CN105552890B - 基于安全域体积的配电网n‑1安全运行范围的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于安全域体积的配电网N‑1安全运行范围的评价方法,所述评价方法包括以下步骤:获取配电网的N‑1安全域模型;根据配电网的N‑1安全域模型计算DSSR体积、以及高效运行区域的体积;其中,所述配电网的N‑1安全域模型是基于馈线互联关系、并同时计及主变N‑1和馈线N‑1的安全域模型。本发明对给定网络结构和网络参数的配电网,能计算得到满足主变N‑1和馈线N‑1的安全域体积,以及高效运行区域的体积,可以用于进一步评价配电网安全高效运行的有效范围的大小。
Description
技术领域
本发明涉及安全域领域,尤其涉及一种基于安全域体积的配电网N-1安全运行范围的评价方法。
背景技术
在配电网中,N-1安全准则是目前普遍采用的规划和运行依据,指当某个元件退出运行时,能否保证对负荷持续供电,并同时满足设备不过载等运行要求[1]。确定满足N-1准则的运行范围,对于配电网的规划和运行都具有重要作用,将会大幅提高配电网的利用率和安全水平[2]。基于N-1准则的配电网最大供电能力(Total Supply Capability,TSC)[3]和配电网安全域(Distribution System Security Region,DSSR)[4]描述了这一范围。达到TSC时的工作点(系统负荷状态)恰好是安全域边界上的点;DSSR由封闭安全边界围成,安全域内部所有工作点都安全,外部所有工作点都不安全,安全域的这一性质非常有用,可以将传统安全分析方法中需逐个元件N-1仿真的大量计算转化为判断工作点在安全边界内外位置关系的简单计算,并利用安全距离清晰地描述安全或不安全的程度[4]。参考文献[5]采用N-1仿真逼近法计算出部分配电网的安全边界,参考文献[6]采用建模的解析方法来计算得到完整安全边界。这些结果中包括了配电网在高维空间中的完整安全边界,蕴含了丰富的信息,有助于更深层地了解一个配电网的安全性能;另一方面,如果得到一个配电网的安全域结果,如何衡量这个安全域的优劣,也是规划和运行中非常关心的问题。
现有研究是从某个工作点开始利用可视化方法直接观测2维或3维子空间上的安全域[5,7]或者在此工作点将安全域降维后再观测安全域的大小[8]。另一种方法是通过安全距离得到高维空间中各个方向上安全裕度的全景视图[9],从一定程度也反映了安全域的大小。
上述研究都与工作点选取有关,得到的结果随着工作点的改变而不同。当选取的工作点不同时,降维所得到的安全域形状大小都不同,工作点到安全域各超平面的安全距离也不相同。
发明内容
本发明提供了一种基于安全域体积的配电网N-1安全运行范围的评价方法,本发明对给定网络结构和网络参数的配电网,能计算得到满足主变N-1和馈线N-1的安全域体积,以及高效运行区域的体积,可以用于进一步评价配电网安全高效运行的有效范围的大小,详见下文描述:
一种基于安全域体积的配电网N-1安全运行范围的评价方法,所述评价方法包括以下步骤:
获取配电网的N-1安全域模型;
根据根据配电网的N-1安全域模型计算DSSR体积、以及高效运行区域的体积;
其中,所述配电网的N-1安全域模型是基于馈线互联关系、并同时计及主变N-1和馈线N-1的安全域模型。
其中,所述根据根据配电网的N-1安全域模型计算DSSR体积、以及高效运行区域的体积的步骤具体为:
调用随机函数子程序,每调一次产生一个服从于[0,C]的工作点W=(F1,F2,…,Fn),并对工作点W进行N-1仿真;
判断工作点W是否安全;如果安全,安全点的个数v就增加1,重复上述过程Total次。
其中,所述评价方法还包括:变量初始化,
所述变量初始化包括:馈线维数n,馈线容量C,仿真次数Total,最大供电能力TSC,阈值F;令i=1,v=0。
其中,所述调用随机函数子程序,每调一次产生一个服从于[0,C]的工作点W=(F1,F2,…,Fn),并对工作点W进行N-1仿真;判断工作点X是否安全;如果安全,安全点的个数v就增加1,重复上述过程Total次的步骤具体为:
1)产生服从于[0,C]的工作点W=(F1,F2,…,Fn);
2)工作点W的总负荷值是否大于等于阈值F,如果是,执行步骤3);如果否,执行步骤6);
3)若工作点W的总负荷值高于TSC,则工作点W一定不安全,执行步骤6);反之,执行步骤4);
4)工作点W是否满足配电网的N-1安全域模型,如果是,则工作点W是安全的,执行步骤5);反之是不安全的,执行步骤6);
5)v=v+1,执行步骤6);
6)i=i+1,判断i是否大于Total,如果是,计算并输出仿真结果Total,VDSSR,流程结束;如果否,重新执行步骤1)。
所述配电网的N-1安全域模型具体为:
式中,ΩDSSR为配电系统安全域;W为工作点(F1,F2,…,Fm,…,Fn),Fm代表馈线m所带负荷(多联络时为馈线段负荷);trfmk表示馈线m发生N-1时转带给馈线k的负荷,等价于工作点分量中的馈线段负荷Fm;fm表示第m号馈线所带的馈线出口负荷,对于单联络线路,fm等于馈线段负荷Fm,对于多联络线路,fm等于馈线m分成的馈线段负荷之和;Pi表示主变i所带的负荷;trtij表示主变i发生N-1时转带给主变j的负荷量;RFk (m)为馈线k容量,也表示馈线m和馈线k有转带关系,馈线m发生N-1后将负荷转带到馈线k上;Rj表示主变j额定容量;Ti表示主变i;Fm∈Ti,表示馈线m出自主变i的对应母线;fk表示第k号馈线所带出口负荷;Pj表示主变j的额定容量。
本发明提供的技术方案的有益效果是:本发明提出了基于蒙特卡罗仿真的DSSR体积方法,能有效比较同等规模配电网的体积大小;并定义了DSSR高效运行区的体积,计算高效运行区域的体积以及高效运行区域在整个DSSR体积中的占比,用于进一步评价配电网安全高效运行的有效范围的大小。通过算例的验证,表明了体积能有效地反映DSSR的优劣;体积较大电网的安全运行范围更大,各负荷增长方向上的安全裕量更均衡。因此DSSR体积是反映配电网安全性能的新指标,在规划运行中都具有应用价值。例如:在规划中TSC接近时,应选择DSSR体积较大的方案。
附图说明
图1为一种基于安全域体积的配电网N-1安全运行范围的评价方法的流程图;
图2为DSSR及高效运行区域的体积算法流程图;
图3为配电网A的结构图;
图4为配电网B的结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本方法基于现有安全域模型[6],研究了配电网安全域的体积,DSSR体积定义为配电网安全运行范围的大小,并利用DSSR体积和负荷总量高于某阀值的高效运行区域的体积,来评价配电网的N-1安全运行范围。本方法借鉴高维空间中复连通区域体积的计算方法[10]直接计算得到DSSR体积,与工作点选取无关,本方法能够客观地反映配电网N-1安全运行范围的大小,下面结合附图详细的描述本方法。
实施例1
一种基于安全域体积的配电网N-1安全运行范围的评价方法,参见图1,该评价方法包括以下步骤:
101:获取配电网的N-1安全域模型;
102:根据配电网的N-1安全域模型计算DSSR体积、以及高效运行区域的体积。
其中,配电网的N-1安全域模型是基于馈线互联关系、并同时计及主变N-1和馈线N-1的安全域模型。
其中,上述步骤102根据配电网的N-1安全域模型计算DSSR体积、以及高效运行区域的体积的步骤具体为:
调用随机函数子程序,每调一次产生一个服从于[0,C]的工作点W=(F1,F2,…,Fn),并对工作点W进行N-1仿真;
判断工作点W是否安全;如果安全,安全点的个数v就增加1,重复上述过程Total次。
综上所述,本发明实施例给出了一种运用配电网安全域体积评价,满足主变N-1和馈线N-1安全运行范围的方法。通过本方法可以得到配电网的安全域体积以及高效运行区域的体积,从而反映配电网N-1安全运行范围的大小,以此来评价配电网安全性能的优劣。
实施例2
下面结合图1和图2、具体的计算公式对实施例1中的方案进行详细的介绍,详见下文描述:
201:获取配电网的N-1安全域模型;
本发明实施例基于馈线互联关系,并同时计及主变N-1和馈线N-1的安全域模型如下所示:
式中,ΩDSSR为配电系统安全域;W为工作点(F1,F2,…,Fm,…,Fn),Fm代表馈线m所带负荷(多联络时为馈线段负荷);trfmk表示馈线m发生N-1时转带给馈线k的负荷,等价于工作点分量中的馈线段负荷Fm;fm表示第m号馈线所带的馈线出口负荷,对于单联络线路,fm等于馈线段负荷Fm,对于多联络线路,fm等于馈线m分成的馈线段负荷之和;Pi表示主变i所带的负荷;trtij表示主变i发生N-1时转带给主变j的负荷量;RFk (m)为馈线k容量,也表示馈线m和馈线k有转带关系,馈线m发生N-1后将负荷转带到馈线k上;Rj表示主变j额定容量;Ti表示主变i;Fm∈Ti,表示馈线m出自主变i的对应母线;fk表示第k号馈线所带出口负荷;Pj表示主变j的额定容量。
式(1)为馈线负荷等式,描述馈线m的出口负荷等于其馈线段负荷之和。若馈线m是单联络,则其只有一个馈线段;若馈线m为多分段多联络,当馈线出口故障或主变故障导致馈线失电时,每个馈线段负荷可转带给不同馈线。
式(2)为主变-馈线负荷等式约束,表示主变i所带的负荷等于其所出馈线负荷之和。
式(3)为主变N-1时的馈线负荷转带等式约束,表示当主变i发生故障或检修退出运行时,其转带给主变j的负荷是通过与两台主变相连馈线间的负荷转带完成的。
式(4)为馈线N-1约束,表示馈线m发生N-1故障后,其馈线段负荷通过联络开关转带给其他馈线,负荷转带后其它馈线不能过载。
式(5)为主变N-1约束,表示主变i发生N-1故障后,主变j接受故障主变i转移负荷后的长时间运行负荷不超过其额定容量。
202:根据配电网的N-1安全域模型计算DSSR体积、以及高效运行区域的体积。
严格地讲,在超过三维空间中,应该称为超体积,为方便表达,均称为体积。此外,只有在维度相同的空间中,比较体积才有意义。根据上述N-1安全域模型,对N-1安全域的维度定义如下:在单联络的电网中,DSSR的维度是馈线回数;在多联络的电网中,DSSR的维度是馈线段的数量。
在实际配电网中,若馈线出口负荷超过馈线容量,则该工作点一定是不安全。假设配电网馈线条数为n,最大的馈线容量为C MVA,则定义该配电网的总容量空间为n维空间中,截取每个坐标轴[0,C]区间,构成的超正方体,其体积为Cn(MVAn)。位于总容量空间内的工作点才有可能满足N-1安全,位于总容量空间外的工作点一定不满足N-1安全。因此,在进行蒙特卡罗仿真时,仅在总容量空间内随机取点。图2展示了利用蒙特卡罗法并借助最大供电能力的结果来计算N-1安全域体积的步骤。
1、首先,准备数据;
即变量初始化,包括:馈线维数n,馈线容量C,仿真次数Total,最大供电能力TSC,阈值F。
2、通过步骤201生成配电网的N-1安全域模型,令i=1,v=0;调用随机函数子程序,每调一次产生一个服从于[0,C]的伪随机向量W=(F1,F2,…,Fn),并对其进行N-1仿真,判断该工作点是否安全;如果安全时,v就增加1,重复上述过程Total次。
具体的判断工作点W是否安全的过程如下:
1)产生服从于[0,C]的伪随机向量W=(F1,F2,…,Fn);
2)工作点W的总负荷值F1+F2+…+Fn>=F,如果是,执行步骤3);如果否,执行步骤6);
3)由于TSC是DSSR边界上效率最高的工作点,为节省计算时间,以TSC作为判断工作点W是否安全的初步判据。若W的总负荷值高于TSC,则该工作点一定不安全,执行步骤6);反之,执行步骤4);
4)工作点W是否满足配电网的N-1安全域模型,如果工作点W在配电系统安全边界内部,则该工作点W是安全的,执行步骤5);反之是不安全的,执行步骤6);
5)v=v+1,执行步骤6);
6)i=i+1,判断i>Total,如果是,计算并输出仿真结果Total,VDSSR,流程结束;如果否,重新执行步骤1)。
在本发明实施例中,体积VDSSR的计算公式如下:
其中,Total是采样点数;v是所有采样点中安全点的个数;v/Total表示DSSR体积在总容量空间的占比;Cn则表示总容量空间的大小。需要注意的是,在进行DSSR体积比较时,必须保证DSSR体积的维数相同。
当计算安全域体积时,阈值F取0;当计算高效运行区域体积时,可以自行设定阈值,例如:取0.7倍的TSC值,表示达到70%的最大供电能力的高效运行区域。
综上所述,本发明实施例给出了一种运用配电网安全域体积评价,满足主变N-1和馈线N-1安全运行范围的方法。通过本方法可以得到配电网的安全域体积以及高效运行区域的体积,从而反映配电网N-1安全运行范围的大小,以此来评价配电网安全性能的优劣。
实施例3
下面结合具体的算例、附图3和4对实施例1和2中的方案进行可行性验证,详见下文描述:
构造两个同等规模、具有可比性的配电网,其主变容量、台数以及馈线容量、回数都相同,但馈线联络不同。配电网参数如下:4座35kV/10kV变电站,8台主变压器,主变容量均为20MVA;共24回馈线,馈线容量均为9MVA。两个算例分别称为配电网A和配电网B,配电网B是在配电网A基础上优化部分馈线联络形成的,其联络如图3和图4所示。
比较图3和图4看出,配电网A和配电网B的联络线规模为12,均为单联络,并且全部是站间联络。但是,两个配电网中各主变出线的回数和联络位置存在不同。例如,配电网A中主变T2和主变T6有4回出线,配电网B中主变T2和主变T6有3回出线。配电网A和配电网B的主变容量和馈线容量匹配情况对比如下表所示。
表1主变容量匹配比例对比
其中,主变容量匹配比例是指某主变所有出线的容量之和除以该主变容量所得到的值。配电网A和配电网B的平均主变容量匹配比例为1.35。配电网A中有四台主变的容量匹配比例不等于1.35,配电网B中所有主变的容量匹配比例均为1.35。很容易看出,配电网B的各主变容量和馈线容量匹配更加均衡。
1)获取配电网的N-1安全域模型;
配电网A的N-1安全域模型为:
F1+F13-RF1≤0
F1+F13+F14-RT5≤0
F2+F15-RF2≤0
F2+F15+F16+F17+F18-RT6≤0
F3+F14-RF3≤0
F3+F13+F14-RF5≤0
F4+F16-RF4≤0
F4+F15+F16+F17+F18-RT6≤0
F5+F23-RF5≤0
F5+F22+F23+F24-RT8≤0
F6+F7-RF6≤0
F6+F7+F8+F9-RT3≤0
F3+F4+F5+F6+F7-RT2≤0
F8+F20-RF8≤0
F8+F19+F20+F21-RT7≤0 (7)
F9+F22-RF9≤0
F9+F22+F23+F24-RT8≤0
F10+F17-RF10≤0
F10+F15+F16+F17+F18-RT6≤0
F11+F21-RF11≤0
F11+F19+F20+F21-RT7≤0
F12+F24-RF12≤0
F12+F22+F23+F24-RT8≤0
F10+F11+F12+F24-RT4≤0
F3+F4+F5+F6+F23-RT2≤0
F7+F8+F9+F22-RT3≤0
F10+F11+F12+F21-RT4≤0
F7+F8+F9+F20-RT3≤0
F18+F19-RF18≤0
F15+F16+F17+F18+F19-RT6≤0
F18+F19+F20+F21-RT7≤0
F10+F11+F12+F17-RT4≤0
F3+F4+F5+F6+F16-RT2≤0
F1+F2+F15-RT1≤0
F3+F4+F5+F6+F14-RT2≤0
F1+F2+F13-RT1≤0
配电网B的N-1安全域模型为:
F1+F13-RF1≤0
F1+F13+F14+F15-RT5≤0
F2+F16-RF2≤0
F2+F16+F17+F18-RT6≤0
F3+F22-RF3≤0
F3+F22+F23+F24-RT8≤0
F4+F14-RF4≤0
F4+F13+F14+F15-RT5≤0
F5+F17-RF5≤0
F3+F16+F17+F18-RT6≤0
F6+F7-RF6≤0
F6+F7+F8+F9-RT3≤0
F4+F5+F6+F7-RT2≤0
F8+F20-RF8≤0
F8+F19+F20+F21-RT7≤0 (8)
F9+F23-RF9≤0
F9+F22+F23+F24-RT8≤0
F11+F21-RF11≤0
F11+F19+F20+F21-RT7≤0
F12+F24-RF12≤0
F12+F22+F23+F24-RT8≤0
F1+F2+F3+F13-RT1≤0
F4+F5+F6+F14-RT2≤0
F1+F2+F3+F16-RT1≤0
F4+F5+F6+F17-RT2≤0
F10+F11+F12+F15-RT4≤0
F18+F19-RF18≤0
F18+F19+F20+F21-RT7≤0
F16+F17+F18+F19-RT6≤0
F7+F8+F9+F20-RT3≤0
F10+F11+F12+F21-RT4≤0
F1+F2+F3+F22-RT1≤0
F7+F9+F9+F23-RT3≤0
F10+F11+F12+F24-RT4≤0
F10+F15-RF10≤0
F10+F13+F14+F15-RT5≤0
2)根据配电网N-1安全域模型计算DSSR体积、以及高效运行区域的体积的计算结果。
根据蒙特卡罗体积来计算DSSR体积,采样点数Total为1×107。为了便于表示体积的大小,这里定义1x1018(MVA24)为基准体积,体积单位中的24表示安全域的维度,因为配电网有24回出线。
由于采用随机方法,为了提高计算的准确性,重复计算了五次并取五次结果平均值V为最终的结果。同时,以五次计算结果的标准差δ来表示计算结果的误差。在算例分析中,当误差δ<0.1时,认为计算结果已准确;当δ≥0.1时,则需要增加采样次数,重新计算。
本算例取阈值为配电网最大供电能力TSC的70%,将该区域的体积计为V70%,DSSR体积、TSC以及达到70%TSC时的高效区域体积比较的计算结果如表2所示。
表2 DSSR体积计算结果
从表2看出,虽然两个配电网TSC相同,但是配电网B的DSSR体积是配电网A的1.52倍。可见,同等规模的配电网,通过联络位置的优化,其DSSR体积发生了显著的变化。
配电网B的高效率运行区体积是配电网A的2.11倍,这说明配电网B具有更大的高效率运行范围,在高效运行区域的安全性能更好;同时,配电网B的高效率运行区域在安全域的占比为21.75%,是配电网A的1.39倍,说明配电网B的安全域体积较大的部分主要集中在高效运行区域。
可见,本发明实施例提出的DSSR体积、以及高效运行区体积指标能有效地反映配电网的N-1安全运行范围优劣。
参考文献:
[1]国家电网公司.城市电力网规划设计导则[S].2006.
[2]肖峻,贺琪博,苏步芸.基于安全域的智能配电网安全高效运行模式[J].电力系统自动化,2014,19:52-60.
[3]王成山,罗凤章,肖峻,等.基于主变互联关系的配电系统供电能力计算方法[J].中国电机工程学报,2012,36(18):86-91.
[4]肖峻,谷文卓,王成山.面向智能配电系统的安全域模型[J].电力系统自动化,2013,08:14-19.
[5]肖峻,贡晓旭,贺琪博,等.智能配电网N–1安全边界拓扑性质及边界算法[J].中国电机工程学报,2014,29(04):545-554.
[6]肖峻,苏步芸,贡晓旭,等.基于馈线互联关系的配电网安全域模型[J].电力系统保护与控制,2015,20:36-44.
[7]曾沅,余贻鑫.电力系统动态安全域的实用解法[J].中国电机工程学报.2003.5,24-28.
[8]杨延滨,余贻鑫,曾沅,等.实用动态安全域降维可视化方法[J].电力系统自动化,2005,29(12):44-48.
[9]陈思捷,陈启鑫,夏清.静态安全距离:概念,模型和意义[J].中国电机工程学报,2015,03:600-608.
[10]吴庆标.复连通曲面体高维积分的Monte Carlo法[J].浙江大学学报(理学版),2001,28(01):1-6.
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图,上述本发明实施例序号仅仅为了描述,不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于安全域体积的配电网N-1安全运行范围的评价方法,其特征在于,所述评价方法包括以下步骤:
获取配电网的N-1安全域模型;
根据配电网的N-1安全域模型计算DSSR体积、以及高效运行区域的体积;
其中,所述配电网的N-1安全域模型是基于馈线互联关系、并同时计及主变N-1和馈线N-1的安全域模型;
所述配电网的N-1安全域模型具体为:
式中,ΩDSSR为配电系统安全域;W为工作点(F1,F2,…,Fm,…,Fn),Fm代表馈线m所带负荷;trfmk表示馈线m发生N-1时转带给馈线k的负荷,等价于工作点分量中的馈线段负荷Fm;fm表示第m号馈线所带的馈线出口负荷,对于单联络线路,fm等于馈线段负荷Fm,对于多联络线路,fm等于馈线m分成的馈线段负荷之和;Pi表示主变i所带的负荷;trtij表示主变i发生N-1时转带给主变j的负荷量;RFk (m)为馈线k容量,也表示馈线m和馈线k有转带关系,馈线m发生N-1后将负荷转带到馈线k上;Rj表示主变j额定容量;Ti表示主变i;Fm∈Ti,表示馈线m出自主变i的对应母线;fk表示第k号馈线所带出口负荷;Pj表示主变j所带负荷;
其中,所述根据配电网的N-1安全域模型计算DSSR体积、以及高效运行区域的体积的步骤具体为:
变量初始化,所述变量初始化包括:馈线维数n,馈线容量C,仿真次数Total,最大供电能力TSC,阈值F;令i=1,v=0;
1)调用随机函数子程序,每调一次产生一个服从于[0,C]的工作点W=(F1,F2,…,Fn),并对工作点W进行N-1仿真;
2)工作点W的总负荷值是否大于等于阈值F,如果是,执行步骤3);如果否,执行步骤6);
3)若工作点W的总负荷值高于TSC,则工作点W一定不安全,执行步骤6);反之, 执行步骤4);
4)判断工作点W是否满足配电网的N-1安全域模型,如果工作点W在配电系统安全边界内部,则工作点W是安全的,执行步骤5);反之是不安全的,执行步骤6);
5)v=v+1,执行步骤6);
6)i=i+1,判断i是否大于Total,如果是,计算并输出仿真结果Total,VDSSR,流程结束;如果否,重新执行步骤1);
其中,
v/Total表示DSSR体积在总容量空间的占比,Cn(MVAn)为总容量空间的体积;取某一阈值倍数的TSC值,表示高效运行区域的体积。
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