多电压等级配电网备用电源自动投切装置自适应配置方法与流程

本发明涉及配电电路领域，具体涉及一种多电压等级配电网备用电源自动投切装置自适应配置方法。

背景技术：

随着国家经济的发展和人民生活水平的提高，对供电可靠性的要求也越来越高。备用电源自动投切装置作为配电网供电可靠性的一道保障措施，在配电网安全运行中起着重要作用。目前，制定备用电源自动投切装置配置方案时还主要是依据经验分别在不同电压等级电网的分段或母联断路器处配置备用电源自动投切装置。若变电站高低压侧均配置备用电源自动投切装置则可能造成备用电源自动投切装置的冗余，而单独在高压或低压侧配置备用电源自动投切装置又各有局限性：单独在高压侧配置备用电源自动投切装置时若变压器发生故障，备用电源自动投切装置检测到母线失电，只能操作进线断路器、母联或分段断路器，实际并未在隔离变压器故障上起到作用；单独在低压电网配置备用电源自动投切装置时易出现“一变带全站”的情况，可能会发生变压器过载。仅凭经验配置容易出现由于备用电源自动投切装置配置不合理而引起变压器或(及)联络线过载，从而导致大面积停电事故。

当前，备用电源自动投切装置的配置主要存在以下问题：

(1)只考虑一个变电站接线的情况，而没有考虑联络线以及上下级配合，即只考虑局部，而没有考虑全局。

(2)在高压侧、低压侧还是高低压均配置备用电源自动投切装置纯凭借经验，需要人工对配置方案作出判断，误差较大，标准不一，缺乏优化配置的方法。

(3)未考虑故障后负荷转带的问题，忽略了可能出现的变压器、联络线过载的情况。

(4)只考虑符合“N-1”单一故障原则的情况，未将符合“N-2”双重故障原则的情况纳入考虑范围。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多电压等级配电网备用电源自动投切装置自适应配置方法。通过对不同接线形式下备用电源自动投切装置动作情况，明确“N-1”、“N-2”原则下备用电源自动投切装置动作对电网拓扑的改变，将最终拓扑作为潮流计算的电网结构。同时，建立负荷转供矩阵，并构建基于负荷转供能力的备用电源自动投切装置优化配置模型，最后采用遗传算法实现备用电源自动投切装置自适应配置。

为了实现上述目的，提供一种可在多电压等级配电网中应用的备用电源自动投切装置自适应配置方法，其特点是，包含以下步骤：

S1、在“N-1”及“N-2”原则下，针对变电站常用接线方式，在设备明备用和设备暗备用的两种运行方式下，分别确定设备故障导致备用电源自动投切装置动作后对电网拓扑的影响，从而得到新的网络拓扑关系；

S2、根据新的网络拓扑关系，分别建立供电单元与联络开关的关联关系矩阵N、站内转供矩阵V和联络线的联络容量矩阵C；

S3、构建基于负荷转供能力最大化为目标的备用电源自动投切装置的配置模型，辅以约束条件，得到备用电源自动投切装置的优化配置模型。

上述的多电压等级配电网备用电源自动投切装置自适应配置方法，其中，在所述的步骤S3之后还包含：

S4、根据待配置区域的实际网架数据，经过面向各数据样本的参数寻优和基于遗传算法的优化建模后，对区域内变电站的备用电源自动投切装置进行最优配置。

上述的多电压等级配电网备用电源自动投切装置自适应配置方法，其中，所述的步骤S2包含以下步骤：

S21、建立供电单元与联络开关的关联关系矩阵N：

式中矩阵元素N_i,j表示第i个供电单元与第j个联络开关的关联关系(i＝1,2,…,N_U∑,j＝1,2,…,N_SΣ)，第i个供电单元失电会造成第j个联络开关闭合，则N_i,j＝1，否则N_i,j＝0；矩阵的第i行表征了第i个供电单元在变电站外的负荷转供路径；

S22、建立站内转供矩阵V：

根据备用电源自动投切装置的动作情况建立站内转供矩阵V：

式中矩阵元素V_i,j表示第i个供电单元与第j个供电单元的关联关系(i＝1,2,…,N_UΣ,j＝1,2,…,N_UΣ)，第i个供电单元失电时备用电源自动投切装置动作使得部分负荷由造成第j个供电单元转带，则V_i,j＝1，否则V_i,j＝0；

S23、建立联络容量矩阵C：

负荷转供的同时要考虑联络线的容量，因此要建立联络容量矩阵C，以便于在模型中建立约束：

式中矩阵元素C_i,j表示第i个供电单元在第j个联络开关的联络通路的极限联络容量(i＝1,2,…,N_UΣ,j＝1,2,…,N_S∑)。

上述的多电压等级配电网备用电源自动投切装置自适应配置方法，其中，所述的步骤S3包含以下步骤：

S31、建立模型目标函数：

构建负荷转供能力优化模型时，目标函数为“N-1”或“N-2”原则下配电网的负荷转供能力最大；对于多电压等级配电网整体来说，其满足“N-1”或“N-2”原则的最大转供能力为：

式中，P(X_t)为备用电源自动投切装置配置方案X_t配电系统的转供能力；ΔP_ij为第i个“N-1”或“N-2”故障中未故障供电单元j的负荷变化量；

S32、对S31的结果设定约束条件得到备用电源自动投切装置的优化配置模型，所述约束条件包含：

(6)电压约束；

(7)潮流约束；

(8)符合“N-1”或“N-2”原则的约束；

(9)联络线容量约束；

(10)主变容量约束。

与现有技术相比，本发明所述的在多电压等级配电网中应用的备用电源自动投切装置自适应配置方法，针对配电网网架结构复杂的特点，通过对不同接线形式下备用电源自动投切装置动作情况，构建备用电源自动投切装置优化配置模型，最后采用遗传算法实现备用电源自动投切装置自适应配置。本发明不仅可避免根据经验配置备用电源自动投切装置易造成变压器、联络线过载的问题，而且还兼顾考虑了故障后的负荷转带以及“N-2”故障情况，提高“N-1”及“N-2”情况下电网转供能力，并改善系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明的算法流程图。

图2是一个实际网架结构图。

图3是本发明建模的步骤示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

一种可在多电压等级配电网中应用的备用电源自动投切装置自适应配置方法，包含以下步骤：

S1、在单一故障原则“N-1”及双重故障原则“N-2”原则下，确定备用电源自动投切装置动作后，网络拓扑的更新情况，得到新的网络拓扑。其中，还需区分设备明备用和暗备用的区别以及不同接线方式的区别。

在单一故障原则“N-1”情况下，针对变电站常用接线方式，在设备明备用和设备暗备用的两种运行方式下，设备故障导致备用电源自动投切装置动作后对电网拓扑的影响如表1所示：

表1不同接线方式中备用电源自动投切装置动作后拓扑比较

在“N-2”情况下，包含两种情况：一种情况是一设备计划检修时另一设备故障；另一种情况是一设备故障且未修理好时另一设备故障。此时，备用电源自动投切装置的动作情况不同(是否投入分段或母联开关的情况不同)，但最终的电网拓扑相同。若故障属于不同变电站，则为“N-1”情况的线性叠加；若故障属于同一变电站，除了“N-1”情况的叠加之外，还要考虑重复节点的筛除。同时，由于不同电压等级的备用电源自动投切装置的动作需要配合，在拓扑更新时要考虑不同电压等级的备用电源自动投切装置动作顺序造成的影响。

S2、根据新的网络拓扑关系，建立负荷转供矩阵。根据不同的负荷转供通道，分别建立供电单元与联络开关的关联关系矩阵N、站内转供矩阵V。考虑到联络线的容量限制，还要建立联络容量矩阵C。

S21、变电站同一母线上的进线与变压器可视为一个供电单元，若某个供电单元失电后中压配电网中与其连接的联络开关要闭合。因此，建立的供电单元与联络开关的关联关系矩阵N为：

式中矩阵元素N_i,j表示第i个供电单元与第j个联络开关的关联关系(i＝1,2,…,N_U∑,j＝1,2,…,N_S∑)，第i个供电单元失电会造成第j个联络开关闭合，则N_i,j＝1，否则N_i,j＝0；矩阵的第i行表征了第i个供电单元在变电站外的负荷转供路径。

S22、根据备用电源自动投切装置的动作情况建立站内转供矩阵V：

式中矩阵元素V_i,j表示第i个供电单元与第j个供电单元的关联关系(i＝1,2,…,N_U∑,j＝1,2,…,N_U∑)，第i个供电单元失电时备用电源自动投切装置动作使得部分负荷由造成第j个供电单元转带，则V_i,j＝1，否则V_i,j＝0；

S23、负荷转供的同时要考虑联络线的容量，因此要建立联络容量矩阵C，以便对模型建立约束：

式中矩阵元素C_i,j表示第i个供电单元在第j个联络开关的联络通路的极限联络容量(i＝1,2,…,N_U∑,j＝1,2,…,N_S∑)。

S3、构建基于负荷转供能力的备用电源自动投切装置的配置模型。

S31、建立模型的目标函数。根据S2中的三个矩阵N、V、C，可以得到备用电源自动投切装置的配置方案X_t所对应的转供能力函数P(X_t)。构建符合转供能力优化模型时，目标函数取负荷转供能力最大时的函数。从一系列P(X_t)中根据下式遴选出最大值：

式中，ΔP_ij为第i个在“N-1”或“N-2”故障中未故障供电单元j的负荷变化量。

S32、对于模型的目标函数，即式(4)，还需进行条件约束。约束条件包含5条。

(1)在“N-1”或“N-2”故障情况下需对节点p的电压做出约束，约束条件为：

其中，U_p表示“N-1”或“N-2”故障后节点p电压，表示节点p额定电压。

(2)在“N-1”或“N-2”故障情况下的潮流约束条件为：

其中，P_pm表示“N-1”或“N-2”故障后节点p到节点m的支路的有功功率，表示节点p到节点m的支路的额定容量。

(3)“N-1”故障情况下或“N-2”故障情况下，有相同的等值约束条件。本实施例中，提供在“N-2”故障前提下，一设备(进线、母线、变压器)故障或检修时，另一设备(进线、母线、变压器)发生故障情况下的一种等值约束条件，即，供电单元的负荷变化应满足以下约束条件：

其中，ΔP_ij为第i个“N-2”故障中未故障供电单元j的负荷变化量；B为“N-2”故障；A_kj为“N-2”故障中失电的供电单元k通过联络开关转供的负荷；I为备用电源自动投切动作后变化的供电单元；S_kd为“N-2”故障中失电的供电单元k通过备用电源自动投切动作由供电单元d转供的负荷。

(4)站间联络线是在不同变电站低压侧母线间联络的线路，在“N-1”或“N-2”故障情况下，备用电源自动投切动作后把故障变电站部分负荷转移给其他变电站，通过联络线转供的负荷不可超过联络线的极限联络容量，约束条件如下：

A_kj≤C_kj (8)

其中，A_kj为“N-1”或“N-2”故障中失电的供电单元k通过联络开关转供的负荷；C_kj为供电单元k通过联络开关转供的极限联络容量。

(5)主变转供的负荷不可超过其额定容量。

“N-1”或“N-2”故障事件中失电的供电单元k通过联络开关转供时所连接的承担转供负荷变电站的主变l不超过额定容量，这里的主变是未故障供电单元的主变，该供电单元通过联络线承担了故障变电站的部分负荷，主变容量约束条件为：

N_ljS_lj≤L_lj(l≠k) (9)

其中，矩阵S为转供负荷矩阵，矩阵L为主变额定容量矩阵。

经过上述3步骤后，得到多电压等级配电网备用电源自动投切装置的优化配置模型，根据待配置区域的实际网架数据，进行第4步，经过面向各数据样本的参数寻优和基于遗传算法的优化建模后，得到针对实际待配置区域的最优配置。

S4、对区域内变电站的备用切装置进行最优配置的算法如下，流程图如图1所示：

S41、读入电网系统的网络节点参数，约束条件关系及支路信息等数据，设置遗传算法参数具体包括种群的群体规模大小为m，算法进行迭代时进行的最大迭代次数为T，进行种群之间交叉的概率P_c，种群个体变异的概率P_m。

S42、初始值为各变电站随机高低压配置方案，利用十进制编码对初始种群进行编码操作，同时令迭代次数t＝0，m个种群个体分别为i为故障编号。

S43、根据表1的内容针对“N-1”或“N-2”的每一种故障更新电网拓扑，并进行潮流计算。

S44、对当前群体中每个个体分别进行转供能力(即适应度)的计算，其中转供能力以罚函数的形式将备用电源自动投切装置的配置模型的约束条件计入，从而将优化问题转化为一个惩罚函数，以筛选可行解，并根据得到的适应值大小对每个满足约束条件的个体进行排序。

S45、在群体中按一定概率选择m个个体作为下一代种群的父本，其中个体被选择到的概率定义为：

选择过程中按概率复制具有适应度较高的染色体至下一代，然后采用一致交叉运算，即染色体位串上的每一位按交叉概率P_c进行随机均匀交叉；再对群体中的个体按照变异概率P_m进行变异运算，产生新一代群体变异概率一般取值很小，以保证种群发展的稳定性。

S46、如果t<T，令t＝t+1，转步骤S44；否则转步骤S47。

S47、输出通过遗传运算得到的最优配置方案，运算结束。

以图2所示的网架结构图为例，系统共有2座35kV变电站，5座110kV变电站，1座10kV开关站。35kV配电网的接线形式有双侧电源辐射接线(变电站1)、双侧电源三T接线(变电站2)；35kV变电站的高压侧主接线有线变组接线(变电站1)、线变组和内桥混合接线(变电站2)。110kV配电网的接线模式有辐射型接线(变电站3)、双回链式接线(变电站4、5)、双侧电源三T接线(变电站6、7)；110kV变电站的高压侧主接线有双母线接线(变电站3)、环进环出接线(变电站4)、单母线分段接线(变电站5)、T型接线(变电站6)以及线变组和内桥混合接线(变电站7)。

变电站2连接一个10kV的K型开关站，并以“n供一备”的模式与变电站1的母线I、变电站6的母线II以及变电站6的电缆出线构成电缆网。变电站1的母线II出线、变电站3的10kV侧母线出线、变电站4母线出线、变电站5母线I出线、变电站6母线I出线以及变电站7母线III出线，以“多分段、适度联络”的模式构成架空线网络。

本实施例中利用遗传算法进行备用电源自动投切装置的配置，得到配置方案为变电站1、2、6、7在低压侧配置备用电源自动投切装置，变电站3在中、低压侧配置备用电源自动投切装置，变电站4、5在高低压侧均配置备用电源自动投切装置以及开关站配置备用电源自动投切装置时，电网满足约束条件的负荷转供能力最大，为143.5MVA。而根据现有方法配置的方案为：变电站1、2、4、5、6、7在低压侧配置备用电源自动投切装置，变电站3在中、低压侧配置备用电源自动投切装置，开关站配置备用电源自动投切装置，负荷转供能力为127.2MVA。两个方案的具体情况比较见表2。

表2方案比较表

由表2的对比可知，如果仅根据经验与导则进行备用电源自动投切装置配置，则在部分“N-1”及“N-2”情况下均会出现电压越限和潮流越限。本发明所述方法提高了“N-1”及“N-2”情况下电网转供能力，避免了潮流、电压越限，提高了系统的可靠性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。