CN107886187B - 考虑负荷敏感性分级及其概率性损失的配电网规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑负荷敏感性分级及其概率性损失的电网规划方法，将电压波动导致的负荷损失量考虑进配电网规划模型中，构建了新的目标函数，提高了规划模型的精确度，改进了配电网规划方案，符合未来负荷发展的需求。

Description

考虑负荷敏感性分级及其概率性损失的配电网规划方法

技术领域

本发明涉及配电网规划技术领域，特别是涉及一种考虑负荷敏感性分级及其概率性损失的配电网规划方法。

背景技术

随着配电网规划主要考虑的是经济方面的因素，注重网络造价的降低和网络损耗的减小，现有技术将负荷丢失成本作为评价配电网可靠性的指标，但该指标不可量化计算，评价不够准确，且未考虑配电网中负荷的情况。有些设备受电压暂降的影响很小，如白炽灯，而有些设备则可能会不能正常工作。对于配电网中的这种负荷设备，如果电压发生变动或者突然变化将导致其不能正常工作或者功能下降，这类负荷被称为敏感负荷或敏感设备，如计算机、可调速电机、交流接触器、可编程逻辑等都是电压敏感负荷。

目前配电网中负荷的成分正在慢慢发生变化，敏感负荷的种类及比重逐渐增多。新能源及分布式电源出力具有不确定性，其入网也会造成一定程度的电压波动。而敏感负荷的运行状态极易受到电压变化的影响，在电压暂降的情况下会有一定的故障概率，从而造成一定程度的概率性损失。考虑到敏感负荷的比重在逐渐增加，配电网规划便不可再忽略这一部分负荷损失。因此应当将敏感性负荷的概率性损失考虑进配电网规划模型中。

在研究敏感性负荷的文献中，大多数研究是针对于敏感性负荷的敏感度的评估，及电压暂降对敏感性负荷的影响，也并未考虑敏感性负荷的电压耐受能力对配电网规划的影响，规划模型不够精确。从久远来看，现有的网架规划方案将不能满足未来负荷发展的需求。

发明内容

基于此，有必要提供一种考虑负荷敏感性分级及其概率性损失的电网规划方法，以便对配电网规划做出改进，满足未来负荷发展的需求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下。

一种考虑负荷敏感性分级及其概率性损失的配电网规划方法，包括步骤：

对于待规划的配电网，分别确定其负荷节点数h、敏感负荷按照电压敏感度的分级数n，以及k级敏感负荷产生单位损失量时的经济成本F_k；

按照下式计算待规划配电网由于敏感负荷损失造成的经济成本F_load：

式中，

是待规划配电网中负荷节点j的电压在电压水平等级i上出现的概率，p_k,i代表k级敏感负荷在电压水平等级为i时发生损失的概率；C_j,k表示k级敏感负荷在负荷节点j下总负荷中的占比；

构建待规划配电网的目标函数：

Max F＝F₀–F_Line–F_EC–F_load

式中，F表示配电网规划净收益目标函数，求取最大值；F₀为考虑分布式电源的规划配电网在一定时期内的总收益，F_Line为新增线路的投资成本；F_EC为系统故障直接切负荷成本；

对构建的目标函数与配电网规划的约束条件，按照遗传算法进行求解，得出最优解，根据最优解确定待规划配电网的规划方案。

本发明将电压波动导致的负荷损失量考虑进配电网规划模型中，构建了新的目标函数，提高了规划模型的精确度，改进了配电网规划方案，符合未来负荷发展的需求。

附图说明

图1为敏感性设备的电压耐受曲线；

图2为ASD的p-V曲线；

图3为负荷电压敏感度分级(5级)示意图；

图4为本发明考虑负荷敏感性分级及其概率性损失的配电网规划方法的流程图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案的推导过程进行介绍，并采用实施例对推导结果进行验证。

1.1敏感负荷故障概率—电压幅值曲线的求取

不同的敏感负荷有着各自的敏感度，具有不同的电压耐受曲线，敏感负荷的电压耐受能力会随着时间、空间的变化而变化，通过仿真实验，可以得到多种敏感负荷的电压耐受曲线，如今已经有不少针对敏感负荷对电压凹陷的敏感度而进行评估的研究。敏感性设备的电压耐受曲线(VTC曲线)如图1所示。其中U_min、U_max分别为能使敏感性负荷产生概率性损失的电压暂降幅值的最小值和最大值，T_min、T_max分别为能使敏感性负荷产生概率性损失的电压暂降的最小和最大暂降持续时间。当U＞U_max或T＜T_min时，敏感性负荷能维持正常运行状态，对应图中的正常运行区域；当U＜U_min且T＞T_max时，敏感性负荷无法维持正常运行，会发生故障甚至停运，对应图中的故障运行区域；图中的A、B、C区域为敏感性负荷运行状况的不确定区域。其中C区域中敏感性负荷的故障概率密度是电压的函数，与时间无关。由图3可看出，当电压暂降持续时间大于T_max时，敏感性负荷必会有一定的故障概率。

根据相关文献，配电网长期运行时，配电网电压每次产生的暂降持续时间都足够长，即时间t落在敏感性设备电压耐受曲线VTC曲线的故障区域所对应的时间坐标轴上，且位置相对靠后，故不考虑暂降时间的大小对负荷敏感度的影响。此外，在含有新能源的配电网中，因新能源出力波动引起的是长时间的电压降低，因此也不必考虑时间对负荷敏感度的影响。为了简化计算，此处将敏感性负荷的暂降持续时间t取为定值T，T＞T_max(图中垂直虚线与时间轴的交点)。

根据敏感负荷的电压耐受曲线，现有文献研究了对敏感负荷电压敏感度的多种评估方法，由现有文献中的加权综合评估算法算出多种敏感性设备(如可编程逻辑控制器PLC、个人计算机PC、可调速驱动装置ASD等)的敏感度，并整理出了敏感负荷的故障损失概率p与电压暂降幅值V(p.u.)之间的关系曲线(p-V曲线)假定p是关于V的单调不增函数，以ASD为例绘制p-V曲线，其余设备的p-V曲线具有具有相似的形态。

表1 ASD的电压暂降负荷损失概率

1.2负荷电压敏感等级的确定

若配电网中有m种敏感负荷(空调负荷、压缩机负荷等)，则每种负荷可对应得到一条该种负荷的p-V曲线，将m种负荷经过聚类分析按照电压敏感度分为n类(m≥n)，得到n条聚合曲线，每条聚合曲线可作为该类敏感负荷共同的敏感度曲线。n条聚合曲线中，每条都是由若干敏感特性相近，曲线形状相似的p-V曲线聚合得出。根据图3中负荷敏感度曲线所示，当负荷损失概率值为给定某一门槛值p_ck(p_ck一般取较高值，如p_ck＝0.8)时，各类敏感负荷相应的电压幅值均不相同，其中电压幅值越高的敏感负荷，其对电压暂降的敏感程度也越高。对于一些负荷，当p_ck的值取得较大时，这些类别的负荷的p-V曲线可能与直线p＝p_ck没有交点，如图3中5级敏感度负荷的曲线，在这种情况下，为了确定这些类别的负荷的敏感度，将p_ck的值不断降低，直至直线p＝p_ck与负荷的p-V曲线出现交点，判定先出现交点的p-V曲线相对应的负荷的敏感度更高。将电压水平i分为十一个等级(i＝0,1,...,10)，两个相邻电压水平等级的电压差为0.1p.u.，在敏感水平的划分中，将敏感负荷分为1～n级，级别编号越小的负荷对电压的变化越敏感，并根据各级敏感负荷的VTC曲线，确定其在各电压水平上的故障概率，见表2。

表中p_k,10≤p_k,9≤…≤p_k,0，p_1,i≥p_2,i≥…≥p_n,i，其中k表示某类负荷的敏感度等级，k＝1,2…n。i表示电压水平等级，V_i为电压幅值，V_i＝0,0.1,0.2,....,1(i＝0,1,2,…,10)；其中每一个电压水平等级对应一个电压区间，区间内的电压值围绕着Vi的上下0.05浮动并满足电压值大于等于0且小于等于1，即电压区间为V_i-0.05～V_i+0.05，为简化处理，以电压幅值为V_i时对应的k级敏感性负荷的损失概率代替电压区间[V_i-0.05，V_i+0.05]内对应的敏感性负荷的损失概率，即假定每个电压水平等级i对应一个负荷损失概率；p_k,i表示k级敏感负荷在电压水平等级为i时的损失概率。

表2.不同电压水平等级与各级敏感负荷损失概率关系表

每个电压暂降幅值对应一个负荷损失概率，可根据敏感负荷的敏感等级与相应的敏感度曲线，计算电压暂降时的负荷损失量。

1.3敏感负荷的增长预测模块

选用趋势外推法对未来的负荷进行预测。电力负荷虽然具有随机性和不确定性，但在一定条件下，仍存在着明显的变化趋势，这种变化趋势可为线性或非线性，周期性或非周期性等。利用图形识别法和差分法选择出合适的趋势模型，应用到趋势外推法中对未来负荷情况进行预测。

1.4配电网电压波动的概率性计算

在进行负荷损失概率的计算时，负荷节点的电压水平是必要的计算元素。对敏感性负荷来说，不同的电压暂降时间对应的故障率是不同的，而在配电网规划中，考虑的是配电网的长期运行情况。现有文献阐述了各种类型的电压波动及闪变对配电网电压产生的影响，其中电压闪变会导致较明显的配电网电压的幅值降低；当配电网中新能源出力占比达到30％～50％时，新能源引起的电压波动幅值也不容忽视。

由于在实际的电力系统中存在着许多的随机因素，比如发电机、线路、变压器等的随机故障，新能源发电的随机性、间歇性等，都使得网络结构和节点注入量等都具有一定的随机性。因此在配电网长期的运行过程中，电压的幅值是在不断变化的，一段时间内节点上某一电压水平值可能多次出现或者不出现。应用随机潮流，分析配电网各节点电压的概率分布。假设配电网共有h个负荷节点，计算各节点j上电压水平等级i出现的概率

(j为负荷节点编号，i为电压水平等级)V_i表示电压水平等级为i时的电压幅值，V_i＝0,0.1,0.2,....,1(i＝0,1,2,…,10)。制定成表格，如表3所示。现对

做如下定义：

i＝0,1,2,...,10 (1-1)

j＝1,2,...,h (1-2)

表3.各节点上电压在不同电压水平等级下的出现概率表

注意

与p_k,i(k级敏感负荷在电压水平等级为i时的损失概率)相区分。

1.5敏感负荷概率性损失量的计算

考虑配电网中各负荷节点上某电压幅值出现的概率性和该幅值下敏感性负荷损失的概率性，负荷节点j上k级敏感性负荷损失的概率可表示为

节点j上敏感性负荷概率性损失量C_l与配电网的敏感性负荷概率性损失量C_l为：

其中，

是配电网中j节点在电压水平等级i上出现的概率，p_k,i代表k级敏感性负荷在电压水平等级i下发生损失的概率；C_j,k表示k级敏感性负荷在j节点下总负荷中的占比；C_lj为节点j上的敏感负荷概率性损失量，C_l为配电网的敏感负荷概率性损失量。

假设某配电网共有3个负荷节点(h＝3)，且该配电网中敏感负荷按照电压敏感度共分为3类(n＝3)。该配电网3个节点的电压在电压水平等级i上出现的概率值，各级敏感负荷在不同电压水平下的损失概率值，各节点下各级敏感负荷在该节点总负荷中的占比大小分别见表4，表5，表6。

表4.配电网3个节点的电压在不同区间上出现的概率

表5.各级敏感负荷在不同电压水平等级i下的损失概率

表6.各节点下各级敏感负荷在该节点总负荷中的占比

由表4和表5可知，节点1上，1级敏感负荷损失的概率为

2级敏感负荷损失的概率为

3级敏感负荷损失的概率为

节点2上，1级敏感负荷损失的概率为

2级敏感负荷损失的概率为

3级敏感负荷损失的概率为

节点3上，1级敏感负荷损失的概率为

2级敏感负荷损失的概率为

3级敏感负荷损失的概率为

结合表6，配电网中敏感负荷损失量为

即由于电网电压波动可能造成的敏感负荷损失量为总负荷的31.875％，损失量很大。

1.6考虑负荷敏感性分级及其概率性损失的配电网规划目标函数

敏感负荷在配电网运行的过程中有以下特点：1)极易因电压波动产生负荷损失；2)一旦发生故障产生的负荷损失的量对经济性的影响较大。对配电网规划目标函数进行改进，考虑负荷敏感性分级及其概率性损失，新的目标函数为

Max F＝F₀–F_Line–F_EC–F_load (1-7)

其中，

F表示配电网规划净收益目标函数，求取最大值；F₀为考虑分布式电源的规划配电网在一定时期内的总收益，F_Line为新增线路的投资成本；F_EC为系统故障直接切负荷成本。F_k表示k级敏感负荷产生单位损失量时的经济成本。F_load表示该配电网中由于敏感负荷损失造成的经济成本。

1.7目标函数求解

对构建的目标函数(式(1-7))与配电网规划的约束条件，进行遗传算法求解，得出最优解。

1.8配电网规划最终方案的确定

若求出的最优解只有一个，则由该最优解即可确定出配电网规划方案，若最优解为多个，则根据决策者的偏好进行选择，确定最终的配电网规划方案。

图4为本发明配电网规划方法的整体流程示意图。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种考虑负荷敏感性分级及其概率性损失的配电网规划方法，其特征在于，包括步骤：

对于待规划的配电网，分别确定其负荷节点数h、敏感负荷按照电压敏感度的分级数n，以及k级敏感负荷产生单位损失量时的经济成本F_k；

按照下式计算待规划配电网由于敏感负荷损失造成的经济成本F_load：

式中，

是待规划配电网中负荷节点j的电压在电压水平等级i上出现的概率，假定第k级敏感负荷在电压水平等级i下对应的负荷损失概率p_k,i；C_j,k表示k级敏感负荷在负荷节点j下总负荷中的占比；

构建待规划配电网的目标函数：

Max F＝F₀–F_Line–F_EC–F_load

式中，F表示配电网规划净收益目标函数，求取最大值；F₀为考虑分布式电源的规划配电网在一定时期内的总收益，F_Line为新增线路的投资成本；F_EC为系统故障直接切负荷成本；F_load为敏感负荷损失造成的经济成本；

对构建的目标函数与配电网规划的约束条件，按照遗传算法进行求解，得出最优解，根据最优解确定待规划配电网的规划方案；

考虑配电网中各负荷节点上某电压幅值出现的概率性和该幅值下敏感性负荷损失的概率性，负荷节点j上k级敏感性负荷损失的概率表示为

节点j上敏感性负荷概率性损失量C_l与配电网的敏感性负荷概率性损失量C_l为：

其中，

是配电网中j节点在电压水平等级i上出现的概率，p_k,i代表k级敏感性负荷在电压水平等级i下发生损失的概率；C_j,k表示k级敏感性负荷在j节点下总负荷中的占比；C_lj为节点j上的敏感负荷概率性损失量，C_l为配电网的敏感负荷概率性损失量。

2.根据权利要求1所述的考虑负荷敏感性分级及其概率性损失的配电网规划方法，其特征在于：

若求出的最优解只有一个，则由该最优解确定配电网规划方案，若最优解不止一个，则根据决策者的偏好进行选择，确定最终的配电网规划方案。

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