南沙配電網合環運行應用軟件開發

本科畢業設計（論文）

題目：南沙配電網合環運行應用軟件開發

學  院               

專  業     

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提交日期    2014 年 6月 10 日 

摘  要

合環運行可以解決配電網在倒負荷或設備檢修時出現的停電問題，但是在這個過程中系統可能會產生較大的合環電流而導致保護動作,進而給電力系統的安全穩定運行帶來相應的影響。針對這一特徵，開發配電網合環運行軟件對於配電網操作人員具有很大的指導作用，可以提高配電網合環運行的成功率，減少因為配電網合環電流過大而帶來的危險。

本文通過建立配電網合環運行的等值模型，通過前推回代法及區間原理對模型的潮流進行了詳細的計算。通過精確的方法計算出配電網合環線路兩側的電壓差，運用歐姆定理跟疊加原理計算出合環電流。通過分析合環電流產生的原因，對於系統中越限的線路還提供了合環電流的調節措施，主要是通過電容器補償去改變合環電流，使得合環電流可以在規定範圍內合環。

本文以VB6.0及Access2007數據庫為平台，立足於為用户提供實用、精確的工具，開發了配電網合環運行軟件。通過快捷、可靠的潮流計算，從而給運行人員的合環決策提供參考依據，提高了配電網合環運行的可靠性。

關鍵詞：配電網合環；區間算法；前推回代法；穩態電流

Abstract

In the closed loop operation can solve distribution network load that occur when a power outage or equipment maintenance/repair problem, but in the process of this system may produce larger caused by closed loop current protection action, thereby affect the safe and stable operation of power system. According to the characteristics, development distribution network closed loop operation software for distribution network operator has a great guiding role, can improve the success rate of the distribution network closed loop operation to reduce because of the danger of too much electricity distribution network closed loop.

In this paper, through the establishment of distribution network equivalent model of closed loop operation, by the power generation method and interval principle trend has carried on the detailed calculation for the model. Through the accurate method to calculate the distribution network voltage difference on both sides of the closed loop circuit, using ohm theorem and superposition theorem to calculate the closed loop current. By analyzing the reasons of the closed loop current, in the limit of the circuit for system also provides a closed loop current adjustment measures, mainly through the capacitor current compensation to change closed loop, can make the closed loop current closed loop within the specified scope.

Based on VB6.0 by use and Access2007 database platform, based on providing users with practical, precision tools, develop a software for distribution network closed loop operation. Fast and reliable by power flow calculation, thus to provide reference for decision-making of the closed loop operation personnel, improve the reliability of the distribution network closed loop operation.

Key words: power closed loop; Interval algorithm; Power generation method; The steady state current

目錄

摘  要I

AbstractII

第一章 緒論1

1.1選題背景1

1.2國內外研究現狀2

1.3本文的研究意義及主要內容3

1.3.1本文研究意義3

1.3.2本文研究的主要內容4

1.4本文安排4

第二章 配電網合環軟件的理論基礎5

2.1基於區間算法的前推回代5

2.2合環點選擇原理7

2.3短路電流計算原理8

2.4電氣設備校驗10

2.4.1校驗的主要設備11

2.4.2電氣設備校驗項目11

電抗器校驗11

導線校驗11

斷路器校驗12

負荷開關校驗12

2.5本章小結12

第三章 配電網合環軟件的設計13

3.1系統設計思路13

3.2軟件結構設計方案15

3.3系統的數據庫管理16

3.3.1數據庫特點16

3.3.2系統數據庫結構17

3.4系統使用流程圖17

3.5本章小結19

第四章 算例分析20

4.1系統數據管理20

4.1.1合環線路參數20

4.1.2變壓器型號21

4.1.3線路型號22

4.2區間電流計算23

4.3短路電流計算26

4.4本章小結27

第五章 結論28

參考文獻29

致謝30

第一章 緒論

1.1選題背景

電力系統主要由發電、輸電、變電、配電及用電五重要環節組成。其中配電環節直接影響着用户的電能質量，與人們的生產與生活息息相關[1-2]。隨着經濟社會的不斷髮展與進步，我國的用電量不斷增加。與此同時，配電網的結構也越來越複雜。所以，為了滿足人們對供電質量及供電可靠性的要求，供電企業需要不斷加強配電網的建設、提高配電網的管理水平。

我國的配電網主要採用閉環設計、開環運行的模式[3]。為了實現配網優化運行，提高供電質量和可靠性，減少用户停電時間，提升客户滿意程度，配電網合環運行是實現該目標的一種有效方式。然而在進行合環運行後，配電網原來的拓撲結構將發生改變，網絡潮流也會重新分佈，可能會引起難以控制的網絡循環功率，導致配電網中的保護誤動作、線路存在過負荷、電氣設備損壞損害的現象，危及人身安全與社會生產生活的事故發生。也就是説，配電網合環運行在減少用户的停電時間、提高系統供電可靠性的同時，又隱存着一定的危險性。從電力系統的安全出發，運行人員在進行配電網合環操作時，要控制配電網合環兩端的電壓差。儘量使得合環兩端的電壓差不能過大，否則會形成較大的合環電流，導致線路上的保護動作而帶來停電事故，從而擴大停電範圍。

正處於開發階段的南沙區擁有廣州市大量的工業區，與此同時，用電負荷也不斷增加，他們對供電可靠性的要求也越來越高。所以在經濟不斷髮展的同時，我們需要不斷的提高配電網供電的可靠性，以滿足用户不斷增長的需求。為此，配電網合環運行是解決這個問題的最佳途徑。

目前在我國很多城市中雖然有成功合環操作的例子，但是卻缺乏有力的理論與使用的軟件來指導。而是全靠運行人員的經驗來進行合環操作決策，這樣就很容易出現因為合環電流過大而導致配電網合環失敗，從而給電力系統的安全穩定運行帶來危險。所以，如何最大程度的提高配電網合環操作的成功率就顯得越來越重要。本文立足於為配電網的合環運行提供相應的參考依據，為用户提供舒適、實用的仿真軟件。

1.2國內外研究現狀

由於國外配電網的接線方式與繼電保護裝置與我國的配電網之間存在着較大的不同，且國外配電網合環的保護系統已經相當成熟，並可以通過隔離開關解決所有問題。所以外國對雙端供電網絡進行配電網合環的研究極少。例如：負責紐約城區與其他地區供電的美國電力公司---愛迪公司。90%以上地區採用環網系統，兩端電源由不同的線路供應，所以採用隔離器與真空重合閘。如果饋線或用户發生故障時就可以動作將故障自動隔離，而開環點的斷路器就會自動動作，從而恢復正常供電，減少停電時間[4-6]。

目前國內的配電網合環技術還不成熟，我國對合環運行的報道比較少。楊志棟等主要對合環暫態和穩態過程進行了相關研究, 最終總結出了比較形象的合環仿真模型和計算方法，合理的計算配電網合環過程中的穩態電流和瞬時最大沖擊電流。與此同時，他們還研究了影響配電網合環的主要因素，並得出限制合環電流的有效措施, 得出了對配電網合環運行具有指導意義的結論[7]。阮永麗從建立等值電路入手，通過分析10kV 配電網合環瞬間的衝擊短路電流、合環後穩態電流對保護的影響；以及合環中、解環運行時，線路長度、阻抗參數變化對保護的影響[8]。張少傑等對電網合環計算中的合環網絡模型建立、負荷模型建立以及潮流計算、合環穩態電流計算和合環衝擊電流計算的基礎理論進行了分析和研究，為合環操作輔助決策系統設計和開發給予理論支持和指導。在 VC++系統平台上設計並開發了電網合環計算分析系統，着重對系統總體設計思想、數據庫設計及其功能和系統各模塊的功能進行了詳細介紹[9]。

蔡瑩等提出了基於極端方式和典型方式的電磁合環操作安全性分析模型，評估了合環轉電的安全風險，並提出了應對措施，最後總結出10kV電磁合環操作的基本原則。對於提高合環轉電成功率，降低電網操作風險具有積極的意義[10]。哲林等對複雜配電網絡的合環穩態電流與合環衝擊電流的計算進行了詳細分析，改進了快速解耦法以適應於輸配一體化的合環電流求解。同時，應用了靈敏度分析的基本理論，最終得出了調整配電網合環電流的主要措施：調整變壓器變比、調整電容器補償量、網絡重構等等。並用數學的方式定量地闡述了不同調節措施的調節效果。運用數學方法對合環電流的綜合調控進行了建模，提出了基於遺傳算法的合環電流綜合調控策略,最後提出了綜合調節的效果更佳的結論。李家睿等結合系統實際情況，對典型的各類合環情況進行了合環試驗和校驗，全面總結配電網合解環熱翻負荷的適用範圍和條件，提供調度員熱翻負荷時負荷轉移的操作條件，提升熱翻負荷率和成功率，減少用户的停電時間，提高供電的可靠性，保證系統的供電質量[11]。

為了提高配電網合的供電可靠性，保證配電網合環操作的順利進行，在進行軟件編程時需要解決以下問題：

（1）建立合理的配電網合環模型

由於配電網的結構非常複雜，且隨着經濟的發展而不斷髮生變化。與此同時，調度中心難以獲得外部系統中完整的信息，所以就無法進行準確的潮流計算。基於這種情況，就必須建立合適的配電網的等值模型，為配電網的潮流計算提供方便，提高配電網合環軟件的精度。

（2）配電網負荷的處理

配電網中的負荷結構比較複雜，節點眾多，且負荷一般是分散、變化的，所以很難獲得實時準確的負荷參數，所以需要將饋線上的負荷進行一定的處理。

（3）配電網的潮流計算

由於配電網在進行合環操作時，配電網的潮流會發生較大的變化，在合環開關的兩側也會形成電壓差，由此便會產生合環電流。如果該合環電流過大，就會導致兩側線路過載，從而造成大面積的停電事故，影響配電網的正常運行。所以採用正確的潮流計算方法就顯得非常重要。

1.3本文的研究意義及主要內容

1.3.1本文研究意義

隨着國民經濟的發展，配電網的管理水平也需要不斷的提高。在這種情況下，擁有準確、實用的配電網合環軟件就顯得十分重要。廣州市南沙地區的電力負荷密度大,電網結構複雜,用户對電網供電可靠性的要求也越來越高。對於還處於開發階段的南沙區，還有很多問題需要進行規劃解決，避免出現不必要的損失。針對這一特點,我們開發了南沙配電網合環運行分析應用軟件。它立足於實際配電網合環操作的需要,對南沙地區的部分線路和負荷進行了適當的簡化,對可能的合環路徑進行分析。針對現實中可能存在的一些問題，運用區間算法、前推回代等方法，從潮流的角度給運行人員以合環依據,快速、準確地找出配電網最佳的合環路徑,達到安全與經濟的最終目標。可見,系統的開發有重要的實際意義。

通常情況下,運行人員沒有實用的軟件指導，只能憑經驗決定線路是否可以進行合環操作,這種方法不僅較為保守，而且還不可靠。如果由於錯誤合環就可能引起更大的線路故障，從而擴大停電範圍，降低電力系統供電的可靠性和安全性。因此,開發一套擁有精確潮流計算方法的合環決策軟件,為運行人員的合環操作提供依據。不僅可以自動判斷合環電流是否越限,還可以顯示出電力系統的損耗，為用户合環點的選擇提供參考依據[12]。與此同時，還可以為降低合環電流提供調整措施,從而減少停電損失。所以説，南沙配電網合環運行應用軟件具有很好的開發價值。

1.3.2本文研究的主要內容

本論文的主要工作有：

（1）選擇合適配電網潮流的計算方法，本文主要採用了收斂性較好的前推回代法。考慮負荷等其他因素的影響，本文還採用了區間算法，為用户提供了精確、使用的仿真系統軟件。

（2）通過建立配電網合環的簡化模型，為配電網合環電流的計算提供方便。

（3）立足於為用户提供精確、實用的軟件，進行配電網合環軟件的設計。

（4）根據現有的南沙局的數據資料整理出南沙局現有設備的型號跟參數，並構建出相應的數據庫，方便接下來的設計及以後用户的使用。

（5）運用南沙局的實際數據進行計算並分析，觀察計算的結果是否合理準確，並不斷提高程序的實用性與便捷性。

（6）不斷修改程序的主界面，為用户提供舒適及方便使用的界面。

1.4本文安排

本文按照從背景到現狀、從簡單到複雜、從理論到實驗的方式層層深入，論文共包括中英文摘要、目錄、主體部分、參考文獻和致謝五個部分。其中的正文主體包含5章和結束語，其具體結構安排如下：

第一章為緒論部分，主要介紹配電網合環運行的基本情況，包括研究背景、研究現狀以及本文的主要工作內容。本章分為4個小節；第二章配電網合環軟件的基本理論介紹，主要的理論包括：區間算法、疊加原理、前推回代法、正序等效原則等等。本章分為8個小節；第三章為配電網合環軟件設計思路及各個模塊的介紹，首先介紹了配電網合環軟件的 主要功能及其特點，接着對配電網合環軟件各個模塊的功能進行一一説明。本章分為5個小節；第四章為實例分析，主要運用了南沙供電局提供的數據選擇其中一條線路進行了合環電流計算，並得出了相應的結論。本章主要分為4個小節；第五章為結論，主要對全文進行總結，得出了配電網合環運行的一些結論。論文最後附上感謝語，向整個畢業設計過程中給予我指導和幫助的朱建全老師致謝，向所有的電力工作者及學者致謝！

第二章 配電網合環軟件的理論基礎

本章主要對配電網合環軟件所應用到的理論知識進行簡單的描述，讓讀者對配電網合環軟件中的潮流計算有一定的認識。首先是介紹軟件的潮流計算的主要方法：基於區間算法的前推回代法，然後依次對其他原理進行一一説明。

2.1基於區間算法的前推回代

合環電流計算是一種複數運算，其參數區間在運算過程中表現為一種複數區間的形式。在這種情況下，實數域的區間計算法則並不適用，必須採用新的計算法則。

定義2：對於實數域 中的任意區間 、 ， 稱為復區間。

對於復區間 和 ，其四則運算法則為：

              (1)

              (2)

(3)

                        (4)

                 (5)

基於上述原則，在配電網的潮流計算過程中，我們主要應用四則運算進行，包括一下幾個主要步驟：

步驟1：輸入合環電流計算的相關參數，包括合環節兩側變壓器高壓側的電壓區間，兩側支線和合環饋線的功率區間，以及兩側變壓器的阻抗參數和線路阻抗參數。

步驟2：由合環點兩側線路的功率區間，並結合各節點的額定電壓，計算合環點兩側線路和變壓器的功率損耗區間。

                         (6)

                              (7)

上式中  、 分別為 側線路的第 個元件的有功功率損耗區間和無功功率損耗區間； 、 分別為流經 側線路的第 個元件的有功功率區間和無功功率區間； 、 分別為 側線路的第 個元件的電阻和電抗； 為 側線路的第 個元件的額定電壓。

步驟3：由合環點兩側線路的功率區間，結合線路和變壓器的功率損耗區間，計算合環點兩側各元件的功率區間。

                       (8)

                        (9)

步驟4：由合環點兩側變壓器高壓側的電壓區間和功率區間，計算各節點的電壓下降區間（含幅值下降區間和相角下降區間）。 

                              (10)

                               (11)

式中  、 分別為 側線路的第 個元件的電壓降落的實部分量區間和虛部分量區間； 為 側線路的第 個元件的電壓區間。

步驟5：由合環點兩側變壓器高壓側的電壓區間，結合各節點的電壓下降區間，計算各節點的電壓區間。

(12)

式中  為 側線路的第 個元件的電壓相角區間。

步驟6：重複步驟2至步驟5（其中，步驟2採用電壓區間），直至各個節點的電壓區間和功率區間小於某一設定值。

步驟7：計算合環點兩側的電壓差區間 。

                              (13)

式中  、 分別為合環點左右兩側的電壓(合環點的電壓)。

步驟8：計算合環電流區間 。

                                                 (14)

步驟9：計算合環前合環點兩側饋線的電流區間。

                                  (15)

式中  為合環點 側待合環饋線的電流區間； 、 分別為合環點 側待合環饋線的有功功率區間和無功功率區間。

步驟10：計算合環後合環點兩側的電流區間。

                                   (16)

式中  為合環點 側的電流區間。當 與 同向時，式(16)取正；反之取負。

在進行潮流計算時可採用收斂性比較強的前推回代法。該方法包括前推與回代兩個過程，前推主要是由線路末端向始端推算時，全網電壓均假定為其額定電壓，僅計算各元件中的功率損耗而不考慮電壓降落；等到求得配電網的始端功率後，再運用給定的始端電壓和求得的始端功率由始端向末端逐段推算電壓降落。反覆進行前推與回代計算，直至誤差小於某一給定值。

本設計主要通過疊加原理求得合環後流過線路的電流，並與線路的載流量進行比較，以辨別該線路是否可以合環運行。

2.2合環點選擇原理

合環點選擇是配電網合環運行的一個關鍵問題。合環點的選擇直接影響到配電網線路的結構及其參數，對電力系統的潮流計算具有很大的影響，也是影響合環電流的主要因素之一。對於同一線路，可能在某一點下進行配電網合環，該線路的合環電流會越限，而在其他合環點下則不會。與此同時，不同合環點下系統產生的損耗可能也不同。所以，選擇一個最佳的合環點，既可以提高配電網供電的可靠性，又可以降低電力系統的損耗，提高供電企業的經濟效益。

在進行配電網合環點的選擇時，我們主要考慮安全與經濟兩個重要因素。從安全方面考慮，我們主要通過計算該點下的合環電流是否會超過線路的載流量，是否會對配電網的安全穩定運行帶來一定的衝擊。在進行合環電流計算時，考慮到運行方式等因素的影響，我們主要應用了區間算法，對不同合環點下產生的合環電流進行區間比較。從經濟性方面考慮，設備投資問題不是合環點選擇的所需要考慮的主要問題，我們主要是考慮在這一合環點下系統所產生的損耗，主要包括線路損耗與變壓器損耗等。我們這裏主要也引進了區間算法，方便用户進行對比。

基於每個合環點的選擇都與安全性和經濟性有關，而且每個合環點的安全性與經濟性往往存在着較大的區別。所以通過對配電網中每個合環點的安全性與經濟性進行綜合的比較，就能最終確定配電網的最佳合環點。

由於配電網合環軟件是基於區間算法下進行的，所以得到的合環電流與系統損耗都是區間。為了方便用户對不同區間進行比較，本文引進了信度的概念，方便用户對合環電流結果與系統損耗結果進行比較。其主要內容如下。

定義4：對於區間數 ，則其中點為 。

對於兩個區間數 、 ，區間 與區間 的大小關係可通過可信度 來度量：

(17)

根據上述的規則，便可從信度的角度對合環電流區間和網損區間進行比較，若 ，則區間數 小於間數 是可信的； 反之則認為區間數 小於間數 並不可信。通過這種方式，便可實現對不同合環點下的安全性和經濟性的有效評估。

基於電力系統安全第一的原則，我們主要以安全為首要考慮因素。在系統的安全穩定運行不受影響的前提下，我們從經濟性方面考慮選擇最佳合環點。如果系統的安全性都存在問題，也是從經濟性對合環點進行選擇。根據上述原則，本文提出了一種基於安全性與經濟性的配電網合環點選擇的評估方法，其流程圖如下所示：

圖2-1配電網合環點的安全性與經濟性雙層評估流程

通過對不同合環點的安全性與經濟性進行比較，系統最終就可以自動選擇出配電網模型下的最佳合環點。在這個計算過程中，主要以安全性為主要原則，又考慮到了經濟問題，為配電網的合環運行提供了最佳的選擇依據。

2.3短路電流計算原理

短路電流超標是限制配電網合環運行的一個重要問題。配電網在合環運行下，由於提供短路電流的支路數增加，短路電流也會隨之增大，從而導致配電網環路內與環路外的設備都面臨更大的短路電流衝擊問題。一旦系統中的設備不能承受這些衝擊，必然會給電力系統的穩定運行帶來很大的影響。

所以為了給用户的選型及校驗提供參考依據，本設計中添加了短路電流計算模塊。在進行配電網合環運行的短路電流計算時，我們主要是應用了正序等效原則。根據所建立的模型我們可以模擬在任何點處發生不同短路故障類型時的各種情況。本設計首先根據需要畫出在各點短路時的等效電路圖，由於模型已經建立，所以各短路點的等效電路圖都可以畫出來，這樣就可以分別計算出其正序阻抗 、負序阻抗 與零序阻抗 。根據正序等效原則可以寫成：即短路的正序電流為：

                                    (27)

式中  代表短路的類型， 為類型 的短路電流的正序分量， 為短路故障前短路點的電壓，  為正序電抗，  為附加阻抗，其值可通過表2-1進行計算。

表2-1簡單短路時的 

短路類型 

三相短路 

0

兩相短路接地 

兩相短路 

單相短路 

正序等效原則：在簡單不對稱短路的情況下，短路點的正序分量，與在短路點的每一相中加入附加電抗 而發生三相短路的情況相等。主要包括：單相短路、兩相短路、兩相接地短路以及三相接地短路。

由上述情況可知短路電流的絕對值與他的正序分量的絕對值成正比，即

                             (28)

式中  為類型 的短路電流的比例係數，其值可通過表2-2的公式進行計算。

表2-2短路電流比例係數

短路類型 

三相短路 

1

兩相短路接地 

兩相短路 

單相短路 

3

對於短路電流超標的線路，應該採取相應的措施去限制短路電流，以確保配電網可以安全穩定的合環運行。目前配電網限制短路電流的主要措施有：串聯電抗器、變壓器中性點結小電抗等等。目前串聯電抗器的技術相對比較成熟，在10-35KV的配電網中已經得到了廣泛的應用。其限制短路電流的效果也比較好，但是在這個過程中會產生一定的損耗。系統中主要通過加裝限流電抗器來解決短路電流超標的問題。

2.4電氣設備校驗

在配電網進行合環操作的過程中，系統會產生較大的衝擊電流，該電流可能會給電力系統的穩定和系統設備的安全帶來一定的衝擊，導致配電網中的保護誤動作，從而危害系統的穩定，嚴重時可能會危害人民的生產與生活。主要可能會帶來以下方面的影響：

（1）配電網合環時會產生較大的衝擊電流，該電流可能超過系統保護的整定值，導致線路上的保護誤動作，擴大停電範圍；

（2）合環時，配電網的潮流重新分配，可能會形成電磁環網，影響設備的安全。

（3）合環後產生的合環電流可能使線路某一側的電流值突然增大而超過線路的最大電流，從而給該線路帶來不穩定因素；

（4）合環後有可能造成某些線路重載的情況。

所以，為了保證電網與設備的安全穩定運行，我們必須進行電氣校驗。

2.4.1校驗的主要設備

配電網合環後，由於配電網系統中的潮流發生了變化，所以對於環內的某些設備可能會存在過載問題，而對於環外的設備，由於其功率基本不變，所以不存在過載問題。對於短路問題，由於環內設備受到的短路衝擊基本與未合環時一樣，所以不用考慮。而對於環外的設備，其受到的衝擊可能更加嚴重。

基於上述情況，我們在對合環線路的電氣設備進行校驗時，主要考慮以下情況：檢測合環線路中的設備是否存在過負荷問題；檢測系統中的節點電壓損耗是否過大；檢測合環線路外的設備能否接受更大的短路衝擊；變電站母線的出線設備能否承受短路衝擊。其主要設備有：斷路器、負荷開關、導線、限流電抗器等。

2.4.2電氣設備校驗項目

電抗器校驗

（1）電壓損失校驗

也就是説電抗器正常運行是電壓損失不能超過額定值的5%，且電壓損失值主要由於電流的無功分量產生。 為電抗器的額定值， 按發電機或變壓器額定電流的70%進行選取。

（2）短路時的母線殘壓校驗 

是指系統要求電抗器將短路電流限制到的值

（3）熱穩定與動穩定

其中 指電抗器允許的最大發熱量； 指三相短路衝擊電流的有效值； 指電抗器動穩定電流值。

導線校驗

（1）過負荷校驗：

其中 指流過導線的最大負荷電流, 導線最大允許值。

（2）電壓損失校驗：

導線電壓損失值： 

（3）熱穩定校驗：

導線截面積：      

其中： 指最小熱穩定臨界面積； 指穩態短路電流有效值；t指短路時間；C為係數，與導線的材料與温度有關。

斷路器校驗

（1）過負荷校驗：

其中 指最大負荷電流； 指長期運行所允許的電流值；

（2）開斷能力校驗：

其中 指次暫態短路電流； 指斷路器的極限開斷電流；

（3）熱穩定與動穩定校驗：

其中Q指實際發熱量； 指斷路器允許的最大發熱量； 指三相短路衝擊電流的有效值； 指斷路器動穩定電流值。

負荷開關校驗

（1）過負荷校驗：

其中 指流過導線的最大負荷電流； 

（2）動穩定與熱穩定校驗

其中Q指實際發熱量； 指斷路器允許的最大發熱量； 指三相短路衝擊電流的有效值； 指負荷開關動穩定電流值。

2.5本章小結

本章首先建立了配電網合環的等值模型，為配電網的潮流計算奠定了基礎。接下來對系統中應用到的各種理論進行了一一説明，包括：考慮配電網特點的區間算法的基本原理、電力系統潮流計算的前推回代法、以及與合環電流計算有關的疊加原理，接着還簡要介紹了與短路電流計算相關的正序等效原則，最後考慮到電流對系統及設備安全造成的影響，本章還簡單説明了有關電氣設備校驗的相關問題。本章是系統的理論基礎。

第三章 配電網合環軟件的設計

配電網合環軟件主要以第三章的理論作為基礎，運用Visual Basic 6.0作為工具開發出來的應用軟件。本系統通過設計出良好的人機界面，主要立足於為用户提供方便、實用的軟件為基礎，從而進行配電網的合環計算。本章主要對系統的設計思路、系統模塊進行一一説明。

3.1系統設計思路

隨着經濟社會的發展，人們對供電可靠性的要求越來越高。為此，電力系統的管理水平需要不斷提高，使我國的電力系統不斷走向簡捷化、自動化、智能化。電力系統中的配電環節與用户息息相關，為了保證對用户的高效、可靠供電，提高配電自動化水平也顯得越來越重要。在經濟全球化的社會裏，作為供電企業，我們在考慮安全性的前提下，需要不斷提高電力企業的經濟效益，也就是通過不斷改進配電網的管理水平，不斷降低配電網的損耗，提高電力系統的經濟性。

我國多數配電網採用閉環接線、開環運行。但在線路檢修與倒負荷時，為了保證對用户的正常供電，我們通常會採取合環操作。但是在合環的過程中，電力系統會產生較大的合環電流與衝擊電流，如果這些電流超過電力設備所允許的最大電流，就有可能對電力系統的安全穩定運行帶來危險。所以在進行配電網合環操作時，運行人員出於安全考慮，常常採取保守的辦法，就是在保證正常供電的情況下，儘量減少合環操作的次數，以提高電力系統的可靠性。

為了滿足配電網合環的需要，給用户提供安全可靠的配電網合環系統，我們制定了以下目標：

（1）開發一個實用的配電網合環軟件，既能為用户的合環操作提供參考依據，又能給用户提供友好、簡潔的人機界面，以滿足用户的需求；

（2）通過建立簡化配電網模型，運用可靠的區間算法對配電網的電壓、電流進行可靠的潮流計算。本文主要選擇了收斂性比較好的前推回代法。還考慮了配電網設備的損耗，為配電網的合環運行提供了可靠的依據；

（3）既能夠計算出配電網合環運行時的合環電流，還可以辨別系統的合環電流是否超過設備的最大電流。與此同時，又可以對不可合環線路提供相應的調節措施，提供配電網合環成功的概率；

（4）對於一個合環線路上擁有很多待合環的線路，系統可以為用户提供安全、經濟合環點的參考依據。

（5）該軟件還可以與數據庫等辦公軟件對接，為用户方便、快捷的使用環境；用户既可以很方便的將數據輸入、修改，又可以很方便的將結果進行保存。

（6）配電網合環運行軟件還具有實時更新功能，可以根據配電網的發展情況更新軟件裏面的變壓器及線路參數；

（7）該軟件還可以保存仿真結果，方便用户查看及對比不同仿真結果，選出最合適的方案；

（8）軟件可以計算出模型中不同節點、不同短路類型的短路電流情況，為用户的設備選型提供相應的措施。

為了實現以上目標，系統總體具有以下特點：

（1）模塊化

將系統根據功能分解成幾個模塊，他們之間既相互獨立，又有關聯。如果沒有將系統模塊化，系統就難以管理與使用。所以將系統模塊就便於用户使用，提高系統的便捷性。不同模塊之間相互獨立是指模塊之間的功能相互獨立，沒有過多的相互影響，這樣可以減少錯誤的擴張，提高準確性。各個模塊在原理之間又有相互聯繫。

（2）簡潔化

為了讓系統各個模塊看起來更加簡潔，降低系統的宂餘性，軟件將一些模塊隱藏起來，便於用户使用。這些隱藏起來的模塊是不可查看的，但是可以方便系統的潮流計算。為了讓用户更加直觀的看清數據，系統的標幺化模塊、潮流計算模塊是內藏的，用户在系統中觀察到的數據都是有銘值。

（3）實用化

為了讓運行人員可以更加方便、簡單、快捷的使用軟件，軟件在設計時儘量簡單明瞭，便於用户直接使用。其次考慮到電力系統的實際情況，為用户提供更多方便。例如軟件在輸入時添加了變壓器選型及線路選型環節，這樣就可以顯示出所選型號的全部參數，為用户的輸入帶來方便，從而減少多餘的輸入。用户也可以將結果用Excel格式導出，便於用户對結果進行應用。

（4）多樣化

為了使軟件使用起來更加靈活方便，軟件控件的顏色會隨着鼠標的移動而改變，這樣用户可以很快捷的輸入參數信息。與此同時，在短路電流的計算模塊中，如果短路電流超過了設備的額定電流值，系統輸出的顏色會自動改變，方便用户辨別。

（5）更新功能

隨着配電網的不斷建設與發展，配電網合環運行是必然趨勢。在這個過程中設備必然是不斷更新進步，所建造的線路也是不斷變化的，所以系統也是可以不斷更新的。用户隨時可以根據需要在系統中添加或刪除已建線路，也可以根據現實情況不斷更新變壓器及線路的數據庫。用户既可以在系統文件裏的數據庫修改，也可以直接在系統中直接更新數據。

3.2軟件結構設計方案

根據前面的目標及軟件特點，系統應該由以下幾個模塊構成：（1）系統數據管理模塊；（2）合環電流計算模塊；（3）合環點選擇模塊（4）短路電流計算模塊。系統的分塊如圖3-1所示

圖3-1配電網合環系統模塊結構圖

如上圖所示，系統主要分為三個模塊，對於新用户來説系統，只需要在系統數據管理模塊中輸入想要合環線路參數的信息，就可以在合環電流計算模塊中進行相應的計算，短路電流計算模塊可以計算出各點在不同短路情況下的短路電流，並提供相對應的電抗器選擇方案。

下面將對各個模塊進行簡單的説明：

（1）系統數據管理模塊

用户在這個模塊中主要進行合環線路參數的輸入。對於系統中已經存在的線路參數信息，用户也可以根據需要不斷地進行修改或刪除。在這個模塊中，主要包括：合環線路參數模塊、變壓器型號模塊與線路型號模塊。用户在這裏既可以不斷更新變壓器與線路型號的數據庫，也可以更新合環線路的參數信息。

（2）合環電流計算模塊

合環電流計算模塊是配電網合環軟件的主要內容。它以前推回代法與區間原理為基礎，通過電力系統的潮流計算，得出配電網模型中的網絡參數。例如模型中各節點電壓、合環電流、變壓器損耗及線路損耗等。軟件還可以根據計算出來的穩態合環電流與線路的載流量進行比較，判別合環電流是否越限，即該線路是否可以合環運行。對於合環電流越限的線路，軟件還可以提供相應的調節措施，目前主要是通過投入電容器調節。

（3）合環點選擇模塊

合環點選擇模塊是基於安全、經濟的原則，為用户提供最佳合環點的參考方案。通過對用户輸入的全部參數進行合環計算並進行比較，最終選出最安全、最經濟的合環點。系統自動輸出最佳合環點的線路編號、合環線路名稱、合環電流的最大值、合環電流的最小值、線路載流量、系統的最大有功損耗、系統的最小有功損耗。

（4）短路電流計算模塊

根據所建立的模型，用户可以在模型中選擇不同的短路點進行短路模擬，軟件可就以計算出不同短路類型的短路電流。與此同時，系統還給限流提供相應的電抗器選擇措施。對於不同情況的短路電流計算，系統還可以提供相應設備的動穩定與熱穩定等相關校驗。

3.3系統的數據庫管理

與數據庫鏈接是本軟件的另外一個重要特點。通過數據庫存儲數據不僅可以提高系統的運算速度，擴大系統的存儲量，還可以優化程序設計，並具有實時更新功能。用户隨時可以根據需要訪問數據庫裏的內容。軟件採用的是Microsoft Access2007數據庫。

3.3.1數據庫特點

Access數據庫可以存儲大量的數據，其通用性比較強。所以配電網合環軟件與Access數據庫鏈接擁有很多優點：

（1）便於使用。由於數據庫為ODBC，其具有良好的兼容性。所以用户即使在沒有安裝Microsoft Access數據庫的前提下，系統仍然可以應用數據庫的鏈接功能。其次，由於數據庫佔用的內存很小，所以使用起來也比較快捷。數據庫的存儲量還比較大，可以適應各種設備的存儲要求。

（2）功能更加完善。由於數據庫同時可以支撐OLE與DDE技術，可以實現數據庫內容多樣及便捷。用户可以利用這個特點實現數據的更新功能。

（3）實時更新。用户可以通過修改數據庫的內容而改變系統中的參數，不用在系統中進行修改。隨着系統參數的不斷增加，數據庫的內容也可以隨時更改。

3.3.2系統數據庫結構

系統中的數據庫主要包括以下內容：（1）配電網模型中合環線路的參數信息數據庫，包含了配電網模型的全部參數。（2）區間電流計算結果數據庫，包含了配電網潮流計算的全部結果（其中還有一個數據庫專門保存區間潮流計算的過程數據）。（3）變壓器數據庫（4）線路數據庫。（5）合環點選擇結果數據庫，包括了用户存儲的所有合環點的選擇結果（其中還包括合環點選擇計算過程中的一些數據）。

（1）合環線路參數數據庫

它主要包括配電網模型中所有的參數信息，是配電網潮流計算的基礎。其數據內容主要有：模型首端節點電壓的幅值與相角、變壓器的變比、電阻、電抗、線路的有功與無功負荷、線路電阻、線路電抗、電納等等。由於本系統應用的是區間算法，所以除設備參數外，其他參數都是區間數據，用户也可以根據需要輸入點數據。為了便於計算，全部數據都存儲在一張表中。

（2）區間電流計算結果數據庫

為了給用户的合環操作提供參考依據，通過用户輸入的數據進行潮流計算，系統將全部的結果保存起來。其主要數據包括：合環電流的幅值與相角、變壓器有功和無功損耗、線路的有功損耗及無功損耗、節點電壓的幅值與相角等。對於用户不想保存的數據，系統自動將其保存在一張臨時的數據庫中，待用户關閉後系統自動清除。對於用户想保留的結果，系統會用另外一個數據庫保存起來，方便用户調用。

（3）變壓器數據庫

變壓器數據庫主要包含了南沙供電局所提供的全部變壓器的型號、變比、電阻、電抗等。用户可以在系統中隨時查看、更新這些數據。

（4）線路數據庫

線路數據庫主要包含了南沙供電局提供的線路型號、電阻率、電抗率、電納率、載流量等。用户可以在系統中隨時進行查看與修改。

（5）合環點選擇結果數據庫

為了方便用户對合環點選擇結果進行查看，讓用户更好的瞭解合環後系統的合環電流與系統損耗，系統可以將結果全部保存下來。其數據包括：各側線路名稱、合環各側線路載流量、合環電流以及系統的有功損耗。

3.4系統使用流程圖

用户的使用流程圖如圖3-2所示，其主要內容有：

（1）根據所建立的配電網模型在界面中輸入完整的線路參數信息，並在數據庫中添加該記錄。

（2）進行配電網合環的潮流計算，從而計算出配電網合環產生的穩態電流以及變壓器與線路的損耗。

（3）如果因為合環電流過大而出現越限，系統會自動提醒，並提供相應的調節措施（主要是通過投入電容器）。

（4）如果投入電容器都無法調節至合理值，系統會顯示無法合環。

（5）系統還可以模擬四種短路故障類型，計算出不同短路點的短路電流。

圖3-2配電網合環軟件系統圖

3.5本章小結

本章主要闡述了系統的總體設計思路，主要有以下內容：

（1）系統的設計思路。主要包括系統的設計目標以及系統的特點。系統的特點主要包括：模塊化、簡潔化、實用化、更新功能。

（2）系統的結構設計。主要有以下模塊：系統數據管理模塊、合環電流計算模

塊、合環點選擇模塊、短路電流計算模塊。

（3）系統的數據庫管理。為了方便用户的使用，提高系統的運行效率，系統將數據庫分為以下部分：合環線路的參數信息數據庫、區間電流計算結果數據庫、變壓器數據庫、線路數據庫。

（4）系統的使用流程，方便用户對系統的使用有一定的認識。

第四章 算例分析

本章主要以南沙供電局某一條待合環線路為依據進行計算分析。其數據來源全部來自南沙供電局。

4.1系統數據管理

4.1.1合環線路參數

進入“系統數據管理”界面後單擊“合環線路參數”如圖4-1所示，在輸入框中輸入相應的信息。用户單擊“新建線路”就可以實現將輸入框中的全部信息保存到數據庫中，方便接下來的合環電流計算。在這個界面輸入兩側的合環線路參數後就可以進行合環電流計算。

圖4-1配電網合環參數界面圖

為了給用户使用提供方便。變壓器輸入可以點開下拉菜單，選擇合適的型號並按“確定”，這樣相應的變壓器的參數就會顯示出來如圖4-2所示。

圖4-2變壓器型號選擇界面

對於線路的選擇也是一樣的，點開下拉後選擇線路型號後單擊“確定”後會彈出窗口要求輸入線路長度，這樣就可以顯示出線路的參數，如圖4-3。

圖4-3線路參數輸入界面圖

如果配電網線路由多種型號的架空線組成，用户可以通過不斷選擇型號和輸入線路長度進行疊加計算，最後輸出的結果為累計後的參數，載流量為最小數值的導線,如圖4-4。

圖4-4線路參數確定界面

4.1.2變壓器型號

“變壓器型號”模塊主要是為了方便用户方便快捷的查看已有變壓器型號的參數，包括型號、變比、電抗、電阻。目前系統中只有南沙供電局提供的一些變壓器信息，用户還可以在這裏添加新的變壓器型號，方便以後的使用。

用户可以單擊主界面上“側邊框”的“系統數據管理”中的“變壓器型號”，會出現“變壓器型號”界面，如圖4-5所示。

圖4-5變壓器型號界面圖

（1）用户只需在界面右邊輸入變壓器的標號就可以看到所選變壓器的型號、變比、電阻、電抗；

（2）用户在相應的輸入框中輸入相應的參數，單擊“新建”就可以保存新的變壓器參數；

（3）用户在相應的輸入框中輸入相應的變壓器的編號，然後輸入相應的參數，單擊“修改”就可以修改變壓器參數；

（4）在相應的輸入框中輸入相應的變壓器的編號，單擊“刪除”就可以刪除變壓器參數；

4.1.3線路型號

“線路型號”模塊主要是為了方便用户方便快捷的查看已有線路型號的參數，包括型號、電抗、電阻、電導、載流量。用户還可以在這裏添加線路型號，方便接下來的使用。單擊主界面上“側邊框”的“系統數據管理”中的“線路型號”，會出現“線路型號”界面，如圖4-6所示。

圖4-6線路型號界面

（1）用户在界面左邊可以看到線路的型號、電阻、電抗、電納、載流量；也可以在右邊的線路編號輸入框中輸入線路編號就可以查看該型號的所有參數。

（2）用户可以在相應的輸入框中輸入相應的參數，單擊“新建”就可以保存線路參數；

（3）用户可以在相應的輸入框中輸入相應的線路的編號，然後輸入相應的參數，單擊“修改”就可以修改線路參數；

（4）用户在相應的輸入框中輸入相應的線路的編號，單擊“刪除”就可以刪除線路參數；

4.2區間電流計算

區間電流計算模塊主要是為了計算合環電流，其中還可以顯示出各節點電壓、變壓器及線路損耗，系統對越限的線路，還會提供相應調節措施。（目前系統只能提供電容調節，其他措施還有待開發）

區間電流計算模塊主要是根據數據管理系統中的數據，運用區間算法，根據前推回代法求出節點電壓、系統損耗以及合環電流。用户在進行區間電流計算之前要在“系統數據管理”中輸入完整的線路參數信息，也可以在系統自帶的線路參數中選擇，如果沒有適合用户仿真的線路參數，請用户單擊“新建線路”進行添加線路信息。

用户可以單擊主界面上“側邊框”的“區間電流計算”，即進入了區間電流計算管理界面，如圖4-7所示。

圖4-7廣安4區間電流計算界面圖

本章主要以廣安4為例進行配電網合環電流計算。用户只需在兩側分別選擇廣安4然後單擊“計算“就可以進行配電網合環電流計算。系統輸入的信息如下：

表4-1廣安4配電網輸入的參數值

各側線路名稱電壓最大值1電壓最小值1電壓相角最大值1電壓相角最小值1

1側飛沙F4117.7106.70-5

2側虎橋F17117.7106.70-5

變壓器電抗變壓器電抗變比最大有功負荷2最小有功負荷2

0.0075635140.401309909116.702646913865.957908367875

0.0028268650.164594138116.0250166764155.355570379035

最大無功負荷2最小無功負荷2線路電阻線路電抗線路電納

3.2462400613062.885546721161.2388739990.28589399998420

2.9180487584042.5938211185822.3147919990.76943200003420

線路最大有功負荷3線路最小有功負荷3線路最大無功負荷3線路最小無功負荷3線路載流量

1.4894770919690.7447385459840.7213866800.360693340145.364

1.3388925947590.6694462973790.6484552790.324227639823.409

通過配電網合環系統計算得出以下結果：

表4-2配電網廣安4合環軟件結果

各側線路名稱電壓最大值3電壓最小值3電壓相角最大值3電壓相角最小值3

1側飛沙F41.0037842990.881678045-1.240849137-7.518001556

2側虎橋F171.002229810.877630711-0.383214891-6.245779514

合環後電流最大值合環後電流最小值變壓器最大有功損耗變壓器最小有功損耗變壓器最大無功損耗

0.38760000507.0338E-063.71159E-060.000373204

0.42320001102.08265E-061.11089E-060.000121262

變壓器最小無功損耗線路最大有功損耗線路最小有功損耗線路最大無功損耗線路最小無功損耗

0.0001969323.95922E-057.63643E-069.13666E-061.76225E-06

6.46817E-056.03275E-051.1565E-052.00527E-053.84418E-06

系統輸出的結果界面圖如圖4-8所示。

圖4-8配電網合環軟件輸出結果

由上述表中數據我們可以看出：一側飛沙F4線路的最小載流量為0.364KA，而合環後產生的最大穩態電流為0.3867KA.二側虎橋F17線路的最小載流量為0.409KA，而合環後產生的最大穩態電流為0.4232KA。也就是説，如果沒有進行任何調節措施就進行合環，該線路可能就會出現電流越限的情況，就可能給配電網的安全、穩定運行帶來危險。在這種情況下就必須得進行合環電流的控制，本軟件合環電流的主要調節措施是投入電容控制。通過投入電容器組去限制合環電流。在本算例中，無法通過投入電容器組使合環電流在最小載流量的範圍內，結果如圖4-9所示。也就是説，操作人員在這種情況下無法通過投入電容器進行合環操作。

圖4-9配電網合環軟件越限控制界面圖

4.3短路電流計算

短路電流計算模塊是模擬根據模型的實際情況，選擇一些可能出現短路的地點，模擬四種短路故障類型（單相短路、兩相短路、兩相接地短路、三相短路），從而計算出短路電流。用户可以單擊“邊框”的“短路電流計算”，就會彈出一個窗口，如圖4-10.

圖4-10配電網合環軟件短路電流計算結果

用户只需要在界面的相關的區域內輸入配電網的參數信息，包括外網電壓值，變壓器、外網、線路及負荷的正序、負序、零序阻抗，以便用户進行電抗器的選擇。輸入數據後，用户需要單擊“環內短路電流計算”或“環外短路電流計算”，系統就會自動模擬四種短路故障，從而計算出在不同短路點及不同短路故障時的短路電流。

為了防止因電力系統發生故障時而導致短路電流過大，我們一般會選擇投入電抗器。用户可以單擊“設備校驗”，系統就會彈出一個窗口如圖4-11所示。

圖4-11電抗器百分數選擇界面

用户單擊“選擇電抗器”，並在電抗器電抗百分數選擇框內輸入相應的信息，單擊“確定”，系統就會計算出結果。由於這裏缺乏相應的數據，所以這裏就不在加以計算。

4.4本章小結

本章主要是用第三章的基本理論編譯出來的配電網合環運行軟件進行實際應用的説明。通過南沙供電局提供的數據進行配電網合環計算的模擬仿真，並最終得出了相應的結論，用事實説明了配電網合環軟件的可行性。

第五章 結論

本文主要立足於配電網潮流計算方法中的前推回代法，應用了區間算法的基本理論，通過建立配電網簡化模型，對配電網的合環進行了潮流計算。與此同時，運用VB6.0及Access數據庫作為平台開發了這個軟件，使得配電網的合環計算更加方便、快捷，為配電網操作人員提供了參考依據。本文對於提高配電網供電可靠性具有重要意義。本文主要內容有：

（1）對於10KV低壓配電網，通過考慮電壓相角及負荷變化對潮流計算的影響，使用了區間電壓及區間負荷，使得潮流計算結果更加準確。這個模型與現實情況更加相似，具有很好的利用價值。

（2）通過前推回代法對配電網的合環進行潮流計算，從而得到模型中各節點電壓，通過比較合環開關兩側的電壓差，最後運用歐姆定理與疊加原理計算出配電網合環時的穩態電流。本文分析了合環電流產生的原因，並提出了配電網合環的條件。對於合環電流過大而導致越限的線路，系統還提供了降低合環電流的方法。

（3）考慮到電力系統可能出現的短路故障，軟件還模擬了四種短路故障類型，分別計算出其短路電流情況。對於短路電流超過設備保護值的線路，本文還提供了限流的措施。

（4）為了滿足用户的使用要求，立足於前推回代法與區間算法，運用VB6.0及Access數據庫開發了一套配電網合環軟件。通過建立配電網的等值模型，對配電網的合環進行了準確的計算，且計算精度較高。本文對於系統的使用進行了詳細的説明。

由於時間跟水平的限制，本文還有很多不足：

（1）配電網在合環的暫態過程比較複雜，需要考慮的因素也比較多，所以本文對衝擊電流的研究很少，這個也是配電網合環時需要注意的問題。

（2）對於合環電流的限制措施，本文主要研究了投入電容器調節，遠遠難以滿足工程實際需要。

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致謝

本文在完成的過程中遇到了很多難題，幸好有朱建全老師的認真指導與幫助。朱老師不僅學識豐富，而且思維嚴謹。在論文完成的過程中給予我很多的修改建議。不僅在學術中給予我以明燈，在生活上更是給我很大的指導與幫助。在大學期間，非常感謝有朱老師的認真指導。

藉此論文完成之時，特向對我認真指導的老師致以最真誠的謝意和崇高的敬意。

最後，感謝大學以來同學們對我的無限支持與幫助。

指導教師對本設計（論文）的審閲意見：

論文致力於南沙配電網合環運行應用軟件的研究，選題具有較好的理論意義和應用價值。還根據實際情況編譯出實用的配電網潮流計算的程序，可以很好的計算出配電網中各節點的狀態信息。

本論文的主要成果有：1、建立了配電網合環運行模型，選取了比較實用的配電網合環等值模型，為配電網的潮流計算奠定了良好的基礎。2、通過選取正確的潮流計算方法，將其應用與實際情況，很好的計算了配電網合環運行時的實際情況，為配電網的合環運行奠定了較好的基礎。3、與廣州南沙的10kV配電網的實際情況結合，整理出其設備的具體型號與參數，很好的提供了方便用户的使用的軟件。4、立足於安全與經濟兩個方面，為配電網合環點的選擇提供了較好的參考依據。

論文的不足之處：對於主網的研究相對較少，對於配電網合環過程中暫態過程也沒有進行相關研究。今後的研究可以針對這些問題進行相關探討。

論文研究內容豐富，具有較強的實用性，結構嚴謹，條理清晰，書寫規範，公式推導正確，結論正確，對南沙配電網的合環運行提供了良好的參考依據。

指導教師簽名：

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