CN113922358A - 一种含分布式储能的配电网时序运行可靠性快速评估方法 - Google Patents

一种含分布式储能的配电网时序运行可靠性快速评估方法 Download PDF

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CN113922358A CN202110996935.XA CN202110996935A CN113922358A CN 113922358 A CN113922358 A CN 113922358A CN 202110996935 A CN202110996935 A CN 202110996935A CN 113922358 A CN113922358 A CN 113922358A
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Abstract

本发明公开了一种含分布式储能的配电网时序运行可靠性快速评估方法，涉及配电网运行可靠性评估领域，其步骤包括：输入配电网历史数据，对配电网历史数据进行仿真计算；根据计算结果，建立配电网运行可靠性评估模型，其中配电网运行可靠性评估模型包括用户中断时长与系统电量缺额；获取配电网实时观测数据，通过配电网运行可靠性评估模型对配电网实时观测数据进行评估，得到配电网实时运行可靠性分数。本发明考虑备用馈线可用容量时变能力，通过将故障隔离措施以及适当的负荷转移策略纳入可靠性评估范畴，为调度人员提供全面的短期运行可靠性评估，并给出极端故障假设下负荷实时恢复策略。

Description

一种含分布式储能的配电网时序运行可靠性快速评估方法
技术领域
本发明涉及配电网运行可靠性评估领域，具体是一种含分布式储能的配电网时序运行可靠性快速评估方法。
背景技术
在中压配电系统中，系统的运行可靠性很大程度上取决于及时而准确的故障隔离措施以及适当的负荷转移策略。但是对于含有联络开关的中压馈线，当故障发生时，很难保证随时都有足够的备用容量对故障区域内的负荷进行电能支撑，特别是在负荷高峰时段。因此，我们需要考虑备用馈线可用容量的一个时变能力，否则在运行状态下的可靠性评估结果可能会变得过于乐观，特别是当系统发生极端故障的时候，在可靠性研究中，通常使用适当的可靠性指标来量化系统的可靠性。目前对于可靠性指标的研究相对成熟，可靠性水平通常通过故障场景分析来进行量化，尽管可以使用传统方法来计算不同类型的可靠性指标，例如SAIFI、SAIDI、ENS等，然而这些指标仅适用于计算系统的长期可靠性结果，并且仅适用于离线计算，同时这些长期的可靠性指标也不能揭露由于负荷时变水平、故障位置以及可用储备容量等条件的变化而可能导致的运行中断风险。此外，由于负荷高峰期的总的持续时长在一年中占比较低，即使在负荷高峰期发生极端的故障时，也只会产生很小的影响在这些长期的可靠性指标计算结果上。因此，需要建立短期的运行可靠性指标来发现系统在运行状态下的潜在风险，以提高系统运行可靠性。
发明内容
鉴于上述技术缺点，本发明提供了一种含分布式储能的配电网时序运行可靠性快速评估方法。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种含分布式储能的配电网时序运行可靠性快速评估方法，包括如下步骤：
S1，输入配电网历史数据，对配电网历史数据进行仿真计算，其中配电网历史数据包括配电网运行数据与配电网搭载设备数据，执行步骤S2；
S2，根据计算结果，建立配电网运行可靠性评估模型，其中配电网运行可靠性评估模型包括用户中断时长与系统电量缺额，执行步骤S3；
S3，获取配电网实时观测数据，通过配电网运行可靠性评估模型对配电网实时观测数据进行评估，得到配电网实时运行可靠性分数。
作为优选的，所述步骤2具体为：根据配电网历史数据的仿真计算结果，分别建立储能模型、分布式电源模型、顺序重构模型，结合储能模型、分布式电源模型、顺序重构模型建立配电网运行可靠性评估模型。
作为优选的，所述储能模型的数学表达式如下：
Figure BDA0003234434770000021
Figure BDA0003234434770000022
Figure BDA0003234434770000023
Figure BDA0003234434770000024
Figure BDA0003234434770000025
式中，
Figure BDA0003234434770000026
为t时刻储能的荷电状态，
Figure BDA0003234434770000027
和
Figure BDA0003234434770000028
分别为储能的放电以及充电效率，
Figure BDA0003234434770000029
和
Figure BDA00032344347700000210
分别为储能在t时刻的放电以及充电功率，CESS为储能容量，
Figure BDA00032344347700000211
和
Figure BDA00032344347700000212
分别为储能在t时刻的放电行为以及充电行为。
作为优选的，所述分布式电源模型，其数学表达式如下：
Figure BDA00032344347700000213
式中，
Figure BDA00032344347700000214
为计及误差的分布式能源有功功率，
Figure BDA00032344347700000215
为预测的分布式能源有功功率，
Figure BDA00032344347700000216
为误差。
作为优选的，所述顺序重构模型由目标函数、配电网潮流约束、电压及支路电流约束、重构约束租成；其中目标函数的数学表达式如下：
Figure BDA00032344347700000217
式中，
Figure BDA00032344347700000218
为每个时间尺度下各个联络开关的状态的二进制标量，
Figure BDA00032344347700000219
为每个时间尺度下储能的充放电功率，
Figure BDA00032344347700000220
为t时刻配电系统中DG是输出功率。
作为优选的，所述配电网潮流约束的数学表达式如下：
Figure BDA00032344347700000221
Figure BDA00032344347700000222
式中，gij、bij、
Figure BDA00032344347700000225
分别为馈线段ij的电导、电纳以及并联电纳，
Figure BDA00032344347700000223
分别为节点i上游馈线传输的有功功率和无功功率，j∈K(i)为在t时段与节点i相连接的节点。
作为优选的，所述电压及支路电流约束的数学表达式如下：
Figure BDA00032344347700000224
Figure BDA0003234434770000031
式中，Ωl为馈线中电力传输线的集合，
Figure BDA0003234434770000032
和
Figure BDA0003234434770000033
分别为节点i处电压最小值及最大值，
Figure BDA0003234434770000034
为直流ij允许流过的电流上限。
作为优选的，步骤S2中所述的用户中断时长，其数学表达式如下：
Figure BDA0003234434770000035
式中，Tf为故障转移过程的时序时间间隔的集合，Ωn为馈线节点的集合，Nn为节点n处用户数量，
Figure BDA0003234434770000036
为二进制变量，表示在时间间隔t时节点n处的负荷中断情况，Δt为时间尺度。
作为优选的，步骤2中所述的系统电量缺额，其数学表达式如下：
Figure BDA0003234434770000037
式中，
Figure BDA0003234434770000038
为节点n在t时刻链接到馈线的所有用户的功率总和。
本发明的有益效果是：本发明考虑备用馈线可用容量时变能力，通过将故障隔离措施以及适当的负荷转移策略纳入可靠性评估范畴，为调度人员提供全面的短期运行可靠性评估，并给出极端故障假设下负荷实时恢复策略。
附图说明
图1为本发明提供的：流程示意图；
图2为本发明提供的：框架示意图；
图3为本发明提供的：负荷恢复示意图；
图4为本发明提供的：代码示意图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1，2所示，S1、面向系统运行状态潜在风险提出短期配电网运行可靠性评估指标；
S2、收集配电网搭载设备特点，建立储能与分布式电源模型；
S3、建立顺序重构模型，包含目标函数、配电网潮流约束、电压及支路电流约束、重构约束，通过更改区域内分段开断的开关状态来进行配电网拓扑重构，从而最大程度上使故障区域内的用户恢复供电；
S4、依托所提算法特征，以确定每条支路转供优先级如果目标是最大程度地减少用户的平均停电时间，则根据每个节点中的客户数量对优先级进行排序；如果目标是最大程度地降低功率损耗，则应选择负荷最大的传输路径；
S5、开展最严重的极端事件仿真，最为严重的极端故障场景为馈线出口发生故障，在这种场景下，除了那些成功转移到备用馈线的用户之外，其余所有用户都会遭受停电风险；
S6、对于每个预测评估时段t，针对每个备用资源连续地执行负荷转供路径的搜索过程，形成转供策略。
S7、依托所提算法流程，形成更新t时刻的可靠性指标及故障背景下负荷恢复策略。
S8、更新短期负荷预测数据及网络拓扑结构，返回步骤S2。
进一步地，所述步骤S1中，面向系统运行状态潜在风险提出短期配电网运行可靠性评估指标，包含以下两个指标：
用户中断时长
用户中断时长指标定义为运用周期t中由于发生极端故障而导致的馈线用户平均功率恢复时间，其数学表达式如下：
Figure BDA0003234434770000041
式中：Tf代表故障转移过程的时序时间间隔的集合；Ωn为馈线节点的集合；Nn为节点n处用户数量；αt n为一个二进制变量，表示在时间间隔t时节点n处的负荷中断情况，当αt n＝1时，表示节点n在t时刻处于断电状态，否则，节点n处于负荷恢复状态；Δt代表时间尺度，通常为一个常数，在本文中，设定时间尺度为1小时。
系统电量缺额
系统电量缺额指标用于评估当系统处于极端故障场景下的总的电能损耗，其数学表达式如下：
Figure BDA0003234434770000042
式中：Pt n代表节点n在t时刻链接到馈线的所有用户的功率总和。
进一步地，所述步骤S2中，收集配电网搭载设备特点，建立储能与分布式电源模型，具体为：
储能模型
储能系统能够为故障区域提供紧急电能支撑，能够避免不必要的配电系统停电事故发生。连接到节点n的储能充放电行为可以用如下公式进行描述：
Figure BDA0003234434770000051
Figure BDA0003234434770000052
Figure BDA0003234434770000053
Figure BDA0003234434770000054
Figure BDA0003234434770000055
式中：SOCt n代表t时刻储能的荷电状态；ηdis n和ηcha n分别代表储能的放电以及充电效率；Pt dis,n和Pt cha,n分别代表储能在t时刻的放电以及充电功率；CESS代表储能容量；dt dis,n和dt cha,n为两个二进制变量，代表储能在t时刻的放电以及充电行为，当dt dis,n＝1时，表示储能处于放电阶段，当dt cha,n＝1时，则表示储能处于充电阶段。
分布式电源
随着人们对环境越来越重视，国家也大力提倡发展清洁能源。在配电系统中，适当的分布式发电(如光伏发电、风力发电)的集成有利于提高配电系统的可靠性，因为这些分布式电源能够为系统提供额外的电能支撑。在本节中，通过短期的预测获取节点n的DG的时序输出功率。假定预测误差Δεt n服从正态分布，平均值为μn，标准差为σn，因此实际的DG输出功率可以用下式进行表示：
Figure BDA0003234434770000056
同时，DG的注入的无功功率用式下式表示：
Figure BDA0003234434770000057
PFDG,n是连接到节点n的DG的功率因素。
进一步地，所述步骤S3中，建立顺序重构模型，包含目标函数、配电网潮流约束、电压及支路电流约束、重构约束，通过更改区域内分段开断的开关状态来进行配电网拓扑重构，从而最大程度上使故障区域内的用户恢复供电，具体为:
目标函数
以本节中所建立的两个运行可靠性指标最小为目标建立目标函数，因此目标函数可用下式进行表述：
Figure BDA0003234434770000058
式中：RCML和RENS为本文所提的两个运行可靠性指标；xt switch、xt SOC和xt DG分别为三个决策变量；xt switch代表每个时间尺度下各个联络开关的状态的二进制标量；xt SOC代表每个时间尺度下储能的充放电功率；xt DG代表t时刻配电系统中DG是输出功率。通过利用配电系统内的灵活资源(例如备用馈线、网络拓扑重构以及储能等设备)可以提高系统的运行可靠性，最大程度减少故障区域内用户的停电时间。
配网潮流约束
在直角坐标系中建立顺序重构模型。假定τt ij∈{0,1}表示馈线段ij的状态，其中i和j属于馈线节点Ωn的集合；V*i＝ei+jfi表示复数形式的节点电压i的电压，其中ei和fi分别为实部和虚部。于是，在每个时间尺度t∈T下，节点i∈Ωn功率平衡方程可用下式表达：
Figure BDA0003234434770000061
Figure BDA0003234434770000062
式中：gij、bij和bsh ij分别代表馈线段ij的电导、电纳以及并联电纳；Pt up,i和Qt up,i分别代表节点i上游馈线传输的有功功率和无功功率；j∈K(i)代表在t时段与节点i相连接的节点。
电压及支路电流约束
节点电压和支路电流约束可用下式表达：
Figure BDA0003234434770000063
Figure BDA0003234434770000064
式中：Ωl为馈线中电力传输线的集合；Vmin i和Vmax i分别代表节点i处电压最小值及最大值；Imax ij代表直流ij允许流过的电流上限。
重构约束
在配电网重构过程中，还需要加入约束条件以确保配电网呈放射状拓扑状态，约束条件如下：
Figure BDA0003234434770000065
式中：Ωsw代表馈线中分段开关的集合。
同时对于任何时间段t，负荷恢复区域的功率总和应小于区域内可用容量之和，约束条件如下：
Figure BDA0003234434770000066
式中：Ωres为备用电源集合；Ct k为t时刻第k个备用电源能够提供的可用容量；λti,k为一个二进制标量，当λt i,k＝1时代表在t时刻节点i处的用户将由第k个备用电源供电。
此外在负荷恢复过程中，应避免同一节点重复出现停电情况，因此需要考虑负荷转供的连续性约束，该约束可用下式表达：
Figure BDA0003234434770000071
假如节点i在第t个周期中恢复供电，则节点i在第t+1个时段也应该恢复供电。换句话说，一旦节点在任何故障期间开始恢复供电，则该节点在以后时刻也将能够恢复供电，直到故障被修复为止。
进一步地，所述步骤S4中，依托所提算法特征，以确定每条支路转供优先级如果目标是最大程度地减少用户的平均停电时间，则根据每个节点中的客户数量对优先级进行排序；如果目标是最大程度地降低功率损耗，则应选择负荷最大的传输路径，具体为：
定义DA为一个存储在负荷转供过程中已搜索到的节点的集合，其包含A(i)和NA两个参数。A(i)代表第i个节点的节点号，NA代表DA中的节点数量。在对每个备用电源进行路径搜索之前会对DA进行初始化，因此DA中仅包含当前备用电源的转供搜索中的节点。
定义DB为一个待转供节点集合，其包含B(i)和NB两个参数。B(i)代表第i个节点的节点号，NB代表DB集合中的节点数量。DB在转供初始时为空集。
定义wi为节点i恢复停电的时间，αi为初始化的故障发生时间。
对于每对节点m和n，βmn通过下式进行定义：
βmn＝max wi i∈Ωmn
式中：Ωmn代表节点m到节点n的线路中包含的所有节点的集合。同时考虑电网的辐射状拓扑约束，网络中任何两个节点的之间的连线都是唯一的，因此βmn在每个负荷转供策略中也将是唯一的。
进一步地，所述步骤S5中，开展最严重的极端事件仿真，最为严重的极端故障场景为馈线出口发生故障，在这种场景下，除了那些成功转移到备用馈线的用户之外，其余所有用户都会遭受停电风险，具体为：
基于故障持续时间以及负荷损失的严重程度，建立了两个可靠性指标来计算系统的运行可靠性。这两个指标主要用于量化中压馈线在极端故障场景下系统中断的严重程度，同时为了简化处理，做出一下三种假设：
1)定义最为严重的极端故障场景为馈线出口发生故障，在这种场景下，除了那些成功转移到备用馈线的用户之外，其余所有用户都会遭受停电风险。
2)发生故障后，假定用户在故障转移操作期间经历了至少几分钟的电源中断。
3)假定故障期间用户的故障持续时间取决于上一次中断中的负荷转移水平。
进一步地，所述步骤S6中，对于每个预测评估时段t，针对每个备用资源连续地执行负荷转供路径的搜索过程，形成转供策略，具体为：
如图3所示，提出了一种贪婪搜索算法，以提高算法求解效率，本文所提算法具有如下几种特征：
a)为了提高故障后电网的安全性和稳定性，当有多个备用电源可用时，最好使用大容量电源进行负载转移操作。
b)对于每个备用电源，当转移多个负荷节点时，将根据其优先级选择转移路径，这些优先级根据目标函数进行设置。例如，如果目标是最大程度地减少用户的平均停电时间，则根据每个节点中的客户数量对优先级进行排序；如果目标是最大程度地降低功率损耗，则应选择负荷最大的传输路径。在本文研究中，设定目标是在N-1故障情况下最大程度地降低功率损耗，因此会优先转移负载较大的节点。
进一步地，所述步骤S7中，依托所提算法流程，形成更新t时刻的可靠性指标及故障背景下负荷恢复策略。
当配电系统在一定时期内运行时，该算法模拟了未来时期的故障情况。对于每个预测评估时段t，针对每个备用资源连续地执行负荷转供路径的搜索过程。最后，在负荷转供期间优化分配备用资源，并计算负荷转供策略下的运行可靠性指标。
所提算法的核心是每个备用电源资源的负荷转供路径搜索过程。
如图4所示，条件A：条件A需要满足一下三个条件：1)节点i不在DA集合中；2)节点i需与DA集合中的任意一个节点j相连；3)节点i和节点j连接后，网络保持放射状拓扑结构。
条件B：条件B需要满足以下两个条件：1)备用电源在t时段满足负荷要求；2)在t时段满足电压和支路电流约束。
该算法的计算复杂度受多个因素的影响，例如网络规模，备用资源质量和时间尺度。在负荷转供搜索过程的最极端情况下，需要分析每个节点(通过分段开关连接的区域等效于一个节点)，以在每个周期中进行负荷恢复。对于每一个额外的备用电源资源，将执行一次负荷转供搜索过程。由于本文所提搜索和贪婪优化算法都不是迭代的，因此可以将计算复杂度视为与问题的规模成线性比例。因此，所提算法的时间复杂度为O(abc)，其中a为分段开关的数量，b为备用电源的数量，c为时间段的数量。适用于大规模电网运行可靠性评估工作。
进一步地，所述步骤S8中更新短期负荷预测数据及网络拓扑结构，返回步骤S2。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种含分布式储能的配电网时序运行可靠性快速评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，输入配电网历史数据，对配电网历史数据进行仿真计算，其中配电网历史数据包括配电网运行数据与配电网搭载设备数据，执行步骤S2；
S2，根据计算结果，建立配电网运行可靠性评估模型，其中配电网运行可靠性评估模型包括用户中断时长与系统电量缺额，执行步骤S3；
S3，获取配电网实时观测数据，通过配电网运行可靠性评估模型对配电网实时观测数据进行评估，得到配电网实时运行可靠性分数。
2.根据权利要求1所述的一种含分布式储能的配电网时序运行可靠性快速评估方法，其特征在于，所述步骤2具体为：根据配电网历史数据的仿真计算结果，分别建立储能模型、分布式电源模型、顺序重构模型，结合储能模型、分布式电源模型、顺序重构模型建立配电网运行可靠性评估模型。
3.根据权利要求2所述的一种含分布式储能的配电网时序运行可靠性快速评估方法，其特征在于，所述储能模型的数学表达式如下：
Figure FDA0003234434760000011
Figure FDA0003234434760000012
Figure FDA0003234434760000013
Figure FDA0003234434760000014
Figure FDA0003234434760000015
式中，
Figure FDA0003234434760000016
为t时刻储能的荷电状态，
Figure FDA0003234434760000017
和
Figure FDA0003234434760000018
分别为储能的放电以及充电效率，
Figure FDA0003234434760000019
和
Figure FDA00032344347600000110
分别为储能在t时刻的放电以及充电功率，CESS为储能容量，
Figure FDA00032344347600000111
和
Figure FDA00032344347600000112
分别为储能在t时刻的放电行为以及充电行为。
4.根据权利要求2所述的一种含分布式储能的配电网时序运行可靠性快速评估方法，其特征在于，所述分布式电源模型，其数学表达式如下：
Figure FDA00032344347600000113
式中，
Figure FDA00032344347600000114
为计及误差的分布式能源有功功率，
Figure FDA00032344347600000115
为预测的分布式能源有功功率，
Figure FDA00032344347600000116
为误差。
5.根据权利要求2所述的一种含分布式储能的配电网时序运行可靠性快速评估方法，其特征在于，所述顺序重构模型由目标函数、配电网潮流约束、电压及支路电流约束、重构约束租成；
其中目标函数的数学表达式如下：
Figure FDA0003234434760000021
式中，
Figure FDA0003234434760000022
为每个时间尺度下各个联络开关的状态的二进制标量，
Figure FDA0003234434760000023
为每个时间尺度下储能的充放电功率，
Figure FDA0003234434760000024
为t时刻配电系统中DG是输出功率。
6.根据权利要求5所述的一种含分布式储能的配电网时序运行可靠性快速评估方法，其特征在于，所述配电网潮流约束的数学表达式如下：
Figure FDA0003234434760000025
Figure FDA0003234434760000026
式中，gij、bij、
Figure FDA0003234434760000027
分别为馈线段ij的电导、电纳以及并联电纳，
Figure FDA0003234434760000028
分别为节点i上游馈线传输的有功功率和无功功率，j∈K(i)为在t时段与节点i相连接的节点。
7.根据权利要求5所述的一种含分布式储能的配电网时序运行可靠性快速评估方法，其特征在于，所述电压及支路电流约束的数学表达式如下：
Figure FDA0003234434760000029
Figure FDA00032344347600000210
式中，Ω1为馈线中电力传输线的集合，
Figure FDA00032344347600000211
和
Figure FDA00032344347600000212
分别为节点i处电压最小值及最大值，
Figure FDA00032344347600000213
为直流ij允许流过的电流上限。
8.根据权利要求1所述的一种含分布式储能的配电网时序运行可靠性快速评估方法，其特征在于，步骤S2中所述的用户中断时长，其数学表达式如下：
Figure FDA00032344347600000214
式中，Tf为故障转移过程的时序时间间隔的集合，Ωn为馈线节点的集合，Nn为节点n处用户数量，
Figure FDA00032344347600000215
为二进制变量，表示在时间间隔t时节点n处的负荷中断情况，Δt为时间尺度。
9.根据权利要求1所述的一种含分布式储能的配电网时序运行可靠性快速评估方法，其特征在于，步骤2中所述的系统电量缺额，其数学表达式如下：
Figure FDA00032344347600000216
式中，
Figure FDA00032344347600000217
为节点n在t时刻链接到馈线的所有用户的功率总和。
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