CN110417000B - 计及分布式电源和需求响应的配电安全域模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计及分布式电源和需求响应的配电安全域模型构建方法，包括以下步骤：获取配电系统网络拓扑结构等参数；建立工作点向量式，给出工作点向量元素的取值范围区间；建立配电网潮流方程；建立配电系统正常运行安全约束模型；建立N‑1场景下不同类型分布式电源(DG)的动作模型；建立需求响应(DR)节点的N‑1故障前后功率变化映射模型；建立配电系统N‑1安全约束模型；综合构建计及DG和DR的配电安全域模型。本发明设计合理，其在配电安全域模型中同时计及了DG和DR的模型，可适用于同时含DG和DR的复杂配电网，有利于直接分析DG接入对配电安全域的影响，排除其它节点元件的干扰，可广泛用于配电系统领域中。

Description

计及分布式电源和需求响应的配电安全域模型构建方法

技术领域

本发明属于配电系统调度技术领域，尤其是一种计及分布式电源和需求响应的配电安全域模型构建方法。

背景技术

安全性是电力系统规划运行的重要目标，在配电系统中主要指N-1安全性，其含义是单一元件退出运行后，系统在满足线路容量、电压约束等条件下，仍能向负荷持续供电。目前，城市电网正逐步发展为智能配电网，不仅具备高度的自动化与信息化，还将包含分布式电源(distributed generation,DG)、分布式储能系统、需求响应(demand response,DR)等多种新元件与新运行模式，系统运行环境将越来越复杂。

配电系统安全域(distribution system security region,DSSR)是智能配电系统安全运行与分析的有效工具。DSSR定义为状态空间中所有N-1安全工作点构成的封闭集合。相比与常规安全分析法，“域”能够刻画系统安全运行的边界，提供可视化的全局安全信息，避免逐个元件的N-1仿真校验，大大提升安全分析速度，有利于实时安全监控和预防性控制，具有较好的实际应用价值。

已有DSSR研究多针对自动化条件下的传统无源配电网，已形成了涵盖定义、仿真观测、存在性推导证明、模型、性质以及实际应用的理论体系，但对于含多种新元素的有源配电网研究仍然较少。

DG的接入是智能配电网的首要特征，研究人员提出了有源配电网的全象限安全域(total quadrants security region,TQSR)，TQSR可以反映有源配网双向潮流的特征，但是模型以节点下多个元件的总功率为观察视角，不利于分析单纯DG接入对于传统DSSR的影响。DR是智能电网框架下重要的用户互动资源，也是竞争性电力市场的研究热点，研究人员提出了计及DR的最大供电能力(total supply capability,TSC)模型，指出DR可以增加TSC。还有研究人员指出DR会扩大DSSR的体积(大小)，但未分析DR对DSSR几何性质的影响，此外，其研究对象为传统无源配网，未考虑DG接入的场景。传统配电网一般只能通过网络重构等少数手段调整工作点在DSSR中的位置，而DG和DR增强了系统的可控性，可以进一步发挥DSSR在优化决策方面的作用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、性能稳定且安全可靠的计及分布式电源和需求响应的配电安全域模型构建方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种计及分布式电源和需求响应的配电安全域模型构建方法，包括以下步骤：

步骤1、获取配电系统如下参数：网络拓扑结构、节点规模与类型、分布式电源类型及其容量和参与需求响应的节点及其参与方式；

步骤2、建立工作点向量式，给出工作点向量元素的取值范围区间；

步骤3、建立配电网直流潮流方程；

步骤4、建立配电系统正常运行安全约束模型；

步骤5、针对系统N-1故障场景，建立N-1场景下不同类型DG的动作数学模型；

步骤6、针对系统N-1故障场景，建立DR节点的N-1故障前后功率变化映射模型；

步骤7、建立配电系统N-1安全约束模型；

步骤8、基于工作点向量式及其取值范围、正常运行安全约束模型、N-1安全性模型，综合构建计及DG和DR的配电安全域模型。

所述步骤2的具体实现方法为：选取配电系统正常运行时所有非平衡节点的负荷功率建立工作点向量式，根据配电系统各节点元件容量给出工作点向量元素的取值范围区间。

所述步骤2建立的工作点向量W为：

W＝[S_L,1,...,S_L,i,...,S_L,n]

式中：W为工作点向量；i为节点编号,1≤i≤n,i∈N；n为工作点维度；S_L,i为节点i所接负荷功率，S_L,i的取值范围为：

式中：

和/>

分别为S_L,i的下限和上限。

所述步骤3采用直流潮流方法建立配电网潮流方程，支路流过功率等于其下游所有节点功率的代数和，表示如下：

式中：S_B,i和S_T,i分别为线路i和主变i的功率；i为主变或者线路的编号,i∈N；Λ_B,i和Λ_T,i分别为线路i和主变i下游节点的集合；S_G,j为节点j连接的所有DG的出力。

所述步骤4建立的配电系统正常运行安全约束模型包括：

⑴线路容量约束：

有

式中：c_B,i为线路i容量；j为节点编号；B为所有线路的集合；

⑵主变容量约束：

有

式中：c_T,i为线路i容量；j为节点编号；T为所有线路的集合。

所述步骤5建立的N-1场景下不同类型DG的动作数学模型包括：

⑴半可控型DG的动作数学模型，表示如下：

S_G(t+1)＝S_G

式中：S_G(t+1)为DG在系统N-1后的出力；S_G为DG正常运行出力；

⑵可控型DG的动作数学模型，表示如下：

S_G(t+1)＝S_G,max

式中：S_G,max为DG额定出力。

所述步骤6的具体实现方法为：

DR在N-1后的模型简化为：

S_L,i(t+1)＝(1-α_i)S_L,i

式中：α_i为节点i的用户负荷允许削减的比例系数,0≤α_i≤1；α_i＝1表示用户i允许在系统N-1后完全停电；α_i＝0表示用户i不参与互动；

将W(t+1)转化为W，这个转化关系可以用映射h描述：

h:W(t+1)＝(E-Eα)W

α＝[α₁,...,α_i,...,α_n]

式中：W为工作点向量，W(t+1)为N-1后时刻工作点，E为单位矩阵；a为各个可中断负荷削减负荷比例系数组成的向量，0≤α≤1。

所述步骤7建立配电系统N-1安全约束模型包括：

⑴N-1线路容量约束：

有

式中：ψ_k为元件k故障,S_B,i(k)和Λ_B,i(k)分别为元件k发生N-1后线路B_i的功率以及B_i下游节点集合；

⑵N-1主变容量约束：

有

式中：S_T,i(k)和Λ_T,i(k)分别为元件k发生N-1后主变T_i的功率以及T_i下游节点集合。

所述步骤8构建的计及DG和DR的配电安全域模型为：

Ω_DSSR＝{W＝[S_L,1,...,S_L,i,...,S_L,n]∈Θ|

式中：st.A为状态空间约束，表示负荷运行范围；st.B为N-0安全约束，表示正常运行时馈线和主变容量不越限；st.C为N-1安全准则约束，对于故障集Ψ任一故障，N-1安全约束均成立。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明根据对分布式电源(DG)和需求响应(DR)配电网安全性分析，在DSSR模型中同时计及了DG和DR的模型，可广泛用于同时含DG和DR的复杂配电网。

2、本发明考虑了不同类型的DG动作方式，建立了多种不同类型的N-1场景下DG动作模型，包括了可控型、半可控型、脱网型、并网型、孤岛型的DG模型，可适用于DG种类多样的智能配电网。

3、本发明采用负荷视角工作点模型，向量元素为负荷，有利于直接分析DG接入对配电安全域的影响，排除其它节点元件的干扰。

4、本发明采用直流潮流方程建模，降低模型复杂程度，有利于模型的求解和未来安全域图像观测。

5、本发明将DR等效为N-1前后节点功率变化的映射函数，不仅为本发明的DSSR建模提供基础，也可以为其它问题的DR建模提供参考。

附图说明

图1是本发明的处理流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

本发明的设计思想为：首先从单纯的负荷视角，建立含DG和DR的配电网工作点向量式，根据系统节点元件容量给出向量元素的取值范围区间；其次，基于潮流方程，建立含分布式电源(DG)和需求响应(DR)的配电网正常运行安全性模型；然后，建立DG和DR在配电网N-1故障场景的动作模型，并基于此建立含DG和DR的配电网N-1安全性模型；最后，基于所提出的工作点向量式及其约束、正常运行安全性模型、N-1安全性模型，综合构建计及DG和DR的配电安全域DSSR模型。

基于上述设计思想，如图1所示，本发明的计及分布式电源和需求响应的配电安全域模型构建方法包括以下步骤：

步骤1(S1)：针对所选配电网，获取如下配电网参数：

(1)网络拓扑结构

(2)节点规模与类型

(3)分布式电源(DG)类型及其容量

(4)需求响应(DR)节点及其参与方式。

步骤2(S2)：选取配电系统正常运行时所有非平衡节点的负荷功率(不含DG)构成的向量，根据配电系统各节点元件容量给出工作点向量元素的取值范围区间。

本步骤的具体方法为：

在辐射结构配电网中，平衡节点为馈线出口。若系统非平衡节点数为n，工作点W表示为：

W＝[S_L,1,...,S_L,i,...,S_L,n] (1)

式中：W为工作点向量；i为节点编号,1≤i≤n,i∈N；n为工作点维度；S_L,i为节点i所接负荷功率。S_L,i运行在一定范围内，例如不超过其配变容量。用户有基本的最小用电功率，S_L,i最小值通常不为0，因此有：

式中：

和/>

分别为S_L,i的下限和上限。所有合理范围工作点组成的有界集合定义为状态空间，记为Θ。

步骤3(S3)：建立配电网直流潮流方程：采用直流潮流方法，支路流过功率等于其下游所有节点功率的代数和。具体方法为：

本发明采用直流潮流模型，此时配电网潮流可简化为功率平衡方程，即支路流过功率等于其下游所有节点功率的代数和，如公式(3)，

式中：S_B,i和S_T,i分别为线路i和主变i的功率；i为主变或者线路的编号,i∈N；Λ_B,i和Λ_T,i分别为线路i和主变i下游节点的集合；S_G,j为节点j连接的所有DG的出力。

步骤4(S4)：建立配电系统正常运行安全约束模型：基于配电网潮流方程，考虑线路和主变功率不能超过其元件的额定容量的约束，建立一组安全约束不等式。具体方法为：

系统正常运行时，线路和主变功率不能超过其元件的额定容量。

(1)线路容量约束：

有

式中：c_B,i为线路i容量；j为节点编号；B为所有线路的集合。

(2)主变容量约束：

有

式中：c_T,i为线路i容量；j为节点编号；T为所有线路的集合。

步骤5(S5)：针对系统N-1故障场景，建立N-1场景下不同类型DG的动作数学模型，包括：可控型、半可控型、脱网型、并网型、孤岛型。具体方法为：

将N-1后某时刻工作点记为W(t+1)。N-1后的S_L，S_G也以(t+1)为记号。本发明中DG是网络固有元件的一部分(不是观测量)，DG类型不同对安全性影响也不同。

DG从可控性角度分为：A)半可控型DG；B)可控型DG。

(1)半可控型DG：出力单向可控，只可减不可增，例如光伏。N-1后为了保证网络可用容量，调度策略为保持DG的瞬时出力。本发明进一步简化认为故障前后DG瞬时出力不变。

S_G(t+1)＝S_G (6)

式中：S_G(t+1)为DG在系统N-1后的出力；S_G为DG正常运行出力。

(2)可控型DG：出力双向可控，可增可减，例如小型柴油机。N-1后，为了保证网络可用容量充分，调度策略为保持DG出力为额定值。

S_G(t+1)＝S_G,max (7)

式中：S_G,max为DG额定出力。

DG从N-1动作模式分为：①脱网型DG；②并网型DG；③孤岛型DG。

①脱网型DG：N-1后直接脱网运行。

S_G(t+1)＝0 (8)

②并网型DG：N-1后并网运行，而且系统不形成孤岛，DG出力与(6)(7)相同。

③孤岛型DG：均为全可控型，N-1后并网运行但形成孤岛，岛内满足功率平衡：

式中：Ω_ISD为孤岛所含节点的集合；S_G,i(t+1)和S_L,i(t+1)分别为系统N-1后节点i的DG出力和负荷功率；i为节点编号。

步骤6(S6)：针对系统N-1故障场景，基于DR中用户的主动削减负荷比例，建立DR节点的N-1故障前后功率变化映射模型。具体方法为：

本发明以可中断负荷为典型对象研究：DR在N-1后的模型简化为“用户允许系统N-1后主动削减一定的负荷比例”：

S_L,i(t+1)＝(1-α_i)S_L,i (10)

式中：α_i为节点i的用户负荷允许削减的比例系数,0≤α_i≤1；α_i＝1表示用户i允许在系统N-1后完全停电；α_i＝0表示用户i不参与互动。

由于本发明观测变量的是N-0时刻的W，而模型又要计及N-1时刻W(t+1)的安全约束，因此需要将W(t+1)转化为W，这个转化关系可以用映射h描述，h:W→W(t+1)。

传统N-1安全分析认为W＝W(t+1)，因为N-1前后负荷瞬时功率不变(时间很短)。但是含DR的情况则不是恒等的映射，有：

式中：E为单位矩阵；a为各个可中断负荷削减负荷比例系数组成的向量，0≤α≤1。本发明映射h只由DR决定而与DG无关，原因是W定义中不含DG。

步骤7(S7)：建立配电系统N-1安全约束模型：考虑N-1后，线路和主变功率不能超过其元件的额定容量的约束，以及满足DG和DR的相关约束，建立另一组安全约束不等式。具体方法为：

当元件k发生N-1后，为恢复非故障区供电，配电网将重构形成新的拓扑结构，元件k相关的功率平衡方程也会相应变化。考虑N-1后，线路和主变功率不能超过其元件的额定容量的约束，以及满足DG和DR的相关约束，建立另一组安全约束不等式：

(1)N-1线路容量约束：

有

式中：ψ_k为元件k故障,S_B,i(k)和Λ_B,i(k)分别为元件k发生N-1后线路B_i的功率以及B_i下游节点集合。

(2)N-1主变容量约束：

有

式中：S_T,i(k)和Λ_T,i(k)分别为元件k发生N-1后主变T_i的功率以及T_i下游节点集合。

设故障集为Ψ＝{ψ₁,...,ψ_i,...,ψ_k}，若某工作点W下，

式(12)(13)均成立，那么W满足N-1安全准则。

步骤8(S8)：基于所提出的工作点向量式及其取值范围、正常运行安全性模型、N-1安全性模型，综合构建计及DG和DR的配电安全域模型。

本步骤中，DSSR模型定义为：状态空间中满足N-0安全与N-1安全准则的所有工作点的集合。由式(1)(2)(4)(5)(12)(13)可以得出，本发明DSSR模型可表示为(14)：

式中：st.A为式(2)所示状态空间约束，表示负荷运行范围；st.B为(4)(5)所示的N-0安全约束，表示正常运行时馈线和主变容量不越限；st.C为N-1安全准则约束，对于故障集Ψ任一故障，(12)(13)所示N-1安全约束均成立。

本发明未述及之处适用于现有技术。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种计及分布式电源和需求响应的配电安全域模型构建方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、获取配电系统如下参数：网络拓扑结构、节点规模与类型、分布式电源类型及其容量和参与需求响应的节点及其参与方式；

步骤2、建立工作点向量式，给出工作点向量元素的取值范围区间；

步骤3、建立配电网直流潮流方程；

步骤4、建立配电系统正常运行安全约束模型；

步骤5、针对系统N-1故障场景，建立N-1场景下不同类型DG的动作数学模型；

步骤6、针对系统N-1故障场景，建立DR节点的N-1故障前后功率变化映射模型；

步骤7、建立配电系统N-1安全约束模型；

步骤8、基于工作点向量式及其取值范围、正常运行安全约束模型、N-1安全性模型，综合构建计及DG和DR的配电安全域模型。

2.根据权利要求1所述的计及分布式电源和需求响应的配电安全域模型构建方法，其特征在于：所述步骤2的具体实现方法为：选取配电系统正常运行时所有非平衡节点的负荷功率建立工作点向量式，根据配电系统各节点元件容量给出工作点向量元素的取值范围区间。

3.根据权利要求1或2所述的计及分布式电源和需求响应的配电安全域模型构建方法，其特征在于：所述步骤2建立的工作点向量W为：

W＝[S_L,1,...,S_L,i,...,S_L,n]

式中：W为工作点向量；i为节点编号,1≤i≤n,i∈N；n为工作点维度；S_L,i为节点i所接负荷功率，S_L,i的取值范围为：

式中：

和/>

分别为S_L,i的下限和上限。

4.根据权利要求1所述的计及分布式电源和需求响应的配电安全域模型构建方法，其特征在于：所述步骤3采用直流潮流方法建立配电网潮流方程，支路流过功率等于其下游所有节点功率的代数和，表示如下：

式中：S_B,i和S_T,i分别为线路i和主变i的功率；i为主变或者线路的编号,i∈N；Λ_B,i和Λ_T,i分别为线路i和主变i下游节点的集合；S_G,j为节点j连接的所有DG的出力；S_L,j为节点j所接负荷功率。

5.根据权利要求1所述的计及分布式电源和需求响应的配电安全域模型构建方法，其特征在于：所述步骤4建立的配电系统正常运行安全约束模型包括：

⑴线路容量约束：

有

式中：c_B,i为线路i容量；j为节点编号；B为所有线路的集合；S_L,j为节点j所接负荷功率；S_G,j为节点j连接的所有DG的出力；S_B,i为线路i的功率；

⑵主变容量约束：

有

式中：c_T,i为线路i容量；j为节点编号；T为所有线路的集合；S_T,i为主变i的功率。

6.根据权利要求1所述的计及分布式电源和需求响应的配电安全域模型构建方法，其特征在于：所述步骤5建立的N-1场景下不同类型DG的动作数学模型包括：

⑴半可控型DG的动作数学模型，表示如下：

S_G(t+1)＝S_G

式中：S_G(t+1)为DG在系统N-1后的出力；S_G为DG正常运行出力；

⑵可控型DG的动作数学模型，表示如下：

S_G(t+1)＝S_G,max

式中：S_G,max为DG额定出力。

7.根据权利要求1所述的计及分布式电源和需求响应的配电安全域模型构建方法，其特征在于：所述步骤6的具体实现方法为：

DR在N-1后的模型简化为：

S_L,i(t+1)＝(1-α_i)S_L,i

式中：α_i为节点i的用户负荷允许削减的比例系数,0≤α_i≤1；α_i＝1表示用户i允许在系统N-1后完全停电；α_i＝0表示用户i不参与互动；S_L,i为节点i所接负荷功率；

将W(t+1)转化为W，这个转化关系可以用映射h描述：

h:W(t+1)＝(E-Eα)W

α＝[α₁,...,α_i,...,α_n]

式中：W为工作点向量，W(t+1)为N-1后时刻工作点，E为单位矩阵；α为各个可中断负荷削减负荷比例系数组成的向量，0≤α≤1。

8.根据权利要求1所述的计及分布式电源和需求响应的配电安全域模型构建方法，其特征在于：所述步骤7建立配电系统N-1安全约束模型包括：

⑴N-1线路容量约束：

有

式中：ψ_k为元件k故障,S_B,i(k)和Λ_B,i(k)分别为元件k发生N-1后线路B_i的功率以及B_i下游节点集合；S_L,j为节点j所接负荷功率；α_i为节点i的用户负荷允许削减的比例系数；

⑵N-1主变容量约束：

有

式中：S_T,i(k)和Λ_T,i(k)分别为元件k发生N-1后主变T_i的功率以及T_i下游节点集合。

9.根据权利要求1所述的计及分布式电源和需求响应的配电安全域模型构建方法，其特征在于：所述步骤8构建的计及DG和DR的配电安全域模型为：

Ω_DSSR＝{W＝[S_L,1,...,S_L,i,...,S_L,n]∈Θ|

st.A

/>

st.B

st.C,

式中：st.A为状态空间约束，表示负荷运行范围；st.B为N-0安全约束，表示正常运行时馈线和主变容量不越限；st.C为N-1安全准则约束，对于故障集Ψ任一故障，N-1安全约束均成立；S_L,i为节点i所接负荷功率；S_L,j为节点j所接负荷功率；

和/>

分别为S_L,i的下限和上限；S_G,j为节点j连接的所有DG的出力；α_i为节点i的用户负荷允许削减的比例系数；S_B,i为线路i的功率，S_T,i为主变i的功率，c_B,i为线路容量约束下的线路i容量，c_T,i为主变容量约束下的线路i容量。/>

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