基于线路分段负荷转移的中压配电系统N-1校验

杨晓梅， 赵 浛， 归三荣， 谈 健， 赵宏大， 史 静，刘 洪， 陈正方

(1. 国网江苏省电力公司经济技术研究院， 江苏 南京 210000； 2. 智能电网教育部重点实验室，天津大学， 天津 300072； 3. 国网苏州供电公司， 江苏 苏州 210008)

基于线路分段负荷转移的中压配电系统N-1校验

杨晓梅1， 赵 浛2， 归三荣1， 谈 健1， 赵宏大1， 史 静1，刘 洪2， 陈正方3

(1. 国网江苏省电力公司经济技术研究院， 江苏 南京 210000； 2. 智能电网教育部重点实验室，天津大学， 天津 300072； 3. 国网苏州供电公司， 江苏 苏州 210008)

传统的中压配电系统主要采取“一刀切”的方式粗放地计算线路N-1校验结果，且在主变N-1校验过程中通常只能逐个校验，为此本文提出一种基于线路分段负荷转移的中压配电系统整体描述与N-1校验方法。首先，建立线路联络矩阵和网络转供能力矩阵来描述中压配电系统的联络关系和负荷转供能力，并通过分段负荷向量进一步细化上述描述；其次，研究基于线路分段负荷转移的中压线路N-1校验方法，在此基础上，结合变电站的网络转供能力分析，研究主变N-1校验方法；再次，当线路或主变N-1校验不通过时，依据贪心原则，提出基于分段负荷切除失负荷量计算方法；最后，通过算例分析，验证了本方法的实用性和准确性。

中压配电系统；N-1校验； 分段负荷转移； 分段负荷切除

1 引言

随着近年来我国城市建设步伐的加快，用电负荷正以非均匀模式快速增长。在此形势下，如何增强配电系统抵御故障并持续运行的能力[1,2]、提高电网安全运行水平便成为我国配电系统建设的重中之重。在配电系统规划、运行及调度时，通常要采用N-1安全准则[3,4]进行配电系统接线模式评估，即检验配电系统规划设计或运行调度方案是否满足N-1安全准则。配电系统N-1校验是分析配电系统运行安全性与可靠性[5-8]的重要手段，也是电网规划过程中不可忽视的重要组成部分，对电网规划和运行均具有十分重要的意义。

对于中压配电系统N-1校验，无论是传统的逐个元件校验的方法，还是近年来出现的基于安全域的方法[9-12]，都主要采取“一刀切”的方式来考虑转供结果，考虑整条线路是否通过，而没有考虑线路中部分负荷可以分段转供的情况，即当联络通道的容量充足时，则认为能够通过校验；当联络通道容量不足以承载待转供负荷全部时，则粗放地认为不能够通过校验，未能细化计算具体损失负荷的数量。

显然，采用传统的校验方式所得结果不足以反映全部校验信息，难以满足配电系统精细化分析与管理的要求。而且从电网现实运行角度考虑，配电系统N-1校验主要针对线路与主变两类设备，在故障和检修的过程中，通常也并非是将整条馈线全部退出运行，而是通过运行与维护操作以实现部分线路及其所带负荷的转供。为此，本文提出基于线路分段特征的配电系统N-1校验方法，通过对网络线路和变电站主变校验时馈线负荷转移情况的详细分析，精确计算故障时负荷转带与切除的数量。同时，较之传统、笨拙的逐个主变校验的方法，通过基于配电系统整体数学描述以及变电站供电能力计算，实现对全网主变一次性进行整体校验，提高了N-1校验效率。

2 网络分段负荷转移模型

2.1 线路联络关系分析

研究区域内电网线路联络关系，可用下面的线路联络关系矩阵L来表示：

(1)

式中，Li,j表示第i条线路与第j条线路的联络关系(i=1, 2,…,mN∑,j=1, 2,…,mN∑)，有联络关系时取Li,j=1，否则Li,j=0。

2.2 基础数据筛选与估算

与传统方式相比，基于线路分段负荷转移的校验方法需要掌握各线路分段的负荷数据，因此需要收集全网所有配电变压器的负荷数据作为基础。若未能取得所有配电变压器的负荷量测数据，则需针对线路各分段所带负荷量进行估算，可用每段线路装接配变容量占总配变容量的比例为权重，将变电站的馈线出口侧负荷分配到各个线路分段。此外，由于N-1校验要满足全年最大负荷的需求，因而应取年最大负荷日的最高负荷时刻数据。

2.3 网络转供能力分析

在L的基础上，定义系统实际线路负荷转移矩阵l：

(2)

式中，li,j表示网络转供能力分析过程中第i条线路可向第j条线路转移的负荷。当Li,j=0时，li,j自然也为0；然而当Li,j=1时，li,j依然为0，则代表线路间存在联络，但无转供能力或不计转供能力，这是由于线路传输容量等因素的限制，导致第i条线路所带负荷无法向第j条线路转移。

进一步定义l中第i条线路可向第j条线路转移的分段负荷向量l′i,j：

(3)

考虑到中压出线和主变的隶属关系，可对式(2)表示的矩阵进行分块，得到如下分块矩阵：

(4)

式中，定义l第i行、第j列的子块矩阵l(i-1)N+j：

(5)

其中，l(i-1)N+j表示第i号主变对应的中压出线可向第j号主变对应的中压出线转供的负荷。

由此，基于l及其子块l(i-1)N+j，进一步定义主变负荷转移矩阵S：

(6)

式中，Si,j表示第i号主变可向第j号主变转移的负荷。当负荷在非同站主变间转移时，非同站主变间负荷转移元素Si,j等于子块矩阵l(i-1)N+j中所有元素之和；当负荷在同站主变间转移时，同站主变间负荷转移元素Si,j等于0，这是由于主变故障时故障主变所带负荷优先选择站内转供，为避免分析变电站站间的网络转供能力时重复计算该部分负荷，因此在S中将同站主变间负荷转供能力的值置0。

3 基于线路分段负荷转移的N-1校验方法

3.1N-1校验基本概念

根据N-1安全准则规定，电力系统的N个元件中的任一独立元件(发电机、输电线路、变压器等)发生故障时，通过站内主变和网络间的开关动作来实现负荷转带或切除，通常以最小失负荷以及其他非故障设备正常运行为目标，应不造成因其他线路过负荷跳闸而导致用户停电，不破坏系统的稳定性，不出现电压崩溃等事故。网络线路N-1校验与变电站主变N-1校验是判断配电系统规划中评价线路和变电站是否能够满足负荷需求的重要依据。

3.2 线路N-1校验

3.3 主变N-1校验

主变N-1校验考察的重点是故障时变电站站内主变容量和变电站间网络转供能力对变电站所带负荷的满足程度，其中，变电站站间的网络转供能力是配电系统网架结构规划的重点。

对式(6)做进一步归并，得到联络单元负荷转移矩阵T：

(7)

式中，Ti,j表示第i号变电站可向第j号主变转移的负荷。显然，变电站向本站内主变转移的负荷为0；而向非本站内主变转移的负荷为S中该变电站中各主变分别向非同站主变转移的负荷之和。

文献[13]提出了以主变为中心的联络单元，然而在变电站任一台主变故障时，母联开关合闸，故障主变出线由正常主变承担，在考虑负荷二次及多次转供的条件下，故障主变所在变电站所带的所有负荷地位均等，各个主变的站内供电能力和站间转移能力均相同，继而在负荷转供和切除时，正常主变所带负荷与故障主变所带负荷在处理方式与顺序上并无差异，N-1校验与失负荷计算结果相同，即同站主变地位均等原则。因此考虑以变电站为中心的联络单元在本文中更为合理。

式(7)中，矩阵的第i行表示系统中第i号变电站任一主变发生故障时，该变电站向系统中其他主变转移负荷的情况，称之为以第i号变电站为中心的联络单元。

在T的基础上，需分析受供主变是否过载。将以故障主变所在变电站为中心的联络单元中各元素和与其对应的其他主变的负荷裕度进行比较，如果该联络单元中某一个(或某几个)元素的值大于与其对应的主变的负荷裕度，则说明这一个(或这几个)受供主变过载，需对S和T进行修正，直至受供主变不过载。

修正方法为：在隶属于故障主变所在变电站且与受供主变存在联络关系的中压出线中，寻找距离主变的馈线出口处最近的分段以及距离在之前的修正中减去的分段最近的分段，选择其中负荷最小的分段，并将其从原有联络单元中的过载元素中减去。根据贪心原则，对T进行修正直至受供主变不再过载。

当T经过修正并满足要求后，即可根据T反过来修正S。

通过以上分析与计算，已经可以得到各变电站向系统中其他主变转移负荷的情况；继而，可以计算变电站的网络转供能力，即故障主变所在的变电站可以向系统中其他主变转移负荷的能力。

假定计算某一变电站A的网络转供能力LA。在对变电站联络单元网络转供能力的分析与计算过程中，已经得到修正后的联络单元负荷转移矩阵T。在T中找到变电站A所对应的行向量TA，即以A变电站为中心的联络单元。变电站A的网络转供能力LA即等于TA中所有元素之和。

主变N-1校验过程实质上就是在主变故障时考量该主变隶属变电站的供电能力及其负荷大小的过程。在充分协调主变及其下级中压网络联络关系的基础上，变电站供电能力[13-16]主要由站内供电能力和网络转供能力组成，具体关系如下：

S=C+L

(8)

式中，S表示变电站供电能力；C表示站内供电能力；L代表网络转供能力。

变电站站内供电能力和负荷的计算公式分别为：

C=(x-1)Mcosφ1

(9)

Loadmax=xMηcosφ1

(10)

式中，Loadmax为最高负荷日变电站负荷量；x为主变台数；M为单台主变容量；η为变电站全站负载率；cosφ1为主变功率因数。

为比较考虑分段负荷转供能力前后校验结果的差别，根据以下判据进行主变N-1校验的判断：

(1)判据1。计算不考虑线路分段负荷转移的网络转供能力L1，若C+L1≥Loadmax，则主变N-1校验通过；否则不通过。

(2)判据2。计算考虑线路分段负荷转移的网络转供能力L2，若C+L2≥Loadmax，则变电站主变N-1校验通过；否则不通过。

4 失负荷计算方法

4.1 线路校验不通过时失负荷计算

在进行线路N-1校验时，为了考虑最严重的情况，假设故障线路在主变的馈线出口处发生故障。当该线路N-1校验不通过时，则需要对故障线路进行切除。传统线路负荷的切除方式是将线路N-1校验不通过的线路整条切除，这样造成了较大且不必要的负荷损失。

4.2 主变校验不通过时失负荷计算

在3.3节介绍的主变N-1校验判据2中，通过变电站站内供电能力C与该站网络转供能力L之和，与该站所带负荷Loadmax进行比较判断。其中，网络转供能力是通过网络拓扑分析得到的计算结果，表示该变电站确定能够向网络中其他主变转移的负荷量。该变电站站内供电能力为一固定的连续值，而相比之下，网络分段负荷为离散值。当在该变电站所带线路中分段切除负荷时，如果从能够由其他主变转供的负荷中切除，只会使该站网络转供能力与负荷同步同幅减小，而不会对校验结果有任何正面影响；而如果从站内转供的负荷中切除，既不会降低变电站站内供电能力，也可以避免由于站内供电能力为连续值，而分段负荷的切除是阶跃性的，从而导致转供总能力与负荷比较时产生误差。

因此，尽管在故障主变所带负荷转供时优先考虑站内转供，但在考虑负荷切除的计算时，保证网络转供能力不变，优先从由站内供电能力供给的负荷中进行分段切除。

综上所述，分段负荷切除的范围为：当某一主变发生故障退出后，由该变电站站内供电能力供给的负荷。其中包括在计算线路负荷转移矩阵l时无法进行转供的负荷(无联络关系、存在联络关系但无转供能力或不计转供能力的分段负荷)以及在修正联络单元负荷转移矩阵T时被修正掉的分段负荷。

分段负荷切除的顺序为：由于在主变故障时，需要迅速对网络进行调整，因此为保证分段切除负荷的速度，切除方案选择按照贪心原则，在切除范围内从线路联络开关向主变方向，按照线路分段所带负荷的重要程度以及切除负荷后的影响大小的顺序，依次对该变电站所带所有线路的分段负荷进行切除，直至该变电站依据3.3节判据2主变N-1校验通过。

5 算例分析

5.1 算例概况

假设某供电区块共三座变电站，馈线采用JKLHYJ型号架空绝缘线，该网络联络关系与基本信息如图1、表1和表2所示，表2中各分段负荷数据即是由2.2节所述原则筛选、估算取得。

图1 算例网络简化示意图Fig.1 Simplified network

变电站名称ABC全站负载率(%)415965主变编号123456主变容量/(MV·A)505063636363主变负载率(%)364863566269中压出线数333423

表2 网络负荷概况Tab.2 Network line data list

5.2 算例结果及对比分析

(1)线路N-1校验

按照3.2节所述判据进行线路N-1校验判断，结果如表3所示。

经校验，第5、6、8、14号线路在考虑分段负荷转移的条件下依然无法通过线路N-1校验，需对部分线路所带负荷进行切除。

分别采取传统“一刀切”的方式(不考虑线路负荷的分段切除)与2.1节中介绍的方法(考虑线路负荷的分段切除)对线路进行切除。线路切除对比结果如表4所示。

(2)主变N-1校验

计算各变电站的站内供电能力和负荷，功率因数取0.97，在此基础上，按照3.3节所述判据进行主变N-1校验判断，结果如表5所示。

表3 网络线路N-1校验结果Tab.3 Verification analysis and comparison of network line

表4 线路负荷切除对比结果Tab.4 Lost load analysis and comparison

表5 变电站主变N-1校验结果Tab.5 Verification analysis and comparison of substation

经校验，变电站B在考虑分段负荷转移的条件下依然无法通过主变N-1校验，需对部分线路所带负荷进行切除。

如果不考虑线路负荷的分段切除，按照传统“一刀切”的方式对整条线路进行切除，则需整体切除第7号线路的两段分段负荷，失负荷大小为2.48MW。

考虑线路负荷的分段切除时，按照本文3.2节中介绍的方法对线路负荷进行分段切除，则仅需切除第10号线路的第2段分段负荷，失负荷大小为0.45MW，相比传统方式失负荷大小减少了2.03MW，相对减少比率为82%。

采取两种不同方案切除后，变电站B的主变N-1校验对比结果如表6所示。

表6 变电站B主变N-1校验对比结果Tab.6 Verification analysis and comparison of substation B

由算例对比分析结果可知，无论对于线路还是主变，采用分段切除的方法所得失负荷的大小以及分段数量，较传统的对整条线路进行切除的方式均有一定程度的减少；同时，对于部分仅考虑所带线路能否整条进行转供时不能通过主变N-1校验的变电站，通过对其所带线路负荷进行分段转供，计及变电站网络转供能力，可以变为校验通过的状态。

6 结论

本文提出了一种基于线路分段负荷转移的N-1校验方法，并描述了该校验方法的流程，其具有如下特点：

(1)通过数学方法对配电系统中线路、主变以及变电站转供能力进行描述，并基于变电站供电能力进行计算，较传统、笨拙的逐个主变校验的方式，实现了对全网主变一次性进行整体校验。

(2)负荷的分段转供降低了线路整条转供给某一主变带来的压力，将该压力分摊到了网络内所有与故障主变所在变电站存在联络关系的主变上，充分利用了网络中各主变的负荷裕度，因此本文方法的校验结果较传统“一刀切”的方式能够更加全面地反映校验信息。

(3)在考虑分段负荷转移的条件下，线路或主变校验依然不通过时，基于贪心原则按照分段对线路负荷进行切除的方法，充分利用了线路本身的结构与联络关系，细化计算，很大程度地降低了负荷损失的数量和切除负荷造成的影响。

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N-1 verification of distribution system based on subsection load transfer

YANG Xiao-mei1, ZHAO Han2, GUI San-rong1, TAN Jian1, ZHAO Hong-da1, SHI Jing1, LIU Hong2, CHEN Zheng-fang3

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company Economic Research Institute, Nanjing 210000, China; 2. Key Laboratory of Smart Grid, Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 3. State Grid Suzhou Electric Power Supply Company, Suzhou 210008, China)

In the mid-voltage distribution system, the traditionalN-1 verification methods based on holistic line transfer could only get a rough result, and could only take one verification of the main transformer at one time. Based on subsection load transfer, this paper comes up with an integrated description andN-1 verification method of distribution system to solve the problems above. Firstly, the tie-line matrix and the network transfer capability matrix are established to describe the contact structure and load transfer capability of the mid-voltage distribution system, and a more detailed account of the descriptions above is presented by establishing the subsection load vector. Secondly, a research on theN-1 verification method on circuit based on subsection load transfer is made. Given on this basis and combined with the analysis of substation network transfer capability, this paper implements theN-1 verification on main transformer. Thirdly, when theN-1 verification on circuit or main transformer is not available, in accordance with greedy algorithm, the paper proposes a way to calculate the lost load based on subsection load shedding. Finally, the effectiveness and the accuracy of the method are verified by the analysis of calculation examples.

mid-voltage distribution system;N-1 verification; subsection load transfer; subsection load excision

2015-11-04

杨晓梅(1973-)， 女， 江苏籍， 高级工程师， 硕士， 主要从事电网规划及科技管理工作； 赵 浛(1993-)， 男， 辽宁籍， 硕士研究生， 从事城市电网规划、 评估等方面的研究和应用工作(通信作者)。

TM727

A

1003-3076(2016)08-0066-07