CN104268694A - 一种主动配电网控制系统评价方法及主动配电网规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动配电网控制系统评价方法，属于主动配电网控制技术领域。本发明利用一系列评价指标对主动配电网的控制系统进行评价，所述评价指标包括等效单位时间运行费用 CEAC 、冗余度 R _C、控制可信度 CR 、控制成效 CE 、响应灵敏度 CS 、决策延迟时间 CD 。本发明还公开了一种基于该评价方法的主动配电网规划方法。本发明解决了主动配电网在自身控制特性方面评价分析不足的现状，本发明所构建的评价指标体系计算方法简单、体系内容全面，能够快速有效的反映出主动配电网控制系统的经济、技术效益，并为主动配电网的规划运行分析提供有力的数据支持。

Description

一种主动配电网控制系统评价方法及主动配电网规划方法

技术领域

本发明涉及一种主动配电网控制系统评价方法，属于主动配电网控制技术领域。

背景技术

国际大电网会议(CIGRE)于2008年提出了“主动配电网”的概念，使得电力系统配电网进入了新的发展阶段。电力系统配电网的主要任务是直接供给用户电能，由于其目标在于电能的分配与使用，在当前电能作为生活必备资源的条件下，主动配电网的技术变革对于国民日常生活和社会稳定和谐至关重要。主动配电网的目标在于通过对现有配电网进行升级改造，使其能够尽可能多的吸收多样化能源，能够积极应对负荷侧的需求响应，主动协调控制各种非正常运行方式下的扰动。主动配电网的核心要素在于其自身的控制系统，控制系统的引入初衷是更好地调节电网运行状态以达到主动运行的目的。但是，电力系统作为结构庞大、元件繁多的复杂系统，新增的控制系统本身对电力系统的分析带来了不可忽略的影响。

电力系统评价指标体系是电力系统建设和发展的标杆。无论是在输电网和配电网中，通过构建合理的评价指标体系，可以保证电力系统的各项性能达到统一，从而实现经济有效的电能传输。传统的评价体系中，主要关注的性能指标包括电能传输可靠性、电网建设经济性、电网稳定性等。随着能源事业的进步与用户需求的提高，评价电网的指标体系在不断发展，与电网发展的特点保持一致，后出现的指标包括：电能质量、安全稳定性、动态稳定性、环境保护指标、新能源(风电或光伏)接纳能力以及计及可靠性的经济性指标等。

然而，主动配电网控制系统的主动协调控制特征使其对此电网产生了新的影响，现有的指标体系难以适用于主动配电网的全新特征。虽然基于传统的系统侧和用户侧的指标仍然能够对配电网的各项状态做出评估，但对主动配电网自身的控制性能而言没有合理可行的评判标准。鉴于主动配电网对于用户用电的重要作用以及其自身评价指标体系的匮乏，亟需一种能够对主动配电网的控制系统进行准确而客观评价的评价指标体系，进而为主动配电网的规划与运行提供有效支撑。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种主动配电网控制系统评价方法，能够对主动配电网自身的控制特性、经济特性给出准确而客观地评估，进而有效地指导主动配电网的规划与运行。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种主动配电网控制系统评价方法，利用一系列评价指标对主动配电网的控制系统进行评价，所述评价指标包括等效单位时间运行费用CEAC、冗余度R_C、控制可信度CR、控制成效CE、响应灵敏度CS、决策延迟时间CD，各评价指标的表达式具体如下：

$\mathrm{CEAC}=\frac{1}{N}{C}_{\mathrm{con}}+C_{\mathrm{op}},$

R_C＝C_con/C_min，

CR＝N_effi/N_total，

$\mathrm{CE}=\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{total}}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{C}_{\mathrm{save}}^i,$

CS＝N_act/N_total，

CD＝T_ref+T_cal+T_eva，

其中，N、C_con、C_op分别为所述控制系统的计划运行时限、建设安装费用、运行维护单位时间费用；C_min为所述主动配电网规划时期可行的最小控制系统建设投资；N_effi为所述控制系统通过主动控制有效降低系统风险提高可靠性的次数；N_total为所述控制系统的主动控制总次数；为所述控制系统的第i次主动控制所降低的系统运行风险费用；N_act为所述控制系统中的一个元件成功完成主动控制指令的次数，所述控制系统中的每一个元件对应一个CS指标；T_ref为从所述配电网出现扰动或者风险至该扰动或者风险被控制系统检测到的平均时间；T_cal为所述控制系统根据所检测到的扰动或者风险计算出相应的主动控制策略的平均时间；T_eva为所述主动控制策略得到执行所需的平均时间。

进一步地，所述评价指标还包括经济技术效益指标E_ADN，其表达式如下：

$E_{\mathrm{ADN}}=\mathrm{CR}(\mathrm{CE}-\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{CEAC}}_j),$

式中，CEAC_j表示所述控制系统从建成起第j个单位时间的等效单位时间运行费用，N为所述控制系统的计划运行时限。该指标可以直接反映出对于主动配电网控制系统实施与构建的经济效益，显然，E_ADN大于零时本式有意义，且其幅值表征了主动配电网控制系统带来的经济效益；E_ADN小于等于零说明主动配电网控制系统的引入无意义。

利用上述技术方案可实现主动配电网的设计规划、主动配电网的控制方案优化等，例如：

一种基于如上所述评价方法的主动配电网规划方法，包括以下步骤：

步骤1、对主动配电网进行数据初始化，并获取主动配电网中各元件的以下参数：N_act、N_total、T_ref、T_cal、T_eva；

步骤2、设定主动配电网单位时间等效运行费用最小为规划目标；

步骤3、设定约束条件，所述约束条件包括有功功率约束、无功功率约束、节点电压约束、配电网可靠性约束；

步骤4、对每一个元件，根据其N_act、N_total计算其响应灵敏度CS；

步骤5、生成符合约束条件的多个方案，构成可行方案集，其中可靠性约束计算中加入CS指标；

步骤6、对生成的每一个方案进行校核，具体方法为：N-1静态安全分析校核，设定系统中N_total故障场景，制定主动配电网的故障相应策略，并分析每一次主动控制后系统的统计有效控制次数N_effi，计算CR和CE，分析当前策略下同时响应元件的最长动作时间，计算CD；

步骤7、从可行方案集选出最优方案，最优方案的目标值即为CEAC。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提出了一种全新的主动配电网控制技术评价指标体系，解决了主动配电网在自身控制特性方面评价分析不足的现状。本发明所构建的评价指标体系计算方法简单、体系内容全面，能够快速有效的反映出主动配电网控制系统的经济、技术效益，并为主动配电网的规划运行分析提供有力的数据支持。

附图说明

图1为本发明提出的控制系统评价指标体系的构成示意图；

图2为本发明提出的控制系统评价指标的适用方法示意图；

图3为本发明主动配电网规划方法的流程示意图；

图4为主动配电网馈线规划图例；

图5为主动配电网微网并网点规划图例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明针对主动配电网的全新特征，提出一套完整的经济技术评价指标体系，利用一系列评价指标对主动配电网的控制系统进行评价，该评价体系中的评价指标按照指标的用途分为决策类指标和辅助类指标，按照指标的性质分为经济类与性能类两个方面。经济类中包括控制系统等效单位时间运行费用、控制系统冗余度两项具体指标，其中控制系统等效单位时间运行费用是决策性指标，控制系统冗余度是辅助性指标；性能类中包括控制可信度、控制成效、响应灵敏度、决策延迟时间四项具体指标，其中控制可信度、控制成效是决策性指标，响应灵敏度、决策延迟时间是辅助性指标。决策类指标用于直接表征主动配电网控制系统的经济技术水平，辅助性指标适用于主动配电网的规划运行分析。通过决策类指标的直观分析可以直接获取主动配电网控制系统与技术的评价水平。

本发明所提出的评价指标包括：等效单位时间运行费用CEAC、冗余度R_C、控制可信度CR、控制成效CE、响应灵敏度CS、决策延迟时间CD，其所构成的评价指标体系如图1所示，各项指标的具体计算方法具体如下：

等效单位时间运行费用(所述单位时间可为月、季度、年等，通常采用年)：

$\mathrm{CEAC}=\frac{1}{N}{C}_{\mathrm{con}}+C_{\mathrm{op}}$

其中，N为控制系统计划运行年限，C_con为控制系统建设安装费用，C_op为控制系统运行维护单位时间费用。

控制系统冗余度：

R_C＝C_con/C_min

其中，C_min为主动配电网规划时期可行的最小控制系统的建设投资。

控制可信度：

CR＝N_effi/N_total

其中，N_effi为控制系统通过主动控制有效降低系统风险提高可靠性的次数；N_total为控制系统的主动控制总次数。

控制成效：

$\mathrm{CE}=\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{total}}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{C}_{\mathrm{save}}^i$

其中，为控制系统的第i次主动控制所降低的系统运行风险费用，显然若为有效控制，则大于零，反之则小于或等于零。

响应灵敏度：

CS＝N_act/N_total

其中，N_act为控制系统中的一个元件成功完成主动控制指令的次数，在控制系统中的每一个元件对应一个CS指标，在控制系统进行一次主动控制过程中，系统中各元件均会接收到一个相应的控制指令，要求元件动作或者不动作，元件按照相应的控制指令动作或不动作即认为其成功完成了主动控制指令。

决策延迟时间：

CD＝T_ref+T_cal+T_eva

其中，T_ref为从配电网出现扰动或者风险至该扰动或者风险被控制系统检测到的平均时间；T_cal为控制系统根据所检测到的扰动或者风险计算出相应的主动控制策略的平均时间；T_eva为主动控制策略得到执行所需的平均时间。

将控制系统等效单位时间运行费用和控制可信度、控制成效三个决策指标联合分析，可以得到主动配电网控制系统的经济技术效益指标，该指标可以直接反映出对于主动配电网实施与构建的经济效益，其计算方法为：

$E_{\mathrm{ADN}}=\mathrm{CR}(\mathrm{CE}-\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{CEAC}}_j)$

其中，CEAC_j表示所述控制系统从建成起第j个单位时间的等效单位时间运行费用。显然，E_ADN大于零时本式有意义，且其幅值表征了主动配电网控制系统带来的经济效益；E_ADN小于等于零说明主动配电网控制系统的引入无意义。

利用以上构建的评价指标体系可指导主动配电网的设计规划、运行分析等工作，配电网的规划在考虑电网各项要求满足后专注于经济效益的提升，而配电网的运行以系统可靠性为控制目标。如图2所示，本发明所提的指标中，单位时间运行费用CEAC表征了主动配电网在建设后的运行费用，一方面作为规划问题的目标函数，另一方面给电网建设直接提供决策性数据；冗余度R_C表征了电网规划方案的投资可削减程度，本质上是规划经济性和运行可靠性的平衡关系；控制可信度CR、控制成效CE表征了主动配电网建成后的可靠性性能和带来的经济效益，对于电网建设具有直接的参考价值；响应灵敏度CS、决策延迟时间CD是主动配电网建成后可靠性水平计算的基础参数，也是电网规划和运行在线分析的重要参数。

利用本发明提出的评价指标体系进行主动配电网规划时，可如图3所示，按照以下方法进行：

步骤1、数据初始化：对选定的主动配电网进行数据初始化，具体数据包括：配电网网架结构信息、线路参数、传统元件设备(变压器、断路器等)参数、主动控制设备(控制主机、路由器、通信电缆等)参数；获取元件历史运行数据(即统计数据，为N_act、N_total、T_ref、T_cal、T_eva)，若没有相近的历史运行经验，则N_act、N_total、T_ref、T_eva可采用厂家提供的典型数据，T_cal可采用实际运行平台的测试数据。

步骤2、根据配电网建设的不同要求选定规划目标，在本规划方法中，设定主动配电网单位时间等效运行费用最小为规划目标，即目标为min(CEAC)。

步骤3、设定约束条件，包括有功功率约束、无功功率约束、节点电压约束、配电网可靠性约束等。

步骤4、对每一个元件，根据其N_act、N_total参数计算输出其响应灵敏度CS。

步骤5、优化方案集生成。可利用现有各种优化方法生成符合约束条件的多个方案，构成可行方案集。本发明优选采用内点法优化方法，生成符合约束条件的3-5个方案集合，其中可靠性约束计算中加入CS指标，并按照单位时间等效运行费用从小到大排序，最小的费用即为C_min。

步骤6、可行方案集校核：对生成的每一个方案进行校核，具体方法为：N-1静态安全分析校核，设定系统中N_total故障场景，制定主动配电网的故障相应策略，并分析每一次主动控制后系统的统计有效控制次数N_effi，计算CR和CE。分析当前策略下同时响应元件的最长动作时间，计算CD，为运行控制中的系统参数服务。

步骤7、可行方案集优选。根据主动配电网的强互动特性，基于前景理论进行可行方案集优选，采用VIKOR方法进行决策，从而得到最优方案。最优方案的目标值即为CEAC，同时还可计算出最优方案的冗余度指标R_C，冗余度指标R_C直观的反映出当前方案与最小投资模式的经济关系，可供规划评审部门直观参考。

下面以几个具体应用实例来进一步说明如何使用本发明所提出的评价体系进行主动配电网的设计规划和运行分析。

具体实施方式一，馈线规划

以图4所示的IEEERBTS-BUS6系统F1的馈线规划问题作为实例，说明本发明在主动配电网馈线规划中的应用。规划要求增加一条馈线，此馈线在正常情况下作为备用线路，在系统紧急故障下投入保证系统的供电可靠性。图4省略了主动控制主机、通信线路、信息采集机构以及断路器等元件的图例。

按照本发明所述规划方法，通过以下步骤完成主动配电网馈线规划：

步骤1、读入IEEE RBTS-BUS6系统F1所属区域的网络数据；并根据规划要求，确定待选馈线和相应主动元件(主动控制主机、通信线路、信息采集机构以及断路器)的类型和参数，初始化获取N_act、N_total、T_ref、T_cal、T_eva。

步骤2、设定规划目标min(CEAC)。

步骤3、设定规划约束条件。

步骤4、计算新增馈线所带主动控制元件的响应灵敏度CS。

步骤5、采用内点法优化方法，生成符合约束条件的3个方案集合，如图4所示。

步骤6、对生成的每一个方案进行N-1校核，计算CR、CE和CD。

步骤7、从决策角度认为经济性与可靠性同等重要，基于VIKOR方法的前景理论进行可行方案集优选，选取方案2为最优方案，计算CEAC和R_C。

具体实施方式二，微网并网点规划

以图5所示的IEEE RBTS-BUS6系统F4的微网并网点规划问题作为实例，说明本发明在主动配电网微网并网点规划中的应用。在F4系统中的29和30号馈线末端加入了分布式电源DG，因此要把该区域作为微网进行规划。图5省略了主动控制主机、通信线路、信息采集机构以及断路器等元件的图例。

按照本发明所述规划方法，通过以下步骤完成主动配电网微网并网点规划：

步骤1、读入IEEE RBTS-BUS6系统F4所属区域的网络数据；并根据规划要求，确定主动元件(主动控制主机、通信线路、信息采集机构以及断路器)的参数，初始化获取N_act、N_total、T_ref、T_cal、T_eva。与馈线规划不同，馈线规划需要选择主动元件的类型，而微网并网点规划一般认为主动元件类型确定，直接读取参数即可。

步骤2、设定规划目标min(CEAC)。

步骤3、设定规划约束条件。

步骤4、计算微网主动控制元件的响应灵敏度CS。

步骤5、采用内点法优化方法，生成符合约束条件的3个可行并网点，分别为PCC1、PCC2、PCC3，如图5所示。

步骤6、对生成的每一个方案进行N-1校核，计算CR、CE和CD。

步骤7、基于VIKOR方法的前景理论进行可行方案集优选，选取最优方案，计算CEAC和R_C。

以上仅为利用本发明提出的评价指标体系指导配电网规划的两个实例，本领域技术人员完全可以根据实际情况，灵活运用本发明提出的评价指标体系解决主动配电网的建设规划、分析优化等实际问题。

Claims (6)

1.一种主动配电网控制系统评价方法，利用一系列评价指标对主动配电网的控制系统进行评价，其特征在于，所述评价指标包括等效单位时间运行费用CEAC、冗余度R_C、控制可信度CR、控制成效CE、响应灵敏度CS、决策延迟时间CD，各评价指标的表达式具体如下：

$\mathrm{CEAC}=\frac{1}{N}{C}_{\mathrm{con}}+C_{\mathrm{op}},$

R_C＝C_con/C_min，

CR＝N_effi/N_total，

$\mathrm{CE}=\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{total}}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{C}_{\mathrm{save}}^i,$

CS＝N_act/N_total，

CD＝T_ref+T_cal+T_eva，

其中，N、C_con、C_op分别为所述控制系统的计划运行时限、建设安装费用、运行维护单位时间费用；C_min为所述主动配电网规划时期可行的最小控制系统建设投资；N_effi为所述控制系统通过主动控制有效降低系统风险提高可靠性的次数；N_total为所述控制系统的主动控制总次数；为所述控制系统的第i次主动控制所降低的系统运行风险费用；N_act为所述控制系统中的一个元件成功完成主动控制指令的次数，所述控制系统中的每一个元件对应一个CS指标；T_ref为从所述配电网出现扰动或者风险至该扰动或者风险被控制系统检测到的平均时间；T_cal为所述控制系统根据所检测到的扰动或者风险计算出相应的主动控制策略的平均时间；T_eva为所述主动控制策略得到执行所需的平均时间。

2.如权利要求1所述主动配电网控制系统评价方法，其特征在于，所述评价指标还包括经济技术效益指标E_ADN，其表达式如下：

$E_{\mathrm{ADN}}=\mathrm{CR}(\mathrm{CE}-\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{CEAC}}_j),$

式中，CEAC_j表示所述控制系统从建成起第j个单位时间的等效单位时间运行费用，N为所述控制系统的计划运行时限。

3.一种基于权利要求1或2所述评价方法的主动配电网规划方法，其特征在于，包括

以下步骤：

步骤1、对主动配电网进行数据初始化，并获取主动配电网中各元件的以下参数：N_act、N_total、T_ref、T_cal、T_eva；

步骤2、设定主动配电网单位时间等效运行费用最小为规划目标；

步骤3、设定约束条件，所述约束条件包括有功功率约束、无功功率约束、节点电压约束、配电网可靠性约束；

步骤4、对每一个元件，根据其N_act、N_total计算其响应灵敏度CS；

步骤5、生成符合约束条件的多个方案，构成可行方案集，其中可靠性约束计算中加入CS指标；

步骤6、对生成的每一个方案进行校核，具体方法为：N-1静态安全分析校核，设定系统中N_total故障场景，制定主动配电网的故障相应策略，并分析每一次主动控制后系统的统计有效控制次数N_effi，计算CR和CE，分析当前策略下同时响应元件的最长动作时间，计算CD；

步骤7、从可行方案集选出最优方案，最优方案的目标值即为CEAC。

4.如权利要求3所述主动配电网规划方法，其特征在于，步骤7中还包括计算最优方案的冗余度指标R_C。

5.如权利要求3所述主动配电网规划方法，其特征在于，步骤5中使用内点法优化方法生成符合约束条件的多个方案。

6.如权利要求3所述主动配电网规划方法，其特征在于，使用VIKOR方法从可行方案集选出最优方案。