CN108206540A - 考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分方法：输入选定的配电系统的结构及参数；依据配电系统结构及参数，建立考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分模型；采用内点法求解考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分模型；输出求解结果，包括重要负荷持续运行时间、重要负荷运行结束时段、各节点电压幅值、分布式电源的运行策略及分段开关开断状态。本发明能够解决有源配电网中孤岛划分问题，有效体现系统有限发电容量对系统孤岛运行时间及划分方案的影响。

Description

考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分方法

技术领域

本发明涉及一种有源配电网孤岛划分方法。特别是涉及一种考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分方法。

背景技术

随着分布式能源的高比例广泛接入，配电系统的运行和调度方式发生了深刻而持久的变化。孤岛运行是在极端情况下借助于可控的分布式电源为系统中重要负荷进行供电的特殊运行方式。有源配电网中由于分布式电源的出现，使孤岛运行成为可能，借助于孤岛运行可以有效减少重要负荷的停电时间，从而提高配电系统的供电可靠性。特别是对于重要交通枢纽、重要通信枢纽、重要宾馆、大型体育场馆、经常用于国际活动的大量人员集中的公共场所等用电单位中的重要电力负荷而言，其对供电可靠率要求高达99.99％，在孤岛运行时能够保持尽可能长的运行时间对于负荷本身具有重要的经济意义和社会影响，在传统配电网中这些重要负荷往往依赖其自身的自备电源实现孤岛运行，而有源配电网的孤岛运行方式为系统中分布式电源和重要负荷的资源整合提供了基础，减少了对自备电源的依赖并提高了系统中分布式电源的利用效率。

此外，由于风机、光伏等不可控分布式电源的随机性和波动性，传统的孤岛划分方法往往忽略新能源在孤岛划分时的作用，从而减少了重要负荷的持续运行时间。储能系统通过其在时间上对能量的转移，能够提供充分的系统灵活性，提高配电系统重要负荷的恢复比例及孤岛运行时间，此外由于具有快速的响应能力，在孤岛运行时储能系统同可控的分布式电源一样可以为孤岛提供电压和频率支撑，进一步提高重要负荷的供电可靠性。

传统的孤岛划分方法仅以某一时间断面或固定时段内负荷恢复量最大作为孤岛运行的目标，难以保证在系统恢复正常运行前对重要负荷进行持续的供电。因此，在配电系统孤岛运行时，应充分考虑重要负荷持续运行时间对孤岛运行策略的影响。

有源配电网孤岛划分是实现系统孤岛运行的关键问题之一。目前，现阶段的孤岛划分方法大多以负荷恢复量最大为目标，并未有效体现系统有限发电容量对系统孤岛运行时间及划分方案的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够解决有源配电网中孤岛划分问题的考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分方法。

本发明所采用的技术方案是：一种考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分方法，包括如下步骤：

1)根据选定的配电系统，输入线路参数、负荷水平及负荷等级和网络拓扑连接关系，系统运行电压水平和支路电流限制，可控和不可控分布式电源接入位置和容量，储能系统接入位置、容量和损耗系数，负荷和分布式电源运行曲线，系统故障时刻，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，建立考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分模型，包括：设定配电系统孤岛运行过程中全部重要负荷持续运行时间最长为目标函数，分别考虑负荷运行约束、网络拓扑约束、系统潮流约束、系统运行约束、不可控分布式电源运行约束和可控分布式电源运行约束、储能系统运行约束；

3)将步骤2)得到的考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分模型采用内点法进行求解；

4)输出步骤3)的求解结果，包括重要负荷持续运行时间、重要负荷运行结束时段、各节点电压幅值、分布式电源的运行策略及分段开关开断状态。

步骤2)所述的配电系统孤岛运行过程中全部重要负荷持续运行时间最长为目标函数f，表示为

式中，t_n为重要负荷运行结束的时段；t₀为系统发生故障后进行故障恢复的时刻；Ω_c为重要负荷节点的集合；为t时段节点i上的有功负荷；λ_t,i为t时段节点i上负荷的恢复系数，为0-1变量，λ_t,i＝1表示负荷恢复，λ_t,i＝0表示负荷未恢复；Δt为优化步长。

步骤2)所述的负荷运行约束λ_t,i为：

λ_t,i＝1,t＝t₀,t₁,t₂,…,t_n,i∈Ω_c

式中，t₀,t₁,t₂,…,t_n表示重要负荷运行时段；Ω_c为重要负荷节点的集合。

本发明的考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分方法，能够解决有源配电网中孤岛划分问题，充分考虑系统运行约束，建立考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分模型，其数学本质是非线性规划问题，采用内点法进行求解，得到重要负荷的持续运行时间及相应的孤岛划分策略。能够有效体现系统有限发电容量对系统孤岛运行时间及划分方案的影响。

附图说明

图1是本发明考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分方法的流程图；

图2是改进的IEEE 33节点算例结构图；

图3是光伏出力曲线；

图4是负荷特性曲线；

图5是在1时系统发生故障，场景1下孤岛划分示意图；

图6是在1时系统发生故障，场景2下孤岛划分示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分方法做出详细说明。

本发明的考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分方法，针对有源配电网孤岛划分问题，充分考虑孤岛内储能系统及分布式电源容量约束、系统运行约束、潮流约束等，将重要负荷持续运行时间最大化作为孤岛运行的目标，以重要负荷持续运行时间评估孤岛运行时间，根据配电网一天中发生故障时刻的不同，得到相应的孤岛划分策略。

如图1所示，本发明的考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分方法，包括如下步骤：

1)根据选定的配电系统，输入线路参数、负荷水平及负荷等级和网络拓扑连接关系，系统运行电压水平和支路电流限制，可控和不可控分布式电源接入位置和容量，储能系统接入位置、容量和损耗系数，负荷和分布式电源运行曲线，系统故障时刻，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，建立考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分模型，包括：设定配电系统孤岛运行过程中全部重要负荷持续运行时间最长为目标函数，分别考虑负荷运行约束、网络拓扑约束、系统潮流约束、系统运行约束、不可控分布式电源运行约束和可控分布式电源运行约束、储能系统运行约束，这里所述的重要负荷是指对供电可靠率要求高达99.99％的场合；其中，

(1)所述的配电系统孤岛运行过程中全部重要负荷持续运行时间最长为目标函数f，表示为

式中，t_n为重要负荷运行结束的时段；t₀为系统发生故障后进行故障恢复的时刻；Ω_c为重要负荷节点的集合；为t时段节点i上的有功负荷；λ_t,i为t时段节点i上负荷的恢复系数，为0-1变量，λ_t,i＝1表示负荷恢复，λ_t,i＝0表示负荷未恢复；Δt为优化步长。

(2)所述的负荷运行约束λ_t,i为：

λ_t,i＝1,t＝t₀,t₁,t₂,…,t_n,i∈Ω_c (2)

式中，t₀,t₁,t₂,…,t_n表示重要负荷运行时段；Ω_c为重要负荷节点的集合。

(3)所述网络拓扑约束表示为

α_ij＝β_ij+β_ji,ij∈Ω_b (3)

α_ij∈{0,1}(6)

0≤β_ij≤1,0≤β_ji≤1 (7)

式中，Ω_b表示所有装有分段开关的支路的集合；Ω_s表示系统的源节点；α_ij表示支路ij上开关的开断状态，α_ij＝1表示开关闭合，α_ij＝0表示开关断开；β_ij表示节点i和节点j的关系，β_ij＝1表示节点j是节点i的父节点，β_ij＝0表示节点j不是节点i的父节点。通过网络拓扑约束可以对可控分布式电源的运行策略进行选择，当节点i上的可控分布式电源满足式 时，该分布式电源选取PQ控制方式；当节点i上的可控分布式电源满足式时，该分布式电源选取V/f控制方式，满足该式的可控分布式电源的个数即为结果中的孤岛个数。

(4)所述的潮流约束表示为

-Mα_ij≤P_t,ij≤Mα_ij (15)

-Mα_ij≤Q_t,ij≤Mα_ij (16)

式中，R_ij为支路ij的电阻，X_ij为支路ij的电抗；P_t,ij、Q_t,ij分别为t时段支路ij上流过的有功功率和无功功率；P_t,i、Q_t,i分别为t时段节点i上注入的有功功率和无功功率之和； 分别为t时段节点i上负荷的有功功率和无功功率；分别为t时段节点i上可控与不可控分布式电源注入的有功功率和无功功率；为t时段节点i上储能系统的充放电功率，其中放电功率为正，充电功率为负；为t时段节点i上储能系统注入的无功功率；M表示一个极大的常量，通常取9999。

(5)所述的系统运行约束表示为

式中，和分别为节点i的电压上下限；为支路ij的电流上限。

(6)所述的不可控分布式电源运行约束表示为

式中，为t时段节点i上不可控分布式电源的有功出力的上限，此时认为不可控分布式电源的出力是可以削减的；表示节点i上不可控分布式电源的容量；为节点i上分布式电源的运行的最小功率因数。

(7)所述的可控分布式电源运行约束表示为

式中，为节点i上可控分布式电源的有功出力的上下限；表示节点i上可控分布式电源的容量。

(8)储能系统运行约束

式中，为节点i上储能系统的容量；为节点i上储能系统的无功功率上限；为t时段初始时刻节点i上储能系统的荷电状态；为t时段节点i上储能系统的损耗；为节点i上储能系统的损耗系数；和分别为节点i上储能系统荷电状态的上下限。

3)将步骤2)得到的考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分模型采用内点法进行求解；

4)输出步骤3)的求解结果，包括重要负荷持续运行时间、重要负荷运行结束时段、各节点电压幅值、分布式电源的运行策略及分段开关开断状态。

本发明的具体实施例是，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，负荷元件等级，负荷运行曲线，分布式电源参数，分布式电源运行曲线，网络拓扑连接关系，算例结构如图2所示，详细参数见表1、表2、表3、表4；假设支路1-2之间在不同时段发生永久性三相故障，并设定系统的基准电压为12.66kV、基准功率为1MVA；设定一级负荷为重要负荷；设置重要负荷运行时段为1h；为验证该方法的有效性，采用如下2种场景进行分析。

场景1：只考虑有分布式电源的孤岛划分策略；

场景2：考虑分布式电源和储能系统的孤岛划分策略。

采用本发明的考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分方法，并采用内点法进行求解，2种场景下的系统重要负荷持续运行时间分别见表5、表6，当故障发生在1时，2种场景对应的孤岛运行策略见图5、图6，其中实心节点表示重要负荷，空心节点表示常规负荷。

执行优化计算的计算机硬件环境为IntelICoreIi5-3470CPU，主频为3.20GHz，内存为4GB；软件环境为Windows 7操作系统。

由表5、表6可以看出，本发明的方法能够在进行有源配电网的孤岛划分时充分考虑重要负荷的持续运行时间。由表5、表6可知，对比场景1与场景2，储能系统的接入增加了系统发电容量，从而提高了重要负荷的持续运行时间，例如，系统1时发生故障，重要负荷持续运行时间可提高3小时。本发明的方法充分考虑了负荷运行约束，根据配电网在一天内故障时段的不同，得到不同场景下的孤岛划分策略，并同时计算出重要负荷的持续运行时间，亦为孤岛运行时间。该计算方法能够为故障维修人员提供维修时间的指导，以便实现重要负荷的持续供电，提高系统供电可靠性。

表1 IEEE33节点算例负荷接入位置、功率及负荷等级

表2 IEEE33节点算例线路参数

表3分布式电源配置情况

表4储能系统配置情况

表5场景1下不同故障时段的重要负荷运行情况

表6场景2下不同故障时段的重要负荷运行情况

Claims (3)

1.一种考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分方法，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、负荷水平及负荷等级和网络拓扑连接关系，系统运行电压水平和支路电流限制，可控和不可控分布式电源接入位置和容量，储能系统接入位置、容量和损耗系数，负荷和分布式电源运行曲线，系统故障时刻，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，建立考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分模型，包括：设定配电系统孤岛运行过程中全部重要负荷持续运行时间最长为目标函数，分别考虑负荷运行约束、网络拓扑约束、系统潮流约束、系统运行约束、不可控分布式电源运行约束和可控分布式电源运行约束、储能系统运行约束；

3)将步骤2)得到的考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分模型采用内点法进行求解；

4)输出步骤3)的求解结果，包括重要负荷持续运行时间、重要负荷运行结束时段、各节点电压幅值、分布式电源的运行策略及分段开关开断状态。

2.根据权利要求1所述的考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分方法，其特征在于，步骤2)所述的配电系统孤岛运行过程中全部重要负荷持续运行时间最长为目标函数f，表示为

式中，t_n为重要负荷运行结束的时段；t₀为系统发生故障后进行故障恢复的时刻；Ω_c为重要负荷节点的集合；为t时段节点i上的有功负荷；λ_t,i为t时段节点i上负荷的恢复系数，为0-1变量，λ_t,i＝1表示负荷恢复，λ_t,i＝0表示负荷未恢复；Δt为优化步长。

3.根据权利要求1所述的考虑重要负荷持续运行时间的有源配电网孤岛划分方法，其特征在于，步骤2)所述的负荷运行约束λ_t,i为：

λ_t,i＝1,t＝t₀,t₁,t₂,…,t_n,i∈Ω_c

式中，t₀,t₁,t₂,…,t_n表示重要负荷运行时段；Ω_c为重要负荷节点的集合。