CN112434905A - 考虑多次转供对可靠性影响的配电系统供电能力评估方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑多次转供对可靠性影响的配电系统供电能力评估方法：建立中压配电系统供电能力评估模型，是以中压配电系统最大供电能力为目标函数，以可靠性约束、主变与所出馈线的匹配约束、主变和馈线负载率约束以及主变和馈线联络容量约束为约束条件，建立中压配电系统供电能力评估模型；对中压配电系统进行可靠性评估，包括：基于序贯蒙特卡洛模拟的状态选择和抽样；对多次转供的故障模式影响进行分析；对故障模式中需要转供负荷进行削减、分配和转供。本发明能够有针对性的在满足配电系统可靠性约束的前提下释放配电系统供电能力的裕度，挖掘供电潜能。有利于提升城市配电网规划的管理水平，促进城市电网建设结构与规划技术的合理发展。

Description

考虑多次转供对可靠性影响的配电系统供电能力评估方法

技术领域

本发明涉及一种配电系统供电能力评估方法。特别是涉及一种考虑多次转供对可靠性影响的配电系统供电能力评估方法。

背景技术

作为电力系统联系电力用户的最后一环，中压配电系统与电力用户的关系最为紧密。随着国民经济的不断发展，土地资源的日益短缺与快速上升的电能需求之间存在较大矛盾，从而给中压配电系统规划建设带来了更多约束。因此，科学合理地计算中压配电系统供电能力，即在满足一定安全准则条件下所能供应的最大负荷，是当前城市中压配电系统精细化评估与发展的关键环节。对于发达区域而言，评估现状中压配电系统的供电能力，有利于发现供电瓶颈，提出有针对性的改善方案；对于发展中区域而言，评估规划中压配电系统的供电能力，可有效评判规划方案对负荷发展的适应性，提升方案的经济性与可行性。而随着中压配电系统接线模式和网络结构的日益复杂，中压配电系统更多地采用多分段多联络结构，极大改变了系统运行方式以及故障转供模式，供电能力作为中压配电系统的重要评估指标，也需要考虑多分段多联络网络结构下多次转供的重要影响。因此，中压配电系统供电能力评估具有重要的实际价值和广泛的应用前景。

中压配电系统供电能力评估方法受到了越来越多的关注，主要包括基于刚性N-1安全准则的供电能力评估方法和基于柔性可靠性需求的供电能力评估方法。基于N-1安全准则的评估方法导致供电能力存在过量裕度，将配电网的供电可靠性需求简化为满足刚性N-1安全准则，未能深入分析不同可靠性需求下配电网供电能力的变化趋势。因此，在供电能力评估过程中需引入可靠性指标作为柔性约束，进一步挖掘配电网供电潜力，即基于柔性可靠性需求的供电能力评估方法。综上，在广泛采用多分段多联络结构的中压配电网系统中，基于路径描述方法考虑故障后负荷多次转供，寻找一种考虑可靠性的中压配电网系统供电能力求解与描述方法，实现中压配电网系统可靠性与供电能力的综合评估，将更具应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够发挥了配电系统运行灵活性的考虑多次转供对可靠性影响的配电系统供电能力评估方法。

本发明所采用的技术方案是：一种考虑多次转供对可靠性影响的配电系统供电能力评估方法，包括如下步骤：

1)建立中压配电系统供电能力评估模型，是以中压配电系统最大供电能力为目标函数，以可靠性约束、主变与所出馈线的匹配约束、主变和馈线负载率约束以及主变和馈线联络容量约束为约束条件，建立中压配电系统供电能力评估模型；

2)对中压配电系统进行可靠性评估，包括：

(2.1)基于序贯蒙特卡洛模拟的状态选择和抽样；

(2.2)对多次转供的故障模式影响进行分析；

(2.3)对故障模式中需要转供负荷进行削减、分配和转供。

本发明的考虑多次转供对可靠性影响的配电系统供电能力评估方法，能够从配电系统网架结构的角度出发，对已有配电网网架结构的可靠性进行分析，并且以配电系统中的可靠性指标作为约束条件，进而有针对性的在满足配电系统可靠性约束的前提下释放配电系统供电能力的裕度，挖掘供电潜能。本发明能够为现有配电网结构供电能力的提高提供支撑，有利于提升城市配电网规划的管理水平，促进城市电网建设结构与规划技术的合理发展。

附图说明

图1是本发明考虑多次转供对可靠性影响的配电系统供电能力评估方法的流程图；

图2是基于遗传算法的求解流程图；

图3是系统主变联络关系示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的考虑多次转供对可靠性影响的配电系统供电能力评估方法做出详细说明。

针对以上问题，本发明的主要研究了多次转供对中压配电系统可靠性和供电能力的影响，基于蒙特卡洛模拟发展了考虑多次转供的可靠性评估方法，以最大供电能力为目标、可靠性为主要约束，构建了供电能力评估模型。该模型反映了多次转供在不同可靠性需求下对供电能力的提升作用，挖掘了网络供电潜力；构建了多分段多联络中压配电系统算例，通过考虑一次转供的供电能力和考虑多次转供的供电能力对比分析揭示了多次转供对中压配电系统可靠性和供电能力的提升机理和成效，优化得到了中压配电系统不同元件故障情况下的负荷多次转供路径，发挥了配电系统运行灵活性。

如图1所示，本发明的考虑多次转供对可靠性影响的配电系统供电能力评估方法，包括如下步骤：

1)建立中压配电系统供电能力评估模型，是以中压配电系统最大供电能力为目标函数，以可靠性约束、主变与所出馈线的匹配约束、主变和馈线负载率约束以及主变和馈线联络容量约束为约束条件，建立中压配电系统供电能力评估模型；

供电能力是指在满足一定安全准则的条件下，一定区域内配电系统能供应用户用电的最大能力。现有基于N-1安全准则的供电能力评估方法未能揭示可靠性与供电能力的关联关系，电网资产在绝大多数时间不能被充分利用。引入柔性可靠性约束后，中压配电系统供电能力评估方法仅局限于故障后负荷一次转供问题，配电系统运行灵活性较低，评估得出的供电能力将具有很大裕度。因此，在配电自动化背景下，需要考虑负荷多次转供，所述的以最大供电能力为目标，以可靠性为主要约束，建立中压配电系统供电能力评估模型。其中，

(1.1)所述的以中压配电系统最大供电能力为目标函数，是设系统中一共有n个主变，各台主变的编号i为1,2…,n，其中与第i台主变相连的馈线数目为m_i，则与第i台主变相连的各条馈线编号q为1,2…,m_i，模型的目标函数如下：

式中，PSC为有源配电网最大供电能力；L_iqmax为与第i台主变相连的第q条馈线在全网尖峰负荷时刻能接入的负荷值，即模型的优化对象；

(1.2)所述的约束条件中：

(1.2.1)可靠性约束

配电网需要满足网络可靠性约束。选取系统可靠性期望值ASAI作为指标，表示如下：

式中，T为在规定时间内的需电小时数；U_j为负荷点j的年停运时间；N_j为负荷点j的用户数；p为系统总负荷点数，Es表示可靠性目标；

(1.2.2)主变与所出馈线的匹配约束

该约束表示的是配电网中主变及其所出馈线之间的负荷关系，具体如下：

式中，L_i为第i台主变的实时负荷，L_iq为与第i台主变相连的第q条馈线的实时负荷；

(1.2.3)主变负载率和馈线负载率约束

该约束条件表示系统主变、馈线不能过载运行，具体表现形式为：

0≤L_iq/C_iq≤1 (4)

0≤L_i/C_i≤1 (5)

式中，C_i与C_iq分别表示第i台主变以及与第i台主变相连的第q条馈线的额定容量；

(1.2.4)主变联络容量和馈线联络容量约束

该约束条件表示系统中联络主变和馈线之间的转供负荷不得超过主变和馈线的联络容量，具体表现形式为：

式中，M_ij与M_ij ^max分别表示第i台主变与第j台主变之间的转供负荷以及第i台主变与第j台主变之间的联络容量，若第i台主变与第j台主变之间无联络，则M_ij ^max为0；N_pq与N_pq ^max分别表示第p条馈线与第q条馈线之间的转供负荷以及第p条馈线与第q条馈线之间的联络容量，若第p条馈线与第q条馈线之间无联络，则N_pq ^max为0。

2)对中压配电系统进行可靠性评估

相较于一次转供，多次转供在系统故障后可提供更多的转供容量支撑，影响不同馈线区在故障后的失电/供电状态，从而降低馈线区的停电时间。另外，多次转供可缓解故障后主变过载问题，保证系统安全运行。然而，由于传统中压配电系统可靠性评估并未考虑多次转供对可靠性的影响，因此建立考虑多次转供的中压配电系统可靠性评估方法需要解决三个技术问题。一是传统中压配电系统可靠性评估基础方法，主要涉及元件状态选择和抽样方法，二是考虑多次转供的中压配电系统故障模式影响分析，三是多次转供路径策略。

对中压配电系统进行可靠性评估，包括：基于序贯蒙特卡洛模拟的状态选择和抽样，对多次转供的故障模式影响进行分析，以及对故障模式中需要转供负荷进行削减、分配和转供。

其中，

(2.1)可靠性用以度量和评估电力系统向电力用户提供不间断的合格电能的能力。本发明可靠性评估对象是中压配电系统，并重点考察多次转供对可靠性的影响。结合馈线分区的概念进行系统故障分析，进而所述的基于序贯蒙特卡洛模拟的状态选择和抽样，包括：采用序贯蒙特卡洛模拟法计算可靠性指标：主变、馈线与开关元件采用两状态马尔科夫模型，其中故障转移率为λ，修复转移率为μ，元件的无故障工作时间TTTF与故障修复时间TTTR均服从指数分布，TTTF和TTTR状态的序贯抽样采用状态持续时间抽样法，采用状态持续时间抽样法序贯抽样非电源元件的状态，并结合指数分布计算TTTF和TTTR故障时刻与故障持续时间。

(2.2)在中压配电系统故障的情况下，相比于传统一次转供方法，多次转供方法提供了更多的转供容量支撑，可以避免在传统一次转供容量不足的情况下故障所引发的负荷停电和削减，降低受故障影响负荷停电时间和负荷削减量。另外，在传统一次转供方法中，故障后待转供负荷转供到联络馈线，并受到馈线联络容量约束，造成联络馈线或主变重载，对配电网后续运行造成危险。多次转供可以将待转供负荷分配到不同馈线或主变上，协调系统设备负载状态，保证系统正常运行。

所述的对多次转供的故障模式影响进行分析，是以馈线分区为单元进行配电网的故障分析可以大幅减少工作量，进一步细化负荷转供过程，具体分析过程如下：

(2.2.1)最小隔离区内元件故障：根据故障最小隔离区的位置，结合联络开关位置以及各区域入口元件的类型，确定各区域的具体类型，从而明确各负荷点的停电时间；

(2.2.2)开关故障：相当于开关相连的两最小隔离区同时发生故障，由开关相连的前向故障区确定上游区域的分区情况，由开关相连的后向故障区确定下游区域的分区情况；

(2.2.3)主变故障：查找故障主变的所有下属馈线，确定转供路径，根据中压配电系统供电能力评估模型中馈线负载率约束与主变联络容量约束，依次判断馈线各最小隔离区能否转供，能转供的区域立即恢复供电，不能转供则继续停电，直至故障修复后恢复供电；

(2.2.4)通过故障影响查找与分析，确定不同元件故障后各区域负荷点的停电时间，建立系统故障模型影响分析表，为可靠性指标的计算奠定基础。

(2.3)在中压配电系统故障后，基于多次转供理念，根据联络馈线转供容量，待转供负荷将转供至直接或间接联络馈线。考虑到系统剩余容量可能无法满足故障后所有负荷的供电需求，一部分负荷将无法得到电源支撑而失电。同时，考虑到多次转供方法增加了故障后可提供转供支撑的联络馈线选择，需要关注系统负荷的合理转供方式。因此，本发明将制定负荷削减、分配和转供策略得到负荷转供方式。所述的对故障模式中需要转供负荷进行削减、分配和转供包括：

(2.3.1)负荷削减策略：系统故障后，得到此时系统中所有负荷的供电需求，与系统中剩余正常运行主变或者剩余正常运行馈线容量之间的最小者进行比较，若所有负荷的供电需求小于剩余正常运行主变或者剩余正常运行馈线容量之间最较小者，无需进行负荷削减；若负荷供电需求大于剩余正常运行主变或者剩余正常运行馈线容量之间的最小者，基于故障分区削减受故障影响负荷，先削减负荷重要程度低的隔离区，若负荷重要程度相同，先削减负荷量小的隔离区；每次削减后再比较剩余负荷的供电需求与系统中剩余正常运行主变或者剩余正常运行馈线容量之间的最小者，一直到负荷的供电需求小于等于剩余正常运行主变或者剩余正常运行馈线容量之间的最小者；

(2.3.2)负荷分配策略：负荷分配遵循三个原则，负荷分配过程是分配负荷重要程度高的隔离区，若负荷重要程度相同，先分配负荷量大的隔离区，并考虑联络开关动作次数最少；每次分配后检验是否满足中压配电系统供电能力评估模型中的主变联络容量和馈线联络容量约束，若满足，则继续分配，若不满足，就选联络开关动作次数第二少的转供路径重复所述负荷分配过程，直到所有隔离区均得到分配；

(2.3.3)负荷转供策略：根据负荷分配结果，得到隔离区的转供馈线和主变，即负荷多次转供路径，负荷转供需要最大限度地转带重要负荷，使失电的重要负荷量最小，因此，负荷转供策略的一个目标函数为：

式中，Lu为故障下游待转供区内第u个重要负荷隔离区的负荷量；Xu为第u个重要负荷隔离区的转带状态，Xu＝0代表第u个重要负荷隔离区无法被转带，Xu＝1代表第u个重要负荷隔离区可以被转带；N_I为故障下游待转供区内最小隔离区个数；

在恢复尽量多的重要负荷的前提下，使恢复的负荷量最大，负荷量最大为负荷转供策略的另一个目标函数：

式中，Lv为下游待转供区内第v个重要负荷最小隔离区的负荷量；Xv为第v个重要负荷最小隔离区的转带状态，Xv＝0代表第v个重要负荷最小隔离区无法被转带，Xv＝1代表第v个重要负荷最小隔离区可以被转带。

下面以某地区的实际配电网结构为算例，建立基于主变互联关系的联络模型，并按照N-1准则以及负荷约束将其扩展到馈线层面，对其网架结构的可靠性进行分析，并且在可靠性指标的约束条件下计算该网架结构下的最大供电能力。

(1)网架结构可靠性的确定

该地区的变互联关系的联络结构如图3所示，各变电站相关信息如表1所示，在进行可靠性计算的过程中重点考虑网架结构中单一元件的故障对于负荷点的影响，具体包括：主变故障、母线故障、配电变压器故障、断路器故障、线路故障和开关故障等，各类元件的可靠性参数如表1所示。

表1算例中变电站配置情况表

表2系统中主要元件可靠性参数

元件	λ	r	r<sub>p</sub>
				母线	0.001	5	－
馈线	0.065	5	－
				配电变压器	0.013	－	5
分段开关	0.006	5	－
				主变	0.01	200	－
高压断路器	0.002	50	－
				低压断路器	0.005	20	－

表2中，λ为各元件的平均故障率，单位为次/年，对于馈线为次/年˙km，对于主变为次/台˙年；r为平均修复时间、r_p为平均替换时间，单位均为小时。

基于上述说明，算例的整体情况包括三个变电站、六台主变、28条馈线、352个负荷节点(11个工业负荷节点、62个商业负荷节点、279个居民负荷节点)、436个315kV的配电变压器。

通过MATLAB仿真分析，计算在不同可靠性约束条件下分别计算一次转供和多次转供的配电系统的最大供电能力，计算结果如表3所示：

表3可靠性目标与供电能力之间的关系分析

根据上述结果可以分析得到：在考虑多次转供的中压配电系统中，当系统ASAI指标值为99.9964％时，系统最大供电能力为110.5MVA；在考虑一次转供的中压配电系统中，当系统ASAI指标值为99.9821％时，系统最大供电能力为103.21MVA，此为基于馈线N-1准则并考虑联络容量约束得到的最大供电能力，此时系统能够满足尖峰负荷时刻N-1约束。当馈线负载率均达到100％时，考虑多次转供的系统ASAI指标值为99.9985％，系统最大供电能力为143MVA；而考虑一次转供的系统ASAI指标值为99.9458％，系统最大供电能力为143MVA；此为系统极限供电能力，进一步提高馈线负载率会造成主变在尖峰负荷时刻过载运行。

对比可靠性目标与供电能力之间的关系分析表可以看出在相同可靠性需求下，多次转供可提升中压配电系统供电能力，在中压配电系统重载时，多次转供对于可靠性的提升效果更明显。因此本发明在已有网架结构的基础上通过柔性的约束条件，考虑负荷的多次转供，既能够满足生产运行中的要求，又可以释放供电潜力，在现实的配电网规划中更实用并具有一定的指导意义。

Claims (6)

1.一种考虑多次转供对可靠性影响的配电系统供电能力评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)建立中压配电系统供电能力评估模型，是以中压配电系统最大供电能力为目标函数，以可靠性约束、主变与所出馈线的匹配约束、主变和馈线负载率约束以及主变和馈线联络容量约束为约束条件，建立中压配电系统供电能力评估模型；

2)对中压配电系统进行可靠性评估，包括：

(2.1)基于序贯蒙特卡洛模拟的状态选择和抽样；

(2.2)对多次转供的故障模式影响进行分析；

(2.3)对故障模式中需要转供负荷进行削减、分配和转供。

2.根据权利要求1所述的考虑多次转供对可靠性影响的配电系统供电能力评估方法，其特征在于，步骤1)所述的以中压配电系统最大供电能力为目标函数，是设系统中一共有n个主变，各台主变的编号i为1,2…,n，其中与第i台主变相连的馈线数目为m_i，则与第i台主变相连的各条馈线编号q为1,2…,m_i，模型的目标函数如下：

式中，PSC为有源配电网最大供电能力；L_iqmax为与第i台主变相连的第q条馈线在全网尖峰负荷时刻能接入的负荷值，即模型的优化对象；

3.根据权利要求1所述的考虑多次转供对可靠性影响的配电系统供电能力评估方法，其特征在于，步骤1)所述的约束条件中：

(1.1)可靠性约束

选取系统可靠性期望值ASAI作为指标，表示如下：

式中，T为在规定时间内的需电小时数；U_j为负荷点j的年停运时间；N_j为负荷点j的用户数；p为系统总负荷点数，Es表示可靠性目标；

(1.2)主变与所出馈线的匹配约束

该约束表示的是配电网中主变及其所出馈线之间的负荷关系，具体如下：

式中，L_i为第i台主变的实时负荷，L_iq为与第i台主变相连的第q条馈线的实时负荷；

(1.3)主变负载率和馈线负载率约束

该约束条件表示系统主变、馈线不能过载运行，具体表现形式为：

0≤L_iq/C_iq≤1 (4)

0≤L_i/C_i≤1 (5)

式中，C_i与C_iq分别表示第i台主变以及与第i台主变相连的第q条馈线的额定容量；

(1.4)主变联络容量和馈线联络容量约束

该约束条件表示系统中联络主变和馈线之间的转供负荷不得超过主变和馈线的联络容量，具体表现形式为：

式中，M_ij与M_ij ^max分别表示第i台主变与第j台主变之间的转供负荷以及第i台主变与第j台主变之间的联络容量，若第i台主变与第j台主变之间无联络，则M_ij ^max为0；N_pq与N_pq ^max分别表示第p条馈线与第q条馈线之间的转供负荷以及第p条馈线与第q条馈线之间的联络容量，若第p条馈线与第q条馈线之间无联络，则N_pq ^max为0。

4.根据权利要求1所述的考虑多次转供对可靠性影响的配电系统供电能力评估方法，其特征在于，步骤2)中(2.1)所述的基于序贯蒙特卡洛模拟的状态选择和抽样，包括：采用序贯蒙特卡洛模拟法计算可靠性指标：主变、馈线与开关元件采用两状态马尔科夫模型，其中故障转移率为λ，修复转移率为μ，元件的无故障工作时间TTTF与故障修复时间TTTR均服从指数分布，TTTF和TTTR状态的序贯抽样采用状态持续时间抽样法，采用状态持续时间抽样法序贯抽样非电源元件的状态，并结合指数分布计算TTTF和TTTR故障时刻与故障持续时间。

5.根据权利要求1所述的考虑多次转供对可靠性影响的配电系统供电能力评估方法，其特征在于，步骤2)中(2.2)所述的对多次转供的故障模式影响进行分析，是以馈线分区为单元进行配电网的故障分析，具体分析过程如下：

(2.2.1)最小隔离区内元件故障：根据故障最小隔离区的位置，结合联络开关位置以及各区域入口元件的类型，确定各区域的具体类型，从而明确各负荷点的停电时间；

(2.2.2)开关故障：相当于开关相连的两最小隔离区同时发生故障，由开关相连的前向故障区确定上游区域的分区情况，由开关相连的后向故障区确定下游区域的分区情况；

(2.2.3)主变故障：查找故障主变的所有下属馈线，确定转供路径，根据中压配电系统供电能力评估模型中馈线负载率约束与主变联络容量约束，依次判断馈线各最小隔离区能否转供，能转供的区域立即恢复供电，不能转供则继续停电，直至故障修复后恢复供电；

(2.2.4)通过故障影响查找与分析，确定不同元件故障后各区域负荷点的停电时间，建立系统故障模型影响分析表，为可靠性指标的计算奠定基础。

6.根据权利要求1所述的考虑多次转供对可靠性影响的配电系统供电能力评估方法，其特征在于，步骤2)中(2.3)所述的对故障模式中需要转供负荷进行削减、分配和转供包括：

(2.3.1)负荷削减策略：系统故障后，得到此时系统中所有负荷的供电需求，与系统中剩余正常运行主变或者剩余正常运行馈线容量之间的最小者进行比较，若所有负荷的供电需求小于剩余正常运行主变或者剩余正常运行馈线容量之间最较小者，无需进行负荷削减；若负荷供电需求大于剩余正常运行主变或者剩余正常运行馈线容量之间的最小者，基于故障分区削减受故障影响负荷，先削减负荷重要程度低的隔离区，若负荷重要程度相同，先削减负荷量小的隔离区；每次削减后再比较剩余负荷的供电需求与系统中剩余正常运行主变或者剩余正常运行馈线容量之间的最小者，一直到负荷的供电需求小于等于剩余正常运行主变或者剩余正常运行馈线容量之间的最小者；

(2.3.2)负荷分配策略：负荷分配遵循三个原则，负荷分配过程是分配负荷重要程度高的隔离区，若负荷重要程度相同，先分配负荷量大的隔离区，并考虑联络开关动作次数最少；每次分配后检验是否满足中压配电系统供电能力评估模型中的主变联络容量和馈线联络容量约束，若满足，则继续分配，若不满足，就选联络开关动作次数第二少的转供路径重复所述负荷分配过程，直到所有隔离区均得到分配；

(2.3.3)负荷转供策略：

负荷转供策略的一个目标函数为：

式中，Lu为故障下游待转供区内第u个重要负荷隔离区的负荷量；Xu为第u个重要负荷隔离区的转带状态，Xu＝0代表第u个重要负荷隔离区无法被转带，Xu＝1代表第u个重要负荷隔离区可以被转带；N_I为故障下游待转供区内最小隔离区个数；

负荷量最大为负荷转供策略的另一个目标函数：

式中，Lv为下游待转供区内第v个重要负荷最小隔离区的负荷量；Xv为第v个重要负荷最小隔离区的转带状态，Xv＝0代表第v个重要负荷最小隔离区无法被转带，Xv＝1代表第v个重要负荷最小隔离区可以被转带。

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