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摘要:本文开发了基于GIS平台的智能配电网高级分析软件,并对各功能进行了详细的介绍,包括线损分析、潮流计算、无功优化和故障恢复等功能。可以优化网络运行方式,快速恢复故障,改善供电质量,提高企业的经济效益。本系统的应用将会全面提高电力企业的管理水平和配电网的自动化水平。
关键词:配电网;GIS;分析软件
作者简介:孙保军(1969-),男,河南开封人,河南省电力公司开封供电公司,高级工程师,主要研究方向:配电网运行及电力营销管理;赵磊(1964-),男,河南开封人,河南省电力公司开封供电公司副总经理,工程师,主要研究方向:电网运行与电力营销管理。(河南 开封 475000)
配电网自动化是运用计算机技术、电子技术、通信技术等技术手段以及新的高性能的配电设备,对配电网进行离线和在线的智能监控管理,使配电网始终处于安全、可靠、优质、经济、高效的最优运行状态的一整套管理模式与体系设备的综合系统。目的是提高供电的可靠性和安全性,提高供电质量,缩短故障处理时间,缩小停电范围,降低运行维护费用,从而最大限度提高用电企业的效益和管理水平,全面提升为用户服务的水平。
配电自动化的高级应用软件是配电自动化的一个重要组成部分,它以配电系统网络分析为核心形成了各种应用软件,包括网络拓扑分析、潮流计算、线损计算、状态估计、负荷预测、短路电流计算、无功优化、故障诊断等内容。配电网络分析软件为配电网规划和设计人员、运行和调度人员的分析、研究、控制和管理提供了有效手段。通过它可以了解系统运行状态,以便采取相应措施提高系统的安全性和可靠性,实现系统的经济运行。
国内有关配电网自动化的观点提出较早,但由于设备可靠性、计算机水平和资金等条件的限制,从事研究分析的人员较少,一直以来发展缓慢。近些年来随着我国对配电网自动化水平重视程度的不断提高,越来越多科研院校投入资金和人员仔细研究该课题,输电网自动化程度已有很大提高,地区电网调度自动化系统已基本普及,县级无人值守变电站和变电站综合自动化的建设和改造发展很快。但是,配电网的自动化程度却仍然很低,从许多电力企业在配电网中的试点情况看,其结果不太理想。
地理信息系统(GIS)的引入是实现配电自动化的重要方法。它是一个能用于有效搜索、储存、更新、处理、分析和显示所有形式地理信息的计算机硬件、软件、空间数据和有关人员的有机集合。不仅是一个制作地图的工具,而且是以数据为依据,把元件和人员有机结合进行处理,并对结果进行综合分析判断的全方位数据信息系统。借助于地理信息系统开发配电网高级功能模块,可以在正常情况下,实时监视网络运行情况,优化网络的运行方式;发生故障时能迅速查出故障区域,快速进行故障恢复,减少停电损失;合理控制电网的无功和电压水平,改善供电质量;控制区域用电负荷,提高设备利用率,提高了企业的经济效益。
本文开发基于GIS的配电网自动化系统,主要实现线损分析、潮流计算、无功优化和故障恢复等高级功能。
一、智能配电网软件结构设计
该软件是在Windows平台下,应用C#语言设计开发的,整个系统由GIS及数据管理模块、人机界面和分析模块等三大部分组成,见图1。
GIS及动态数据管理模块的作用是存储和管理配电网中相关设备的空间数据和属性数据;人机图形界面模块作用是进行各种功能的设定,显示系统的电气主接线图和分析结果;分析模块的作用是完成网络拓扑分析,进行潮流计算和线损计算,并进行无功分析及其优化和故障显示。
二、网络拓扑
电力系统在运行中,各线路开关的变化会引起网络拓扑的变化,需要及时更新并显示网络的拓扑结构,为潮流计算提供结构数据。系统根据移动终端采集的数据能够自动生成线路的拓扑走径图,在窗口中形象地显示某条线路的走径图,生成迅速而且数据精确。当线路设备发生变更时,只需要更改相应部位的参数,系统就可以自动重新生成新的走径图。拓扑图的自动生成解决了用户以往工作中繁琐的数据资料收集过程,以及手工绘制的工作量和误差,大大提高了拓扑图绘制的精确度。
用户能够根据实际需要,灵活编辑调整拓扑图显示内容、大小,例如:如果用户需要对变压器进行集中管理,用户可以将变压器的名称、容量等属性信息标注出来,隐藏其他辅助信息,方便用户对生成拓扑图进行管理。另外,当线路发生变动后,用户可以根据实际情况对原来生成的拓扑图进行二次编辑修改。利用系统中的图形工具可以在拓扑图上进行变电站、杆塔等设备的添加、删除和移动等维护操作,避免拓扑图的重绘过程,缩短拓扑图修改时间。
支持多种输出拓扑图的方法:编辑好的拓扑图可以以图片形式导出并存储;还可以将生成的拓扑图导出到CAD中进行二次编辑。系统还能够对修改好的拓扑图进行实时打印,用户可以自定义设置打印纸张的大小、方向、字体等属性,系统会按照设置的属性打印出拓扑图,为数据上报提供方便、快捷的输出方式。
三、潮流分析
配电网潮流计算是配电网网络分析的基础,网络重构、故障处理、无功优化和状态估计等都需要用到配网潮流的数据。而配电网具有闭环设计、开环运行的特点,在需要转移负荷时,会出现暂时的闭环或双电源情况。正常运行时,每条馈线只有一个电源点,每个负荷节点也只有一个上级节点,网络整体呈辐射状结构,因此,配电网潮流计算的研究多以辐射状网络为研究模型。
潮流计算的方法很多,在配电网中算法的收敛问题较为突出,因此选择一种算法时,首先要看收敛性,其次再考虑其他要素。根据配电网的实际结构,采用直接取用支路参数进行计算的前推回代法,没有矩阵运算,计算效率高,编程简单,占用内存小,收敛性好。因此,本功能模块使用前推回代法进行潮流计算。
方法如下:已知配电网络的始端电压和末端负荷,以各条线路为单位,假设全网电压为额定电压,先从末端向始端推算,仅计算各个元件的功率损耗,这样可以求得各条线路的电流和功率损耗,这就是回代过程。然后,根据已知的始端电压和求得的始端功率开始由前到后计算各线路的电压降,求得各节点的电压,这就是前推过程。如此循环直到功率偏差在允许的范围内。
四、线损分析
线损是电力系统经济运行的一个重要指标,如何快速、准确地计算和分析线损是一项非常重要的问题。供电部门传统的理论线损和统计线损都是通过事后统计计算的结果,缺少及时性和准确性。电网线损在线监测及分析系统,能及时准确地反映电网实际线损率,并实时形成监测曲线,可以很直观地对网损进行考核,对调度人员及时调整优化运行方式有着积极的指导作用;系统提供的降损分析功能可以对高损线路进行线路改造、配置电容器和更换高损变压器等技术措施进行计算分析和效益预算,线损管理人员在进行线损管理时可进行定量的降损计算与分析。
1.实时线损计算
对于线路损耗,无线抄表方案提供以下工具:110kV线损报表;35kV线损报表;10kV线损报表;线损报表历史对比;线损月走势图;线损年走势图;综合线损走势分析;根据表计状态计算线路空损;根据采集的实时信息,可对线路的线损进行实时统计计算。
2.理论线损计算
根据采集的实时信息,利用前推回代潮流计算方法对线路的理论线损进行实时统计计算。
3.实时线损与理论线损比较
根据实时线损以及理论线损计算的结果,将二者进行实时对比分析,从而判断出线路是否有漏电、窃电或临时用电,还可以进一步分析出线路设备的安装位置或容量等是否合理。利用EMS系统的状态估计产生的实时数据进行网损计算并将计算结果按月、日、小时存入数据库。对电网进行降损技术分析,可以对高损线进行线路改造、配置电容器,对高损变压器进行更换等技术措施进行计算分析和效益预算,并应用图形直观地显示电网网损值和网损率。对实时数据进行网络发布,各部门可通过网络查看线损数据。实现线损指标数据自动流传和降损措施的辅助编制。
五、无功优化
无功优化模块的主要作用是根据系统采集到的数据进行分析,找出减少线路上的无功消耗,提高有功的利用率,从而充分利用资源,使效益最大化。
根据负荷预测的结果以及现有的无功补偿状况,采取“分级补偿,就地平衡”的原则,可以用功率因数法进行无功优化。
(1)无功总量平衡:采用最大自然无功负荷系数法进行全网的无功补偿容量计算。
(2)中压随器补偿:根据电力系统电压和无功电力技术导则提供的10kV级电网最大自然无功负荷系数以及10kV线路输入的无功功率,可以求出每一个变电所需的无功补偿容量。
(3)中压电路补偿:配电线路的负荷是不均匀分布的,要采用归一化变换方法对最佳补偿容量和最佳装设位置进行计算。
(4)高压集中补偿:利用低电压等级倒推过来的无功功率以及上级电压等级线路输入的无功功率,可以求出集中补偿所需的无功容量。
六、故障分析
电网中发生的短路故障主要有单相接地短路故障、两相接地、两相短路或三相短路。而单相接地故障发生的几率最高,占小电流接地系统故障的80%以上,但这时三相之间的线电压基本保持不变,不影响对负荷的供电,因此,不必立刻跳闸,允许电网在单相接地的情况下继续运行1～2h,避免供电突然中断对用户的影响。但由此引起的过电压会危害电网绝缘,可能导致短路故障,使事故扩大,因此,需要尽快选出故障线路,以便运行人员及时采取措施加以处理。
配电网发生故障后,系统可以根据故障指示装置判断故障位置,利用GIS在地理图上显示故障区域,并报警显示,用于指导工作人员及时排除故障。
七、结论
GIS在配电网自动化中的运用,具有众多优点和巨大的潜力,基于GIS开发配电网的高级分析功能,为电力企业管理人员的决策提供了科学的依据,提高了配电网的管理水平,极大地促进了配电网自动化的发展。
参考文献:
[1]唐赛中,宋雪英.配电网自动化技术及其应用[J].东北电力技术,1999,(1).
[2]杨群,李伟,闾国年.基于GIS构建配电网拓扑关系的方法[J].电力系统自动化,2003,(18).
[3]陈宏兵,陆金桂.GIS的设计及其应用[J].淮阴工学院学报,2003,(1).
[4]梁会军,李志斌.基于GIS的配电网实时数据监控系统的开发[J].华中电力,2004,(17).
(责任编辑:麻剑飞)
关键词:配电网;GIS;分析软件
作者简介:孙保军(1969-),男,河南开封人,河南省电力公司开封供电公司,高级工程师,主要研究方向:配电网运行及电力营销管理;赵磊(1964-),男,河南开封人,河南省电力公司开封供电公司副总经理,工程师,主要研究方向:电网运行与电力营销管理。(河南 开封 475000)
配电网自动化是运用计算机技术、电子技术、通信技术等技术手段以及新的高性能的配电设备,对配电网进行离线和在线的智能监控管理,使配电网始终处于安全、可靠、优质、经济、高效的最优运行状态的一整套管理模式与体系设备的综合系统。目的是提高供电的可靠性和安全性,提高供电质量,缩短故障处理时间,缩小停电范围,降低运行维护费用,从而最大限度提高用电企业的效益和管理水平,全面提升为用户服务的水平。
配电自动化的高级应用软件是配电自动化的一个重要组成部分,它以配电系统网络分析为核心形成了各种应用软件,包括网络拓扑分析、潮流计算、线损计算、状态估计、负荷预测、短路电流计算、无功优化、故障诊断等内容。配电网络分析软件为配电网规划和设计人员、运行和调度人员的分析、研究、控制和管理提供了有效手段。通过它可以了解系统运行状态,以便采取相应措施提高系统的安全性和可靠性,实现系统的经济运行。
国内有关配电网自动化的观点提出较早,但由于设备可靠性、计算机水平和资金等条件的限制,从事研究分析的人员较少,一直以来发展缓慢。近些年来随着我国对配电网自动化水平重视程度的不断提高,越来越多科研院校投入资金和人员仔细研究该课题,输电网自动化程度已有很大提高,地区电网调度自动化系统已基本普及,县级无人值守变电站和变电站综合自动化的建设和改造发展很快。但是,配电网的自动化程度却仍然很低,从许多电力企业在配电网中的试点情况看,其结果不太理想。
地理信息系统(GIS)的引入是实现配电自动化的重要方法。它是一个能用于有效搜索、储存、更新、处理、分析和显示所有形式地理信息的计算机硬件、软件、空间数据和有关人员的有机集合。不仅是一个制作地图的工具,而且是以数据为依据,把元件和人员有机结合进行处理,并对结果进行综合分析判断的全方位数据信息系统。借助于地理信息系统开发配电网高级功能模块,可以在正常情况下,实时监视网络运行情况,优化网络的运行方式;发生故障时能迅速查出故障区域,快速进行故障恢复,减少停电损失;合理控制电网的无功和电压水平,改善供电质量;控制区域用电负荷,提高设备利用率,提高了企业的经济效益。
本文开发基于GIS的配电网自动化系统,主要实现线损分析、潮流计算、无功优化和故障恢复等高级功能。
一、智能配电网软件结构设计
该软件是在Windows平台下,应用C#语言设计开发的,整个系统由GIS及数据管理模块、人机界面和分析模块等三大部分组成,见图1。
GIS及动态数据管理模块的作用是存储和管理配电网中相关设备的空间数据和属性数据;人机图形界面模块作用是进行各种功能的设定,显示系统的电气主接线图和分析结果;分析模块的作用是完成网络拓扑分析,进行潮流计算和线损计算,并进行无功分析及其优化和故障显示。
二、网络拓扑
电力系统在运行中,各线路开关的变化会引起网络拓扑的变化,需要及时更新并显示网络的拓扑结构,为潮流计算提供结构数据。系统根据移动终端采集的数据能够自动生成线路的拓扑走径图,在窗口中形象地显示某条线路的走径图,生成迅速而且数据精确。当线路设备发生变更时,只需要更改相应部位的参数,系统就可以自动重新生成新的走径图。拓扑图的自动生成解决了用户以往工作中繁琐的数据资料收集过程,以及手工绘制的工作量和误差,大大提高了拓扑图绘制的精确度。
用户能够根据实际需要,灵活编辑调整拓扑图显示内容、大小,例如:如果用户需要对变压器进行集中管理,用户可以将变压器的名称、容量等属性信息标注出来,隐藏其他辅助信息,方便用户对生成拓扑图进行管理。另外,当线路发生变动后,用户可以根据实际情况对原来生成的拓扑图进行二次编辑修改。利用系统中的图形工具可以在拓扑图上进行变电站、杆塔等设备的添加、删除和移动等维护操作,避免拓扑图的重绘过程,缩短拓扑图修改时间。
支持多种输出拓扑图的方法:编辑好的拓扑图可以以图片形式导出并存储;还可以将生成的拓扑图导出到CAD中进行二次编辑。系统还能够对修改好的拓扑图进行实时打印,用户可以自定义设置打印纸张的大小、方向、字体等属性,系统会按照设置的属性打印出拓扑图,为数据上报提供方便、快捷的输出方式。
三、潮流分析
配电网潮流计算是配电网网络分析的基础,网络重构、故障处理、无功优化和状态估计等都需要用到配网潮流的数据。而配电网具有闭环设计、开环运行的特点,在需要转移负荷时,会出现暂时的闭环或双电源情况。正常运行时,每条馈线只有一个电源点,每个负荷节点也只有一个上级节点,网络整体呈辐射状结构,因此,配电网潮流计算的研究多以辐射状网络为研究模型。
潮流计算的方法很多,在配电网中算法的收敛问题较为突出,因此选择一种算法时,首先要看收敛性,其次再考虑其他要素。根据配电网的实际结构,采用直接取用支路参数进行计算的前推回代法,没有矩阵运算,计算效率高,编程简单,占用内存小,收敛性好。因此,本功能模块使用前推回代法进行潮流计算。
方法如下:已知配电网络的始端电压和末端负荷,以各条线路为单位,假设全网电压为额定电压,先从末端向始端推算,仅计算各个元件的功率损耗,这样可以求得各条线路的电流和功率损耗,这就是回代过程。然后,根据已知的始端电压和求得的始端功率开始由前到后计算各线路的电压降,求得各节点的电压,这就是前推过程。如此循环直到功率偏差在允许的范围内。
四、线损分析
线损是电力系统经济运行的一个重要指标,如何快速、准确地计算和分析线损是一项非常重要的问题。供电部门传统的理论线损和统计线损都是通过事后统计计算的结果,缺少及时性和准确性。电网线损在线监测及分析系统,能及时准确地反映电网实际线损率,并实时形成监测曲线,可以很直观地对网损进行考核,对调度人员及时调整优化运行方式有着积极的指导作用;系统提供的降损分析功能可以对高损线路进行线路改造、配置电容器和更换高损变压器等技术措施进行计算分析和效益预算,线损管理人员在进行线损管理时可进行定量的降损计算与分析。
1.实时线损计算
对于线路损耗,无线抄表方案提供以下工具:110kV线损报表;35kV线损报表;10kV线损报表;线损报表历史对比;线损月走势图;线损年走势图;综合线损走势分析;根据表计状态计算线路空损;根据采集的实时信息,可对线路的线损进行实时统计计算。
2.理论线损计算
根据采集的实时信息,利用前推回代潮流计算方法对线路的理论线损进行实时统计计算。
3.实时线损与理论线损比较
根据实时线损以及理论线损计算的结果,将二者进行实时对比分析,从而判断出线路是否有漏电、窃电或临时用电,还可以进一步分析出线路设备的安装位置或容量等是否合理。利用EMS系统的状态估计产生的实时数据进行网损计算并将计算结果按月、日、小时存入数据库。对电网进行降损技术分析,可以对高损线进行线路改造、配置电容器,对高损变压器进行更换等技术措施进行计算分析和效益预算,并应用图形直观地显示电网网损值和网损率。对实时数据进行网络发布,各部门可通过网络查看线损数据。实现线损指标数据自动流传和降损措施的辅助编制。
五、无功优化
无功优化模块的主要作用是根据系统采集到的数据进行分析,找出减少线路上的无功消耗,提高有功的利用率,从而充分利用资源,使效益最大化。
根据负荷预测的结果以及现有的无功补偿状况,采取“分级补偿,就地平衡”的原则,可以用功率因数法进行无功优化。
(1)无功总量平衡:采用最大自然无功负荷系数法进行全网的无功补偿容量计算。
(2)中压随器补偿:根据电力系统电压和无功电力技术导则提供的10kV级电网最大自然无功负荷系数以及10kV线路输入的无功功率,可以求出每一个变电所需的无功补偿容量。
(3)中压电路补偿:配电线路的负荷是不均匀分布的,要采用归一化变换方法对最佳补偿容量和最佳装设位置进行计算。
(4)高压集中补偿:利用低电压等级倒推过来的无功功率以及上级电压等级线路输入的无功功率,可以求出集中补偿所需的无功容量。
六、故障分析
电网中发生的短路故障主要有单相接地短路故障、两相接地、两相短路或三相短路。而单相接地故障发生的几率最高,占小电流接地系统故障的80%以上,但这时三相之间的线电压基本保持不变,不影响对负荷的供电,因此,不必立刻跳闸,允许电网在单相接地的情况下继续运行1～2h,避免供电突然中断对用户的影响。但由此引起的过电压会危害电网绝缘,可能导致短路故障,使事故扩大,因此,需要尽快选出故障线路,以便运行人员及时采取措施加以处理。
配电网发生故障后,系统可以根据故障指示装置判断故障位置,利用GIS在地理图上显示故障区域,并报警显示,用于指导工作人员及时排除故障。
七、结论
GIS在配电网自动化中的运用,具有众多优点和巨大的潜力,基于GIS开发配电网的高级分析功能,为电力企业管理人员的决策提供了科学的依据,提高了配电网的管理水平,极大地促进了配电网自动化的发展。
参考文献:
[1]唐赛中,宋雪英.配电网自动化技术及其应用[J].东北电力技术,1999,(1).
[2]杨群,李伟,闾国年.基于GIS构建配电网拓扑关系的方法[J].电力系统自动化,2003,(18).
[3]陈宏兵,陆金桂.GIS的设计及其应用[J].淮阴工学院学报,2003,(1).
[4]梁会军,李志斌.基于GIS的配电网实时数据监控系统的开发[J].华中电力,2004,(17).
(责任编辑:麻剑飞)