CN105896537A - 一种基于智能软开关的配电网供电恢复方法 - Google Patents

Abstract

一种基于智能软开关的配电网供电恢复方法：根据选定的配电系统，输入线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系，系统运行电压水平和支路电流限制，智能软开关接入位置、容量和损耗系数，系统故障位置，基准电压和基准功率初值；依据提供的配电系统结构及参数，建立基于智能软开关的配电网供电恢复问题的数学模型，包括：设定配电系统恢复有功负荷最大为目标函数，分别考虑系统潮流约束、运行电压约束、支路电流约束和智能软开关运行约束；将得到的数学模型采用原对偶内点法进行求解；输出求解结果：目标函数值、各节点电压幅值与相角、各节点恢复负荷系数、智能软开关传输功率值。本发明避免了开关操作带来的隐患，更加安全可靠，全面提升了配电网故障自愈能力。

Description

一种基于智能软开关的配电网供电恢复方法

技术领域

本发明涉及一种配电网供电恢复方法。特别是涉及一种基于智能软开关的配电网供电恢复方法。

背景技术

配电网作为电力系统直接面向用户的一环，与用户的联系最为紧密，对用户的影响最为直接。相对于传统配电网，智能配电网从原来单一的电能分配角色转变为集电能收集、传输、存储与分配为一体的新型电力交换系统，不仅在一次侧将借助分布式电源、储能装置及DFACTS等装备以满足系统的运行需求，在二次侧还会利用高级配电自动化技术提高系统的信息通信能力与智能化水平，使得电网在可再生能源利用、系统可靠性、电网资产利用率、与用户互动等方面有显著提高。

故障自愈作为智能配电网的重要特征之一，近年来得到了广泛关注。智能配电网中设备种类多、控制策略复杂，对故障电压、短路电流反应灵敏，因此，对智能配电网的故障自愈提出了更高的要求。其中，智能配电网供电恢复作为故障自愈的最后一环，起着至关重要的作用。配电网发生故障后，首先通过故障定位，识别故障位置，然后通过故障隔离将故障区域切除，最后进行供电恢复。如何在保证电压安全运行水平的前提下，尽可能多的恢复负荷，是一个亟待解决的问题。

智能软开关(Soft Open Point，SOP)是取代传统联络开关的一种新型智能配电装置，智能软开关的应用将极大地提高配电系统运行的灵活性和可控性，对此国内外已有学者开展了初步研究，但对智能软开关在配电网故障自愈过程中发挥的作用却较少涉及。与联络开关相比，智能软开关的功率控制更加安全可靠，避免了开关操作可能带来的安全隐患。在故障发生时，由于直流隔离的作用，能够有效阻止故障电流穿越；在供电恢复过程中，能够为故障侧提供有效的电压支撑，从而可以扩大供电恢复范围。

目前已有的配电网供电恢复方法多采用网络重构来实现，而通过这种新型电力电子装置来实现配电网供电恢复尚未开展广泛研究。因此，急需一种基于智能软开关的配电网供电恢复方法，用以解决故障隔离后，在保证电压水平前提下的配电网供电恢复问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种针对配电网供电恢复问题，能够建立基于智能软开关的配电网供电恢复模型，综合考虑多种安全运行约束，最终确定供电恢复方案的基于智能软开关的配电网供电恢复方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于智能软开关的配电网供电恢复方法，包括如下步骤：

1)根据选定的配电系统，输入线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系，系统运行电压水平和支路电流限制，智能软开关接入位置、容量和损耗系数，系统故障位置，基准电压和基准功率初值；

2)依据步骤1)提供的配电系统结构及参数，建立基于智能软开关的配电网供电恢复问题的数学模型，包括：设定配电系统恢复有功负荷最大为目标函数，分别考虑系统潮流约束、运行电压约束、支路电流约束和智能软开关运行约束；

3)将步骤2)得到的数学模型采用原对偶内点法进行求解；

4)输出步骤3)的求解结果，包括目标函数值、各节点电压幅值与相角、各节点恢复负荷系数、智能软开关传输功率值。

步骤2)所述的配电系统恢复有功负荷最大为目标函数表示为

$\max f={\mathrm{\Σ}}_i^{N_N}{\mathrm{\λ}}_i{P}_i^{LOAD}$

式中，N_N为系统节点数；为节点i处负荷消耗的有功功率；λ_i为可恢复节点i上负荷的系数，λ_i∈[0,1]。

步骤2)所述的智能软开关运行约束表示为

1)智能软开关传输的有功功率约束

$P_i^{SOP}+P_j^{SOP}+A_i^{SOP}\left|P_i^{SOP}\right|+A_j^{SOP}\left|P_j^{SOP}\right|=0$

2)智能软开关容量约束

$\sqrt{{\left(P_i^{SOP}\right)}^2+{\left(Q_i^{SOP}\right)}^2}\≤S_i^{SOP}$

$\sqrt{{\left(P_j^{SOP}\right)}^2+{\left(Q_j^{SOP}\right)}^2}\≤S_j^{SOP}$

3)智能软开关故障侧电压约束

$U_k^{SOP}\≥U_0$

4)智能软开关故障侧相角约束

${\mathrm{\θ}}_k^{SOP}={\mathrm{\θ}}_0$

式中，i、j为智能软开关所接入配电系统的节点编号；分别为智能软开关两个换流器注入的有功功率和无功功率；和为智能软开关损耗系数；和为接在节点i、j换流器的容量；为故障侧智能软开关初始电压，U₀为故障侧节点电压基准值；为故障侧智能软开关初始相角，θ₀为节点相角基准值。

本发明的一种基于智能软开关的配电网供电恢复方法，立足于解决配电网中接入智能软开关后的供电恢复问题，充分考虑智能软开关对系统潮流的影响以及对故障侧电压幅值与相角的控制作用，建立基于智能软开关的配电网供电恢复模型，其数学本质是非线性规划问题，采用原对偶内点法进行求解，得到供电恢复方案。本发明SOP的控制简单方便，避免了开关操作带来的隐患，更加安全可靠，全面提升了配电网故障自愈能力。SOP借助其灵活的电压控制能力，可实现失电负荷全部恢复供电，具有很好的应用价值。

附图说明

图1是本发明一种基于智能软开关的配电网供电恢复方法的流程图；

图2是改进的IEEE 33节点算例结构图；

图3是采用智能软开关进行供电恢复的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种基于智能软开关的配电网供电恢复方法做出详细说明。

本发明的一种基于智能软开关的配电网供电恢复方法，如图1所示，包括如下步骤：

1)根据选定的配电系统，输入线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系，系统运行电压水平和支路电流限制，智能软开关接入位置、容量和损耗系数，系统故障位置，基准电压和基准功率等初值；

对于本发明的实施例，首先输入IEEE 33节点系统中线路元件的阻抗值，负荷元件的有功功率、无功功率，网络拓扑连接关系，算例结构如图2所示，详细参数见表1和表2；设定一组智能软开关接入配电网，取代联络开关TS1，智能软开关的容量为5MVA，损耗系数为0.199，故障侧节点电压标幺值基准值为1.0，相角基准值为0°，规定从交流侧传递到直流侧的功率方向为正方向；设置支路5-6之间发生永久性三相故障，经故障隔离后，节点6-18与节点26-33所带负荷全部失电，失电有功负荷总量为2055kW；最后设定系统的基准电压为12.66kV、基准功率为1MVA。

2)依据步骤1)提供的配电系统结构及参数，建立基于智能软开关的配电网供电恢复问题的数学模型，包括：设定配电系统恢复有功负荷最大为目标函数，分别考虑系统潮流约束、运行电压约束、支路电流约束和智能软开关运行约束；其中，

(1)所述的配电系统恢复有功负荷最大为目标函数可表示为

$\max f={\mathrm{\Σ}}_i^{N_N}{\mathrm{\λ}}_i{P}_i^{LOAD}---\left(1\right)$

式中，N_N为系统节点数；为节点i处负荷消耗的有功功率；λ_i为可恢复节点i上负荷的系数，λ_i∈[0,1]。

(2)所述的系统潮流约束表示为

$P_i=G_{ii}{U}_i^2+{\mathrm{\Σ}}_{j\∈{\mathrm{\Ω}}_i}{U}_i{U}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij})---\left(2\right)$

$Q_i=-B_{ii}{U}_i^2-{\mathrm{\Σ}}_{j\∈{\mathrm{\Ω}}_i}{U}_i{U}_j(B_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij}-G_{ij}{\mathrm{sin\θ}}_{ij})---\left(3\right)$

$P_i=P_i^{SOP}-{\mathrm{\λ}}_i{P}_i^{LOAD}---\left(4\right)$

$Q_i=Q_i^{SOP}-{\mathrm{\λ}}_i{Q}_i^{LOAD}---\left(5\right)$

式中，Ω_i为与节点i相连节点的集合；U_i、U_j和θ_ij分别为节点i、j的电压幅值和相角差；G_ii、B_ii、G_ij、B_ij分别为节点导纳矩阵中的自电导、自电纳、互电导和互电纳；、分别为节点i上负荷消耗的有功功率和无功功率；分别为智能软开关在节点i上注入的有功功率和无功功率；

(3)所述的运行电压约束表示为

$U_i^{\min }\≤U_i\≤U_i^{\max }---\left(6\right)$

式中，和分别为节点i电压幅值的上下限。

(4)所述的支路电流约束表示为

$(G_{ij}^2+B_{ij}^2)(U_i^2+U_j^2-2U_i{U}_j{\mathrm{cos\θ}}_{ij})\≤{\left(I_{ij}^{\max }\right)}^2---\left(7\right)$

式中，是支路ij的电流幅值上限。

(5)所述的智能软开关运行约束表示为

$P_i^{SOP}+P_j^{SOP}+A_i^{SOP}\left|P_i^{SOP}\right|+A_j^{SOP}\left|P_j^{SOP}\right|=0---\left(8\right)$

$\sqrt{{\left(P_i^{SOP}\right)}^2+{\left(Q_i^{SOP}\right)}^2}\≤S_i^{SOP}---\left(9\right)$

$\sqrt{{\left(P_j^{SOP}\right)}^2+{\left(Q_j^{SOP}\right)}^2}\≤S_j^{SOP}---\left(10\right)$

$U_i^{SOP}\≥U_0---\left(11\right)$

${\mathrm{\θ}}_i^{SOP}={\mathrm{\θ}}_0---\left(12\right)$

式中，i、j为智能软开关所接入配电系统的节点编号；和为智能软开关损耗系数；和为接在节点i、j换流器的容量；为故障侧智能软开关初始电压，U₀为故障侧节点电压基准值；为故障侧智能软开关初始相角，θ₀为节点相角基准值。

3)将步骤2)得到的数学模型采用原对偶内点法进行求解；

4)输出步骤3)的求解结果，包括目标函数值、各节点电压幅值与相角、各节点恢复负荷系数、智能软开关传输功率值等。

本发明建立了基于智能软开关的配电网供电恢复方法，并采用内点法进行求解，得到供电恢复方案。

对于本发明的实施例，选取一组智能软开关SOP接入配电网，取代联络开关TS1，如图3所示，分别分析采用联络开关与智能软开关的配电网供电恢复效果，方案1采用联络开关，方案2采用智能软开关，实施例的优化结果见表3，智能软开关的控制方案见表4。

执行优化计算的计算机硬件环境为Intel(R)Xeon(R)CPU E5-1620，主频为3.70GHz，内存为32GB；软件环境为Windows 7操作系统。

对比方案1与方案2可以看出，SOP用于配电网供电恢复具有很好的应用效果，其通过对故障侧电压提供支撑，扩大了供电恢复范围，提高了供电恢复能力。与传统的联络开关相比，SOP的控制简单方便，避免了开关操作带来的隐患，更加安全可靠，全面提升了配电网故障自愈能力。SOP借助其灵活的电压控制能力，可实现失电负荷全部恢复供电，具有很好的应用价值。

表1IEEE33节点算例负荷接入位置及功率

表2IEEE33节点算例线路参数

表3不同方案供电恢复结果

表4智能软开关控制方案

Claims (3)

1.一种基于智能软开关的配电网供电恢复方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据选定的配电系统，输入线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系，系统运行电压水平和支路电流限制，智能软开关接入位置、容量和损耗系数，系统故障位置，基准电压和基准功率初值；

2)依据步骤1)提供的配电系统结构及参数，建立基于智能软开关的配电网供电恢复问题的数学模型，包括：设定配电系统恢复有功负荷最大为目标函数，分别考虑系统潮流约束、运行电压约束、支路电流约束和智能软开关运行约束；

3)将步骤2)得到的数学模型采用原对偶内点法进行求解；

4)输出步骤3)的求解结果，包括目标函数值、各节点电压幅值与相角、各节点恢复负荷系数、智能软开关传输功率值。

2.根据权利要求1所述的一种基于智能软开关的配电网供电恢复方法，其特征在于，步骤2)所述的配电系统恢复有功负荷最大为目标函数表示为

$\max f={\mathrm{\Σ}}_i^{N_N}{\mathrm{\λ}}_i{P}_i^{LOAD}$

式中，N_N为系统节点数；为节点i处负荷消耗的有功功率；λ_i为可恢复节点i上负荷的系数，λ_i∈[0,1]。

3.根据权利要求1所述的一种基于智能软开关的配电网供电恢复方法，其特征在于，步骤2)所述的智能软开关运行约束表示为

1)智能软开关传输的有功功率约束

$P_i^{SOP}+P_j^{SOP}+A_i^{SOP}\left|P_i^{SOP}\right|+A_j^{SOP}\left|P_j^{SOP}\right|=0$

2)智能软开关容量约束

$\sqrt{{\left(P_i^{SOP}\right)}^2+{\left(Q_i^{SOP}\right)}^2}\≤S_i^{SOP}$

$\sqrt{{\left(P_j^{SOP}\right)}^2+{\left(Q_j^{SOP}\right)}^2}\≤S_j^{SOP}$

3)智能软开关故障侧电压约束

$U_k^{SOP}\≥U_0$

4)智能软开关故障侧相角约束

${\mathrm{\θ}}_k^{SOP}={\mathrm{\θ}}_0$

式中，i、j为智能软开关所接入配电系统的节点编号；分别为智能软开关两个换流器注入的有功功率和无功功率；和为智能软开关损耗系数；和为接在节点i、j换流器的容量；为故障侧智能软开关初始电压，U₀为故障侧节点电压基准值；为故障侧智能软开关初始相角，θ₀为节点相角基准值。