CN105977934A - 一种考虑负荷重要性的配电网智能软开关供电恢复方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑负荷重要性的配电网智能软开关供电恢复方法，包括：根据选定的配电系统，输入线路参数、负荷水平、负荷重要性、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；建立考虑负荷重要性的配电网智能软开关供电恢复数学模型：设定配电系统恢复加权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，将全面提升配电网故障自愈能力。

Description

一种考虑负荷重要性的配电网智能软开关供电恢复方法

技术领域

本发明涉及一种配电网供电恢复方法。特别是涉及一种考虑负荷重要性的配电网智能软开关供电恢复方法。

背景技术

配电网供电恢复通常是指当配电网中发生永久性故障后，通过调整分段开关、联络开关的状态，改变配电网的拓扑结构，对非故障失电区域快速恢复供电。由于要综合考虑开关操作次数、负荷恢复量、网络约束、负荷等级等因素，因此，配电网供电恢复是一个多目标、多组合、多约束的非线性组合优化问题。随着分布式电源(Distributed Generation，DG)的接入，使传统的单辐射状配电网变成了多电源多端系统，由此引起了配电网的结构和配网潮流根本性的改变，从而使配电网的运行和保护更加复杂。

负荷的重要性是配电系统供电恢复问题必须要考虑的因素，由于电压限制、容量约束等原因，大多数供电恢复情况下不能使非故障失电区域全部恢复供电，需按照负荷等级进行重要负荷的优先供电恢复。与此同时，考虑到重要负荷一旦失电，往往造成重大损失，因此，在供电恢复过程中，甚至可以选择切除非失电区域的一些负荷，来保证失电区域中关键负荷的恢复供电，这就需要从整个系统的角度来统筹权衡供电恢复方案。

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，并且多为只针对非故障失电区域内供电恢复问题制定供电恢复方案，而通过这种新型电力电子装置来实现配电网供电恢复，并统筹考虑整个配电系统(包括失电区域与非失电区域)制定供电恢复方案的研究尚处于起步阶段。因此，急需一种针对整个系统并考虑负荷重要性的配电网智能软开关供电恢复方法，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，能够建立考虑负荷重要性的配电网智能软开关供电恢复模型，综合考虑多种系统运行约束，依据负荷的重要性，针对整个配电系统确定供电恢复方案的考虑负荷重要性的配电网智能软开关供电恢复方法。

本发明所采用的技术方案是：一种考虑负荷重要性的配电网智能软开关供电恢复方法，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、负荷重要性、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，建立考虑负荷重要性的配电网智能软开关供电恢复数学模型，包括：设定配电系统恢复加权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加权有功负荷最大为目标函数，表示为

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

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]；α_i为节点i上负荷的等级系数。

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的换流器容量；为故障侧智能软开关电压设定值，U₀为故障侧节点电压约束值；为故障侧智能软开关相角设定值，θ₀为节点相角约束值。

本发明的一种考虑负荷重要性的配电网智能软开关供电恢复方法，立足于解决配电网中接入智能软开关后的供电恢复问题，充分考虑负荷重要性水平以及智能软开关对系统潮流的影响和对故障侧电压幅值与相角的控制作用，建立考虑负荷重要性的配电网智能软开关供电恢复模型，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，得到最优的供电恢复方案。本发明的SOP控制简单方便，避免了开关操作带来的隐患，更加安全可靠，将全面提升配电网故障自愈能力。

附图说明

图1是本发明一种考虑负荷重要性的配电网智能软开关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考虑负荷重要性的配电网智能软开关供电恢复方法做出详细说明。

本发明的一种考虑负荷重要性的配电网智能软开关供电恢复方法，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、负荷等级、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，各节点负荷等级见表3；设定一组智能软开关接入配电网，取代联络开关TS3，智能软开关的容量为2.0MVA，损耗系数为0.199，故障侧节点电压约束值为1.0，节点相角约束值为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6-7之间发生永久性三相故障，经故障隔离后，节点7-18所带负荷全部失电，失电有功负荷总量为1.075MW；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，建立考虑负荷重要性的配电网智能软开关供电恢复数学模型，包括：设定配电系统恢复加权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加权有功负荷最大为目标函数可表示为

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

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]；α_i为节点i上负荷的等级系数。

(2)所述的系统潮流约束表示为

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

$U_k^{SOP}\≥U_0---\left(11\right)$

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

式中，i、j为智能软开关所接入配电系统的节点编号；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的换流器容量；为故障侧智能软开关电压设定值，U₀为故障侧节点电压约束值；为故障侧智能软开关相角设定值，θ₀为节点相角约束值。

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。

本发明建立了考虑负荷重要性的配电网智能软开关供电恢复问题的数学模型，并采用内点法进行求解，得到全系统的供电恢复方案。

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TS3，如图3所示，采用智能软开关的进行配电网供电恢复，实施例的优化结果见表4，失电区域电压标幺值见表5，智能软开关的控制方案见表6。

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。

通过供电恢复结果可以看出，考虑负荷重要性的配电网智能软开关供电恢复方法具有很好的应用效果。首先，针对全系统并综合考虑各节点负荷等级，合理制定供电恢复方案，必要情况下通过切除部分非失电区域负荷来保证失电区域重要负荷的全部恢复供电；其次，将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，实现失电区域全部恢复供电。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，将全面提升配电网故障自愈能力。

表1 IEEE33节点算例负荷接入位置及功率

表2 IEEE33节点算例线路参数

表3 IEEE33节点算例节点负荷等级参数

负荷等级	等级系数	节点
			一级负荷	100	7,8,9,10,17,18
二级负荷	10	11,12,13,14,15,16,19,20,21,22
			三级负荷	1	2,3,4,5,6,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33

表4 供电恢复结果

系统负荷总量/kW	3715.0
		系统恢复负荷总量/kW	3596.5
系统恢复负荷百分比	96.81％
		失电节点(失电百分比)	30(40.76％)
失电区域负荷总量/kW	1075.0
		失电区域恢复负荷总量/kW	1075.0
失电区域恢复负荷百分比	100.00％

表5 失电区域电压水平

节点编号	7	8	9	10	11	12
							电压标幺值	0.999	1.000	1.004	1.008	1.009	1.010
节点编号	13	14	15	16	17	18
							电压标幺值	1.018	1.022	1.026	1.032	1.044	1.050

表6 智能软开关控制方案

Claims (3)

1.一种考虑负荷重要性的配电网智能软开关供电恢复方法，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、负荷重要性、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，建立考虑负荷重要性的配电网智能软开关供电恢复数学模型，包括：设定配电系统恢复加权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所述的一种考虑负荷重要性的配电网智能软开关供电恢复方法，其特征在于，步骤2)所述的配电系统恢复加权有功负荷最大为目标函数，表示为

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

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]；α_i为节点i上负荷的等级系数。

3.根据权利要求1所述的一种考虑负荷重要性的配电网智能软开关供电恢复方法，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的换流器容量；为故障侧智能软开关电压设定值，U₀为故障侧节点电压约束值；为故障侧智能软开关相角设定值，θ₀为节点相角约束值。