CN110336284A - 孤岛运行交直流混合微电网静态安全风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种孤岛运行交直流混合微电网静态安全风险评估方法，包括以下步骤：对给定拓扑的孤岛运行交直流混合微电网进行N‑1开路故障模拟；进行解列分析，得到故障解列后的孤岛系统和故障区内不可恢复失电负荷；建立互连变换器和分布式电源装置随机故障、间歇性分布式电源装置随机出力及负荷随机波动的概率分布模型，进行蒙特卡罗抽样，得到随机输入变量样本值；对孤岛系统进行分区切负荷运算，得到非故障区内失电负荷，再采用带非单调线性搜索加速三步LM算法(accelerated LM algorithm with non‑monotone linear search，ALMNL)进行常规潮流计算；得到各静态安全风险指标的概率分布。本发明方法能评估孤岛运行交直流混合微电网的静态安全风险水平，是研究孤岛运行交直流混合微电网静态安全可靠性的有效方法，为交直流混合微电网规划与运行提供技术支撑。

Description

孤岛运行交直流混合微电网静态安全风险评估方法

技术领域

本发明涉及电力系统分析领域，特别是涉及一种孤岛运行交直流混合微电网静态安全风险评估方法。

背景技术

交直流混合微电网结构包括交流子系统(交流母线)、直流子系统(直流母线)和连接交、直流子系统的互连变换器(interlinking converter，ILC)，交直流混合微电网结合了交流微电网和直流微电网两种结构的优势，可直接向交流负荷和直流负荷供电，减少不必要的电能变换，是未来最具有应用前景的微电网结构形式，成为了学术研究和工程示范的热点。交直流混合微电网有并网运行和孤岛运行两种运行模式。采用下垂协调控制策略的孤岛运行交直流混合微电网，缺乏主网的支持和调节，交、直流子系统均无平衡节点，交流子系统频率是变化的状态量；由ILC协调控制交、直子系统之间的双向有功功率流动，实现系统整体的功率自主分配和合理流动；系统各单元独立工作，无需相互通信，具备即插即用功能，可简化控制的复杂程度。

电力系统的安全性也称动态可靠性，是指在突发性故障引起的扰动下，系统不发生广泛波及性供电中断的能力，分为静态安全性和动态安全性。电力系统静态安全评估与分析是考虑事故后稳态运行状况的安全性，是电力系统规划和运行考虑的基本问题之一。孤岛运行交直流混合微电网发生事故后，间歇性分布式电源(distributed generator，DG)的随机出力，ILC和DG装置的随机故障，及系统负荷波动等不确定性因素，会影响系统电压和频率，频率偏离额定值过大时会造成系统瓦解；且ILC在系统功率管理控制中起着至关重要的作用；此外，交直流混合微电网拓扑灵活多样，交直流功率可以协调互动，故障后一般具有解列方案，由此有必要对孤岛运行交直流混合微电网进行静态安全性评估。目前，对交直流混合微电网的研究主要集中在其运行控制模式、运行优化、优化配置等方面，较少研究交直流混合微电网的安全性评估与分析。

电力系统静态安全性分析的风险评估方法是对系统的风险及其相关影响进行综合评价，同时定量的描述系统故障的可能性和后果严重性，在电网安全性评估领域得到了很好的应用。建立合理的安全性指标体系是安全性评估的核心内容。交直流混合微电网多为辐射状拓扑结构，且直流DG可直接为直流负荷供电，由此，事故后失负荷风险是体现其安全性的重点。考虑到增容和提高可靠性，交直流混合微电网的交流母线与直流母线之间会连接多个并联ILC，各个ILC有其最大容量，由此，需考虑ILC传输有功功率的越限风险。

静态安全分析准则和潮流计算是电力系统静态安全风险评估的基础。为提高交直流混合微电网的运行可靠性，交流微网子系统含有交流分段开关，直流微网子系统含有直流断路器，且含有地理位置分散的交/直流DG，交直流功率可以协调互动，则故障后具有解列运行方案，且解列后形成的孤岛系统有3种类型：交直流混合子系统、交流子系统和直流子系统。随机潮流计算可计及DG的随机出力、负荷波动等随机因素，计算出电力系统潮流的概率。目前，随机潮流计算较多采用蒙特卡罗模拟法，其是根据输入变量的概率分布情况随机抽样，进行多次取值，再对每一次抽样的输入变量进行常规潮流计算。常规潮流计算是随机潮流计算蒙特卡罗模拟法的基础。下垂协调控制策略下的孤岛运行交直流混合微电网，各子系统无平衡节点且含下垂控制的DG装置，使得其潮流方程的雅克比矩阵容易奇异，传统配电网常规潮流算法已不再适用；且其静态安全风险评估中需对解列后形成的3种类型孤岛系统进行潮流计算。LM(Levenberg-Marquardt)方法是一种求解非线性方程组的数值算法，它克服了雅克比矩阵奇异或坏条件时传统牛顿法所带来的困难。将几种高阶收敛的LM方法应用于潮流计算中，在一定范围内，通过不断引入LM迭代步来改善潮流的收敛性。目前，主要有线性搜索技术和信赖域技术来获得LM方法的全局收敛性。线性搜索有单调线性搜索和非单调线性搜索两种方式。单调线性搜索的一个缺点是获得的步长有时会很小，为了克服单调线性搜索的这种缺陷，可采用非单调线性搜索。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明提出一种孤岛运行交直流混合微电网静态安全风险评估方法：采用结合N-1事故与解列方案的静态安全分析准则，并提出一种新型的分区切负荷策略；采用带非单调线性搜索加速三步LM算法(accelerated LM algorithm with non-monotone linear search，ALMNL)的蒙特卡罗模拟法求解解列后孤岛系统随机潮流；得到静态安全风险评估指标的概率分布。

本发明的技术方案为：

一种孤岛运行交直流混合微电网的静态安全风险评估方法，包括结合N-1事故与解列方案的静态安全分析准则、提出新型的分区切负荷策略、采用基于ALMNL算法的蒙特卡罗模拟法求解解列后孤岛系统随机潮流、得到静态安全风险评估指标的概率分布。

其中，所述采用结合N-1事故与解列方案的静态安全分析准则，具体如下：

交直流混合微电网中为了增加容量和提高可靠性，交流母线和直流母线之间需连接多个并联ILC，把ILC连接到交直流母线的线路故障称为连接线故障。孤岛运行交直流混合微电网静态安全风险评估的N-1事故包括交、直流微网子系统的线路故障及连接线故障，可分为3种故障类型：连接线故障、分支馈线故障和主馈线故障。孤岛运行交直流混合微电网由于容量较小且拓扑较简单，其故障后一般不具有转供方案。但交直流混合微电网含地理位置分散的DG，设有分段开关和直流断路器，运行模式多样，且为避免因内部故障而引起整个系统停电，一般具有解列方案。结合N-1事故与解列方案的静态安全分析准则：采用N-1扫描系统中每一条线路进行开路故障模拟，故障隔离后对整个系统进行解列，解列后系统失电负荷由故障区内不可恢复失电负荷和非故障区内失电负荷组成。

交直流混合微电网的解列点一般设置在交流分段开关和直流断路器处。解列后的系统可分为3种类型：交流子系统、直流子系统、交直流混合子系统。对3类故障进行故障影响分析：由于系统存在多个ILC，连接线故障后形成交直流混合子系统孤岛；分支馈线故障后解列形成交直流混合子系统孤岛，且切除孤岛外负荷；主馈线故障后解列形成交直流混合子系统孤岛和交/直流子系统孤岛。孤岛外负荷的切除是由于隔离故障而造成的，在故障修复之前无法对其恢复供电，该部分负荷损失是固定的。故障隔离后，经解列形成交直流混合子系统孤岛、交/直流子系统孤岛运行，以对尽量多的非故障区域内负荷供电，该部分负荷损失不是固定的。

其中，所述提出的新型的分区切负荷策略，具体如下：

孤岛运行交直流混合微电网发生N-1故障后形成的非故障区孤岛系统内存在多种不确定性因素：间歇性DG的随机性出力、DG装置和ILC随机故障及负荷波动，则孤岛系统出现总发电小于总负荷时，需切除部分负荷以保障功率平衡。交直流混合微电网作为一种新型微电网结构，通过ILC连接交流母线与直流母线，其突出优势是可实现交流与直流的分区供电，直流DG装置可直接为直流负荷供电，以减少不必要的交直流转换。提出非故障区孤岛系统的分区切负荷策略：由交流子系统区和直流子系统区的负荷优先由所在区的DG装置供电原则确定切负荷区域，再对切负荷区域按照有功功率最小负荷点优先切除原则逐步切负荷。具体步骤如下：

1)切负荷区域(Load-Shedding Area，LSA)的确定：分别比较交、直流子系统区DG装置的总出力与负荷总有功功率的大小，由其相对大小来确定LSA。

式中，P_DGZ、P_LZ分别为系统内DG装置的总有功出力、负荷总有功功率；P_aDGZ、P_aLZ分别为交流子系统区内DG装置的总有功出力、负荷总有功功率；P_dDGZ、P_dLZ分别为直流子系统区内DG装置的总有功出力、负荷总有功功率；α为网损系数。

当故障后形成的非故障区孤岛系统内DG装置总有功出力大于等于负荷总有功功率，不需要切负荷。当非故障区孤岛系统内DG装置总有功出力小于负荷总有功功率，需要切负荷：①如果其交流子系统区内DG装置总有功出力充足，直流子系统区内DG装置总有功出力不足时，则由负荷优先由所在区的DG装置供电原则，确定LSA为直流子系统区，即需切直流子系统区负荷；②如果其直流子系统区内DG装置总有功出力充足，交流子系统区内DG装置总有功出力不足时，则由负荷优先由所在区的DG装置供电原则，确定LSA为交流子系统区，即需切交流子系统区负荷；③如果其交流子系统区和直流子系统区内DG装置总有功出力都不足时，LSA为交直流混合子系统区。

2)LSA内负荷的切除：按有功功率最小负荷点原则进行切除，先假定LSA内所有负荷点均不被切除，判断是否满足式(2)，若否，LSA内有功功率最小的负荷点优先被切除，重复此过程直到满足式(2)为止。

式中，P_LSADGZ、P_LSALl分别为LSA内DG装置的总有功出力、负荷点l的有功功率；N_LSA为LSA内的总负荷点数。

其中，所述采用基于ALMNL算法的蒙特卡罗模拟法求解解列后孤岛系统随机潮流，具体如下：

随机潮流模拟法是根据输入变量的概率分布情况随机抽样，进行多次取值，再对每一次抽样的输入变量进行常规潮流计算，进而求得节点电压、线路潮流的概率分布。常规潮流算法和抽样方法是随机潮流模拟法的基础。下垂协调控制孤岛运行交直流混合微电网故障解列后形成的孤岛系统有3种类型：交直流混合子系统、交流子系统和直流子系统。交直流混合子系统的常规潮流算法较多采用交替迭代方法，该方法的实质是在交流子系统常规潮流求解迭代过程中嵌入了一个完整的直流子系统常规潮流计算过程，由此，3种类型孤岛系统常规潮流计算的关键归结为交、直流系统的常规潮流求解。提出基于ALMNL算法的交、直流系统统一潮流求解。

1)交、直流系统的潮流模型

直流子系统中DG装置一般采用恒功率控制和P-U下垂控制，ILC可处理为直流节点，由此，将直流节点处理为3种类型：恒功率节点、直流下垂节点和ILC直流节点。交流子系统中DG装置一般采用PQ控制、P-ω/Q-U下垂控制，ILC可处理为交流节点，由此，将交流节点处理为4种类型：PQ节点、PV节点、交流下垂节点和ILC交流节点。当以节点功率为注入量时，潮流方程为一组非线性方程，可使交、直流系统的潮流模型形式一致，便于分析计算。其统一潮流模型可简写为

F(x)＝0,x∈Rⁿ (3)

式中，F(x)为节点功率非线性函数向量；x为系统未知状态向量；n为系统未知状态变量的个数。

进一步地，F(x)可写为

式中，F_P(x_P)为有功功率非线性函数，F_Q(x_Q)为交流无功功率非线性函数；P_G为节点等值电源有功功率，Q_G为交流节点等值电源无功功率，P_L为节点等值负荷有功功率，Q_L为交流节点等值负荷无功功率，P_i为节点注入有功功率，Q_i为交流节点注入无功功率；x_Pdc、x_Ddc、x_ILCdc分别为直流恒功率节点、直流下垂节点、ILC直流节点的未知状态向量；x_PQ、x_PV、x_Dac、x_ILCac分别为交流PQ节点、PV节点、交流下垂节点、ILC交流节点的未知状态向量。

交、直流下垂节点的等值电源有功和无功功率方程分别为

式中，P_DGa、Q_DGa为交流下垂节点的等值电源有功和无功功率，ω、U_a、ω₀、U_a0分别为交流下垂节点的实际电压频率和幅值及空载电压频率和幅值，K_pa ^-1、K_Qa ^-1为相应的有功、无功功率下垂系数；P_DGd为直流下垂节点的等值电源有功功率，U_d、U_d0为直流下垂节点的实际电压和空载电压，K_pd ^-1为相应的有功功率下垂系数。

ILC节点的等值电源有功和无功功率方程为

式中，P_ILC、Q_ILC分别为ILC节点的等值电源有功和无功功率；ω′、U′_ILCdc分别为ILC交流侧频率、ILC直流侧的实际电压经归一化处理后的值，其变化范围为[-1,1]；U_ILCac,0、U_ILCac分别为交流侧空载电压和实际电压幅值；K_PILC、K_QILC为ILC的有功和无功控制系数。

2)基于ALMNL算法的常规潮流求解

下垂协调控制孤岛运行交直流混合微电网故障解列后形成的3种类型孤岛系统都没有平衡节点，潮流方程的雅克比矩阵容易奇异；且下垂控制DG装置实际发出功率受其下垂特性限制，导致潮流解区间变窄，由此，其常规潮流的方法需具备3个条件：是求解非线性方程组的方法；不要求非线性方程组的雅克比矩阵非奇异；具有全局收敛性。LM方法是求解非线性方程组的重要方法之一，主要有线性搜索技术和信赖域技术来获得LM方法的全局收敛性。线性搜索有单调线性搜索和非单调线性搜索两种方式。单调线性搜索的缺点是获得的步长有时会很小，尤其当算法产生的方向与负梯度方向接近垂直时，而非单调线性搜索可克服这个缺陷，提高算法速度。且非单调线性搜索不要求函数值每一步迭代都单调下降，使得步长因子的选取更具弹性。传统LM方法每次迭代都需计算LM步长，为了加快速度，减少运算时间，提出ALMNL算法：带非单调线性搜索的三步LM算法。将ALMNL算法用于计算解列后3种类型孤岛系统的常规潮流。设式(3)中F：Rⁿ→Rⁿ是连续可微分函数，且在给定运行条件下和计算精度下存在潮流解x*。ALMNL算法求解式(3)，先求出d_1k：

令y_k＝x_k+d_1k，得到d_2k：

令z_k＝y_k+d_2k，得到d_3k：

其中，非负参数λ_k更新方式如式(12)所示：

令d_ALMNLk＝d_1k+d_2k+d_3k，判断式(12)是否成立。

ψ(x_k+d_k)≤ρψ(x_k)-k₁||d_1k||²-k₂||d_2k||²-k₃||d_3k||² (12)

式中，ψ(x_k)＝‖F(x_k)‖²，ρ,k₁,k₂,k₃>0。

若式(12)成立，则下一个迭代点x_k+1＝x_k+d_ALMNLk，否则α_k由非单调线性搜索更新：

α_k＝max{1,γ,γ²,L}，γ∈(0,1) (13)

α_k＝γⁱ(i＝0,1,2,…)需满足式(14)。

其中，σ₁,σ₂,σ₃,σ₄﹥0，

D_k＝ηD_k-1,k≥1,D₀＝1 (16)

重复上述过程，直到满足(ε为设定的常规潮流计算精度)，得到式(3)的潮流解x_k*。

对式(3)，作假设1：F(x)、J(x)Lipschitz连续。作假设2：‖F(x)‖在N(x_k*,b)(b∈[0,1])内存在一个弱于雅克比矩阵非奇异的局部误差界。可证明：若假设1成立，ALMNL算法是全局收敛的；若假设2成立，ALMNL算法是三阶收敛的。

3)输入随机变量概率分布模型的建立

采用基于蒙特卡罗抽样的随机潮流模拟法，先将系统随机因素作为输入随机变量建立其概率分布模型，然后随机抽取概率分布的输入变量。随机潮流计算中考虑的随机因素包括：ILC和DG装置的随机故障、间歇性DG装置的随机出力、负荷的随机波动。考虑的DG装置包括非间歇性微型汽轮机(micro turbine,MT)，及间歇性DG装置：光伏发电(photovoltaic power generation,PV)装置和风力发电机(wind turbine,WT)装置。

ILC和DG装置的随机故障概率分布为

式中，X_k、p分别为ILC或DG装置状态随机变量的取值和故障概率。

PV装置有功功率出力主要与光照强度有关，光照强度r认为服从Beta分布，其概率密度函数为

式中，r_max为最大光照强度；a和b是Beta分布的形状参数；Г是Gamma函数。

PV装置有功功率出力为P_PV＝r×A×η，其中，A为光伏电池阵列总面积，η是光伏电池方阵的总光电转换效率。

正常工作状态下WT装置有功功率输出随风速变化而变化，可表示为

式中，P_WTG、P_n分别为WT装置的实际输出功率和额定功率；v_ci、v_n、v_co分别为切入风速、额定风速和切出风速。

风速采用Weibull分布的随机概率模型，为

式中，v为风速；k_v、c_v为Weibull分布的2个参数，可由风速的均值和标准差近似算出。

随机潮流计算中负荷的有功和无功功率P_L、Q_L随机模型一般都满足正态分布，概率密度函数为

式中，μ_P、μ_Q分别为负荷有功和无功功率的期望值；σ_P、σ_Q分别为负荷有功和无功功率的标准差。

其中，所述得到静态安全风险评估指标的概率分布，具体如下：

建立合理的静态安全风险指标有助于准确描述系统的静态安全风险水平。采用下垂协调控制策略的孤岛运行交直流混合微电网，为实现功率自主分配和合理流动，ILC需协调控制交、直流子系统之间的双向有功功率流动，其传输功率的大小和方向由交、直流子系统的运行情况决定，且各个ILC有其最大容量，由此需考虑ILC传输有功功率越限的风险。交直流混合微电网直接面向用户，则事故后失负荷风险是体现其安全性的重点。提出孤岛运行交直流混合微电网静态安全风险指标体系：失负荷风险指标、ILC有功功率越限风险指标、节点电压越限风险指标、频率越限指标和系统静态安全风险指标。采用非故障区孤岛系统分区切负荷策略下，失负荷风险指标包括总失负荷风险指标、失直流负荷风险指标和失交流负荷风险指标。

N-1事故下，系统静态安全风险指标是失负荷风险指标、ILC有功功率越限风险指标、节点电压越限风险指标和频率越限风险指标的加权平均，为

式中，R(r_j)、R(L|r_j)、R(P_ILC|r_j)、R(U|r_j)、R(ω|r_j)、分别为预想故障r_j下系统静态安全风险、失负荷风险、ILC有功功率越限风险、节点电压越限风险和频率越限风险指标；S_sev(L|r_j)、S_sev(P_ILC|r_j)、S_sev(U_i|r_j)、S_sev(ω|r_j)分别为故障r_j下失负荷、ILC有功功率越限、节点电压越限和频率越限严重度；α_L、α_ILC、α_U和α_ω分别为对应的权重值；P_r(r_j)为故障r_j发生的概率，定义P_r(r_j)为系统第j条线路发生故障的概率。

N-1事故下，故障造成的损失值越大，故障严重度会越高，且严重度应随着损失的增加而急剧升高，由此采用基于效用理论的故障严重度度量方法。定义故障严重度函数为

式中，w_c为故障r_j下引起的C后果损失值。孤岛交直流混合微电网故障后的孤岛系统中，w_c为失负荷、ILC有功功率越限、节点电压越限和频率越限损失值。

定义故障后失负荷损失值w_L为

式中，w_L为总失负荷、失直流负荷、失交流负荷损失值；N_FL为总失负荷点、失直流负荷点、失交流负荷点的个数；P_FL,h为第h个总失电负荷点、失直流负荷点、失交流负荷点的有功功率；N_ZL为总负荷点、直流子系统负荷点、交流子系统负荷点的个数；P_ZL,y为第y个总负荷点、直流负荷点、交流负荷点有功功率。

定义故障解列后ILC有功功率越限损失值w_ILC为

式中，P_ILC、P_ILCmax分别为ILC的有功功率实际值和最大值；N_ILC为工作ILC的个数。

定义故障解列后节点电压越限损失值w_Ui为

式中，U_i为节点i的电压幅值；U_max、U_min分别为设定的电压上、下限值。

定义故障解列后频率越限损失值w_ω为

式中，ω为故障解列后交直流混合子系统和交流子系统的频率；ω_max、ω_min为设定的稳态频率上、下限值。

孤岛运行交直流混合微电网静态安全风险指标的计算：失负荷损失值由解列方案及切负荷运算得到；故障解列后ILC传输有功功率实际值、节点电压幅值、交直流混合子系统和交流子系统的频率需由潮流计算得出，进而得到系统静态安全风险指标值。

本发明所述的一种孤岛运行交直流混合微电网静态安全风险评估方法，技术效果主要有：

1.基于ALMNL算法的常规潮流求解方法，能处理多种类型节点，适用于有/无平衡节点的交、直流微电网及交直流混合微电网的常规潮流计算，可为适用于多类型微电网的常规潮流求解方法提供新的研究思路。

2.提出的分区切负荷策略，根据交流子系统区和直流子系统区的负荷优先由所在区的DG装置供电原则确定切负荷区域，能有效降低系统的静态安全风险，且符合交直流混合微电网的实际运行情况。

3.孤岛运行交直流混合微电网可直接向交、直流负载供电，ILC在系统功率控制中起着至关重要的作用，提出的ILC有功功率越限风险指标、失直流负荷风险指标和失交流负荷风险指标，可全面表征系统的静态安全风险水平。

附图说明

图1是本发明方法的步骤流程图

图2是实施例的孤岛运行交直流混合微电网算例系统拓扑图

图3A是实施例的直流线路10-11故障下，系统静态安全风险指标值累积概率分布

图3B是实施例的直流线路10-11故障下，失负荷风险指标值累积概率分布

图3C是实施例的直流线路10-11故障下，ILC有功功率越限风险指标值累积概率分布

图3D是实施例的直流线路10-11故障下，节点电压越限风险指标值累积概率分布

图4A是实施例的交流线路5-6故障下，系统静态安全风险指标值累积概率分布

图4B是实施例的交流线路5-6故障下，失负荷风险指标值累积概率分布

图4C是实施例的交流线路5-6故障下，ILC有功功率越限风险指标值累积概率分布

图4D是实施例的交流线路5-6故障下，节点电压越限风险指标值累积概率分布

图4E是实施例的交流线路5-6故障下，频率越限风险指标值累积概率分布

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

图1为孤岛运行交直流混合微电网静态安全风险评估的步骤流程图，包括以下步骤：

步骤1：对给定拓扑的孤岛运行交直流混合微电网进行N-1开路故障模拟；

步骤2：进行解列分析，得到故障解列后的孤岛系统和故障区内不可恢复失电负荷；

步骤3：根据建立的互连变换器和分布式电源装置随机故障、间歇性分布式电源装置随机出力及负荷随机波动的概率分布模型，进行蒙特卡罗抽样，得到第M次抽样的随机输入变量样本值；

步骤4：对孤岛系统进行分区切负荷运算，得到非故障区内失电负荷，再采用ALMNL算法进行常规潮流计算；

步骤5：令M＝M+1，再判断是否达到设定的蒙特卡罗抽样次数？若是，进入步骤6，若否，转到步骤3；

步骤6：得到各静态安全风险指标的概率分布。

本发明采用由RBTS Bus6中F4馈线部分网络改造的交流子系统，Benchmark低压微电网结构改造的直流子系统组成的孤岛运行交直流混合微电网算例系统进行验证。

ALMNL算法中设置参数：μ＝10-6，ρ＝0.8，k₁＝k₂＝k₃＝0.005，σ₁＝σ₂＝σ₃＝σ₄＝0.005，γ＝0.5，m＝0.01，η＝0.5，常规潮流计算精度ε＝10^-5，蒙特卡罗抽样次数设为10⁵，潮流计算结果以5位有效数输出。

设置孤岛运行交直流混合微电网算例系统，拓扑图如图2所示，交流子系统为改造的RBTS Bus6中F4馈线部分网络，直流子系统为改造的Benchmark低压微电网结构。交、直流子系统之间连接3个并联ILC。交流子系统在节点6、9上接入2个DG装置，节点1-5、7、8接入7个负荷点；直流子系统在节点1、6、8、13和17接入5个DG装置，节点2、4、5、12和14-16接入7个负荷点。K1-K5为交流分段开关，K6-K9为直流断路器。ILC对于交流子系统处理为ILC交流节点，节点编号为10-12，对于直流子系统处理为ILC直流节点，节点编号为18-20。

交流子系统基准容量取1MVA，基准频率为50Hz，直流子系统基准容量取100kVA。交、直流下垂节点空载电压幅值取为1.06pu，交流下垂控制DG装置空载电压频率取为1.004pu，各负荷点功率波动的标准差取为期望值的10％。设不考虑负荷静态频率特性的影响，交流频率、未知交流节点电压幅值和相位角的初值分别设为1pu、1pu、0rad，未知直流节点电压的初值设为1pu。各DG装置参数如表1所示。

表1实施例的各DG装置参数

将算例系统中30条线路逐一模拟断开，得到按系统静态安全风险指标平均值R(r_j)_m大小排序的风险评估结果如表2所示，R(L|r_j)_m、R(L_dc|r_j)_m、R(L_ac|r_j)_m、R(P_ILC|r_j)_m、R(U|r_j)_m和R(ω|r_j)_m分别为总失负荷、失直流负荷、失交流负荷、ILC有功功率越限、节点电压越限和频率越限风险指标的平均值，ρ_ILC为ILC有功功率越限的概率(直流子系统中线路2-3与3-5故障下、线路7-9与9-10故障下、连接线12-19、12-20与12-18故障下得到的评估结果相同；交流子系统中线路1-2、2-3、3-4、4-5与5-6故障下、连接线1-11、1-12与1-10故障下得到的评估结果相同。)。此外，与表2同排序的R(P_ILC|r_j)_m/10^-5、R(L_dc|r_j)_m/10^-5、R(L_ac|r_j)_m/10^-5依次为0.0288、6.8814、0.0014，0.0265、5.7239、0.0925，0.0288、5.7856、0.0014，0.0288、3.7562、0.0014，0.0288、3.7509、0.0014，0.0209、1.0204、0.0008，0.0186、0.8355、0.0008，0.0186、0.7568、0.0008，0.0155、0.1989、0.0368，0.0160、0.1416、0.0008，0.0080、0.0456、0.0303，0.0492、0.0025、0.0014，0.0139、0.0093、0.0212，0.0139、0.0091、0.0191，0.0139、0、0.0196，0、0.0041、4.0079，0、0.0041、2.5293，0、0.0041、2.5286，0.0004、0.0039、0.9559，0.0461、0.0023、0.0013。

表2实施例的N-1事故下系统静态安全风险排序

得到直流线路10-11故障下、交流线路5-6故障下的静态安全风险指标概率分布如图3A-图3D和图4A-图4E所示。图3A-图3D中，R(r_j)/10^-5、R(L|r_j)/10^-5、R(P_ILC|r_j)/10^-5、R(U|r_j)/10^-5的最大值、最小值分别为0.8979、0.2577，3.5434、1.0192，0.1890、0，0.0627、0.0049。图4A-图4E中，R(r_j)/10^-5、R(L|r_j)/10^-5、R(P_ILC|r_j)/10^-5、R(U|r_j)/10^-5、R(ω|r_j)/10^-5的最大值、最小值分别为3.0261、0.2363，11.1842、0.9453，0.1360、0，1.2588、0，0.0005、0。评估结果分析：

1)由表2可知，当直流连接线12-18或交流连接线1-10发生故障时，ρ_ILC大于所在子系统其它线路故障下数值，这是由于连接线发生故障时，减少1个ILC，使得其它ILC的传输有功功率增大，也会导致R(P_ILC|r_j)_m增大。

2)由表2可知，直流线路5-7故障下的系统静态安全风险指标值最大，这是由于：线路5-7故障解列后得到的交直流混合子系统和直流子系统中切除负荷总有功功率和切除DG装置的总额定功率比其它线路情况下大，使得线路5-7故障下的系统静态安全风险最大。

3)由表2比较直流线路1-2、4-6、16-17故障下的评估结果可知，线路16-17故障下的系统静态安全风险最大，线路1-2最小，这是由于这3种故障下都只解列下垂控制DG装置，而线路16-17故障下解列的下垂控制DG装置额定功率最大，使得线路16-17故障下的系统静态安全风险较大。

4)由图3A-图3D和图4A-图4E可知，R(r_j)的累积概率分布不同于其它指标的累积概率分布，这是由于图3A-图3D和图4A-图4E中R(r_j)是各风险指标的加权平均。

上述评估结果符合理论分析，验证了本发明方法的正确性和有效性。

Claims (2)

1.孤岛运行交直流混合微电网静态安全性风险评估方法，其特征在于结合N-1事故与解列方案的静态安全分析准则、提出新型的分区切负荷策略、采用带非单调线性搜索加速三步LM算法(accelerated LM algorithm with non-monotone linear search，ALMNL)的蒙特卡罗模拟法求解解列后孤岛系统随机潮流、得到静态安全风险评估指标的概率分布。

其中，所述采用结合N-1事故与解列方案的静态安全分析准则，具体如下：

交直流混合微电网中为了增加容量和提高可靠性，交流母线和直流母线之间需连接多个并联ILC，把ILC连接到交直流母线的线路故障称为连接线故障。孤岛运行交直流混合微电网静态安全风险评估的N-1事故包括交、直流微网子系统的线路故障及连接线故障，可分为3种故障类型：连接线故障、分支馈线故障和主馈线故障。孤岛运行交直流混合微电网由于容量较小且拓扑较简单，其故障后一般不具有转供方案。但交直流混合微电网含地理位置分散的DG，设有分段开关和直流断路器，运行模式多样，且为避免因内部故障而引起整个系统停电，一般具有解列方案。结合N-1事故与解列方案的静态安全分析准则：采用N-1扫描系统中每一条线路进行开路故障模拟，故障隔离后对整个系统进行解列，解列后系统失电负荷由故障区内不可恢复失电负荷和非故障区内失电负荷组成。

交直流混合微电网的解列点一般设置在交流分段开关和直流断路器处。解列后的系统可分为3种类型：交流子系统、直流子系统、交直流混合子系统。对3类故障进行故障影响分析：由于系统存在多个ILC，连接线故障后形成交直流混合子系统孤岛；分支馈线故障后解列形成交直流混合子系统孤岛，且切除孤岛外负荷；主馈线故障后解列形成交直流混合子系统孤岛和交/直流子系统孤岛。孤岛外负荷的切除是由于隔离故障而造成的，在故障修复之前无法对其恢复供电，该部分负荷损失是固定的。故障隔离后，经解列形成交直流混合子系统孤岛、交/直流子系统孤岛运行，以对尽量多的非故障区域内负荷供电，该部分负荷损失不是固定的。

其中，所述提出的新型的分区切负荷策略，具体如下：

孤岛运行交直流混合微电网发生N-1故障后形成的非故障区孤岛系统内存在多种不确定性因素：间歇性DG的随机性出力、DG装置和ILC随机故障及负荷波动，则孤岛系统出现总发电小于总负荷时，需切除部分负荷以保障功率平衡。交直流混合微电网作为一种新型微电网结构，通过ILC连接交流母线与直流母线，其突出优势是可实现交流与直流的分区供电，直流DG装置可直接为直流负荷供电，以减少不必要的交直流转换。提出非故障区孤岛系统的分区切负荷策略：由交流子系统区和直流子系统区的负荷优先由所在区的DG装置供电原则确定切负荷区域，再对切负荷区域按照有功功率最小负荷点优先切除原则逐步切负荷。具体步骤如下：

1)切负荷区域(Load-Shedding Area，LSA)的确定：分别比较交、直流子系统区DG装置的总出力与负荷总有功功率的大小，由其相对大小来确定LSA。

式中，P_DGZ、P_LZ分别为系统内DG装置的总有功出力、负荷总有功功率；P_aDGZ、P_aLZ分别为交流子系统区内DG装置的总有功出力、负荷总有功功率；P_dDGZ、P_dLZ分别为直流子系统区内DG装置的总有功出力、负荷总有功功率；α为网损系数。

当故障后形成的非故障区孤岛系统内DG装置总有功出力大于等于负荷总有功功率，不需要切负荷。当非故障区孤岛系统内DG装置总有功出力小于负荷总有功功率，需要切负荷：①如果其交流子系统区内DG装置总有功出力充足，直流子系统区内DG装置总有功出力不足时，则由负荷优先由所在区的DG装置供电原则，确定LSA为直流子系统区，即需切直流子系统区负荷；②如果其直流子系统区内DG装置总有功出力充足，交流子系统区内DG装置总有功出力不足时，则由负荷优先由所在区的DG装置供电原则，确定LSA为交流子系统区，即需切交流子系统区负荷；③如果其交流子系统区和直流子系统区内DG装置总有功出力都不足时，LSA为交直流混合子系统区。

2)LSA内负荷的切除：按有功功率最小负荷点原则进行切除，先假定LSA内所有负荷点均不被切除，判断是否满足式(2)，若否，LSA内有功功率最小的负荷点优先被切除，重复此过程直到满足式(2)为止。

式中，P_LSADGZ、P_LSALl分别为LSA内DG装置的总有功出力、负荷点l的有功功率；N_LSA为LSA内的总负荷点数。

其中，所述基于ALMNL算法的蒙特卡罗模拟法求解解列后孤岛系统随机潮流，具体如下：

随机潮流模拟法是根据输入变量的概率分布情况随机抽样，进行多次取值，再对每一次抽样的输入变量进行常规潮流计算，进而求得节点电压、线路潮流的概率分布。常规潮流算法和抽样方法是随机潮流模拟法的基础。下垂协调控制孤岛运行交直流混合微电网故障解列后形成的孤岛系统有3种类型：交直流混合子系统、交流子系统和直流子系统。交直流混合子系统的常规潮流算法较多采用交替迭代方法，该方法的实质是在交流子系统常规潮流求解迭代过程中嵌入了一个完整的直流子系统常规潮流计算过程，由此，3种类型孤岛系统常规潮流计算的关键归结为交、直流系统的常规潮流求解。提出基于ALMNL算法的交、直流系统统一潮流求解。

1)交、直流微网系统的潮流模型

直流子系统中DG装置一般采用恒功率控制和P-U下垂控制，ILC可处理为直流节点，由此，将直流节点处理为3种类型：恒功率节点、直流下垂节点和ILC直流节点。交流子系统中DG装置一般采用PQ控制、P-ω/Q-U下垂控制，ILC可处理为交流节点，由此，将交流节点处理为4种类型：PQ节点、PV节点、交流下垂节点和ILC交流节点。当以节点功率为注入量时，潮流方程为一组非线性方程，可使交、直流系统的潮流模型形式一致，便于分析计算。其统一潮流模型可简写为

F(x)＝0,x∈Rⁿ (3)

式中，F(x)为节点功率非线性函数向量；x为系统未知状态向量；n为系统未知状态变量的个数。

进一步地，F(x)可写为

式中，F_P(x_P)为有功功率非线性函数，F_Q(x_Q)为交流无功功率非线性函数；P_G为节点等值电源有功功率，Q_G为交流节点等值电源无功功率，P_L为节点等值负荷有功功率，Q_L为交流节点等值负荷无功功率，P_i为节点注入有功功率，Q_i为交流节点注入无功功率；x_Pdc、x_Ddc、x_ILCdc分别为直流恒功率节点、直流下垂节点、ILC直流节点的未知状态向量；x_PQ、x_PV、x_Dac、x_ILCac分别为交流PQ节点、PV节点、交流下垂节点、ILC交流节点的未知状态向量。

交、直流下垂节点的等值电源有功和无功功率方程分别为

式中，P_DGa、Q_DGa为交流下垂节点的等值电源有功和无功功率，ω、U_a、ω₀、U_a0分别为交流下垂节点的实际电压频率和幅值及空载电压频率和幅值，K_pa ^-1、K_Qa ^-1为相应的有功、无功功率下垂系数；P_DGd为直流下垂节点的等值电源有功功率，U_d、U_d0为直流下垂节点的实际电压和空载电压，K_pd ^-1为相应的有功功率下垂系数。

ILC节点的等值电源有功和无功功率方程为

式中，P_ILC、Q_ILC分别为ILC节点的等值电源有功和无功功率；ω′、U′_ILCdc分别为ILC交流侧频率、ILC直流侧的实际电压经归一化处理后的值，其变化范围为[-1,1]；U_ILCac,0、U_ILCac分别为交流侧空载电压和实际电压幅值；K_PILC、K_QILC为ILC的有功和无功控制系数。

2)基于ALMNL算法的常规潮流求解

下垂协调控制孤岛运行交直流混合微电网故障解列后形成的3种类型孤岛系统都没有平衡节点，潮流方程的雅克比矩阵容易奇异；且下垂控制DG装置实际发出功率受其下垂特性限制，导致潮流解区间变窄，由此，其常规潮流的方法需具备3个条件：是求解非线性方程组的方法；不要求非线性方程组的雅克比矩阵非奇异；具有全局收敛性。LM方法是求解非线性方程组的重要方法之一，主要有线性搜索技术和信赖域技术来获得LM方法的全局收敛性。线性搜索有单调线性搜索和非单调线性搜索两种方式。单调线性搜索的缺点是获得的步长有时会很小，尤其当算法产生的方向与负梯度方向接近垂直时，而非单调线性搜索可克服这个缺陷，提高算法速度。且非单调线性搜索不要求函数值每一步迭代都单调下降，使得步长因子的选取更具弹性。传统LM方法每次迭代都需计算LM步长，为了加快速度，减少运算时间，提出ALMNL算法：带非单调线性搜索的三步LM算法。将ALMNL算法用于计算解列后3种类型孤岛系统的常规潮流。设式(3)中F：Rⁿ→Rⁿ是连续可微分函数，且在给定运行条件下和计算精度下存在潮流解x*。LMNL算法求解式(3)，先求出d_1k：

令y_k＝x_k+d_1k，得到d_2k：

令z_k＝y_k+d_2k，得到d_3k：

其中，非负参数λ_k更新方式如式(12)所示：

令d_LMNLk＝d_1k+d_2k+d_3k，判断式(12)是否成立。

ψ(x_k+d_k)≤ρψ(x_k)-k₁||d_1k||²-k₂||d_2k||²-k₃||d_3k||² (12)

式中，ψ(x_k)＝‖F(x_k)‖²，ρ,k₁,k₂,k₃>0。

若式(12)成立，则下一个迭代点x_k+1＝x_k+d_LMNLk，否则x_k+1＝x_k+α_kd_1k+α_k ²d_2k+α_k ³d_3k，α_k由非单调线性搜索更新：

α_k＝max{1,γ,γ²,L}，γ∈(0,1) (13)

α_k＝γⁱ(i＝0,1,2,…)需满足式(14)。

其中，σ₁,σ₂,σ₃,σ₄﹥0，

D_k＝ηD_k-1,k≥1,D₀＝1 (16)

重复上述过程，直到满足‖J_k ^TF_k‖≤ε(ε为设定的常规潮流计算精度)，得到式(3)的潮流解x_k*。

对式(3)，作假设1：F(x)、J(x)Lipschitz连续。作假设2：‖F(x)‖在N(x_k*,b)(b∈[0,1])内存在一个弱于雅克比矩阵非奇异的局部误差界。可证明：若假设1成立，ALMNL算法是全局收敛的；若假设2成立，ALMNL算法是三阶收敛的。

3)输入随机变量概率分布模型的建立

采用基于蒙特卡罗抽样的随机潮流模拟法，先将系统随机因素作为输入随机变量建立其概率分布模型，然后随机抽取概率分布的输入变量。随机潮流计算中考虑的随机因素包括：ILC和DG装置的随机故障、间歇性DG装置的随机出力、负荷的随机波动。考虑的DG装置包括非间歇性微型汽轮机(micro turbine,MT)，及间歇性DG装置：光伏发电(photovoltaicpower generation,PV)装置和风力发电机(wind turbine,WT)装置。

ILC和DG装置的随机故障概率分布为

式中，X_k、p分别为ILC或DG装置状态随机变量的取值和故障概率。

PV装置有功功率出力主要与光照强度有关，光照强度r认为服从Beta分布，其概率密度函数为

式中，r_max为最大光照强度；a和b是Beta分布的形状参数；Г是Gamma函数。

PV装置有功功率出力为P_PV＝r×A×η，其中，A为光伏电池阵列总面积，η是光伏电池方阵的总光电转换效率。

正常工作状态下WT装置有功功率输出随风速变化而变化，可表示为

式中，P_WTG、P_n分别为WT装置的实际输出功率和额定功率；v_ci、v_n、v_co分别为切入风速、额定风速和切出风速。

风速采用Weibull分布的随机概率模型，为

式中，v为风速；k_v、c_v为Weibull分布的2个参数，可由风速的均值和标准差近似算出。

随机潮流计算中负荷的有功和无功功率P_L、Q_L随机模型一般都满足正态分布，概率密度函数为

式中，μ_P、μ_Q分别为负荷有功和无功功率的期望值；σ_P、σ_Q分别为负荷有功和无功功率的标准差。

其中，所述得到静态安全风险评估指标的概率分布，具体如下：

建立合理的静态安全风险指标有助于准确描述系统的静态安全风险水平。采用下垂协调控制策略的孤岛运行交直流混合微电网，为实现功率自主分配和合理流动，ILC需协调控制交、直流子系统之间的双向有功功率流动，其传输功率的大小和方向由交、直流子系统的运行情况决定，且各个ILC有其最大容量，由此需考虑ILC传输有功功率越限的风险。交直流混合微电网直接面向用户，则事故后失负荷风险是体现其安全性的重点。提出孤岛运行交直流混合微电网静态安全风险指标体系：失负荷风险指标、ILC有功功率越限风险指标、节点电压越限风险指标、频率越限指标和系统静态安全风险指标。采用非故障区孤岛系统分区切负荷策略下，失负荷风险指标包括总失负荷风险指标、失直流负荷风险指标和失交流负荷风险指标。

N-1事故下，系统静态安全风险指标是失负荷风险指标、ILC有功功率越限风险指标、节点电压越限风险指标和频率越限风险指标的加权平均，为

式中，R(r_j)、R(L|r_j)、R(P_ILC|r_j)、R(U|r_j)、R(ω|r_j)、分别为预想故障r_j下系统静态安全风险、失负荷风险、ILC有功功率越限风险、节点电压越限风险和频率越限风险指标；S_sev(L|r_j)、S_sev(P_ILC|r_j)、S_sev(U_i|r_j)、S_sev(ω|r_j)分别为故障r_j下失负荷、ILC有功功率越限、节点电压越限和频率越限严重度；α_L、α_ILC、α_U和α_ω分别为对应的权重值；P_r(r_j)为故障r_j发生的概率，定义P_r(r_j)为系统第j条线路发生故障的概率。

N-1事故下，故障造成的损失值越大，故障严重度会越高，且严重度应随着损失的增加而急剧升高，由此采用基于效用理论的故障严重度度量方法。定义故障严重度函数为

式中，w_c为故障r_j下引起的C后果损失值。孤岛交直流混合微电网故障后的孤岛系统中，w_c为失负荷、ILC有功功率越限、节点电压越限和频率越限损失值。

定义故障后失负荷损失值w_L为

式中，w_L为总失负荷、失直流负荷、失交流负荷损失值；N_FL为总失负荷点、失直流负荷点、失交流负荷点的个数；P_FL,h为第h个总失电负荷点、失直流负荷点、失交流负荷点的有功功率；N_ZL为总负荷点、直流子系统负荷点、交流子系统负荷点的个数；P_ZL,y为第y个总负荷点、直流负荷点、交流负荷点有功功率。

定义故障解列后ILC有功功率越限损失值w_ILC为

式中，P_ILC、P_ILCmax分别为ILC的有功功率实际值和最大值；N_ILC为工作ILC的个数。

定义故障解列后节点电压越限损失值w_Ui为

式中，U_i为节点i的电压幅值；U_max、U_min分别为设定的电压上、下限值。

定义故障解列后频率越限损失值w_ω为

式中，ω为故障解列后交直流混合子系统和交流子系统的频率；ω_max、ω_min为设定的稳态频率上、下限值。

孤岛运行交直流混合微电网静态安全风险指标的计算：失负荷损失值由解列方案及切负荷运算得到；故障解列后ILC传输有功功率实际值、节点电压幅值、交直流混合子系统和交流子系统的频率需由潮流计算得出，进而得到系统静态安全风险指标值。

2.根据权利要求1所述的孤岛运行交直流混合微电网，其特征是，采用下垂协调控制策略的孤岛运行交直流混合微电网。