配电网可靠性评估及重构优化系统的设计

何禹清，毛丽林，苏 黎，刘菁菁，徐 超，彭建春

（1.国网湖南省电力公司经济技术研究院，长沙 410007；2.深圳大学机电与控制工程学院，深圳 518060）

配电网可靠性评估及重构优化系统的设计

何禹清1，毛丽林1，苏 黎1，刘菁菁1，徐 超1，彭建春2

（1.国网湖南省电力公司经济技术研究院，长沙 410007；2.深圳大学机电与控制工程学院，深圳 518060）

设计开发了一套可靠性评估及重构优化的软件系统。该系统充分计及可靠性评估和网络重构的内在联系，全面考虑并解决新型能源接入配电网时面临的问题和挑战，采用可靠性评估及网络重构的理论和算法拓展软件的准确性和适用性。系统以Visual C++6.0为开发平台，以数据库为核心，通过与台区远抄系统、低压集抄系统和EMS系统的互联实现配网数据的实时交互更新，满足大规模配电网离线和在线计算的要求。湖南电网的实际算例表明，本软件可靠、有效。

电力系统；配电网；可靠性评估；重构

配电网的可靠性和运行结构直接关系到用户的用电质量和电网企业的经济效益。本世纪初，受配电网自动化水平的限制，配电网可靠性评估和网络优化的工程应用尚未得到重视和大范围普及。但随着近几年国家农网改造和智能电网建设的推进，在线的可靠性评估和网络优化系统成为可能。

很多专家、学者及公司对配电网可靠性评估和网络重构进行了深入研究[1-16]并开发了大量的相关软件，这些软件为配电网的可靠经济运行提供了良好的技术支撑。但目前这些软件还存在明显的不足，主要体现在3个方面：①绝大部分软件没有综合考虑可靠性评估和网络重构的联系，往往把它们当成独立的问题分别处理；②这些软件没有考虑现代配电网发展的新问题，尤其是没有充分考虑风电等新型能源接入的情况；③这些软件所用的算法和理论在计算准确性和全局最优方面仍值得商榷，适用范围有限且计算速度慢，不宜运用于大规模配电网。

针对上述问题，开发了一套配电网的可靠性评估及网络重构系统。该系统充分计及可靠性评估和网络重构的内在联系，全面考虑并解决新型能源接入配电网时面临的问题和挑战，采用可靠性评估及网络重构的理论和算法。系统以Visual C++6.0为开发平台，以数据库为核心，通过与台区远抄系统的互联实现配网数据的实时交互更新，满足大规模配电网离线和在线计算的要求。

1 系统结构和功能

1.1 系统结构

系统VC++6.0为编程工具，采用面向对象的程序设计方法，以数据库为核心，通过数据库将各功能模块连接成一个统一的整体。系统的整体结构如图1所示。

图1 系统的整体结构Fig.1 System structure

1.2 系统功能

系统主要由数据库管理、潮流计算分析、可靠性评估、网络重构分析、综合网络优化、风机出力分析、多方案对比分析、敏感度分析、报表打印9个功能模块构成，部分功能的简介如下。

数据库管理功能包括变电站主变参数、线路结构参数、电源参数、节点负荷参数、开关状态、标准导线库的输入，台区数据和线路接线图的导入（可导入CAD格式和图片格式），同时还包括数据的删除、复制和粘贴等数据库的修改和维护功能等。

支路数据、变压器数据、标准导线公共数据和变压器型号公共数据库中的部分数据除可以从其对应的公共数据库中直接导入外，考虑设备的老化或实际的运行情况还可以由用户手动输入，以保证系统技术数据的准确性。

为满足节点负荷等公用数据与其他系统的数据共享，方便数据的直接获取，系统实现了与台区远抄系统数据库的互连，可从台区远抄系统直接导入并生成所选日的24/96点负荷数值以实现台区数据的快速、批量更新。同时该模块提供了负荷导入数据的曲线显示和负荷特性分析。另外，为避免导入数据源本身的不良数据，该模块嵌套了不良数据和缺失数据的处理程序供用户选择。

潮流计算功能潮流计算是电力系统分析的一项基本计算。与输电网络相比，配电网往往具有病态参数、三相负荷不平衡、负荷模型复杂等特点，使得传统的潮流计算方法难以有效解决配电网络潮流计算问题。为确保潮流计算可靠收敛，该系统实现并集成了前推回代法、牛顿-拉夫逊法、ZBUS法3种潮流算法，能够根据潮流数据自动或手动选择计算速度快、收敛可靠的潮流算法。需注意的是，若配电网中含有风电机组，系统会自动调用风机出力分析模块，其中的潮流计算采用基于风力发电机组P-Q（V）稳态模型的方法[17]。

风机出力分析功能针对风速分布描述方法、风电机组参数、风电场风速参数的多样性，该功能模块提供了相关参数的计算和分析。其中，风速分布描述方法有Weibull分布、皮尔逊Ⅲ型分布、极值Ⅰ型分布等；风电机组参数中包含的风电机组类型有结构简单的异步风电发电机、双馈异步风力发电机、直驱式永磁同步发电机，包含的主要风机参数有额定容量、切入风速、额定风速和切出风速；风电场风速参数包括形状参数k、尺度参数c。同时，该功能模块还包括场景分析方法的设定，提供满足用户和实践工程的多种场景设定方法，包括典型的三段式划分法、依风速区间划分法和依功率区间划分法。

多方案分析功能工程实践中经常碰到多个网架方案的对比分析，该模块主要为用户提供多个备选方案的横向比较，为用户提供一个明确的含多元信息的优选信息。多方案比较中主要讨论的技术指标包括：各节点的可靠性指标综合分析、系统可靠性指标的综合分析、有功损耗比较等。通过这些数据的比较，为用户提供一个横向的直观结论。同时，为满足用户对不同地区的重视程度，系统可以进行全网的指标比较，也可以进行用户指定区域的指标比较。

敏感度分析功能敏感度分析分为两部分：其中一部分主要分析系统可靠性指标对某类或某些元件的敏感程度，也即是系统可靠性对元件参数的影响。通过这部分分析，可以为用户提供元件选型和改造的依据。另一部分主要分析节点负荷对网络损耗的敏感程度，主要依据文献[13]的负荷耗散分量和路径耗散因子，通过这部分分析，可以为用户提供新线路架设和改造的依据。对于可靠性敏感度分析部分，可设置节点可靠性指标或（和）系统可靠性指标对6种基本元件可靠性参数的敏感度；对于重构敏感度分析部分，可设置有功网损或（和）节点电压对线路阻抗、负荷大小、功率因数、电缆比例和变压器变比的敏感度；满足用户对不同地区的特殊需求，两类敏感度分析都提供全网和用户指定区域的敏感度分析。

结果查看与输出功能该功能模块包括系统基本数据的输出和打印及计算结果的自定义打印。系统基本数据的输出和打印主要包括网络结构和各元件参数的打印和输出；计算结果的自定义打印涵盖节点可靠性指标、系统可靠性指标、网络重构结果等结果的打印和输出；方案对比信息的自定义打印包括多方案比较以及敏感度分析结果的打印和输出。

2 核心功能模块及算法

2.1 可靠性评估分析模块

可靠性模块可以实现不含风电机组的配电网可靠性评估和含风电机组的配电网可靠性评估。首先，根据系统的输入参数中是否含有风电机组自动调用相应的模块，若含有风电机组，则调用风电出力分析模块，确定风电机组的类型和参数、风电场风速参数、场景划分的个数和组合方式。然后，该模块选择可靠性分析的方法，本软件提供的可靠性分析方法包括：蒙特卡罗法[5]、故障模式影响分析法[6]、网络等值法[7]、基于故障指标传递特性的方法[8]以及含风电的网络可靠性评估方法[9]。

2.2 网络重构分析模块

网络重构模块同样包括了对不含风电机组的网络重构和含风电机组的网络重构两个部分。系统提供的网络重构分析方法包括：支路交换法[10]、最优流法[11]、基本遗传算法[12]和基于最小可行分析法[13]以及含风电的网络重构方法[14]。用户可根据自身需要对网络重构的目标函数和约束条件进行设置，目标函数的类型包括：系统有功网损、开关动作次数、电压质量以及它们相互的组合方式，权重也需在此模块中确定。约束条件包括：节点电压约束和功率因数等（支路传输功率约束已在线路参数输入中限定）。

2.3 综合网络优化模块

综合网络优化模块主要获取考虑网络可靠性的网络重构方案。该模块首先须对综合评估的目标函数和相应权重进行设置，系统提供了直接设置权重和按判断矩阵法确定权重的两种方法。接着，对考虑系统可靠性的配电网重构算法的参数进行设置。最后利用文献[15]介绍的方法计算满足条件的最优重构方案。

3 实例分析

3.1 实际配电网简介

图2为某市城区部分10 kV线路的接线图。该局部网络有3个10 kV变电站，分别为大科变、城中变和仙人桥变，3个变电站之间形成互联。该区域所带负荷台区数为54个，变压器台数为68台、容量为23.91 MVA，负荷类型包括商业负荷、政府办公负荷和农业负荷。该区域的线路结构复杂，是典型的电缆线路和架空线路混合线路，其中主干线以YJV-300和LGJ-240为主，支线包括LGJ-50、LGJ-70和YJV-50等线路型号。单台异步风电机组接入该网络。

3.2 可靠性评估分析模块的应用

运行本系统的可靠性评估分析模块，可靠性评估方法选择故障指标传递特性法，并采用区域块等值模型。设置断路器、熔断器的可靠动作概率均为1.0，输出设置中选定节点可靠性指标和系统可靠性指标两类指标。可靠性评估结束后，选择调用可靠性敏感性分析，敏感性分析的分析对象为系统可靠性指标，分析区域为全网，分析元件为断路器。

根据功能选择系统自动生成可靠性评估分析报表。该报表分为可靠性评估计算结果、敏感性分析结果、结果分析与建议3个部分。可靠性评估计算结果列出了负荷节点可靠性参数和系统可靠性参数，其中，负荷节点可靠性参数包括年故障停运率、平均停运持续时间、平均停运时间；系统可靠性参数包括系统平均停电频率指标、系统平均停电持续时间指标、用户平均停电持续时间指标、平均供电可用率指标、系统供电量不足指标。敏感性分析结果列出了系统供电用量不足指标与断路器元件年故障停运率和平均停运时间的关系，着重分析了断路器元件年故障停运率和平均停运时间两个参数的变化对系统供电用量不足指标的影响。结果分析与建议主要包括：①判断该网络在当前结果下，可靠性水平是否满足国标的要求；②在不满足国标要求的情况下，给出当前网络的薄弱环节和网络结构调整的建议；③通过敏感性分析，判断元件选型是否恰当，并给出合理的元件可靠性参数范围供用户参考。

图2 实际配电网Fig.2 Practical distribution network

3.3 网络重构分析模块的应用

运行本系统的网络重构分析模块，网络重构方法选择最小可行分析法，目标函数选定为系统有功网损，约束条件选定节点电压约束，并在最大和最小电压框中分别输入1.05 p.u.和0.95 p.u.，分析过程中不配置无功补偿。网络重构分析结束后，选择调用重构敏感性分析，敏感性分析的分析对象为有功网损，分析区域为全网，分析元件为负荷。

同样，根据功能选择系统自动生成网络重构分析报表。报表分为网络重构计算结果、敏感性分析结果、结果分析与建议3个部分。网络重构计算结果列出了重构前后系统的连枝号、有功网损、节点电压最低值；敏感性分析结果列出了系统有功网损与各节点负荷的关系，并以灵敏度系数的方式显示出来。结果分析与建议主要包括：①造成网络损耗增大的主要区域及对该区域的网络改造建议；②识别网络中的“卡脖子”线路和元件，并给出上述元件的改造建议。

3.4 综合网络优化模块的应用

运行本系统的综合网络优化分析模块。综合网络优化的目标函数包括系统有功网损、系统供电量不足指标、平均供电可用率指标。按判断矩阵确定各个指标的权重。约束条件选定节点电压约束，并在最大和最小电压框中分别输入1.05 p.u.和0.95 p.u.，分析过程中不配置无功补偿。可靠性评估结束后，选择调用可靠性敏感性分析，敏感性分析的分析对象为系统可靠性指标，分析区域为全网，分析元件为断路器。选择调用重构敏感性分析，敏感性分析的分析对象为有功网损，分析区域为全网，分析元件为负荷。

图3为考虑可靠性的重构后系统结构。由图可知，该10 kV网络的开关开合与原始状态相比发生了较大变化，重构后的系统负荷供电方式更加合理，整个系统的可靠性明显提高。根据功能选择系统自动生成包括可靠性分析和网络重构分析两方面内容的报表。

图3 考虑可靠性的重构后系统结构Fig.3 Distribution network after network reconfiguration considering reliability evaluation

4 结论

本文介绍的配电网可靠性评估及重构优化系统具有以下典型特点：

（1）采用可靠性评估及网络重构的理论和算法，满足准确性和全局最优的要求，计算速度快，能够适用于大规模配电网；

（2）充分考虑了新型能源接入配电网时面临的问题，尤其是在风电接入配网时的情况进行了全面研究和分析；

（3）具有全面的多方案分析和敏感度分析功能，能为配电网的运行和规划提供直观的对比分析和数据支撑；

（4）该系统功能结构清晰、界面友好、操作简单、使用方便，运用先进的数据库技术和面向对象的可编程方法，系统扩展性好；

（5）该系统已经在工程中应用，取得了良好的工程实际效果，具有很好的实用价值和推广性。

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Design and Implementation of a Reliability Evaluation and Reconfiguration Software for Distribution Networks

HE Yu-qing1，MAO Li-lin1，SU Li1，LIU Jing-jing1，XU Chao1，PENG Jian-chun2
（1.Hunan Electric Power Corporation Economical&Technical Research Institute，Changsha 410007，China；2.College of Mechatronics&Control Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China）

A reliability evaluation and reconfiguration software for distribution networks is designed and developed. This system fully considers the inner link between reliability evaluation and network reconfiguration，and the problems and challenges are overall considered and solved when new energy resources access the distribution network.New theory and algorithm for reliability evaluation and network reconfiguration are used which guarantees the accuracy and applicability of this software.Visual C++6.0 is selected as the development platform，and all the system functions are realized together through the database.The connection with remote reading system，low-voltage wave-carrying system and energy management system（EMS）is realized which satisfies the real-time data update and large-scale distribution network offline and online calculation.Practical examples at Hunan Power Grid show that this software is feasible and reliable.

power system；distribution network；reliability evaluation；reconfiguration

TM744

A

1003-8930（2013）06-0148-06

何禹清（1982—），男，博士，工程师，研究方向为配电网优化运行与控制。Email：iheyuqing@163.com

2011-11-25；

2012-01-09

毛丽林（1982—），女，硕士，工程师，研究方向为电力系统规划与设计。Email：jiandan5190@163.com

苏 黎（1981—），男，硕士，工程师，研究方向为配电网规划。Email：sony1981@163.com