地區電網運行方式制定中的供電路徑搜索

李澤榮，韓 鵬，高 峰

（太原供電分公司，山西 太原 030012）

地區電網運行方式制定中的供電路徑搜索

李澤榮，韓 鵬，高 峰

（太原供電分公司，山西 太原 030012）

針對運行方式制定過程中的檢修運行方式和事故運行方式，研究開發了地區電網運行方式平臺中的供電路徑搜索模塊?？梢宰詣訉ふ沂щ姷呢摵刹槠渌阉骺捎玫墓╇娐窂剑⒔o出需要操作的開關序列，為運行方式工作人員提供輔助決策。最后，對某地區電網進行測試的結果表明，供電路徑搜索正確，能給出有效策略。

運行方式；供電路徑；恢復供電；輔助決策

0 引言

電力調度機構一項重要工作就是制定本機構所轄電網的運行方式計劃，電網運行方式計劃的制定對保證整個電網的安全、經濟運行，保障用戶優質、可靠地供電起到至關重要的作用。本文所實現的供電路徑搜索模塊是華北電力大學開發的地區電網運行方式制定軟件中的一個功能模塊，見圖1。

在實際的地區電網運行中，運行方式工作人員一項重要的工作就是制定檢修運行方式和編制事故后運行方式即事故預案。在制定檢修運行方式或者編制事故預案的過程中，經常不可避免地會出現對一些用戶的停電，其中包括一些非常重要的負荷，如何為停電的負荷搜索到另外一條可用的供電路徑，以便快速恢復供電，是運行方式工作中經常遇到的問題，即供電路徑的搜索問題。

供電路徑搜索是指在地區電網調度運行過程中，在制定檢修或者是事故后的運行方式時，在滿足允許的操作條件和電氣約束的條件下，對因為運行方式變更而導致停電的負荷進行可用電源的搜索，進而給出一系列可以恢復停電負荷供電的操作步驟，并需保證系統各元件處于可長期安全運行狀態下。

圖1 地區電網運行方式平臺模塊設置圖

在實際運行過程中，地區電網日趨擴大，運行方式日趨復雜，而在實際制定運行方式尋找供電路徑時，以往僅靠工作人員的觀察和經驗得出的供電路徑難免有遺漏和疏忽，或者得出的供電路徑不滿足潮流約束。所以需要在地區電網運行方式平臺中加入供電路徑搜索功能，在運行方式變更導致負荷停電時，能自動進行分析判斷，對可能恢復供電區域的負荷給出所有可能的供電路徑，并對供電路徑進行潮流校驗，給出供電路徑的優劣判斷，并將各供電路徑按優劣評價依次排序，本功能模塊可以對運行方式工作人員提供輔助決策功能。

1 供電路徑搜索設計思想

1.1 電島的分類

電網拓撲分析是將電網元件的相互連接關系的物理模型轉換為可以用于電網高級應用和計算的數學模型。定義電島由許多母線及母線間相連的電氣元件組成，電島內部是彼此連通的，電島之間是彼此不連通的，啟動拓撲分析模塊可以將地區電網分成若干個彼此不相連通的電島。因為電島內部電氣上都是連通的，電島內部的帶電狀態各處都相同，通過搜索電島內是否有電源，可將所有電島根據帶電狀態的不同分為帶電島類和不帶電島類。帶電島的島內有電源，認為可以作為失電負荷的電源。從運行方式角度來看，不帶電島可以分為三類：第一類是故障島，此類島因故障或者檢修，島內設備停用；第二類是無源島，此類島的特征是島內無電源無負荷，但是島內設備可用，備用設備即可歸入此類島；第三類是失電孤島，此類電島的特征是島內無電源，但是有失電負荷，需要對負荷進行供電恢復。本軟件首先對地區電網所有電島進行分析，并將每一個電島歸入某一類電島中，對電島類型進行標記。圖2是形成各電島類型流程圖。

圖2 形成各電島類型流程圖

1.2 邊界條件

拓撲分析將地區電網分成不同帶電狀態的各個電島后，本軟件使用基于“電島+邊界條件”的供電路徑搜索策略[1]。此策略在供電路徑搜索過程中直接搜索各電島邊界條件對側電島的帶電狀態，避免了電島內部大量的支路節點連接關系的搜索，大大提高了搜索速度，節省了搜索的時間。

為了說明軟件的供電路徑搜索策略，先定義無阻抗設備為其閉合和斷開狀態可以決定電網的連通性并可以控制一些電網元件的投入退出的設備，包括斷路器、隔離開關、熔斷器、小車開關等。再定義邊界條件為不同電島之間呈斷開狀態的無阻抗設備，相當于電島間的備用通路，邊界條件一經操作合上，兩電島即合并形成一個新電島。需要說明的是，并不是呈斷開狀態的無阻抗設備就是邊界條件，只有兩端是不同的電島的無阻抗設備才是邊界條件。圖3是說明邊界條件合上之后電島合并示意圖。電島A和電島B之間的邊界條件一經操作合上以后，電島A和電島B即合并成為同一個電島A。

圖3 電島合并示意圖

有了邊界條件的定義則電網可以等效為：

電網=帶電島+無源島+故障檢修島+失電孤島+邊界條件。

在此模型的基礎上，失電孤島供電路徑搜索問題可描述為：先將電網劃分為各個帶電電島、無源島、故障島，如果有事故或者檢修運行方式導致負荷停電有失電孤島產生，則經過拓撲分析將所有電島歸類，并從失電孤島出發，通過邊界條件，搜到該孤島所有相鄰電島，如果相鄰電島是帶電島，則認為可以作為失電負荷的恢復電源，即找到一條恢復路徑；如果相鄰電島不帶電，則通過該不帶電電島繼續搜索，直到找到帶電島為止。這個過程中通往某帶電島的各個邊界條件的組合就是該負荷孤島的一條恢復路徑。

圖4 電島與邊界條件示意圖

以圖4為例進行詳細說明：孤島1為制定運行方式后產生的失電孤島，則程序從孤島1出發進行搜索，可以搜索到3個相鄰的電島2、電島3、電島4，因為電島2帶電，所以邊界條件A為一條恢復路徑；因為電島3不帶電，所以繼續搜索電島3的相鄰電島2、電島4、電島5，電島2和5均帶電，因此邊界條件B+C、B+D各為一條恢復路徑。因為電島4為故障島，所以電島4不能作為供電恢復路徑。搜索完畢，得到3條恢復路徑分別為：邊界條件A、B+C、B+D。然后再通過潮流校驗進3條供電路徑進行校驗并按操作開關數進行排序，最終選出最優路徑A對孤島1進行恢復供電。

1.3 供電路徑搜索的目標

實際的運行方式制定中，在失電負荷恢復過程中要盡可能多地恢復負荷，并考慮實際操作過程中的工作量，所得出的恢復方案要符合地區電網的一些約束和規定，因此供電路徑搜索恢復方案必須反映如下目標[2]。

a）盡可能多地恢復停電的負荷，也即損失的負荷量為最小，用公式表述為

式中：Ploss——檢修或事故運行方式導致停電的負荷量；

Pi——第i個孤島內恢復供電的負荷量。

b）在無法恢復全部負荷的情況下，必須盡可能多地恢復重要的三類負荷，用公式表示為

式中：Pimp——總共恢復的重要負荷量；

Pi·imp——第i個孤島內恢復的重要負荷量。

c）開關操作次數盡可能少。在地區電網中大部分的開關變動需要運行人員到現場手動操作去完成，為了降低運行人員的工作強度，縮短用戶停電時間，盡快恢復負荷供電，要求開關操作次數盡可能少，且延長開關的使用壽命也要求開關操作次數少。開關操作次數最少可以表述為

式中：Nop——開關操作次數；

d）搜索到的供電恢復路徑必須滿足的潮流方程，支路電流不能越限，變壓器實際傳輸功率不能超過其容量。用公式表述為

?i∈N，?j∈N，N為系統中的所有節點集合。

?k∈L，Ik為支路電流，L為所有支路的集合。

?t∈T，Pt、Qt、Stmax為變壓器的有功、無功和額定容量，T為所有變壓器的集合。

e）保持地區電網的輻射狀供電結構。即對于某個要恢復供電的孤島，只能由一條供電路徑為其恢復供電，不能由幾條供電路徑同時作為電源為其恢復供電，應避免產生電磁環網。

2 孤島處理步驟

模塊啟動時，先進行全網拓撲分析，將全網分成各個電島，并得到其電島類型屬性，得到電島中所包含的負荷大小及負荷的重要性屬性，并得到其邊界條件，存儲到內存里。

設置檢修或者事故運行方式，只有動作開關兩側才可能出現失電孤島，此時不必進行全網拓撲分析，只更新開關狀態，并在有開關動作的電島內重新拓撲分析形成新的電島，這樣做可以避免全網拓撲分析，節省時間。

在新形成的電島內尋找電源，如果能找到電源，則更新開關狀態（更新電島類型為帶電島），并進行動態著色。如果找不到電源，則判斷孤島中是否有母線，若沒有母線，則將其恢復路徑保存為其供電開關。若孤島中存在母線則形成失電孤島。統計各個失電孤島的電壓等級、負荷大小及負荷重要性，依次排隊。孤島處理順序為先處理電壓等級高的孤島（孤島電壓等級指的是孤島內設備的最高電壓等級），然后按負荷的大小和負荷的重要性順序排隊。對各失電孤島重新形成邊界條件，達成孤島任務。

孤島任務形成后，開始為孤島搜索新的供電路徑，本功能搜索模塊采用寬度優先搜索策略。寬度優先搜索方法是樹搜索法中的一種，它是基于網絡元件與節點的初始連接關系來實現的。搜索的順序可描述為：訪問了起始節點v后，依次訪問v的各個未訪問的鄰接節點v1，v2，…，vt，然后順序訪問v1，v2，…，vt的所有未訪問的鄰接節點，直到尋訪完網絡中所有的節點。如圖5的樹狀圖中，寬度優先搜索的順序為：v1→v2→v3→v8→v4→v5→v9→v10→v6→v7。

圖5 寬度優先搜索示意圖

寬度優先搜索按層次搜索供電路徑，先從最近的層次開始逐層向外搜索，保證了供電路徑上操作的開關最少，并且從失電孤島開始每次都只搜索對側的一個電島，如果搜到帶電島，則必定只有一條供電路徑通向它，避免了多個電源為失電孤島供電而出現的環網，保證了地區電網的開環運行。

從孤島任務中按任務排序逐一取出孤島，判斷孤島是否帶電，如果帶電則跳過，處理下一孤島；如果未帶電，則為其尋找供電路徑。讀取該孤島的所有邊界條件，拓撲分析找到其相鄰電島，如果相鄰電島為帶電島，則標記為一條恢復路徑，記錄通過該路徑需要操作的邊界條件；如果其相鄰電島不帶電，則進行多層搜索，通過不帶電的電島繼續搜索供電路徑。如果通過有限層搜索可以搜索到帶電電島，則標記此路徑為一條恢復路徑，記錄該路徑各電島間的邊界條件，這樣可以找到該孤島所有存在的恢復供電路徑[3，4]。孤島恢復處理流程圖如圖6。

3 潮流校驗

在尋找到供電恢復路徑之后，需要進行潮流校驗以判斷該路徑是否滿足潮流限制。對于有過載的情況要進行過載處理。本軟件使用潮流計算為依據，通過人機界面進行人機交互的方式進行最佳路徑的選擇，在實際應用中取得了良好的效果。潮流校驗的步驟如下[5]。

a)按孤島任務的恢復順序排序讀取一個孤島任務，取出一條供電路徑，合上該路徑的所有開關，調用潮流計算程序進行潮流校驗，如果沒有潮流越限的情況發生，則記錄為一條成功的恢復供電路徑。如果有潮流越限情況發生，則記錄為一條過載恢復供電路徑。

圖6 孤島恢復處理流程圖

b)對所有供電路徑進行潮流校驗后，對所有成功恢復供電路徑依次記錄所有操作的開關序列，并刪除所有的過載恢復供電路徑。

c)如果沒有搜索到成功恢復供電路徑，只有過載恢復供電路徑，就按過載恢復方案先對失電孤島進行恢復供電，選擇按過載量最小的供電路徑并做記錄。

d)如果不存在任何恢復方案，說明該孤島找不到恢復方案。

需要注意的是因搜索是從負荷側找到電源，但是最后操作時要求先從電源側逐級往負荷側操作，所以在經過多層搜索得到某條供電路徑時，需要將該路徑的邊界條件由電源側到負荷側的順序排列。

4 給出恢復方案

在對所有供電路徑進行潮流校驗之后，軟件會自動為用戶給出一條推薦的供電路徑，為運行人員提供決策。用戶也可以根據實際情況選擇別的供電路徑。本軟件給出推薦供電路徑的依據如下。

a)對于成功的恢復供電路徑，按操作開關次數最少排序，給出一條推薦的優選路徑以及需要操作的開關序列。

b)如果沒有成功地恢復供電路徑，只有過載恢復供電路徑，則給出過載量以及推薦可以切除的非重要負荷以消除過載。

c)如果只有一條恢復供電路徑，則無需評價，直接給出恢復方案。

利用如上評價策略給出的特殊運行方式恢復方案安全合理，符合運行方式制定目標和調度規程。由于引入了人機交互方式，可以由運行工作人員對供電路徑進行選擇，使恢復方案更加適合現場實際情況。另外可以將每個特殊運行方式以及恢復方案加上時間標簽備份到指定路徑中，以后可隨時調出查詢。

5 測試案例

以某地區電網為例說明本軟件模塊的功能，當前的運行方式斷面為：運行方式人員制定檢修運行方式檢修恩和變電站2號變壓器，其主變三側開關已經拉開。1號變壓器正常運行，全站所有負荷都由1號變壓器帶出。220 kV側雙母線接線，母聯開關在合位。110 kV側單母線接線，通過恩鳴線帶110 kV鳴沙變、通過恩風線帶110 kV風道溝變、通過恩紅線帶110 kV紅寺堡變，紅寺堡變電站投入備用電源自動投入裝置。35 kV側單母線分段接線，母聯開關在合位。檢修運行方式下的電網接線圖如圖7，圖中淺色開關為合上的開關，深色開關為斷開的開關。

圖7 地區電網正常運行方式接線圖

設定事故預想故障為在恩和變電站2號變壓器檢修的時候，1號變壓器發生故障，導致其三側開關動作跳閘。紅寺堡變電站因投入備自投裝置，自動斷開112開關并合上124開關，轉由田老莊變電站供電。則軟件將形成檢修設備和故障設備列表，給出所有動作的開關列表報告，并根據網絡拓撲分析自動搜索判斷事故形成失電孤島有2個，并給出各個失電孤島列表及孤島中的失電母線。

失電孤島1所包含的母線為：恩和變電站35 kV I段、II段母線。

失電孤島2所包含的母線為恩和變電站110 kV母線，孤島2所包含的變電站為110 kV鳴沙變電站、110 kV風道溝變電站。

軟件自動搜索到2個失電孤島，并將2個失電孤島進行排序，因為孤島1的電壓等級為35 kV，孤島2中最高電壓等級為110 kV，按優先恢復高電壓等級孤島的原則，所以孤島2在恢復順序中排在前面，并為兩個失電孤島通過“電島+邊界條件”的搜索策略尋找新的供電恢復路徑。在孤島2供電路徑校驗界面的下拉列表框中給出孤島2找到的所有供電恢復路徑，由用戶點擊選擇供電路徑，并且經過潮流計算校驗判斷供電路徑有無過載。

最后給出推薦的供電恢復路徑。軟件得出的孤島恢復結果如下。

a）孤島1，無供電恢復路徑。

b）孤島2的恢復結果如圖8所示。

圖8 軟件得到的孤島恢復結果圖

最后軟件給出推薦的供電恢復路徑：合上110 kV恩大線125斷路器，只需操作一個開關即可將所有失電的負荷恢復供電，并且電網各處不產生過載，此供電恢復路徑可以為此次事故運行方式提供輔助決策。用戶可以通過界面查詢所有的供電路徑及其優劣評價，并選擇一條可用供電路徑制定運行方式。

6 結束語

在地區電網運行方式工作中，對于檢修和事故運行方式將導致一些負荷的停電而形成失電孤島，本文提出了一種基于“電島+邊界條件”的供電路徑搜索策略，避免了為失電孤島尋找電源時大量節點支路鏈接關系的尋找方式，而是采用直接搜索對側電島的帶電性質，因而大大提高了搜索的速度；對所得到的供電路徑進行潮流校驗，將所有合格的供電路徑按操作的開關數排隊，并給出一條推薦的最優供電恢復路徑，可以對運行方式人員提供輔助決策。

［1］ 劉明慧，張東英.能在線應用的地區電網故障恢復系統［J］.電網技術，2006（2）:10-12.

［2］ 康巍晶，劉偉，李海城.配電網恢復控制的研究［J］.繼電器，2005（3）：20-23.

［3］ 王寅，趙冬梅.基于圖論的地區電網故障恢復雙層搜索算法［J］.現代電力，2008（4）：16-18.

［4］ 孫濤，張旭.地區電網故障恢復過程中負荷連續轉移策略的研究［J］.現代電力，2009（5）：17-19.

［5］ 趙冬梅，萬彥棟.電網故障恢復系統軟件的設計與實現［J］.現代電力，2002（2）：7-9.

On the Search of Power Supply Path in Regional Grid Operation Mode

LI Ze-Rong，HAN Peng，GAO Feng
（Taiyuan Power Supply Company，Taiyuan，Shanxi 030012，China）

In this paper,the power supply path search module of regional power supply operation platform is studied and developed.In the maintenance operation mode and in accident operation mode,it can automatically look for power supply path available for the loss load，and can tell the sequence of switch needed to be operated,which can provide assistant decision-making for the staff in operation.Finally，test is conducted on a regional grid which verifies the efficiency of the search of power supply path.

operation mode； power supply path； service restoration； assistant decision-making

TM73；TM727.2

A

1671-0320（2011）04-0005-06

2011-04-11，

2011-05-23

李澤榮（1984-），男，山西呂梁人，2008級華北電力大學電力系統及其自動化專業在讀碩士研究生，研究方向為電力系統分析、運行與控制；

韓 鵬（1983-），男，山西長治人，2007級華北電力大學在讀工程碩士，工程師，從事電力系統調度運行等方面的研究工作；

高 峰（1982-）男，山西呂梁人，畢業于華北電力大學，助理工程師，從事電力通信方面的研究工作。