楊舒航 李詩(shī)偉 吳紅斌 蔣思成 魏英杰
(1.合肥工業(yè)大學(xué)新能源利用與節(jié)能安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 合肥 230009;2.國(guó)網(wǎng)上海浦東供電公司 上海 200120)
近年來(lái),風(fēng)、光等大量分布式電源(Distributed generation,DG)的接入[1-2],顯著改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的電氣特性,給配電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提出了更高的要求[3]。為了應(yīng)對(duì)電氣特性的復(fù)雜化,配電網(wǎng)需要不斷進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)以保證最優(yōu)化運(yùn)行[4],且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)又是進(jìn)行配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)化運(yùn)行等工作的基礎(chǔ)[5-8],所以進(jìn)行配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識(shí)研究十分必要。而配電網(wǎng)中線路、節(jié)點(diǎn)眾多,量測(cè)裝置不能完全覆蓋,在量測(cè)數(shù)據(jù)不足和大量分布式電源接入時(shí)進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識(shí)面臨諸多挑戰(zhàn)。
現(xiàn)有的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識(shí)方法可以分為幾類。一是基于電壓相關(guān)性分析的方法,文獻(xiàn)[9-10]通過(guò)計(jì)算任意兩節(jié)點(diǎn)間的電壓互信息值,根據(jù)互信息值最大的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在實(shí)際連接識(shí)別配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);文獻(xiàn)[11]通過(guò)節(jié)點(diǎn)注入功率計(jì)算支路電壓偏差的方差,根據(jù)電壓偏差方差最小識(shí)別節(jié)點(diǎn)間連接關(guān)系,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識(shí)。但是,在電壓量測(cè)數(shù)據(jù)不齊全的配電網(wǎng)中利用節(jié)點(diǎn)電壓信息的方法識(shí)別整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能存在困難[12-13]。
二是通過(guò)智能終端(Smart terminal unit,STU)的信息交互進(jìn)行拓?fù)渥R(shí)別的方法,文獻(xiàn)[14-15]通過(guò)安裝在配電網(wǎng)開(kāi)關(guān)斷路器上智能終端間的信息交互,逐級(jí)查詢識(shí)別配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[16]通過(guò)STU 自身配置范圍內(nèi)的局部搜索和與相鄰STU 的跨拓?fù)淦阉髯R(shí)別拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。利用智能終端信息交互的方法辨識(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),需要在配電網(wǎng)安裝新的硬件裝置,相較于軟件識(shí)別的方法增加了識(shí)別成本,經(jīng)濟(jì)性較差。
近年來(lái)人工智能領(lǐng)域的圖卷積網(wǎng)絡(luò)[17]、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[18]、蝠鲼覓食算法[19]等機(jī)器學(xué)習(xí)方法也成為了解決這一問(wèn)題的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[17-18]利用電壓、功率量測(cè)數(shù)據(jù),綜合所有可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型,通過(guò)學(xué)習(xí)模型與實(shí)際量測(cè)數(shù)據(jù)擬合程度的對(duì)比識(shí)別最有可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[19]利用改進(jìn)的蝠鲼覓食優(yōu)化支持向量機(jī)的方法,對(duì)配電網(wǎng)電壓數(shù)據(jù)的訓(xùn)練集和拓?fù)浔孀R(shí)模型進(jìn)行了優(yōu)化。以上基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能的方法在本質(zhì)上仍然屬于拓?fù)鋷?kù)對(duì)比,對(duì)于分布式電源接入下電氣數(shù)據(jù)瞬息萬(wàn)變的配電網(wǎng),辨識(shí)效果可能不佳。
綜上所述,現(xiàn)有的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識(shí)方法存在以下問(wèn)題:① 現(xiàn)有的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識(shí)方法往往是對(duì)整個(gè)拓?fù)渌泄?jié)點(diǎn)、線路的連接關(guān)系進(jìn)行全部重新識(shí)別,而實(shí)際配電網(wǎng)拓?fù)涞膬?yōu)化重構(gòu)和線路故障后的重構(gòu)往往只是部分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變,現(xiàn)有的方法對(duì)拓?fù)湮窗l(fā)生改變的部分進(jìn)行重復(fù)識(shí)別,使得拓?fù)浔孀R(shí)效率大大降低;② 由于電壓量測(cè)裝置不能覆蓋配電網(wǎng)的所有線路、節(jié)點(diǎn),現(xiàn)有的大量依靠配電網(wǎng)完整電壓量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識(shí)的方法缺乏實(shí)用意義;③ 近年來(lái)分布式電源的大量接入改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的電氣特性。分布式電源向配電網(wǎng)輸送的功率抬升了接入點(diǎn)的電壓,有些線路的潮流方向甚至發(fā)生改變。這些變化使得一些基于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的拓?fù)浔孀R(shí)方法出現(xiàn)識(shí)別錯(cuò)誤,甚至失效。
針對(duì)以上問(wèn)題,本文在分析配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)注入功率變化的基礎(chǔ)上,結(jié)合“超節(jié)點(diǎn)”的概念,提出了識(shí)別拓?fù)涓淖儾糠值姆椒?。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)分布式電源接入前后的配電網(wǎng)功率傳輸特性和節(jié)點(diǎn)電壓幅值特性的分析,提出了分段線路、末段線路以及分段線路連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識(shí)方法。最后利用算例系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。本文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下所示。
(1) 通過(guò)引入“超節(jié)點(diǎn)”概念,基于節(jié)點(diǎn)注入功率變化,本文提出了拓?fù)渥兓糠值淖R(shí)別方法。該方法不僅能對(duì)拓?fù)涞母淖冞M(jìn)行識(shí)別,還能識(shí)別出拓?fù)涞母淖儾糠?。通過(guò)對(duì)拓?fù)涓淖兊牟糠诌M(jìn)行識(shí)別,避免了對(duì)拓?fù)湮锤淖儾糠值闹貜?fù)識(shí)別,提高了拓?fù)浔孀R(shí)效率。
(2) 通過(guò)對(duì)分布式電源接入前后配電網(wǎng)電氣特性的分析,本文提出了變動(dòng)拓?fù)涞姆侄伪孀R(shí)方法。該方法僅需采集分段點(diǎn)和末節(jié)點(diǎn)的電壓量測(cè)數(shù)據(jù),解決了傳統(tǒng)拓?fù)浔孀R(shí)方法對(duì)完整電壓量測(cè)數(shù)據(jù)的依賴,很好地適應(yīng)了配電網(wǎng)電壓量測(cè)數(shù)據(jù)不足的現(xiàn)狀,提高了方法的實(shí)用性。
(3) 本文方法基于分布式電源接入配電網(wǎng)前后的電氣特性分析提出,在分布式電源接入時(shí)仍能夠有效對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行辨識(shí)。
IEEE-33 算例系統(tǒng)如圖1 所示,無(wú)DG 接入時(shí),節(jié)點(diǎn)注入功率和電壓幅值沿配電線路遞減[20];當(dāng)節(jié)點(diǎn)8、15 加入DG,功率傳輸呈現(xiàn)分段遞減特性,且DG 接入抬升了接入點(diǎn)8、15 的電壓幅值,節(jié)點(diǎn)電壓不再呈現(xiàn)遞減變化特性,仿真結(jié)果如圖2 所示。
圖1 IEEE-33 配電網(wǎng)系統(tǒng)
圖2 DG 接入前后電氣特性的變化
如圖2a 所示,分布式電源的接入改變了配電網(wǎng)的功率傳輸特性。分布式電源為接入節(jié)點(diǎn)提供了部分所需負(fù)荷,節(jié)點(diǎn)注入功率減??;上游節(jié)點(diǎn)由于受到分布式電源接入的影響,節(jié)點(diǎn)注入功率同樣減小,減小數(shù)值近似等于分布式電源向配電網(wǎng)輸送功率;下游節(jié)點(diǎn)的注入功率不變。此時(shí)分布式電源接入節(jié)點(diǎn)的注入功率可能小于與之直接相連的下游節(jié)點(diǎn)的注入功率。節(jié)點(diǎn)注入功率將不再沿配電線路連續(xù)遞減,而變?yōu)榉侄芜B續(xù)遞減,分段點(diǎn)為分布式電源接入節(jié)點(diǎn)。
如圖2b 所示,在沒(méi)有分布式電源接入時(shí),從配電網(wǎng)首節(jié)點(diǎn)出發(fā),由于配電線路存在電壓損耗,節(jié)點(diǎn)電壓幅值將沿配電線路連續(xù)遞減。
分布式電源的接入改變了配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓幅值特性。分布式電源的接入抬升了節(jié)點(diǎn)電壓,使得接入節(jié)點(diǎn)的電壓幅值可能高于附近節(jié)點(diǎn)的電壓幅值,此時(shí)節(jié)點(diǎn)電壓幅值將不再遵循沿配電線路遞減的特性。
根據(jù)基爾霍夫電流定律,流入某節(jié)點(diǎn)的電流等于流出該節(jié)點(diǎn)的電流[21]。將圖3 中虛線內(nèi)的4 個(gè)節(jié)點(diǎn)及其線路視為1 個(gè)節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)仍然滿足基爾霍夫電流定律,即為“超節(jié)點(diǎn)”。
圖3 “超節(jié)點(diǎn)”
將“超節(jié)點(diǎn)”的概念延伸至配電網(wǎng),如圖4 所示,此時(shí)輸入、輸出電流變?yōu)楣?jié)點(diǎn)注入、流出功率。節(jié)點(diǎn)注入功率如式(1)所示
圖4 聯(lián)絡(luò)線投入
式中,S為節(jié)點(diǎn)注入功率;U為節(jié)點(diǎn)電壓,I*為節(jié)點(diǎn)注入電流的共軛;p為節(jié)點(diǎn)注入有功功率,q為節(jié)點(diǎn)注入無(wú)功功率;節(jié)點(diǎn)流出功率與此類似。
當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變時(shí),節(jié)點(diǎn)間上下游關(guān)系隨之改變,節(jié)點(diǎn)注入功率顯著變化。雖然用戶負(fù)荷會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化,但其遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變帶來(lái)的節(jié)點(diǎn)注入功率變化。即對(duì)于配電網(wǎng)中的一個(gè)“超節(jié)點(diǎn)”而言,無(wú)論超節(jié)點(diǎn)內(nèi)部線路連接、供配電關(guān)系如何改變,注入、流出超節(jié)點(diǎn)的功率近似不變。以節(jié)點(diǎn)注入有功功率為例,即
式中,Δpin、Δpout為拓?fù)渥兓昂螅⑷?、流出超?jié)點(diǎn)的有功功率變化量。
3.2.1 超節(jié)點(diǎn)內(nèi)外節(jié)點(diǎn)的注入功率變化
我國(guó)配電網(wǎng)一般是以“閉環(huán)設(shè)計(jì)、開(kāi)環(huán)運(yùn)行”為運(yùn)行方式的輻射狀網(wǎng)絡(luò),當(dāng)出現(xiàn)短路故障導(dǎo)致線路斷開(kāi)時(shí),與斷開(kāi)線路及其附近線路形成環(huán)路的聯(lián)絡(luò)線投入使用,為斷開(kāi)線路的下游線路供電。
如圖4 所示,節(jié)點(diǎn)3-4 間拓?fù)渥兓瘯r(shí)斷開(kāi)線路,節(jié)點(diǎn)3、4 成為末節(jié)點(diǎn),故注入功率顯著減少。聯(lián)絡(luò)線7-8 投入,為斷開(kāi)線路的下游節(jié)點(diǎn)恢復(fù)供電;聯(lián)絡(luò)線上的7、8 節(jié)點(diǎn)新增下游線路,故節(jié)點(diǎn)注入功率顯著增加。此時(shí),狀態(tài)改變支路3-4 與投入聯(lián)絡(luò)線7-8 所在的非閉合環(huán)路中,所有支路(2-3、2-7、3-4、4-5、5-8、7-8)的傳輸功率均發(fā)生改變。
將支路3-4 與投入聯(lián)絡(luò)線7-8 所在的非閉合環(huán)路(即圖4 中虛線內(nèi)的部分)視為一個(gè)超節(jié)點(diǎn),根據(jù)第3.1 節(jié)的分析可知,此時(shí)該“超節(jié)點(diǎn)”外的節(jié)點(diǎn)1、6 及其支路1-2、5-6,其節(jié)點(diǎn)注入功率和支路傳輸功率不變。
綜上,將注入功率改變的節(jié)點(diǎn)及其支路形成的非閉合回路視為一個(gè)超節(jié)點(diǎn),圖4 中虛線內(nèi)的部分即為一個(gè)超節(jié)點(diǎn)。以有功功率為例有
式中,i為節(jié)點(diǎn)注入功率改變的節(jié)點(diǎn)。
3.2.2 線路功率損耗對(duì)節(jié)點(diǎn)注入功率的影響
某節(jié)點(diǎn)的注入功率由該節(jié)點(diǎn)及下游節(jié)點(diǎn)所帶負(fù)荷和線路功率損耗兩部分組成
式中,Si為某節(jié)點(diǎn)及下游節(jié)點(diǎn)負(fù)荷功率;Sloss為線路損耗功率。
拓?fù)涓淖兒螅麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)的線路功率損耗隨之改變。將注入功率變化的節(jié)點(diǎn)及其支路視為一個(gè)超節(jié)點(diǎn),根據(jù)超節(jié)點(diǎn)概念,此時(shí)注入、流出超節(jié)點(diǎn)的功率近似不變,即超節(jié)點(diǎn)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的注入功率變化對(duì)其外部節(jié)點(diǎn)的注入功率沒(méi)有影響。此時(shí),由式(4)可知,對(duì)于超節(jié)點(diǎn)的外部節(jié)點(diǎn),其注入功率將隨線路損耗功率變化而變化,但該變化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于拓?fù)涓淖儾糠值墓?jié)點(diǎn)(即超節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的節(jié)點(diǎn))注入功率變化,故忽略線路功率損耗對(duì)節(jié)點(diǎn)注入功率的影響。
拓?fù)涓淖兒?,超?jié)點(diǎn)外部節(jié)點(diǎn)的注入功率近似不變,超節(jié)點(diǎn)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的注入功率顯著變化。
以有功功率為例,提出基于節(jié)點(diǎn)注入功率變化的拓?fù)渥兓R(shí)別判據(jù)如下
式中,i為注入功率改變的節(jié)點(diǎn),j為注入功率不變的節(jié)點(diǎn),V為超節(jié)點(diǎn)。
使用拓?fù)渥兓R(shí)別判據(jù)遍歷所有節(jié)點(diǎn),將所有注入功率變化的節(jié)點(diǎn)歸于超節(jié)點(diǎn)中,確定開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化的支路所在的拓?fù)浞秶?。使用無(wú)功功率進(jìn)行判斷與此類似。判據(jù)不僅能對(duì)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變進(jìn)行識(shí)別,還能將狀態(tài)變化的支路范圍縮小至節(jié)點(diǎn)注入功率改變的超節(jié)點(diǎn)中,降低了辨識(shí)拓?fù)涞膹?fù)雜度,縮短了辨識(shí)所需時(shí)間。而由于判據(jù)基于拓?fù)涓淖兦昂蠊?jié)點(diǎn)注入功率變化,故DG 接入帶來(lái)的配電網(wǎng)電壓、功率特性變化不會(huì)對(duì)本文所提方法造成影響。
配電網(wǎng)中,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)根據(jù)配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量,最優(yōu)化運(yùn)行條件等進(jìn)行合理重構(gòu)、調(diào)整。中壓配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然變化頻繁,但拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化往往只是局部節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系的變化。故本文在辨識(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí),僅對(duì)發(fā)生改變的拓?fù)溥M(jìn)行辨識(shí),對(duì)未發(fā)生變化的拓?fù)洳糠植挥枳R(shí)別,這避免了對(duì)未改變拓?fù)涞闹貜?fù)識(shí)別,大幅度提升了識(shí)別效率。
對(duì)于配電網(wǎng)中的絕大部分節(jié)點(diǎn),其節(jié)點(diǎn)度數(shù)為2,即一個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)。當(dāng)配電網(wǎng)無(wú)DG 接入時(shí),節(jié)點(diǎn)注入功率沿線路遞減。此時(shí),與某一節(jié)點(diǎn)注入功率差值絕對(duì)值最小的節(jié)點(diǎn),位于其相鄰節(jié)點(diǎn)中,故可根據(jù)相鄰節(jié)點(diǎn)的注入功率差值絕對(duì)值最小對(duì)節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系進(jìn)行識(shí)別。
然而對(duì)于大負(fù)荷節(jié)點(diǎn)而言,傳輸功率在經(jīng)過(guò)該節(jié)點(diǎn)時(shí)將產(chǎn)生明顯跌落,此時(shí)根據(jù)注入功率差值絕對(duì)值最小對(duì)節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系進(jìn)行判斷,將不能識(shí)別大負(fù)荷節(jié)點(diǎn)與其下游節(jié)點(diǎn)的連接,識(shí)別結(jié)果呈現(xiàn)分段特性。而DG 接入時(shí),DG 為接入點(diǎn)提供了部分負(fù)荷功率,接入節(jié)點(diǎn)的注入功率驟降,DG 接入點(diǎn)與上游節(jié)點(diǎn)的注入功率產(chǎn)生斷層。此時(shí),根據(jù)注入有功、無(wú)功功率差值絕對(duì)值最小對(duì)節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系進(jìn)行判斷,同樣不能識(shí)別DG 接入節(jié)點(diǎn)與其上游節(jié)點(diǎn)的連接,識(shí)別結(jié)果同樣呈現(xiàn)分段特性。
綜上,本文根據(jù)相鄰節(jié)點(diǎn)注入有功、無(wú)功差值絕對(duì)值最小這一特性,對(duì)有無(wú)DG 接入的配電網(wǎng)拓?fù)溥M(jìn)行分段識(shí)別
式中,V1為拓?fù)涓淖儾糠值墓?jié)點(diǎn)集合;pi、pj為集合中任意兩節(jié)點(diǎn)的注入有功功率;qi、qj為注入無(wú)功功率。
對(duì)于分段線路中的任意兩相鄰節(jié)點(diǎn)A、B,以及與它們相鄰的兩節(jié)點(diǎn)C、D,四個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系如圖5 所示。
圖5 四節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系
節(jié)點(diǎn)A、B與其他節(jié)點(diǎn)的注入功率差值有以下3種情況。
(1)A、B互為注入功率差值最小節(jié)點(diǎn)。
(2)A的注入功率差值最小節(jié)點(diǎn)為B,B的注入功率差值次最小節(jié)點(diǎn)為A,B的注入功率差值最小節(jié)點(diǎn)為D?;駼的注入功率差值最小節(jié)點(diǎn)為A,A的注入功率差值次最小節(jié)點(diǎn)為B,A的注入功率差值最小節(jié)點(diǎn)為C。
(3)A的注入功率差值最小節(jié)點(diǎn)為C,B的注入功率差值最小節(jié)點(diǎn)為D,A、B互為注入功率差值次最小節(jié)點(diǎn)。
基于以上3 種情況,提出雙重驗(yàn)證和補(bǔ)充識(shí)別的分段線路識(shí)別方法。對(duì)于符合情況(1)、(2)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行雙重驗(yàn)證。
(1) 雙重驗(yàn)證:對(duì)于集合中的任意節(jié)點(diǎn)a,計(jì)算出與a注入功率差值最小的節(jié)點(diǎn)b,如果與b注入功率差值最小和次最小的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中同樣包含a,則a、b兩節(jié)點(diǎn)存在連接關(guān)系。
對(duì)于符合情況(3)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充識(shí)別。
(2) 補(bǔ)充識(shí)別:提取雙重驗(yàn)證識(shí)別出的分段線路首、末節(jié)點(diǎn),互為次最小值的兩節(jié)點(diǎn)存在連接關(guān)系。
補(bǔ)充識(shí)別解決了相鄰節(jié)點(diǎn)互為注入功率差值次最小節(jié)點(diǎn)時(shí)的連接關(guān)系識(shí)別困難的問(wèn)題,提高了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識(shí)準(zhǔn)確度。對(duì)于度數(shù)大于2 的樞紐節(jié)點(diǎn),可能不能識(shí)別出它的所有相鄰節(jié)點(diǎn),剩余節(jié)點(diǎn)可通過(guò)第4.3 節(jié)分段線路連接進(jìn)行識(shí)別。
分段線路識(shí)別初步完成了對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分段識(shí)別,如圖6 所示。分段線路識(shí)別將圖6a 的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟詧D6b 的多條分段線路形式識(shí)別出,圖6b 中虛線表示分段線路間未識(shí)別出的連接線路,需要通過(guò)后續(xù)第4.3 節(jié)提出的方法對(duì)分段線路間的連接進(jìn)行識(shí)別。
圖6 末節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系識(shí)別錯(cuò)誤
對(duì)比圖6a 的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛨D6b 的分段線路識(shí)別結(jié)果可以看出,由于末節(jié)點(diǎn)的注入功率僅為其節(jié)點(diǎn)所帶的負(fù)荷功率,而不同分段線路的末節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷功率可能相等或接近,故僅通過(guò)基于功率傳輸特性的分段線路識(shí)別辨識(shí)出的末段線路,可能會(huì)出現(xiàn)不同分段線路的末節(jié)點(diǎn)之間錯(cuò)誤相連的情況。從圖6 可知,可能結(jié)果1 中的9-10-5-8-11、結(jié)果2 中的4-11-8-5 這兩條末段線路中的末節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系均存在錯(cuò)誤,故需要對(duì)末節(jié)點(diǎn)所在的末段線路中的節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系進(jìn)行校正識(shí)別。
對(duì)聯(lián)絡(luò)線和最小注入功率節(jié)點(diǎn)所在分段線路(末節(jié)點(diǎn)所在分段線路)中的節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系進(jìn)行二次辨識(shí)時(shí),通過(guò)電壓幅值差值絕對(duì)值最小的兩節(jié)點(diǎn)直接相連這一特性,對(duì)節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系進(jìn)行識(shí)別
式中,V2為末段線路的節(jié)點(diǎn)集合;|Ui|、|Uj|為集合中任意兩節(jié)點(diǎn)的電壓幅值。末段線路識(shí)別算法流程如下所示。
步驟1:提取聯(lián)絡(luò)線節(jié)點(diǎn)和最小注入功率節(jié)點(diǎn)所在的分段線路,將該分段線路中的節(jié)點(diǎn)歸于集合V2,從微型同步相量測(cè)量單元獲取節(jié)點(diǎn)電壓量測(cè)數(shù)據(jù)。
步驟2:根據(jù)式(7),計(jì)算集合V2中每個(gè)節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)的電壓幅值差值絕對(duì)值,將計(jì)算結(jié)果降序排序并保留每組的最后兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。
步驟3:用電壓幅值差值絕對(duì)值替換注入功率差值絕對(duì)值,使用雙重驗(yàn)證和補(bǔ)充識(shí)別對(duì)末段線路進(jìn)行二次辨識(shí)。
對(duì)于電壓等級(jí)相同的相鄰線路,其節(jié)點(diǎn)電壓幅值可能相近;但由于線路長(zhǎng)度一般不同,所以不同線路的末節(jié)點(diǎn)電壓幅值一般不會(huì)相近,故使用節(jié)點(diǎn)電壓幅值特性可以正確識(shí)別末節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系。二次辨識(shí)對(duì)末節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系進(jìn)行了校正,提高了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識(shí)準(zhǔn)確度。
完成分段線路識(shí)別和末段線路識(shí)別后,為了獲得完整的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),需要對(duì)分段線路間的連接關(guān)系進(jìn)行識(shí)別。提取分段線路首、末節(jié)點(diǎn)電壓幅值,分段線路通過(guò)電壓幅值差值絕對(duì)值最小的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相連
式中,V3為所有分段線路首、末節(jié)點(diǎn)的集合。
將已識(shí)別出連接關(guān)系的節(jié)點(diǎn)從集合中剔除,重新對(duì)剩余節(jié)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別。為了避免出現(xiàn)線路成環(huán)、配電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行的識(shí)別結(jié)果錯(cuò)誤,當(dāng)集合中只剩兩個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)終止循環(huán)迭代,完成分段線路連接識(shí)別。
由于不同線路的分段結(jié)果一般不同,且僅對(duì)分段線路首、末節(jié)點(diǎn)的電壓幅值進(jìn)行了比較,故不會(huì)出現(xiàn)因相鄰線路電壓等級(jí)相同致使分段線路連接識(shí)別錯(cuò)誤的情況。
分段線路連接識(shí)別和末段線路識(shí)別只需要獲得分段線路首、末節(jié)點(diǎn)和末段線路節(jié)點(diǎn)的電壓量測(cè)數(shù)據(jù),在配電網(wǎng)量測(cè)不足的情況下仍能有效辨識(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
節(jié)點(diǎn)注入功率和節(jié)點(diǎn)電壓數(shù)據(jù)分別通過(guò)SCADA和μPMU 量測(cè)系統(tǒng)獲得[22]。SCADA 量測(cè)系統(tǒng)采集配電網(wǎng)數(shù)據(jù)一般以分鐘為頻度,拓?fù)渥兓俾室话銥榉昼娂?jí),故直接使用SCADA 量測(cè)系統(tǒng)每分鐘采集的節(jié)點(diǎn)注入功率數(shù)據(jù)即可。μPMU 裝置采樣頻率高,一般為毫秒級(jí),可以精確量測(cè)節(jié)點(diǎn)的電壓、電流的幅值和相位。使用SCADA 量測(cè)裝置采集1 min 和2 min 時(shí)刻的系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)的注入功率P1、Q1、P2、Q2,并計(jì)算兩個(gè)相鄰時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)注入功率差值。當(dāng)2 min 時(shí)刻系統(tǒng)部分節(jié)點(diǎn)的注入功率發(fā)生變化時(shí),根據(jù)拓?fù)渥兓R(shí)別判據(jù)可知,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變,且發(fā)生改變的時(shí)刻為1~2 min。此時(shí)調(diào)用2 min 時(shí)刻SCADA 裝置量測(cè)的節(jié)點(diǎn)注入功率數(shù)據(jù)(P2、Q2)以及2 min 時(shí)刻后μPMU裝置量測(cè)的節(jié)點(diǎn)電壓數(shù)據(jù)(U1、U2、U3…),使用本文提出的分段辨識(shí)方法對(duì)改變后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行辨識(shí),如圖7 所示。
圖7 SCADA、μPMU 裝置的數(shù)據(jù)采樣
為使辨識(shí)結(jié)果更為準(zhǔn)確,可以使用拓?fù)渥兓螃蘌MU 裝置1 s 內(nèi)量測(cè)的多組數(shù)據(jù){U1(8 ms)、U2(16 ms)、U3(24 ms)…}對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行多次辨識(shí),取頻次最高的拓?fù)渥R(shí)別結(jié)果作為真實(shí)的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文使用特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下潮流計(jì)算獲得的節(jié)點(diǎn)注入功率和電壓數(shù)據(jù),模擬SCADA 系統(tǒng)和μPMU裝置在量測(cè)誤差為0 時(shí)的理想量測(cè)數(shù)據(jù)。
分布式電源的接入改變了配電網(wǎng)的功率傳輸特性和節(jié)點(diǎn)電壓幅值特性。本文提出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識(shí)方法分兩步進(jìn)行。
第一步:采用“超節(jié)點(diǎn)”概念,對(duì)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化進(jìn)行識(shí)別,并確定拓?fù)涓淖儾糠帧?/p>
第二步:根據(jù)DG 接入前后配電網(wǎng)電氣特性變化特點(diǎn),進(jìn)行分段線路識(shí)別、末段線路識(shí)別和分段線路連接識(shí)別。具體識(shí)別流程如圖8 所示。
圖8 配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識(shí)
本文在Matlab 環(huán)境下對(duì)所提方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。使用IEEE-33 算例系統(tǒng)模擬實(shí)際中壓配電網(wǎng),以線路31-32 斷開(kāi),聯(lián)絡(luò)線17-32 投入為例進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識(shí)驗(yàn)證,如圖9 所示。
圖9 IEEE-33 配電網(wǎng)系統(tǒng)
分布式電源配置如下:8、15 節(jié)點(diǎn)接入PV 型分布式電源,電壓幅值的標(biāo)幺值(p.u.)為1.0、1.02,有功功率注入(kW)為50、70;21、24、31 節(jié)點(diǎn)接入PQ 型分布式電源,有功功率注入(kW)為630、630、70,無(wú)功功率注入(kVar)為405、405、45。
利用SCADA 系統(tǒng)獲得功率量測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算節(jié)點(diǎn)注入有功功率變化量,繪制圖10。
圖10 拓?fù)涓淖兦昂蠊?jié)點(diǎn)注入有功功率變化量
由圖10 可知,與聯(lián)絡(luò)線17-32 形成環(huán)路的線路5-17、5-32 上節(jié)點(diǎn)注入功率變化顯著,通過(guò)拓?fù)涓淖冏R(shí)別判據(jù)可以確定,配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變,且開(kāi)關(guān)狀態(tài)改變的支路位于線路5-17、5-32 和聯(lián)絡(luò)線17-32 形成的環(huán)路中,如圖11 所示。
圖11 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變部分
判據(jù)不僅能識(shí)別拓?fù)涓淖?,還能識(shí)別改變的拓?fù)浞秶?,降低了拓?fù)鋸?fù)雜度,縮短了辨識(shí)所需時(shí)間。
本節(jié)按照分段線路識(shí)別、末段線路識(shí)別和分段線路連接識(shí)別的順序進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分段辨識(shí)。
5.2.1 分段線路識(shí)別
通過(guò)SCADA 系統(tǒng)獲得辨識(shí)出的拓?fù)涓淖儾糠值墓?jié)點(diǎn)注入功率,將量測(cè)數(shù)據(jù)代入式(6)計(jì)算兩兩節(jié)點(diǎn)的有功、無(wú)功注入功率差值絕對(duì)值的和,采用第4.1 節(jié)提出的雙重驗(yàn)證和補(bǔ)充識(shí)別的節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系辨識(shí)方法,分別對(duì)無(wú)DG 接入和DG 接入兩種情況下的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分段線路識(shí)別,識(shí)別結(jié)果如表1 所示。
表1 分段線路識(shí)別結(jié)果
從表1 可以看出,本文所提方法完成了對(duì)拓?fù)涓淖儾糠值墓?jié)點(diǎn)連接關(guān)系的初步識(shí)別。分段線路識(shí)別方法基于配電網(wǎng)傳輸功率的遞減特性提出,只是將變化拓?fù)渲械墓?jié)點(diǎn)連接關(guān)系部分識(shí)別出,并未辨識(shí)出節(jié)點(diǎn)間的所有連接關(guān)系,拓?fù)浔孀R(shí)結(jié)果呈現(xiàn)分段特性。從表1 的識(shí)別結(jié)果還可以看出,DG 接入帶來(lái)的配電網(wǎng)功率傳輸變化致使分段線路識(shí)別結(jié)果發(fā)生改變,線路分段節(jié)點(diǎn)改變,DG 接入節(jié)點(diǎn)8、15成為分段點(diǎn)。
5.2.2 末段線路識(shí)別
由于不同線路的末節(jié)點(diǎn)注入功率相近,基于功率傳輸特性識(shí)別的分段線路中,末段線路的節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系可能出現(xiàn)錯(cuò)誤,故需要對(duì)包含末節(jié)點(diǎn)的末段線路進(jìn)行二次辨識(shí)。
提取出分段線路中的末段線路(聯(lián)絡(luò)線節(jié)點(diǎn)和注入功率最小節(jié)點(diǎn)所在分段線路),通過(guò)μPMU 裝置獲得末段線路的節(jié)點(diǎn)電壓量測(cè)數(shù)據(jù),使用式(7)計(jì)算兩兩節(jié)點(diǎn)間的電壓幅值差值絕對(duì)值,仍舊使用第4.1節(jié)提出的雙重驗(yàn)證和補(bǔ)充識(shí)別方法對(duì)末段線路的節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系進(jìn)行識(shí)別,末段線路識(shí)別結(jié)果如表2所示。
表2 末段線路識(shí)別結(jié)果
以無(wú)DG 接入為例,將表1 中的分段線路⑤、表2 中的分段線路⑤、⑥的節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系與圖9 的真實(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別進(jìn)行對(duì)比??梢钥闯觯侄尉€路識(shí)別結(jié)果中的末端線路的節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系錯(cuò)誤,經(jīng)過(guò)二次辨識(shí)的末端線路中的節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系正確,即末段線路的二次辨識(shí)糾正了分段線路識(shí)別結(jié)果的錯(cuò)誤。綜合表1、表2 的識(shí)別結(jié)果,將正確的分段線路識(shí)別結(jié)果列于表3。
表3 二次辨識(shí)后的分段線路識(shí)別結(jié)果
5.2.3 分段線路連接識(shí)別
第5.2.1 節(jié)和5.2.2 節(jié)完成了改變拓?fù)渲泄?jié)點(diǎn)間連接關(guān)系的部分識(shí)別,即完成了對(duì)改變拓?fù)渲泄?jié)點(diǎn)連接關(guān)系的分段辨識(shí)。為了獲得完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),需要對(duì)分段線路間的連接關(guān)系進(jìn)行識(shí)別,即識(shí)別表3 中分段線路①、②、③、④、⑤、⑥、⑦間的連接關(guān)系。
提取識(shí)別出的分段線路端節(jié)點(diǎn),通過(guò)μPMU 裝置獲得端節(jié)點(diǎn)的電壓量測(cè)數(shù)據(jù),根據(jù)式(8)計(jì)算兩兩節(jié)點(diǎn)間的電壓幅值差值絕對(duì)值,使用第4.3 節(jié)提出的循環(huán)迭代法對(duì)分段線路的連接關(guān)系進(jìn)行辨識(shí),識(shí)別結(jié)果如表4 所示。將表4 的分段線路連接識(shí)別結(jié)果繪制于圖12。
表4 分段線路連接識(shí)別結(jié)果
圖12 有無(wú)DG 接入的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識(shí)結(jié)果
由表4 和圖12 可知,對(duì)于無(wú)DG 接入和DG 接入的兩種情況,本文所提方法均能正確、有效辨識(shí)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
本文所提方法和文獻(xiàn)[11]的電壓偏差法、文獻(xiàn)[23]的回路功率法都使用了功率量測(cè)數(shù)據(jù)辨識(shí)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。仍然使用IEEE-33 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng),以DG接入,線路28-29 斷開(kāi),聯(lián)絡(luò)線17-32 投入為例,比較三種方法的有效性。DG 接入配置保持不變,識(shí)別結(jié)果如表5 所示。
表5 三種方法識(shí)別結(jié)果
配電網(wǎng)入口、各分支入口處的配電穩(wěn)定性要求高、線路連接穩(wěn)定,線路開(kāi)關(guān)處于常閉狀態(tài)。故對(duì)于IEEE-33 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng),僅考慮線路5-17、18-21、22-24、25-32 中的開(kāi)關(guān)狀態(tài)改變以及相應(yīng)聯(lián)絡(luò)線7-20、8-14、11-21、17-32、24-28 的投切產(chǎn)生的多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。分別使用三種方法對(duì)多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別,三種方法的辨識(shí)準(zhǔn)確率如表6 所示。
表6 三種方法的辨識(shí)準(zhǔn)確率
從表5、表6 的識(shí)別結(jié)果可以看出,本文所提方法正確識(shí)別了改變后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),方法辨識(shí)準(zhǔn)確率高?;芈饭β史鎸?duì)DG 接入出現(xiàn)識(shí)別錯(cuò)誤,這是因?yàn)楫?dāng)PV 型DG 接入時(shí),拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)電壓變化會(huì)使DG 向配網(wǎng)傳輸?shù)臒o(wú)功功率發(fā)生變化,此時(shí)疊加線路損耗功率變化將使回路功率法辨識(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤,所以回路功率法在DG 接入時(shí),拓?fù)浔孀R(shí)的準(zhǔn)確率明顯降低。雖然拓?fù)渥兓昂蠊?jié)點(diǎn)注入功率因DG 接入有所改變,但本文方法基于DG接入前后配網(wǎng)功率傳輸特性的共性提出,所以依然能對(duì)DG 接入的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行有效辨識(shí),方法辨識(shí)準(zhǔn)確率高。
電壓偏差法雖然正確地識(shí)別了斷開(kāi)支路和聯(lián)絡(luò)線的投入,但對(duì)度數(shù)大于2 的節(jié)點(diǎn)5 和大負(fù)荷節(jié)點(diǎn)12 的連接關(guān)系識(shí)別錯(cuò)誤。這是因?yàn)闃屑~節(jié)點(diǎn)和大負(fù)荷節(jié)點(diǎn)與周圍節(jié)點(diǎn)的注入功率相差較大,基于節(jié)點(diǎn)注入功率的電壓偏差方差法難以識(shí)別它們的連接關(guān)系,故電壓偏差法的辨識(shí)準(zhǔn)確率不高。而DG 接入后,接入節(jié)點(diǎn)與周圍節(jié)點(diǎn)的注入功率同樣可能相差較大,故DG 接入后,電壓偏差法的辨識(shí)準(zhǔn)確率進(jìn)一步下降。本文通過(guò)補(bǔ)充識(shí)別和分段線路連接識(shí)別解決了這一問(wèn)題。
由于噪聲干擾,量測(cè)數(shù)據(jù)存在量測(cè)誤差。為測(cè)試本文所提方法在量測(cè)誤差存在時(shí)的有效性,需要對(duì)方法的魯棒性進(jìn)行分析。通過(guò)向潮流計(jì)算出的理想電壓、功率數(shù)據(jù)μ中加入高斯白噪聲e,模擬量測(cè)裝置測(cè)量的配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),高斯分布的標(biāo)準(zhǔn)差為
式中,σ為高斯分布標(biāo)準(zhǔn)差;μ為高斯分布均值。
本文設(shè)置四種噪聲組合:①e1=0.2%,e2=5%;②e1=0.5%,e2=10%;③e1=1%,e2=15%;④e1=5%,e2=20%。其中e1為μPMU 裝置量測(cè)誤差,e2為SCADA 系統(tǒng)量測(cè)誤差。前三組噪聲組合在兩種裝置量測(cè)誤差的正常范圍內(nèi),第四種噪聲組合考慮SCADA 系統(tǒng)與μPMU 裝置測(cè)量時(shí)標(biāo)沒(méi)有對(duì)齊的極端情況。方法有效性如表7 所示。
從表7 結(jié)果可以看出,本文所提方法在正常的量測(cè)誤差范圍內(nèi)均能有效識(shí)別配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),方法魯棒性好。
為了驗(yàn)證拓?fù)浔孀R(shí)方法對(duì)于不同配電系統(tǒng)的適應(yīng)性,使用IEEE-118 算例系統(tǒng),以線路49-50 斷開(kāi),聯(lián)絡(luò)線 46-54 投入為例進(jìn)行方法適應(yīng)性分析,IEEE-118 算例系統(tǒng)如圖13 所示。
圖13 IEEE-118 配電網(wǎng)系統(tǒng)
分布式電源配置如下:14、32、69、90、102節(jié)點(diǎn)接入PV 型分布式電源,電壓幅值的標(biāo)幺值(p.u.)為1.0、1.0、1.0、1.02、1.0,有功功率注入(kW)為50、50、50、70、50;17、62、118 節(jié)點(diǎn)接入PQ 型分布式電源,有功功率注入(kW)為530、530、70,無(wú)功功率注入(kVar)為305、305、45。
使用拓?fù)渥兓R(shí)別判據(jù)計(jì)算節(jié)點(diǎn)注入功率變化,圖13 中虛線內(nèi)的節(jié)點(diǎn)的注入功率發(fā)生變化。對(duì)虛線內(nèi)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行辨識(shí),二次辨識(shí)后的分段線路識(shí)別結(jié)果和分段線路連接的識(shí)別結(jié)果如表8 和表9 所示。
表8 二次辨識(shí)后的分段線路識(shí)別結(jié)果
表9 分段線路連接識(shí)別結(jié)果
將分段線路連接識(shí)別結(jié)果繪制于圖14。
圖14 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識(shí)結(jié)果
由表9 和圖14 可知,對(duì)于IEEE-118 的配電網(wǎng)大算例系統(tǒng),本文所提方法依然能夠正確、有效地進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識(shí),方法適應(yīng)性好。
針對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)不足且大量分布式電源接入的配電網(wǎng)難以進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識(shí)的問(wèn)題,本文提出了基于電氣特性分析的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分段辨識(shí)方法。得到的主要結(jié)論如下所述。
(1) 結(jié)合節(jié)點(diǎn)注入功率變化與“超節(jié)點(diǎn)”概念的拓?fù)渥兓R(shí)別方法,僅對(duì)拓?fù)涓淖儾糠诌M(jìn)行識(shí)別,避免了對(duì)拓?fù)湮锤淖儾糠值闹貜?fù)識(shí)別,縮小了拓?fù)浔孀R(shí)范圍,提高了拓?fù)渥R(shí)別效率。
(2) 提出的拓?fù)涓淖兎侄伪孀R(shí)方法,僅需要分段線路端節(jié)點(diǎn)和末段線路節(jié)點(diǎn)的電壓量測(cè)數(shù)據(jù),在電壓量測(cè)數(shù)據(jù)缺失的配電網(wǎng)中,仍能夠有效進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)辨識(shí)。
(3) 方法在分析分布式電源接入前后配電網(wǎng)電氣特性的基礎(chǔ)上提出,在分布式電源接入時(shí),仍能有效識(shí)別配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。