CN111626591B - 一种柔性台区的风险评估方法 - Google Patents

Abstract

一种柔性台区的风险评估方法，根据配电变压器负载状况，进行重载、超载风险的评估，具体包括以下步骤：S1、分别建立快充负荷的传统接入方式和柔性台区接入方式的拓扑结构；S2、构建台区变压器、电动汽车快充负荷的概率模型；S3、设定台区变流器的控制策略与约束条件；S4、建立配电台区的风险评估指标；S5、输入相关参数，计算风险指标及各个配变负荷的概率密度函数。本发明围绕配变超、重载对低压配电台区进行风险评估，从安全性、经济性两个方面，展示了柔性台区相对传统接入的优势，同时展示了本评估方法计算的准确性和快速性两个方面的优势。

Description

一种柔性台区的风险评估方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，为一种柔性台区的风险评估方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展和变流器的广泛应用，配电台区低压侧可以通过变流器形成直流互联，形成“柔性台区”。在柔性台区内部，可以不经过AC/DC变流接入大规模的直流快充负荷，并通过直流母线和变流器对各个台区进行功率的传输和分配。

当前，由于电动汽车规模逐渐增大。在大规模快充负荷的冲击下，由于传统中压配电网采取闭环设计、开环运行的模式，配电变压器供电能力不足，过载、老化问题严重，替换成本高。而中压侧互联需要建立换流站，带来高昂的建设成本和运行成本。配网低压侧互联因其成本低、可行性高，具有良好的应用前景。为了比较柔性台区结构对于传统结构在接入快充负荷方面的优势，需要对两种不同的拓扑结构进行风险评估。而现有对配电网评估的方法，大多需要输入大量负荷数据，处理后得到结果，例如采用经济性最优的评估方式，数据计算量十分大，耗时大而速度慢，不能快速完成对柔性台区设置方式的评估，不利于柔性台区方案的快速布置实施。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在的问题，提出一种柔性台区的风险评估方法，围绕配变超、重载对低压配电台区进行风险评估，从安全性、经济性两个方面，展示了柔性台区相对传统接入的优势，同时展示了本评估方法计算的准确性和快速性两个方面的优势。

本发明的技术方案为：一种柔性台区的风险评估方法，根据配电变压器负载状况，进行重载、超载风险的评估，具体包括以下步骤：

S1、分别建立快充负荷的传统接入方式和柔性台区接入方式的拓扑结构，比较柔性台区接入方式和传统接入方式；

S2、对柔性台区接入方式，构建台区居民负荷、电动汽车快充负荷的概率模型，在构建概率模型时，只考虑居民负荷的有功功率；

S3、设定柔性台区变流器的控制策略与约束条件，将交流、直流快充负荷平均分配到各个台区：

设拓扑结构中有N个台区，若台区T1承担了交流充电桩，台区T1的变流器功率为：

则其他台区变流器功率

为:

式中，P^ac表示配电网交流负荷，P^dc表示配电网直流负荷，

时，表明变流器处于整流状态，功率从交流台区流向直流母线；反之处于逆变状态，功率从直流母线流向交流台区；

各台区变压器功率

为：

为第n个台区的居民负荷功率，n∈N,P^ess为配电网中储能系统ESS的功率，根据公式(4)-(6)，只需要对直流母线和交流桩上的负荷进行简单计算，将结果作为控制指令输入变流器，即可完成快充负荷的平均分配；

S4、建立配电网柔性台区的风险评估指标；

S5、输入相关参数，计算风险指标，评估当前柔性台区设置的安全性、经济性。

本发明首先通过拓扑结构对比分析对柔性台区的布置优势进行了分析，然后再对柔性台区本身的拓扑结构进行进一步的安全性经济性评估，与现有评估方式相比，在需要输入大量负荷数据进行综合评估的场合，若采用经济性最优的调度方法，虽然结果非常精确，但计算耗时很大。本发明方法通过简化变流器的功率分配，尽可能在不影响评估结果的前提下，大大提高计算速度，从而提高柔性台区的综合评估、配置方案优化的效率。

本发明的有益效果：根据配电变压器全天的负载状况，进行重载、超载风险的评估，从安全性、经济性两个方面，讨论分析了不同拓扑场景下配电台区的安全运行风险，展示了柔性台区相对传统接入的优势，同时展示了本评估方法计算的准确性和快速性两个方面的优势。

附图说明

图1为本发明所述基于柔性台区的风险评估方法的流程图；

图2为本发明实施例中，电动汽车传统接入拓扑；

图3为本发明实施例中，柔性台区拓扑结构；

图4为本发明实施例中，各台区居民负荷的均值曲线；

图5为本发明实施例中，电动汽车交直流负荷的均值曲线；

图6为本发明实施例中，台区T2高峰时段的负荷概率密度曲线。

具体实施方式

为使本发明创造的内容更加清楚，下面结合附图，对本发明创造的具体实施方式作进一步详细描述。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明创造无关的、本领域普通技术人员已知的部件的表示和描述。

本发明柔性台区的风险评估方法，根据配电变压器全天的负载状况，进行重载、超载风险的评估，如图1所示，包括以下步骤：

S1、分别建立快充负荷的传统接入方式和柔性台区接入方式的拓扑结构；

S2、构建台区居民负荷、电动汽车快充负荷的概率模型；

S3、设定台区变流器的控制策略与约束条件；

S4、建立配电台区的风险评估指标；

S5、输入相关参数。

参考图2-6，以4个台区为实施例，对本发明方法的具体实施进行说明。

步骤S1中，快充负荷的传统接入结构如图2。

由于地理位置限制，快充桩只能接入相邻的台区，同时必须尽可能分散接入，以避免给台区带来过大的冲击。因此，受配变容量所限，快充桩的选择和数量受到很大制约。若选择新增配变，则需要足够的空闲用地，难以应用于人口密集区域，故无法全部通过新增变压器布点的方式来解决快充负荷带来的问题。此外，交流台区相对独立运行，变压器负载不均衡情况较为普遍，宽裕容量无法得到充分利用。

柔性台区结构如图3。各低压台区通过AC/DC变流器实现直流侧的互联，母线上可接入ESS、光伏等分布式电源。交流充电桩直接接入交流台区T1，功率更大的直流充电桩接入直流母线。通过台区之间的负荷分配、转供，可以大大提升供电能力。

由上述对比可见柔性台区相对传统接入的优势。

步骤S2的具体过程如下：

a、构建台区居民负荷的概率模型：

本发明中，只考虑居民负荷的有功功率，其概率模型符合正态分布，其概率密度函数为：

式中，P^city为居民负荷功率，μ_Pσ_P分别为居民负荷功率的均值和标准差。

b、构建电动汽车快充负荷的概率模型：

式中，P^ev,acP^ev,dc分别为电动汽车交流、直流快充负荷功率，μ_acμ_dc分别为交、直流快充功率均值，σ_acσ_dc分别为交、直流快充功率标准差。

步骤S3中，变流器的控制策略及约束条件为：将交、直流快充负荷平均分配到各个台区。平均分配可以避免某一台区因为负载不均衡而容易超载。

由于台区T1承担了交流充电桩，故T1的变流器功率为

则其他台区变流器功率为

式中，

时，表明变流器处于整流状态，功率从交流台区流向直流母线；反之处于逆变状态，功率从直流母线流向交流台区。

各台区变压器功率为

只需要对直流母线和交流桩上的负荷进行简单计算，将结果作为控制指令输入变流器，即可完成快充负荷的平均分配。在需要输入大量负荷数据进行综合评估的场合，若采用经济性最优的调度方法，虽然结果非常精确，但计算耗时很大。本发明方法通过简化变流器的功率分配，尽可能在不影响评估结果的前提下，大大提高计算速度，从而提高柔性台区的综合评估、配置方案优化的效率。

进一步的，对于步骤S4，本发明将台区变压器负载率大于80％、小于100％判断为重载情况，负载率大于100％判断为超载情况，故超/重载时长计算方法为

式中，u_n,i,t为超/重载标志，当第i次抽样，第n个台区在第t个时段出现超/重载时，u_n,i,t为1；I为抽样数；

为第n个台区变压器的容量；

为第n个台区的超/重载时长。

当配变处于超载时，绝缘老化加剧，对变压器寿命有很大影响。超载率可以表征该台变压器在24小时内出现超载的可能性：

式中，w_n,i为超载标志，当第i次抽样时，若第n个台区在24小时内出现超载情况，则u_n,i,t为1；

为第n个台区的超载率。

当某个台区出现超载情况后，为了能够继续安全运行，需要对该台区进行负荷切除，同时给予一定补偿，24小时内切负荷平均运行成本即为切负荷成本期望：

式中，

为切除负荷功率，c^com为切负荷补偿系数，

为切负荷成本期望。

步骤S5中，各项参数包括：

居民负荷功率的均值和标准差μ_Pσ_P；交、直流快充功率均值μ_acμ_dc，交、直流快充功率标准差σ_acσ_dc；抽样数I；台区变压器的容量

切负荷补偿系数c^com。

下面通过一个实施例来说明本发明所述风险评估方法的有效性。

设场景1不采用柔性台区结构，电动汽车交流用电负荷就近接入T1台区，电动汽车直流用电负荷就近接入T2台区；场景2采用柔性台区结构和本发明步骤S3的控制策略。交流快充功率上限为180kW，直流快充功率上限为360kW。将两种场景进行比较，验证本发明的优越性。

已知，台区T1和T2变压器容量

为630kVA，台区T3和T4变压器容量

为800kVA，居民负荷P^city的均值μ_P曲线如图4，电动汽车负荷P^ev,acP^ev,dc的均值μ_acμ_dc曲线如图5，标准差σ_Pσ_acσ_dc皆为均值的10％。场景数I为3000。

如表1-表3所示，为两种场景各项风险指标的对比结果。表4为采用不同评估方法的效果对比。图6为台区T2在最高峰时段的负荷概率密度曲线。

表1各台区配变超/重载时长

表2各台区配变超载率

表3各台区切负荷成本期望

场景1中，由于台区之间互相独立运行，在接入大量快充负荷后，各台区所带负载很不均衡，台区T3、T4负载较低而台区T2负载很高。台区T2在场景1中超/重载时长接近5个小时，每日出现较长时间超载的概率达到94.7％，因此带来的切负荷成本高达387.01元，安全风险很高，运行成本大。

场景2中，台区进行了低压侧互联后，由于对快充负荷进行了均摊，各台区负载相比场景1更加均衡，利用了台区T3、T4宽裕容量对负荷的接纳，大大降低了台区T2和T1的超载率和超/重载时长，消除了巨大的切负荷成本，同时几乎没有增加台区T3、T4的运行风险与成本。

在上述对比分析中，由于数据输入量大，若想完成应用经济调度策略后的精确评估，需要耗费大量计算时间。采用本发明的评估方法，可以在尽可能保证计算准确性的同时，大大提高计算速度，完成柔性台区的快速风险评估。

表4不同评估方法计算效果对比

以上仅表达了本发明创造的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明创造专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明创造的保护范围。因此，本发明创造专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种柔性台区的风险评估方法，其特征是根据配电变压器负载状况，进行重载、超载风险的评估，具体包括以下步骤：

S1、分别建立快充负荷的传统接入方式和柔性台区接入方式的拓扑结构，比较柔性台区接入方式和传统接入方式；

S2、对柔性台区接入方式，构建台区居民负荷、电动汽车快充负荷的概率模型，在构建概率模型时，只考虑居民负荷的有功功率；

S3、设定柔性台区变流器的控制策略与约束条件，将交流、直流快充负荷平均分配到各个台区：

设拓扑结构中有N个台区，若台区T1承担了交流充电桩，台区T1的变流器功率为：

则其他台区变流器功率

为:

式中，P^ac表示配电网交流负荷，P^dc表示配电网直流负荷，

时，表明变流器处于整流状态，功率从交流台区流向直流母线；反之处于逆变状态，功率从直流母线流向交流台区；

各台区变压器功率

为：

为第n个台区的居民负荷功率，n∈N,P^ess为配电网中储能系统ESS的功率，根据公式(4)-(6)，只需要对直流母线和交流桩上的负荷进行简单计算，将结果作为控制指令输入变流器，即可完成快充负荷的平均分配；

S4、建立配电网柔性台区的风险评估指标；

S5、输入相关参数，计算风险指标，评估当前柔性台区设置的安全性、经济性。

2.根据权利要求1所述的柔性台区的风险评估方法，其特征是步骤S1中，柔性台区的拓扑结构为：各低压台区通过AC/DC变流器实现直流侧的互联，母线上接入储能装置ESS或光伏等分布式电源，交流充电桩直接接入交流台区，直流充电桩接入直流母线。

3.根据权利要求1所述的柔性台区的风险评估方法，其特征是步骤S2具体为：

a、构建柔性台区居民负荷的概率模型：

只考虑居民负荷的有功功率，其概率模型符合正态分布，其概率密度函数为：

式中，P^city为居民负荷功率，μ_Pσ_P分别为居民负荷功率的均值和标准差；

b、构建电动汽车快充负荷的概率模型：

式中，P^ev,acP^ev,dc分别为电动汽车交流、直流快充负荷功率，μ_ac、μ_dc分别为交、直流快充功率均值，σ_acσ_dc分别为交、直流快充功率标准差。

4.根据权利要求1所述的柔性台区的风险评估方法，其特征是步骤S4中，风险评估指标包括配变超/重载时长、配变超载率和切负荷成本期望，具体为：

将台区变压器负载率大于80％、小于100％判断为重载情况，负载率大于100％判断为超载情况，故超/重载时长计算方法为：

式中，u_n,i,t为超/重载标志，当第i次抽样，第n个台区在第t个时段出现超/重载时，u_n,i,t为1；I为抽样数；T为评估周期，

为第n个台区变压器的容量；

为第n个台区的超/重载时长；

当配变处于超载时，绝缘老化加剧，对变压器寿命有很大影响，通过超载率表征该台变压器在24小时内出现超载的可能性：

式中，w_n,i为超载标志，当第i次抽样时，若第n个台区在24小时内出现超载情况，则u_n,i,t为1；

为第n个台区的超载率；

当某个台区出现超载情况后，为了能够继续安全运行，需要对该台区进行负荷切除，同时给予一定补偿，24小时内切负荷平均运行成本即为切负荷成本期望：

式中，

为切除负荷功率，c^com为切负荷补偿系数，

为切负荷成本期望。

5.根据权利要求1所述的柔性台区的风险评估方法，其特征是步骤S5中，输入的各项参数包括：

居民负荷功率的均值和标准差μ_Pσ_P；交、直流快充功率均值μ_acμ_dc，交、直流快充功率标准差σ_acσ_dc，抽样数I，台区变压器的容量

以及切负荷补偿系数c^com。

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