第i条高压线路的转供关系，即第i条高压线路属于第j台配电主变的转供路径，则Qi,j＝1，否则Qi,j＝0；

在分析各配电主变在中压层配电网的负荷转供时，建立配电主变联络容量约束矩阵C；

式中矩阵元素Ck,j表示第k台配电主变与第j台配电主变在中压配电网联络通路的极限联络容量；

(2)首先校验故障后是否能通过站内高压层完全转供负荷，此时需满足式(5)送电主变容量约束与式(6)高压线路容量约束；

式中RMj为配电主变j的额定容量，TMj为配电主变j的负载率；Dl为高压线路l容量；Ql,j∈Ω^(j)表示j送电主变的站内转供路径；Rk为送电主变k的额定容量，Tk为送电主变k的负载率；

(3)若通过(2)负荷转供方案无法满足安全性校验，考虑站外高压层网架转供负荷，此时需满足式(7)送电主变容量约束与式(8)线路容量约束；

其中表示j送电主变的站外转供路径；

(4)若通过(2)、(3)两种负荷转供方案仍无法通过安全性校验，考虑结合中压层网架进行负荷转供，此时需满足下面约束；

其中Aj,l为配电主变j通过高压配电网转供至高压配电线路l的负荷；Hj,p为配电主变j通过中压配电网络向配电主变p转供的负荷；

式(9)表示配电主变j负荷可通过中压网络和高压网络转供至其他正常的供电路径；式(10)表示中压配电网转供负荷小于最大可转供容量；式(11)表示负荷通过高、中压网转供后送电主变k不过载；式(12)表示负荷通过高、中压网转供后高压线路l不过载；

B、送电主变N-1安全校验模型

假设配电网中送电主变j发生N-1事故，高中压一体化安全性校验过程如下：

(1)采集配电系统数据，与A中高压线路发生N-1时的步骤(1)相同，不再赘述；

(2)首先校验故障后是否能通过站内高压层完全转供负荷，由于送电主变j故障后站内操作仅需闭合与相邻送电主变k之间的母联开关，即只满足式(13)送电主变k容量约束即可；

RjTj≤(1-Tk)Rk,k∈Ω^(j)(13)

其中k∈Ω^(j)表示k送电主变与j送电主变在同一站内；

(3)若通过(2)负荷转供方案无法满足安全性校验，考虑站外高压层网架转供负荷，此时相当于发生了高压线路N-X故障，需满足式(14)送电主变容量约束与式(15)高压线路容量约束；

(4)若通过(2)、(3)两种负荷转供方案仍无法通过安全性校验，考虑结合中压层网架进行负荷转供，此时送电主变j下送的每条高压线路均需满足式(9)负荷转供等式约束与式(10)中压层配电网负荷转供约束；负荷转供后，非故障的送电主变与高压线路可能接纳多个故障的高压线路所带负荷，即送电主变容量约束与高压线路容量约束表示为

本发明的特点及有益效果是：

本发明提出了高中压配电网的统一安全性校验原理和方法。该方法是随着城市配电网负荷的快速增长和电压等级的不断升高而提出的。其中高压配电网的负荷转供能力与其接线模式有很大关系，所以对高压配电网的规划更加凸显重要性，可最大限度地利用现有电网，并对大规模配电网安全性分析起到指导和借鉴作用。

附图说明：

图1高压线路故障时高中压配电网统一安全性校验原理流程图。

图2 220kV/110kV送电主变故障时高中压配电网统一安全性校验原理流程图。

图3算例示意图。

具体实施方式

本发明将高压配电网和中压配电网统一考虑，研究其安全性校验原则和方法，利用实际算例形象展示高中压配电网统一安全性校验结果。发明中将配电系统的电压等级统一考虑，对故障后负荷转供和超限甩负荷方案进行研究，可最大限度地利用现有电网，并对大规模配电网安全性分析起到指导和借鉴作用。

由于高压配电网层面的线路容量和送电主变容量较大，发生N-1故障后，在高压配电网层的开关动作往往比中压配电网层的开关动作次数要少，故在负荷转带时优先考虑对高压配电网进行操作；其次，在变电站内进行开关操作比站外操作更加安全且快速，所以在负荷转带时优先考虑进行站内转带，然后考虑站外转带；最后，如果没有高压层负荷转带通路，或者在高压层网架转带负荷后出现高压网过载现象，为保证配电网的安全运行，考虑结合中压层网架进行负荷转带。将上述描述总结为以下三条高中压配电网一体化安全性校验原则为：

1)先考虑高压层网架转供，其次考虑中压层网架转供。

2)先考虑变电站内负荷转供，其次考虑变电站外网架转供。

3)高压层负荷转供无法成功时，考虑结合中压层网架转供。

中压配电网由高压配电变电站和中压配电线路组成，向低压配电网或者用户直接提供电能，配电变电站主变称为配电主变；高压配电网由高压送电变电站和高压配电线路组成，并向中压配电网提供电能，其中送电变电站主变称为送电主变；

整个技术方案分为如下4步：

A、假设配电网中高压线路i发生N-1事故，高中压一体化安全性校验过程如下：

(1)采集配电系统数据

假设研究区域内有n座220kV送电变电站，将其分别编号为1,2,…,n。对应各座送电站的主变台数分别为Nt1,Nt2,…,Ntn，取NtΣ＝Nt1+Nt2+…+Ntn，表示该电网内送电主变的总台数；假设研究区域内有m座配电变电站，将其分别编号为1,2,…,m。对应各座配电站的主变台数分别为NMt1,NMt2,…,NMtm，取NMtΣ＝NMt1+NMt2+…+NMtm，表示该电网内配电主变的总台数；假设研究区域内有NlΣ条高压配电线路，将其分别编号为1,2,…,NlΣ。

定义联通高压网架电源和配电主变的高压配电线路序列为配电主变的供电路径。根据研究区域内正常运行时配电主变的供电路径，建立配电主变供电关系矩阵M(本文用i、l、s标识线路，j、k、p、q标识主变)。

矩阵中元素Mi,j表示第i条高压线路与第j台配电主变的供电关系，第i条高压线路属于第j台配电主变的供电路径，则Mi,j＝1，否则Mi,j＝0。

为明确送电主变与高压配电线路的联接关系，建立送电主变和高压配电线路的联接矩阵N。

式中矩阵元素Ni,k表示第k台送电主变与第i条高压线路的供电关系，第i条高压线路与第k台送电主变有联接关系，则Ni,k＝1，否则Ni,k＝0。

根据配电主变负荷与高压线路的转供关系，建立配电主变转供矩阵Q。

式中矩阵元素Qi,j表示第j台配电主变与第i条高压线路的转供关系，即第i条高压线路属于第j台配电主变的转供路径，则Qi,j＝1，否则Qi,j＝0。

在分析各配电主变在中压层配电网的负荷转供时，建立配电主变联络容量约束矩阵C。

式中矩阵元素Ck,j表示第k台配电主变与第j台配电主变在中压配电网联络通路的极限联络容量。

(2)首先校验故障后是否能通过站内高压层完全转供负荷，此时需满足式(5)送电主变容量约束与式(6)高压线路容量约束。

式中RMj为配电主变j的额定容量，Tj为配电主变j的负载率；Dl为高压线路l容量；Ql,j∈Ω^(j)表示j送电主变的站内转供路径；Rk为送电主变k的额定容量，Tk为送电主变k的负载率，Nl,k表示第l条高压线路与第k台送电主变有联接关系。

(3)若通过(2)负荷转供方案无法满足安全性校验，考虑站外高压层网架转供负荷，此时需满足式(7)送电主变容量约束与式(8)线路容量约束。

其中表示j送电主变的站外转供路径。

(4)若通过(2)、(3)两种负荷转供方案仍无法通过安全性校验，考虑结合中压层网架进行负荷转供，此时需满足下面约束。

其中Aj,k为配电主变j通过高压配电网转供至送电主变k的负荷；Hj,p为配电主变j通过中压配电网络向配电主变p转供的负荷。

式(9)表示配电主变j负荷可通过中压网络和高压网络转供至其他正常的供电路径；式(10)表示中压配电网转供负荷小于最大可转供容量；式(11)表示负荷通过高、中压网转供后送电主变k不过载；式(12)表示负荷通过高、中压网转供后高压线路l不过载。

B、送电主变N-1安全校验模型

假设配电网中送电主变j发生N-1事故，高中压一体化安全性校验过程如下：

(1)采集配电系统数据，与A中高压线路发生N-1时的步骤(1)相同，不再赘述。

(2)首先校验故障后是否能通过站内高压层完全转供负荷，由于送电主变j故障后站内操作仅需闭合与相邻送电主变k之间的母联开关，即只满足式(13)送电主变k容量约束即可。

RjTj≤(1-Tk)Rk,k∈Ω^(j)(13)

其中k∈Ω^(j)表示k送电主变与j送电主变在同一站内。

(3)若通过(2)负荷转供方案无法满足安全性校验，考虑站外高压层网架转供负荷，此时相当于发生了高压线路N-X故障，需满足式(14)送电主变容量约束与式(15)高压线路容量约束。

(4)若通过(2)、(3)两种负荷转供方案仍无法通过安全性校验，考虑结合中压层网架进行负荷转供，此时送电主变j下送的每条高压线路均需满足式(9)负荷转供等式约束与式(10)中压层配电网负荷转供约束；负荷转供后，非故障的送电主变与高压线路可能接纳多个故障的高压线路所带负荷，即送电主变容量约束与高压线路容量约束表示为

以高压线路的N-1校验为例，总结高中压配电网一体化校验步骤如图1所示。

下面结合具体实例进一步详细说明本发明。

1、算例基本情况

算例配电网网络结构如图3所示：共2座220kV/110kV的送电变电站，包括4台220V送电主变，7条110kV的高压配电网线路，线路容量均为98.12MVA；在中压层共4座110kV/10kV配电变电站，包括7台配电主变和35条10kV的馈线，馈线容量均为12.12MVA。其中L1～L4负荷为220kV送电主变外接负荷，L1、L3、L4均为30MVA，L2为50MVA，在安全性校验时均不予考虑其参与负荷转带。从图3中可以看出算例电网各送电/配电主变及馈线间的联络关系，各变电站主变数据在表1给出，算例中负荷数据在表2中给出：

表1 变电站主变数据

表2 算例负荷数据表

2、本发明实施步骤

在高压配电线路出口处发生N-1故障，或220kV/110kV送电主变发生N-1故障后，忽略配电网潮流对安全性校验的影响，仅考虑各送电/配电主变、线路容量限制。

下面以220kV/110kV送电主变1的N-1校验为例，说明高中压配电网统一安全性校验步骤：

1)采集配电系统数据，建立配电主变供电关系矩阵M，送电主变和高压配电线路的联接矩阵N，配电主变转供矩阵Q，配电主变联络容量约束矩阵C。

2)高中压配电网统一N-1校验。首先尝试通过送电站内转供故障主变负荷。校验结果不满足(13)式约束，即通过高压站内转供后，送电主变2过载。

3)考虑站外高压网转供负荷，即通过1101站内的高压开关转供负荷，校验结果不满足(14)(15)式约束，即通过送电站外转供后，送电主变2过载。

综合2)与3)负荷无法由高压网全部转带成功，考虑结合中压网进行转带。

4)结合中压网转带。经校验，负荷可以通过高中压网同时转带成功。