趙利輝

(黑龍江省大慶市電力集團(tuán)電力調(diào)度中心, 黑龍江 大慶 163453)

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基于分布系數(shù)法的環(huán)網(wǎng)潮流計(jì)算在油田電網(wǎng)中的應(yīng)用

趙利輝

(黑龍江省大慶市電力集團(tuán)電力調(diào)度中心, 黑龍江 大慶 163453)

摘要電網(wǎng)合解環(huán)操作是調(diào)度運(yùn)行管理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在實(shí)際運(yùn)行中，需重點(diǎn)分析與調(diào)控。為解決同一系統(tǒng)短時(shí)環(huán)網(wǎng)存在的合環(huán)開關(guān)處無電流、合環(huán)開關(guān)處電流小于10A及環(huán)網(wǎng)內(nèi)其他開關(guān)電流無明顯變化的問題，研究了基于分布系數(shù)法的環(huán)網(wǎng)潮流計(jì)算，通過對(duì)不同變電所投停電容器改變無功潮流分布，將不同方式下節(jié)點(diǎn)負(fù)荷乘以分布系數(shù)后疊加作為電源支路的潮流，然后求出其他支路的潮流，最終確定環(huán)網(wǎng)內(nèi)合環(huán)電流變化明顯的調(diào)控措施，以方曉一次變系統(tǒng)35kV西一二線合環(huán)構(gòu)成的短時(shí)環(huán)網(wǎng)為例，對(duì)各種方式進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算。結(jié)果表明： 在西一變停用電容器后，合環(huán)開關(guān)處有明顯電流，能夠進(jìn)行成功的合解環(huán)操作，并對(duì)類似接線結(jié)構(gòu)的變電所進(jìn)行了計(jì)算，為調(diào)度員指揮操作提供理論依據(jù)，確保了油田電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞分布系數(shù); 油田電網(wǎng); 調(diào)度; 合環(huán)操作

Application of Ring Network Power Flow Calculation in Oil Field Power Grid with Distribution Coefficient Method

ZHAOLihui

(The Daqing City of Heilongjiang Province Electric Power Dispatching Center of Electric Power Group, Daqing 163453, Heilongjiang, China)

AbstractThe closed loop in a power network is important in the operation and management of a dispatching agency, which should be analyzed and controlled in the practical operation. In an electric power system, the switch has no current, or the co-current is less than 10A. To solve the problem, power flow calculation using a distribution coefficient method is studied. The reactive power flow distribution changes with input or stop of different substation capacitors. The node load is used under different operating modes multiplied by the distribution coefficient. The results are superimposed to give the trend of power supply branch. Finally, the trend of other branches is found. Using this method, control measures are taken to ensure that the loop current is changed obviously. As an example, the closed loop current on the 35kV line at Fang Xiao substation is calculated under various operation modes. The results show that, after discontinuation of the west substation capacitor, the loop closing switch has a significant current. It can then solve the loop operation and calculate the similar connection structure of substations, providing a theoretical basis for operations of the dispatcher command. It ensures safe and reliable operation of the oilfield power grid.

Keywordsdistribution coefficient; oil field power grid; scheduling; closed loop operation

油田電網(wǎng)是環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)，開網(wǎng)運(yùn)行，在電網(wǎng)設(shè)備檢修、事故異常處理和最大需量調(diào)控等情況下，改變系統(tǒng)運(yùn)行方式，需要合環(huán)轉(zhuǎn)移負(fù)荷，電網(wǎng)短時(shí)變成了環(huán)網(wǎng)運(yùn)行。在調(diào)度指揮操作時(shí)，必須要確保合環(huán)成功，但是對(duì)于同一座110kV變電所的35kV母線分別接帶35kV變電所的接線方式，當(dāng)對(duì)合環(huán)開關(guān)進(jìn)行操作后，經(jīng)常遇到合環(huán)開關(guān)處無電流、合環(huán)開關(guān)處電流小于10A、環(huán)網(wǎng)內(nèi)其他開關(guān)電流無明顯變化的情況，給調(diào)度員判斷是否合環(huán)成功帶來了困難。調(diào)度員針對(duì)這種情況，常采用投停35kV變電所的電容器來改變環(huán)網(wǎng)的潮流分布，但是投停哪座35kV變電所的電容器能使合環(huán)開關(guān)處電流較為明顯，只能通過嘗試操作。油田電網(wǎng)中屬于此類接線結(jié)構(gòu)的變電所共涉及1座220kV變電所、12座110kV變電所、25座35kV變電所[1-3]。

本文介紹了基于分布系數(shù)法的環(huán)網(wǎng)潮流計(jì)算，研究了不同變電所投停電容器時(shí)的環(huán)網(wǎng)功率分布，確定環(huán)網(wǎng)內(nèi)合環(huán)電流變化明顯的最佳調(diào)控措施，解決短時(shí)環(huán)網(wǎng)存在的合環(huán)開關(guān)處無電流、合環(huán)開關(guān)處電流小于10A及環(huán)網(wǎng)內(nèi)其他開關(guān)電流無明顯變化的問題，從而確定是否可以合解環(huán)操作，對(duì)調(diào)度人員指揮操作具有較大的實(shí)用價(jià)值。

1分布系數(shù)潮流法

利用分布系數(shù)和重疊原理來求環(huán)網(wǎng)中功率分布的方法，叫做分布系數(shù)潮流法。雖然計(jì)算分布系數(shù)的工作量很大，但是當(dāng)分布系數(shù)計(jì)算出來以后，在電網(wǎng)接線方式不變的情況下，只改變節(jié)點(diǎn)的電源或負(fù)荷，功率分布的計(jì)算將可以大大簡(jiǎn)化。正是由于利用分布系數(shù)能夠很快地計(jì)算出負(fù)荷改變后的功率分布，對(duì)同一系統(tǒng)合環(huán)電流小、電流無明顯變化等情況，調(diào)度員可提前進(jìn)行計(jì)算各種負(fù)荷變化下的潮流分布。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，按照最佳的調(diào)控措施進(jìn)行操作，并與實(shí)際操作時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，為調(diào)度員提供理論依據(jù)。雖然采用分布系數(shù)潮流法所得的結(jié)果是近似的，誤差很小，在實(shí)際調(diào)度運(yùn)行中加以利用是完全可行的[4-6]。

1.1平衡節(jié)點(diǎn)

在進(jìn)行功率分布計(jì)算時(shí)，首先要知道所有節(jié)點(diǎn)的電源和負(fù)荷，為了進(jìn)行功率平衡計(jì)算，還必須求出電網(wǎng)中各元件的功率損耗，若把每一元件的損耗分派到該元件的兩端，并與接在這兩端的負(fù)荷相加，便可以得到接在電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上的總有功功率和總無功功率。因?yàn)榱魅腚娏W(wǎng)的總有功功率和無功功率分別等于從電力網(wǎng)流出的總有功功率和總無功功率，所以電力網(wǎng)中將有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其負(fù)荷值必須按照整個(gè)系統(tǒng)功率平衡原則來決定，這個(gè)節(jié)點(diǎn)，就稱為平衡節(jié)點(diǎn)，一般用“▽”表示[7-10]。

可見，平衡節(jié)點(diǎn)就是能夠吸收、送出任意多少的有功功率和無功功率的點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用計(jì)算中，一般選取功率變化比較大、支路比較多的電源節(jié)點(diǎn)為平衡節(jié)點(diǎn)。在油田電網(wǎng)中可以選取110kV變電所的35kV母線作為平衡節(jié)點(diǎn)。

1.2分布系數(shù)

通過環(huán)網(wǎng)某一支路的功率與各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷具有一定的關(guān)系，如果電力網(wǎng)中各支路的平均電壓是相等的，那么這種關(guān)系就是線性的，該線性關(guān)系實(shí)質(zhì)上就是節(jié)點(diǎn)負(fù)荷在某支路的分布系數(shù)[1，11-13]。

例如： 有一個(gè)簡(jiǎn)單的環(huán)網(wǎng)，如圖1所示。設(shè)該電網(wǎng)有n+1個(gè)節(jié)點(diǎn)(負(fù)荷點(diǎn))，其中A是選取的平衡節(jié)點(diǎn)，以▽表示，1，2，…，k，…，n為各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，當(dāng)各支路電壓相等時(shí)，通過支路a的功率和各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷關(guān)系為

(1)

圖1　簡(jiǎn)單環(huán)網(wǎng)圖Fig.1　A simple ring network

由于式(1)中，不包括平衡節(jié)點(diǎn)的有關(guān)量，故在節(jié)點(diǎn)n的負(fù)荷在支路a的分布系數(shù)與選取的平衡節(jié)點(diǎn)有關(guān)，即當(dāng)平衡節(jié)點(diǎn)一定時(shí)，節(jié)點(diǎn)n的負(fù)荷在支路a的分布系數(shù)是個(gè)一定的數(shù)值，它僅與電力網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，而與節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷大小無關(guān)[14]。

將式(1)改寫成

(2)

將式(2)展開，則可得

β1aQ1-β2aQ2-βnaQn)-j(α1aQ1+α2aQ2+…+

αnaQn-β1aP1-β2aP2-βnaPn)

令S1=P1a-jQ1=1-j0，且其他節(jié)點(diǎn)不接負(fù)荷時(shí)，則上式可以化為

(3)

1.3分布系數(shù)的計(jì)算

C·1= S·1=Z2Z1+Z2S·=Z2Z1+Z2=

(4)

式中，Z1、Z2分別為支路1、2的阻抗，Ω；R1、R2分別為支路1、2的電阻，Ω；X1、X2分別為支路1、2的電抗，Ω。

圖2　兩條并聯(lián)支路的環(huán)網(wǎng)Fig.2　Loop network of two parallel branches

在實(shí)際潮流計(jì)算時(shí)，大多數(shù)電力網(wǎng)均可近似視為均一網(wǎng)，此時(shí)，分布系數(shù)的虛部很小，在近似計(jì)算中，對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)，分布系數(shù)只取實(shí)部，將會(huì)使分布系數(shù)的計(jì)算更進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

式(4)可改寫為

(5)

1.4各支路潮流的計(jì)算

計(jì)算出各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的分布系數(shù)后，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷和環(huán)繞方向，用式(1)來進(jìn)行選定支路的功率分布計(jì)算，再按照基爾霍夫第一定律，即流入節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷等于流出節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷，求出下一支路的潮流分布。然后根據(jù)各支路的潮流計(jì)算結(jié)果和各節(jié)點(diǎn)的電壓，利用

(6)

235kV西一二線合環(huán)潮流計(jì)算實(shí)例

方曉一次變35kVⅠ、Ⅱ段母線分別接帶35kV西一變和35kV西二變，由于屬同一系統(tǒng)，通過西二變35kV西一二線1237開關(guān)合環(huán)后，構(gòu)成短時(shí)環(huán)網(wǎng)，根據(jù)分布系數(shù)潮流法對(duì)該環(huán)網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算。

選取方曉一次變35kV母線作為平衡節(jié)點(diǎn)，環(huán)繞方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，負(fù)荷、線路阻抗已標(biāo)注在圖3中。

圖3　系統(tǒng)示意圖Fig.3　Schematic diagram of the system

2.1計(jì)算35kV西一注線支路的分布系數(shù)

分別計(jì)算西一、西二變負(fù)荷節(jié)點(diǎn)在 35kV 西一注線支路的分布系數(shù)，虛部忽略不計(jì)，根據(jù)式(5)進(jìn)行計(jì)算。

(1) 西一變負(fù)荷S1在35kV西一注線支路的分布系數(shù)

(2) 西二變負(fù)荷S2在35kV西一注支路的分布系數(shù)

2.2計(jì)算初始合環(huán)時(shí)環(huán)網(wǎng)內(nèi)各支路的潮流

利用式(1)計(jì)算35kV西一注線支路的潮流分布，然后根據(jù)基爾霍夫第一定律計(jì)算其他支路的潮流分布，再利用式(6)計(jì)算環(huán)網(wǎng)內(nèi)各處電流。

(1) 35kV西一注線支路的潮流

S·01= C1S·1+C2S·2=0.55×(4.1-j0.5)+

0.32×(4+j0.4)=3.54-j0.14MW

(2) 35kV西一二線支路的潮流

S·12= (3.54-j0.15)-(4.1-j0.5)=

-0.56+j0.36MW

(3) 35kV西二注線支路的潮流

S·20= (4+j0.4)-(-0.56+j0.35)=

4.56+j0.04MW

2.3計(jì)算西一變停用一組電容器時(shí)環(huán)網(wǎng)內(nèi)各支路的潮流

西一變電容器容量2.3Mvar，停掉電容器后負(fù)荷變?yōu)?.1-j2.8MW。

(1) 35kV西一注線支路的潮流

S·01= C1S·1+C2S·2=0.55×(4.1-j2.8)+

0.32×(4+j0.4)=3.54-j1.41MW

(2) 35kV西一二線支路的潮流

S·12= (3.54-j1.41)-(4.1-j2.8)=

-0.56+j1.39MW

(3) 35kV西二注線支路的潮流

S·20= (4+j0.4)-(-0.56+j1.39)=

4.56-j0.99MW

2.4計(jì)算西二變停用一組電容器時(shí)環(huán)網(wǎng)內(nèi)各支路的潮流

西二變電容器容量2.3Mvar，停掉電容器后負(fù)荷變?yōu)?.1-j1.9MW。

(1) 35kV西一注支路的潮流

S·01= C1S·1+C2S·2=0.55×(4.1-j0.5)+

0.32×(4-j1.9)=3.54-j0.89MW

(2) 35kV西一二線支路的潮流

S·12= (3.54-j0.89)-(4.1-j1.9)=

-0.56-j0.39MW

(3) 35kV西二注線支路的潮流

S·20= (4+j0.4)-(-0.56-j0.39)=

4.56-j1.51MW

2.5幾種方式下的數(shù)據(jù)對(duì)比

經(jīng)過以上計(jì)算，匯總結(jié)果見表1。從表1中的35kV西一二線合環(huán)構(gòu)成的環(huán)網(wǎng)潮流計(jì)算結(jié)果可以看出，初始合環(huán)下合環(huán)開關(guān)處電流10.1A，在西一變停電容器后電流22.9A，在西二變停電容器后電流10.4A，每種情況下合環(huán)開關(guān)處電流都不一樣的，但是，在西一變停電容器時(shí)合環(huán)開關(guān)處電流最為明顯。2014年7月3日西一變35kVⅠ段母線、1#主變檢修時(shí)，在西一變停用1組電容器后，35kV西一二線實(shí)際合環(huán)電流20A與計(jì)算值22.9A基本相符，為調(diào)度員提供了理論依據(jù)。

表1　潮流計(jì)算結(jié)果

3油田電網(wǎng)同一系統(tǒng)短時(shí)環(huán)網(wǎng)的潮流快速計(jì)算

類似方曉一次變系統(tǒng)35kV西一二線合環(huán)電流小于10A的相關(guān)變電所，還有高家一次變系統(tǒng)接帶的喇十四變和喇三變、杏北一次變系統(tǒng)接帶的杏十九變和杏二十五變等25座變電所，共計(jì)13個(gè)合環(huán)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2　同一系統(tǒng)合環(huán)統(tǒng)計(jì)表

由于網(wǎng)絡(luò)接線已經(jīng)固定，分布系數(shù)不會(huì)改變，當(dāng)分布系數(shù)計(jì)算完成以后，只要知道各變電所節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷，就可以快速計(jì)算出投停電容器后的環(huán)網(wǎng)潮流分布和環(huán)網(wǎng)內(nèi)各開關(guān)處的電流，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，確定最佳的方案，指導(dǎo)調(diào)度員的合解環(huán)操作。為此，根據(jù)分布系數(shù)潮流法的計(jì)算公式，利用EXCEL辦公軟件開發(fā)了同一系統(tǒng)短時(shí)環(huán)網(wǎng)潮流計(jì)算工具，包括分布系數(shù)計(jì)算模塊、潮流計(jì)算模塊[8]。

3.1計(jì)算同一系統(tǒng)各變電所節(jié)點(diǎn)的分布系數(shù)

利用分布系數(shù)計(jì)算模塊，將13個(gè)短時(shí)環(huán)網(wǎng)涉及的39條35kV線路參數(shù)進(jìn)行輸入，根據(jù)計(jì)算公式分別計(jì)算出喇十四變等變電所結(jié)點(diǎn)的分布系數(shù)共計(jì)26個(gè)(見圖4)。

圖4　分布系數(shù)計(jì)算模塊Fig.4　Calculation module for distribution coefficient

3.2計(jì)算同一系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)潮流分布

根據(jù)已經(jīng)計(jì)算的各變電所的分布系數(shù)，利用潮流計(jì)算模塊，如圖5所示。選擇合環(huán)的變電所、合環(huán)的線路，輸入各變電所的有功負(fù)荷、無功負(fù)荷、母線電壓，即可計(jì)算出環(huán)網(wǎng)內(nèi)各開關(guān)處的電流和功率。如果合環(huán)開關(guān)處電流小于10A時(shí)，可以輸入各變電所投停電容器前后的有功、無功數(shù)據(jù)，重新計(jì)算，以便確定在哪座變電所停用電容器效果最為顯著。

圖5　潮流分布計(jì)算模塊Fig.5　Calculation module for power flow distribution

4結(jié)語

在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)一定的條件下，合環(huán)后各支路的潮流僅與節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷有關(guān)，合環(huán)前利用分布系數(shù)法，計(jì)算初始合環(huán)及投停電容器后的幾種負(fù)荷變化下的功率分布、電流，從而確定最佳的調(diào)控措施，并可作為調(diào)度員指揮操作的參考。通過實(shí)例，證明了電網(wǎng)潮流計(jì)算不是可有可無，特別是同一系統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)潮流計(jì)算，利用分布系數(shù)法對(duì)改變后的系統(tǒng)的潮流進(jìn)行估算，是完全可行的，分布系數(shù)法的運(yùn)用就更顯示出它的快捷性[15]。

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文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

中圖分類號(hào)TM 744

文章編號(hào)2095 - 0020(2016)01 -0043 - 07

作者簡(jiǎn)介：趙利輝(1973-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)調(diào)度管理，E-mail： zhaolhui@cnpc.com.cn

收稿日期：2015 - 12 - 03