CN115292869A - 考虑大规模光伏储能接入的钻石型配电网可靠性计算方法 - Google Patents

考虑大规模光伏储能接入的钻石型配电网可靠性计算方法 Download PDF

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CN115292869A CN202210308024.8A CN202210308024A CN115292869A CN 115292869 A CN115292869 A CN 115292869A CN 202210308024 A CN202210308024 A CN 202210308024A CN 115292869 A CN115292869 A CN 115292869A
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Abstract

本发明公开了考虑大规模光伏储能接入的钻石型配电网可靠性计算方法，涉及电力系统配电技术领域，具体步骤如下：首先，构建钻石型配电网网架结构模型；其次，构建光伏储能微电网系统运行模型；最后，基于序贯蒙特卡洛模拟计算大规模光伏储能接入下的钻石型配电网可靠性计算。本发明针对当前新型配电系统大规模光伏储能接入后因新能源出力不稳定带来的可靠性计算困难问题，基于序贯蒙特卡洛模拟，针对钻石型配电网典型网架结构，实现了钻石型配电网的可靠性计算。

Description

考虑大规模光伏储能接入的钻石型配电网可靠性计算方法
技术领域
本发明涉及考虑大规模光伏储能接入的钻石型配电网可靠性计算方法，属于电力系统配电技术领域。
背景技术
配电系统是面向用户电力能源供应的核心环节，也是实现电能转换和利用的重要基础设施。配电网是支持需求侧响应管理，承载大量可再生能源和分布式能源的重要平台。而在以新能源为主体的新型电力系统趋势下，配电系统的经济性、灵活性与可靠性等指标与系统形态的关联更加密切。智能配电网的持续发展促使可再生清洁能源越来越多的接入电网，分布式电源在缓解能源压力、保护环境、灵活发电的同时，也给配电网的安全稳定运行带来挑战。
城市配电网有着用电量大、负荷密度高、安全可靠和供电质量要求高等特点。随着智能电网的不断发展与新技术的应用，城市配电网正向着接纳大量分布式电源、微电网等用户侧新型负荷的智能化电网转变。近期上海市根据自身城市配电网的发展，总结出钻石型配电网的结构。钻石型配电网是以用户为中心的配电网。通过站间负荷转移，可以快速隔离故障并恢复供电，确保中低压用户可靠的供电质量。
目前，新型配电系统大规模新能源接入后因新能源出力不稳定问题是计算钻石型配电网可靠性的最大难点。传统基于解析法虽然具有较高的准确性，但当系统规模变大时计算时间长，且接入新能源后往往无法准确计算。提出考虑大规模光伏储能接入的钻石型配电网可靠性分析计算方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：考虑大规模光伏储能接入的钻石型配电网可靠性计算方法，在保证可靠性计算准确性的同时，兼顾了算法的高效性，解决了现有可靠性计算不准确的问题。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：考虑大规模光伏储能接入的钻石型配电网可靠性计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，构建钻石型配电网网架结构模型，制定故障分析策略；
步骤2，构建故障发生时光伏储能微电网系统运行模型；
步骤3，基于序贯蒙特卡洛模拟进行可靠性计算。
作为本发明进一步的方案，步骤1所述构建钻石型配电网网架结构模型包括主干网和次干网两层结构，两侧变电站之间串接四个K型站，正常运行时开环运行，第二第三个K型站之间的联络线断开，故障发生后可通过联络线转移站间负荷、恢复供电，
所述主干网以全部进出线均配置断路器的K型站为核心节点，采用双侧电源四回路就近供电，全部线路形成环网连接、开环运行并配置自愈功能的双环网结构；
所述次干网以全部进出线均配置环网开关的P型站为核心节点，负荷点接入次干网P型站。
区域内负荷可根据容量接入次干网P型站或主干网开关站，分布式能源可根据容量接入K型站或P型站
作为本发明进一步的方案，步骤1中所述故障分析策略如下,考虑K型站母线，输电线路、配电变压器元件的故障状态，根据每个元件发生故障后对负荷点的影响生成故障后果分析矩阵，假设该网络共有m个元件，n个负荷点，其中aij表示第i个元件故障后对第j个负荷点的影响，若aij＝0表示无影响，若aij＝1表示有影响，生成的故障后果分析矩阵D为：
Figure BDA0003566446140000021
根据该故障后果分析矩阵即可在序贯蒙特卡洛模拟元件故障时，得到不同元件对负荷点的影响，进而计算系统可靠性指标。
作为本发明进一步的方案，所述步骤2中，
当故障发生时，若上级电网无法向微网供电，微电网将形成孤岛运行，此时忽略光伏与储能发生故障的情况，考虑光伏储能出力能否满足微电网内部的负荷需求，孤岛运行时计算负荷电用户平均停电时间与平均停电次数，迭代运算如下，
步骤2.1，初始化，令孤岛运行时间，最短模拟时长，得到上级电网故障发生时刻，由上级电网故障修复时间得到孤岛运行最大时间；
步骤2.2，读取时刻k光伏输出功率
Figure BDA0003566446140000022
负荷需求
Figure BDA0003566446140000023
储能剩余电量SOCk；
步骤2.2，判断若
Figure BDA0003566446140000024
储能充电功率
Figure BDA0003566446140000025
储能剩余电量SOCk+1＝SOCk+Pcharget。若
Figure BDA0003566446140000026
计算此时微电网最大出力
Figure BDA0003566446140000027
若
Figure BDA0003566446140000028
Ploss＝0，若
Figure BDA0003566446140000029
负荷点损失功率
Figure BDA00035664461400000210
步骤2.4，计算负荷点切除的用户数
Figure BDA0003566446140000031
其中Ni为负荷点i的用户数，用户被切除后本次孤岛运行用户将不再接入电网，计算负荷点用户平均停电时间
Figure BDA0003566446140000032
步骤2.5，更新故障时间k＝k+1，ts＝ts+1。若ts≥ts,max，退出孤岛运行，统计负荷点用户平均停电时间te，负荷点平均停电次数
Figure BDA0003566446140000033
Ni为负荷点i的用户数，
Figure BDA0003566446140000034
为最大切除用户数，否则返回步骤2.2继续模拟计算。
作为本发明进一步的方案，所述步骤3基于序贯蒙特卡洛模拟进行可靠性计算方法如下：
元件无故障运行时间TTF，元件修复时间TTR抽样公式如下，其中λ为元件的故障率，μ为元件的修复率：
Figure BDA0003566446140000035
Figure BDA0003566446140000036
对TTF和TTR分别交替抽样，对配电网中每个元件状态抽样可以获得整个系统随时间的状态变化；
对系统的元件状态进行抽样，得到系统故障状态，判断受影响的负荷点能否通过转供恢复供电，若能通过转供恢复供电，孤岛运行时间为转供时间，否则为元件修复时间，对受故障影响负荷点的负荷，模拟孤岛运行期间光伏储能的出力，计算负荷点用户平均停电时间和用户平均停电次数，最后得到系统的可靠性指标；
作为本发明进一步的方案，对具有m个元件的钻石型配电网络，具体可靠性评估步骤如下：
步骤3.1，初始化时钟t＝0，读入元件参数，负荷参数，网络参数；
步骤3.2，随机生成m个[0,1]之间均匀分布的随机数，根据不同元件的故障率λ与修复率μ，得到元件无故障运行时间TTF；
步骤3.3，获得最小的TTF，根据故障元件判断故障类型，故障影响，根据元件修复率取随机数带入元件状态抽样公式获得元件修复时间TTR；
步骤3.4，获得本次故障影响的区域，受影响的负荷点孤岛运行，统计各负荷点停电时间，停电次数等信息；
步骤3.5，更新时间t＝t+TTR+TTF，判断时间t是否达到仿真年限T，若未达到返回步骤3.2。若达到计算各负荷点及系统可靠性指标。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、现有针对新型电力系统可靠性计算方法中，传统计算方法的研究缺乏对大规模新能源接入的有效处理手段。传统基于解析法在无新能源接入时虽然具有较高的准确性，但当系统接入新能源后往往无法准确计算。本发明考虑了钻石型配电网这一新型结构，采用基于序贯蒙特卡洛模拟的计算方法，通过新能源出力及系统故障的时序模拟，保证了可靠性计算的准确性。
2、现有针对新型电力系统可靠性计算方法的研究如需保证可靠性指标快速计算，往往需要采用解析法进行求解，但当系统规模变大导致计算效率较低，无法适用于大规模新型电力系统可靠性计算。本发明提出的基于序贯蒙特卡洛模拟计算方法在计算前预先生成故障分析矩阵加快计算效率，故障发生后根据故障后果影响进行负荷点孤岛运行模拟，因此在保证解准确性的基础上，兼顾了求解的快速性。
附图说明
图1是本发明的钻石型配电网可靠性分析计算方法的流程图；
图2是本发明的钻石型配电网典型网架结构示意图；
图3是本发明实施例中夏季冬季两种典型日负荷点负荷曲线及光伏出力曲线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，为本发明考虑大规模光伏储能接入的钻石型配电网可靠性计算方法的流程图，包括如下步骤：
步骤1构建钻石型配电网网架结构模型如下。
钻石型城市配电网是以开关站为核心主次分层的配电网。钻石型配电网典型网架结构如图2所示。从用户供电视角看，钻石型城市配电网构建的是一个“以用户为中心”的配电网。无论是提供低压用户供电电源的次干网10kV环网站，还是提供中压用户供电电源的主干网10kV开关站，任意一回10kV及以上公共电网线路故障时都能够及时转供，以保障用户可靠供电。
钻石型配电网主干网以全部进出线均配置断路器的开关站(K型站)为核心节点，采用双侧电源四回路就近供电，全部线路形成环网连接、开环运行并配置自愈功能的双环网结构。次干网以全部进出线均配置环网开关的环网站(P型站)为核心节点，负荷点接入次干网P型站。
网架模型中考虑开关站母线，输电线路、配电变压器等元件，根据每个元件发生故障后对负荷点的影响生成故障后果分析矩阵。假设该网络共有m个元件，n个负荷点，其中aij表示第i个元件故障后对第j个负荷点的影响，若aij＝0表示无影响，若aij＝1表示有影响，生成的故障后果分析矩阵D为：
Figure BDA0003566446140000051
根据该故障后果分析矩阵即可在序贯蒙特卡洛模拟元件故障时，得到不同元件对负荷点的影响，进而计算系统可靠性指标。
步骤2构建故障发生时光伏储能微电网系统运行模型如下。
当故障发生时，若上级电网无法向微网供电，微电网将形成孤岛运行，此时忽略光伏与储能发生故障的情况，考虑光伏储能出力能否满足微电网内部的负荷需求。孤岛运行时计算负荷电用户平均停电时间与平均停电次数，具体算法如下
步骤2.1，初始化，令孤岛运行时间，最短模拟时长，得到上级电网故障发生时刻，由上级电网故障修复时间得到孤岛运行最大时间。
步骤2.2，读取时刻k光伏输出功率
Figure BDA0003566446140000052
负荷需求
Figure BDA0003566446140000053
储能剩余电量SOCk
步骤2.3，判断若
Figure BDA0003566446140000054
储能充电功率
Figure BDA0003566446140000055
储能剩余电量SOCk+1＝SOCk+Pcharget。若
Figure BDA0003566446140000056
计算此时微电网最大出力
Figure BDA0003566446140000057
若
Figure BDA0003566446140000058
Ploss＝0，若
Figure BDA0003566446140000059
负荷点损失功率
Figure BDA00035664461400000510
步骤2.4，计算负荷点切除的用户数
Figure BDA00035664461400000511
其中Ni为负荷点i的用户数，用户被切除后本次孤岛运行用户将不再接入电网，计算负荷点用户平均停电时间
Figure BDA00035664461400000512
步骤2.5，更新故障时间k＝k+1，ts＝ts+1。若ts≥ts,max，退出孤岛运行，统计负荷点用户平均停电时间te，负荷点平均停电次数
Figure BDA00035664461400000513
Ni为负荷点i的用户数，
Figure BDA00035664461400000514
为最大切除用户数，否则返回步骤2.2继续模拟计算。
步骤3基于序贯蒙特卡洛模拟进行可靠性计算具体过程如下：
元件无故障运行时间TTF，元件修复时间TTR抽样公式如下，其中λ为元件的故障率，μ为元件的修复率：
Figure BDA0003566446140000061
Figure BDA0003566446140000062
对TTF和TTR分别交替抽样，可得到元件状态循环过程如图所示，对配电网中每个元件状态抽样可以获得整个系统随时间的状态变化。
对系统的元件状态进行抽样，得到系统故障状态，判断受影响的负荷点能否通过转供恢复供电，若能通过转供恢复供电，孤岛运行时间为转供时间，否则为元件修复时间。对受故障影响负荷点的负荷，模拟孤岛运行期间光伏储能的出力，计算负荷点用户平均停电时间，用户平均停电次数。最后得到系统的可靠性指标。基于蒙特卡罗模拟的钻石型配电网可靠性算法流程图如图所示。
对具有m个元件的钻石型配电网络，具体可靠性评估流程如下：
步骤3.1，初始化时钟t＝0，读入元件参数，负荷参数，网络参数。
步骤3.2，随机生成m个[0,1]之间均匀分布的随机数，根据不同元件的故障率λ与修复率μ，得到元件无故障运行时间TTF
步骤3.3，获得最小的TTF，根据故障元件判断故障类型，故障影响，根据元件修复率取随机数带入元件状态抽样公式获得元件修复时间TTR。
步骤3.4，获得本次故障影响的区域，受影响的负荷点孤岛运行，统计各负荷点停电时间，停电次数等信息。
步骤3.5，更新时间t＝t+TTR+TTF，判断时间t是否达到仿真年限T，若未达到返回步骤3.2。若达到计算各负荷点及系统可靠性指标。
下面以钻石型配电网典型网架结构为例，其系统参数表1至表2所示。
表1元件故障参数
参数 参数值
电缆故障率(次/百km) 0.84
电缆修复时间(h) 8
配变故障率(次/年·台) 0.00135
配变修复时间(h) 36
母线故障率(次/年) 0.0005
母线修复时间(h) 36
表2不同配电系统自动化转供时间
Figure BDA0003566446140000063
Figure BDA0003566446140000071
以上述钻石型配电网典型网架为例，假设系统中每一个负荷点L，都配置了一定容量的光伏储能，以在系统发生故障无法向负荷点供电时维持负荷点内用户的持续供电。时间尺度设置为1小时，仿真总年限设定为10000年，考虑一年夏季冬季两种典型负荷曲线及光伏出力如图3所示，当光伏接入最大出力与该负荷点夏季典型日最大负荷相等时称接入100％容量，否则按光伏最大出力与最大负荷需求的比值确定容量。可靠性计算的主要技术指标如表3至表4所示。
表3一小时隔离转供可靠性计算结果
ASAI SAIDI SAIFI
0％容量 99.99904％ 0.08352 0.01624
25％容量 99.99918％ 0.07187 0.01339
50％容量 99.99923％ 0.06729 0.01108
75％容量 99.99934％ 0.05765 0.00762
100％容量 99.99944％ 0.04912 0.00552
表4 3分钟隔离转供可靠性计算结果
ASAI SAIDI SAIFI
0％容量 99.99918％ 0.07105 0.01616
25％容量 99.99931％ 0.06038 0.00165
50％容量 99.99933％ 0.05803 0.00158
75％容量 99.99941％ 0.05202 0.00142
100％容量 99.99949％ 0.04436 0.00121
计算结果表明，负荷点接入光伏和储能后，故障发生时负荷点微电网可形成孤岛运行，保证对用户的供电，降低负荷点用户平均停电次数与平均停电时间，相比没有配置光伏储能的情况，系统可靠性指标有提升。同时随着光伏容量的不断提升，供电可靠性也不断提升，用户平均停电时间与停电次数也逐渐降低。同时不同配电系统自动化水平也会对系统可靠性造成影响。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.考虑大规模光伏储能接入的钻石型配电网可靠性计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，构建钻石型配电网网架结构模型，制定故障分析策略；
步骤2，构建故障发生时光伏储能微电网系统运行模型；
步骤3，基于序贯蒙特卡洛模拟进行可靠性计算。
2.根据权利要求1所述考虑大规模光伏储能接入的钻石型配电网可靠性分析计算方法，其特征在于，步骤1所述构建钻石型配电网网架结构模型包括主干网和次干网两层结构，两侧变电站之间串接四个K型站，正常运行时开环运行，第二第三个K型站之间的联络线断开，故障发生后可通过联络线转移站间负荷、恢复供电，
所述主干网以全部进出线均配置断路器的K型站为核心节点，采用双侧电源四回路就近供电，全部线路形成环网连接、开环运行并配置自愈功能的双环网结构；所述次干网以全部进出线均配置环网开关的P型站为核心节点，单环网连接，配置配电自动化，
区域内负荷可根据容量接入次干网P型站或主干网开关站，分布式能源可根据容量接入K型站或P型站。
3.根据权利要求2所述考虑大规模光伏储能接入的钻石型配电网可靠性分析计算方法，其特征在于，步骤1中所述故障分析策略如下,考虑K型站母线，输电线路、配电变压器元件的故障状态，根据每个元件发生故障后对负荷点的影响生成故障后果分析矩阵，假设该网络共有m个元件，n个负荷点，其中aij表示第i个元件故障后对第j个负荷点的影响，若aij＝0表示无影响，若aij＝1表示有影响，生成的故障后果分析矩阵D为：
Figure FDA0003566446130000011
根据该故障后果分析矩阵即可在序贯蒙特卡洛模拟元件故障时，得到不同元件对负荷点的影响，进而计算系统可靠性指标。
4.根据权利要求1所述考虑大规模光伏储能接入的钻石型配电网可靠性计算方法，其特征在于，所述步骤2中，
当故障发生时，若上级电网无法向微网供电，微电网将形成孤岛运行，此时忽略光伏与储能发生故障的情况，考虑光伏储能出力能否满足微电网内部的负荷需求，孤岛运行时计算负荷电用户平均停电时间与平均停电次数，迭代运算如下，
步骤2.1，初始化，令孤岛运行时间，最短模拟时长，得到上级电网故障发生时刻，由上级电网故障修复时间得到孤岛运行最大时间；
步骤2.2，读取时刻k光伏输出功率
Figure FDA0003566446130000021
负荷需求
Figure FDA0003566446130000022
储能剩余电量SOCk；
步骤2.2，判断若
Figure FDA0003566446130000023
储能充电功率
Figure FDA0003566446130000024
储能剩余电量SOCk+1＝SOCk+Pcharget。若
Figure FDA0003566446130000025
计算此时微电网最大出力
Figure FDA0003566446130000026
若
Figure FDA0003566446130000027
Ploss＝0，若
Figure FDA0003566446130000028
负荷点损失功率
Figure FDA0003566446130000029
步骤2.4，计算负荷点切除的用户数
Figure FDA00035664461300000210
其中Ni为负荷点i的用户数，用户被切除后本次孤岛运行用户将不再接入电网，计算负荷点用户平均停电时间
Figure FDA00035664461300000211
步骤2.5，更新故障时间k＝k+1，ts＝ts+1。若ts≥ts,max，退出孤岛运行，统计负荷点用户平均停电时间te，负荷点平均停电次数
Figure FDA00035664461300000212
Ni为负荷点i的用户数，
Figure FDA00035664461300000213
为最大切除用户数，否则返回步骤2.2继续模拟计算。
5.根据权利要求1所述考虑大规模光伏储能接入的钻石型配电网可靠性计算方法，其特征在于，所述步骤3基于序贯蒙特卡洛模拟进行可靠性计算方法如下：
元件无故障运行时间TTF，元件修复时间TTR抽样公式如下，其中λ为元件的故障率，μ为元件的修复率：
Figure FDA00035664461300000214
Figure FDA00035664461300000215
对TTF和TTR分别交替抽样，对配电网中每个元件状态抽样可以获得整个系统随时间的状态变化；
对系统的元件状态进行抽样，得到系统故障状态，判断受影响的负荷点能否通过转供恢复供电，若能通过转供恢复供电，孤岛运行时间为转供时间，否则为元件修复时间，对受故障影响负荷点的负荷，模拟孤岛运行期间光伏储能的出力，计算负荷点用户平均停电时间和用户平均停电次数，最后得到系统的可靠性指标。
6.根据权利要求5所述考虑大规模光伏储能接入的钻石型配电网可靠性计算方法，其特征在于，对具有m个元件的钻石型配电网络，具体可靠性评估步骤如下：
步骤3.1，初始化时钟t＝0，读入元件参数，负荷参数，网络参数；
步骤3.2，随机生成m个[0,1]之间均匀分布的随机数，根据不同元件的故障率λ与修复率μ，得到元件无故障运行时间TTF；
步骤3.3，获得最小的TTF，根据故障元件判断故障类型，故障影响，根据元件修复率取随机数带入元件状态抽样公式获得元件修复时间TTR；
步骤3.4，获得本次故障影响的区域，受影响的负荷点孤岛运行，统计各负荷点停电时间，停电次数等信息；
步骤3.5，更新时间t＝t+TTR+TTF，判断时间t是否达到仿真年限T，若未达到返回步骤3.2。若达到计算各负荷点及系统可靠性指标。
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