何秋泠，黃彥全，崔小岳

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

結(jié)合風(fēng)險理論的配電網(wǎng)堅強(qiáng)性分析

何秋泠，黃彥全，崔小岳

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

基于潮流分析，介紹了配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)堅強(qiáng)性的概念。并從負(fù)荷裕度的角度，結(jié)合風(fēng)險理論對網(wǎng)架堅強(qiáng)性定量地作出分析,確定配電網(wǎng)堅強(qiáng)性大小的計算方法。通過對IEEE14節(jié)點配電網(wǎng)的分析，采用N-1+1校驗原則，求得該配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體堅強(qiáng)性大小。最后比較各狀態(tài)下堅強(qiáng)性大小與風(fēng)險大小以及不同負(fù)荷方式下該配電網(wǎng)的堅強(qiáng)性大小，說明本文定義堅強(qiáng)性指標(biāo)符合實際配電網(wǎng)運行規(guī)律，從而驗證了方法的可行性和有效性。

風(fēng)險理論；配電網(wǎng)；堅強(qiáng)性；負(fù)荷裕度

1 引言

2009年3月，國家電網(wǎng)公司提出了建設(shè)“堅強(qiáng)智能電網(wǎng)”的發(fā)展規(guī)劃，計劃在未來10年內(nèi)建設(shè)具有中國特色的智能電網(wǎng)。“堅強(qiáng)網(wǎng)架”是建設(shè)“智能電網(wǎng)”的重要環(huán)節(jié)，是整個配電網(wǎng)安全穩(wěn)定的延伸，表征系統(tǒng)承受變化的能力。本文定義配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的堅強(qiáng)性為，在發(fā)生可能的變化情況下，仍能保持安全穩(wěn)定運行和正常供電的能力[1]。

堅強(qiáng)性在電力系統(tǒng)中是一個較新的概念，目前還沒有公認(rèn)的分析指標(biāo)和方法。它與我們之前研究的可靠性、安全性等有密切的聯(lián)系，但是又各具特點，不盡相同?？煽啃灾饕獜?qiáng)調(diào)設(shè)備本身固有的特性，安全性則是在不同情況下能夠運行的最低標(biāo)準(zhǔn)，而堅強(qiáng)性則是表征系統(tǒng)承受變化的能力。

文獻(xiàn)[2]中將裕度指標(biāo)定義為在某運行環(huán)境下，當(dāng)前運行點距離系統(tǒng)崩潰點的距離。鑒于此，本文從“負(fù)荷裕度”的角度出發(fā)，對配電網(wǎng)堅強(qiáng)性進(jìn)行分析。通過對配電網(wǎng)潮流計算，求取元件負(fù)荷裕度。在求取極值點的過程中，由于受負(fù)荷水平和分布的影響，其敏感性很強(qiáng)，某些增長比例較高的負(fù)荷點會很快出現(xiàn)越限的情況，而大部分負(fù)荷點的負(fù)荷值還很低。為了平衡這一現(xiàn)象，本文將風(fēng)險理論應(yīng)用其中,提出了線路過負(fù)荷風(fēng)險指標(biāo)。將線路過負(fù)荷風(fēng)險與線路負(fù)荷裕度結(jié)合，以此表征配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)堅強(qiáng)性大小。

2 線路風(fēng)險指標(biāo)的建立

2.1 風(fēng)險理論概述

IEEE 100-1992將風(fēng)險定義為對不期望發(fā)生的結(jié)果的概率和嚴(yán)重度的綜合度量，通常采用概率和后果乘積的表達(dá)形式。采用的風(fēng)險值計算公式為：

〗*MERGEFORMAT

(1)

式中：i為評估元件集合；Xt是事故發(fā)生前的運行狀態(tài)；E是不確定的事故；C是不確定事故造成的后果；P(E/Xt)是在Xt下E出現(xiàn)的概率；S(C/E)是在E下產(chǎn)生C后果的嚴(yán)重度；R(C/Xt)是風(fēng)險指標(biāo)值。

2.2 事故概率模型

系統(tǒng)發(fā)生事故的概率基本負(fù)荷泊松(Poisson)分布，即：

*MERGEFORMAT

(2)

式中，P(E/Xt)為發(fā)生K次E事故的概率；λ為某段時間發(fā)生事故次數(shù)的數(shù)學(xué)期望值[3]。

2.3 線路過負(fù)荷嚴(yán)重度及其風(fēng)險指標(biāo)

設(shè)備流經(jīng)的電流決定該設(shè)備的過負(fù)荷風(fēng)險嚴(yán)重度。當(dāng)設(shè)備電流小于或者等于額定電流的60%，風(fēng)險嚴(yán)重度取值為0；隨著流過設(shè)備電流的增加，對應(yīng)線路過負(fù)荷風(fēng)險嚴(yán)重度增大。

設(shè)支路i過負(fù)荷損失值為wi，則：

*MERGEFORMAT

(3)

其中，Li表示支路電流負(fù)載率[4]。

本文將故障后果定義為故障后系統(tǒng)狀態(tài)對應(yīng)的嚴(yán)重度函數(shù)值，便于直觀地比較各風(fēng)險的大小。本文中故障后果嚴(yán)重度函數(shù)S(C/E)選擇風(fēng)險偏好型效用指數(shù)，即

S(w)=u(x)(ew-1)/(e-1) =0.528(ew-1)

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(4)

其中：w為故障損失值；S(w)為故障后果嚴(yán)重度。

所以線路過負(fù)荷風(fēng)險指標(biāo)的計算公式為：

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(5)

2.4 系統(tǒng)風(fēng)險指標(biāo)的求取

文獻(xiàn)[5]給出了系統(tǒng)風(fēng)險指標(biāo)的求取方法。設(shè)向量R=(R1，R2，…，Rn)T代表系統(tǒng)支路風(fēng)險指標(biāo)向量；n為元件總數(shù)；Ri為設(shè)備i的風(fēng)險值。

定義系統(tǒng)風(fēng)險指標(biāo)為:

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(6)

式中：和為權(quán)系數(shù)，滿足α+β=1；和分別為向量R的1范數(shù)和∞范數(shù)。

(7)

(8)

式(7)反映了系統(tǒng)風(fēng)險指標(biāo)的累加效果，式(8)反映了系統(tǒng)中具有最大風(fēng)險指標(biāo)的預(yù)想事故的影響。式(6)中的權(quán)系數(shù)β取適當(dāng)?shù)拇笾?，可以突出?yán)重事故的影響，以避免或減弱風(fēng)險指標(biāo)可能存在的遮蔽現(xiàn)象。此外該項指標(biāo)也可以反映出系統(tǒng)的整體堅強(qiáng)性水平。

3 基于配電網(wǎng)潮流計算的各參數(shù)的求取

3.1 元件負(fù)荷裕度

若系統(tǒng)由當(dāng)前的運行狀態(tài)通過增加負(fù)荷功率逐步逼近負(fù)荷臨界功率點，則系統(tǒng)由當(dāng)前運行點到臨界功率點的距離可作為衡量靜態(tài)電壓穩(wěn)定性程度的指標(biāo)，稱為負(fù)荷裕度指標(biāo)[2]。

本文以視在功率的差值的模來表示從系統(tǒng)運行點到最大供電負(fù)荷點的裕度指標(biāo)，公式為：

*MERGEFORMAT

(9)

式中，Ki為元件負(fù)荷裕度；Smax為當(dāng)前運行模式下能承受的最大負(fù)荷；S0為當(dāng)前運行點的負(fù)荷。

3.2 支路負(fù)載率

支路負(fù)載率指設(shè)備(如線路)出現(xiàn)的負(fù)荷值與線路本身最大載容量之比，公式為：

Ii=S0/Se*MERGEFORMAT

(10)

式中，Ii為支路負(fù)載率；S0為該支路出現(xiàn)的最大負(fù)荷；Se為線路本身最大載容量。

4 堅強(qiáng)性指標(biāo)的計算

4.1 權(quán)重的計算

(1)初始權(quán)重的設(shè)定

設(shè)向量R=(R1,R2,…,Rn)T代表系統(tǒng)支路風(fēng)險指標(biāo)向量；n為元件總數(shù)；Ri為設(shè)備的i風(fēng)險值。由此計算支路的初始權(quán)重：

(i=1,2,…,n)*MERGEFORMAT

(11)

(2)附加權(quán)重的設(shè)定

由2.2可知，支路負(fù)載率I反映了支路負(fù)荷與線路最大載容量之間的關(guān)系。本文認(rèn)為它可以運用于負(fù)荷裕度權(quán)重作為一種重要參考。

設(shè)Ai為附加權(quán)重，取值如下式所示：

*MERGEFORMAT

(12)

(3)支路負(fù)荷裕度的總權(quán)重設(shè)定

Wi總=JiAi，

(i=1,2,…,n)*MERGEFORMAT

(13)

其中Wi總即為線路負(fù)荷裕度的總權(quán)重。

4.2 配電網(wǎng)堅強(qiáng)性計算

設(shè)C為某運行狀態(tài)下，系統(tǒng)的堅強(qiáng)性大小，即

(i=1,2,…,n)*MERGEFORMAT

(14)

其中，Ki為該狀態(tài)下每條支路的負(fù)荷裕度，Wi總為支路負(fù)荷裕度的總權(quán)重。

由此可以得出整個配電網(wǎng)的堅強(qiáng)性C總的大小，即

(15)

其中,m為校驗運行狀態(tài)總數(shù)，Ci為該配電網(wǎng)在狀態(tài)j下的堅強(qiáng)性大小。

5．1 EEE14 節(jié)點配電系統(tǒng)堅強(qiáng)性計算

5.1 IEEE14節(jié)點配電系統(tǒng)參數(shù)簡介

IEEE14節(jié)點系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電壓23∠0°kV,網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)容量為100MVA。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

其支路參數(shù)和節(jié)點負(fù)荷分別見表1和2所示。

其中，支路14、15、16為聯(lián)絡(luò)支路，網(wǎng)架正常運行時，支路14、15、16處于斷開的狀態(tài)。

5.2 各項參數(shù)的計算

本文采用相同負(fù)荷模式下網(wǎng)架N-1+1準(zhǔn)則，考慮配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)靈活特性，即“斷一合一”， 計算各情況下的各項指標(biāo)值。僅列出原始狀態(tài)、斷開支路1和支路4三種狀態(tài)的具體參數(shù)。

(1)初始狀態(tài)時的支路負(fù)荷裕度以及過負(fù)荷風(fēng)險值見表3所示。

(2)網(wǎng)架N-1+1運行

由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中存在的分段聯(lián)絡(luò)開關(guān)，當(dāng)一個元件檢修或故障時，有時會存在多個供電方法，即存在多個供電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，選擇網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的原則為：當(dāng)故障元件下游負(fù)荷能全部轉(zhuǎn)移的時候，則取整體供電裕度最高的一種網(wǎng)架；若不能全部轉(zhuǎn)移，則取負(fù)荷轉(zhuǎn)移最多的一個網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

斷開支路1時，系統(tǒng)采用的有效路徑為斷開支路2，合上支路15、16。此時的各支路裕度以及過負(fù)荷風(fēng)險值見表4所示。

(3)斷開支路4，支路14閉合，此時各支路裕度值以及過負(fù)荷風(fēng)險見表5所示。

5.3 網(wǎng)架堅強(qiáng)性指標(biāo)的計算

根據(jù)式(14)和式(6)計算出各狀態(tài)下系統(tǒng)的堅強(qiáng)性和風(fēng)險性指標(biāo)。表6列出了14種N-1+1狀態(tài)下，系統(tǒng)的堅強(qiáng)性、風(fēng)險性大小(按堅強(qiáng)性大到小的順序排列)。為了便于理解分析，本文給出了各狀態(tài)下電網(wǎng)堅強(qiáng)性指標(biāo)和風(fēng)險指標(biāo)的曲線圖，如圖2所示。

由式(15)得出該配電網(wǎng)的堅強(qiáng)性大小為C=0.8331。

從表6和圖2可以得出，各運行狀態(tài)的風(fēng)險性大小能在一定程度上從側(cè)面反映出配電網(wǎng)各運行狀態(tài)下的堅強(qiáng)性規(guī)律，二者具有負(fù)相關(guān)的關(guān)系。也驗證了將風(fēng)險性運用于堅強(qiáng)性的計算中，具有可行性。

5.4 不同負(fù)荷下配電網(wǎng)堅強(qiáng)性分析

單一負(fù)荷狀態(tài)下的堅強(qiáng)性指標(biāo)不一定能完全表征當(dāng)前系統(tǒng)的堅強(qiáng)性水平，因此可利用不同負(fù)荷狀態(tài)下堅強(qiáng)性指標(biāo)的變化情況來說明系統(tǒng)的堅強(qiáng)水平。同樣以IEEE14節(jié)點配電網(wǎng)為例，計算11種負(fù)荷狀態(tài)下堅強(qiáng)性指標(biāo)的變化情況，定義電網(wǎng)初始負(fù)荷為P0，狀態(tài)i下的負(fù)荷為Pi，則負(fù)荷增長系數(shù)K為：

K=Pi/P0*MERGEFORMAT

(17)

本文中各節(jié)點的負(fù)荷都以相同的增長系數(shù)K進(jìn)行增長，另外為了方便比較，本文只考慮不同負(fù)荷狀態(tài)在正常運行狀態(tài)下配電網(wǎng)的整體堅強(qiáng)度變化情況。如表7所示，列出了在不同K值下，電網(wǎng)的整體堅強(qiáng)度C的變化情況。圖2列出了配電網(wǎng)整體堅強(qiáng)度隨負(fù)荷變化的曲線。

從表7和圖3可以得出以下結(jié)論：

(1)隨著配電網(wǎng)負(fù)荷的增加，系統(tǒng)整體的堅強(qiáng)性都有相應(yīng)的減弱，這和實際電網(wǎng)的運行規(guī)律相符合，也說明了本文定義的配電網(wǎng)的堅強(qiáng)性指標(biāo)能很好地反映配電網(wǎng)負(fù)荷變化對系統(tǒng)堅強(qiáng)性的影響。

(2)隨著配電網(wǎng)負(fù)荷的增加，系統(tǒng)整體堅強(qiáng)性的減弱也隨之增大，這說明在重負(fù)荷下配電網(wǎng)一旦發(fā)生故障，電網(wǎng)將可能加速惡化，很容易導(dǎo)致聯(lián)鎖故障的產(chǎn)生。另一方面，本文采用了風(fēng)險偏好型效用函數(shù)來評估后果嚴(yán)重度，能夠快速、靈敏地將電網(wǎng)狀態(tài)量的變化反映到相應(yīng)的風(fēng)險值上，從而影響到系統(tǒng)的整體堅強(qiáng)性大小。

6 結(jié)論

(1)本文從“裕度”的角度，定義了配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)堅強(qiáng)性的概念，闡述了對配網(wǎng)堅強(qiáng)性的理解。

(2)引入風(fēng)險理論，將支路負(fù)荷裕度與風(fēng)險指標(biāo)的結(jié)合，更準(zhǔn)確地反映出網(wǎng)架的堅強(qiáng)度。運用N-1校驗，計算出了整個網(wǎng)架的堅強(qiáng)度和風(fēng)險指標(biāo)，反映出了該網(wǎng)架的堅強(qiáng)性情況。此外，比較不同負(fù)荷下配電網(wǎng)的堅強(qiáng)性大小說明本文定義的配電網(wǎng)堅強(qiáng)性指標(biāo)符合實際配電網(wǎng)運行規(guī)律，驗證了本文所提出方法的有效性。

(3)支路負(fù)荷裕度權(quán)重的確定方法以及其對結(jié)果產(chǎn)生的不同影響是下一步工作的重點。

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Analysis of Distribution Grid Strength Degree Combined with Risk Theory

HEQiu-ling,HUANGYan-quan,CUIXiao-yue

(Electrical Engineering College,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

The strong grid is the important links to build the smart grid.In this paper,the concept of distribution network structure strength is introduced which is based on the flow calculation.And the specific process of strength degree assessment of the distribution network structure is described,from the perspective of “margin load” and the “risk theory”.And then,by analyzing the IEEE14-node distribution network,the strength degree of this network is calculated,according to the “N-1+1” parity principal .Finally,by comparing the strong indicators under different load patterns which verify the feasibility and effectiveness of the evaluation system and its method.

risk theory;distribution network;strength degree;margin load

1004-289X(2015)01-0066-05

TB73

A

2014-02-27