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摘要：在配电网生产运行仿真系统原有城网模型的基础上，对如何建立农网模型、改进配电网潮流计算及故障计算、实现配电网复杂任务操作流程、实现配电设备的故障查找与处理进行了研究，提出了仿真系统在功能扩充过程中需要考虑的关键问题和改进的方法。
关键词：配电网；仿真系统；潮流计算；故障计算
作者简介：罗兴春（1971-），男，布依族，贵州惠水人，贵州电网公司培训与评价中心，高级工程师；王坤（1982-），男，山东单县人，贵州电网公司培训与评价中心，工程师。（贵州 贵阳 550002）
中图分类号：TM64 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）17-0233-02
一、研究现状
近年来，随着电网规模的扩大，电网的安全运行问题越来越突出，对配电网运行的要求也越来越高，但是电网的快速发展、高度智能化与电网运行人员的整体素质极其不协调，在配电网这一个层面更加突出。2010年，贵州电网公司培训与评价中心建设了配电网生产运行仿真系统，为电力生产运行人数最多的配电网操作运行人员（各级、各类配网电工）的实操技能培训提供了一个培训、比武及竞赛的操作平台。从2011年10月开始，仿真系统对贵州电网公司9个地区供电局配电网生产运行人员进行了多期远程培训，取得了良好的效果。
目前配网仿真系统的主要功能是以完成配电网基本工作过程仿真为主，包括配电设备操作、配电网简单任务操作、配电检修、配电巡视四大类型，没有涉及配电网复杂任务的操作仿真、不能够进行配电网事故的查找处理，仿真系统建立的虚拟环境为城市配电网，没有模拟农村电网。因此，现有仿真系统只能针对城区配网运行初、中级人员的培训，不能完全满足农村配电网运行人员以及配电网运行班组长、配电网调度运行等人员的培训需求。
二、目的和意义
电网是由各个电压等级的输电、配电设备组成，从超高压到高压、再到中低压，电网的运行人员按照电压等级的递减，呈几何级数的增加。农电工管理的电网设备处在电网的末端，在电网生产运行中却起着不可替代的作用，其人员数量也是电网企业最庞大的。由于农电工人员分散、总体素质偏低、学习积极性不高，因此不便于集中培训，针对农电工的培训一直是电网公司管理层非常关心而又非常头疼的事。
本文的研究可以扩充配电网仿真系统的培训功能，满足农网配电人员技能普及和技能提高培训，能够达到配电网生产运行中、高级人员的培训需求，并且可以利用系统远程培训功能进行远程培训，减少人员离岗时间、节省县级供电企业的培训开支，很好地解决现场生产一线存在的工学矛盾问题。
三、配电网生产运行仿真功能扩充研究内容
1.农网配电常规操作项目及配电网复杂操作任务
农村配网设备较城网设备少，操作相对单一；配电网复杂操作任务考虑采用比较典型、具有代表性的操作项目。经过调研分析，建议增加的农网配电常规操作项目共有14个大项，57个小项；建议增加的复杂操作任务项目共有6个大项，15个小项（见表1、表2）。
2.配电网的建模及与现有城市配电网的模型拼接问题研究
（1）农村配电网的建模。农村配电网的建模首先要考虑农村配网的特点，其特点如下：用户分散，配电设备类型少且较分散，配电线路较长；单线路、多级分段，线路可以很长，末端电压很低；以单线路为主，环网较少，只有部分重要用户有联络开关；基本没有智能开关（VSP5型），以人工手动操作为主。
因此，农村配电网的建模相比城区电网来说，设备反而少了，没有环网柜、地埋变、箱变、箱开等设备，电缆也很少用到。主要是柱上设备较多，很少有地台设备，没有地埋设备。
在设备建模上，农网设备建模工作量要比城网少很多。但在三维场景的建模上又体现了其复杂性，架空线路有跨越河流、湖泊、桥梁的情况，有穿越涵洞、桥梁的情况，作为仿真培训系统需要考虑各种特殊环境下的配电设备。同时农网线路较长，必须考虑线路的阻抗（城网基本不考虑架空线路阻抗，只考虑设备阻抗及电缆阻抗），配网潮流计算需要计算架空线路阻抗，因此计算量将大大增加，对潮流的收敛问题提出了较高要求。
（2）配电网仿真模型潮流计算的引入。潮流计算是电力系统稳态运行情况的一种基本电气计算，电力系统常规计算的任务是根据给定的网络结构及运行条件，求出整个网络的运行状态。
潮流算法基本要求包括计算速度、计算机内存占用量、算法的收敛可靠性、程序设计的方便性以及算法移植扩充等的通用灵活性。在数学上，潮流计算属于多元非线性代数方程组的求解问题，多采用迭代运算方法。现有常用的潮流算法有高斯—塞德尔法、牛顿法和快速解偶法。牛顿潮流算法的性能和特点：收敛速度快，若选择到一个较好的初值，算法将具有二阶收敛特性，一般迭代4～5次便可以收敛到一个非常精确的解，而且其迭代次数与所计算的网络规模基本无关。牛顿法所需的内存量较多，而且计算量也很大。快速解耦法与牛顿法相比，显著地减少了内存需要量和计算量，程序设计简单、计算速度快。由于引入了一些假设条件，因此在线路重载时，存在不收敛问题。
配电网仿真系统所采用的算法：配电网络具有辐射状或弱环网的特点，再加上其三相负荷和电气参数都存在不平衡现象，因此采用面向支路的前代回推法。这种算法具有节省内存、计算速度快、编程简单的特点。
（3）农网模型与城网模型的拼接。作为一个完整的动态模型，建立的农网模型与原有的城网模型需要进行模型拼接，要有电气上的联络，潮流统一计算、逻辑一致。在进行原有配电网仿真系统建设时已经考虑了后期的扩充，系统开发平台已经具备了该项功能。
3.配网仿真数学模型中配电网故障计算的引入研究
在现有仿真系统中，配网模型只进行了配网的潮流计算，能够正确反映配电网各个节点的电气量（频率、有功功率、无功功率、电压、电流），可以完全体现设备停送电前后的电压、电流等的变化，给配网人员一个逼真的仿真环境。由于没有引入故障计算，原有模型无法体现配电网发生短路故障后所出现的电气量变化，配电设备继电保护动作的真实再现。 故障计算是保证电力网稳定运行的重要分析手段。长期以来，故障分析主要采用对称分量法。该方法对于三相电气平衡的电力系统效果很好，但是用于本身就不平衡的配电网系统时该方法的优势不明显。因此，在不平衡的配电系统的潮流分析中，应用相分量法效果更好。应用相分量法进行故障计算是利用节点导纳阵和迭代补偿法，这种基于导纳阵的解法存在明显的不足之处：潮流计算和故障分析的算法与迭代过程不一致；对于线间短路处理起来非常复杂；没有考虑到配电网的网络特点，在因子化等方面比较复杂，计算量也较大。
经过研究讨论，建议采用的方法是利用前代回推算法和多端口补偿技巧，从而可以考虑回路节点、故障节点和PV节点等，实现了配电三相不平衡弱环网系统的短路分析，具有很好的收敛性和实时性。
4.配网复杂操作任务的实现，对现有数学模型、三维模型的改进研究
现有仿真系统模型主要对单一配电设备的操作仿真，只是简单处理了相邻设备的状态对应关系，没有将设备放在一个配电网里去考虑其操作后对全网的影响，潮流计算只是简单的处理（只计相邻设备的电压、电流），没有形成全网实时同步计算潮流。
要完成配网复杂操作仿真，数学模型中潮流计算要考虑全网同步潮流计算，设备要进行全网逻辑关联，才能逼真地反映配电网运行工况及各种物理量的变化。并且需要改进模型，使其具良好的鲁棒性，能实现培训过程中切换运行状态、进行倒闸操作和可能出现的多次故障处理。在培训“正常运行—故障状态—故障恢复”的过程中，能保证系统的连续运行，正确描述电力系统的动态过程，即使发生误操作也不会造成系统崩溃。在现有仿真系统继电保护模型的基础上进行深入仿真，以达到完全体现事故象征的真实再现。
三维模型中的设备状态（开关分合指示、仪表显示、保护显示）要与数学模型关联，完全对应。在农网场景建模时，必须将该环节考虑进去，实现配电网仿真实时再现。
四、结束语
在现有的配电网生产运行仿真系统的基础上，实现了配电网复杂任务操作流程，搭建了农村配电网生产场景，实现了配电设备的故障查找与处理，可以为贵州电网公司配电网生产运行各级各类人员提供一个岗位培训、技术练兵、技能竞赛的仿真平台。该项研究的开展可以扩展电力系统仿真在配电网方面的分析研究，为国内其他电网企业提供技术参考。
本文的研究只是一种探索，在国内也属于创新性研究，没有类似可参考成形的仿真系统，真正进行仿真系统的开发还有很多环节需要仔细研究。
参考文献：
[1]李刚，田冬梅.配电网三维仿真培训系统研究[J].广东电力，2008，（3）：28-31.
[2]周林，栗秋华，张凤，等.输配电线路施工仿真培训系统的研究与实现[J].系统仿真学报，2008，（1）：201-204.
[3]白延丽，张小木.面向对象技术在配电自动化仿真系统中的应用[A].第六届输配电技术国际会议论文集[C].2007.
[4]朱伟.配电运行管理仿真培训系统设计[J].中国电力教育，2005，（4）：25-26.
[5]Wang， Yong，Wang， Bangzhi，Lin， Changnian.Design and development of electric testing digital simulation and network training system[J].Automation of Electric Power Systems，2008，32（9）：100-103.
关键词：配电网；仿真系统；潮流计算；故障计算
作者简介：罗兴春（1971-），男，布依族，贵州惠水人，贵州电网公司培训与评价中心，高级工程师；王坤（1982-），男，山东单县人，贵州电网公司培训与评价中心，工程师。（贵州 贵阳 550002）
中图分类号：TM64 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）17-0233-02
一、研究现状
近年来，随着电网规模的扩大，电网的安全运行问题越来越突出，对配电网运行的要求也越来越高，但是电网的快速发展、高度智能化与电网运行人员的整体素质极其不协调，在配电网这一个层面更加突出。2010年，贵州电网公司培训与评价中心建设了配电网生产运行仿真系统，为电力生产运行人数最多的配电网操作运行人员（各级、各类配网电工）的实操技能培训提供了一个培训、比武及竞赛的操作平台。从2011年10月开始，仿真系统对贵州电网公司9个地区供电局配电网生产运行人员进行了多期远程培训，取得了良好的效果。
目前配网仿真系统的主要功能是以完成配电网基本工作过程仿真为主，包括配电设备操作、配电网简单任务操作、配电检修、配电巡视四大类型，没有涉及配电网复杂任务的操作仿真、不能够进行配电网事故的查找处理，仿真系统建立的虚拟环境为城市配电网，没有模拟农村电网。因此，现有仿真系统只能针对城区配网运行初、中级人员的培训，不能完全满足农村配电网运行人员以及配电网运行班组长、配电网调度运行等人员的培训需求。
二、目的和意义
电网是由各个电压等级的输电、配电设备组成，从超高压到高压、再到中低压，电网的运行人员按照电压等级的递减，呈几何级数的增加。农电工管理的电网设备处在电网的末端，在电网生产运行中却起着不可替代的作用，其人员数量也是电网企业最庞大的。由于农电工人员分散、总体素质偏低、学习积极性不高，因此不便于集中培训，针对农电工的培训一直是电网公司管理层非常关心而又非常头疼的事。
本文的研究可以扩充配电网仿真系统的培训功能，满足农网配电人员技能普及和技能提高培训，能够达到配电网生产运行中、高级人员的培训需求，并且可以利用系统远程培训功能进行远程培训，减少人员离岗时间、节省县级供电企业的培训开支，很好地解决现场生产一线存在的工学矛盾问题。
三、配电网生产运行仿真功能扩充研究内容
1.农网配电常规操作项目及配电网复杂操作任务
农村配网设备较城网设备少，操作相对单一；配电网复杂操作任务考虑采用比较典型、具有代表性的操作项目。经过调研分析，建议增加的农网配电常规操作项目共有14个大项，57个小项；建议增加的复杂操作任务项目共有6个大项，15个小项（见表1、表2）。
2.配电网的建模及与现有城市配电网的模型拼接问题研究
（1）农村配电网的建模。农村配电网的建模首先要考虑农村配网的特点，其特点如下：用户分散，配电设备类型少且较分散，配电线路较长；单线路、多级分段，线路可以很长，末端电压很低；以单线路为主，环网较少，只有部分重要用户有联络开关；基本没有智能开关（VSP5型），以人工手动操作为主。
因此，农村配电网的建模相比城区电网来说，设备反而少了，没有环网柜、地埋变、箱变、箱开等设备，电缆也很少用到。主要是柱上设备较多，很少有地台设备，没有地埋设备。
在设备建模上，农网设备建模工作量要比城网少很多。但在三维场景的建模上又体现了其复杂性，架空线路有跨越河流、湖泊、桥梁的情况，有穿越涵洞、桥梁的情况，作为仿真培训系统需要考虑各种特殊环境下的配电设备。同时农网线路较长，必须考虑线路的阻抗（城网基本不考虑架空线路阻抗，只考虑设备阻抗及电缆阻抗），配网潮流计算需要计算架空线路阻抗，因此计算量将大大增加，对潮流的收敛问题提出了较高要求。
（2）配电网仿真模型潮流计算的引入。潮流计算是电力系统稳态运行情况的一种基本电气计算，电力系统常规计算的任务是根据给定的网络结构及运行条件，求出整个网络的运行状态。
潮流算法基本要求包括计算速度、计算机内存占用量、算法的收敛可靠性、程序设计的方便性以及算法移植扩充等的通用灵活性。在数学上，潮流计算属于多元非线性代数方程组的求解问题，多采用迭代运算方法。现有常用的潮流算法有高斯—塞德尔法、牛顿法和快速解偶法。牛顿潮流算法的性能和特点：收敛速度快，若选择到一个较好的初值，算法将具有二阶收敛特性，一般迭代4～5次便可以收敛到一个非常精确的解，而且其迭代次数与所计算的网络规模基本无关。牛顿法所需的内存量较多，而且计算量也很大。快速解耦法与牛顿法相比，显著地减少了内存需要量和计算量，程序设计简单、计算速度快。由于引入了一些假设条件，因此在线路重载时，存在不收敛问题。
配电网仿真系统所采用的算法：配电网络具有辐射状或弱环网的特点，再加上其三相负荷和电气参数都存在不平衡现象，因此采用面向支路的前代回推法。这种算法具有节省内存、计算速度快、编程简单的特点。
（3）农网模型与城网模型的拼接。作为一个完整的动态模型，建立的农网模型与原有的城网模型需要进行模型拼接，要有电气上的联络，潮流统一计算、逻辑一致。在进行原有配电网仿真系统建设时已经考虑了后期的扩充，系统开发平台已经具备了该项功能。
3.配网仿真数学模型中配电网故障计算的引入研究
在现有仿真系统中，配网模型只进行了配网的潮流计算，能够正确反映配电网各个节点的电气量（频率、有功功率、无功功率、电压、电流），可以完全体现设备停送电前后的电压、电流等的变化，给配网人员一个逼真的仿真环境。由于没有引入故障计算，原有模型无法体现配电网发生短路故障后所出现的电气量变化，配电设备继电保护动作的真实再现。 故障计算是保证电力网稳定运行的重要分析手段。长期以来，故障分析主要采用对称分量法。该方法对于三相电气平衡的电力系统效果很好，但是用于本身就不平衡的配电网系统时该方法的优势不明显。因此，在不平衡的配电系统的潮流分析中，应用相分量法效果更好。应用相分量法进行故障计算是利用节点导纳阵和迭代补偿法，这种基于导纳阵的解法存在明显的不足之处：潮流计算和故障分析的算法与迭代过程不一致；对于线间短路处理起来非常复杂；没有考虑到配电网的网络特点，在因子化等方面比较复杂，计算量也较大。
经过研究讨论，建议采用的方法是利用前代回推算法和多端口补偿技巧，从而可以考虑回路节点、故障节点和PV节点等，实现了配电三相不平衡弱环网系统的短路分析，具有很好的收敛性和实时性。
4.配网复杂操作任务的实现，对现有数学模型、三维模型的改进研究
现有仿真系统模型主要对单一配电设备的操作仿真，只是简单处理了相邻设备的状态对应关系，没有将设备放在一个配电网里去考虑其操作后对全网的影响，潮流计算只是简单的处理（只计相邻设备的电压、电流），没有形成全网实时同步计算潮流。
要完成配网复杂操作仿真，数学模型中潮流计算要考虑全网同步潮流计算，设备要进行全网逻辑关联，才能逼真地反映配电网运行工况及各种物理量的变化。并且需要改进模型，使其具良好的鲁棒性，能实现培训过程中切换运行状态、进行倒闸操作和可能出现的多次故障处理。在培训“正常运行—故障状态—故障恢复”的过程中，能保证系统的连续运行，正确描述电力系统的动态过程，即使发生误操作也不会造成系统崩溃。在现有仿真系统继电保护模型的基础上进行深入仿真，以达到完全体现事故象征的真实再现。
三维模型中的设备状态（开关分合指示、仪表显示、保护显示）要与数学模型关联，完全对应。在农网场景建模时，必须将该环节考虑进去，实现配电网仿真实时再现。
四、结束语
在现有的配电网生产运行仿真系统的基础上，实现了配电网复杂任务操作流程，搭建了农村配电网生产场景，实现了配电设备的故障查找与处理，可以为贵州电网公司配电网生产运行各级各类人员提供一个岗位培训、技术练兵、技能竞赛的仿真平台。该项研究的开展可以扩展电力系统仿真在配电网方面的分析研究，为国内其他电网企业提供技术参考。
本文的研究只是一种探索，在国内也属于创新性研究，没有类似可参考成形的仿真系统，真正进行仿真系统的开发还有很多环节需要仔细研究。
参考文献：
[1]李刚，田冬梅.配电网三维仿真培训系统研究[J].广东电力，2008，（3）：28-31.
[2]周林，栗秋华，张凤，等.输配电线路施工仿真培训系统的研究与实现[J].系统仿真学报，2008，（1）：201-204.
[3]白延丽，张小木.面向对象技术在配电自动化仿真系统中的应用[A].第六届输配电技术国际会议论文集[C].2007.
[4]朱伟.配电运行管理仿真培训系统设计[J].中国电力教育，2005，（4）：25-26.
[5]Wang， Yong，Wang， Bangzhi，Lin， Changnian.Design and development of electric testing digital simulation and network training system[J].Automation of Electric Power Systems，2008，32（9）：100-103.