对中压配电网进行安全合环操作的判定方法与流程

本发明涉及电力系统安全稳定运行领域，尤其涉及一种对中压配电网进行安全合环操作的判定方法。

背景技术：

目前我国中压配电网普遍采用闭环设计、开环运行的供电方式，当设备检修或紧急事故处理时，可通过闭合联络开关的合环操作来实现不停电转移负荷，以减少停电时间，提高供电可靠性。由于联络开关的断口两侧存在电压差，合环操作可能会产生较大的暂态冲击电流和稳态环流，引起电流保护动作或某些电气设备过载，导致合环失败甚至引起大范围停电事故。因此，运行人员在合环操作前必须对能否执行合环操作进行判断并做出安全合环决策。

目前在配电网实际运行管理中，工作人员一般基于生产经验进行安全合环操作的判定，且认为当满足以下两个条件时，可以进行中压配电网的合环操作。

1、合环前合环点两侧馈线所在的10kv母线电压幅值差不大于10％；

2、合环前合环点两侧馈线总负荷不大于任意一侧馈线的最大容许传输容量。

通常情况下，日间的馈线负荷较大，采用这种方法进行合环决策的结果往往是不允许在日间负荷较重时合环。为保证合环操作的安全性，合环倒负荷操作多选在夜间负荷较轻时进行。因此，这种基于经验的合环操作决策较为保守，导致一些常规检修作业不得不在夜间进行，为运行和检修人员带来很大不便。此外，这种决策方法缺乏相关理论支撑。有分析表明，合环操作产生的环流的大小与联络开关断口两侧的电压幅值差和相角差有关，且相角差对合环电流的影响较大，而以上方法仅根据合环点两侧馈线所在的10kv母线电压幅值差对合环操作进行决策缺乏严谨的科学依据。因此，现有的基于生产经验进行安全合环判定的方法在理论上和实际中均有较大的局限性。

目前有相关研究提出采用将合环点两侧总负荷分别集中于各馈线首端和末端的方法，计算合环电流的范围，并据此进行合环判断。该方法有一定的理论依据，但由于没有考虑配电网中实际的负荷分布情况，将使得合环决策结果较为保守，实用价值有限。

技术实现要素：

本发明提供一种对中压配电网进行安全合环操作的判定方法，所需决策时间短，判断结果更加准确，兼顾了实际应用中的安全性与时效性，有助于运行人员对中压配电网的合环操作做出安全快速的决策。

为了达到上述目的，本发明提供一种对中压配电网进行安全合环操作的判定方法，包含以下步骤：计算合环后馈线首端的合环稳态电流有效值，判断合环稳态电流有效值的上限是否大于馈线最大容许载流量，若否，则允许进行合环操作，若是，则继续判断合环后两侧馈线首端最大稳态电流有效值的越限概率是否小于5％，若是，则允许进行合环操作，若否，则不允许进行合环操作。

所述的判断合环稳态电流有效值的上限是否大于馈线最大容许载流量的方法包含以下步骤：

1、采用加权最小二乘准则进行高压配电网的状态估计，得到两条合环馈线首端10kv母线的电压幅值与相角；

2、计算合环稳态环流有效值的范围；

合环稳态环流表示为：

其中，为联络开关断口两侧电压差，和分别为联络开关断口两侧的电压相量，zσ为合环网络总阻抗；

以合环馈线首端10kv母线节点为参考节点，将馈线总负荷分别视为集中在线路首端与末端，进行两次确定性潮流计算与合环稳态环流计算，得到合环稳态环流有效值ic的范围；

3、计算最大稳态电流有效值；

设为合环前馈线首端的稳态电流，其有效值为i，则合环后馈线首端稳态电流有效值i'满足：

合环后馈线首端的最大稳态电流有效值为i+ic；

4、将最大稳态电流有效值i+ic与馈线最大容许载流量imax作比较，若最大稳态电流有效值小于馈线最大容许载流量，则判断为允许合环，若最大稳态电流有效值大于或等于馈线最大容许载流量，则继续判断合环后两侧馈线首端最大稳态电流有效值的越限概率是否小于5％。

所述的判断合环后两侧馈线首端最大稳态电流有效值的越限概率是否小于5％的方法包含以下步骤：

1、基于历史负荷数据求取各输入变量在合环时刻所在的季节和时段下的各阶半不变量；

选取各负荷点的有功负荷、无功负荷与线路首端的有功功率、无功功率之比作为输入变量kp，构建用于求取输入变量kp的各阶半不变量的样本集s，将样本集s按季节和时段分为若干子样本集，通过对某个子样本集的分析，求取输入变量kp在合环时刻所在的季节和时段内的各阶半不变量；

若合环时刻对应的子样本集中有n个离散历史数据，表示为{kp1,kp2,kp3,…,kpn}；

计算其各阶原点矩αv：

由半不变量与原点矩的关系，计算其各阶半不变量γv：

其中，为从v个元素中取j个元素的不同组合数；

2、根据合环网络的拓扑信息、设备参数、以及合环前电网实时运行数据，在基准运行点处进行合环电流计算，得到合环电流期望值以及转换矩阵；

设k为概率潮流计算的输入变量，表示各节点的有功、无功与线路首端的有功、无功之比，w表示系统中各节点的注入功率，则w＝ak，其中a为由两馈线首端有功和无功组成的对角矩阵，x＝[θ1,v1,θ2,v2,…,θn,vn]^t为系统状态变量；

系统潮流方程表示为：

w＝f(x)(5)

设i1和i2分别为合环前两侧馈线首端的初始电流有效值，则由式(1)及式(2)，合环后两侧馈线首端可能出现的最大稳态电流有效值i1t和i2t分别表示为：

i1t＝i1+ic＝g1(x)(6)

i2t＝i2+ic＝g2(x)(7)

设变量z＝[i1t,i2t]^t为合环电流变量，则合环电流方程表示为如下矩阵形式：

z＝g(x)(8)

输入变量k为随机变量，表示为k0+δk，其中k0为随机变量k的期望值，是系统基准运行点；

同理，系统状态变量x表示为x0+δx，各节点注入功率w表示为w0+δw，合环电流变量z表示为z0+δz；

将系统潮流方程和合环电流方程进行泰勒级数展开并略去高次项，得到δz与δk之间的线性关系：

其中，

在基准运行点k0处(此时w0＝ak0)按式(5)进行确定性潮流计算，得到系统状态变量x0以及雅克比矩阵j0；然后在x0处按式(8)进行合环电流计算，得到合环电流变量z0以及系数矩阵g0；最后得到转换矩阵t0；

3、基于概率潮流理论求取合环电流变量的各阶半不变量；

其中，δz^(v)是合环电流变量的v阶半不变量，δk^(v)表示输入变量的v阶半不变量，表示t0中各元素的v次幂构成的系数矩阵；

4、计算合环后两侧馈线首端的最大稳态电流有效值的累积概率分布函数和越限概率；

根据合环电流变量的各阶半不变量，采用cornish-fisher级数求取合环电流的累积概率分布：

设某合环电流变量z的累积分布函数为f(z)，标准正态分布函数为φ(z)，f(z)和φ(z)的α分位数分别表示为z(α)和即z(α)＝f^-1(α)，则z(α)和满足如下关系：

其中，gv为合环电流变量z的v阶规格化半不变量，即若随机变量z的v阶半不变量为γv，标准差为σ，则

由式(11)可由合环电流的各阶半不变量求得其累积概率分布函数；

合环电流变量z包括合环后两侧馈线首端的最大稳态电流有效值i1t和i2t，设i1t和i2t的累积分布函数分别为f1(x)、f2(x)，以合环点两侧馈线最大容许载流量imax,1和imax,2作为参考值，则i1t和i2t的越限概率p1和p2分别为：

p1＝p(i1t≥imax,1)＝1-f1(imax,1)(12)

p2＝p(i2t≥imax,2)＝1-f2(imax,2)(13)

5、根据越限概率p1和p2的值进行第二次合环判断，若p1和p2均小于5％，则判断为允许合环，否则判断为不允许合环，整个决策过程结束。

本发明具有以下有益效果：

1、通过对合环操作可能产生的稳态电流的计算以及与线路最大容许载流量的比较，对能否执行合环操作进行判断，解决了现有方法理论性不足的问题。

2、综合考虑实际生产中合环操作决策的安全性与时效性，在决策前进行两次合环判断，可优先在较大安全裕度内快速做出决策，牺牲一些时效性以在较小的安全裕度内进行更准确的决策，解决了现有决策方法实用性不足的问题。

3、在第一次合环判断后，考虑合环馈线上的负荷分布情况，将各负荷点负荷作为随机变量，基于概率潮流理论求取合环电流的越限概率并进行第二次合环判断，解决了现有方法的决策结果较为保守的问题。

附图说明

图1是本发明提供的一种对中压配电网进行安全合环操作的判定方法的流程图。

图2是中压配电网合环操作的示意图。

图3是实施例中对中压配电网进行安全合环操作的判定方法的流程图。

具体实施方式

以下根据图1～图3，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种对中压配电网进行安全合环操作的判定方法，包含以下步骤：

步骤s1、计算合环后馈线首端的合环稳态电流有效值，判断合环稳态电流有效值的上限是否大于馈线最大容许载流量，若是进行步骤s2，若否，则允许进行合环操作；

步骤s2、判断合环后两侧馈线首端最大稳态电流有效值的越限概率是否小于5％，若是，则允许进行合环操作，若否，则不允许进行合环操作。

如图2所示，系统输电网呈环状结构运行，110kv及以下电压等级的配电网开环运行。q1和q2分别为合环点两侧馈线的出口断路器，两条10kv馈线之间通过联络开关q3相连。和分别为两侧馈线所在10kv母线的电压相量，和分别为联络开关断口两侧的电压相量。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，对中压配电网进行安全合环操作的判定方法包含以下步骤：

步骤i、计算合环后馈线首端的合环稳态电流有效值，判断合环稳态电流有效值的上限是否大于馈线最大容许载流量，若是进行步骤ii，若否，则允许进行合环操作；

步骤ii、判断合环后两侧馈线首端最大稳态电流有效值的越限概率是否小于5％，若是，则允许进行合环操作，若否，则不允许进行合环操作。

进一步，步骤i具体包含以下步骤：

步骤i-1、进行高压配电网状态估计，得到合环点两侧馈线首端10kv母线的电压幅值与相角信息；

在进行中压配电网合环稳态电流计算时，一般选取合环馈线所在的10kv母线节点作为参考节点，因此需已知联络开关两侧10kv母线的电压幅值与相角。目前中压配电网的量测系统可采集到电压幅值，然而其相角信息仍无法获取。针对此，在获取合环环路中输电网与高压配电网拓扑信息、设备参数、以及合环前电网实时运行数据的基础上，采用加权最小二乘准则(wls，weightedleastsquares)进行高压配电网状态估计，得到合环馈线首端10kv母线的电压幅值与相角，并对一些不良量测数据进行修正；

步骤i-2、以合环馈线首端10kv母线节点为参考节点，将馈线总负荷分别视为集中在线路首端与末端，进行两次确定性潮流计算与合环稳态环流计算，得到合环稳态环流有效值的范围；

通过配电网信息采集系统可获取合环前两侧馈线首端的电压、电流以及功率因数的实时数据，进而可以确定馈线首端的有功功率和无功功率，然而如图2所示，由于中压配电网负荷节点较多，且受到实际量测系统配置的限制，一般难以获取各负荷点在合环前的实时负荷数据，因此联络开关断口两侧电压(与)难以通过确定性潮流计算得到，进而也就难以计算出合环稳态环流ic的准确值；

首先假设负荷分别集中于合环开关两侧馈线的首端和末端时，联络开关断口两侧电压差将达到其最大值与最小值，通过以下两种情况下的确定性潮流计算可求得的范围：

1、合环开关左侧馈线负荷集中于馈线首端，右侧馈线负荷集中于馈线末端；

2、合环开关左侧馈线负荷集中于馈线末端，右侧馈线负荷集中于馈线首端；

合环稳态环流可表示为：

其中，为联络开关断口两侧电压差，zσ为合环网络总阻抗；

再由式(1)计算合环稳态环流有效值ic的范围。

步骤i-3、计算最大稳态电流有效值；

设为合环前馈线首端的稳态电流，其有效值为i，则合环后馈线首端稳态电流i'满足：

因此，合环后馈线首端可能出现的最大稳态电流有效值为i+ic；

步骤i-4、将最大稳态电流有效值与馈线最大容许载流量作比较，若最大稳态电流有效值小于馈线最大容许载流量，则判断为允许合环，决策过程结束；若最大稳态电流有效值大于或等于馈线最大容许载流量，还需进行步骤ii作进一步判断，因为本步骤在计算最大稳态电流有效值时只考虑了对安全合环最不利的情况而忽略了实际负荷分布情况，计算结果的安全裕度较大，此时若做出不允许合环的判断将使得决策较为保守；

以上合环判断时一般不考虑合环操作的暂态过程，原因如下：

馈线首端电流ii段保护的延时时间整定值一般不小于0.2s，而合环暂态电流非周期分量的衰减时间常数通常小于0.2s，即合环暂态过程在电流ii段保护时限内已基本衰减完毕，合环冲击电流只对电流i段保护(瞬时电流速断保护)有影响。安全合环条件为：合环后稳态电流有效值不超过馈线最大容许载流量，合环暂态过程不会导致电流保护动作。设线路的电流i段保护整定值为iset,i，馈线最大容许载流量为imax，则根据安全合环条件，当同时满足公式(3)和公式(4)时，能实现安全合环；

i+ic＜imax(3)

i+kic＜iset,i(4)

实际中，电流i段保护整定值一般满足iset,i＞kimax，此时若满足式(3)的条件，则有：

i+kic＜k(i+ic)＜kimax＜iset,i(5)

即，式(4)的条件也能得到满足；

因此，实际中当合环后稳态电流有效值不超过馈线最大容许载流量时，合环暂态过程不会对合环操作安全性产生影响。

进一步，步骤ii中，考虑馈线上各负荷点负荷值的概率分布，由于馈线上各负荷点的实时负荷一般难以获取，因此将各负荷点的负荷值视为随机变量，并选取各负荷点的有功负荷、无功负荷与线路首端的有功功率、无功功率之比作为输入变量进行概率潮流计算。

步骤ii具体包含以下步骤：

步骤ii-1、基于历史负荷数据求取各输入变量在合环时刻所在的季节和时段下的各阶半不变量；

设输入变量kp是某个负荷点的有功负荷与馈线首端有功功率之比，从该负荷点与该条出线的全年96点日负荷历史数据中，整理得到该输入变量的全年离散实测数据，并构建用于求取输入变量kp的各阶半不变量的样本集s；

考虑到负荷在不同季节以及每日不同时段可能呈现不同特性，将样本集s按季节(春、夏、秋、冬)和时段(00:00-08:00，08:00-18:00，18:00-24:00)分为12(4×3＝12)个子样本集(s1，s2，…，s12)；

通过对某个子样本集的分析，求取输入变量kp在合环时刻所在的季节和时段内的各阶半不变量；

若合环时刻对应的子样本集中有n个离散历史数据，表示为{kp1,kp2,kp3,…,kpn}；

首先计算其各阶原点矩αv：

再由半不变量与原点矩的关系，计算其各阶半不变量γv：

其中，为从v个元素中取j个元素的不同组合数；

步骤ii-2、根据合环网络的拓扑信息、设备参数、以及合环前电网实时运行数据，在基准运行点处进行合环电流计算，得到合环电流期望值以及转换矩阵；

设k为概率潮流计算的输入变量，表示各节点的有功、无功与线路首端的有功、无功之比，w表示系统中各节点的注入功率，则w＝ak，其中a为由两馈线首端有功和无功组成的对角矩阵，x＝[θ1,v1,θ2,v2,…,θn,vn]^t为系统状态变量；

系统潮流方程表示为：

w＝f(x)(8)

设i1和i2分别为合环前两侧馈线首端的初始电流有效值，则由式(1)及式(2)，合环后两侧馈线首端可能出现的最大稳态电流有效值i1t和i2t分别表示为：

i1t＝i1+ic＝g1(x)(9)

i2t＝i2+ic＝g2(x)(10)

设变量z＝[i1t,i2t]^t为合环电流变量，则合环电流方程表示为如下矩阵形式：

z＝g(x)(11)

输入变量k为随机变量，表示为k0+δk，其中k0为随机变量k的期望值，是系统基准运行点；

同理，系统状态变量x表示为x0+δx，各节点注入功率w表示为w0+δw，合环电流变量z表示为z0+δz；

将系统潮流方程和合环电流方程进行泰勒级数展开并略去高次项，得到δz与δk之间的线性关系：

其中，

在基准运行点k0处(此时w0＝ak0)按式(8)进行确定性潮流计算，得到系统状态变量x0以及雅克比矩阵j0；然后在x0处按式(11)进行合环电流计算，得到合环电流变量z0以及系数矩阵g0；最后得到转换矩阵t0；

步骤ii-3、基于概率潮流理论求取合环电流变量的各阶半不变量；

其中，δz^(v)是合环电流变量的v阶半不变量，δk^(v)表示输入变量的v阶半不变量，表示t0中各元素的v次幂构成的系数矩阵；

步骤ii-4、计算合环后两侧馈线首端的最大稳态电流有效值的累积概率分布函数和越限概率；

根据合环电流变量的各阶半不变量，采用cornish-fisher级数求取合环电流的累积概率分布：

设某合环电流变量z的累积分布函数为f(z)，标准正态分布函数为φ(z)，f(z)和φ(z)的α分位数分别表示为z(α)和即z(α)＝f^-1(α)，则z(α)和满足如下关系：

其中，gv为合环电流变量z的v阶规格化半不变量，即若随机变量z的v阶半不变量为γv，标准差为σ，则

由式(14)可由合环电流的各阶半不变量求得其累积概率分布函数；

合环电流变量z包括合环后两侧馈线首端的最大稳态电流有效值i1t和i2t，设i1t和i2t的累积分布函数分别为f1(x)、f2(x)，以合环点两侧馈线最大容许载流量imax,1和imax,2作为参考值，则i1t和i2t的越限概率p1和p2分别为：

p1＝p(i1t≥imax,1)＝1-f1(imax,1)(15)

p2＝p(i2t≥imax,2)＝1-f2(imax,2)(16)

步骤ii-5、根据越限概率p1和p2的值进行第二次合环判断，若p1和p2均小于5％，则判断为允许合环，否则判断为不允许合环，整个决策过程结束。

综上所述，本发明提供一种对中压配电网进行安全合环操作的判定方法，该方法包含了两次判断：第一次是根据最大合环稳态电流有效值的计算结果，判断可否合环，由于只进行两次确定性潮流计算，所需时间较短；第二次是根据合环后两侧馈线首端最大稳态电流有效值的越限概率判断可否合环，使得判断结果更加准确。因此，该判定方法不但有理论支撑，同时也兼顾了实际应用中的安全性与时效性。将该方法应用到实际生产中，有助于运行人员对中压配电网的合环操作做出安全、快速的决策。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。