一种含柔性软开关的有源配电网供电可靠性评估方法与流程

本发明涉及一种城网评估方法。特别是涉及一种适用于公共机构城市配电网评估的含柔性软开关的有源配电网供电可靠性评估方法。
背景技术：
：配电网作为电能生产、传输和使用的重要环节，是联系用户与发、输电系统的纽带。配电网承担着将电能从电源或输电网传输到不同电压等级用户的重要任务，直接与用户相连，对供电可靠性影响较大。据电力公司的统计，80％的用户停电事故是由配电系统故障引起的。因此，准确快速地进行配电网可靠性评估十分重要。而在分布式电源，尤其是间歇性分布式电源大量接入配电网后，因其运行特性受环境影响较大且具有明显的随机性和波动性，会给配电网带来诸多问题，如电压越限、网络阻塞，从而影响有源配电网供电可靠性。因此，提升有源配电网的供电可靠性对提高有源配电网的运行水平具有重要的意义。而传统配电网中的供电可靠性提升手段有限，难以应对大量间歇性分布式电源的接入。柔性软开关(softopenpoint,sop)是在上述背景下衍生出的取代传统联络开关的一种新型智能配电装置。与传统联络开关操作相比，sop能够灵活地交换有功功率和补偿无功功率，甚至可以实时对网络潮流进行控制，有利于解决大量间歇性分布式电源的接入带来的供电可靠性问题。同时，sop也给传统配电网的运行方式以及故障转供模式发生了很大变化。因此，研究含sop的有源配电网供电可靠性评估方法具有重要的意义。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够提升有源配电网的供电可靠性的含sop的有源配电网供电可靠性评估方法。本发明所采用的技术方案是：一种含柔性软开关的有源配电网供电可靠性评估方法，包括如下步骤：1)设定有源配电网可靠性评估的模拟年数，抽样产生有源配电网的元件在模拟年数内的无故障运行时间和故障修复时间；2)确定有源配电网中各最小隔离区的类型和在故障期间的运行状态；3)统计有源配电网中元件故障期间各负荷点的停电时间，对故障元件抽样新的运行时间tttfnew，将故障元件的无故障运行时间更新为tttfmin+tttr+tttfnew，判断模拟时钟是否跨年，未跨年则将统计的负荷点停电时间累加到当年负荷点年停电时间ux中；跨年则采用可靠性指标计算公式计算系统的年可靠性指标，并将ux清零；可靠性指标计算公式如下：式中，t为在规定时间内的需电小时数；ux为负荷点x的年停运时间；ny为负荷点y的用户数；nx为负荷点x的用户数；设定初始用户数为1；p为系统总负荷点数；es表示系统可靠性目标。4)判断模拟时钟是否达到模拟年数，未达到则返回步骤1，达到则模拟过程结束，统计各个模拟年的可靠性指标，进而计算系统的平均供电可用度。步骤1)包括：设定有源配电网中在模拟年数内共有m个元件，模拟初始时刻所有元件均工作于正常状态，根据故障转移率λ随机产生m个元件的无故障运行时间tttf，找出最小的无故障运行时间tttfmin，将最小的无故障运行时间tttfmin对应的元件作为故障元件，根据修复转移率μ随机产生所述故障元件的故障修复时间tttr，并设定所述故障元件的故障隔离时间，将模拟时钟推进到tttfmin+tttr。步骤2)包括：确定有源配电网中各最小隔离区的类型，直接确定故障区、正常区以及上游隔离区内负荷点的停电时间，其余区域中处于孤岛运行的区域，根据元件故障模型，采用非序贯蒙特卡罗方法抽样有源配电网中电源元件的运行状态，得到实时负荷值，蓄电池充放电功率序列以及光伏出力序列，进而根据负荷削减模型计算孤岛运行的区域内各负荷点的停电时间；对于需要联络转供的区域，采用非序贯蒙特卡罗方法抽样待转供与联络区域中电源元件的运行状态、实时出力以及实时负荷值，并结合联络馈线的负载率约束，以最小隔离区为单位进行负荷转供。所述的有源配电网中各最小隔离区的类型包括有：故障区：在故障发生时刻到故障修复时刻一直失电的最小隔离区；正常区：在故障发生时刻到故障修复时刻一直正常供电的最小隔离区；上游隔离区：在故障发生时刻到故障完成隔离的时刻失电，在故障完成隔离的时刻到故障修复时刻正常供电的最小隔离区；上游无缝孤岛区：在故障发生时刻到故障完成隔离的时刻孤岛运行，在故障完成隔离的时刻到故障修复时刻正常供电的最小隔离区；下游无缝孤岛区：在故障发生时刻到故障完成隔离的时刻孤岛运行，在故障完成隔离的时刻到故障修复时刻孤岛运行的最小隔离区；下游隔离孤岛区：在故障发生时刻到故障完成隔离的时刻失电，在故障完成隔离的时刻到故障修复时刻孤岛运行的最小隔离区；下游无缝孤岛联络区：在故障发生时刻到故障完成隔离的时刻孤岛运行，在故障完成隔离的时刻到故障修复时刻孤岛运行的最小隔离区；下游隔离孤岛联络区：在故障发生时刻到故障完成隔离的时刻失电，在故障完成隔离的时刻到故障修复时刻孤岛运行的最小隔离区；下游隔离联络区：在故障发生时刻到故障完成隔离的时刻失电，在故障完成隔离的时刻到故障修复时刻正常供电的最小隔离区；下游孤岛联络区：在故障发生时刻到故障完成隔离的时刻孤岛运行，在故障完成隔离的时刻到故障修复时刻正常供电的最小隔离区；下游无缝联络区：在故障发生时刻到故障修复时刻一直正常供电的最小隔离区。根据负荷削减模型计算孤岛运行的区域内各负荷点的停电时间，包括：(2.1)首先给出负荷削减判定公式：式中，pdmax(t)为t时刻孤岛内的蓄电池最大允许放电功率；pdg(t)为t时刻孤岛内的光伏总出力；lkt(t)为t时刻第k个负荷点的实时负荷；nl为负荷点总数；x(k)为第k个负荷点在t时刻的削减状态，等于1时为保留，等于0时为削减；tst为孤岛起始时刻，tend为孤岛结束时刻；(2.2)从孤岛形成时刻开始，将每个时间阶段取为1h，每个时间阶段初始时刻设定各个负荷点均被保留，分别在每个时间阶段内判断孤岛是否满足负荷削减判定公式，若满足则需要根据负荷点的重要程度逐一进行负荷的削减，优先削减重要程度低的负荷，直至不满负荷削减判定公式为止，分别统计每个时间阶段内各负荷点的停电时间，更新蓄电池的荷电状态，直至孤岛运行阶段结束；(2.3)在故障完成隔离后进行转供，负荷转供的目标选取为转供后馈线负荷均衡度最大和转供负荷重要程度最大的目标，表示为：式中，xl表示第l个最小隔离区的削减状态，等于1时表示未削减，等于0时表示削减；ri表示第i条馈线负载率；rj表示第j条馈线负载率；li表示第i条馈线的负荷；ci表示第i条馈线的容量；ll表示第l个最小隔离区的负荷；n表示馈线数；d表示最小隔离区数。本发明的一种含柔性软开关的有源配电网供电可靠性评估方法，能够考虑大量间歇性分布式电源的接入，调节柔性软开关的运行控制方式，从而提升有源配电网的供电可靠性。能够为现有配电网运行效率的提高提供支撑，有利于提升城市配电网运行的管理水平，促进城市配电网的合理发展。附图说明图1是本发明一种含柔性软开关的有源配电网供电可靠性评估方法的流程图；图2是含三端口sop和含两供一备接线架空网结构改造对比图；图3是典型馈线分区示意图；图4是某地区的实际配电网结构示意图；图5是含三端口sop的有源配电网结构示意图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本发明的一种含柔性软开关的有源配电网供电可靠性评估方法做出详细说明。柔性软开关(sop)的控制模式包括有正常运行条件下的sop控制模式和故障恢复条件下的sop控制模式。其中，正常运行条件下的sop控制模式：是在配电网正常运行条件下，sop控制馈线潮流分布，采取双闭环电流控制策略，一侧vsc采用pq控制，另一侧vsc采用vdcq控制。该控制策略的优点在于sop可以独立控制有功功率和无功功率，并且可以限制发生故障时的通过sop的电流大小。双闭环电流控制策略包括外层功率控制闭环，内层电流控制闭环和锁相环。故障恢复条件下的sop控制模式：是在配电网发生故障后，隔离故障后闭合联络开关即可使失电负荷与供电电源相连接。失电区域能通过联络开关与上级网络相连时，sop故障侧vsc在完成关断、重启、vf控制模式升压过程之后，故障恢复阶段控制策略为vf控制模式；正常侧vsc为vdcq控制模式。含sop的有源配电网组网形态传统配电网的两供一备接线比单联络接线具有更高的允许负载率，未来高比例分布式电源需要更灵活畅通的网络结构。因此，城市配电网采用多端sop对多回馈线进行组网更为合适。以含三端口sop和含两供一备接线架空网结构对比讨论含sop的有源配电网组网形态，改造过程如图2所示，图2上部分为未接入sop的架空网结构，下部分为未接入sop的架空网结构。在图2中，用三端口sop代替联络开关s1并改造接线方式，闭合联络开关s3，拆除冗余开关s2，改造后(接入sop后)3回馈线实现柔性闭环运行。馈线3在改造前的架空网结构中只有备用馈线2提供转供支撑，但改造后，馈线1和馈线2都可以为馈线3提供故障时的转供支撑，在馈线重载的情况下可以提高供电可靠性。但是如果馈线负荷已满足n-1准则，其对侧馈线已经能提供足够的转供支撑，因此即使用三端口sop代替联络开关也不会再提高供电可靠性，该问题将在后述算例进行详细讨论。另外，实际中负荷一般分布不均衡，但是由于在正常工作状态下，与sop相联络的3回馈线间的潮流能选择方向平滑地相互支援，故含sop配电网的馈线等效负荷却能做到相对均衡，达到均衡馈线负荷、改善馈线负荷分布的目的。如图1所示，本发明的一种含柔性软开关的有源配电网供电可靠性评估方法，包括如下步骤：1)设定有源配电网可靠性评估的模拟年数，抽样产生有源配电网的元件在模拟年数内的无故障运行时间和故障修复时间；包括：设定有源配电网中在模拟年数内共有m个元件，模拟初始时刻所有元件均工作于正常状态。主变、馈线与开关等非电源元件采用两状态可修复强迫停运模型，模型中故障转移率为λ，修复转移率为μ，其状态的序贯抽样采用状态持续时间抽样法。根据故障转移率λ随机产生m个元件的无故障运行时间tttf，找出最小的无故障运行时间tttfmin，将最小的无故障运行时间tttfmin对应的元件作为故障元件，根据修复转移率μ随机产生所述故障元件的故障修复时间tttr，并设定所述故障元件的故障隔离时间，将模拟时钟推进到tttfmin+tttr。2)确定有源配电网中各最小隔离区的类型和在故障期间的运行状态；包括：确定有源配电网中各最小隔离区的类型，直接确定故障区、正常区以及上游隔离区内负荷点的停电时间，其余区域中处于孤岛运行的区域，根据元件故障模型，采用非序贯蒙特卡罗方法抽样有源配电网中电源元件的运行状态，得到实时负荷值，蓄电池充放电功率序列以及光伏出力序列，进而根据负荷削减模型计算孤岛运行的区域内各负荷点的停电时间；分布式光伏阵列与蓄电池采用三状态模型，分为正常、停运与降额运行状态。光伏出力的计算采用光伏分段出力模型，可根据全年每小时的光强计算全年实时的光伏出力。对于负荷出力的计算，通过负荷的典型年-周曲线、周-日曲线和日-小时曲线形成实时的负荷数据采用第t小时的负荷lt为lt＝lp×pw×pd×ph(t)(1)式中，lp为年负荷峰值；pw为与第t个小时对应的年-周负荷百分比系数；pd为对应的周-日负荷百分比系数；ph(t)为对应的日-小时负荷百分比系数，分为居民、商业与工业三类负荷系数。蓄电池模型采用铅酸蓄电池的两池模型。其时序模拟可以分为充放电过程的模拟与荷电状态变化的模拟，通过充放电功率与荷电状态的反复模拟可以确定蓄电池的出力曲线。对于需要联络转供的区域，采用非序贯蒙特卡罗方法抽样待转供与联络区域中电源元件的运行状态、实时出力以及实时负荷值，并结合联络馈线的负载率约束，以最小隔离区为单位进行负荷转供。其中，所述的有源配电网中各最小隔离区的类型包括有：故障区：在故障发生时刻到故障修复时刻一直失电的最小隔离区；正常区：在故障发生时刻到故障修复时刻一直正常供电的最小隔离区；上游隔离区：在故障发生时刻到故障完成隔离的时刻失电，在故障完成隔离的时刻到故障修复时刻正常供电的最小隔离区；上游无缝孤岛区：在故障发生时刻到故障完成隔离的时刻孤岛运行，在故障完成隔离的时刻到故障修复时刻正常供电的最小隔离区；下游无缝孤岛区：在故障发生时刻到故障完成隔离的时刻孤岛运行，在故障完成隔离的时刻到故障修复时刻孤岛运行的最小隔离区；下游隔离孤岛区：在故障发生时刻到故障完成隔离的时刻失电，在故障完成隔离的时刻到故障修复时刻孤岛运行的最小隔离区；下游无缝孤岛联络区：在故障发生时刻到故障完成隔离的时刻孤岛运行，在故障完成隔离的时刻到故障修复时刻孤岛运行的最小隔离区；下游隔离孤岛联络区：在故障发生时刻到故障完成隔离的时刻失电，在故障完成隔离的时刻到故障修复时刻孤岛运行的最小隔离区；下游隔离联络区：在故障发生时刻到故障完成隔离的时刻失电，在故障完成隔离的时刻到故障修复时刻正常供电的最小隔离区；下游孤岛联络区：在故障发生时刻到故障完成隔离的时刻孤岛运行，在故障完成隔离的时刻到故障修复时刻正常供电的最小隔离区；下游无缝联络区：在故障发生时刻到故障修复时刻一直正常供电的最小隔离区。典型馈线分区的示例如图3和表1所示。表1含sop的有源配电网分区原则区域类型t1～t2t2～t3示例故障区a1a1s5正常区a2a2s1上游隔离区a1a2s2、s3上游无缝孤岛区a3a2s4下游无缝孤岛区a3a3s7下游隔离孤岛区a1a3s8下游无缝孤岛联络区a3a3s9下游隔离孤岛联络区a1a3s10下游隔离联络区a1a4s12、s14下游孤岛联络区a3a4s13下游无缝联络区a4a4--所述的根据负荷削减模型计算孤岛运行的区域内各负荷点的停电时间，包括：(2.1)首先给出负荷削减判定公式：式中，pdmax(t)为t时刻孤岛内的蓄电池最大允许放电功率；pdg(t)为t时刻孤岛内的光伏总出力；lkt(t)为t时刻第k个负荷点的实时负荷；nl为负荷点总数；x(k)为第k个负荷点在t时刻的削减状态，等于1时为保留，等于0时为削减；tst为孤岛起始时刻，tend为孤岛结束时刻；(2.2)从孤岛形成时刻开始，将每个时间阶段取为1h，每个时间阶段初始时刻设定各个负荷点均被保留，分别在每个时间阶段内判断孤岛是否满足负荷削减判定公式，若满足则需要根据负荷点的重要程度逐一进行负荷的削减，优先削减重要程度低的负荷，直至不满负荷削减判定公式为止，分别统计每个时间阶段内各负荷点的停电时间，更新蓄电池的荷电状态，直至孤岛运行阶段结束；(2.3)在故障完成隔离后进行转供，负荷转供的目标选取为转供后馈线负荷均衡度最大和转供负荷重要程度最大的目标，表示为：式中，xl表示第l个最小隔离区的削减状态，等于1时表示未削减，等于0时表示削减；ri表示第i条馈线负载率；rj表示第j条馈线负载率；li表示第i条馈线的负荷；ci表示第i条馈线的容量；ll表示第l个最小隔离区的负荷；n表示馈线数；d表示最小隔离区数。3)统计有源配电网中元件故障期间各负荷点的停电时间，对故障元件抽样新的运行时间tttfnew，将故障元件的无故障运行时间更新为tttfmin+tttr+tttfnew，判断模拟时钟是否跨年，未跨年则将统计的负荷点停电时间累加到当年负荷点年停电时间ux中；跨年则采用可靠性指标计算公式计算系统的年可靠性指标，并将ux清零；可靠性指标计算公式如下：式中，t为在规定时间内的需电小时数；ux为负荷点x的年停运时间；ny为负荷点y的用户数；nx为负荷点x的用户数；设定初始用户数为1；p为系统总负荷点数；es表示系统可靠性目标。4)判断模拟时钟是否达到模拟年数，未达到则返回步骤1，达到则模拟过程结束，统计各个模拟年的可靠性指标，进而计算系统的平均供电可用度。下面给出一具体实例：以某地区的实际配电网结构为算例，如图所示4，将其传统联络开关改造为含三端口sop的有源配电网，如图5所示。对其网架结构的可靠性进行分析。各变电站相关信息如表2所示，在进行可靠性计算的过程中重点考虑网架结构中单一元件的故障对于负荷点的影响，具体包括：主变故障、母线故障、配电变压器故障、断路器故障、线路故障和开关故障等，各类元件的可靠性参数如表3所示。表2算例中变电站配置情况表表3系统中主要元件可靠性参数元件λrrp母线0.0015－馈线0.0655－配电变压器0.013－5分段开关0.0065－主变0.01200－高压断路器0.00250－低压断路器0.00520－表2中，λ为各元件的平均故障率，单位为次/年，对于馈线为次/年˙km，对于主变为次/台˙年；r为平均修复时间、rp为平均替换时间，单位均为小时。基于上述说明，算例的整体情况包括2个变电站、4台主变、12条馈线、140个负荷节点(8个工业负荷节点、28个商业负荷节点、104个居民负荷节点)、170个配电变压器。工业负荷、商业负荷和居民负荷如表4所示。表4负荷类型和负荷量负荷类型负荷量(mv/户)工业负荷0.1802商业负荷0.4697居民负荷0.8472利用上述含三端口sop的有源配电网供电可靠性评估方法计算含三端口sop的有源配电网和含传统联络开关的有源配电网的可靠性指标，即平均供电可用度指标(asai)。根据上述分析，可分为馈线负荷满足n-1准则场景和馈线重载场景分别计算asai指标，分析三端口sop对于供电可靠性的影响。(1)馈线负荷满足n-1准则场景选取馈线初始平均负载率均为66.7％，计算含三端口sop的有源配电网和含传统联络开关的有源配电网的asai指标，如表5所示：表5馈线负荷满足n-1准则场景asai指标对比配电网asai含三端口sop的有源配电网0.999820含传统联络开关的有源配电网0.999802(2)馈线重载场景选取馈线初始平均负载率均为85％，计算含三端口sop的有源配电网和含传统联络开关的有源配电网的asai指标，如表6所示：表6馈线重载场景asai指标对比配电网asai含三端口sop的有源配电网0.999816含传统联络开关的有源配电网0.999791根据上述结果可以分析得到：1)在馈线负荷满足n-1准则下，含三端口sop的有源配电网asai指标高于含传统联络开关的有源配电网asai指标，因为sop更快的故障恢复速度和负荷转供速度可以在故障完成隔离之后直接将待转供负荷转供到对侧联络馈线，降低了故障完成隔离的时刻到传统联络开关闭合完成下游转供的时刻之间的负荷停电损耗，由于每条馈线故障后，其联络馈线都能提供足够的转供容量，所以此时三端口sop无法通过为馈线增加联络馈线而提高馈线可靠性；2)在不满足n-1准则情况下，两场景下的asai指标都相对于馈线负荷满足n-1准则场景有所下降，含三端口sop的有源配电网asai指标下降幅度会低于含传统联络开关的有源配电网asai指标的下降幅度，因为在传统联络开关下，单联络馈线故障后，其联络馈线无法总是提供足够的转供容量。所以三端口sop此时可以通过为单联络馈线增加联络馈线而提高馈线可靠性。当前第1页12