CN106099914A - 一种基于供电能力的主动配电网安全等级划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于供电能力的主动配电网安全等级划分方法。本发明方法充分考虑主动配电网的特点，建立了节点多性质的最大供电能力求解模型，考虑分布式电源及储能系统的相关约束和电压约束，将其中的非线性约束转化为旋转锥约束形式，并用锥优化方法进行计算，提高了计算速度和准确性；同时，本发明方法以静态安全分析为基础定义并构建了适用于主动配电网的安全评价指标体系，进而建立了主动配电网的安全等级划分模型，实现对主动配电网安全性的有效评价。

Description

一种基于供电能力的主动配电网安全等级划分方法

技术领域

本发明涉及一种主动配电网安全性评价方法，尤其是一种基于供电能力与安全等级划分的安全性评价方法。

背景技术

随着分布式能源在配电网中的渗透率不断提高，传统配电网的运行控制方式已经不能适应当今高渗透率分布式能源的接入，由此带来的技术及管理等多方面的问题决定其有必要向主动配电网演变。由此，2008年在国际大会议配电与分布式发电专委会上，C6.11项目组在所发表的“主动配电网的运行与发展”研究报告中明确提出了主动配电网以及分布式能源的概念，并且欧洲已经建立了主动配电网的实际研究示范工程。目前，国内外对主动配电网的研究主要涉及控制方式、分布式电源的规划及优化调度、电压管理、电动汽车的主动管理、需求侧管理、主动配电网的保护和故障定位等。国内外对主动配电网各方面的研究已取得了可观的成果，但对安全性评估方面却涉及不多。

传统配电网一般通过配电网结构重构及较大的负荷裕度来应对系统的不确定性以保证供电可靠性，而主动配电网的供电安全受间歇性电源及现有资源可利用情况等新特征的影响，其挑战在与如何通过信息通信系统及高级测量设备综合分布式电源、储能系统和主动负荷的信息资源的限制情况完成对现有资源的综合利用。对于传统配电网安全性研究方向主要涉及可靠性分析，风险性评估以及供电能力分析等，对主动配电系统安全性评估研究则增加了新的元素。分布式能源的接入对潮流的影响是主动配电网安全性评价的新增影响因素之一，必须在满足热稳定及电压约束的前提下，对主动配电网的最大供电能力及安全性做出评估。

综上所述，有必要发明一种主动配电网最大供电能力计算方法以及安全性评价方法，以完成分布式能源接入对主动配电网安全性的影响程度的评估。

发明内容

本发明目的在于提供一种能定性定量评价主动配电网安全性的基于供电能力的主动配电网安全等级划分方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述方法的具体步骤如下：

(1)考虑分布式电源出力的波动性及接入电网的容量大小，对主动配电网进行失负荷分析，判断电网的失负荷情况并计算失负荷率指标；

(2)考虑分布式电源及主动负荷的波动性，分析过负荷即线路越限情况并计算越限指标；

(3)建立节点多性质主动配电网最大供电能力模型并转化为锥优化模型进行计算，结合实际负荷水平，计算主动配电网的供电安全裕度；

(4)进行主动负荷特性分析，根据主动负荷的可控性及分布均衡性分析定义并计算主动负荷熵；

(5)应用一致性主动控制原则分析储能装置的充放电作用为主动配电网带来的灵活性，定义并计算主动调节率指标；

(6)对步骤(3)、(4)、(5)中得出的安全裕度指标、主动负荷熵指标及主动调解率指标进行综合分析定义并计算主动安全度指标，建立主动配电网的安全性评价指标体系；

(7)根据步骤(1)、(2)、(6)得出的失负荷率指标、越限指标和主动安全度指标的大小进行主动配电网安全等级划分。

进一步的，在步骤(1)中，所述的主动配电网的失负荷率指标不同于传统配电网或输电网中的失负荷率，前者是根据分布式电源的渗透率大小及波动性程度进行定义的，而后者是在进行N-1+1校验或N-1校验的过程中得出的；

所述步骤(1)的具体过程如下：

当接入分布式电源的容量为电网提供比例较大的用电负荷时，一旦出现分布式电源出力波动大的情况，如出力突然大幅度下降，将有可能失去一部分负荷，此种情况下的失负荷率指标(用LLR表示)计算公式为：

其中，P_iloss为节点i的失负荷量，m为失负荷节点数，P_j为节点j的负荷值，M为负荷节点个数，α_i为节点i所带负荷的等级因子(0＜α_i≤1)，α_i越大，节点i所带负荷越重要，α_j为节点j所带负荷的等级因子；

进一步的，在步骤(2)中，所述的主动配电网的越限指标不同于传统配电网或输电网中的越限指标，前者是分布式电源渗透率的大小及主动负荷的波动性与随机性带来的影响，而后者是在进行N-1+1校验或N-1校验的过程中得出的；

所述步骤(2)的具体过程如下：

当负荷波动很大时，如出现负荷大幅度增加有可能导致线路越限情况的发生，越限指标(用TC表示)的计算公式为：

其中，l代表越限支路，β为越限支路条数；P_l ^*为越限支路l的潮流；P_l ^lim为支路l的极限容量；ω_l为支路权重。

进一步的，在步骤(3)中，所述的节点多性质主动配电网最大供电能力计算模型考虑了除热稳定约束及电压约束之外的分布式电源及储能系统的相关约束，并定义运算符将这些约束嵌入计算模型中；在进行锥模型转换时，同样把分布式电源及储能系统的相关约束进行了转换；

所述步骤(3)的具体过程如下：

(3-1)建立节点多性质最大供电能力求解模型

首先定义主动配电系统的最大供电能力(用ATSC表示)为在当前配电网结构确定的前提下，满足分布式电源及储能系统约束，热稳定及电压约束的最大负荷供应能力；

根据主动配电网最大供电能力的定义，建立了节点多性质主动配电网最大供电能力求解模型，模型如下；

目标函数为：

其中，P_i为节点i的负荷，M为负荷节点个数；

约束条件为：

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{P}_i=G_{ii}{V}_i^2+\underset{j\&Element;N\left(i\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}{V}_i{V}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\&theta;}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\&theta;}}_{ij})<\stackrel{\&OverBar;}{P_i}\&CirclePlus;P_{DGi}\&CirclePlus;P_{ESSi}\\ Q_i=-B_{ii}{V}_i^2-\underset{j\&Element;N\left(i\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}{V}_i{V}_j(B_{ij}{\mathrm{cos\&theta;}}_{ij}-G_{ij}{\mathrm{sin\&theta;}}_{ij})<\stackrel{\&OverBar;}{Q_i}\&CirclePlus;Q_{DGi}\&CirclePlus;Q_{ESSi}\\ V_{i\min }\&le;V_i\&le;V_{i\max },i=1,...,n\\ I_{ij}^2=A_{ij}{V}_i^2+B_{ij}{V}_j^2-2V_i{V}_j(C_{ij}{\mathrm{cos\&theta;}}_{ij}-D_{ij}{\mathrm{sin\&theta;}}_{ij})\&le;I_{ij\max }^2\\ Q\&le;\sqrt{P_{DGi}^2+Q_{DGi}^2}\&le;S_{DGi\max }\\ P_{ESS}^{\min }\&le;P_{ESS,t}\&le;P_{ESS}^{\max }\\ {\mathrm{SOC}}^{\min }\&le;{\mathrm{SOC}}_t+P_{ESS,t}\mathrm{\&Delta;}t\&le;{\mathrm{SOC}}^{\max }\\ SOC\left(0\right)=SOC\left(T\right)\end{array}\right.$

其中，定义上式运算符表示节点i由单纯的负荷节点接入分布式电源或储能系统后变为带有电源性质的节点，并不是在数值上相加，实际上是增加了电源节点的个数及约束；上述约束条件中第一、二个公式为系统的潮流约束，第三个公式为运行电压水平约束，第四个公式为支路电流约束，第五个公式为分布式电源的功率约束，第六个公式为储能系统充放电功率约束，第七、八个公式为储能系统的荷电状态约束；

其中，D_ij＝g_ijb_shij/2；

A_ij、B_ij、C_ij、D_ij为计算节点i与节点j之间线路上流过电流的系数；

g_ij、b_ij、b_shij分别为节点i与节点j之间线路的电导、电纳和对地电纳；

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、互导纳；

V_i、V_j、θ_ij分别为节点i、j的电压幅值和相角差；

P_i、Q_i分别为节点i的负荷有功功率和无功功率；

分别为节点i的负荷有功功率、无功功率上限；

P_DGi、Q_DGi分别为接入节点i的分布式电源有功出力和无功出力；

P_ESSi、Q_ESSi分别为接入节点i的储能装置的有功充放电功率和无功充放电功率；

V_imax、V_imin分别为节点i电压幅值上下限；

I_ij、I_ijmax分别为支路ij的电流幅值及其上限；

S_DGimax表示分布式电源视在功率的最大值；

P_ESS,t为t时刻的充放电功率，和为储能系统充放电功率上下限；

SOC_t为储能系统在t时刻的荷电状态，Δt为时间间隔，SOC^max和SOC^min分别为荷电状态的上下限；SOC(0)和SOC(T)分别为充放电周期始末的荷电状态；

(3-2)将最大供电能力求解模型转换为锥优化求解模型

将步骤(3-1)中建立的最大供电能力求解模型进行锥模型转换，具体过程为：

首先，定义

将X_i、Y_ij、Z_ij替换原模型中V_i、V_j、θ_ij，则目标函数由非线性变为线性形式：

同时，系统潮流约束转化为：

运行电压水平约束变为：

支路电流约束变为：

分布式电源约束条件变为：

易知：

将上式写成：扩大解的搜索空间且不改变解的最优性；

以上转化可使P_DGi、Q_DGi和电压等决策变量构成旋转锥的笛卡尔乘积形式，满足搜索空间在凸锥的范围内；由于储能系统充放电功率约束及荷电状态约束均为线性约束，满足锥优化算法的线性约束形式，因此无需再行转化；

(3-3)计算主动配电网的供电安全裕度

结合最大供电能力的计算结果，将实时最大供电能力和实际负荷之间的差值与实际负荷之间的比值作为安全裕度(用SM表示)，计算公式为：

其中，ATSC为主动配电系统的最大供电能力，ΣP_i为各节点实际所带负荷之和。

进一步的，在步骤(4)中，所述的主动负荷熵指标不同于输电网中的系统负荷熵指标，主动负荷熵指标是在主动负荷的可控性分析的基础上考虑主动负荷分布均匀程度提出的，受需求侧管理中的负荷优化作用影响，而系统负荷熵指标是输电网中固定负荷的分布情况；

所述步骤(4)的具体过程如下：

定义各负荷点的有效负载率μ_i为：

其中，P_i为节点i的负荷值，为节点i一天内的平均负荷；根据有效负载率的大小给定常数序列U＝{U₁,U₂,...,U_k,...,U_n}(每两个相邻常数代表一个负载率区间，本文取U＝{0,0.2,...,1}，每个区间长度为0.2)；

用f_k表示第k个负载率区间内的负荷个数，概率化得：

其中，P(k)为负载率μ_i∈(U_k,U_k+1]的负荷个数占总负荷的比例；

由上两式可得主动负荷熵(用ALE表示)为：

进一步的，所述步骤(5)的具体过程如下：

(5-1)储能系统充放电功率计算

所述储能系统的充放电控制采用一致性主动控制原则，使每个储能装置的响应功率与容量的比例保持一致，储能装置的充放电功率计算公式为：

$P_{ESS,t}=\left(\frac{P_{all,t}-\stackrel{\&OverBar;}{P_{all}}}{H\underset{w}{\&Sigma;}(P_{all,t}-\stackrel{\&OverBar;}{P_{all}})}\right)\frac{E_h^R}{\mathrm{\&Delta;}t}$

其中，P_ESS,t为充放电功率，当储能装置处于充电状态时取负值，处于放电状态时取正值；H为系统中ESS的个数；P_all,t为t时刻各类负荷之和；P_CL,t为固定负荷，P_AL,t为可转移负荷，P_IL,t为可中断负荷，I_mt为0-1变量，取0表示中断负荷，取1表示使用负荷；x表示可中断客户，X表示制定可中断合约的客户数；w为P_all,t小于(或大于)的个数；为第h个ESS的额定容量；

(5-2)主动调节率的计算

主动调节率(用AR表示)是储能系统的可控性为主动配电网带来的可调节能力的大小，是定量反映主动配电网灵活性的指标，计算公式为：

其中，第一项为所有储能装置在t时刻放电时带来的供电能力的提高占原供电能力(ATSC_t)的比例，充电时此项为0；第二项为充电带来的负荷的增加占原总负荷的比例，放电时此项为0。

进一步的，所述步骤(6)的具体过程如下：

主动安全度指标(用ASI表示)是指安全裕度和主动调节率之和与负荷分配的均衡程度的比值，用以定量反映配网的综合安全性，计算公式为：

ASI由三个因素共同决定，一是SM，主动配电网的安全裕度越大，表明电网越安全；二是主动配电网的主动调节能力AR，AR越大，说明配网的主动调节能力越大，配网越灵活；三是主动负荷熵ALE，熵值越大，负荷越不均衡，从而会减小电网的安全程度。

进一步的，在步骤(7)中，所述的主动配电网安全等级划分不同于输电网的安全等级划分，主动配电网安全等级划分将安全等级划分方法应用于主动配电网的大背景下，完成的评价对象与后者不同，所用安全性指标是充分考虑主动配电网的特点后分析得出的；

所述步骤(7)的具体过程如下：

首先，进行阈值选取时假设负荷分配为最均匀状态；选取ASI值为1(或0.5)时为二(或三)级阈值，用TV₂(或TV₃)表示，说明主动配电网自身的灵活性及裕度可以承受当前负荷1倍(或0.5倍)的波动或增长；

由LLR、TC及ASI的大小，将主动配电网的运行状态划分为五个安全等级；

I级：ASI>TV₂，表明各时刻的负荷增加1倍后仍有裕度，对主动负荷的承受能力及分布式电源的消纳情况很好，这种情况下主动配网的运行安全性很高；

II级：TV₃<ASI<TV₂，表明系统可承受当前负荷一半的增长或波动，但承受不了1倍的波动，这种情况下主动配网的运行比较安全；

III级：0<ASI<TV₃，这种情况下，主动配网能承受的负荷波动较小，可适当调整主动负荷的大小及分布或适当调整对储能系统的控制以增大主动配电网的灵活性来增大ASI，避免事故的发生；

Ⅳ级：TC>0，且不失负荷，表示主动配电网中有越限风险，TC越大，系统过载风险越高，可适当调节主动负荷的分布及大小或调节储能系统促进分布式电源出力的消纳来增大供电能力，防止越限情况的发生；

Ⅴ级：LLR>0，表示系统失负荷情况的严重程度，LLR值越大，失负荷情况越严重；可通过网络重构或增加主网对配网的供电量减小失负荷的严重程度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、基于锥优化算法计算主动配电网的最大供电能力，能提高计算速度，且考虑到电压约束和分布式电源及储能系统的相关约束，提高计算结果的精确度；

2、建立了一套适用于主动配电网安全性评价的指标体系，可从横向、纵向以及配网灵活性等多角度评估配电网的安全性；

3、根据建立的指标体系，建立了主动配电网的安全等级划分模型，从背景上解决了分布式电源、储能系统和主动负荷的特点为主动配电网带来的安全性的影响程度评价问题，为配电网的安全性评价研究增添了新的内容。

附图说明

图1是本发明方法的评价指标体系形成过程示意图。

图2是本发明方法的储能装置充放电一致性主动控制示意图。

图3是本发明方法的安全等级划分总流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

结合图1、图2和图3，本发明所述计算方法的具体步骤如下：

(1)考虑分布式电源出力的波动性及接入电网的容量大小，对主动配电网进行失负荷分析，判断电网的失负荷情况并计算失负荷率；

当接入分布式电源的容量为电网提供比例较大的用电负荷时，一旦出现分布式电源出力波动很大的情况，如出力突然大幅度下降，将有可能失去一部分负荷，此种情况下的失负荷率指标(用LLR表示)计算公式为：

其中，P_iloss为节点i的失负荷量，m为失负荷节点数，P_j为节点j的负荷值，M为负荷节点个数，α_i为节点i所带负荷的等级因子(0＜α_i≤1)，α_i越大，节点i所带负荷越重要，α_j为节点j所带负荷的等级因子。

(2)考虑负荷波动性，分析电网的过负荷即线路越限情况并计算越限指标；

当负荷波动很大时，如出现负荷大幅度增加有可能导致线路越限情况的发生，越限指标(用TC表示)的计算公式为：

其中，l代表越限支路，β为越限支路条数；P_l ^*为越限支路的潮流；P_l ^lim为支路l的极限容量；ω_l为支路权重。

(3)建立节点多性质主动配电网最大供电能力模型并转化为锥优化模型进行计算，结合实际负荷水平，计算主动配电网的供电安全裕度；

(3-1)建立节点多性质最大供电能力求解模型

首先定义主动配电系统的最大供电能力(用ATSC表示)为在当前配电网结构确定的前提下，满足分布式电源及储能系统约束，热稳定及电压约束的最大负荷供应能力。

根据主动配电网最大供电能力的定义，建立了节点多性质主动配电网最大供电能力求解模型，具体模型如下。

目标函数为：

其中，P_i为节点i的负荷，M为负荷节点个数。

约束条件为：

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{P}_i=G_{ii}{V}_i^2+\underset{j\&Element;N\left(i\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}{V}_i{V}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\&theta;}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\&theta;}}_{ij})<\stackrel{\&OverBar;}{P_i}\&CirclePlus;P_{DGi}\&CirclePlus;P_{ESSi}\\ Q_i=-B_{ii}{V}_i^2-\underset{j\&Element;N\left(i\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}{V}_i{V}_j(B_{ij}{\mathrm{cos\&theta;}}_{ij}-G_{ij}{\mathrm{sin\&theta;}}_{ij})<\stackrel{\&OverBar;}{Q_i}\&CirclePlus;Q_{DGi}\&CirclePlus;Q_{ESSi}\\ V_{i\min }\&le;V_i\&le;V_{i\max },i=1,...,n\\ I_{ij}^2=A_{ij}{V}_i^2+B_{ij}{V}_j^2-2V_i{V}_j(C_{ij}{\mathrm{cos\&theta;}}_{ij}-D_{ij}{\mathrm{sin\&theta;}}_{ij})\&le;I_{ij\max }^2\\ Q\&le;\sqrt{P_{DGi}^2+Q_{DGi}^2}\&le;S_{DGi\max }\\ P_{ESS}^{\min }\&le;P_{ESS,t}\&le;P_{ESS}^{\max }\\ {\mathrm{SOC}}^{\min }\&le;{\mathrm{SOC}}_t+P_{ESS,t}\mathrm{\&Delta;}t\&le;{\mathrm{SOC}}^{\max }\\ SOC\left(0\right)=SOC\left(T\right)\end{array}\right.$

首先，定义上式运算符表示节点i由单纯的负荷节点接入分布式电源或储能系统后变为带有电源性质的节点，并不是在数值上相加，实际上是增加了电源节点的个数及约束。上述约束条件中第一、二个公式为系统的潮流约束，第三个公式为运行电压水平约束，第四个公式为支路电流约束，第五个公式为分布式电源的功率约束，第六个公式为储能系统充放电功率约束，第七、八个公式为储能系统的荷电状态约束；

其中，D_ij＝g_ijb_shij/2；

A_ij、B_ij、C_ij、D_ij为计算节点i与节点j之间线路上流过电流的系数；

g_ij、b_ij、b_shij分别为节点i与节点j之间线路的电导、电纳和对地电纳；

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、互导纳；

V_i、V_j、θ_ij分别为节点i、j的电压幅值和相角差；

P_i、Q_i分别为节点i的负荷有功功率和无功功率；

分别为节点i的负荷有功功率、无功功率上限；

P_DGi、Q_DGi分别为接入节点i的分布式电源有功出力和无功出力；

P_ESSi、Q_ESSi分别为接入节点i的储能装置的有功充放电功率和无功充放电功率；

V_imax、V_imin分别为节点i电压幅值上下限；

I_ij、I_ijmax分别为支路ij的电流幅值及其上限；

S_DGimax表示分布式电源视在功率的最大值；

P_ESS,t为t时刻的充放电功率，和为储能系统充放电功率上下限；

SOC_t为储能系统在t时刻的荷电状态，Δt为时间间隔，SOC^max和SOC^min分别为荷电状态的上下限；

SOC(0)和SOC(T)分别为充放电周期始末的荷电状态。

(3-2)将最大供电能力求解模型转换为锥优化求解模型

锥优化方法能快速准确的求解优化问题，但该方法对优化问题的数学模型有着严格地要求，因此本文根据锥优化方法的标准形式将上述建立的最大供电能力求解模型进行了锥模型转换，具体转换过程如下。

首先，定义

将X_i、Y_ij、Z_ij替换原模型中V_i、V_j、θ_ij，则目标函数由非线性变为线性形式：

同时，系统潮流约束转化为：

运行电压水平约束变为：

支路电流约束变为：

分布式电源约束条件变为：

易知：

将上式写成：这一处理可扩大解的搜索空间且不改变解的最优性。

以上转化可使P_DGi、Q_DGi和电压等决策变量构成旋转锥的笛卡尔乘积形式，满足搜索空间在凸锥的范围内。由于储能系统充放电功率约束及荷电状态约束均为线性约束，满足锥优化算法的线性约束形式，因此无需再行转化。

(3-3)计算主动配电网的供电安全裕度

结合最大供电能力的计算结果，将实时最大供电能力和实际负荷之间的差值与实际负荷之间的比值作为安全裕度(用SM表示)，计算公式为：

其中，ATSC为主动配电系统的最大供电能力，ΣP_i为各节点实际所带负荷之和。

(4)进行主动负荷特性分析，根据主动负荷的可控性及分布均衡性分析定义并计算主动负荷熵；

定义各负荷点的有效负载率μ_i为：

其中，P_i为节点i的负荷值，为节点i一天内的平均负荷。根据有效负载率的大小给定常数序列U＝{U₁,U₂,...,U_k,...,U_n}(每两个相邻常数代表一个负载率区间，本文取U＝{0,0.2,...,1}，每个区间长度为0.2)。

用f_k表示第k个负载率区间内的负荷个数，概率化得：

其中，P(k)为负载率μ_i∈(U_k,U_k+1]的负荷个数占总负荷的比例。

由上两式可得主动负荷熵(用ALE表示)为：

(5)分析储能装置的充放电作用为主动配电网带来的灵活性，定义并计算主动调节率指标；

(5-1)储能系统充放电功率计算

所述储能系统的充放电控制采用一致性主动控制原则，使每个储能装置的响应功率与容量的比例保持一致，储能装置的充放电功率计算公式为：

其中，P_ESS,t为充放电功率，当储能装置处于充电状态时取负值，处于放电状态时取正值；H为系统中ESS的个数；P_all,t为t时刻各类负荷之和；P_CL,t为固定负荷，P_AL,t为可转移负荷，P_IL,t为可中断负荷，I_m,t为0-1变量，取0表示中断负荷，取1表示使用负荷；x表示可中断客户，X表示制定可中断合约的客户数；w为P_all,t小于(或大于)的个数；为第h个ESS的额定容量。

(5-2)主动调节率的计算

主动调节率(用AR表示)是储能系统的可控性为主动配电网带来的可调节能力的大小，是定量反映主动配电网灵活性的指标，计算公式为：

其中，第一项为所有储能装置在t时刻放电时带来的供电能力的提高占原供电能力(ATSC_t)的比例，充电时此项为0；第二项为充电带来的负荷的增加占原总负荷的比例，放电时此项为0。

(6)对步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)中得出的安全裕度指标、主动负荷熵指标及主动调解率指标进行综合分析定义并计算主动安全度指标；

主动安全度指标(用ASI表示)是指安全裕度和主动调节率之和与负荷分配的均衡程度的比值，用以定量反映配网的综合安全性，计算公式为：

ASI由三个因素共同决定，一是SM，电网的安全裕度越大，表明电网越安全；二是ADS的主动调节能力AR，AR越大，说明配网的主动调节能力越大，配网越灵活；三是主动负荷熵，熵值越大，负荷越不均衡，从而会减小电网的安全程度。

(7)根据步骤(1)、步骤(2)和步骤(6)得出的失负荷率指标、越限指标和主动安全度指标的大小进行安全等级划分。

首先，进行阈值选取时假设负荷分配为最均匀状态。选取ASI值为1(或0.5)时为二(或三)级阈值，用TV₂(或TV₃)表示，说明主动配电网自身的灵活性及裕度可以承受当前负荷1倍(或0.5倍)的波动或增长。

由LLR、TC及ASI的大小，将主动配电网的运行状态划分为五个安全等级。

I级：ASI>TV₂，表明各时刻的负荷增加1倍后仍有裕度，对主动负荷的承受能力及分布式电源的消纳情况很好，这种情况下主动配网的运行安全性很高。

II级：TV₃<ASI<TV₂，表明系统可承受当前负荷一半的增长或波动，但承受不了1倍的波动，这种情况下主动配网的运行比较安全。

III级：0<ASI<TV₃，这种情况下，主动配网能承受的负荷波动较小，可适当调整主动负荷的大小及分布或适当调整对储能系统的控制以增大主动配电网的灵活性来增大ASI，避免事故的发生。

Ⅳ级：TC>0，且不失负荷，表示主动配电网中有越限风险，TC越大，系统过载风险越高，可适当调节主动负荷的分布及大小或调节储能系统促进分布式电源出力的消纳来增大供电能力，防止越限情况的发生。

Ⅴ级：LLR>0，表示系统失负荷情况的严重程度，LLR值越大，失负荷情况越严重。可通过网络重构或增加主网对配网的供电量减小失负荷的严重程度。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于供电能力的主动配电网安全等级划分方法，其特征在于，所述方法的具体步骤如下：

(1)考虑分布式电源出力的波动性及接入电网的容量大小，对主动配电网进行失负荷分析，判断电网的失负荷情况并计算失负荷率指标；

(2)考虑分布式电源及主动负荷的波动性，分析过负荷即线路越限情况并计算越限指标；

(3)建立节点多性质主动配电网最大供电能力模型并转化为锥优化模型进行计算，结合实际负荷水平，计算主动配电网的供电安全裕度；

(4)进行主动负荷特性分析，根据主动负荷的可控性及分布均衡性分析定义并计算主动负荷熵；

(5)应用一致性主动控制原则分析储能装置的充放电作用为主动配电网带来的灵活性，定义并计算主动调节率指标；

(6)对步骤(3)、(4)、(5)中得出的安全裕度指标、主动负荷熵指标及主动调解率指标进行综合分析定义并计算主动安全度指标，建立主动配电网的安全性评价指标体系；

(7)根据步骤(1)、(2)、(6)得出的失负荷率指标、越限指标和主动安全度指标的大小进行主动配电网安全等级划分。

2.根据权利要求1所述的一种基于供电能力的主动配电网安全等级划分方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述的主动配电网的失负荷率指标不同于传统配电网或输电网中的失负荷率，前者是根据分布式电源的渗透率大小及波动性程度进行定义的，而后者是在进行N-1+1校验或N-1校验的过程中得出的；

所述步骤(1)的具体过程如下：

当接入分布式电源的容量为电网提供比例较大的用电负荷时，一旦出现分布式电源出力波动大的情况，此种情况下的失负荷率指标LLR计算公式为：

$LLR=\underset{i=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&alpha;}}_i{P}_{iloss}/\underset{j=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&alpha;}}_j{P}_j$

其中，P_iloss为节点i的失负荷量，m为失负荷节点数，P_j为节点j的负荷值，M为负荷节点个数，α_i为节点i所带负荷的等级因子(0＜α_i≤1)，α_i越大，节点i所带负荷越重要，α_j为节点j所带负荷的等级因子。

3.根据权利要求1所述的一种基于供电能力的主动配电网安全等级划分方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述的主动配电网的越限指标不同于传统配电网或输电网中的越限指标，前者是分布式电源渗透率的大小及主动负荷的波动性与随机性带来的影响，而后者是在进行N-1+1校验或N-1校验的过程中得出的；

所述步骤(2)的具体过程如下：

当负荷波动很大时，如出现负荷大幅度增加有可能导致线路越限情况的发生，越限指标TC的计算公式为：

其中，l代表越限支路，β为越限支路条数；P_l ^*为越限支路l的潮流；P_l ^lim为支路l的极限容量；ω_l为支路权重。

4.根据权利要求1所述的一种基于供电能力的主动配电网安全等级划分方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述的节点多性质主动配电网最大供电能力计算模型考虑了除热稳定约束及电压约束之外的分布式电源及储能系统的相关约束，并定义运算符将这些约束嵌入计算模型中；在进行锥模型转换时，同样把分布式电源及储能系统的相关约束进行了转换；

所述步骤(3)的具体过程如下：

(3-1)建立节点多性质最大供电能力求解模型

首先定义主动配电系统的最大供电能力ATSC为在当前配电网结构确定的前提下，满足分布式电源及储能系统约束，热稳定及电压约束的最大负荷供应能力；

根据主动配电网最大供电能力的定义，建立了节点多性质主动配电网最大供电能力求解模型，模型如下；

目标函数为：

其中，P_i为节点i的负荷，M为负荷节点个数；

约束条件为：

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{P}_i=G_{ii}{V}_i^2+\underset{j\&Element;N\left(i\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}{V}_i{V}_j(G_{ij}{\mathrm{cos\&theta;}}_{ij}+B_{ij}{\mathrm{sin\&theta;}}_{ij})<\stackrel{\&OverBar;}{P_i}\&CirclePlus;P_{DGi}\&CirclePlus;P_{ESSi}\\ Q_i=-B_{ii}{V}_i^2-\underset{j\&Element;N\left(i\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}{V}_i{V}_j(B_{ij}{\mathrm{cos\&theta;}}_{ij}-G_{ij}{\mathrm{sin\&theta;}}_{ij})<\stackrel{\&OverBar;}{Q_i}\&CirclePlus;Q_{DGi}\&CirclePlus;Q_{ESSi}\\ V_{i\min }\&le;V_i\&le;V_{i\max },i=1,...,n\\ I_{ij}^2=A_{ij}{V}_i^2+B_{ij}{V}_j^2-2V_i{V}_j(C_{ij}{\mathrm{cos\&theta;}}_{ij}-D_{ij}{\mathrm{sin\&theta;}}_{ij})\&le;I_{ij\max }^2\\ 0\&le;\sqrt{P_{DGi}^2+Q_{DGi}^2}\&le;S_{DGi\max }\\ P_{ESS}^{\min }\&le;P_{ESS,t}\&le;P_{ESS}^{\max }\\ {\mathrm{SOC}}^{\min }\&le;{\mathrm{SOC}}_t+P_{ESS,t}\mathrm{\&Delta;}t\&le;{\mathrm{SOC}}^{\max }\\ SOC\left(0\right)=SOC\left(T\right)\end{array}\right.$

其中，定义上式运算符表示节点i由单纯的负荷节点接入分布式电源或储能系统后变为带有电源性质的节点，并不是在数值上相加，实际上是增加了电源节点的个数及约束；上述约束条件中第一、二个公式为系统的潮流约束，第三个公式为运行电压水平约束，第四个公式为支路电流约束，第五个公式为分布式电源的功率约束，第六个公式为储能系统充放电功率约束，第七、八个公式为储能系统的荷电状态约束；

其中，D_ij＝g_ijb_shij/2；

A_ij、B_ij、C_ij、D_ij为计算节点i与节点j之间线路上流过电流的系数；

g_ij、b_ij、b_shij分别为节点i与节点j之间线路的电导、电纳和对地电纳；

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、互导纳；

V_i、V_j、θ_ij分别为节点i、j的电压幅值和相角差；

P_i、Q_i分别为节点i的负荷有功功率和无功功率；

分别为节点i的负荷有功功率、无功功率上限；

P_DGi、Q_DGi分别为接入节点i的分布式电源有功出力和无功出力；

P_ESSi、Q_ESSi分别为接入节点i的储能装置的有功充放电功率和无功充放电功率；

V_imax、V_imin分别为节点i电压幅值上下限；

I_ij、I_ijmax分别为支路ij的电流幅值及其上限；

S_DGimax表示分布式电源视在功率的最大值；

P_ESS,t为t时刻的充放电功率，和为储能系统充放电功率上下限；

SOC_t为储能系统在t时刻的荷电状态，Δt为时间间隔，SOC^max和SOC^min分别为荷电状态的上下限；

SOC(0)和SOC(T)分别为充放电周期始末的荷电状态；

(3-2)将最大供电能力求解模型转换为锥优化求解模型

将步骤(3-1)中建立的最大供电能力求解模型进行锥模型转换，具体过程为：

首先，定义

将X_i、Y_ij、Z_ij替换原模型中V_i、V_j、θ_ij，则目标函数由非线性变为线性形式：

同时，系统潮流约束转化为：

运行电压水平约束变为：

支路电流约束变为：

分布式电源约束条件变为：

易知：

将上式写成：扩大解的搜索空间且不改变解的最优性；

以上转化可使P_DGi、Q_DGi和电压等决策变量构成旋转锥的笛卡尔乘积形式，满足搜索空间在凸锥的范围内；由于储能系统充放电功率约束及荷电状态约束均为线性约束，满足锥优化算法的线性约束形式，因此无需再行转化；

(3-3)计算主动配电网的供电安全裕度

结合最大供电能力的计算结果，将实时最大供电能力和实际负荷之间的差值与实际负荷之间的比值作为安全裕度SM)，计算公式为：

$SM=\frac{ATSC-{\mathrm{\&Sigma;P}}_i}{{\mathrm{\&Sigma;P}}_i}$

其中，ATSC为主动配电系统的最大供电能力，∑P_i为各节点实际所带负荷之和。

5.根据权利要求1所述的一种基于供电能力的主动配电网安全等级划分方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述的主动负荷熵指标不同于输电网中的系统负荷熵指标，主动负荷熵指标是在主动负荷的可控性分析的基础上考虑主动负荷分布均匀程度提出的，受需求侧管理中的负荷优化作用影响，而系统负荷熵指标是输电网中固定负荷的分布情况；

所述步骤(4)的具体过程如下：

定义各负荷点的有效负载率μ_i为：i＝1,2,...,D

其中，P_i为节点i的负荷值，为节点i一天内的平均负荷；根据有效负载率的大小给定常数序列U＝{U₁,U₂,...,U_k,...,U_n}，每两个相邻常数代表一个负载率区间；

用f_k表示第k个负载率区间内的负荷个数，概率化得：

其中，P(k)为负载率μ_i∈(U_k,U_k+1]的负荷个数占总负荷的比例；

由上两式可得主动负荷熵ALE为：

$ALE=-C\underset{k=1}{\overset{n-1}{\&Sigma;}}P\left(k\right)\ln P\left(k\right).$

6.根据权利要求1所述的一种基于供电能力的主动配电网安全等级划分方法，其特征在于，所述步骤(5)的具体过程如下：

(5-1)储能系统充放电功率计算

所述储能系统的充放电控制采用一致性主动控制原则，使每个储能装置的响应功率与容量的比例保持一致，储能装置的充放电功率计算公式为：

$P_{ESS,t}=\left(\frac{P_{all,t}-\stackrel{\&OverBar;}{P_{all}}}{H\underset{w}{\&Sigma;}(P_{all,t}-\stackrel{\&OverBar;}{P_{all}})}\right)\frac{E_h^R}{\mathrm{\&Delta;}t}$

其中，P_ESS,t为充放电功率，当储能装置处于充电状态时取负值，处于放电状态时取正值；H为系统中ESS的个数；P_all,t为t时刻各类负荷之和；P_CL,t为固定负荷，P_AL,t为可转移负荷，P_IL,t为可中断负荷，I_m,t为0-1变量，取0表示中断负荷，取1表示使用负荷；x表示可中断客户，X表示制定可中断合约的客户数；w为P_all,t小于(或大于)的个数；为第h个ESS的额定容量；

(5-2)主动调节率的计算

主动调节率AR)是储能系统的可控性为主动配电网带来的可调节能力的大小，是定量反映主动配电网灵活性的指标，计算公式为：

其中，第一项为所有储能装置在t时刻放电时带来的供电能力的提高占原供电能力(ATSC_t)的比例，充电时此项为0；第二项为充电带来的负荷的增加占原总负荷的比例，放电时此项为0。

7.根据权利要求1所述的一种基于供电能力的主动配电网安全等级划分方法，其特征在于，所述步骤(6)的具体过程如下：

主动安全度指标ASI是指安全裕度和主动调节率之和与负荷分配的均衡程度的比值，用以定量反映配网的综合安全性，计算公式为：

ASI由三个因素共同决定，一是SM，主动配电网的安全裕度越大，表明电网越安全；二是主动配电网的主动调节能力AR，AR越大，说明配网的主动调节能力越大，配网越灵活；三是主动负荷熵ALE，熵值越大，负荷越不均衡，从而会减小电网的安全程度。

8.根据权利要求1所述的一种基于供电能力的主动配电网安全等级划分方法，其特征在于，在步骤(7)中，所述的主动配电网安全等级划分不同于输电网的安全等级划分，主动配电网安全等级划分将安全等级划分方法应用于主动配电网的大背景下，完成的评价对象与后者不同，所用安全性指标是充分考虑主动配电网的特点后分析得出的；

所述步骤(7)的具体过程如下：

首先，进行阈值选取时假设负荷分配为最均匀状态；选取ASI值为1(或0.5)时为二(或三)级阈值，用TV₂(或TV₃)表示，说明主动配电网自身的灵活性及裕度可以承受当前负荷1倍(或0.5倍)的波动或增长；

由LLR、TC及ASI的大小，将主动配电网的运行状态划分为五个安全等级；

I级：ASI>TV₂，表明各时刻的负荷增加1倍后仍有裕度，对主动负荷的承受能力及分布式电源的消纳情况很好，这种情况下主动配网的运行安全性很高；

II级：TV₃<ASI<TV₂，表明系统可承受当前负荷一半的增长或波动，但承受不了1倍的波动，这种情况下主动配网的运行比较安全；

III级：0<ASI<TV₃，这种情况下，主动配网能承受的负荷波动较小，可适当调整主动负荷的大小及分布或适当调整对储能系统的控制以增大主动配电网的灵活性来增大ASI，避免事故的发生；

Ⅳ级：TC>0，且不失负荷，表示主动配电网中有越限风险，TC越大，系统过载风险越高，可适当调节主动负荷的分布及大小或调节储能系统促进分布式电源出力的消纳来增大供电能力，防止越限情况的发生；

Ⅴ级：LLR>0，表示系统失负荷情况的严重程度，LLR值越大，失负荷情况越严重；可通过网络重构或增加主网对配网的供电量减小失负荷的严重程度。