CN109698500A - 一种基于智能软开关的配电网供电可靠性提升方法 - Google Patents

一种基于智能软开关的配电网供电可靠性提升方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于智能软开关的配电网供电可靠性提升方法，该方法以智能软开关供电恢复模型为基础分析各支路故障对负荷节点的影响，构造故障关联矩阵，计算各负荷节点的可靠性参数，进而得出整个配电系统可靠性指标，分析智能软开关的应用对于配电网供电可靠性的提升作用。

Description

一种基于智能软开关的配电网供电可靠性提升方法
技术领域
本发明涉及配电网可靠性提升方法领域，更具体地，涉及一种基于智能软开关的配电网供电可靠性提升方法。
背景技术
据不完全统计，80％以上的用户停电事故由配电网故障引发，这就需要配电网具备更高的供电可靠性以应对复杂、多变的运行场景。影响配电网供电可靠性的主要因素包括各电力元件的故障率、故障造成的用户停电时间、故障造成的用户停电范围等，由于配电网建成后各元件的故障率随之固定且更换元件的成本较大，因此缩短故障造成的用户停电时间和停电范围成为高效、可行的配电网供电可靠性提升方法。
智能软开关(soft open point，SOP)是取代传统联络开关的一种新型智能配电装置，智能软开关的应用将极大地提高配电系统运行的灵活性和可控性，对此国内外已有学者开展了初步研究，但关于智能软开关对配电网供电可靠性影响方面的研究较少。与联络开关相比，智能软开关的功率控制更加安全可靠，避免了开关操作可能带来的安全隐患；在故障发生时，由于直流隔离的作用，能够有效阻止故障电流穿越；在供电恢复过程中，能够为故障侧提供有效的电压支撑，从而可以扩大供电恢复范围，且智能软开关动作时间极短，可实现失电区域的快速供电恢复。
目前已有的配电网可靠性分析方法主要分为两类：蒙特卡洛模拟法和解析法。蒙特卡洛模拟法对系统中各个元件进行采样，根据模拟时段内系统的故障情况计算可靠性指标；解析法通过枚举系统中各种故障事件对各负荷节点的影响，快速计算可靠性指标，以便于可靠性灵敏度分析以及配电网规划设计。但上述方法均不能直接用于考虑智能软开关的配电网供电可靠性分析问题。智能软开关的应用能够有效缩短用户停电时间，扩大供电恢复范围，因此，急需一种考虑智能软开关供电恢复影响的配电网供电可靠性分析方法，用以评价智能软开关对于配电网供电可靠性的提升作用，进一步指导智能软开关的运行与规划问题。
发明内容
本发明提供一种基于智能软开关的配电网供电可靠性提升方法，该方法可计算各负荷节点的可靠性参数，进而得出整个配电系统可靠性指标。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种基于智能软开关的配电网供电可靠性提升方法，包括以下步骤：
S1：根据选定的配电系统，输入线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系，系统运行电压水平和支路电流限制，智能软开关接入位置、容量、损耗系数、故障侧节点电压约束、节点相角约束值，系统各支路年均故障次数、故障修复时长、分段开关动作时间、联络开关动作时间、智能软开关恢复供电时间，系统基准电压和基准功率初值；
S2：依据配电系统结构及参数，建立基于智能软开关的有源配电网供电恢复模型，针对每一条支路发生故障的情况，采用智能软开关对失电区域进行供电恢复，得到不同支路故障情况下的各节点供电恢复情况；
S3：根据供电恢复结果，将停电负荷节点分为三类：①只能通过故障支路修复才能恢复供电的负荷节点；②故障清除后立即由主电源恢复供电的负荷节点；③故障清除后通过智能软开关恢复供电的负荷节点；
S4：依据不同故障情况下各负荷节点的供电恢复状态，生成故障关联矩阵A、B、C，计算各负荷节点的可靠性参数，包括节点年均停电频率、节点年均停电时间、节点年均电量不足向量；
S5：根据各负荷节点的可靠性参数，计算配电系统供电可靠性指标，包括系统年均停电频率指标、系统年均断电时长指标、系统年均电量不足指标。
进一步地，所述步骤S4中生成故障关联矩阵A的方法为：
A为一个NL×NN的矩阵，NL为系统支路数，NN为系统节点数，其中
式中，k、l分别为系统支路编号和节点编号。
进一步地，所述步骤S4中生成故障关联矩阵B的方法为：
B为一个NL×NN的矩阵，NL为系统支路数，NN为系统节点数，其中
进一步地，所述步骤S4中生成故障关联矩阵C的方法为：
C为一个NL×NN的矩阵，NL为系统支路数，NN为系统节点数，其中
进一步地，所述步骤S4中计算节点年均停电频率的过程是：
λb＝λl×(A+B+C)
式中，λb为节点年均停电频率向量；λl为支路年均故障次数向量。
进一步地，所述步骤S4中计算节点年均停电时间的过程是：
式中，Tb为节点年均停电时间向量；λl为支路年均故障次数向量；tl为故障支路的修复时间向量；tsw为隔离开关切除故障支路的动作时间向量；top为智能软开关投入供电恢复的动作时间向量；为Hadamard算子，表示两个矩阵对应位置元素相乘。
进一步地，所述步骤S4中计算节点年均电量不足的过程是：
式中，Lb为节点年均电量不足向量；Tb为节点年均停电时间向量；PLOAD为节点有功负荷向量；为Hadamard算子，表示两个矩阵对应位置元素相乘。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明的一种基于智能软开关的配电网供电可靠性提升方法，充分考虑智能软开关对于缩短用户停电时间、扩大供电恢复范围的作用，提出考虑智能软开关的配电网供电可靠性指标计算方法，分析智能软开关的应用对于配电网供电可靠性的提升作用。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是10kV中压配电系统算例结构图；
图3是含智能软开关的10kV中压配电系统算例结构图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，一种基于智能软开关的配电网供电可靠性提升方法，包括以下步骤：
1)根据选定的配电系统，输入线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系，系统运行电压水平和支路电流限制，智能软开关接入位置、容量、损耗系数、故障侧节点电压约束、节点相角约束值，系统各支路年均故障次数、故障修复时长、分段开关动作时间、联络开关动作时间、智能软开关恢复供电时间，系统基准电压和基准功率初值；
对于本实施例，首先输入10kV中压配电系统中线路元件的阻抗值，负荷元件的有功功率、无功功率，网络拓扑连接关系，算例结构如图2所示，节点4、8通过联络开关连接，详细参数见表1和表2；设定一组智能软开关接入配电网，取代联络开关，智能软开关的容量为1.0MVA，损耗系数为0.199，故障侧节点电压约束值为1.0，节点相角约束值为0°，规定从交流侧传递到直流侧的功率方向为正方向；系统各支路年均故障次数详细见表3，故障修复时长设定为5小时，分段开关动作时间设定为1小时，联络开关动作时间设定为1小时，智能软开关恢复供电时间设定为5分钟；最后设定系统的基准电压为10kV、基准功率为1MVA。
2)依据配电系统结构及参数，建立基于智能软开关的有源配电网供电恢复模型，针对每一条支路发生故障的情况，采用智能软开关对失电区域进行供电恢复，得到不同支路故障情况下的各节点供电恢复情况；
对于本实施例，针对8条支路分别发生永久性故障，共有8个故障场景；建立基于智能软开关的有源配电网供电恢复模型，包括：设定配电系统有功负荷最大为目标函数，分别考虑系统潮流约束、运行电压约束、支路电流约束和智能软开关运行约束；
(1)所述的配电系统恢复有功负荷最大为目标函数可表示为
式中，NN为系统节点数；为节点i处负荷消耗的有功功率；μi为可恢复节点i上负荷的系数，μi∈{0，1}。
(2)所述的系统潮流约束表示为
式中，Ωi为与节点i相连节点的集合；Ui、Uj和θij分别为节点i、j的电压幅值和相角差；Gii、Bii、Gij、Bij分别为节点导纳矩阵中的自电导、自电纳、互电导和互电纳；分别为节点i上负荷消耗的有功功率和无功功率； 分别为智能软开关在节点i上注入的有功功率和无功功率。
(3)所述的运行电压约束表示为
式中，和分别为节点i电压幅值的上下限。
(4)所述的支路电流约束表示为
式中，是支路ij的电流幅值上限。
(5)所述的智能软开关运行约束表示为
式中，i、j为智能软开关所接入配电系统的节点编号；分别为智能软开关两个换流器注入的有功功率和无功功率；和为智能软开关损耗系数；和为接在节点i、j的换流器容量；为故障侧智能软开关电压设定值，U0为故障侧节点电压约束值；为故障侧智能软开关相角设定值，θ0为节点相角约束值。
采用原对偶内点法求解上述数学模型，得到不同支路发生故障后的负荷节点供电状态；
3)根据供电恢复结果，将停电负荷节点分为三类：①只能通过故障支路修复才能恢复供电的负荷节点；②故障清除后立即由主电源恢复供电的负荷节点；③故障清除后通过智能软开关恢复供电的负荷节点；
对于本实施例，不同支路故障情况下的各节点恢复供电类型详见表4，类型一为只能通过修复故障支路才能恢复供电，类型二为故障清除后立即由主电源恢复供电，类型三为故障清除后通过智能软开关恢复供电。
4)依据不同故障情况下各负荷节点的供电恢复状态，生成故障关联矩阵A、B、C，计算各负荷节点的可靠性参数，包括节点年均停电频率、节点年均停电时间、节点年均电量不足等；
对于本实施例，故障关联矩阵A、B、C生成方法为
(1)A为一个NL×NN的矩阵，NL为系统支路数，NN为系统节点数，其中
式中，k、l分别为配电系统支路编号和节点编号；
(2)B为一个NL×NN的矩阵，NL为系统支路数，NN为系统节点数，其中
(3)C为一个NL×NN的矩阵，NL为系统支路数，NN为系统节点数，其中
对于本实施例，负荷节点的可靠性参数计算方法为
(1)节点年均停电频率
λb＝λl×(A+B+C) (16)
式中，λb为节点年均停电频率向量；λl为支路年均故障次数向量；A、B、C为故障关联矩阵。
(2)节点年均停电时间
式中，Tb为节点年均停电时间向量；λl为支路年均故障次数向量；tl为故障支路的修复时间向量；tsw为隔离开关切除故障支路的动作时间向量；top为智能软开关投入供电恢复的动作时间向量；A、B、C为故障关联矩阵；为Hadamard算子，表示两个矩阵对应位置元素相乘。
(3)节点年均电量不足
式中，Lb为节点年均电量不足向量；Tb为节点年均停电时间向量；PLOAD为节点有功负荷向量；为Hadamard算子，表示两个矩阵对应位置元素相乘。
5)根据各负荷节点的可靠性参数，计算配电系统供电可靠性指标，包括系统年均停电频率指标(system average interruption frequency index，SAIFI)、系统年均断电时长指标(system average interruption duration index，SAIDI)、系统年均电量不足指标(energy not supplied，ENS)。
对于本实施例，系统可靠性指标计算方法为
(1)系统年均停电频率指标
式中，SAIFI为系统年均停电频率指标；λb，i为λb向量中的第i个节点对应的年均停电频率；Ni为节点i处所供应的负荷用户数；M为系统总负荷用户数。
(2)系统年均断电时长指标
式中，SAIDI为系统年均断电时长指标；λb，i为λb向量中的第i个节点对应的年均停电频率；Tb，i为Tb向量中的第i个节点对应的年均断电时长；Ni为节点i处所供应的负荷用户数；M为系统总负荷用户数。
(3)系统年均电量不足指标
式中，ENS为系统年均电量不足指标；Tb，i为Tb向量中的第i个节点对应的年均断电时长；为向量中的第i个节点对应的有功负荷。
本发明提出了基于智能软开关的配电网供电可靠性提升方法，计算配电网供电可靠性指标。
对于本实施例，选取一组智能软开关接入配电网，如图3所示。采用以下三种供电恢复方案：
方案I：不考虑联络开关对失电区域进行供电恢复；
方案II：采用联络开关对失电区域进行供电恢复；
方案III：采用智能软开关对失电区域进行供电恢复。
每种方案失电负荷恢复供电类型见表4，计算得到故障关联矩阵A、B、C见表5；节点年均停电频率、节点年均停电时间、节点年均电量不足计算结果见表6，系统年均停电频率指标、系统年均断电时长指标、系统年均电量不足指标计算结果见表7。
执行优化计算的计算机硬件环境为Intel(R)Xeon(R)CPU E5-2609，主频为2.50GHz，内存为16GB；软件环境为Windows 10操作系统。
可以看出，智能软开关的应用极大地提升了配电网供电可靠性。智能软开关恢复供电快，缩短了失电区域的停电时间，减小了系统年均断电时长，相比于联络开关，；智能软开关恢复供电区域大，显著降低了系统年均电量不足指标；由于智能软开关只能降低故障情况对于电力用户的影响，无法改变系统中故障发生的频率，导致年均停电频率指标未发生变化。
表1 10kV中压配电系统负荷接入位置及功率
节点编号 有功功率/kW 无功功率/kvar
1 300 160
2 200 110
3 500 270
4 400 210
5 400 210
6 300 160
7 500 270
8 400 210
表2 10kV中压配电系统线路参数
表3 10kV中压配电系统支路年均故障次数
支路编号 年均故障次数/(fr/yr)
1 0.10
2 0.25
3 0.21
4 0.21
5 0.21
6 0.32
7 0.25
8 0.40
表4失电负荷恢复供电类型
表5故障关联矩阵
表6负荷节点可靠性参数
表7可靠性指标计算结果
方案 SAIFI/(fr/syst.cust) SAIDI/(hr/syst.cust) ENS/(kWh)
I 0.65875 3.29375 9535.00
II 0.65875 2.37875 6733.00
III 0.65875 0.94604 2435.33
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于智能软开关的配电网供电可靠性提升方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据选定的配电系统，输入线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系，系统运行电压水平和支路电流限制，智能软开关接入位置、容量、损耗系数、故障侧节点电压约束、节点相角约束值，系统各支路年均故障次数、故障修复时长、分段开关动作时间、联络开关动作时间、智能软开关恢复供电时间，系统基准电压和基准功率初值；
S2：依据配电系统结构及参数，建立基于智能软开关的有源配电网供电恢复模型，针对每一条支路发生故障的情况，采用智能软开关对失电区域进行供电恢复，得到不同支路故障情况下的各节点供电恢复情况；
S3：根据供电恢复结果，将停电负荷节点分为三类：①只能通过故障支路修复才能恢复供电的负荷节点；②故障清除后立即由主电源恢复供电的负荷节点；③故障清除后通过智能软开关恢复供电的负荷节点；
S4：依据不同故障情况下各负荷节点的供电恢复状态，生成故障关联矩阵A、B、C，计算各负荷节点的可靠性参数，包括节点年均停电频率、节点年均停电时间、节点年均电量不足向量；
S5：根据各负荷节点的可靠性参数，计算配电系统供电可靠性指标，包括系统年均停电频率指标、系统年均断电时长指标、系统年均电量不足指标。
2.根据权利要求1所述的基于智能软开关的配电网供电可靠性提升方法，其特征在于，所述步骤S4中生成故障关联矩阵A的方法为：
A为一个NL×NN的矩阵，NL为系统支路数，NN为系统节点数，其中
式中，k、l分别为系统支路编号和节点编号。
3.根据权利要求2所述的基于智能软开关的配电网供电可靠性提升方法，其特征在于，所述步骤S4中生成故障关联矩阵B的方法为：
B为一个NL×NN的矩阵，NL为系统支路数，NN为系统节点数，其中
4.根据权利要求3所述的基于智能软开关的配电网供电可靠性提升方法，其特征在于，所述步骤S4中生成故障关联矩阵C的方法为：
C为一个NL×NN的矩阵，NL为系统支路数，NN为系统节点数，其中
5.根据权利要求4所述的基于智能软开关的配电网供电可靠性提升方法，其特征在于，所述步骤S4中计算节点年均停电频率的过程是：
λb＝λl×(A+B+C)
式中，λb为节点年均停电频率向量；λl为支路年均故障次数向量。
6.根据权利要求5所述的基于智能软开关的配电网供电可靠性提升方法，其特征在于，所述步骤S4中计算节点年均停电时间的过程是：
式中，Tb为节点年均停电时间向量；λl为支路年均故障次数向量；tl为故障支路的修复时间向量；tsw为隔离开关切除故障支路的动作时间向量；top为智能软开关投入供电恢复的动作时间向量；为Hadamard算子，表示两个矩阵对应位置元素相乘。
7.根据权利要求6所述的基于智能软开关的配电网供电可靠性提升方法，其特征在于，所述步骤S4中计算节点年均电量不足的过程是：
式中，Lb为节点年均电量不足向量；Tb为节点年均停电时间向量；PLOAD为节点有功负荷向量；为Hadamard算子，表示两个矩阵对应位置元素相乘。
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