CN111313419A - 极端天气下基于动态重构的配电网弹性提升方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种极端天气下基于动态重构的配电网弹性提升方法及系统，通过模拟极端天气对配电网元件的荷载效应，计算导线和电杆所承受的冲击；根据结构可靠性理论得到导线与电杆的可靠度，推出极端天气过境时配电网线路的故障率；基于系统信息熵筛选典型故障场景，确定其故障线路及故障时刻；根据所述故障场景，随故障发展顺序在各故障时刻改变联络开关和分段开关的开合状态调整网络拓扑结构，以减小停电负荷量以及开关操作次数为目标，在所有重构策略中选择最优方案，进行动态重构，以提升配电网弹性。

Description

极端天气下基于动态重构的配电网弹性提升方法及系统

技术领域

本发明属于配电网调控技术领域，涉及一种极端天气下基于动态重构的配电网弹性提升方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

近年来，全球气候剧烈变化，极端天气灾害发生频繁，导致电力系统中发生大量的大规模停电事故，造成严重的经济损失和社会影响。配电网位于电力系统末端，是直接给用户供电的关键环节。配电网弹性是指其抵御极端天气灾害、减小故障损失并在扰动结束后尽快恢复到原有运行状态的能力。为了保证配电网在极端天气下最大限度地供应负荷，研究配电网弹性提升方法对维持社会和经济发展具有十分重要的意义。

极端天气对配电网的扰动是一个动态演变的过程，在扰动作用下，配电网线路相继发生故障。同时，配电网中配置着一定数量的联络开关，在发生故障后可以通过网络重构调整供电结构。因此，可以随故障发展过程对配电网进行动态重构来增强其弹性。

据发明人了解，目前，配电网弹性提升方法存在以下问题：

(1)最常见的是通过架空线路电缆化和加固线路来提升配电网弹性，但此类方法造价较高，难以大规模应用到配电网中。

(2)仅利用网络中的分布式电源来提高配电网的灾后供电能力，但分布式电源接入数量有限，难以保证故障时对所有失电区域提供供电支撑，忽略了调整网络拓扑结构对配电网弹性的提升作用。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种极端天气下基于动态重构的配电网弹性提升方法及系统，本发明在极端天气扰动下配电网发生故障后，通过网络重构使失电区域与主网相连恢复供电或利用区域内的分布式电源维持孤岛运行，提高配电网的供电能力，提升配电网弹性。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种极端天气下基于动态重构的配电网弹性提升方法，包括以下步骤：

(1)模拟极端天气对配电网元件的荷载效应，计算导线和电杆所承受的冲击；

(2)根据结构可靠性理论得到导线与电杆的可靠度，推出极端天气过境时配电网线路的故障率；

(3)基于系统信息熵筛选典型故障场景，确定其故障线路及故障时刻；

(4)根据所述故障场景，随故障发展顺序在各故障时刻改变联络开关和分段开关的开合状态调整网络拓扑结构，以减小停电负荷量以及开关操作次数为目标，在所有重构策略中选择最优方案，进行动态重构。

作为进一步的限定，还包括步骤(5)构建配电网弹性评估指标，量化动态重构对配电网的弹性提升效果，对动态重构过程进行修正。

作为进一步的限定，所述步骤(1)中，利用Batts模型模拟极端天气过境时配电网线路上的风速与风向，计算极端天气冲击下电杆的杆根弯矩和导线的截面应力。

作为进一步的限定，所述步骤(2)中，根据结构可靠性理论，当元件自身强度小于其承受的荷载效应时，元件发生故障；已知导线的抗拉强度和电杆的抗弯强度服从正态分布，结合强度概率密度函数可得导线和电杆的元件故障率。

作为进一步的限定，所述步骤(2)中，基于线路串联模型，结合导线与电杆的故障率计算配电线路的故障率。

作为进一步的限定，所述步骤(3)中，根据配电网所有线路的实时故障率计算单一故障场景下配电网的系统信息熵，基于熵值分布范围筛选典型故障场景。

作为进一步的限定，所述步骤(4)中，通过改变配电线路故障时刻联络开关及分段开关的开合状态调整配电网拓扑结构，利用网络重构对失电区域进行供电；每一个故障时刻对应包含所有开关状态的多种决策，所有故障时刻的重构决策综合形成配电网的动态重构方案，最终以减小停电负荷量及开关操作次数为目标选择最优方案。

作为进一步的限定，所述步骤(4)中，通过开关使失电区域与主网相连恢复供电以及通过分布式电源对孤岛进行供电时，根据负荷的重要程度建立负荷削减模型，模拟扰动过程中的负荷变化情况。

作为进一步的限定，所述步骤(5)中，采用供电量缺失程度作为配电网弹性评估指标，验证动态重构对配电网弹性的提升效果。

一种极端天气下基于动态重构的配电网弹性提升系统，包括：

模拟模块，被配置为模拟极端天气对配电网元件的荷载效应，计算导线和电杆所承受的冲击；

故障率计算模块，被配置为根据结构可靠性理论得到导线与电杆的可靠度，推出极端天气过境时配电网线路的故障率；

场景确定模块，被配置为基于系统信息熵筛选典型故障场景，确定其故障线路及故障时刻；

动态重构模块，被配置为模拟极端天气扰动下配电网的动态重构过程，根据所述故障场景，随故障发展顺序在各故障时刻改变联络开关和分段开关的开合状态调整网络拓扑结构，以减小停电负荷量以及开关操作次数为目标，在所有重构策略中选择最优方案。

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种极端天气下基于动态重构的配电网弹性提升方法的步骤。

一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种极端天气下基于动态重构的配电网弹性提升方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明考虑了极端天气对配电网扰动的动态演变过程，能够较好的应对配电网线路的相继故障，及时恢复供电，提升配电网弹性。

本发明既考虑了分布式电源对失电区域的供电支撑作用，也计及了基于开关开合的网络动态重构以恢复供电的过程，能够最大限度地减少极端扰动下配电网故障后的失负荷量，提升配电网弹性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1本发明提供的方案流程图；

图2本发明提供的极端天气扰动下配电网的负荷水平变化过程示意图；

图3本发明提供的IEEE33节点系统接线图；

图4本发明提供的有无动态重构过程的配电网负荷曲线图；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，基于动态重构的配电网弹性提升方法，包括以下步骤：

(1)以台风作为极端天气的代表，利用Batts模型模拟台风过境时配电网各点的风速与风向，计算导线的截面应力与电杆的杆根弯矩。

(2)结合元件强度的概率分布与受力情况计算其故障率，将线路等效为元件的串联模型，求出配电网线路的故障率。

(3)根据配电网所有线路的实时故障率计算单一故障场景下的系统信息熵，根据熵值集中分布的范围筛选典型故障场景，确定典型故障场景的故障元件数目、故障线路及故障时刻。

(4)模拟典型故障场景，随故障发展顺序在各故障时刻改变联络开关和分段开关的开合状态调整网络拓扑结构，以减小停电负荷量以及开关操作次数为目标，在所有重构策略中选择最优方案。

(5)通过联络开关与主网相连恢复供电以及通过分布式电源对孤岛进行供电时，根据负荷的重要程度建立负荷削减模型，保证最大程度的供应重要负荷。

(6)根据最优拓扑结构及负荷削减策略形成考虑动态重构过程的配电网负荷曲线，采用供电量缺失程度作为配电网的弹性评估指标，量化动态重构对配电网弹性的提升效果。

前述步骤(1)台风风场模拟圆上各点的风速与配电网线路到台风中心的距离有关，风向为模拟圆上该点逆时针的切线方向。各点风速的计算公式为

式中，V_r为风速；r为配电网线路距台风中心的距离；R_max为最大风速半径，

为最大风速半径处的风速。

导线承受的截面张力包括风荷载和自身重力荷载。单位导线截面上的荷载P是水平方向的荷载P₁与垂直方向的荷载P₂的矢量和，其计算公式为

P₂＝qg

式中，P为单位导线截面上的荷载；P₁为风引起的风荷载；P₂为自身质量引起的重力荷载；D为导线外径，其单位为m；V为风速，其单位为m/s；α为风压不均匀系数；μ_sc为导线体形系数；μ_Z为风压高度变化系数；θ为风向与线路的夹角；g为重力加速度。

导线最高悬挂处张力计算公式为

式中，T_g为导线最高悬挂点处张力；T为台风过境时弧垂最低点处导线的张力；β为高差角；l_gv为导线悬挂点到弧垂最低点的距离。

导线截面应力为

式中，σ_g为导线截面应力；S_l为导线截面面积。

电杆的杆根弯矩是导线对电杆施加的风荷载造成的弯矩与电杆杆身承受的风荷载造成的弯矩的矢量和。

导线对电杆施加的风荷载为

G_h＝P₁l

式中，G_h为导线对电杆施加的风荷载；P₁为导线单位长度的水平风荷载；电杆两侧档距相等，均为l。

电杆杆身承受的风荷载为

式中，P_p为电杆杆身承受的风荷载；C为体形系数，D₀、D_P为梢径与杆根的杆径；h_P为电杆杆高。

电杆杆身承受的风荷载造成的弯矩M₁为

M₁＝P_PZ

式中，Z为杆身风压合力点至杆根的力臂。

导线对电杆施加的风荷载造成的弯矩M₂为

式中，P_lk是第k根导线的风荷载；h_k是第k根导线与杆根的垂直距离。

将电杆杆身承受的风荷载造成的弯矩M₁与导线对电杆施加的风荷载造成的弯矩M₂矢量合成，可得

M＝M₁+M₂

式中，M为电杆杆身弯矩。

前述步骤(2)根据结构可靠性理论，当元件强度小于其承受的荷载效应时，判定元件故障。计算得到某时刻导线截面上的应力σ_g与电杆杆根弯矩M_T后，结合导线抗拉强度概率密度函数和电杆抗弯强度概率密度函数可得导线和电杆的元件故障率分别为

式中，p_l和p_p分别为导线和电杆的故障率；σ_l为导线强度；σ_g和M_T分别为配电线路所承受的导线截面张力与电杆杆身截面弯矩。

将线路等效为串联模型，配电线路故障率为

式中，p为配电线路的故障率；n_l为配电线路上的导线档数；n_p为电杆数；p_l,k为线路上第k根导线的故障率；p_p,k为线路上第k个电杆的故障率。

前述步骤(3)对于单一故障场景，配电网系统信息熵的计算公式为

式中，W为系统信息熵值；T表示台风过境时间；Ω_B为配电网线路集；Z_i,t为线路i在t时刻是否发生故障，发生故障为1，不发生故障为0,根据配电网线路故障率生成Z_i,t矩阵。

不同的故障场景对应不同的熵值，计算多个故障场景的熵值得到系统信息熵的集中分布范围，求得合理熵值的取值下限和上限W_min,W_max。实际场景中出现的典型故障场景熵值W不可能过大或过小，需满足以下约束条件

筛选出符合条件的场景，将其作为典型故障场景，记录其对应的故障元件数目、线路及故障时刻。

前述步骤(4)通过改变故障时刻联络开关及分段开关的开合状态调整配电网拓扑结构，拓扑结构必须满足网络辐射状，辐射状约束为：

∑q＝N_b-N_s

式中，∑q为闭合支路的数量；N_b为节点的数量；N_s为子图的数量。

各故障时刻的重构决策综合形成配电网动态重构方案，以减小停电负荷及开关操作次数为目标选择最优拓扑结构。

目标函数为

式中，T₀为台风影响时间；N为开关总数；K(k)用来表示第k号开关是否动作，若动作则K(k)＝1,否则K(k)＝0；a、b为2个目标的权重系数，a＝0.7，b＝0.3。

前述步骤(5)本发明中所用分布式电源为燃气轮机。当通过燃气轮机及与主网相连对失电区域进行供电时，由于燃气轮机进气量及线路容量约束，不能满足全部负荷需求。本发明以优先保证重要负荷供电为目标，对负荷进行削减。

目标函数为

式中，W_i为根据用户重要性确定的负荷i的权重；τ_i,t为负荷i在t时刻的有功切负荷量。

约束条件为

其中，潮流约束为

式中，P_gk,t和Q_gk,t分别为燃气轮机k在t时刻的有功和无功出力；P_di,t和Q_di,t分别为负荷i在t时刻的有功和无功需求。

负荷削减约束为

式中，Ω为孤岛内负荷节点集合；ζ_i,t为负荷i在t时刻的无功切负荷量；τ_i,t为节点i在t时刻的负荷有功功率损失量。

电压约束为

式中，V_i,t为负荷i在t时刻的节点电压；V_i ^min与V_i ^max分别为节点i电压的上下限。

燃气轮机出力约束为

式中，G为燃气轮机集合；f_k,t为燃气轮机k在t时刻的进气量。

燃气轮机进气量约束为

式中，f_k ^min与f_k ^max分别为气源k的最小产气量和最大产气量。

线路容量约束为

S_i≤S_imax

式中，S_imax为线路i的最大容量。

前述步骤(6)中将台风影响过程中的供电量缺失程度作为配电网弹性评估指标，可通过比较故障和正常情况下负荷水平变化情况计算得到。具体弹性评估指标的计算公式为

式中，AR为弹性评估指标；T₀为台风登陆时间；TL(t)为配电网正常运行时的目标负荷曲线；L(t)为台风扰动过程中的实际负荷曲线。

图2中阴影部分面积为极端扰动下实际负荷曲线与正常运行情况下目标负荷曲线相比的负荷损失量，将供电量缺失程度作为配电网弹性评估指标。

本发明提供的配电网接线图以及燃气轮机的接入位置如图3所示。另外以节点1为原点建立如图3所示的坐标系，假定台风登陆地点是(-150km,-120km),台风移动速度是20km/h，移动方向与横坐标正方向夹角为45°。以一个5重故障场景为例，配电线路30、22、6、15、7分别在台风登陆后3h、3.2h、3.33h、3.45h、3.9h时发生故障。

图4展示了是否考虑动态重构过程的实际负荷曲线和正常情况下的目标负荷曲线。不考虑动态重构过程的配电网弹性指标AR为0.3245，即在台风极端天气的影响下，配电网能够保证正常运行时总负荷的32.45％正常供电，而考虑动态重构过程的配电网弹性指标AR为0.7333，弹性提升了40.88％，大大提高了配电网的供电能力，提升了配电网弹性。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种极端天气下基于动态重构的配电网弹性提升方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)模拟极端天气对配电网元件的荷载效应，计算导线和电杆所承受的冲击；

(2)根据结构可靠性理论得到导线与电杆的可靠度，推出极端天气过境时配电网线路的故障率；

(3)基于系统信息熵筛选典型故障场景，确定其故障线路及故障时刻；

(4)根据所述故障场景，随故障发展顺序在各故障时刻改变联络开关和分段开关的开合状态调整网络拓扑结构，以减小停电负荷量以及开关操作次数为目标，在所有重构策略中选择最优方案，进行动态重构。

2.如权利要求1所述的一种极端天气下基于动态重构的配电网弹性提升方法，其特征是：还包括步骤(5)构建配电网弹性评估指标，量化动态重构对配电网的弹性提升效果，对动态重构过程进行修正。

3.如权利要求1所述的一种极端天气下基于动态重构的配电网弹性提升方法，其特征是：所述步骤(1)中，利用Batts模型模拟极端天气过境时配电网线路上的风速与风向，计算极端天气冲击下电杆的杆根弯矩和导线的截面应力。

4.如权利要求1所述的一种极端天气下基于动态重构的配电网弹性提升方法，其特征是：所述步骤(2)中，根据结构可靠性理论，当元件自身强度小于其承受的荷载效应时，元件发生故障；已知导线的抗拉强度和电杆的抗弯强度服从正态分布，结合强度概率密度函数可得导线和电杆的元件故障率；

或，所述步骤(2)中，基于线路串联模型，结合导线与电杆的故障率计算配电线路的故障率。

5.如权利要求1所述的一种极端天气下基于动态重构的配电网弹性提升方法，其特征是：所述步骤(3)中，根据配电网所有线路的实时故障率计算单一故障场景下配电网的系统信息熵，基于熵值分布范围筛选典型故障场景。

6.如权利要求1所述的一种极端天气下基于动态重构的配电网弹性提升方法，其特征是：所述步骤(4)中，通过改变配电线路故障时刻联络开关及分段开关的开合状态调整配电网拓扑结构，利用网络重构对失电区域进行供电；每一个故障时刻对应包含所有开关状态的多种决策，所有故障时刻的重构决策综合形成配电网的动态重构方案，最终以减小停电负荷量及开关操作次数为目标选择最优方案。

7.如权利要求1所述的一种极端天气下基于动态重构的配电网弹性提升方法，其特征是：所述步骤(4)中，通过开关使失电区域与主网相连恢复供电以及通过分布式电源对孤岛进行供电时，根据负荷的重要程度建立负荷削减模型，模拟扰动过程中的负荷变化情况。

8.一种极端天气下基于动态重构的配电网弹性提升系统，其特征是：包括：

模拟模块，被配置为模拟极端天气对配电网元件的荷载效应，计算导线和电杆所承受的冲击；

故障率计算模块，被配置为根据结构可靠性理论得到导线与电杆的可靠度，推出极端天气过境时配电网线路的故障率；

场景确定模块，被配置为基于系统信息熵筛选典型故障场景，确定其故障线路及故障时刻；

动态重构模块，被配置为模拟极端天气扰动下配电网的动态重构过程，根据所述故障场景，随故障发展顺序在各故障时刻改变联络开关和分段开关的开合状态调整网络拓扑结构，以减小停电负荷量以及开关操作次数为目标，在所有重构策略中选择最优方案。

9.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-7中任一项所述的一种极端天气下基于动态重构的配电网弹性提升方法的步骤。

10.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-7中任一项所述的一种极端天气下基于动态重构的配电网弹性提升方法的步骤。

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