一种考虑和应涌流及分布式电源影响的基于PMU数据的配电网合环电流计算方法与流程

本发明属于配电网电力调度领域，具体涉及一种考虑和应涌流及分布式电源影响的基于pmu(同步相量测量单元)数据的配电网合环电流计算方法。

背景技术：

我国配电网普遍采用“闭环设计，开环运行”供电方式。其中，中压配电网的电缆网络以“手拉手”接线型式最为普遍。在实际运行中，每条“手拉手”主干线中的分段开关在常规运行方式下总处于开断状态，这个分段开关即联络开关。如果某联络开关在两侧电源均未断开情况下合上，则构成环路，可能出现环流。这种情况下合上联络开关，称为合环操作。

由于拟进行合环操作的联络开关的两侧电源可能来自不同母线，如果其上层两侧供电电源来自不同变电站，则两侧电源的幅值和相角可能存在较大差别。在这种情况下合上联络开关，不仅稳态环流较大，而且在暂态过程中会出现较大的衰减的直流分量，在某些情况下还会出现衰减的交流分量。与此同时，并联在10kv线路上的多台空载变压器也可能出现“和应励磁涌流”。此外，在10kv网络并接有分布式发电系统时，这些分布式发电系统也会产生暂态电流。因此，在上述各种因素的共同作用下，有可能使通过联络开关的电流过大，从而导致继电保护装置动作而跳闸。因此合环操作之前，调度人员会进行合环电流计算。

传统方式计算合环电流，通常采用叠加法、潮流法等。传统方式存在条件过度简化、数据采样不精确、未考虑空载变压器及分布式电源的影响等问题，导致计算结果和实际结果有较大差异。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足之处，提出一种考虑和应涌流及分布式电源影响的基于pmu数据的配电网合环电流计算方法，解决了现有方式计算合环电流计算时条件过度简化、数据采样不精确、尚未考虑空载变压器和分布式电源的影响等问题，使计算结果更接近实际值，提高允许合环判断的成功率。此发明具有良好的应用价值。

本发明的目的是通过以下技术措施实现的。

一种考虑和应涌流及分布式电源影响的基于pmu数据的配电网合环电流计算方法，包括以下步骤：

(1)根据运行人员下达的合环命令，从配电网监控系统的实时数据库中确定待合环操作开关的编号和在配电网网络拓扑中的位置；

(2)根据有向图的深度优先搜索算法，在配电网监控系统的实时数据库中进行搜索，获取待合环操作开关两侧的合环网络拓扑；

(3)从配电网监控系统的实时数据库中，获取待合环操作开关两侧的合环网络拓扑的各电力设备参数，配电线路、变压器、分布式电源、用户负荷参数；

(4)根据pmu测量的数据，获取拟合环时刻待合环操作开关两侧的合环网络拓扑中各节点电压相量、各支路电流相量；通过此方式获取的数据相比于传统潮流计算得到的数据，其精准度和实时性更好；

(5)等效处理用于计算合环稳态电流的各电力设备参数，包括配电线路、变压器、分布式电源、用户负荷参数；根据电流分布系数原理，将合环开关上级线路中各条分支线路分流影响等效至对应的更上一级线路，即相应增大更上一级线路阻抗或线路上变压器阻抗；有载变压器忽略励磁支路；空载变压器视为开路；分布式电源视为等值恒阻抗负荷；考虑合环网络拓扑中所有用户负荷，用户负荷视为等值恒阻抗负荷，一条支线上的多个用户负荷合并且置于支线末端；上述处理措施可以减轻计算复杂程度，对计算结果精度影响也较小；

(6)将步骤(5)中等效处理的电力设备参数、电气量折算到10kv电压等级，合环开关上下级电路中的阻抗根据串并联关系分别合并成一个等效总阻抗，可进一步简化电路，根据简化电路阻抗参数、220kv母线电压相量以及拟合环时刻合环开关两侧支路电流大小，联立方程组求解，得到时域下稳态电流数学表达式，从而计算流经合环开关的稳态电流及合环开关两侧支路稳态电流有效值；

(7)等效处理用于计算合环冲击电流的各电力设备参数，包括配电线路、变压器、分布式电源、用户负荷参数；合环过程中需要考虑并联空载变压器产生的和应励磁涌流，空载变压器励磁支路采用铁心磁路饱和参数；对于分布式电源，合环过程中需要考虑分布式电源输出电流受并网点电压改变的影响，先将分布式电源视为稳定运行状态下等值恒阻抗负荷，随后根据分布式电源输出电流与并网点电压的数学关系，给分布式电源等效阻抗除以一个冲击系数；其余参数处理方式与步骤(5)相同；

空载变压器励磁支路采用铁心磁路饱和参数是为了便于计算和应励磁涌流，空载变压器励磁阻抗在暂态过程中是时变的，时变参数会导致求解方程组困难，将励磁参数设定为饱和值同样可以求取理论上最大的和应励磁涌流，并用两段折线拟合磁化特性曲线，使计算更简便；分布式电源的暂态特性不同于用户负荷，它受电压变化影响更大，因此需要考虑分布式电源输出电流与并网点电压的数学关系并将此关系等效至阻抗；

(8)将步骤(7)中等效处理的电力设备参数、电气量折算到10kv电压等级，合环开关上下级电路中的阻抗根据串并联关系分别合并成一个等效总阻抗，可进一步简化电路，根据简化电路阻抗参数、220kv母线电压相量以及拟合环时刻合环开关两侧支路电流大小，联立方程组求解，得到时域下暂态电流数学表达式，从而计算流经合环开关的冲击电流及合环开关两侧支路冲击电流最大值。

本发明的原理及改进为：

1.根据有向图的深度优先搜索算法，获取待合环操作开关两侧的合环网络拓扑

该步骤为：将全网模型看成有向图，根据功率流动方向，功率流出节点设为上级节点，功率流入节点设为下级节点，节点看成图的顶点，连接线路看成图的支路；从合环开关两端节点出发，根据有向图的深度优先搜索算法搜索节点；上级节点搜索至220kv母线节点，下级节点搜索至接地负荷，从而获取待合环操作开关两侧的网络拓扑。采用此方法可以避免涉及到其他无关节点。

2.等效处理用于计算合环稳态电流的各电力设备参数

据电流分布系数原理，将合环开关上级线路中各条分支线路分流影响等效到更上一级线路上，即相应增大更上一级线路阻抗或线路上变压器阻抗，该处理考虑了分支线路的分流影响；有载运行的变压器忽略励磁支路的影响、空载运行的变压器视为开路、分布式电源视为等值恒阻抗负荷、普通用户负荷视为等值恒阻抗负荷、一条支线上的多个用户负荷合并且置于支线末端，这些处理便于简化电路。

3.等效处理用于计算合环冲击电流的各电力设备参数

空载变压器励磁支路的参数采用变压器铁心磁路饱和参数，既能考虑和应涌流的影响，也便于数学计算；将分布式电源视为稳定运行状态下等值恒阻抗负荷，随后根据分布式电源输出电流与并网点电压的数学关系，给分布式电源等效阻抗除以一个冲击系数，即可体现分布式电源的暂态行为。

4.计算合环稳态电流、合环冲击电流

根据简化电路阻抗参数、220kv母线电压相量以及拟合环时刻合环开关两侧电流大小，联立方程组求解，得到时域下电流暂态数学表达式。电流数学表达式可提前建立，计算时代入实时数据即可，可以节省潮流计算的时间。

本发明与现有技术相比，其有益效果如下：

1.无需获取全网的拓扑结构，根据有向图的深度优先搜索算法待合环操作开关两侧的合环网络拓扑，减少计算规模。

2.等效处理用于计算合环稳态电流、合环冲击电流的各电力设备参数。一方面可以简化网络拓扑结构，便于计算；另一方面考虑分支线路分流、和应涌流以及分布式电源的影响，可以提高计算结果的准确度。

3.在计算合环电流的过程中，各电气量的初始值均取自pmu数据，保证数据精确，联立方程组求解得到时域下数学表达式，计算出的结果比现有方法更准确。另外冲击电流是按照最严重的情况计算，可以提高允许合环判断的成功率，可为电力调度部门提供合理的参考依据。

附图说明

图1为本发明的逻辑流程框图。

图2为某配电网网架模型示意图。

图3为本发明实施例中根据有向图的深度优先搜索算法获取的合环网络拓扑。

图4为本发明实施例中等效处理用于计算合环稳态电流的电力设备参数后的电路。

图5为本发明实施例中等效处理用于计算合环冲击电流的电力设备参数后的电路。

图6为本发明实施例中用于计算合环稳态电流的简化电路。

图7为本发明实施例中用于计算合环冲击电流的简化电路。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图及实施例对本发明的实施方式做进一步描述。附图中给出了本发明的一个实施方式，应当理解，此实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。提供此实施例的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

本发明实施例提出一种考虑和应涌流及分布式电源影响的基于pmu数据的配电网合环电流计算方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、确定待合环操作开关的编号和在配电网网络拓扑中的位置。如图2所示，确定合环开关编号b1及合环开关两端所连接的节点。

步骤2、根据有向图的深度优先搜索算法获取待合环操作开关两侧的合环网络拓扑。如图2所示，以合环开关b1两端节点为起点进行搜索，向上搜索到220kv母线节点为止，向下搜索到地为止，形成如图3所示的合环网络拓扑。

步骤3、从数据库中获取待合环操作开关两侧的合环网络拓扑的配电线路、变压器、分布式电源、用户负荷参数。

步骤4、根据pmu测量的数据，获取拟合环时刻待合环操作开关两侧的合环网络拓扑中各节点电压相量、各支路电流相量。如图3所示，合环开关上级母线装有pmu装置，可以提供实时的电压、电流数据。

步骤5、等效处理用于计算合环稳态电流的各电力设备参数。根据电流分布系数原理，将合环开关上级线路中各条分支线路分流影响等效至对应的更上一级线路，即相应增大更上一级线路阻抗或线路上变压器阻抗；有载变压器忽略励磁支路；空载变压器视为开路；分布式电源视为等值恒阻抗负荷；考虑合环网络拓扑中所有用户负荷，用户负荷视为等值恒阻抗负荷，一条支线上的多个用户负荷合并且置于支线末端。将图3中各电力设备转化成阻抗形式，忽略空载变压器，用户负载合并且置于支路末端；分支线路分流影响等效过程具体如下：1.将图3中的各电流从各自电压等级折算到10kv电压等级；2.以i东5线/i麦7线为参考电流，根据电流分布系数原理，等效处理线路阻抗和线路上变压器阻抗，以z中山线和z启南线为例，(i中山线'、i启南线'为i中山线、i启南线折算到10kv电压等级的等效电流)其他线路阻抗或线路上变压器阻抗以此类推。最终可形成如图4所示的等效电路。

步骤6、将步骤5中等效处理的电力设备参数、电气量折算到10kv电压等级，图4中合环开关上下级电路根据串并联关系分别合并成一个等效总阻抗，可进一步简化电路，如图6所示，根据简化电路阻抗参数、220kv母线电压相量以及拟合环时刻合环开关两侧电流相量，联立方程组求解，方程组形式如下：

其中，u1、u2为拟合环时刻合环开关两侧的220kv母线电压相量折算到10kv等级的电压相量，rh1、lh1、rh2、lh2分别代表简化电路中合环开关两侧上级线路的电阻和电感，ih1、ih2为拟合环时刻流经合环开关两侧上级线路的电流，rl1、ll1、rl2、ll2分别代表简化电路中合环开关两侧下级线路的电阻和电感，il1、il2为拟合环时刻流经合环开关两侧下级线路的电流。同时，ih1、ih2也表示合环开关两侧支路电流，ic＝ih1-il1即可表示流经合环开关的电流。

求解方程得到时域下电流数学表达式，得到时域下电流数学表达式：

其中，不同的电流对应不同的im、c1、c2、c3、c4、t1、t2、t3。待暂态分量衰减至极小后，便得到稳态电流数学表达式：从而计算流经合环开关的稳态电流(如图6所示的ic稳态)以及合环开关两侧支路稳态电流有效值(如图6所示的ih1稳态、ih2稳态)。

步骤7、等效处理用于计算合环冲击电流的各电力设备参数。合环过程中需要考虑并联空载变压器产生的和应励磁涌流，为方便求取理论上最大的和应励磁涌流，空载变压器励磁支路采用饱和参数；对于分布式电源，合环过程中需要考虑分布式电源输出电流受并网点电压改变的影响，先将分布式电源视为稳定运行状态下等值恒阻抗负荷，随后根据分布式电源输出电流与并网点电压的数学关系，给分布式电源等效阻抗除以一个冲击系数；其余参数处理方式与步骤5相同。本实施例中分布式电源为dfig，dfig对系统电压改变较为敏感，必须考虑分布式电源输出电流受并网点电压改变的影响，考虑到转子电流占比较小，因此这里仅计及定子电流的影响，对dfig的电压方程和磁链方程进行分析，可以得到时域下合环过程中定子电流数学表达式：

的数学表达式为

的数学表达式为

的数学表达式为

其中，是稳态基频交流分量；是转子转速频率的交流分量，且衰减时间常数是转子时间常数；idc是暂态直流分量，且衰减时间常数是定子时间常数。us0表示合环前稳态下定子电压幅值，ur0表示合环前稳态下转子电压幅值，α、β分别表示定、转子电压初相角，kus0表示电压改变量的幅值，ω1表示定子磁场转速，s表示转差率，rr表示转子绕组电阻，ls、lr、lm分别表示定、转子侧的自感和定转子间的互感，ts、tr分别表示定、转子衰减时间常数。根据数学表达式，可以算出输出电流的最大值isabcm，求得冲击系数给分布式电源等效阻抗除以该冲击系数：zdfig'＝zdfig/k。最终可形成如图5所示的等效电路。

步骤8、将步骤7中等效处理的电力设备参数、电气量折算到10kv电压等级，图5中合环开关上下级电路根据串并联关系分别合并成一个等效总阻抗，可进一步简化电路，如图7所示，根据简化电路阻抗参数、220kv母线电压相量以及拟合环时刻合环开关两侧电流相量，联立方程组求解，方程组形式如下：

其中，u1、u2为拟合环时刻合环开关两侧的220kv母线电压相量折算到10kv等级的电压相量，rh1、lh1、rh2、lh2分别代表简化电路中合环开关两侧上级线路的电阻和电感，ih1、ih2为拟合环时刻流经合环开关两侧上级线路的电流，rl1、ll1、rl2、ll2分别代表简化电路中合环开关两侧下级线路的电阻和电感，il1、il2为拟合环时刻流经合环开关两侧下级线路的电流。同时，ih1、ih2也表示合环开关两侧支路电流，ic＝ih1-il1即可表示流经合环开关的电流。

方程组中各电气量的初始值均取自pmu数据，得到时域下电流数学表达式：

其中，c1、c2、c3、c4为常数，且不同的电流对应不同的im、c1、c2、c3、c4。通过表达式可以算出，合环后tm时刻，i达到最大值，即得到冲击电流最大值imax。由此计算流经合环开关的冲击电流(如图7所示的ic冲击)以及合环开关两侧支路冲击电流最大值(如图7所示的ih1冲击、ih2冲击)。

为证明本方法的有效性，本实施例针对如图2所示的某市配电网中10kv东5线和10kv麦7线之间的联络开关在不同情况下的合环操作进行分析。通过仿真软件模拟合环操作得到的合环稳态电流、合环冲击电流仿真结果以及采用本发明方法计算结果如表1所示：

表1配电网中东5线与麦7线合环操作相关仿真数据、计算数据

由表1数据可知，情况1中，合环开关两端节点电压相角差较小，因此合环电流较小，未超过保护阈值，因此允许合环操作；而情况2中，合环开关两端节点电压相角差较大，因此合环电流较大，超过保护阈值，因此不允许合环操作。

对比表1中仿真结果与计算结果，本发明方法的计算结果与仿真结果误差较小，且计算结果普遍偏大于仿真结果，出现此情况的原因是本方法按照最严重的情况考虑，以保证允许合环判断的准确性，同时较小的误差也保证了允许合环判断的准确性。因此，能够较好地反应10kv线路的合环电流，可以为调控人员提供理论依据。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，但本发明的适用范围并不局限于此，凡是由本领域工作人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。