CN113270871B - 基于配电网n-1安全评估的柔性互联装置容量配置优化方法 - Google Patents

基于配电网n-1安全评估的柔性互联装置容量配置优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于配电网N‑1安全评估的柔性互联装置容量配置优化方法，分别构建配电网的最小失电负荷和最小联络线开关动作次数目标函数；根据最小失电负荷目标函数确定N‑1安全评估预想事故集；确定配电网一般约束和配电网运行约束；求解最小失电负荷和最小联络线开关动作次数的目标函数；进一步确定优化后的柔性互联装置的换流器容量。本发明可计算得到不同支路故障后柔性直流装置换流器的优化功率，使得配电网的失电负荷和支路联络线开关动作次数尽可能的小，进而降低在发生N‑1故障后配电网的失电负荷，并提供无功支撑，减小配电网支路的无功传输，从而达到提高配电网运行可靠性和供电安全的效果。

Description

基于配电网N-1安全评估的柔性互联装置容量配置优化方法
技术领域
本发明涉及电网优化运行技术领域，尤其涉及一种基于配电网N-1安全评估的柔性互联装置容量配置优化方法。
背景技术
柔性互联配电网是通过增加柔性直流装置实现不同分区/馈线的互联，可以解决传统配电网因为开环运行而无法实现紧急功率支援的问题。
目前，针对柔性互联装置容量配置优化策略主要集中在静态安全分析、最大供电能力分析和柔性直流装置的容量配置和运行优化等方面。主要有：研究柔性互联装置容量与最大无功输出的分段线性关系，来确定容量配置；根据电网静态安全性和暂态电压稳定性，研究柔性互联配电网的最大供电能力模型；研究电网供电能力分析模型，实现供电能力的最大化同时优化柔性互联装置的容量配置；以电压波动和网损最小的目标函数，研究多柔性互联装置的运行特性约束，优化容量配置。
现有方案对柔性互联装置容量配置优化策略主要从系统安全运行的某一方面单独考虑，并未从多个角度研究其容量配置优化。交直流柔性配电网运行时，其交直流潮流平衡约束、支路安全电流/功率约束、节点电压约束和设备运行特性等约束都需要满足，另外也要满足配电网N-1可靠性运行要求，尽可能的降低因故障损失的负荷。如果仅以某方面的约束单独考虑容量配置，并不能反映系统的实际运行，也不能达到容量配置最优的目的。
发明内容
针对现有方案存在的缺陷，本发明提出一种基于配电网N-1安全评估的柔性互联装置容量配置优化策略，对柔性互联配电网的柔性直流装置换流器进行运行功率的优化，建立了以最小配电网失电负荷和最小支路联络开关动作次数的目标函数，同时考虑柔性互联配电网交直流潮流平衡约束、支路安全电流/功率约束、节点电压约束和设备运行特性等约束，根据建立的预想故障集对支路N-1故障扫描，得到柔性互联装置在各支路故障下的优化功率，进而优化换流器的容量配置。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于配电网N-1安全评估的柔性互联装置容量配置优化方法，其特征在于，包括：
分别构建配电网的最小失电负荷和最小联络线开关动作次数目标函数；
根据配电网确定N-1安全评估预想事故集；
确定配电网稳态约束和配电网运行约束；
求解运行约束和稳态约束下的最小失电负荷和最小联络线开关动作次数的目标函数；
根据求解的最小失电负荷和最小联络线开关动作次数的目标函数，确定优化后的柔性互联装置的换流器容量。
进一步的，所述最小失电负荷目标函数如下：
Figure BDA0002385451770000021
其中k(i)表征交流节点i与配电网的拓扑连接关系，k(i)＝1则故障隔离且恢复后交流节点i与配电网存在闭合连接支路，k(i)＝0则无闭合连接支路；Nall为配电网的交流节点总数；Pd(i)为交流节点i的负荷有功；Sd(i)表示交流节点i负荷转供时因支路过载被切除的负荷比例。
进一步的，所述最小支路联络线开关动作次数目标函数如下：
Figure BDA0002385451770000022
Nlink为配电网的支路联络线数量，Klink(i)为故障恢复时第i条支路联络线的开关操作次数。
进一步的，根据配电网确定N-1安全评估预想事故集包括：定义Ωall为配电网交流节点的集合，Nall为配电网的交流节点总数；i和j为配电网的交流节点，取值为区间[1,Nall],若i和j之间存在连接支路，则预想该支路断开的故障计入预想事故集Ωfault。
进一步的，配电网运行约束包括交流潮流平衡约束、直流潮流平衡约束、节点电压约束、支路安全电流和功率约束以及柔性互联装置换流器的容量约束。
进一步的，配电网稳态约束包括：
Figure BDA0002385451770000031
其中，Ωall为配电网交流节点的集合，crad(Ωall)为集合Ωall的元素总个数；Nall为配电网的交流节点总数；i和j为配电网交流节点，取值为区间[1,Nall]；j∈i表示交流节点j与交流节点i的交流支路连接关系，kij表征交流节点i和j连接关系的二值变量；kij＝1表示节点i和j之间存在连接支路，kij＝0表示无连接关系；Pij和Qij分别表示交流支路ij的有功和无功，Qd(i)为交流节点i的负荷无功，Sd(i)表示交流节点i负荷转供时因支路过载被切除的负荷比例；变量上标(0)和(1)分别表示配电网故障前和故障后。
进一步的，利用CPLEX求解运行约束和一般约束下的最小失电负荷和最小联络线开关动作次数的目标函数。
进一步的，确定优化后的柔性互联装置的换流器容量Svsc(n)满足：
Figure BDA0002385451770000041
Pvsc(n,k)、Qvsc(n,k)和Svsc(n,k)分别表示第n个换流器在预想故障集Ωfault第k个故障项的有功，无功和容量；参数上标1表示以最小失电负荷的目标函数、2表示以最小支路联络线开关动作次数的目标函数；M为预想故障集的故障总数。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明提出一种基于配电网N-1安全评估的柔性互联装置容量配置优化策略，可计算得到不同支路故障后柔性直流装置换流器的优化功率，使得配电网的失电负荷和支路联络线开关动作次数尽可能的小，进而降低在发生N-1故障后配电网的失电负荷，并提供无功支撑，减小配电网支路的无功传输，从而达到提高配电网运行可靠性和供电安全的效果。
附图说明
图1柔性互联配电网直流侧示意图；
图2柔性互联装置容量配置优化流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
基于配电网N-1安全评估的失电负荷，主要包含2个部分：因故障隔离且恢复后与配电网无闭合连接的负荷、故障恢复后负荷转供因线路过载切除的负荷。
配电网的失电负荷采用如下式表示：
Figure BDA0002385451770000042
其中，Nall为配电网的交流节点总数，Pd(i)为节点i的负荷有功；k(i)表征节点i与配电网的拓扑连接关系，若k(i)＝1则故障隔离且恢复后节点i与配电网存在闭合连接支路，反之k(i)＝0则无闭合连接支路；Sd(i)表示负荷转供时因支路过载被切除的负荷比例，取值为区间[0,1]。
本发明建立以最小失电负荷、最小联络线开关动作次数的目标函数，在保证交流支路故障后，降低失电负荷的同时减少支路联络线的开关动作次数，发生故障后充分利用柔性互联装置功率调控的灵活性。
本发明提供的基于配电网N-1安全评估的柔性互联装置容量配置优化方法，结合图2，包括如下步骤：
S1分别构建配电网的最小失电负荷和最小联络线开关动作次数目标函数。
(1)目标函数1：以最小失电负荷的目标函数如下式：
Figure BDA0002385451770000051
(2)目标函数2：以最小联络线开关动作次数的目标函数如下式：
Figure BDA0002385451770000052
其中，Nlink为配电网的支路联络线数量，Klink(i)为故障恢复时第i条联络线的开关操作次数。
S2根据目标配电网确定N-1安全评估预想事故集。
预想事故集Ωfault包括目标配电网所有交流支路的N-1预想事故。定义Ωall为配电网交流节点的集合；i和j为配电网节点，取值为区间[1,Nall],若i和j之间存在连接支路，则预想该支路断开的故障计入预想事故集Ωfault。
S3确定配电网稳态约束和配电网运行约束
(1)正常运行和故障恢复后，配电网也应满足如下的一般性约束：
Figure BDA0002385451770000061
其中，crad(Ωall)为集合Ωall的元素总个数；kij是表征节点i和j连接关系的[0,1]二值变量，若kij＝1则节点i和j之间存在连接支路，反之kij＝0则无连接关系；Pij和Qij分别表示支路ij的有功和无功，Qd(i)为节点i的负荷无功；变量上标(0)和(1)分别表示配电网故障前和故障后。
(2)配电网运行约束
柔性互联配电网故障前和故障恢复后，均应满足交直流潮流平衡、节点电压波动、支路安全电流/功率和设备运行特性等约束。
2.1交流潮流平衡约束
交流配电网中，对于节点i，其有功功率Po(i)和无功功率Qo(i)可表示为：
Figure BDA0002385451770000062
其中，Ui和Uj分别为节点i和j的节点电压，Gij和Bij为支路ij的导纳，θij为电压相角差。
在实际电力系统中，线路两端相角差一般不超过10°，进而简化得到cosθij＝1，sinθij＝θij，同时忽略支路的接地导纳。因此，可简化得到配电网的支路潮流如下：
Figure BDA0002385451770000063
根据节点功率平衡，可得到节点i的注入有功Pin(i)和Qin(i)分别等于流出有功和无功，如下式。正常运行时，Sd(i)(0)＝0。
Figure BDA0002385451770000071
2.2直流潮流平衡约束
柔性互联装置的换流器通过直流母线互联。柔性互联配电网直流侧如图1所示，m和n为直流侧节点，一般对应为换流器直流侧或直流母线，Udc(m)和Udc(n)为对应节点的直流电压。
支路mn的直流电流Idc(mn)可表示如下，其中gmn为直流支路的电导。
Idc(mn)＝gmn·[Udc(m)-Udc(n)] (8)
根据节点的流入流出电流/功率平衡，可得到：
Figure BDA0002385451770000072
其中，Pdc(mn)为直流支路mn的功率，Ωdc为直流侧的节点集合。
柔性互联装置的换流器可实现有功和无功的独立解耦控制，直流支路mn的传输功率一般由换流器的控制决定。因此，基于N-1安全评估时可优化换流器的运行功率，同时仍应满足如式(9)的平衡约束。
2.3节点电压约束
配电网各节点电压应不超过电压波动允许的上下限值，如下式：
Umin(i)≤U(i)≤Umax(i) (10)
其中，Umin(i)和Umax(i)分别为节点i的电压波动允许下限值和上限值。
2.4支路安全电流和功率约束
配电网支路应满足安全电流/功率约束，如下式：
Figure BDA0002385451770000073
其中，Sij和Iij分别为支路ij的实际功率和电流，
Figure BDA0002385451770000074
和
Figure BDA0002385451770000075
分别为功率和电流的限值。
2.5柔性互联装置换流器的容量约束
柔性互联装置第n个换流器的容量约束，如下式：
Figure BDA0002385451770000081
其中，Pvsc(n)、Qvsc(n)和Svsc(n)分别为换流器的实际有功、无功和额定容量。
S4求解运行约束和稳态约束下的最小失电负荷和最小联络线开关动作次数的目标函数。对于以最小失电负荷的目标函数1，可求得第n个换流器在预想故障集Ωfault第k个故障项的有功Pvsc 1(n,k)和无功Qvsc 1(n,k)；对于以最小联络线开关动作次数的目标函数2，可求得第n个换流器在预想故障集Ωfault第k个故障项的有功Pvsc 2(n,k)和无功Qvsc 2(n,k)。
S5根据求解最小失电负荷和最小联络线开关动作次数目标函数得到的Pvsc 1(n,k)、Qvsc 1(n,k)、Pvsc 2(n,k)和Qvsc 2(n,k)，确定优化后的柔性互联装置的换流器容量。
根据建立的基于N-1安全评估的目标函数和配电网运行约束，通过线性规划求解工具CPLEX，可求解得到预想故障集下的各换流器运行功率和优化容量。
对于以最小失电负荷的目标函数1，可求得第n个换流器在预想故障集Ωfault第k个故障项的有功Pvsc 1(n,k)和无功Qvsc 1(n,k)，表示如下：
Figure BDA0002385451770000082
其中，M为预想故障集的故障总数。
同理，对于以最小联络线开关动作次数的目标函数2，可求得第n个换流器在预想故障集Ωfault第k个故障项的有功Pvsc 2(n,k)和无功Qvsc 2(n,k)，表示如下：
Figure BDA0002385451770000091
因此，可得到柔性互联装置的换流器容量Svsc(n)应满足：
Figure BDA0002385451770000092
进而确定优化后的每个柔性互联装置的换流器容量配置。
综上所述，本发明提供一种基于配电网N-1安全评估的柔性互联装置容量配置优化方法，分别构建配电网的最小失电负荷和最小联络线开关动作次数目标函数；根据最小失电负荷目标函数确定N-1安全评估预想事故集；确定配电网一般约束和配电网运行约束；求解最小失电负荷和最小联络线开关动作次数的目标函数；进一步确定优化后的柔性互联装置的换流器容量。本发明可计算得到不同支路故障后柔性直流装置换流器的优化功率，使得配电网的失电负荷和支路联络线开关动作次数尽可能的小，进而降低在发生N-1故障后配电网的失电负荷，并提供无功支撑，减小配电网支路的无功传输，从而达到提高配电网运行可靠性和供电安全的效果。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (6)

1.一种基于配电网N-1安全评估的柔性互联装置容量配置优化方法，其特征在于，包括：
分别构建配电网的最小失电负荷和最小联络线开关动作次数目标函数；
根据配电网确定N-1安全评估预想事故集；
确定配电网稳态约束和配电网运行约束；
求解运行约束和稳态约束下的最小失电负荷和最小联络线开关动作次数的目标函数；
根据求解的最小失电负荷和最小联络线开关动作次数的目标函数，确定优化后的柔性互联装置的换流器容量；
所述最小失电负荷目标函数如下：
Figure FDA0003954376630000011
其中k(i)表征交流节点i与配电网的拓扑连接关系，k(i)＝1则故障隔离且恢复后交流节点i与配电网存在闭合连接支路，k(i)＝0则无闭合连接支路；Nall为配电网的交流节点总数；Pd(i)为交流节点i的负荷有功；Sd(i)表示交流节点i负荷转供时因支路过载被切除的负荷比例；
所述最小支路联络线开关动作次数目标函数如下：
Figure FDA0003954376630000012
Nlink为配电网的支路联络线数量，Klink(i)为故障恢复时第i条支路联络线的开关操作次数。
2.根据权利要求1所述的基于配电网N-1安全评估的柔性互联装置容量配置优化方法，其特征在于，根据配电网确定N-1安全评估预想事故集包括：定义Ωall为配电网交流节点的集合，Nall为配电网的交流节点总数；i和j为配电网的交流节点，取值为区间[1,Nall],若i和j之间存在连接支路，则预想该支路断开的故障计入预想事故集Ωfault。
3.根据权利要求1所述的基于配电网N-1安全评估的柔性互联装置容量配置优化方法，其特征在于，配电网运行约束包括交流潮流平衡约束、直流潮流平衡约束、节点电压约束、支路安全电流和功率约束以及柔性互联装置换流器的容量约束。
4.根据权利要求1所述的基于配电网N-1安全评估的柔性互联装置容量配置优化方法，其特征在于，配电网稳态约束包括：
Figure FDA0003954376630000021
其中，Ωall为配电网交流节点的集合，crad(Ωall)为集合Ωall的元素总个数；Nall为配电网的交流节点总数；i和j为配电网交流节点，取值为区间[1,Nall]；j∈i表示交流节点j与交流节点i的交流支路连接关系，kij表征交流节点i和j连接关系的二值变量；kij＝1表示节点i和j之间存在连接支路，kij＝0表示无连接关系；Pij和Qij分别表示交流支路ij的有功和无功，Qd(i)为交流节点i的负荷无功，Sd(i)表示交流节点i负荷转供时因支路过载被切除的负荷比例；变量上标(0)和(1)分别表示配电网故障前和故障后。
5.根据权利要求1所述的基于配电网N-1安全评估的柔性互联装置容量配置优化方法，其特征在于，利用CPLEX求解运行约束和一般约束下的最小失电负荷和最小联络线开关动作次数的目标函数。
6.根据权利要求1所述的基于配电网N-1安全评估的柔性互联装置容量配置优化方法，其特征在于，确定优化后的柔性互联装置的换流器容量Svsc(n)满足：
Figure FDA0003954376630000031
Pvsc(n,k)、Qvsc(n,k)和Svsc(n,k)分别表示第n个换流器在预想故障集Ωfault第k个故障项的有功，无功和容量；参数上标1表示以最小失电负荷的目标函数、上标2表示以最小支路联络线开关动作次数的目标函数；M为预想故障集的故障总数。
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"分区柔性互联城市电网的最大供电能力分析";肖峻 等;《电力自动化设备》;20170831;第37卷(第8期);第66-73页 *

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