CN109449945A - 基于DG调节的10kV合环电流约束的配电网转供优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于DG调节的10kV合环电流约束的配电网转供优化方法，解决了如何以网内DG出力进行辅助调节，确保不引起10kV线路过流保护误动造成合环失败的问题。本发明包括以下步骤：在短路电流约束、暂态冲击电流约束、稳态合环电流约束这3类10kV在线合环电流约束上建立2层转供优化模型；以10kV配电网线路开关0‑1状态为优化变量，建立目标函数；计算10kV线路的有功功率“转供”约束条件、有功功率“转带”约束条件和10kV“转供”馈线最大容许载流量约束条件，计算10kV“转带”馈线最大容许载流量约束条件，计算配电网结构辐射型约束条件；以总的DG调节成本最小为目标函数，以10kV合环电流为约束条件，建立检验优化模型；对2层转供模型进行求解。

Description

基于DG调节的10kV合环电流约束的配电网转供优化方法

技术领域

本发明涉及电网调度控制技术领域，具体涉及一种基于DG调节的10kV合环电流约束的 配电网转供优化方法。

背景技术

在迎峰度夏期间，由于负荷过高引起110kV站主变过载，需要立即对10kV线路进行转供。 在电网安全运行层面，采取“冷倒”的方式不会引起短路阻抗大量减小，若发生故障其短路 电流远远小于“热倒”方式的故障电流。由此，“冷倒”比“热倒”更加安全和可靠。但是， 在国家供电可靠性指标要求下，重点城市的供电可靠性指标必须要达到99.99％，所以仍要提 高供电的可靠性。而关于在线合环的文献中，由于10kV电源点可能来自35kV站，也可能是 110kV站10kV母线，还有可能来自220kV站的10kV母线，因此其合环的两个电源之间可能 存在30度相角差。所以如果在合环前通过调节配电网内DG出力使得“转供”和“转带”的 两条10kV线路的潮流分布，保证在合环前两条馈线的稳态电流都小于各自线路过流保护启动 的整定值。这样一来，可避免合环导致的过流速断保护误动。而如何保证合环前两条馈线的 稳态电流都小于各自线路过流保护启动的整定值是本专利要解决的关键技术问题。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述现有技术的缺点和不足，本发明提供了解决上述问题

的一种基于DG调节的10kV合环电流约束的配电网转供优化方法。

本发明通过下述技术方案实现：

基于DG调节的10kV合环电流约束的配电网转供优化方法，包括以下步骤：

步骤1：在短路电流约束、暂态冲击电流约束、稳态合环电流约束这3类10kV在线合环 电流约束上建立2层转供优化模型。

步骤2：第一层配电网转供优化模型以10kV配电网线路开关0-1状态为优化变量，以10kV 线路开关的总动作次数最少建立目标函数；

步骤3：计算10kV线路转供后的有功功率“转供”约束条件、有功功率“转带”约束条件和10kV“转供”馈线最大容许载流量约束条件，计算10kV线路转带后的10kV“转带”馈 线最大容许载流量约束条件，计算配电网结构辐射型约束条件；

步骤4：第二层10kV合环约束检验模型以存在负荷转供的线路DG为优化变量，以总的 DG调节成本最小为目标函数，以10kV合环电流为约束条件，建立检验优化模型；

步骤5：采用CPLEX工具对2层转供模型进行优化求解。

本发明的原理如下：当配电网10kV线路合环后，在线合环电流约束主要是短路电流、暂 态冲击电流、稳态合环电流有效值则不会引起馈线的过流保护动作。在这3类合环电流约束 中，第1类短路电流约束与系统等值阻抗密切相关，这受电网运行方式的影响较大。在一般 情况下，为保证电网供电的可靠性，不会轻易改变电网运行方式。由于第2类冲击电流和第 3类稳态合环电流大小与线路负荷电流大小有关，如果负荷过大，则合环的冲击电流和稳态 合环电流均较大；反之较小。因此，在在短路电流、暂态冲击电流、稳态合环电流这3类10kV 在线合环电流约束上建立2层转供优化模型。

由于在当10kV配电网方式调整时，应考虑10kV线路开关的总动作次数最少，尽可能减 少改变和恢复电网运行方式的远方操作次数，因此需要建立的目标函数，式中，S_j为优化后10kV线路开关j的状态，0表示开关是拉开状态，1表示开 关是运行状态；为优化前110kV线路开关的状态；N_s表示总的10kV线路开关个数。但是实 际中，10kV线路不仅有联络开关、还有多个分段开关，在满足需转供的功率后，可能存在多 个转供方案。为了保证转供方案的唯一性，以式作为惩罚 条件k表示“转带”后的第k个110kV变电站；M_k表示“转带”后的接入第k个110kV变电 站的所有10kV开关集合；P_j表示“转带”后第j个10kV线路负荷；表示第k个110kV变 电站的主变总容量。

在建立好目标函数后，需要对10KV合环后使线路稳定的负荷功率最小条件进行计算，① 有功功率“转供”约束条件为式中，m表示“转供”后的第m个110kV变 电站；M_m表示“转供”后接入第m个110kV变电站的所有10kV开关集合；P_j表示“转供”后 第j个10kV线路负荷；表示第m个110kV变电站的主变总容量；②有功功率“转带”约 束条件为：式中，k表示“转带”后的第k个110kV变电站；W_k表示“转带” 后接入第k个110kV变电站的所有10kV开关集合；P_j表示“转供”而来的第j个10kV线路 负荷；表示第k个110kV变电站的主变总容量；③10kV“转供”馈线最大容许载流量约 束条件为：式中，R_k表示“转供”后的第R个110kV变电站下第k条10kV馈线；P_j表示“转供”后第j个10kV线路负荷；表示第Q个110kV变电站下第k条10kV馈线最 大容许载流量；④10kV“转带”馈线最大容许载流量约束条件为：式中，Q_k表示“转带”后接入第Q个110kV变电站下第k条10kV馈线；P_j表示“转供”而来的第j个 10kV线路负荷；表示第Q个110kV变电站下第k条10kV馈线最大容许载流量；⑤配电网 结构辐射型约束条件为：式中，S_j表示优化后10kV线路开关j的状态。

在确定好约束条件后，需要对转供方案的合环电流约束进行验证，假设第1层求解出的 转供方案对应的开关状态为S^*，原有的配电网开关状态为S⁰。以存在负荷转供的线路DG为优 化变量，考虑总的DG调节成本最小为目标函数，通过DG有功出力调节目的是为短时解环操 作的安全，故调节后的DG出力应尽可能接近其当前有功出力。在正常情况下，合环和解环操 作均在1～3分钟内完成，其合环时间较短，其发生故障概率较低，所以暂态合环电流验证只 需通过公式校验站内10kV开关是否满足开断短路电流的能力，式中S_dk表示系 统三相短路容量；U_k表示系统10kV母线电压幅值；Z_k表示合环后发生三相短路的系统正序短 路等值阻抗，可根据戴维南等值电路进行求解；I_kA表示开关的短路电流遮断值。在其他情况 下，其余约束需要引入DG调节进行验证，如果I_Sa≥I_Sb，那么I_Sa和I_Sb表示开关a点和b点的过流II段保护整定值；U_a、I_b、分别表示110kV站A的10kV母线线电压、和功率因数、线 电流；表示是循环有功功率。在验证过后该模型通过调节DG有功出力，改善负荷分 布，从而改变流过开关的电流大小，从而使得合环线路上所有开关满足其过流保护整定值， 此方案可行，否则需返回第1层模型求解其他转供方案，并形成开关动作方案限制约束式：式中，表示110kV站A和B之间进行10kV转供的所有开关变量S的集合；j表示 集合中任何一个开关；表示优化前的集合中开关0-1状态。

优选地，所述整定值为合环电流过流保护II段整定值。在10kV线路合环后，由于其合 环电流较合环前电流大，可能引起过负荷报警；如果合环电流更加大，则在0.6s后引起过流 II段动作；如果合环电流非常大，则合环后马上过流I段动作。由于实际10kV线路都允许 短时过负荷，比如400/5的CT，10kV线路所带负荷电流可以高达500A。故按CT额定值整定的过负荷保护，一般也触发告警信号，对应保护不会让其出口。另外，由于配电网线路大多数都仅采集两相电压，以节约投资，故其零序I、II、III段保护不准确，一般为退出状态。 考虑到过流I段按三相短路故障整定，其整定值一般是过流II段的整定值10倍左右。若10kV合环稳态电流小于过流II段的整定值，则不会引起任何保护动作。为此，对10kV合环稳态电流的约束，只需要将其满足小于过流II段整定值即可。

优选地，所述目标函数为其中S_j为优化后10kV线路开 关j的状态，0表示开关是热备用状态，1表示开关是运行状态；为优化前110kV线路开 关的状态；N_s表示总的10kV线路开关个数，为保证专供方案唯一性给出惩罚条件函数：其中k表示“转带”后的第k个110kV变电站；M_k表示“转带”后的接入第k个110kV变电站的所有10kV开关集合；P_j表示“转带”后第j个 10kV线路负荷；表示第k个110kV变电站的主变总容量。当10kV配电网方式调整时，应 考虑10kV线路开关的总动作次数最少，尽可能减少改变和恢复电网运行方式的远方操作次 数，也就是配电网转供后的特殊运行方式尽量接近预定的配电网标准运行方式，为此提供了 目标函数，同时，在实际中，10kV线路不仅有联络开关、还有多个分段开关，在满足需转供 的功率后，可能存在多个转供方案，为保证唯一性，提供了惩罚条件。

优选地，所述10kV合环电流为约束条件为：其中U_a、I_a、U_b、I_b、分别表示110kV站A和B的10kV母线线电压、线电流和 功率因数；和表示是循环有功功率。

优选地，所述转供方案可行的约束条件为：其中表示110kV站A和B之间 进行10kV转供的所有开关变量S的集合；j表示集合中任何一个开关；表示优化前的 集合中开关0-1状态。在检验模型检验完成后，通过调节DG有功出力，改善负荷分布，从而 改变流过开关的电流大小，使得合环线路上所有开关满足其过流保护整定值。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过某实际10kV电网测试结果表明，当负荷超过配电网局部区域的承载能力 时，本文模型可以给出10kV转供方案，且该转供方案具备合环倒负荷的条件，保障了对用户 供电的连续性。可见，本文所建模型与传统转供模型最显著的不同之处在于充分考虑了转供 方案对应方式调整的可操作性，进一步地从实际生产角度保障了电网端的运行安全和满足了 用户端的供电可靠性要求，这为全面提升配电网的转供互供的灵活供电能力提供了借鉴途径；

2、本发明在转供模型中建立了检验模型，提高了计算的准确性，同时也提高了操作的可 靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不 构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的10kV线路F1和F2合环的示意图。

图2为本发明的含DG调节的10kV线路F1和F2合环示意。

图3为本发明的某实际10kV配电网接线图。

图4为本发明的各个220kV/110kV站主变的负载情况示意图。

图5为本发明的10kV配电网合环转供线路示意图。

图6为本发明的转供后220kV/110kV站主变的负载情况示意图。

图7为本发明的合环稳态电流约束满足情况示意图。

图8为本发明的基于DG调节的合环稳态电流约束满足情况示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明 作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本 发明的限定。

实施例1

如图1至图8所示，基于DG调节的10kV合环电流约束的配电网转供优化方法，包括以 下步骤：

步骤1：在短路电流、暂态冲击电流、稳态合环电流这3类10kV在线合环电流约束上建 立2层转供优化模型。

步骤2：第一层配电网转供优化模型以10kV配电网线路开关0-1状态为优化变量，以10kV 线路开关的总动作次数最少建立目标函数；

步骤3：计算10kV线路转供后的有功功率“转供”约束条件、有功功率“转带”约束条件和10kV“转供”馈线最大容许载流量约束条件，计算10kV线路转带后的10kV“转带”馈 线最大容许载流量约束条件，计算配电网结构辐射型约束条件；

步骤4：所述第二层10kV合环约束检验模型，以存在负荷转供的线路DG为优化变量， 以总的DG调节成本最小为目标函数，以10kV合环电流为约束条件，建立检验优化模型；

步骤5：采用CPLEX工具对2层转供模型进行优化求解。

负荷功率最小的判断条件，如图1，给出了10kV线路F1和F2合环的示意图。在图中，B1、B2和B3分别为10kV线路F1在110kV站A的站内开关、10kV线路F1和10kV线路F2之 间的联络开关、10kV线路F2在110kV站B的站内开关。并且，这3个开关均在运行状态。 当前，10kV线路F1上节点2的负荷为10kV线路F2上节点3的负荷为两条10kV线 路其余地方没有接入负荷。10kV线路F1注入功率为10kV线路F2注入功率为节点1 至节点2之间的阻抗为Z₁₂，节点2至节点3之间的阻抗为Z₂₃，节点3至节点4之间阻抗为 Z₃₄。由环网功率分布公式可知，和分别为

式中，∑Z^*＝(Z₁₂+Z₂₃+Z₃₄)^*。

假设10kV线路F1和F2合环后，功率分解点在开关B1处，此时与必然满足

考虑到实际运行10kV线路F1、F2的注入有功远大于注入无功，故式(3)可简化为：

式中，表示对复功率取实部。

进一步，将式(1)代入式(4)，并对所有相量采用实部与虚部之和的方式，进行解耦计算， 并考虑P和Q，故省去所有含无功的项，可得如下近似条件

λ＝(∑R)·R₃₄+X₃₄·(∑X) (6)

β＝(∑R)·R₁₂+(∑X)·X₁₂-R₁₂R₃₄R₂₃-X₁₂X₃₄X₂₃ (7)

式中，∑R＝R₁₂+R₂₃+R₃₄，∑X＝X₁₂+X₂₃+X₃₄。

本文将式(5)称为开关B1处10kV负荷功率最小，即该式为解环点的10kV稳态电流最小 的判断条件。

基于DG调节的负荷功率最小判断条件，如图2所，在10kV线路的保护中，通常将过流 I、II段保护方向进行闭锁，即出现DG向上级电网返送功率时，若电流过大仍然导致其过流 I、II段保护动作。此时，引入DG调节后，需考虑其DG调节过程不会向上级电网反送电。为此将式(5)等效为

式中，分别是分布式电源1和2的有功出力下限；分别是分布式电源 1和2的有功出力上限。

同理，通过DG调节后，若式(8)得以满足，本文称该式为含DG调节的解环点10kV负荷 功率最小的判断条件。

实施例2

如图3至图8所示，①不考虑DG调节的配电网转供结果分析；根据图4可知，华阳站2台主变已经超载约16.4MW，骑龙站接近满载，动力站出现重载。现在需要从华阳站紧急转供16.4MW，以尽快消除华阳站主变的超载问题。依据本文所建模型给出了如下的转供方案，见图5。图中，黑色方框表示开关处于运行状态，空心方框表示开关处于冷备用状态，未进行方式调整的部分为给出。从调度角度来看，华阳站超载的16.4MW负荷尽可能优先转给了轻 载的麓湖站来供，其次转给重载的动力站供电，这表明图5的转供结果与实际相符。图6给 出转供以后，各个变电站的主变负载情况。从图6可知，经过转供后，华阳站的主变承载的 负荷为97.2MW，小于其主变容量100MW，其超载问题已经解决，其余站也没有新出现超载问 题。该转供方案以开关动作10次的操作成本实现了负荷高峰期的优化转供。

②考虑DG调节的配电网转供结果分析

下面采用DG调节手段，对10kV合环电流约束检验模型进行求解。图8给出了这2条合 环线路基于DG调节的合环稳态电流约束满足情况，根据图8和图7对比可知，在DG参与调节前，D2与H4合环的有功功率分点应该在S31和S32之间；但是DG参与调节后，有功功率 分点转移至S23至S22之间，如图7所示。相应的，10kV线路H4站内开关电流CT二次值从 DG调节前的9.5A减少至7.8A，低于过流II段整定值8A，不会再引起过流保护误动。同理， 10kV线路L1与H3合环也不会引起保护误动，其原因类似。这表明DG调节能够改变功率分 点，从而改变流过站内开关的电流大小，将其满足合环稳态电流约束，不会引起过流保护误 动。对于10kV线路D4与Y1合环无法满足合环短路电流约束的情况，根据所建模型的开关动 作方案限制约束，将开关S30和S1均固定为1，让其保持运行状态。综上所述，本文所建2 层配电网转供优化模型，充分考虑了在具体转供实施过程中10kV合环方式调整的可行性， 并充分利用配电网内DG作为调节手段，改变合环功率分点，从而安全地进行合解环操作，既 保证配电网的运行安全，又保障了对用户供电的连续性。

实施例3

如图1和图2所示，本实施例与实施例1的区别在于，所述目标函数为其中S_j为优化后10kV线路开关j的状态，0表示开关是热备用状态，1表示开关是运行状态；为优化前110kV线路开关的状态；N_s表示总的10kV线路开关个数，为保证专供方案唯一性给出惩罚条件函数：其中k表示“转带”后的第k个110kV变电站；M_k表示“转带”后的接入第k个110kV变电站的所有10kV开关集合；P_j表示“转带”后第j个 10kV线路负荷；表示第k个110kV变电站的主变总容量。所述10kV合环电流为约束条件 为：其中U_a、I_a、U_b、I_b、分别表示 110kV站A和B的10kV母线线电压、线电流和功率因数；和表示是循环有功 功率。所述转供方案可行的约束条件为：其中表示110kV站A和B之间进行10kV 转供的所有开关变量S的集合；j表示集合中任何一个开关；表示优化前的集合中开关 0-1状态

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说 明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护 范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本 发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于DG调节的10kV合环电流约束的配电网转供优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在短路电流约束、暂态冲击电流约束、稳态合环电流约束这3类10kV在线合环电流约束上建立2层转供优化模型；

步骤2：第一层配电网转供优化模型以10kV配电网线路开关0-1状态为优化变量，以10kV线路开关的总动作次数最少建立目标函数；

步骤3：计算10kV线路转供后的有功功率“转供”约束条件、有功功率“转带”约束条件和10kV“转供”馈线最大容许载流量约束条件，计算10kV线路转带后的10kV“转带”馈线最大容许载流量约束条件，计算配电网结构辐射型约束条件；

步骤4：第二层10kV合环约束检验模型以存在负荷转供的线路DG为优化变量，以总的DG调节成本最小为目标函数，以10kV合环电流为约束条件，建立检验优化模型；

步骤5：采用CPLEX工具对2层转供模型进行优化求解。

2.根据权利要求1所述的基于DG调节的10kV合环电流约束的配电网转供优化方法，其特征在于，所述整定值为合环电流过流保护II段整定值。

3.根据权利要求1所述的基于DG调节的10kV合环电流约束的配电网转供优化方法，其特征在于，所述目标函数为S_j∈{0,1}，其中S_j为优化后10kV线路开关j的状态，0表示开关是热备用状态，1表示开关是运行状态；为优化前110kV线路开关的状态；N_s表示总的10kV线路开关个数，为保证专供方案唯一性给出惩罚条件函数：其中k表示“转带”后的第k个110kV变电站；M_k表示“转带”后的接入第k个110kV变电站的所有10kV开关集合；P_j表示“转带”后第j个10kV线路负荷；表示第k个110kV变电站的主变总容量。

4.根据权利要求1所述的基于DG调节的10kV合环电流约束的配电网转供优化方法，其特征在于，所述10kV合环电流为约束条件为：其中U_a、I_a、U_b、I_b、分别表示110kV站A和B的10kV母线线电压、线电流和功率因数；和表示是循环有功功率。

5.根据权利要求1所述的基于DG调节的10kV合环电流约束的配电网转供优化方法，其特征在于，所述转供方案可行的约束条件为：其中表示110kV站A和B之间进行10kV转供的所有开关变量S的集合；j表示集合中任何一个开关；表示优化前的集合中开关0-1状态。