基于聯(lián)絡(luò)關(guān)系的主變故障負荷轉(zhuǎn)供方案

馬 靜，馬 偉，王增平

基于聯(lián)絡(luò)關(guān)系的主變故障負荷轉(zhuǎn)供方案

馬 靜，馬 偉，王增平

(新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學），北京 102206)

針對主變故障后負荷轉(zhuǎn)供過程中聯(lián)絡(luò)線路容量不足、主變過載等問題，提出了一種基于聯(lián)絡(luò)關(guān)系的主變故障負荷轉(zhuǎn)供方案。該方案在配電網(wǎng)正常運行情況下，利用簡化的網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系形成主變聯(lián)絡(luò)關(guān)系矩陣及負荷轉(zhuǎn)移區(qū)域，當主變因故障或檢修退出運行時，基于負荷轉(zhuǎn)移小區(qū)容載比對故障主變負荷進行“按需分配”。在分配的過程中，充分計及了聯(lián)絡(luò)線路及主變?nèi)萘考s束條件，分別設(shè)計了次級負荷轉(zhuǎn)供策略及二次轉(zhuǎn)供策略。算例結(jié)果表明，該方案有效地提高了配電網(wǎng)設(shè)備利用率和負荷轉(zhuǎn)供能力，同時，使負荷轉(zhuǎn)供后配電網(wǎng)中的負荷分布更加均衡。

負荷轉(zhuǎn)移能力；供電恢復(fù)；主變故障；容載比；設(shè)備利用率

0 引言

當主變發(fā)生故障或需要檢修時，若不考慮配電網(wǎng)在站間的負荷轉(zhuǎn)供，則主變-1的安全問題將退化為站內(nèi)主變間負荷轉(zhuǎn)移的簡單問題，這種“各自為站”的運行方式既限制了配電網(wǎng)的供電能力，也違背了配電設(shè)備利用率最大的要求。近年來，隨著大規(guī)模配電網(wǎng)的建設(shè)和改造以及大范圍配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)的加強，供電恢復(fù)的路徑與方式的選擇日益靈活。與此同時，變電站綜合自動化技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用也為站間主變迅速、靈活地負荷轉(zhuǎn)供提供了有利的條件。

目前，計及?1安全準則的負荷轉(zhuǎn)供方法主要包括：負荷法、主變互聯(lián)轉(zhuǎn)供法、綜合轉(zhuǎn)移矩陣法等。負荷法提出把主變間聯(lián)絡(luò)饋線作為負荷轉(zhuǎn)供途徑，形成站間負荷轉(zhuǎn)移的思想雛形，但計算過程較為繁瑣。主變互聯(lián)轉(zhuǎn)供法將故障主變的負荷平均分配給與其存在聯(lián)絡(luò)關(guān)系的主變，轉(zhuǎn)供思路清晰，計算量小，但存在負荷轉(zhuǎn)移路徑通暢和設(shè)備容量充足的假定，并未計及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)備容量的約束。在此基礎(chǔ)上，綜合轉(zhuǎn)移矩陣法考慮主變和聯(lián)絡(luò)線路容量的約束，研究了與故障主變同站的過載主變二次轉(zhuǎn)供問題，更貼近實際配電系統(tǒng)運行狀況，但由于未考慮主變?nèi)葺d比，轉(zhuǎn)供后可能出現(xiàn)部分主變負載率偏高，部分主變負載率偏低的情況。

針對上述問題，本文提出一種基于聯(lián)絡(luò)關(guān)系的主變故障負荷轉(zhuǎn)供方案。該方案在配電網(wǎng)正常運行情況下，利用簡化的網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系形成主變聯(lián)絡(luò)關(guān)系矩陣及負荷轉(zhuǎn)移區(qū)域，當主變因故障或檢修退出運行時，基于負荷轉(zhuǎn)移小區(qū)容載比對故障主變負荷進行“按需分配”。在分配的過程中，充分計及了聯(lián)絡(luò)線路及主變?nèi)萘考s束條件，分別設(shè)計了次級負荷轉(zhuǎn)供策略及二次轉(zhuǎn)供策略。算例結(jié)果表明：該方案在提高配電網(wǎng)設(shè)備利用率和負荷轉(zhuǎn)供能力的同時，使轉(zhuǎn)供后配電網(wǎng)中負荷分布也更加均衡。

1 主變聯(lián)絡(luò)關(guān)系

在滿足電網(wǎng)-1條件下，某臺主變所帶負荷可通過聯(lián)絡(luò)線和聯(lián)絡(luò)開關(guān)動作轉(zhuǎn)移至另外一臺主變，就定義這兩臺主變之間存在聯(lián)絡(luò)關(guān)系。

設(shè)某配電系統(tǒng)內(nèi)共有座變電站，分別編號為1, 2,…,，與其對應(yīng)的各座變電站的主變臺數(shù)分別為,, …,N。將第座變電站的第號主變編號為，則該配電系統(tǒng)的主變總臺數(shù)為。定義該區(qū)域主變關(guān)聯(lián)矩陣為

式中：若a= 1，表示主變和之間存在聯(lián)絡(luò)關(guān)系；若a= 0，表示主變和之間不存在聯(lián)絡(luò)關(guān)系，即主變故障或檢修時，主變無法直接轉(zhuǎn)供主變的負荷。

2 負荷轉(zhuǎn)移方案

2.1負荷轉(zhuǎn)移區(qū)域

在供電區(qū)域中，設(shè)某臺主變?yōu)橹行闹髯儯c其存在聯(lián)絡(luò)關(guān)系的主變定義為直連主變，與直連主變存在聯(lián)絡(luò)關(guān)系的下級主變定義為次連主變。當中心主變故障或者檢修時，為滿足不中斷供電的原則，需要對中心主變上的負荷進行轉(zhuǎn)移。

負荷轉(zhuǎn)移區(qū)域指由中心主變的所有直連主變和次連主變構(gòu)成的區(qū)域。在負荷轉(zhuǎn)移區(qū)域中，每個直連主變和與其存在聯(lián)絡(luò)關(guān)系的次連主變構(gòu)成一個負荷轉(zhuǎn)移小區(qū)。配電網(wǎng)中每臺主變均可離線形成以自身為中心主變的負荷轉(zhuǎn)移區(qū)域，一旦確定故障或者檢修主變，可迅速得到負荷轉(zhuǎn)移區(qū)域。

2.2負荷轉(zhuǎn)移策略

假設(shè)在號變電站中，主變（即∈）因故障或檢修退出運行時，定義以主變?yōu)橹行闹髯兊呢摵赊D(zhuǎn)移區(qū)域為C。

其中，C表示主變的第號負荷轉(zhuǎn)移小區(qū)。若主變不屬于主變的直連主變，即a= 0時，C= 0；同時，主變自身不構(gòu)成負荷轉(zhuǎn)移小區(qū)，即C= 0。

對于主變所在母線上的直接掛接負荷（如放射狀饋線負荷），僅通過站內(nèi)主變進行轉(zhuǎn)供。定義負荷轉(zhuǎn)移小區(qū)C的容載比Q為

式中，q定義如式(4)所示。

(4)

式中：R、F分別表示主變的額定容量和負荷；F為主變所在母線上的直接掛接負荷；∈表示主變屬于號變電站。

為使配電區(qū)域中的負荷分布更均衡，除母線直接掛接負荷外，對其他饋線負荷按照負荷轉(zhuǎn)移小區(qū)的容載比進行“按需分配”，即容載比大的負荷轉(zhuǎn)移小區(qū)多轉(zhuǎn)供，容載比小的負荷轉(zhuǎn)移小區(qū)少轉(zhuǎn)供。定義負荷轉(zhuǎn)移小區(qū)轉(zhuǎn)供的負荷量P為

式中：F表示主變的負荷；F為主變所在母線上的直接掛接負荷；Q表示負荷轉(zhuǎn)移小區(qū)的容載比。

利用式(5)，形成初級負荷轉(zhuǎn)移矩陣為

3 約束條件

3.1聯(lián)絡(luò)線路容量約束

對站內(nèi)聯(lián)絡(luò)來說，假定聯(lián)絡(luò)線路存在且容量足夠大，支持主變負荷與同一站內(nèi)其他主變的轉(zhuǎn)移是暢通且可均分的。對站間聯(lián)絡(luò)來說，每條聯(lián)絡(luò)線路都有容量限制，因此主變間的負荷轉(zhuǎn)移量受聯(lián)絡(luò)線路型號和數(shù)量的限制，即負荷轉(zhuǎn)移量不能超過主變間的最大聯(lián)絡(luò)容量。針對聯(lián)絡(luò)線路容量約束的問題，本文提出以聯(lián)絡(luò)線路容量進行功率傳輸?shù)拇渭壺摵赊D(zhuǎn)供策略。定義聯(lián)絡(luò)線路容量矩陣為

式中，s表示主變和之間的最大聯(lián)絡(luò)線路容量。

若兩臺主變之間不存在聯(lián)絡(luò)關(guān)系，即a= 0時，s= 0；同時，主變自身聯(lián)絡(luò)線路容量s= 0。

定義聯(lián)絡(luò)線路容量約束判斷矩陣為

式中：為聯(lián)絡(luò)線路容量矩陣的第行；為初級負荷轉(zhuǎn)移矩陣。當L=0時，表明主變和之間的聯(lián)絡(luò)線路容量滿足負荷轉(zhuǎn)移要求，可按照初級負荷轉(zhuǎn)移容量P進行轉(zhuǎn)供；當L>0時，表明主變和之間的聯(lián)絡(luò)線路容量不滿足負荷轉(zhuǎn)移要求。此時，該負荷轉(zhuǎn)移小區(qū)的負荷轉(zhuǎn)移量取聯(lián)絡(luò)線路容量s，即P=s。為避免切除負荷，對滿足聯(lián)絡(luò)線路容量約束的負荷轉(zhuǎn)移小區(qū)的負荷轉(zhuǎn)移量進行調(diào)整，修正式(5)為

(9)

式中，表示矩陣中非0元素的數(shù)目。

計及聯(lián)絡(luò)線路容量約束，形成次級負荷轉(zhuǎn)移矩陣為

當主變故障或檢修時，因聯(lián)絡(luò)線路容量約束需切除的負荷量為：

(11)

式中，表示對矩陣中元素求和。其中，當時，表示故障主變的負荷可全部轉(zhuǎn)供；當時，表示由于聯(lián)絡(luò)線路容量的約束，故障主變的負荷不能全部轉(zhuǎn)供，此時需要運行人員根據(jù)實際情況對重要負荷優(yōu)先轉(zhuǎn)供。

3.2主變?nèi)萘考s束

在主變故障或檢修之前，若部分直連主變負載率較高，當其轉(zhuǎn)供故障主變的負荷后可能出現(xiàn)過載情況，此時就有必要對該類直連主變的部分負荷進行二次轉(zhuǎn)供，即通過次連主變進行轉(zhuǎn)供。

定義主變過載容量矩陣為

故障主變所在母線直接掛接負荷F由站內(nèi)非故障主變平均分配轉(zhuǎn)供，元素u計算公式如式(13)所示。

(13)

式中：P表示次級負荷轉(zhuǎn)移矩陣中的第個元素；R、F分別表示主變的額定容量和負荷；F為故障主變所在母線上的直接掛接負荷；N表示號變電站的主變臺數(shù)。

定義主變?nèi)萘考s束判斷矩陣為

式中：若T=0，表示主變滿足主變?nèi)萘考s束，無需二次轉(zhuǎn)供；若T>0，表示主變轉(zhuǎn)供負荷后過載，需二次轉(zhuǎn)供。

對于過載主變，二次轉(zhuǎn)供時優(yōu)先考慮站內(nèi)轉(zhuǎn)供，站內(nèi)轉(zhuǎn)供失敗時由站內(nèi)主變和站間主變共同轉(zhuǎn)供。定義主變的二次轉(zhuǎn)供方案選擇邏輯Y為

方案1：站內(nèi)主變轉(zhuǎn)供

對過載主變所在變電站中主變負荷進行平均分配，定義二次轉(zhuǎn)供后主變需要承擔的負荷為

方案2：站間主變轉(zhuǎn)供

以過載主變?yōu)橹行闹髯?，重新劃分負荷轉(zhuǎn)移區(qū)域(不包括故障主變)，對過載負荷量T進行二次轉(zhuǎn)供，計算方法同故障主變。

一般情況下T遠小于F，因此，二次轉(zhuǎn)供時通?？赏ㄟ^站內(nèi)主變轉(zhuǎn)供成功。

4 負荷轉(zhuǎn)移步驟

正常運行情況下，利用簡化的網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系形成主變聯(lián)絡(luò)關(guān)系矩陣及負荷轉(zhuǎn)移區(qū)域，當主變因故障或檢修退出運行時，基于負荷轉(zhuǎn)移小區(qū)容載比對故障主變負荷進行“按需分配”。在分配的過程中，針對聯(lián)絡(luò)線路及主變?nèi)萘考s束條件，分別執(zhí)行次級負荷轉(zhuǎn)供策略及二次轉(zhuǎn)供策略。

具體轉(zhuǎn)供步驟如下。

步驟1：簡化配電網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系，形成主變關(guān)聯(lián)矩陣。

步驟2：確定中心主變，劃分負荷轉(zhuǎn)移區(qū)域，形成負荷轉(zhuǎn)移小區(qū)。

步驟3：計算負荷轉(zhuǎn)移小區(qū)容載比，形成初級負荷轉(zhuǎn)移矩陣。

步驟4：判斷初級負荷轉(zhuǎn)移矩陣是否滿足聯(lián)絡(luò)線路容量約束。若滿足約束，按照初級負荷轉(zhuǎn)移矩陣進行轉(zhuǎn)供；若不滿足約束，形成次級負荷轉(zhuǎn)供策略。

步驟5：判斷直連主變是否過載。若主變不過載，負荷轉(zhuǎn)移過程結(jié)束；若主變過載，二次轉(zhuǎn)供優(yōu)先進行站內(nèi)轉(zhuǎn)供，當站內(nèi)轉(zhuǎn)供失敗時通過站間轉(zhuǎn)供。負荷轉(zhuǎn)供過程流程圖如圖1所示。

圖1負荷轉(zhuǎn)供流程圖

5 算例

5.1算例概述

在IEEE配電網(wǎng)算例的基礎(chǔ)上形成現(xiàn)狀網(wǎng)數(shù)據(jù)，該配電系統(tǒng)站間聯(lián)絡(luò)電氣接線圖如圖2所示，電氣參數(shù)在表1和表2中給出。

圖2主變互聯(lián)配電網(wǎng)算例

表1 變電站數(shù)據(jù)

表2 聯(lián)絡(luò)支路數(shù)據(jù)

5.2算例求解

主變關(guān)聯(lián)矩陣和聯(lián)絡(luò)線路容量矩陣分別為

(18)

以主變T5停電檢修為例，驗證負荷轉(zhuǎn)供方案的可行性。以主變T5為中心主變的負荷轉(zhuǎn)移區(qū)域為

主變T5所在母線的直接掛接負荷F= 2 MW，依式(3)、式(4)計算各個負荷轉(zhuǎn)移小區(qū)的容載比，結(jié)果如表3所示。

表3 負荷轉(zhuǎn)移小區(qū)的容載比

初級負荷轉(zhuǎn)移矩陣為

依式(8)可得，聯(lián)絡(luò)線路容量約束判斷矩陣為

(21)

計算結(jié)果表明，主變T4-T5間聯(lián)絡(luò)線路不滿足容量約束，利用式(9)形成次級負荷轉(zhuǎn)移矩陣為

依式(11)可得，因聯(lián)絡(luò)線路容量約束，需要切除主變T5的負荷為

(23)

計算結(jié)果表明，主變T5的負荷能夠通過聯(lián)絡(luò)線路，由負荷轉(zhuǎn)移區(qū)域中其他主變轉(zhuǎn)帶。

計及主變?nèi)萘考s束后，判斷矩陣為

由于>0，表示主變T2不滿足主變?nèi)萘考s束，需二次轉(zhuǎn)供。

如圖2所示，主變T2和故障主變T5不屬于同一變電站，依據(jù)式(15)得主變T2的二次轉(zhuǎn)供方案選擇邏輯為

計算結(jié)果表明，主變T2二次轉(zhuǎn)供時可通過站內(nèi)轉(zhuǎn)供，因此執(zhí)行方案1。

至此，整個負荷轉(zhuǎn)移過程結(jié)束，本方案對失電負荷全部恢復(fù)供電。主變T2、T4、T6的負載率分別為：0.86、0.77、0.90。

5.3算例對比

利用文獻[16]的方法，主變T5故障時需要切除負荷5.98 MW。負荷轉(zhuǎn)供結(jié)束后，主變T2、T4、T6的負載率分別為1.0、0.77、0.83。

綜上所述，本文方法對主變T5的全部負荷進行了較好的消納，提高了該區(qū)域的負荷轉(zhuǎn)供能力和設(shè)備利用率。同時，基于負荷轉(zhuǎn)移小區(qū)容載比對故障主變T5的負荷進行“按需分配”，使配電區(qū)域中的負荷分布更加均衡。

6 結(jié)語

針對主變故障后負荷轉(zhuǎn)供過程中聯(lián)絡(luò)線路容量不足、主變過載等問題，提出了一種基于聯(lián)絡(luò)關(guān)系的主變故障負荷轉(zhuǎn)供方案。該方案在配電網(wǎng)正常運行情況下，利用簡化的網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系形成主變聯(lián)絡(luò)關(guān)系矩陣及負荷轉(zhuǎn)移區(qū)域，當主變因故障或檢修退出運行時，基于負荷轉(zhuǎn)移小區(qū)容載比對故障主變負荷進行“按需分配”。在分配的過程中，充分計及了聯(lián)絡(luò)線路及主變?nèi)萘考s束條件，分別設(shè)計了次級負荷轉(zhuǎn)供策略及二次轉(zhuǎn)供策略。仿真結(jié)果表明，該方案具有如下特點：

(1) “按需分配”的負荷轉(zhuǎn)移方法，充分考慮了聯(lián)絡(luò)線路容量約束、主變?nèi)萘考s束以及主變實際負載水平，更符合實際，在提高了設(shè)備利用率的同時使配電網(wǎng)的負荷分布更加均衡。

(2) 在負荷分配的過程中，針對聯(lián)絡(luò)線路容量約束提出了次級負荷轉(zhuǎn)移策略，針對主變?nèi)萘考s束提出了二次轉(zhuǎn)供策略，有效提升了配電網(wǎng)的負荷轉(zhuǎn)供能力。

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Power restoration scheme for main transformer fault based on the interconnection relationship

MA Jing, MA Wei, WANG Zeng-ping

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China)

In order to solve the problems such as insufficient interconnection capacity, overload of main transformer and so forth during the power supply recovering process after main transformer fault, this paper presents a novel power restoration scheme based on interconnection relationship capability. This scheme firstly forms main transformer interconnection matrix and conforms load transfer area by using simplified network topology relationship. When the main transformer is out of operation due to failure or maintenance, the load of faulted main transformer is distributed basing on the capacity-load ratio of the load transfer district. In the process of distribution, sub-load transfer strategy is proposed aiming at the constraint of interconnection capacity and secondary transfer strategy aiming at the constraint of main transformer capacity. Simulation results verify that the scheme can effectively improve the equipment utilization ratio of distribution network and load transfer capability, besides, the load distribution is more balanced. This work is supported by National Basic Research Program of China (973 Program) (No. 2012CB215200), National Natural Science Foundation of China (No. 51277193), the Chinese Universities Scientific Fund Project (No. 2014ZZD02), the Scientific Research Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars of State Education Ministry ([2011] No. 1139), Natural Science Foundation of Hebei Province (No. E2012502034), Beijing Metropolis Beijing Nova Program (No. Z141101001814012), the Excellent Talents in Beijing City (No. 2013B009005000001), and the Fund of Fok Ying Tung Education Foundation (No. 141057).

load transfer capability; power restoration; main transformer fault; capacity-load ratio; equipment utilization ratio

TM715

A

1674-3415(2014)19-0001-07

2013-12-24；

2014-01-16

馬 靜(1981-)，男，博士，副教授，曾在美國弗吉尼亞理工大學做博士后，研究方向為電力系統(tǒng)保護與控制；E-mail：hdmajing@aliyun.com

馬 偉(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)供電恢復(fù)；E-mail：jnyz-mawei@163.com

王增平(1964-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力系統(tǒng)自動化、繼電保護、變電站綜合自動化。

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(973項目)(2012CB215200)；國家自然科學基金項目(51277193)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(2014ZZD02)；教育部留學回國人員科研啟動基金資助項目(教外司留[2011] 1139號)；河北自然科學基金項目(E2012502034)；北京市科技新星支持計劃(Z141101001814012)；北京市優(yōu)秀人才支持計劃(2013B009005000001)；霍英東教育基金(141057)