CN113659515B - 一种配电网线路融冰方案的确定方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种配电网线路融冰方案的确定方法及系统，包括：获取配电网线路的覆冰预报数据、配电网结构的技术参数及配电网的运行数据；将配电网线路的覆冰预报数据、配电网结构的技术参数及配电网的运行数据输入到配电网线路融冰方案优化模型中进行计算，得到配电网线路融冰的最小风险系数；将配电网线路融冰的最小风险系数下各线路的融冰顺序及对应的融冰时间作为配电网线路的最优融冰方案；其中，配电网线路融冰方案优化模型是利用智能软开关作为配电网线路间的连接装置，以配电网线路融冰的风险系数最小为目标构建的。本发明以配电网线路融冰的风险系数最小为目标确定配电网线路融冰的最优方案，降低了线路融冰对配电网的风险，提升了配电网融冰效果。
Description
技术领域
本发明涉及配电网融冰技术领域，具体涉及一种配电网线路融冰方案的确定方法及系统。
背景技术
近年来冰雪风暴频发，覆冰造成的配电网线路故障给电网和用户都带来了巨大经济损失。根据融冰机理的不同，可以将常见的线路融冰方法分为热力融冰、机械除冰及自然脱冰三类。热力融冰由于其实用性强、效果好、应用范围广被广泛应用于融冰领域。常见的热力融冰方法有：带负荷融冰、交流融冰和直流融冰。但在大范围覆冰情况下，由于融冰装置的限制以及为保证配电网稳定运行，不能实现全部线路的同时融冰。
目前对于融冰决策技术主要集中在输电领域，主要采用直流融冰技术，由于交、直流融冰需要在融冰过程中停运线路，在配电网中线路退出运行对于电网的可靠性以及用户侧供电都产生了影响。因此产生了通过增大覆冰线路的电流来实现融冰的不需要停运线路的过负荷融冰方法，此只需改变线路潮流，适合应用于小范围内线路长度不长的融冰。现有的过负荷不停电融冰技术主要围绕过负荷融冰装置的设计研发和针对单条线路的融冰或大规模转移、调度资源进行融冰，但是存在操作复杂、负荷侧执行力差，且容易破坏配电网的潮流分布，导致配电网的风险较大的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的操作复杂、负荷侧执行力差，且容易破坏配电网的潮流分布，导致配电网的风险较大的问题，本发明提供一种配电网线路融冰方案的确定方法，包括：
获取配电网线路的覆冰预报数据、配电网结构的技术参数及配电网的运行数据；
将所述配电网线路的覆冰预报数据、配电网结构的技术参数及配电网的运行数据输入到配电网线路融冰方案优化模型中进行计算，得到配电网线路融冰的最小风险系数；
将所述配电网线路融冰的最小风险系数下各线路的融冰顺序及对应的融冰时间作为配电网线路的最优融冰方案；
其中，所述配电网线路融冰方案优化模型是利用智能软开关作为配电网线路间的连接装置，以配电网线路融冰的风险系数最小为目标构建的。
优选的，所述配电网线路融冰方案优化模型的构建，包括：
在所述配电网中，利用智能软开关连接任意两线路之间的末端；以配电网线路融冰的风险系数最小为目标构建目标函数；
以节点电压上下限、线路融冰电流上限、各设定融冰时段下线路的节点间的有功功率平衡和无功功率平衡、各设定融冰时段下线路的各节点间的潮流、智能软开关中电压源换流器的容量、智能软开关功率平衡为所述目标函数构建约束条件；
其中，所述智能软开关包括两个容量、有功功率、无功功率相同的电压源换流器。
优选的，所述目标函数，如下式所示：
式中，minRisk为配电网线路融冰的最小风险系数，p0为配电网线路在正常运行下的初始故障概率，Ml.t为第l条线路在经过第t个融冰时段后的覆冰厚度，Mn为配电网线路能承受的覆冰厚度上限，L为配电网内包含的需要融冰的线路数量，T为融冰时段的数量，Sev.l.t为第l条线路在第t个融冰时段的覆冰严重程度；
其中，所述第l条线路在第t个融冰时段的覆冰严重程度Sev.l.t，按下式计算：
式中，ωi为第l条线路中的第i个节点的权重，Pi.t为第l条线路中的第i个节点的有功功率。
优选的，所述配电网第l条线路在经过第t个融冰时段后的覆冰厚度Ml.t，按下式计算：
式中，M0为配电网线路的初始覆冰厚度，Ml.t-1为第l条线路在经过t-1融冰时段后的覆冰厚度，ΔM配电网线路的单位时间覆冰增长量，t为第t个融冰时段，Mmelt.t(Il)为配电网第l条线路在经过第t个融冰时段后的融冰厚度。
优选的，所述各设定融冰时段下线路的各节点间有功功率平衡约束，如下式所示：
式中，Pki.t、Iki.t为第t个融冰时段内从配电网第l条线路的第k个节点流向第i个节点的有功功率、电流，rki为配电网第l条线路中第k个节点和第i个节点间的电阻，Pij.t为第t个融冰时段内配电网第l条线路中的第i个节点流向第j个节点的有功功率，Pi.t为第t个融冰时段内流入配电网第l条线路中的第i个节点的有功功率；
其中，第t个融冰时段内流入配电网第l条线路中的第i个节点的有功功率Pi.t，按下式确定：
式中，
和
分别为第t个融冰时段t内第l条线路中的i节点中智能软开关的有功功率和负荷有功功率；
优选的，各设定融冰时段下线路的节点间的无功功率平衡约束，如下式所示：
式中，Qki.t第t个融冰时段内从配电网第l条线路的第k个节点流向第i个节点的无功功率，xki为配电网第l条线路中第k个节点和第i个节点间的电抗，Qij.t为第t个融冰时段内配电网第l条线路中的第i个节点流向第j个节点的无功功率，Qi.t为第t个融冰时段内流入配电网第l条线路中的第i个节点的无功功率；
其中，第t个融冰时段内流入配电网第l条线路中的第i个节点的无功功率Qi.t，按下式确定：
式中，
和
分别为第t个融冰时段t内第l条线路中的i节点中智能软开关的无功功率和负荷无功功率。
优选的，所述智能软开关容量约束，如下式所示：
式中，PVSC为智能软开关中电压源换流器的有功功率，QVSC为智能软开关中电压源换流器的无功功率，SVSC为智能软开关电压源换流器的容量。
优选的，所述智能软开关功率平衡约束，如下式所示：
PVSC1+PVSC2+PSOP.loss＝0
式中，PVSC1、PVSC2分别为智能软开关中第一、第二个电压源换流器的有功功率，PSOP.loss为智能软开关的总有功损耗；
其中，所述智能软开关的总有功损耗PSOP.loss，按下式确定：
式中，ASOP为智能软开关的损耗系数。
优选的，所述将所述配电网线路融冰的最小风险系数下各线路的融冰顺序及对应的融冰时间作为配电网线路的最优融冰方案，包括：
判断配电网线路融冰的最小风险系数下各线路在经过各设定融冰时段的覆冰厚度是否减少或不变；
将线路在覆冰厚度减少或不变时对应经过的融冰时段作为对应线路的融冰时间，并将各线路对应的融冰时段顺序作为各线路的融冰顺序。
基于同一发明构思，本发明还提供一种配电网线路融冰方案的确定系统，包括：
获取模块，用于获取配电网线路的覆冰预报数据、配电网结构的技术参数及配电网的运行数据；
风险系数确定模块，用于将所述配电网线路的覆冰预报数据、配电网结构的技术参数及配电网的运行数据输入到配电网线路融冰方案优化模型中进行计算，得到配电网线路融冰的最小风险系数；
融冰方案确定模块，用于将所述配电网线路融冰的最小风险系数下各线路的融冰顺序及对应的融冰时间作为配电网线路的最优融冰方案；
其中，所述配电网线路融冰方案优化模型是利用智能软开关作为配电网线路间的连接装置，以配电网线路融冰的风险系数最小为目标构建的。
优选的，所述配电网线路融冰方案优化模型的构建，包括：
在所述配电网中，利用智能软开关连接任意两线路之间的末端；以配电网线路融冰的风险系数最小为目标构建目标函数；
以节点电压上下限、线路融冰电流上限、各设定融冰时段下线路的节点间的有功功率平衡和无功功率平衡、各设定融冰时段下线路的各节点间的潮流、智能软开关中电压源换流器的容量、智能软开关功率平衡为所述目标函数构建约束条件；
其中，所述智能软开关包括两个容量、有功功率、无功功率相同的电压源换流器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供一种配电网线路融冰方案的确定方法及系统，包括：获取配电网线路的覆冰预报数据、配电网结构的技术参数及配电网的运行数据；将所述配电网线路的覆冰预报数据、配电网结构的技术参数及配电网的运行数据输入到配电网线路融冰方案优化模型中进行计算，得到配电网线路融冰的最小风险系数；将所述配电网线路融冰的最小风险系数下各线路的融冰顺序及对应的融冰时间作为配电网线路的最优融冰方案；其中，所述配电网线路融冰方案优化模型是利用智能软开关作为配电网线路间的连接装置，以配电网线路融冰的风险系数最小为目标构建的。本发明以配电网线路融冰的风险系数最小为目标确定配电网线路融冰的最优方案，最大限度降低了融冰破坏配电网的风险，同时提升了配电网融冰效果和配电网在线路融冰过程中的安全性。
附图说明
图1为本发明一种配电网线路融冰方案的确定方法的流程图；
图2为本发明实施例中智能软开关实现配电网线路间的潮流转移过程的示意图；
图3为本发明实施例中智能软开关在配电网线路融冰过程中的效果示意图；
图4为本发明一种配电网线路融冰方案的确定系统的示意图。
具体实施方式
实施例1
针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种配电网线路融冰方案的确定方法，如图1所示，包括：
步骤1，获取配电网线路的覆冰预报数据、配电网的结构参数及配电网的运行数据；
步骤2，将配电网线路的覆冰预报数据、配电网的结构参数及配电网的运行数据输入到配电网线路融冰方案优化模型中进行计算，得到配电网线路融冰的最小风险系数；
步骤3，将配电网线路融冰的最小风险系数下各线路的融冰顺序及对应的融冰时间作为配电网线路的最优融冰方案；
其中，配电网线路融冰方案优化模型是利用智能软开关作为配电网线路间的连接装置，以配电网线路融冰的风险系数最小为目标构建的。
在步骤1中，获取配电网线路的覆冰预报数据、配电网结构的技术参数及配电网的运行数据；
在步骤2之前，还包括：在配电网中，利用智能软开关连接任意两线路之间的末端；以配电网线路融冰的风险系数最小为目标函数；以节点电压上下限、线路融冰电流上限、各设定融冰时段下线路的节点间的有功功率平衡和无功功率平衡、各设定融冰时段下线路的各节点间的潮流、智能软开关中电压源换流器的容量、智能软开关功率平衡为约束条件构建配电网线路融冰方案优化模型；
在本实施例中，由于配电网在冰雪灾害下，线路的覆冰风险主要由覆冰厚度增长带来的线路断线、倒塌导致；因此，考虑经过各融冰时段各线路覆冰厚度变化以及覆冰严重程度，利用目标函数计算配电网线路的最小融冰风险系数；
配电网线路融冰方案优化模型中的目标函数，如下式所示：
式中，minRisk为配电网线路融冰的最小风险系数，p0为配电网线路在正常运行下的初始故障概率，Ml.t为第l条线路在经过第t个融冰时段后的覆冰厚度，Mn为配电网线路能承受的覆冰厚度上限，L为配电网内包含的需要融冰的线路数量，T为融冰时段的数量，Sev.l.t为第l条线路在第t个融冰时段的覆冰严重程度；
根据覆冰预报数据，覆冰厚度经过第t个融冰时段会经历覆冰和融冰过程共同作用，第l条线路在经过第t个融冰时段后的覆冰厚度Ml.t，按下式计算：
式中，M0为配电网线路的初始覆冰厚度，Ml.t-1为第l条线路在经过t-1融冰时段后的覆冰厚度，ΔM配电网线路的单位时间覆冰增长量，t为第t个融冰时段，Mmelt.t(Il)为配电网第l条线路在经过第t个融冰时段后的融冰厚度；
其中，配电网第l条线路在经过第t个融冰时段后的融冰厚度Mmelt.t(Il)，按下式计算：
式中，minIl为线路l的最小电流，Rh为h℃时导线的单位长度电阻(Ω/m)，Δn为导体温度与外界气温之差(℃)，D为导体直径(cm)，∑d为辐射系数；v为风速；
在配电网线路融冰的过程中，由覆冰预报数据可知线路在冰风暴天气的影响下，增速极快；因此，配电网线路的覆冰增长可等同于输电网覆冰增长，所以考虑天气因素下计算配电网线路的单位时间覆冰增长量；
配电网线路的单位时间覆冰增长量ΔM，如下式所示：
式中，ΔM为配电网线路的单位时间覆冰增长量，ρ1为冰的密度；ρ0为冻雨的密度，Sj为区域j的降水强度，Wj为区域j的饱和空气中液态水含量，Vj为区域j的风速，αd为考虑微地形因素对覆冰影响的修正系数；
其中，
对于平原αd为1.0，加强风速地形αd取1.0～1.3，削弱风速地形αd取0.8～1.0；
利用配电网线路的重要程度来衡量线路融冰造成的负荷损失后的严重程度，则第l条线路在第t个融冰时段的覆冰严重程度Sev.l.t，按下式计算：
式中，ωi为第l条线路中的第i个节点的权重，Pi.t为第l条线路中的第i个节点的有功功率。
约束条件，包括：节点电压上下限约束、线路融冰电流上限约束、各设定融冰时段下线路的节点间的有功功率平衡和无功功率平衡约束、各设定融冰时段下线路的各节点间的潮流约束、智能软开关中电压源换流器的容量约束、智能软开关功率平衡约束；
节点电压上下限约束是为线路融冰设置的节点电压越限约束，电压越限分为电压越上限和越下限，配电网中电压越下限会导致用电设备，影响用户的用电质量；同时会导致线路绝缘损坏，最终导致线路故障；
节点电压上下限约束，如下式所示：
Ui.min≤Ui.t≤Ui.max
式中，Ui.min为第l条线路第i个节点的电压下限值、Ui.max第l条线路第i个节点的电压上限值，Ui.t为第t个融冰时段第l条线路中的第i个节点的电压值；
其中，第l条线路第i个节点的电压下限值Ui.min的取值为电压阈值；
在本实施例中，设置每个融冰时段的时长为2小时，在短时间内，电压一定程度的越限不会致使线路故障；但为了量化分析短时内线路的电压可承受的范围，可以利用线路单相短路运行进行类比分析；当配电网单相短路时，10kV配电网采用非有效接地，可以允许正常工作1～2h，此时相电压升高到原来的√3倍；所以，在实际的融冰过程中电压上限可设置为正常运行时的√3倍。
线路融冰电流上限约束是为线路融冰设置的融冰电流越限约束，主要目的是防止电流超过正常的限定范围并影响到电网稳定运行；在线路融冰过程中，电流的越限值为在相应的环境温度和风速下，使线路的温度在规程规定的安全范围内的最大电流，也就是线路的最大融冰电流；也就是当超过线路的最大融冰电流时，会出现线路故障；
线路融冰电流上限约束，如下式所示：
Il.t≤Il.t.max
式中，Il.t为第t个融冰时段第l条线路的融冰电流，Il.t.max为第t个融冰时段第l条线路的最大融冰电流；
由于配电网线路融冰中利用智能软开关(SOP)转移潮流可以增加电流产热可以使覆冰厚度减小，而覆冰厚度的变化直接决定了融冰效果。在融冰过程中，若设定融冰时段内的温度、风速等因素确定，则根据热平衡方程可知覆冰厚度减小量由融冰电流决定；同时，在配电网中，线路呈辐射状运行，各节点间的电流是不同的，而且会逐渐减小；因此为最大限度保证线路的融冰效果，利用配电网中每条线路末端支路电流表示每条线路的融冰电流；
第t个融冰时段第l条线路的融冰电流Il.t，按下式计算：
式中，Il.t为第t个融冰时段第l条线路的融冰电流，R0为0℃时导线的单位长度电阻(Ω/m)；Tr为融冰时间(h)，Δn为导体温度与外界气温之差(℃)，g0为冰的比重，b为冰层厚度(cm)，d为导线直径(cm)，D为导体覆冰后的外径(cm)，RT0为等效冰层传导热阻(度·厘米/瓦)，RT1为对流及辐射等效热阻(度·厘米/瓦)。
第t个融冰时段第l条线路的最大融冰电流Il.t.max需要根据第t个融冰时段的风速值分别确定；
当第t个融冰时段的风速大于2m/s时第l条线路的最大融冰电流，按下式计算：
式中，Il.t.max1为第t个融冰时段的风速大于2m/s时第l条线路的最大融冰电流，R90为90℃时导线单位长度电阻(Ω/m)；Te为外界温度；d为导线直径(cm)；V为风速(m/s)，∑i为辐射系数；
当第t个融冰时段的风速小于等于2m/s时线路的最大融冰电流，按下式计算：
式中，Il.t.max2第t个融冰时段的风速小于等于2m/s时第l条线路的最大融冰电流。
各设定融冰时段下线路的节点间的有功功率平衡和无功功率平衡约束，包括：各设定融冰时段下线路的节点间的有功功率平衡约束和各设定融冰时段下线路的节点间的无功功率平衡；
各设定融冰时段下线路的节点间的有功功率平衡约束，如下式所示：
式中，Pki.t、Iki.t为第t个融冰时段内从配电网第l条线路的第k个节点流向第i个节点的有功功率、电流，rki为配电网第l条线路中第k个节点和第i个节点间的电阻，Pij.t为第t个融冰时段内配电网第l条线路中的第i个节点流向第j个节点的有功功率，Pi.t为第t个融冰时段内流入配电网第l条线路中的第i个节点的有功功率；
其中，第t个融冰时段内流入配电网第l条线路中的第i个节点的有功功率Pi.t，按下式确定：
式中，
和
分别为第t个融冰时段t内第l条线路中的i节点中智能软开关的有功功率和负荷有功功率；
各设定融冰时段下线路的节点间的无功功率平衡，如下式所示：
式中，Qki.t第t个融冰时段内从配电网第l条线路的第k个节点流向第i个节点的无功功率，xki为配电网第l条线路中第k个节点和第i个节点间的电抗，Qij.t为第t个融冰时段内配电网第l条线路中的第i个节点流向第j个节点的无功功率，Qi.t为第t个融冰时段内流入配电网第l条线路中的第i个节点的无功功率；
其中，第t个融冰时段内流入配电网第l条线路中的第i个节点的无功功率Qi.t，按下式确定：
式中，
和
分别为第t个融冰时段t内第l条线路中的i节点中智能软开关的无功功率和负荷无功功率。
各设定融冰时段下线路的各节点间的潮流约束，如下式所示：
式中，Uj.t为第t个融冰时段第l条线路中的第j个节点的电压值，rij为配电网第l条线路中第i个节点和第j个节点间的电阻，xij为配电网第l条线路中第i个节点和第j个节点间的电抗，Iij.t第t个融冰时段内从配电网第l条线路的第i个节点流向第j个节点的融冰电流。
智能软开关中电压源换流器的容量约束是针对配电网在进行线路融冰时使用的智能软开关(SOP)中电压源换流器容量的约束；其中，智能软开关中包含的两个电压源换流器的容量及有功、无功功率是相同的，如图2所示；
在本实施例中，配电网线路中的智能软开关(Soft Open Points,SOP)是以可控电力电子变换器代替传统基于断路器的馈线联络开关，从而实现馈线间常态化柔性“软连接”，能够提供灵活、快速、精确的功率交换控制与潮流优化能力。SOP已被广泛应用于多电压等级供电、有源配电网储能规划、馈线负荷平衡调节等应用场景；
智能软开关中电压源换流器的容量约束，如下式所示：
式中，PVSC为智能软开关中电压源换流器的有功功率，QVSC为智能软开关中电压源换流器的无功功率，SVSC为智能软开关中电压源换流器的容量。
智能软开关功率平衡约束的作用在于：为智能软开关在配电网线路进行潮流变换的过程中约束两个电压源换流器的有功功率和智能软开关的总有功损耗之间的关系；
其中，智能软开关在配电网线路进行潮流变换的过程包括：配电网中两条线路的末端通过智能软开关(SOP)相连，当一端的电压源换流器(VSC)采用P-Q控制时，另一端则采用VDC-Q控制，在该模式下的可控变量有三个，第一个是流过智能软开关(SOP)的有功功率PVSC1，第二个和第三个是智能软开关(SOP)两端发出的无功功率QVSC1、QVSC2；
在本实施例中，当线路1由融冰需求时，通过SOP控制将线路2中的功率转移到线路1，此时线路1的负载增加，连接线路1的电源发出更多功率，从而提升线路1电流实现融冰，当线路2需要融冰时同理；
智能软开关功率平衡约束，如下式所示：
PVSC1+PVSC2+PSOP.loss＝0
式中，PVSC1、PVSC2分别为智能软开关中第一、第二个电压源换流器的有功功率，PSOP.loss为智能软开关的总有功损耗；
其中，智能软开关的总有功损耗PSOP.loss，按下式确定：
式中，ASOP为智能软开关的损耗系数。
在本实施例中，虽然相同的有功、无功对线路融冰的效果是相同的。但是，考虑到智能软开关(SOP)的运行功率约束以及配电网中的功率分配，基于智能软开关(SOP)四象限运行特性，应协调智能软开关(SOP)的有功和无功使配电网产热达到最多；
以单条线路为例，分析智能软开关(SOP)功率对产热的影响，把损耗转化为用视在功率，如下式所示：
式中，P0、Q0为线路的初始有功和无功功率，Q′1为线路产生的热量，I′1′为线路的电流，S′1′为线路的视在功率，R为线路的电阻，|Z|为线路阻抗的模值；
当线路的初始有功和无功功率确定时，直角坐标系中一定点(P0,Q0)到圆的距离最远的点，即产热效果最好时智能软开关(SOP)融冰侧电压源换流器(VSC)的有功、无功出力值，如图3所示。
由于配电网的线路融冰受到配电网潮流限制，为提升融冰效果，不能仅考虑降低覆冰风险的需求而过度增大电流，还需要考虑配电网安全运行，避免其越限；线路的越限风险是指线路中潮流变化引起的电压、功率超出正常范围，造成线路的电压越限风险和电流越限风险，导致线路不能正常运行；在正常情况下，线路的电压、电流限制由安全运行规范直接给出；但在融冰条件下，电压短时间内允许越限，同时，考虑到融冰时天气的不同，而载流量受到温度、风速等因素影响，电流的限制也会放宽。因此本发明提出的一种配电网线路融冰方案的确定方法考虑了线路的节点电压上下限约束和融冰电流上限约束，在保证系统安全运行的条件下以实现最大限度的高效融冰。
在步骤2中，将配电网线路的覆冰预报数据、配电网结构的技术参数及配电网的运行数据输入到配电网线路融冰方案优化模型中进行计算，得到配电网线路融冰的最小风险系数。
在步骤3中，将配电网线路融冰的最小风险系数下各线路的融冰顺序及对应的融冰时间作为配电网线路的最优融冰方案，包括：
判断配电网线路融冰的最小风险系数下各线路在经过各设定融冰时段的覆冰厚度是否减少或不变；
将线路在覆冰厚度减少或不变时对应经过的融冰时段作为对应线路的融冰时间，并将各线路对应的融冰时段顺序作为各线路的融冰顺序。
本发明所提出一种配电网线路融冰方案的确定方法在实施的过程中，要考虑两方面的因素，一方面是融冰过程中覆冰增长导致线路故障甚至倒杆引起的覆冰风险，另一方面是融冰过程中潮流转移可能带来潮流越限的风险，影响配电网的安全稳定运行。因此，通过本发明一种配电网线路融冰方案的确定方法可最大程度避免融冰过程中可能引起的风险，以保证配电网在风险指标最小下实现线路的不停电融冰。
实施例2
基于同一发明构思，本发明还提供一种配电网线路融冰方案的确定系统，如图4所示，包括：
获取模块，用于获取配电网线路的覆冰预报数据、配电网的结构参数及配电网的运行数据；
风险系数确定模块，用于将配电网线路的覆冰预报数据、配电网的结构参数及配电网的运行数据输入到配电网线路融冰方案优化模型中进行计算，得到配电网线路融冰的最小风险系数；
融冰方案确定模块，用于将配电网线路融冰的最小风险系数下各线路的融冰顺序及对应的融冰时间作为配电网线路的最优融冰方案；
其中，配电网线路融冰方案优化模型是利用智能软开关作为配电网线路间的连接装置，以配电网线路融冰的风险系数最小为目标构建的。
获取模块，用于获取配电网线路的覆冰预报数据、配电网结构的技术参数及配电网的运行数据；
其中，配电网线路融冰方案优化模型的构建，包括：在配电网中，利用智能软开关连接任意两线路之间的末端；以配电网线路融冰的风险系数最小为目标构建目标函数；
以节点电压上下限、线路融冰电流上限、各设定融冰时段下线路的节点间的有功功率平衡和无功功率平衡、各设定融冰时段下线路的各节点间的潮流、智能软开关中电压源换流器的容量、智能软开关功率平衡为所述目标函数构建约束条件；
其中，智能软开关包括两个容量、有功功率、无功功率相同的电压源换流器。
在配电网中，利用智能软开关连接任意两线路之间的末端；以配电网线路融冰的风险系数最小为目标函数；以节点电压上下限、线路融冰电流上限、各设定融冰时段下线路的节点间的有功功率平衡和无功功率平衡、各设定融冰时段下线路的各节点间的潮流、智能软开关中电压源换流器的容量、智能软开关功率平衡为约束条件构建配电网线路融冰方案优化模型；
在本实施例中，由于配电网在冰雪灾害下，线路的覆冰风险主要由覆冰厚度增长带来的线路断线、倒塌导致；因此，考虑经过各融冰时段各线路覆冰厚度变化以及覆冰严重程度，利用目标函数计算配电网线路的最小融冰风险系数；
配电网线路融冰方案优化模型中的目标函数，如下式所示：
式中，minRisk为配电网线路融冰的最小风险系数，p0为配电网线路在正常运行下的初始故障概率，Ml.t为第l条线路在经过第t个融冰时段后的覆冰厚度，Mn为配电网线路能承受的覆冰厚度上限，L为配电网内包含的需要融冰的线路数量，T为融冰时段的数量，Sev.l.t为第l条线路在第t个融冰时段的覆冰严重程度；
根据覆冰预报数据，覆冰厚度经过第t个融冰时段会经历覆冰和融冰过程共同作用，第l条线路在经过第t个融冰时段后的覆冰厚度Ml.t，按下式计算：
式中，M0为配电网线路的初始覆冰厚度，Ml.t-1为第l条线路在经过t-1融冰时段后的覆冰厚度，ΔM配电网线路的单位时间覆冰增长量，t为第t个融冰时段，Mmelt.t(Il)为配电网第l条线路在经过第t个融冰时段后的融冰厚度；
其中，配电网第l条线路在经过第t个融冰时段后的融冰厚度Mmelt.t(Il)，按下式计算：
式中，minIl为线路l的最小电流，Rh为h℃时导线的单位长度电阻(Ω/m)，Δn为导体温度与外界气温之差(℃)，D为导体直径(cm)，∑d为辐射系数；v为风速；
在配电网线路融冰的过程中，由覆冰预报数据可知线路在冰风暴天气的影响下，增速极快；因此，配电网线路的覆冰增长可等同于输电网覆冰增长，所以考虑天气因素下计算配电网线路的单位时间覆冰增长量；
配电网线路的单位时间覆冰增长量ΔM，如下式所示：
式中，ΔM为配电网线路的单位时间覆冰增长量，ρ1为冰的密度；ρ0为冻雨的密度，Sj为区域j的降水强度，Wj为区域j的饱和空气中液态水含量，Vj为区域j的风速，αd为考虑微地形因素对覆冰影响的修正系数；
其中，
对于平原αd为1.0，加强风速地形αd取1.0～1.3，削弱风速地形αd取0.8～1.0；
利用配电网线路的重要程度来衡量线路融冰造成的负荷损失后的严重程度，则第l条线路在第t个融冰时段的覆冰严重程度Sev.l.t，按下式计算：
式中，ωi为第l条线路中的第i个节点的权重，Pi.t为第l条线路中的第i个节点的有功功率。
约束条件，包括：节点电压上下限约束、线路融冰电流上限约束、各设定融冰时段下线路的节点间的有功功率平衡和无功功率平衡约束、各设定融冰时段下线路的各节点间的潮流约束、智能软开关中电压源换流器的容量约束、智能软开关功率平衡约束；
节点电压上下限约束是为线路融冰设置的节点电压越限约束，电压越限分为电压越上限和越下限，配电网中电压越下限会导致用电设备，影响用户的用电质量；同时会导致线路绝缘损坏，最终导致线路故障；
节点电压上下限约束，如下式所示：
Ui.min≤Ui.t≤Ui.max
式中，Ui.min为第l条线路第i个节点的电压下限值、Ui.max第l条线路第i个节点的电压上限值，Ui.t为第t个融冰时段第l条线路中的第i个节点的电压值；
其中，第l条线路第i个节点的电压下限值Ui.min的取值为电压阈值；
在本实施例中，设置每个融冰时段的时长为2小时，在短时间内，电压一定程度的越限不会致使线路故障；但为了量化分析短时内线路的电压可承受的范围，可以利用线路单相短路运行进行类比分析；当配电网单相短路时，10kV配电网采用非有效接地，可以允许正常工作1～2h，此时相电压升高到原来的√3倍；所以，在实际的融冰过程中电压上限可设置为正常运行时的√3倍。
线路融冰电流上限约束是为线路融冰设置的融冰电流越限约束，主要目的是防止电流超过正常的限定范围并影响到电网稳定运行；在线路融冰过程中，电流的越限值为在相应的环境温度和风速下，使线路的温度在规程规定的安全范围内的最大电流，也就是线路的最大融冰电流；也就是当超过线路的最大融冰电流时，会出现线路故障；
线路融冰电流上限约束，如下式所示：
Il.t≤Il.t.max
式中，Il.t为第t个融冰时段第l条线路的融冰电流，Il.t.max为第t个融冰时段第l条线路的最大融冰电流；
由于配电网线路融冰中利用智能软开关(SOP)转移潮流可以增加电流产热可以使覆冰厚度减小，而覆冰厚度的变化直接决定了融冰效果。在融冰过程中，若设定融冰时段内的温度、风速等因素确定，则根据热平衡方程可知覆冰厚度减小量由融冰电流决定；同时，在配电网中，线路呈辐射状运行，各节点间的电流是不同的，而且会逐渐减小；因此为最大限度保证线路的融冰效果，利用配电网中每条线路末端支路电流表示每条线路的融冰电流；
第t个融冰时段第l条线路的融冰电流Il.t，按下式计算：
式中，Il.t为第t个融冰时段第l条线路的融冰电流，R0为0℃时导线的单位长度电阻(Ω/m)；Tr为融冰时间(h)，Δn为导体温度与外界气温之差(℃)，g0为冰的比重，b为冰层厚度(cm)，d为导线直径(cm)，D为导体覆冰后的外径(cm)，RT0为等效冰层传导热阻(度·厘米/瓦)，RT1为对流及辐射等效热阻(度·厘米/瓦)。
第t个融冰时段第l条线路的最大融冰电流Il.t.max需要根据第t个融冰时段的风速值分别确定；
当第t个融冰时段的风速大于2m/s时第l条线路的最大融冰电流，按下式计算：
式中，Il.t.max1为第t个融冰时段的风速大于2m/s时第l条线路的最大融冰电流，R90为90℃时导线单位长度电阻(Ω/m)；Te为外界温度；d为导线直径(cm)；V为风速(m/s)，∑i为辐射系数；
式中，Il.t.max2第t个融冰时段的风速小于等于2m/s时第l条线路的最大融冰电流。
各设定融冰时段下线路的节点间的有功功率平衡和无功功率平衡约束，包括：各设定融冰时段下线路的节点间的有功功率平衡约束和各设定融冰时段下线路的节点间的无功功率平衡；
各设定融冰时段下线路的节点间的有功功率平衡约束，如下式所示：
式中，Pki.t、Iki.t为第t个融冰时段内从配电网第l条线路的第k个节点流向第i个节点的有功功率、电流，rki为配电网第l条线路中第k个节点和第i个节点间的电阻，Pij.t为第t个融冰时段内配电网第l条线路中的第i个节点流向第j个节点的有功功率，Pi.t为第t个融冰时段内流入配电网第l条线路中的第i个节点的有功功率；
其中，第t个融冰时段内流入配电网第l条线路中的第i个节点的有功功率Pi.t，按下式确定：
式中，
和
分别为第t个融冰时段t内第l条线路中的i节点中智能软开关的有功功率和负荷有功功率；
各设定融冰时段下线路的节点间的无功功率平衡，如下式所示：
式中，Qki.t第t个融冰时段内从配电网第l条线路的第k个节点流向第i个节点的无功功率，xki为配电网第l条线路中第k个节点和第i个节点间的电抗，Qij.t为第t个融冰时段内配电网第l条线路中的第i个节点流向第j个节点的无功功率，Qi.t为第t个融冰时段内流入配电网第l条线路中的第i个节点的无功功率；
其中，第t个融冰时段内流入配电网第l条线路中的第i个节点的无功功率Qi.t，按下式确定：
式中，
和
分别为第t个融冰时段t内第l条线路中的i节点中智能软开关的无功功率和负荷无功功率。
各设定融冰时段下线路的各节点间的潮流约束，如下式所示：
式中，Uj.t为第t个融冰时段第l条线路中的第j个节点的电压值，rij为配电网第l条线路中第i个节点和第j个节点间的电阻，xij为配电网第l条线路中第i个节点和第j个节点间的电抗，Iij.t第t个融冰时段内从配电网第l条线路的第i个节点流向第j个节点的融冰电流。
智能软开关中电压源换流器的容量约束是针对配电网在进行线路融冰时使用的智能软开关(SOP)中电压源换流器容量的约束；其中，智能软开关中包含的两个电压源换流器的容量及有功、无功功率是相同的，如图2所示；
在本实施例中，配电网线路中的智能软开关(Soft Open Points,SOP)是以可控电力电子变换器代替传统基于断路器的馈线联络开关，从而实现馈线间常态化柔性“软连接”，能够提供灵活、快速、精确的功率交换控制与潮流优化能力。SOP已被广泛应用于多电压等级供电、有源配电网储能规划、馈线负荷平衡调节等应用场景；
智能软开关中电压源换流器的容量约束，如下式所示：
式中，PVSC为智能软开关中电压源换流器的有功功率，QVSC为智能软开关中电压源换流器的无功功率，SVSC为智能软开关中电压源换流器的容量。
智能软开关功率平衡约束的作用在于：为智能软开关在配电网线路进行潮流变换的过程中约束两个电压源换流器的有功功率和智能软开关的总有功损耗之间的关系；
其中，智能软开关在配电网线路进行潮流变换的过程包括：配电网中两条线路的末端通过智能软开关(SOP)相连，当一端的电压源换流器(VSC)采用P-Q控制时，另一端则采用VDC-Q控制，在该模式下的可控变量有三个，第一个是流过智能软开关(SOP)的有功功率PVSC1，第二个和第三个是智能软开关(SOP)两端发出的无功功率QVSC1、QVSC2。
在本实施例中，当线路1由融冰需求时，通过SOP控制将线路2中的功率转移到线路1，此时线路1的负载增加，连接线路1的电源发出更多功率，从而提升线路1电流实现融冰，当线路2需要融冰时同理；
智能软开关功率平衡约束，如下式所示：
PVSC1+PVSC2+PSOP.loss＝0
式中，PVSC1、PVSC2分别为智能软开关中第一、第二个电压源换流器的有功功率，PSOP.loss为智能软开关的总有功损耗；
其中，智能软开关的总有功损耗PSOP.loss，按下式确定：
式中，ASOP为智能软开关的损耗系数。
在本实施例中，虽然相同的有功、无功对线路融冰的效果是相同的。但是，考虑到智能软开关(SOP)的运行功率约束以及配电网中的功率分配，基于智能软开关(SOP)四象限运行特性，应协调智能软开关(SOP)的有功和无功使配电网产热达到最多；
以单条线路为例，分析智能软开关(SOP)功率对产热的影响，把损耗转化为用视在功率，如下式所示：
式中，P0、Q0为线路的初始有功和无功功率，Q′1为线路产生的热量，I′1′为线路的电流，S′1′为线路的视在功率，R为线路的电阻，|Z|为线路阻抗的模值；
当线路的初始有功和无功功率确定时，直角坐标系中一定点(P0,Q0)到圆的距离最远的点，即产热效果最好时智能软开关(SOP)融冰侧电压源换流器(VSC)的有功、无功出力值，如图3所示。
风险系数确定模块，用于将配电网线路的覆冰预报数据、配电网结构的技术参数及配电网的运行数据输入到配电网线路融冰方案优化模型中进行计算，得到配电网线路融冰的最小风险系数。
融冰方案确定模块，用于将配电网线路融冰的最小风险系数下各线路的融冰顺序及对应的融冰时间作为配电网线路的最优融冰方案；其中包括：覆冰变化量判断子模块和线路融冰顺序和时间确定子模块；
覆冰变化量判断子模块，用于判断配电网线路融冰的最小风险系数下各线路在经过各设定融冰时段的覆冰厚度是否减少或不变；
线路融冰顺序和时间确定子模块，用于将线路在覆冰厚度减少或不变时对应经过的融冰时段作为对应线路的融冰时间，并将各线路对应的融冰时段顺序作为各线路的融冰顺序。
本发明一种配电网线路融冰方案的确定系统通过风险系数确定模块中的配电网线路融冰方案优化模型分析导致线路覆冰的冰风暴天气下线路的覆冰增长及融冰过程中的覆冰减少的叠加效果，并根据随着融冰电流变化融冰厚度的变化关系计算配电网线路融冰最小风险系数；
同时，在融冰工况下，由于在配电网线路融冰方案优化模型的构建过程中将控制的潮流约束条件由安全稳定裕度满足预期要求转变为在风险下的运行安全可接受，考虑天气等因素在合理放宽约束下提出了节点电压和融冰电流对计算配电网线路融冰最小风险系数的约束；且利用智能软开关功率平衡约束优化智能软开关(SOP)的有功无功，进一步实现配电网线路融冰的风险系数最小化。
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (6)
1.一种配电网线路融冰方案的确定方法，其特征在于，包括：获取配电网线路的覆冰预报数据、配电网结构的技术参数及配电网的运行数据；
将所述配电网线路的覆冰预报数据、配电网结构的技术参数及配电网的运行数据输入到配电网线路融冰方案优化模型中进行计算，得到配电网线路融冰的最小风险系数；
将所述配电网线路融冰的最小风险系数下各线路的融冰顺序及对应的融冰时间作为配电网线路的最优融冰方案；
其中，所述配电网线路融冰方案优化模型是利用智能软开关作为配电网线路间的连接装置，以配电网线路融冰的风险系数最小为目标构建的；
所述将所述配电网线路融冰的最小风险系数下各线路的融冰顺序及对应的融冰时间作为配电网线路的最优融冰方案，包括：
判断配电网线路融冰的最小风险系数下各线路在经过各设定融冰时段的覆冰厚度是否减少或不变；
将线路在覆冰厚度减少或不变时对应经过的融冰时段作为对应线路的融冰时间，并将各线路对应的融冰时段顺序作为各线路的融冰顺序；
所述配电网线路融冰方案优化模型的构建，包括：
在所述配电网中，利用智能软开关连接任意两线路之间的末端；以配电网线路融冰的风险系数最小为目标构建目标函数；
以节点电压上下限、线路融冰电流上限、各设定融冰时段下线路的节点间的有功功率平衡和无功功率平衡、各设定融冰时段下线路的各节点间的潮流、智能软开关中电压源换流器的容量、智能软开关功率平衡为所述目标函数构建约束条件；
其中，所述智能软开关包括两个容量、有功功率、无功功率相同的电压源换流器；
所述目标函数，如下式所示：
式中，minRisk为配电网线路融冰的最小风险系数，p0为配电网线路在正常运行下的初始故障概率，Ml.t为第l条线路在经过第t个融冰时段后的覆冰厚度，Mn为配电网线路能承受的覆冰厚度上限，L为配电网内包含的需要融冰的线路数量，T为融冰时段的数量，Sev.l.t为第l条线路在第t个融冰时段的覆冰严重程度；
其中，所述第l条线路在第t个融冰时段的覆冰严重程度Sev.l.t，按下式计算：
式中，ωi为第l条线路中的第i个节点的权重，Pi.t为第l条线路中的第i个节点的有功功率；
所述配电网第l条线路在经过第t个融冰时段后的覆冰厚度Ml.t，按下式计算：
式中，M0为配电网线路的初始覆冰厚度，Ml.t-1为第l条线路在经过t-1融冰时段后的覆冰厚度，ΔM配电网线路的单位时间覆冰增长量，t为第t个融冰时段，Mmelt.t(Il)为配电网第l条线路在经过第t个融冰时段后的融冰厚度；
其中，配电网第l条线路在经过第t个融冰时段后的融冰厚度Mmelt.t(Il)，按下式计算：
式中，minIl为线路l的最小电流，Rh为h℃时导线的单位长度电阻(Ω/m)，Δn为导体温度与外界气温之差(℃)，D为导体直径(cm)，∑d为辐射系数；v为风速。
2.根据权利要求1所述的一种配电网线路融冰方案的确定方法，其特征在于，所述各设定融冰时段下线路的各节点间有功功率平衡约束，如下式所示：
式中，Pki.t、Iki.t为第t个融冰时段内从配电网第l条线路的第k个节点流向第i个节点的有功功率、电流，rki为配电网第l条线路中第k个节点和第i个节点间的电阻，Pij.t为第t个融冰时段内配电网第l条线路中的第i个节点流向第j个节点的有功功率，Pi.t为第t个融冰时段内流入配电网第l条线路中的第i个节点的有功功率；
其中，第t个融冰时段内流入配电网第l条线路中的第i个节点的有功功率Pi.t，按下式确定：
式中，
和
分别为第t个融冰时段t内第l条线路中的i节点中智能软开关的有功功率和负荷有功功率；
优选的，各设定融冰时段下线路的节点间的无功功率平衡约束，如下式所示：
式中，Qki.t第t个融冰时段内从配电网第l条线路的第k个节点流向第i个节点的无功功率，xki为配电网第l条线路中第k个节点和第i个节点间的电抗，Qij.t为第t个融冰时段内配电网第l条线路中的第i个节点流向第j个节点的无功功率，Qi.t为第t个融冰时段内流入配电网第l条线路中的第i个节点的无功功率；
其中，第t个融冰时段内流入配电网第l条线路中的第i个节点的无功功率Qi.t，按下式确定：
式中，
和
分别为第t个融冰时段t内第l条线路中的i节点中智能软开关的无功功率和负荷无功功率。
3.根据权利要求1所述的一种配电网线路融冰方案的确定方法，其特征在于，所述智能软开关容量约束，如下式所示：
式中，PVSC为智能软开关中电压源换流器的有功功率，QVSC为智能软开关中电压源换流器的无功功率，SVSC为智能软开关电压源换流器的容量。
4.根据权利要求3所述的一种配电网线路融冰方案的确定方法，其特征在于，所述智能软开关功率平衡约束，如下式所示：
PVSC1+PVSC2+PSOP.loss＝0
式中，PVSC1、PVSC2分别为智能软开关中第一、第二个电压源换流器的有功功率，PSOP.loss为智能软开关的总有功损耗；
其中，所述智能软开关的总有功损耗PSOP.loss，按下式确定：
式中，ASOP为智能软开关的损耗系数。
5.一种用于如权利要求1-4任一项所述的一种配电网线路融冰方案的确定方法的确定系统，其特征在于，所述配电网线路融冰方案的确定系统，包括：
获取模块，用于获取配电网线路的覆冰预报数据、配电网结构的技术参数及配电网的运行数据；
风险系数确定模块，用于将所述配电网线路的覆冰预报数据、配电网结构的技术参数及配电网的运行数据输入到配电网线路融冰方案优化模型中进行计算，得到配电网线路融冰的最小风险系数；
融冰方案确定模块，用于将所述配电网线路融冰的最小风险系数下各线路的融冰顺序及对应的融冰时间作为配电网线路的最优融冰方案；
其中，所述配电网线路融冰方案优化模型是利用智能软开关作为配电网线路间的连接装置，以配电网线路融冰的风险系数最小为目标构建的。
6.根据权利要求5所述的一种配电网线路融冰方案的确定方法的 确定系统，其特征在于，所述配电网线路融冰方案优化模型的构建，包括：
在所述配电网中，利用智能软开关连接任意两线路之间的末端；以配电网线路融冰的风险系数最小为目标构建目标函数；
以节点电压上下限、线路融冰电流上限、各设定融冰时段下线路的节点间的有功功率平衡和无功功率平衡、各设定融冰时段下线路的各节点间的潮流、智能软开关中电压源换流器的容量、智能软开关功率平衡为所述目标函数构建约束条件；
其中，所述智能软开关包括两个容量、有功功率、无功功率相同的电压源换流器。
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| CN202110949816.9A CN113659515B (zh) | 2021-08-18 | 2021-08-18 | 一种配电网线路融冰方案的确定方法及系统 |
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