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摘 要 配网系统中，在向专线用户或综合负荷供电的分支馈线与主干馈线交接处，常常装有特殊形式的隔离开关。针对这种实际情况，目前基于变结构耗散网络理论的负荷均衡化算法，存在无法充分发挥上述特殊隔离设备操作灵活性从而取得更优解的问题。故通过引入虚拟开关概念，对上述特殊形式隔离开关进行建模，并在此基础上提出基于变结构耗散网络理论的负荷均衡化改进算法。算例分析表明，此改进算法可以充分发挥此类特殊隔离开关的操作灵活性，从而能够选出负荷比率最高的优化运行方案。
关键词 配电网络 配电自动化 变结构耗散网络 负荷均衡化
1 特殊配网接线负荷均衡改进算法的必要性
随着社会和经济的快速发展，广大用户对供电质量、供电可靠性提出了更高的要求，传统的配网结构、运行、管理等方式已不能适应当前的需求。因此，加强配网的建设，提高配网的管理水平，全面实现配电自动化迫在眉睫［1］［2］。
目前，配电自动化有很多种实现方式，但在户外分段开关处安装柱上FTU并建设可靠有效的通信网络将它们和配电网控制中心的SCADA计算机系统相连，并以此为基础进而构成一种高性能的自动化系统，是目前配电自动化的发展方向［3］。
为了降低配网中压（1～36 kV）故障的影响，一般采用环网供电、开环运行并结合馈线分段和负荷转移的技术［4］［5］。这同时也为配网正常运行时负荷均衡化的实现提供了前提条件，负荷均衡化的实现意味着采用同样的配网设备可以提供更多的电能，从而可以充分发挥现有设备的容量，推迟扩容投资的时间，为供电企业带来直接的经济效益［6］。为解决当前配电自动化中负荷均衡化的问题，文献［7］基于变结构耗散网络模型提出了相应算法。
目前，绝大多数的中压网络以主干馈线为基础，配变支路或分支馈线从主馈线上“T”接出来，如图1中A（配变支路），B（分支馈线）虚线框所示。文献［7］中提出的算法将B框中的分支馈线与主干馈线的接点2处理为耦合点。对于图1的网络，依据该算法可以对网络进行如图所示的顶点编号。但是在配网中，向专线用户或综合负荷供电的各种中压／低压（通常为10 kV／380V）配电所，在其与主干馈线的交接处常常安装有某种形式的隔离开关［5］。如图1中接点5对应的开关，该类特殊隔离开关系负荷开关的一种，它可以开合正常负荷电流，但不能开断故障短路电流，通过其上所配置的FTU的控制，可以实现远方操作。原算法没有考虑对这种特殊配网接线的处理，虽然我们可以将其看作耦合点并利用原算法进行负荷均衡化计算，但处理结果可能无法得到最优的运行方案，体现不了交接处5所安装的隔离开关的操作灵活性。即在负荷均衡化过程中，我们必须将开关4、6和13之间区域的负荷视为一个整体，由1、2、3号变压器之一独力承担。但实际上通过操作5处安装的隔离开关，可以将该区域内的负荷合理分解，从而由1、2、3号变压器共同负担，尽量避免出现一个变压器过热而另一个变压器过冷的情况。针对这样的问题，本文提出基于变结构耗散网络的负荷均衡改进算法。
2 特殊配网接线的处理
右图2（a）所示的向专线用户或综合配电负荷供电的分支馈线与主干馈线连接处的隔离开关（例如图1中交接处5所对应的开关），其开关（1）可以选取左合、居中、右合三种运行状态，总结其运行规律，可以将其转换成如图2（b）所示的形式，即图2（a）中的开关（1）分化为图2（b）中的虚拟开关①和开关②。转化前后的关系如表1所示。
根据图2（b）转化后的隔离开关接线图，可以相应地建立基于变结构耗散网络的配网模型，如图3所示。
图3中的开关①②③在处理时可看作文献［7］中定义的顶点①②③，而其两两连接的接点（图中小黑点所示）则可看作文献［7］定义的配电网络的T接分支，并对应图3中的耦合点④⑤⑥。根据表1中特殊隔离开关转换前后的关系，我们得出开关①、②不会同时闭合；另外在建立系统负荷矩阵时，由于点①～⑥之间的弧所供出的负荷为零，故负荷矩阵中这些弧的负荷均为零。
3 基于变结构耗散网络的配电网络处理
配电网络是典型的耗散网络［8］，将配电网络看作是一种有向图，采用邻接矩阵加以描述。变电站和开闭所的出线断路器、馈线上的分段开关和联络开关可以看作是顶点，馈线段可以看作是弧，其方向就是线路上潮流的方向，馈线段上所有配电变压器供出的负荷总和就是对应弧的负荷，流经开关的负荷就是对应顶点的负荷，从而构成描述配网的数学模型。图4中是一个含有特殊接线隔离开关的配电网络，系统当前负荷不均匀，根据上一节所讨论的对特殊隔离开关的处理方法，形成对应的耗散网络模型和顶点编号如图5所示，括号内为根据对应开关FTU上报求得的归一化负荷数据。
3．1 配电网络源点分布矩阵
建立1×N（N为配电网中馈线上的顶点数目）的源点分布矩阵B来描述配电网络中源点的
分布情况，即
3．2 配电网络的弧结构矩阵
图5例子中的弧结构矩阵C为：
3．3 配电网络的归一化负荷分布矩阵
建立N×N的配电网归一化负荷分布矩阵Ln，即
图5例子中的归一化负荷分布矩阵Ln为：
3.4 配电网络的源点归一化负荷矩阵
建立1×N的源点归一化负荷矩阵BL，即BL=[bl1bl2…blN]，
3.5 配电网络的负荷比率
定义网络中的最冷源点的归一化负荷与网络中的最热源点的归一化负荷之比为该网络的负荷比率，用BLN表示。
图5例子中的负荷比率BLN为：
BLN＝27／105＝0．257
4 算法介绍
4．1 负荷均衡化启动条件和数据结构准备
以相互之间存在连通关系的配网作为子系统，计算各个子系统的负荷比率，并判断是否低于最低负荷比率（BLCmin），若是则启动后继操作，否则退出负荷均衡化过程。一般假定BLCmin＝0．5。
另外，由于子系统的结构不够灵活、弧负荷分布极其不均匀或最低负荷比率设置不合理，均有可能造成无论如何改变子系统的网形均无法满足要求，从而出现程序死处理的情况。因此，应限制网形迭代变换次数（比如M次）。同时为便于选择执行最佳方案，需要建立顶点状态记录矩阵TR0，TR1，TR2，…TRM，以及容量为M＋1的负荷比率记录数组BLCD。
在TR0中记录初始顶点状态矩阵，BLCD0中记录初始负荷比率，设置迭代次数计数器count＝1。
4．2 基于子系统最热源点减负荷的子过程
该子过程从最热源点出发，搜索与其连通的末梢点，并从中选择负荷切换到子系统的最冷源点上，具体步骤如下：
（1）搜索与最热源点vmh连通的末梢点并存入队列EQ中，同时存放搜索途径中子系统的其余顶点到数组TA中。
（2）搜寻和EQ中的末梢点相连通的源点，并找出和最冷源点vmc连通的末梢点vp，令待合顶点VC和待分顶点VO均为vp。
（3）搜寻VO的父顶点，选择在TA数组范围内的vf。如果vf不是耦合点，则将待分顶点设置为vf，待合顶点不变，进行下一步。如果vf是耦合点，则在TA中去掉VO并设置VO为vf，循环本次操作。
（4）根据VC、VO修改顶点状态矩阵，在此基础上结合网络结构矩阵通过基形变化，得出弧结构矩阵。
（5）根据弧结构矩阵和各条弧的负荷，通过弧点变换，得出各顶点的负荷，进而得出归一化负荷矩阵。
（6）计算负荷比率，并将当前顶点状态矩阵的内容存入顶点状态记录矩阵TRcount中，将负荷比率存入BLCDcount中。
（7）count＝count＋1，并判断count是否大于M，若是进行第15步，若否进行下一步。
4．3 基于子系统最冷源点加负荷的子过程
该子过程从最冷源点出发，搜索与其连通的末梢点，并从中选择最热源点承担负荷切换到自身上来，具体步骤如下：
（8）搜索与最冷源点vmc连通的末梢点并存入队列EQ中，同时存放搜索途径中子系统的其余顶点到数组TA中。
（9）搜寻和EQ中的末梢点相连通的源点，并找出和最热源点vmh连通的末梢点vp，令待合顶点VC和待分顶点VO均为vp。
（10）搜寻VO的父顶点，选择不在TA数组范围内的vf。如果vf不是耦合点，则将待分顶点设置为vf，待合顶点不变，进行下一步。如果vf是耦合点，则将VO加入TA中并设置VC为vf，并循环本次操作。
（11）根据VC、VO修改顶点状态矩阵，在此基础上结合网络结构矩阵通过基形变化，得出弧结构矩阵。
（12）根据弧结构矩阵和各条弧的负荷，通过弧点变换，得出各顶点的负荷，进而得出归一化负荷矩阵。
（13）计算负荷比率，并将当前顶点状态矩阵的内容存入顶点状态记录矩阵TRcount中，将负荷比率存入BLCDcount中。
（14）count＝count＋1，并判断count是否大于M，若是进行第15步，若否进行下一步。
4．4 最优运行方案的选择和执行
该子过程具体步骤如下：
（15）根据顶点状态记录矩阵组和负荷比率记录数组的内容，选择负荷比率最高对应的方案为最优方案。
（16）将此方案下发命令执行。
5 算例分析
对于图4所示的含有特殊接线隔离开关的配电网络，其对应的耗散网络模型和顶点编号如图5所示，第3节中已经分别求出了源点分布矩阵B、弧结构矩阵C、系统归一化负荷矩阵Ln、源点归一化负荷矩阵BL、负荷比率BLN。
通过负荷均衡化后的运行状态如图6所示
此时的源点归一化负荷矩阵BL为：
BL＝［62 0 0 67 0 0 56 0 0 0 0 0 0］
负荷比率BLN为：BLN＝56／67＝0．836
而文献［7］中原算法将研究的特殊隔离开关视为耦合点，这种情况下进行负荷均衡化时，需将（v3，v9，v6）区域内的负荷视为一个整体，要么由v4处的10 kV母线全部供给，此时配网的负荷比率为27／127＝0．213；要么由v7处的10 kV母线全部供给，此时配网的负荷比率为31／101＝0．307。可见原算法中无论哪种运行方案得到的负荷比率均小于假定的最低负荷比率BLCmin＝0．5，同时远远低于改进算法得出的方案之负荷比率。显然改进算法通过充分利用特殊隔离开关的操作灵活性从而得到的运行方案优于原算法所得到的运行方案。
6 结语
通过上面算例，可以看到原算法在处理所研究的特殊配网接线负荷均衡化时存在缺陷，无法得到实际的最优方案。而采用本文提出的针对此特殊配网接线的改进算法，可以有效地解决上述问题，从而充分发挥分支馈线与主干馈线连接处特殊隔离开关的操作灵活性，达到尽可能优化地均衡网络负荷。同时，由于针对该特殊接线所建立的基于变结构耗散网络模型，可以将断路器、分段开关和联络开关以及特殊隔离开关所转化出来的虚拟开关同样看待，不必区分，应用非常方便。
参考文献
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