CN108777483B - 基于柔性多状态开关的负荷在线转供方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性多状态开关的负荷在线转供方法。传统的负荷转供方案无法克服不停电的问题。本发明采用的技术方案为：构建非故障馈线各节点电压和柔性多状态开关端口功率之间的关系；由已知的负荷状态信息获取故障下游额定运行状态下负荷大小并设置负荷切除量；构建包含所有馈线的节点电压变化目标函数，利用在线寻优算法在满足约束条件的前提下获取目标函数最小值；将寻优获取的结果输入到柔性多状态开关控制器中，同时根据已经确定的负荷切除组合通过柔性多状态开关控制负荷断路器动作，完成转供过程。本发明通过柔性多状态开关协调配网各馈线对故障线路输送功率，在保证配网安全稳定运行的前提下对故障下游负荷实现在线转供。

Description

基于柔性多状态开关的负荷在线转供方法

技术领域

本发明属于配网系统负荷转供领域，具体地说是一种基于柔性多状态开关的负荷在线转供方法。

背景技术

配网的安全运行是整个电力系统安全运行的重要一环，我国配电网的结构具有闭环设计、开环运行的特点，然而配电网的结构在发生停电事故时负荷转供极不灵活。

现有负荷转供的研究主要集中于计及配电网健康运行的约束条件下，对转供能力的影响因素进行分析和评估、以及通过智能算法对转供路径及转供量的求解这两个方面。但是这种方式有着几个明显的不足：首先，如果故障下游没有联络线连接，则无法完成负荷转供，故障下游将一直保持停电状态；其次，通过一条联络线进行转供，由于单条输电线路提供的功率有限，容易导致联络线相连线路过载或者故障下游切除负荷过多；再者，通过多条联络线进行转供，可能会出现不同配电网线路相角不同造成环流或因不同配网电压等级不同造成不能相互转供的问题；且传统的负荷转供方案无法克服不停电的问题，这对一些供电可靠性要求高的负荷来说不可接受。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于柔性多状态开关的负荷在线转供方法，其在保证配网安全稳定运行的前提下对故障下游负荷实现在线转供。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：基于柔性多状态开关的负荷在线转供方法，配电网中含有对负荷断路器可控的柔性多状态开关且端口数大于等于3，柔性多状态开关控制器与配电网各线路断路器节点通讯，配电网各线路断路器节点将实时运行的电压、断路器变位信号发送给柔性多状态开关控制器；所述的配电网负荷在线转供方法包括步骤：

1)当配电网中某馈线发生故障，柔性多状态开关端口检测到线路电压跌落时，记录此时配电网中各节点的运行状态，构建非故障馈线各节点电压和柔性多状态开关端口功率之间的关系；

2)当柔性多状态开关接收到线路断路器发出的跳闸信息后，由已知的负荷状态信息获取故障下游额定运行状态下负荷大小并设置负荷切除量；设置柔性多状态开关端口容量约束、功率平衡约束和节点电压约束；

3)构建包含所有馈线的节点电压变化目标函数，利用在线寻优算法在满足约束条件的前提下获取目标函数最小值，若发现寻优过程中无法满足所有待转供负荷的需求，设置紧急切除负荷的策略，利用二分法求得负荷切除量，同时确定负荷切除组合，并对寻优过程设置计算时间约束；

4)将寻优获取的结果输入到柔性多状态开关控制器中，同时根据已经确定的负荷切除组合通过柔性多状态开关控制负荷断路器动作，完成转供过程。

作为上述技术方案的补充，步骤1)中，构建配网各节点电压和柔性多状态开关端口功率之间的关系，其具体包括：通过在正常运行时柔性多状态开关端口施加一个微小的有功功率和无功功率扰动ΔP和ΔQ，同时分别监测有功功率扰动和无功功率扰动时该线路各节点电压的变化情况ΔU_pn.1,ΔU_pn.2,…,ΔU_pn.i,…,ΔU_pn.m和ΔU_qn.1,ΔU_qn.2,…,ΔU_qn.i,…,ΔU_qn.m，则各节点有功功率灵敏度为：无功功率灵敏度为根据各节点的有功与无功灵敏度即获得节点电压与柔性多状态开关端口功率之间的关系：

其中，l、m、p、q分别表示馈线的节点数，K_P1.i,K_P2.i,…,K_Pn.i和K_q1.i,K_q2.i,…K_qn.i分别为馈线1至n各节点电压的有功功率和无功功率灵敏度；ΔP₁,…,ΔP_n和ΔQ₁,…,ΔQ_n分别为1至n各柔性多状态开关端口输送的有功功率和无功功率变化量。

作为上述技术方案的补充，步骤2)中，由已知的负荷信息获取负荷下游的功率，记为P_n+1.1、P_n+1.2、…、P_n+1.m，设置负荷切除量X，则待转供负荷即为：

P_L＝(P_n+1.1+P_n+1.2+…+P_n+1.m)·(1-X％)。

作为上述技术方案的补充，步骤2)中，柔性多状态开关端口容量约束计算公式为：

其中，ΔP₁,ΔP₂,…,ΔP_n和ΔQ₁,ΔQ₂,…,ΔQ_n分别为1至n各柔性多状态开关端口输送的有功功率和无功功率变化量；P₁,P₂,…,P_n和Q₁,Q₂,…,Q_n分别为1至n各柔性多状态开关端口输送的有功功率和无功功率(以流出柔性多状态开关端口为正)；S_1.max,S_2.max,…,S_n.max分别为1至n各柔性多状态开关端口的功率传输容量。

作为上述技术方案的补充，步骤2)中，柔性多状态开关功率平衡约束为：

(P₁+ΔP₁)+(P₂+ΔP₂)+…+(P_n+ΔP_n)＝P_L，

其中，P₁,P₂,…,P_n分别为1至n各柔性多状态开关端口输送的有功功率；P_L表示待转供负荷，ΔP₁,ΔP₂,…,ΔP_n分别为1至n各柔性多状态开关端口输送的有功功率变化量。

作为上述技术方案的补充，步骤2)中，节点电压约束为：

其中，ΔU_1.i,ΔU_2.i,…,ΔU_n.i为馈线1至n各节点电压变化量，U_1.min,U_2.min,…,U_n.min为馈线各节点正常运行允许的电压最低值。

作为上述技术方案的补充，步骤3)中，节点电压变化目标函数为：

式中，l、m、p、q分别表示馈线的节点数，ΔU_1.i,ΔU_2.i,…,ΔU_n.i为馈线1至n各节点电压变化量；

a)若正常馈线能满足所有待转供负荷时，即负荷切除量X＝0时ΔP₁,ΔP₂,…,ΔP_n,ΔQ₁,ΔQ₂,…,ΔQ_n有解，通过在线寻优求出一组使得目标函数达到最小值的最优解；ΔP₁,ΔP₂,…,ΔP_n,ΔQ₁,ΔQ₂,…,ΔQ_n分别为1至n各柔性多状态开关端口输送的有功功率和无功功率变化量；

b)若正常馈线不能满足所有待转供负荷时，即负荷切除量X不等于0时ΔP₁,ΔP₂,…,ΔP_n,ΔQ₁,ΔQ₂,…,ΔQ_n无解，利用二分法求取负荷切除量并分别代入寻优过程；为了不让计算过程无限进行，设定一个精度ε，因此，计算过程停止条件为：

|X_n-X_n-1|≤ε，

式中，X_n为本次计算的负荷切除量，X_n-1为前一次计算的负荷切除量。

作为上述技术方案的补充，步骤3)中，同时确定负荷切除组合，具体包括：在已经获得负荷切除量X后，通过在不同重要程度的负荷中构建负荷组合，获得一个不小于X且最接近X的负荷组合，该组合即为切负荷的组合。

作为上述技术方案的补充，步骤3)中，对寻优过程设置计算时间约束，具体包括：对计算过程设置计算时间约束，当寻优结果满足精确度要求或达到计算的约束时间时，即停止寻优过程。

作为上述技术方案的补充，若故障发生在与主站相连的馈线上，则主站转化为从站，从站转化为主站。

本发明提供了一种负荷在线转供的新策略，其通过柔性多状态开关协调配网各馈线对故障线路输送功率，在保证配网安全稳定运行的前提下对故障下游负荷实现在线转供。

附图说明

图1是柔性多状态开关端口拓扑结构图；

图2是柔性多状态开关实际运行结构图；

图3是本发明基于柔性多状态开关的负荷在线转供策略的流程图；

图4为本发明应用例中实际负荷转供结构图；

图5为本发明应用例中负荷转供仿真结果波形图；图5a为端口P1电压及有功功率变化情况图；图5b为端口P2电压及有功功率变化情况图；图5c为端口P3电压及有功功率变化情况图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步详细的说明。

图1是柔性多状态开关端口的简单拓扑。图2为柔性多状态开关运行结构图。当然，本发明的重点在于该转供计算方法，所以本发明并不局限于上述结构，只要能够实施该转供方法并通过交直流变换实现负荷在线转供的结构也可。

实施例

本实施例提供一种基于柔性多状态开关的负荷在线转供策略，如图3所示，其步骤如下：

(1)实时监测系统的运行状态，柔性多状态开关端口监测到系统出现电压跌落等故障信息时，记录此时馈线1～n各节点的电压值U_1.i,U_2.i,…,U_n.i和柔性多状态开关端口1～n输送的有功功率和无功功率值P₁,P₂,…,P_n,Q₁,Q₂,…,Q_n，调取非故障馈线各节点电压对柔性多状态开关端口的有功和无功灵敏度K_P1.i,K_P2.i,…,K_Pn.i,K_q1.i,K_q2.i,…K_qn.i，构建非故障馈线各节点电压与柔性多状态开关端口之间的关系。

(2)当收到线路断路器发出的跳闸信息后，由已知的负荷状态信息获取故障下游额定运行状态下负荷大小；并设置负荷切除量X；设置柔性多状态开关端口容量约束、功率平衡约束、节点电压约束。

待转供负荷量：

P_L＝(P_n+1.1+P_n+1.2+…+P_n+1.m)·(1-X％) (1)

端口容量约束：

节点电压约束：

式中，ΔU_1.i,ΔU_2.i,…,ΔU_n.i为馈线1～n各节点电压变化量，计算公式为：

功率平衡约束：

(P₁+ΔP₁)+(P₂+ΔP₂)+…+(P_n+ΔP_n)＝P_L (5)

(3)构建包含所有馈线的节点电压变化目标函数：

利用在线寻优对目标函数进行计算，根据是否切除负荷分类进行讨论和求解。

a)若正常馈线能满足所有待转供负荷时，即负荷切除量X＝0时ΔP₁,ΔP₂,…,ΔP_n,ΔQ₁,ΔQ₂,…,ΔQ_n有解时，通过在线寻优求出一组使得目标函数达到最小值的最优解。

b)若正常馈线不能满足所有待转供负荷时，即负荷切除量X不等于0时ΔP₁,ΔP₂,…,ΔP_n,ΔQ₁,ΔQ₂,…,ΔQ_n无解时，利用二分法求取负荷切除量并分别代入寻优过程。为了不让计算过程无限进行，必须设定一个精度ε，因此，计算过程停止条件为：

|X_n-X_n-1|≤ε (7)

本发明所提出的负荷在线转供方法涉及在线寻优问题，需计及配网中所有关键节点的电压状态，有可能导致寻优时间接近甚至超过非故障端口所连接DG或负荷的最大耐受时间针对上述情况，引入停止判据，在寻优过程接近非故障DG、负荷的最大耐受时间t_limit时，立即停止寻优并将已经获得的最小切除负荷量作为最终切除负荷量，优先保证非故障区域的安稳运行。t_limit选取方法为：负荷/DG低压室极限存续时间-柔性多状态开关响应时间。

在已经获得的负荷切除量X后，通过在不同重要程度的负荷(先三类，后二类最后一类)中构建负荷组合，获得一个不小于X且最接近X的负荷组合，该组合即为切负荷的组合。

(4)将寻优获取的结果输入到柔性多状态开关控制器中，同时根据已经确定的负荷切除组合通过柔性多状态开关控制负荷断路器动作，完成转供过程。

应用例

本例提供基于柔性多状态开关的负荷在线转供策略的应用，下面结合图4详细介绍本发明中该方法的思路。

步骤1：在馈线2上断路器CB1和CB2之间发生短路故障。柔性多状态开关监测到馈线2电压跌落的信息后，开始进入转供模式。迅速调取馈线1上节点1.1、1.2、1.3的电压对柔性多状态开关端口的有功灵敏度K_P1.1,K_P1.2,K_P1.3和无功灵敏度K_q1.1,K_q1.2,K_q1.3以及馈线3上节点3.1、3.2、3.3电压对柔性多状态开关端口的有功灵敏度K_P3.1,K_P3.2,K_P3.3和无功灵敏度和K_q3.1,K_q3.2,K_q3.3，并记录此时馈线1上节点1.1、1.2、1.3的电压值U1.1＝1.0,U1.2＝0.99,U1.3＝0.99和馈线3上节点3.1、3.2、3.3的电压值和U_3.1＝1.0,U_3.2＝0.99,U_3.3＝0.99。记录柔性多状态开关端口1和端口3输送的有功功率和无功功率值P₁,P₃,Q₁,Q₃分别为4MW,3MW,2Mvar,1Mvar；

步骤2：当柔性多状态开关收到线路断路器发出的跳闸信息，迅速将端口2的控制模式切换为VF控制模式，即无源侧控制方式。由已知的负荷状态信息获取故障下游额定运行状态下负荷大小；并设置负荷切除量。设置负荷切除量为X,则需要转供的负荷大小即为馈线2上节点2.2和节点2.3的负荷之和与剩余负荷相乘，即为P_L＝(P_2.2+P_2.3)·(1-X％)。设置柔性多状态开关端口容量约束、功率平衡约束、节点电压约束。

柔性多状态开关端口M1和M3容量约束为：

三个柔性多状态开关端口传输功率平衡约束计算公式为：

(P₁+ΔP₁)+(P₃+ΔP₃)＝P_L (9)

馈线1和馈线3上各节点电压约束计算公式为：

其中ΔP₁,ΔP₃,ΔQ₁,ΔQ₃为2个柔性多状态开关端口输送的有功功率和无功功率变化量。ΔU_1.1,ΔU_1.2,ΔU_1.3,ΔU_3.1,ΔU_3.2,U_3.3,为馈线1上节点1.1、1.2、1.3和3节点3.1、3.2、3.3电压变化量，具体计算公式为：

步骤3：构建包含所有馈线的节点电压变化目标函数，即：

设置负荷切除精度为20％，计算时间约束为400ms。利用在线寻优对目标函数进行计算，将上述各定值代入公式(8)、(9)、(10)、(11)、(12)。

当X＝0时，对于寻优区域内任意一组ΔP₁,ΔP₃,ΔQ₁,ΔQ₃都不能满足公式(10)，即可认为此时ΔU_1.1,ΔU_1.2,ΔU_1.3,ΔU_3.1,ΔU_3.2,U_3.3,无解，则利用二分法将负荷切除量X从0％-100％迭代获得一个最优的负荷切除量。同时根据获得的负荷切除量确定负荷切除组合。

表1计算与寻优结果

步骤4：将表1中计算得出的各定值输入到柔性多状态开关控制器中，并对配网中待切除负荷组合中的负荷进行切除，完成负荷转供。仿真结果如图5所示。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.基于柔性多状态开关的负荷在线转供方法，配电网中含有对负荷断路器可控的柔性多状态开关且端口数大于等于3，柔性多状态开关控制器与配电网各线路断路器节点通讯，配电网各线路断路器节点将实时运行的电压、断路器变位信号发送给柔性多状态开关控制器；其特征在于，所述的配电网负荷在线转供方法包括步骤：

1)当配电网某馈线发生故障，柔性多状态开关端口检测到配电网电压跌落时，记录此时配电网中各节点的运行状态，构建非故障馈线各节点电压和柔性多状态开关端口功率之间的关系；

2)当柔性多状态开关接收到线路断路器发出的跳闸信息后，由已知的负荷状态信息获取故障下游额定运行状态下负荷大小并设置负荷切除量；设置柔性多状态开关端口容量约束、功率平衡约束和节点电压约束；

3)构建包含所有馈线的节点电压变化目标函数，利用在线寻优算法在满足约束条件的前提下获取目标函数最小值，若发现寻优过程中无法满足所有待转供负荷的需求，设置紧急切除负荷的策略，利用二分法求得负荷切除量，同时确定负荷切除组合，并对寻优过程设置计算时间约束；

4)将寻优获取的结果输入到柔性多状态开关控制器中，同时根据已经确定的负荷切除组合通过柔性多状态开关控制负荷断路器动作，完成转供过程；

步骤1)中，构建配电网各节点电压和柔性多状态开关端口功率之间的关系，其具体包括：通过在正常运行时柔性多状态开关端口施加一个微小的有功功率和无功功率扰动ΔP和ΔQ，同时分别监测有功功率扰动和无功功率扰动时该线路各节点电压的变化情况ΔU_pn.1,ΔU_pn.2,…,ΔU_pn.i,…,ΔU_pn.m和ΔU_qn.1,ΔU_qn.2,…,ΔU_qn.i,…,ΔU_qn.m，则各节点有功功率灵敏度为：无功功率灵敏度为根据各节点的有功功率与无功功率灵敏度即获得节点电压与柔性多状态开关端口功率之间的关系：

其中，ΔU_1.i,ΔU_2.i,…,ΔU_n.i为馈线1至n各节点电压变化量，l、m、p分别代表馈线的节点数，K_P1.i,K_P2.i,…,K_Pn.i和K_q1.i,K_q2.i,…K_qn.i分别为馈线1至n各节点电压的有功功率和无功功率灵敏度；ΔP₁,…,ΔP_n和ΔQ₁,…,ΔQ_n分别为1至n各柔性多状态开关端口输送的有功功率和无功功率变化量。

2.根据权利要求1所述的基于柔性多状态开关的负荷在线转供方法，其特征在于，步骤2)中，由已知的负荷信息获取负荷下游的功率，记为P_n+1.1、P_n+1.2、…、P_n+1.m，设置负荷切除量X，则待转供负荷即为：

P_L＝(P_n+1.1+P_n+1.2+…+P_n+1.m)·(1-X％)。

3.根据权利要求1所述的基于柔性多状态开关的负荷在线转供方法，其特征在于，步骤2)中，柔性多状态开关端口容量约束计算公式为：

其中，ΔP₁,ΔP₂,…,ΔP_n和ΔQ₁,ΔQ₂,…,ΔQ_n分别为1至n各柔性多状态开关端口输送的有功功率和无功功率变化量；P₁,P₂,…,P_n和Q₁,Q₂,…,Q_n分别为1至n各柔性多状态开关端口输送的有功功率和无功功率；S_1.max,S_2.max,…,S_n.max分别为1至n各柔性多状态开关端口的功率传输容量。

4.根据权利要求1所述的基于柔性多状态开关的负荷在线转供方法，其特征在于，步骤2)中，柔性多状态开关功率平衡约束为：

(P₁+ΔP₁)+(P₂+ΔP₂)+…+(P_n+ΔP_n)＝P_L，

其中，P₁,P₂,…,P_n分别为1至n各柔性多状态开关端口输送的有功功率；P_L为待转供负荷，ΔP₁,ΔP₂,…,ΔP_n分别为1至n各柔性多状态开关端口输送的有功功率变化量。

5.根据权利要求1所述的基于柔性多状态开关的负荷在线转供方法，其特征在于，步骤2)中，节点电压约束为：

其中，U_1.i,U_2.i,…,U_n.i为馈线1至n各节点电压，ΔU_1.i,ΔU_2.i,…,ΔU_n.i为馈线1至n各节点电压变化量，U_1.min,U_2.min,…,U_n.min为各节点电压约束中允许正常运行的电压最低值。

6.根据权利要求1所述的基于柔性多状态开关的负荷在线转供方法，其特征在于，步骤3)中，节点电压变化目标函数为：

式中，l、m、p、q分别表示各馈线的节点数，ΔU_1.i,ΔU_2.i,…,ΔU_n.i,ΔU_n+1.i为馈线1至n+1各节点电压变化量；

a)若正常馈线能满足所有待转供负荷时，即负荷切除量X＝0时ΔP₁,ΔP₂,…,ΔP_n,ΔQ₁,ΔQ₂,…,ΔQ_n有解，通过在线寻优求出一组使得目标函数达到最小值的最优解；ΔP₁,ΔP₂,…,ΔP_n,ΔQ₁,ΔQ₂,…,ΔQ_n分别为1至n各柔性多状态开关端口输送的有功功率和无功功率变化量；

b)若正常馈线不能满足所有待转供负荷时，即负荷切除量X不等于0时ΔP₁,ΔP₂,…,ΔP_n,ΔQ₁,ΔQ₂,…,ΔQ_n无解，利用二分法求取负荷切除量并分别代入寻优过程；为了不让计算过程无限进行，设定一个精度ε，因此，计算过程停止条件为：

|X_n-X_n-1|≤ε，

式中，X_n为本次计算的负荷切除量，X_n-1为前一次计算的负荷切除量。

7.根据权利要求6所述的基于柔性多状态开关的负荷在线转供方法，其特征在于，步骤3)中，同时确定负荷切除组合，具体包括：

在已经获得负荷切除量X后，通过在不同重要程度的负荷中构建负荷组合，获得一个不小于X且最接近X的负荷组合，该组合即为切负荷的组合。

8.根据权利要求1所述的基于柔性多状态开关的负荷在线转供方法，其特征在于，步骤3)中，对寻优过程设置计算时间约束，具体包括：

对计算过程设置计算时间约束，当寻优结果满足精确度要求或达到计算的约束时间时，即停止寻优过程。

9.根据权利要求1所述的基于柔性多状态开关的负荷在线转供方法，其特征在于，若故障发生在与主站相连的馈线上，则主站转化为从站，从站转化为主站。