CN112217214A - 一种多级高压配电网协调转供优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种多级高压配电网协调转供优化方法，包括：利用各级配电网的网络特征以转供过程开关操作总成本最小建立目标函数；考虑各级配电网功率平衡和网络拓扑约束，再基于目标函数建立第t时段多电压等级配电网的协调转供优化模型；基于协调转供优化模型对各级配电网进行协调转供优化。本发明的有益效果：当电源点变电站出现超载问题，考虑各级配电网转供成本差异时，本发明提出的模型能给出满足电网有功拓扑约束且操作成本最小的转供方案。

Description

一种多级高压配电网协调转供优化方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种多级高压配电网协调转供优化方法。

背景技术

随着城市化进程加快，配电网滞后建设与负荷迅猛增长矛盾愈显突出。在负荷高峰期，受端电网负荷长时间处于高位运行，各电压等级配电网均可能出现设备过载和输电阻塞问题。为减小停电风险，各级电网调度中心会同时进行负荷转供。而各电压等级配电网过载情况和拓扑结构不同，无法适用同一转供策略。并且各级电网转供成本和操作风险间存在差异，如何快速、经济地完成各级电网超载负荷协调转供，为调度员提供统一的辅助决策方案，成为配电网调度亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种多级高压配电网协调转供优化方法。

一种多级高压配电网协调转供优化方法，包括：

利用各级配电网的网络特征以转供过程开关操作总成本最小建立目标函数：

式中：K为该电压等级的转供成本系数；u为电压等级，Ω为电压等级集合；

为第t时段优化后开关j的状态，0表示开关为断开状态，1表示开关为运行状态；

为第t时段优化前开关j的状态；N_s为各级配电网总的开关个数；

考虑各级配电网功率平衡和网络拓扑约束，再基于目标函数建立第t时段多电压等级配电网的协调转供优化模型；

基于协调转供优化模型对各级配电网进行协调转供优化。

优选的，所述考虑各级配电网功率平衡和网络拓扑约束包括：

设

表示时段t时第i个电源点变电站主变的下网有功功率，N_T为各级配电网电源点变电站个数，有功功率平衡方程可表示为：

式中：

为在时段t时与第i个电源点变电站和优化开关存在拓扑关系的负荷系数矩阵，S^t为开关状态列向量。并且，设

为主变允许下网的最大有功功率，

为馈线允许传输的最大有功功率，转供后各电源点的有功功率和所有馈线负荷须满足：

式中：

为馈线传输负荷功率，N_F为各级配电网馈线条数。

优选的，所述考虑各级配电网功率平衡和网络拓扑约束还包括：各类接线方式须满足：

式中：H为各接线方式对应的等式拓扑约束表示式，K为各接线方式对应的不等式拓扑约束表示式。

优选的，所述建立第t时段多电压等级配电网的协调转供优化模型包括：

本发明的有益效果：

1)当电源点变电站出现超载问题，考虑各级配电网转供成本差异时，本发明提出的模型能给出满足电网有功拓扑约束且操作成本最小的转供方案。

2)本发明提出的协调转供优化模型能同时应用于单一电压等级转供优化和多电压等级之间的协调转供优化计算。模型在减小相应的开关操作成本基础上，尽可能从多电压等级协调角度，解决输变电设备的超载问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明一种多级高压配电网协调转供优化方法中110kV配电网的直供接线方式的示意图；

图2是本发明一种多级高压配电网协调转供优化方法中110kV配电网的串供接线方式的示意图；

图3(a)是本发明一种多级高压配电网协调转供优化方法中110kV配电网的T 型异站串供接线图；

图3(b)是本发明一种多级高压配电网协调转供优化方法中110kV配电网的T 型同站串供接线图；

图4(a)是本发明一种多级高压配电网协调转供优化方法中110kV配电网的混合型异站串供接线图；

图4(b)是本发明一种多级高压配电网协调转供优化方法中110kV配电网的混合型同站串供接线图；

图5是本发明一种多级高压配电网协调转供优化方法中35kV配电网的单电源供电接线方式的示意图；

图6(a)是本发明一种多级高压配电网协调转供优化方法中35kV配电网的T型站内串供接线的示意图；

图6(b)是本发明一种多级高压配电网协调转供优化方法中35kV配电网的T型站外串供接线的示意图；

图7是本发明一种多级高压配电网协调转供优化方法中10kV配电网的单电源供电接线方式的示意图；

图8是本发明一种多级高压配电网协调转供优化方法中10kV配电网的串供接线方式的示意图；

图9是本发明一种多级高压配电网协调转供优化方法中10kV配电网的T型串供接线方式的示意图；

图10是本发明一种多级高压配电网协调转供优化方法中10kV配电网的H型串供接线方式的示意图；

图11是本发明一实施例中实际110kV配电网网络图；

图12是本发明一实施例中实际35kV配电网网络图；

图13是本发明一实施例中实际10kV配电网网络图；

图14(a)是本发明一实施例中110kV配电网不考虑成本转供方案的示意图；

图14(b)是本发明一实施例中35kV配电网不考虑成本转供方案的示意图；

图14(c)是本发明一实施例中10kV配电网不考虑成本转供方案的示意图；

图15(a)是本发明一实施例中110kV考虑成本转供方案的示意图；

图15(b)是本发明一实施例中110kV考虑成本转供方案的示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

本发明的基本思想是针对多电压等级配电网协调转供的问题，本发明提出了一种多级高压配电网协调转供优化策略，首先分析高、中压配电网典型拓扑结构，并进行有功平衡方程推导；在此基础上，尽可能利用各级配电网的网络特征，以转供过程开关操作总成本最小为目标函数，考虑各级电网功率平衡和网络拓扑约束，建立计及多电压等级配电网拓扑约束的转供协调优化。

高压配电网的110kV变电站容量通常为2×35、2×40、2×50和2×63MVA，受110kV线路输电容量限制，单条110kV线路在网络拓扑关系上最多对2个 110kV站供电，本文不考虑超出2个110kV站的情况。典型110kV变电站的联络方式主要包括直供、串供、T型串供和混合型串供。其中，T型和混合型串供可细分为同站串供、异站串供两种。具体接线方式如图1至图4所示，图中左侧为抽象化的拓扑结构图，右侧为实际接线图。

配电网内不同的开关组合，即可以形成不同的供电路径。在各开关组合中，联络开关的作用取决于上级开关的开断状态。因此，描述配电网有功平衡方程和计算电源点供电功率时，需考虑到多级开关间的联络状态。在配电网转供后， 110kV线路开关状态须满足电网有功功率平衡约束。

图1的直供接线方式中C站的负荷P_c分别由A1站或A2站单独供电，转供模型的优化对象为110kV站侧的线路开关

和

当开关

为运行状态且开关

为开断状态时，

进一步加入开关状态，得到

同理应用于

的计算，得到有功功率平衡方程为：

改写成矩阵形式为：

同时，直供接线方式需满足拓扑约束为，

图2中220kV A1站和A2站、110kV C站和D站的接线为串供方式，C站和D站的负荷P_c和P_d可全部由1个220kV站供电，也可分开形成220kV站各自为相邻110kV站单独供电的方式。在计算电源A1站的总有功

时，开关S₄的状态受限于开关S₃，即只有S₃处于运行状态时，S₄的运行状态才能使D站负荷接入A1站，则有：

为了便于后续建立线性化模型，对上式中的二次项

进行线性化处理，得到：

同理应用于A2站的有功功率计算，得到串供接线方式的有功平衡方程为，

同时，串供接线满足拓扑约束为，

对于图3(a)中的T型异站串供接线，为便于推导，使用A1′站代替A1和A2 站，得到与串供接线相同的拓扑结构。运用与串供接线相同的分析方法，得到A1′站和A3站的功率平衡方程为：

同时，T型异站串供需满足的拓扑约束为：

式(8)中当

时，

即此时为所有负荷均由A3站供应的单电源接线方式。当

时，

有功功率平衡方程为：

当

时，

有功功率平衡方程为：

图3(a)为T型异站串供的示意图，图3(b)为T型同站串供的示意图。对比图3(a)、图3(b)中的T型同站串供接线可以看作将异站串供中A3站的输出有功叠加至A1站。采用这种方法，当

时，

即为由A1 站供应所有负荷的单电源接线方式。当

时，A1站和A2的有功平衡方程为：

同时，T型同站串供接线需满足的拓扑约束为：

在单条110kV线路在网络拓扑关系上最多对2个110kV站供电的常规接线方式下，图4(a)中的A2站至多只能对C站和D站负荷进行供电，不存在开关S15、 S16和S17同时运行的情况；A3站至多只能对C站和E站负荷供电，不存在开关S15、S17和S18同时运行的情况。在计算A2、A3站的有功输出时，可仅考虑其与A1站组成的串供接线结构，得到混合型异站串供接线的有功平衡方程为：

同时需满足的拓扑约束为：

运用与T型同站串供相同的思想，将图4(a)中A3站的有功出力叠加至A2 站，即可计算图4(b)中混合型同站串供接线A1站和A2站的有功出力。由于常规接线限制，此时开关S19需要一直保持运行状态，使用混合型异站串供接线的分析方法，得到同站串供接线有功平衡方程为：

同时混合型同站串供接线需满足拓扑约束为：

中压配电网35kV变电站容量常为2×10MVA和1×10MVA等，单条35kV 线路在网络拓扑关系上最多对2个35kV站供电，本发明不考虑超出2个35kV 站的情况。典型的35kV变电站间联络方式主要有单电源供电、直供、串供和T 型串供。其中，T型串供可细分为站内串供、站外串供两种。35kV配电网的直供和串供接线有功平衡方程与110kV电网相同，不再赘述，单电源供电与T型串供具体接线拓扑见下图5和图6。

图5中为单电源接线，不具有转供路径。图6(a)中的T型站内串供接线受常规接线方式限制，同样不具有转供路径；图6(b)中的A2站只能对35kV C站和D 站供电，与串供接线方式相同，得到T型站外串供接线方式的功率平衡方程为：

需满足的拓扑约束为:

典型10kV配电网一次接线类型主要有单电源供电、串供、T型串供和H型串供，接线方式见下图7至图10。其中，图7单电源接线不具有转供路径，其余接线方式的有功功率平衡方程如下所示。

对图8中10kV配电网的串供接线方式，电源点A1站和A2站内出线开关 St1、Stn、以及10kV线路主馈线(A1站至A2站的直接相连的线路)上的所有分段开关St2～Stn-1为转供模型的优化对象。假设第j个开关为断开状态，其余开关为运行状态，可得有功功率平衡方程为：

同时，串供接线需满足的拓扑约束为：

对图9中10kV T型串供接线方式，电源点A1站、A2站和A3站站内出线开关St1、Stn、Stn+1、以及10kV线路主馈线(A1站至A2站和A3站的直接相连的线路)上的所有分段开关St2～Stn-1、Stn+2～Stn+m为转供模型的优化对象。假设T接点位于第r个和第r+1个开关之间，第j个和第k个开关为断开状态，其余开关均为运行状态，则开关拓扑的有功功率平衡方程为：

10kV T型串供接线需满足的拓扑约束为：

10kV H型串供接线方式中电源点A1站、A2站、A3站和A4站站内线路开关St1、Stn、Stn+1、Stn+m、H型分段开关为Stn+m+1、以及10kV线路主馈线 (A1站至A2站和A3站至A4站的直接相连的线路)上的所有分段开关为St2～ Stn-1、Stn+2～Stn+-m-1为转供模型的优化对象。假设两个H接点分别位于第r 个开关和第r+1个开关、第p个开关和第p+1个开关之间，并且第j个、第k个、第n+j个、第n+k个和第n+m+1个开关中只需要有2个开关处于运行状态，即能够形成4条单独的10kV线路。

针对供电模式1-4，由于其H型中间分段开关为断开状态，可等效为2条互不影响的串供线路，其有功功率平衡方程见串供接线。针对供电模式5-8，其H 型中间分段开关为运行状态，以模式5为例，其有功功率平衡方程为：

10kV H型接线需满足的拓扑约束为：

对比模式5，模式6相当于电源点A1站与A2站、A3站与A4站位置互换，有功平衡方程计算方法也互换；模式7相当于A1站与A3站、A2站与A4站互换；模式8相当于A1站与A4站、A2站与A3站互换。所需满足拓扑约束均与模式5相同。

当第t个时段各级配电网进行方式调整时，考虑110kV、35kV线路开关和 10kV馈线开关的总动作成本最小。即在尽可能减少改变和恢复电网运行方式的远方操作次数基础上，尽量避免高调整成本高的开关动作。目标函数表示如下：

式中：K为该电压等级的转供成本系数，电压等级越高该系数越大；u为电压等级，Ω为电压等级集合；

为第t时段优化后开关j的状态，0表示开关为断开状态，1表示开关为运行状态；

为第t时段优化前开关j的状态；N_s为各级配电网总的开关个数。该目标函数为非线性，为便于求解，通过线性松弛对其进行线性化处理。

转供后的线路开关状态须满足各级配电网的有功平衡约束，设

表示时段t 时第i个电源点变电站主变的下网有功功率，N_T为各级配电网电源点变电站个数。有功功率平衡方程可表示为：

式中：

为在时段t时与第i个电源点变电站和优化开关存在拓扑关系的负荷系数矩阵，S^t为开关状态列向量。并且，设

为主变允许下网的最大有功功率，

为馈线允许传输的最大有功功率，转供后各电源点的有功功率和所有馈线负荷须满足：

式中：

为馈线传输负荷功率，N_F为各级配电网馈线条数。在拓扑约束上各类接线方式须满足：

式中：H为各接线方式对应的等式拓扑约束表示式，K为各接线方式对应的不等式拓扑约束表示式。将上述目标函数和约束条件进行整合，建立第t时段多电压等级配电网的协调转供优化模型：

在MATLAB R2012a上对实际案例进行多级配电网协调转供优化测试分析，并采用CPLEX工具进行求解，如图11～13所示。该配电网包含110kV、35kV和 10kV三级电网。配电网内共有6座220kV站，分别为金牛站、新二村站、塘坎街站、安顺桥站、武侯站和石羊站，容量均为2×180MVA，其余均为110kV站。

图11中涵盖了本文所归纳的110kV典型接线方式：110kV绿洲站、吉祥站、浆洗街站、文庙街站的直供接线方式；110kV白丝街站与猛追湾站构成的串供接线方式；110kV正府街站与西一环站构成的T型异站串供接线方式；110kV九里堤站与星辰站1、2号主变构成的T型同站串供接线方式；110kV玉林站、桐子林站和高新站构成混合型同站串供接线方式。另外，110kV地铁站构成的单电源接线和110kV两河站和黄田坝站构成的同站串供接线，以及由T接线路供电的 110kV星辰站3号主变均不具备转供能力，无法参与转供优化，在图中以虚线框标出，将其负荷统一在220kV电源站可用容量中减去。配电网内共有29个开关，分别以S1～S29表示。其中，实心方框表示开关处于运行状态，空心方框表示开关处于断开状态。

图12为该110kV网络的下级35kV中压配电网网络图。该配电网内共有正府街、西一环、星辰站3座110kV站，容量均为2×40MVA，其余均为35kV站。

图13为35kV网络的下级10kV中压配电网网络图。为简化分析，假设图中所有10kV线路均为全电缆线路，

表示环网柜，分别命名为A～N。正府街、吉祥街、西一环、浆洗街、玉林和高新均为110kV站，永安为35kV站。

当不考虑各级配电网间转供成本差异时，即令转供成本系数K_u＝1，模型优化目标变为开关动作次数总和最少。依据本发明模型得到如图14所示的转供方案，图中未进行方式调整的部分未给出。

根据图14(a)、图14(b)、图14(c)可知，转供优化模型得到的110kV 开关最小操作次数为8次，35kV开关最小操作次数为2次，10kV开关最小操作次数为2次。即需要8+2+2＝12次倒闸操作，可全部消除各级配电网输变电设备的超载现象。下面表1～3给出了220kV站和110kV站在转供前后的负荷情况，前后相同部分电站未给出。其中，110kV正府街、吉祥街、西一环、浆洗街、玉林、高新和星辰站以及35kV永安站同时具有多个电压等级的转供关系，而其余站仅有一个电压等级的转供关系。

表1转供前后220kV站容量情况

表2转供前后110kV站容量情况

由表1可知，转供优化前220kV武侯站、塘坎街站、新二村站均出现不同程度的主变超载，最严重的新二村站超载28MW。经转供优化后，3个站的主变超载情况均得到消除，并且具有一定的剩余容量。由表2可知，转供优化前110kV 星辰站主变超载1.3MW，将永安站20.1MW的负荷转供至西一环站后，星辰站的主变超载情况得到消除；转供优化前，110kV吉祥街站主变超载0.5MW，通过将环网柜B的1.2MW负荷转供至吉祥街站，消除了正府街站的主变超载情况。

当考虑转供成本差异的配电网转供结果分析时，根据国家电网公司发布的 2019年第一季度电网工程设备材料信息价，选取各电压等级开关规格、价格及电寿命如下表3所示，为了便于计算，价格取均值且取整。本文采用K_u＝p/E_l计算各级配电网的转供成本系数，式中：p为开关价格，E_l为开关电寿命，均取无量纲量。

表3各电压等级转供成本系数

加入转供成本系数K_u后，模型优化目标为开关动作总成本最小。依据本文模型得到如图15(a)、图15(b)所示的转供方案，图中未进行方式调整的部分未给出。

其中，110kV配电网开关操作次数为6次，35kV配电网开关操作次数为0 次，10kV配电网开关操作次数为10次。即通过6+10＝16次倒闸操作，消除了各级配电网的过载问题。表4～6为各电压等级变电站在转供前后负荷与容量情况。

表4转供前后220kV站容量情况

表5转供前后35kV、110kV站容量情况

由上可知，考虑转供成本差异后，各级配电网的转供方案发生了改变。通过将环网柜M和N的6.2MW负荷转供至正府街站，消除永安站上级电源星辰站的超载情况；将环网柜E和F的5.2MW负荷转供至正府街站，环网柜G和K的 5.6MW负荷转供至高新站，消除西一环站和玉林站上级电源塘坎街站的超载问题。以增加10kV开关动作数量为代价，减少了35kV和110kV开关的操作次数。两种转供方案的开关动作次数与转供成本对比如下表6所示。

表6两种转供方案对比

对比两种转供方案，考虑转供成本差异时，虽然开关动作总数稍多，但成本相对较低，优先操作购入和维修成本都低于上级电网的10kV开关，更符合实际操作情况，同时也能减小因操作失败造成的大范围停电风险。

本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种多级高压配电网协调转供优化方法，其特征在于，包括：

利用各级配电网的网络特征以转供过程开关操作总成本最小建立目标函数：

式中：K为该电压等级的转供成本系数；u为电压等级，Ω为电压等级集合；

为第t时段优化后开关j的状态，0表示开关为断开状态，1表示开关为运行状态；

为第t时段优化前开关j的状态；N_s为各级配电网总的开关个数；

考虑各级配电网功率平衡和网络拓扑约束，再基于目标函数建立第t时段多电压等级配电网的协调转供优化模型；

基于协调转供优化模型对各级配电网进行协调转供优化。

2.根据权利要求1所述的一种多级高压配电网协调转供优化方法，其特征在于，所述考虑各级配电网功率平衡和网络拓扑约束包括：

设

表示时段t时第i个电源点变电站主变的下网有功功率，N_T为各级配电网电源点变电站个数，有功功率平衡方程可表示为：

式中：

为在时段t时与第i个电源点变电站和优化开关存在拓扑关系的负荷系数矩阵，S^t为开关状态列向量，并且设

为主变允许下网的最大有功功率，

为馈线允许传输的最大有功功率，转供后各电源点的有功功率和所有馈线负荷须满足：

式中：

为馈线传输负荷功率，N_F为各级配电网馈线条数。

3.根据权利要求2所述的一种多级高压配电网协调转供优化方法，其特征在于，所述考虑各级配电网功率平衡和网络拓扑约束还包括：各类接线方式须满足：

式中：H为各接线方式对应的等式拓扑约束表示式，K为各接线方式对应的不等式拓扑约束表示式。

4.根据权利要求3所述的一种多级高压配电网协调转供优化方法，其特征在于，所述建立第t时段多电压等级配电网的协调转供优化模型包括：

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