CN109657913A - 一种考虑分布式电源的输配电网联合风险评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑分布式电源的输配电网联合风险评估方法，首先在输电系统进行风险评估，分析得到输电网母线的功率概率分布。将输电网母线的功率概率分布代入配电网根节点，考虑有分布式电源接入的配电网可能存在的孤岛运行方式，在配电网出现故障时，进行供电充裕度分析，确定配电网用户的供电风险。本发明提供的风险评估方法，不仅能够考虑了配电网内的运行状态，提升电网风险评估的准确性，而且能够考虑到了输电网运行方式的变化对配电网用户供电可靠性的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种考虑分布式电源的输配电网联合风险评估方法，属于电力系统风险评估技术领域。
背景技术
电力系统的风险评估能给出系统可能遭遇停电事件发生的频繁程度、持续时间以及严重程度等信息。由于输电系统与配电系统在结构、运行方式等方面的差异性，一般将两种系统单独进行风险分析。在对输电系统进行风险评估时，配电网通常被等效成一个负荷，对输电线路等元件进行建模，利用概率方法评估输电系统风险。在针对配电网的风险评估，通常将输电网等效为电压源，配电网内用户的供电风险只考虑配电系统元件的故障影响。然而，实际上配电网用户的供电风险不仅与配电网故障风险相关，还与输电系统能否保证充足的电力供应相关。此外，分布式电源并网发电的间歇性和不可控性等特点，也会直接影响到配电网的安全运行，因此，有必要提出一种考虑分布式电源的输配电网联合风险评估方法。
输配电网联合风险评估从输电网侧来看，能够考虑配电网内的运行状态，提升了风险评估的精细化和准确性；从配电网侧来看，能够考虑到了输电网运行方式的变化对配电网用户供电可靠性的影响。
发明内容
本发明正是针对现有技术的不足，提供一种考虑分布式电源的输配电网联合风险评估方法，该方法对输配电网进行联合分析，考虑到输电网运行方式的变化对配电网用户可靠性的影响，以“先主网、后配网”的顺序对电网进行风险评估，计算电网的供电风险，指导电网的安全稳定运行。
为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
1.一种考虑分布式电源的输配电网联合风险评估方法，包括以下步骤：
(1)确定发输电系统与配电系统内各元件、负荷、分布式电源不确定性模型；
(2)根据系统负荷模型，用蒙特卡洛法抽取系统初始负荷；
(3)根据元件不确定性模型获取发输电系统元件状态；
(4)根据发输电系统状态和运行准则，进行系统故障分析以识别是否出现系统问题，若存在系统问题，根据直流最优切负荷模型重新调度，确定输电系统负荷削减量，并计算得到输电网母线的功率；
(5)多次重复步骤(2)、(3)、(4)，得到输电系统各母线功率的概率分布；
(6)按母线功率概率模型、分布式电源多状态模型、元件两状态模型，抽样选取配电网状态；
(7)根据选定的配电网状态，分析配电网内的供电充裕度，计算负荷削减量；
(8)多次重复步骤(6)、(7)，计算系统风险指标。
2.进一步的，在所述一种考虑分布式电源的输配电网联合风险评估方法中，其特征在于，所述元件包括发电机、线路、变压器，采用两状态独立停运模型来模拟这些元件的状态，元件的故障率可表示为：
式中：λ为失效率(失效次数/年)；μ为修复率(修复次数/年)；MTTR为平均修复时间(小时)；MTTF为失效前平均时间(小时)。
3.进一步的，在所述一种考虑分布式电源的输配电网联合风险评估方法，其特征在于，所述分布式电源不确定性模型采用多状态出力概率模型，
分布式电源出力的密度函数为：
式中：α、β为Beta分布的参数；Γ为Gamma函数；Ppv为分布式电源实际出力；Pmax为分布式电源最大输出功率；
将分布式电源出力大小划分为M个区间，则分布式电源出力位于第k个区间的概率Pk为：
第k个区间内分布式电源出力的平均值Ak为：
4.进一步的，在所述一种考虑分布式电源的输配电网联合风险评估方法，其特征在于，所述直流切负荷模型的目标是保证负荷削减最小，目标函数为：
约束条件包括：
T(S)＝A(S)(PG-PD(S)+C)
PGmin≤PG≤PGmax
0≤C≤PD(S)
|T(S)|≤Tmax(S)
式中：S为强迫失效事件引起的系统状态；T(S)为系统状态S下的线路有功潮流矢量；A(S)为系统状态S下线路有功潮流和母线注入功率之间的关系矩阵；PG为发电机输出矢量；PG,i为它的元素；PD(S)为母线的负荷矢量，PD,i(S)为它的元素；C为母线负荷削减量，Ci为它的元素；PGmin、PGmax分别为发电机变量的上下限；Tmax(S)为线路额定有功功率矢量；Wi为反映母线重要性的权重因子；ND为负荷母线集合；NG为发电机母线集合。
5.进一步的，在所述一种考虑分布式电源的输配电网联合风险评估方法，其特征在于，所述输电系统各母线的功率概率分布由分层处理方法获得，系统状态分析计算每个状态下输电网负荷削减情况后，就可得到输电网每条母线下能够接入的负荷功率大小。将计算所得母线供电功率大小进行分层处理，以某一个母线为例，具体步骤如下：
(1)设定分层处理的区间数N；
(2)将母线的供电功率按等功率差的原则划分为N个区间，第k个区间对应的功率为
(3)母线供电功率出现在第k个区间的概率为Pk：
式中，nk为母线供电功率大小落在第k个区间内的次数，M为抽样总次数；
第k个区间的功率用期望值表示：
式中，Bk为第k个区间的功率期望值，Pb,j为每个状态下母线供电功率落在第k个区间时的功率大小。
6.进一步的，在所述一种考虑分布式电源的输配电网联合风险评估方法，其特征在于，所述评估配电网内功率的充裕度并计算负荷削减的方法为：
(1)获取配电网的拓扑模型及元件状态；
(2)判断线路连通性，分析是否有孤岛形成并统计配电网内形成的子系统数；
(3)评估配电网内各个子系统内功率的充裕度，在配电网的各个子系统中，若总发电功率小于总负荷，按照负荷的重要程度切除部分负荷以保障电网稳定运行，数学表达式为：
式中，m为配电网内负荷点数量；βi为负荷点i的标志性变量，取值为0表示负荷点i被切除，取值为1表示负荷点i没有被切除；ωi表示负荷点i的权重系数；PLi表示负荷点i的负荷功率值；为第j个子系统内的发电功率；Mj为第j个子系统内的负荷点数量；α为配电网的网损率；
(4)根据以上供电充裕度分析，就能够计算配电网在每个状态的负荷削减量情况。
7.进一步的，在所述一种考虑分布式电源的输配电网联合风险评估方法，其特征在于，所述风险指标包括失负荷概率与失负荷电量期望，
失负荷概率计算方法为：
式中：Fs为在第s次采样中系统切负荷的指示性变量；S为系统采样的总数，
失负荷电量期望计算方法为：
式中：Ds为第s次采样对应的系统切负荷总量。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明对发输电系统与配电系统进行联合风险评估，对于配电网内用户的供电风险，不仅考虑到配电网的故障概率，也考虑到输电系统运行方式的变化对配电网用户的影响，使配电网用户的供电风险评估更为准确，有益于电网规划与运行调度策略的制定。
附图说明
下面结合附图对本发明的一种考虑分布式电源的输配电网联合风险评估方法作进一步说明：
图1为电力系统全局示意图；
图2为输配电网联合风险评估示意图；
图3为输配电网联合风险评估方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行深入地详细说明。
图1是电力系统全局示意图，包括发输电系统与配电系统。发输电系统包括发电机、输电线、变压器等设备，配电系统包括分布式电源、负荷与配电线路。
图2是输配电网联合风险评估示意图，可见由发输电系统最终传递到配电系统的参数是输电网母线功率的概率分布，这个参数是在分析输电网层面的负荷削减后经分析计算得到的。
为比较分析本发明所给出考虑分布式电源的输配电网联合风险评估方法的实际评估效果，本实施例选取IEEE RTS测试系统为输电网，将其母线Bus 5所接负荷拓展为配电网，配电网结构采用IEEE 33节点配电系统。
本实施例还设置了以下三种情景，分别评估出风险指标。
情景1为排除发输电网供电能力不足情景的风险指标评估；
情景2为不考虑分布式电源接入，但同时考虑发输电网和配电网故障的风险指标评估；
情景3为在情景2的基础上接入分布式电源后的风险指标评估。假设在配电网节点2、15、31分别接入分布式电源，所接的分布式电源配备一定容量的储能，能够实现孤岛供电情况下的风险指标评估。三个节点所接分布式电源的储能容量相同，总容量为系统负荷的40％。
本实施例所采用的联合风险评估方法包括以下步骤和内容，参见附图3。
步骤1.确定并输入系统原始数据。
首先确定发输电系统与配电系统内各元件、负荷、分布式电源不确定性模型。
元件包括发电机、线路、变压器等，采用两状态独立停运模型来模拟这些元件的状态。元件的故障率可表示为：
式中：λ为失效率(失效次数/年)；μ为修复率(修复次数/年)；MTTR为平均修复时间(小时)；MTTF为失效前平均时间(小时)。
分布式电源不确定性模型采用多状态出力概率模型。
分布式电源出力的密度函数为：
式中：α、β为Beta分布的参数；Γ为Gamma函数；Ppv为分布式电源实际出力；Pmax为分布式电源最大输出功率。
将分布式电源出力大小划分为M个区间，则分布式电源出力位于第k个区间的概率Pk为：
第k个区间内分布式电源出力的平均值Ak为：
步骤2.根据元件不确定性模型获取发输电系统元件状态。
步骤3.发输电系统模拟调度。根据发输电系统状态和运行准则，进行系统故障分析以识别是否出现系统问题。若存在系统问题，根据直流最优切负荷模型重新调度，确定输电系统负荷削减量。
直流切负荷模型的目标是保证负荷削减最小，目标函数为：
约束条件包括：
T(S)＝A(S)(PG-PD(S)+C)
PGmin≤PG≤PGmax
0≤C≤PD(S)
|T(S)|≤Tmax(S)
式中：S为强迫失效事件引起的系统状态；T(S)为系统状态S下的线路有功潮流矢量；A(S)为系统状态S下线路有功潮流和母线注入功率之间的关系矩阵；PG为发电机输出矢量；PG,i为它的元素；PD(S)为母线的负荷矢量，PD,i(S)为它的元素；C为母线负荷削减量，Ci为它的元素；PGmin、PGmax分别为发电机变量的上下限；Tmax(S)为线路额定有功功率矢量；Wi为反映母线重要性的权重因子；ND为负荷母线集合；NG为发电机母线集合。
步骤4.计算发输电系统母线功率概率分布。系统状态分析计算每个状态下输电网负荷削减情况后，就可得到输电网每条母线下能够接入的负荷功率大小。将计算所得母线供电功率大小进行分层处理，以某一个母线为例，具体步骤如下：
(1)设定分层处理的区间数N；
(2)将母线的供电功率按等功率差的原则划分为N个区间，第k个区间对应的功率为
(3)母线供电功率出现在第k个区间的概率为Pk：
式中，nk为母线供电功率大小落在第k个区间内的次数，M为抽样总次数；
第k个区间的功率用期望值表示：
式中，Bk为第k个区间的功率期望值，Pb,j为每个状态下母线供电功率落在第k个区间时的功率大小。
步骤5.抽取配电网状态并分析。根据配电系统元件模型、分布式电源不确定性模型，获取配电网运行状态，进行故障分析并根据供电充裕度计算负荷削减大小，具体步骤为：
(1)获取配电网的拓扑模型及元件状态；
(2)判断线路连通性，分析是否有孤岛形成并统计配电网内形成的子系统数；
(3)评估配电网内各个子系统内功率的充裕度，在配电网的各个子系统中，若总发电功率小于总负荷，按照负荷的重要程度切除部分负荷以保障电网稳定运行。数学表达式为：
式中，m为配电网内负荷点数量；βi为负荷点i的标志性变量，取值为0表示负荷点i被切除，取值为1表示负荷点i没有被切除；ωi表示负荷点i的权重系数；PLi表示负荷点i的负荷功率值；为第j个子系统内的发电功率；Mj为第j个子系统内的负荷点数量；α为配电网的网损率。
步骤6.计算风险指标。通过多次蒙特卡洛模拟，计算系统失负荷概率和系统失负荷电量期望。失负荷概率计算方法为：
式中：Fs为在第s次采样中系统切负荷的指示性变量；S为系统采样的总数，
失负荷电量期望计算方法为：
式中：Ds为第s次采样对应的系统切负荷总量。
采用上述所提及联合评估方法进行系统风险评估，得到上述三种情景下系统失负荷概率(LOLP)和系统失负荷电量期望(EENS)的评估结果如表1所示。
表1输配电网联合风险评估结果
由表1可以看出，情景1中，失负荷概率(LOLP)为0.0357，这是由于输电网多为环状结构，可靠性相对较高，因此发生失负荷的概率LOLP相对较低。在辐射型配电网中，由于电源与负荷点之间主要是串联关系，这些串联元件中的任何一个发生故障，都将引起停电事件的发生，因此辐射型配电网发生失负荷的概率LOLP相对较高。情景2中，由于要同时考虑发输电网与配电网的故障风险，在配电网不接入分布式电源的情况下，所得风险指标值均有所提高。情景3中，配电网接入分布式电源后，在配电网故障形成孤岛时，分布式电源的存在使得部分负荷仍然能够获得供电，配电网发生失负荷的概率LOLP则略低。在配电网接入储能容量为总负荷40％的分布式电源，系统风险指标EENS降低约46％，而风险指标LOLP变化较小，这主要是因为在配电网故障形成的大多数孤岛中，由于分布式电源储能容量相对较小，不能为孤岛内的全部负荷供电，仍然需要削减负荷，因此LOLP变化不大。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种考虑分布式电源的输配电网联合风险评估方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)确定发输电系统与配电系统内各元件、负荷、分布式电源不确定性模型；
(2)根据系统负荷模型，用蒙特卡洛法抽取系统初始负荷；
(3)根据元件不确定性模型获取发输电系统元件状态；
(4)根据发输电系统状态和运行准则，进行系统故障分析以识别是否出现系统问题，若存在系统问题，根据直流最优切负荷模型重新调度，确定输电系统负荷削减量，并计算得到输电网母线的功率；
(5)多次重复步骤(2)、(3)、(4)，得到发输电系统各母线功率的概率分布；
(6)按母线功率概率模型、分布式电源多状态模型、元件两状态模型，抽样选取配电网状态；
(7)根据选定的配电网状态，分析配电网内的供电充裕度，计算负荷削减量；
(8)多次重复步骤(6)、(7)，计算系统风险指标。
2.根据权利要求1所述一种考虑分布式电源的输配电网联合风险评估方法，其特征在于，所述元件包括发电机、线路、变压器等，采用两状态独立停运模型来模拟这些元件的状态，元件的故障率可表示为：
式中：λ为失效率(失效次数/年)；μ为修复率(修复次数/年)；MTTR为平均修复时间(小时)；MTTF为失效前平均时间(小时)。
3.根据权利要求1所述一种考虑分布式电源的输配电网联合风险评估方法，其特征在于，所述分布式电源不确定性模型采用多状态出力概率模型，
分布式电源出力的密度函数为：
式中：α、β为Beta分布的参数；Γ为Gamma函数；Ppv为分布式电源实际出力；Pmax为分布式电源最大输出功率；
将分布式电源出力大小划分为M个区间，则分布式电源出力位于第k个区间的概率Pk为：
第k个区间内分布式电源出力的平均值Ak为：
4.根据权利要求1所述一种考虑分布式电源的输配电网联合风险评估方法，其特征在于，所述直流切负荷模型的目标是保证负荷削减最小，目标函数为：
约束条件包括：
T(S)＝A(S)(PG-PD(S)+C)
PGmin≤PG≤PGmax
0≤C≤PD(S)
|T(S)|≤Tmax(S)
式中：S为强迫失效事件引起的系统状态；T(S)为系统状态S下的线路有功潮流矢量；A(S)为系统状态S下线路有功潮流和母线注入功率之间的关系矩阵；PG为发电机输出矢量；PG,i为它的元素；PD(S)为母线的负荷矢量，PD,i(S)为它的元素；C为母线负荷削减量，Ci为它的元素；PGmin、PGmax分别为发电机变量的上下限；Tmax(S)为线路额定有功功率矢量；Wi为反映母线重要性的权重因子；ND为负荷母线集合；NG为发电机母线集合。
5.根据权利要求1所述一种考虑分布式电源的输配电网联合风险评估方法，其特征在于，所述输电系统各母线的功率概率分布由分层处理方法获得，系统状态分析计算每个状态下输电网负荷削减情况后，就可得到输电网每条母线下能够接入的负荷功率大小，将计算所得母线供电功率大小进行分层处理，以某一个母线为例，具体步骤如下：
(1)设定分层处理的区间数N；
(2)将母线的供电功率按等功率差的原则划分为N个区间，第k个区间对应的功率为
(3)母线供电功率出现在第k个区间的概率为Pk：
式中，nk为母线供电功率大小落在第k个区间内的次数，M为抽样总次数；
第k个区间的功率用期望值表示：
式中，Bk为第k个区间的功率期望值，Pb,j为每个状态下母线供电功率落在第k个区间时的功率大小。
6.根据权利要求1所述一种考虑分布式电源的输配电网联合风险评估方法，其特征在于，所述评估配电网内功率的充裕度并计算负荷削减量的方法为：
(1)获取配电网的拓扑模型及元件状态；
(2)判断线路连通性，分析是否有孤岛形成并统计配电网内形成的子系统数；
(3)评估配电网内各个子系统内功率的充裕度，在配电网的各个子系统中，若总发电功率小于总负荷，按照负荷的重要程度切除部分负荷以保障电网稳定运行，数学表达式为：
式中，m为配电网内负荷点数量；βi为负荷点i的标志性变量，取值为0表示负荷点i被切除，取值为1表示负荷点i没有被切除；ωi表示负荷点i的权重系数；PLi表示负荷点i的负荷功率值；为第j个子系统内的发电功率；Mj为第j个子系统内的负荷点数量；α为配电网的网损率；
(4)根据以上配电网供电充裕度优化模型的求解，采用现有算法就能够计算配电网在每个状态的负荷削减量情况。
7.根据权利要求1所述一种考虑分布式电源的输配电网联合风险评估方法，其特征在于，所述风险指标包括失负荷概率与失负荷电量期望，
失负荷概率计算方法为：
式中：Fs为在第s次采样中系统切负荷的指示性变量；S为系统采样的总数；
失负荷电量期望计算方法为：
式中：Ds为第s次采样对应的系统切负荷总量。
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