一种配电网电压脆弱区域辨识方法及装置与流程

本发明涉及配电网保护控制技术领域，更具体地说，涉及一种配电网电压脆弱区域辨识方法及装置。

背景技术：

作为最主要的电能质量问题，电压暂降是严重影响配电网供电可靠性的主要因素，特别是给现代园区制造企业造成巨大的经济损失和资源浪费。美国劳伦斯伯克利国家实验室统计数据显示：美国电力用户每年因为供电中断造成的经济损失接近800亿美元。欧盟莱昂纳多电能质量工作组的调查结果显示：欧盟25个成员国因电压暂降和供电中断引起的年经济损失高达930亿欧元。电压暂降给各行业带来了严重的经济损失，甚至造成了极坏的社会负面影响，已成为困扰电网企业和电力用户的严重电能质量问题。

临界距离法是求解配电网中负荷电压暂降域的常用方法，但该方法只适用于辐射状配电网，不适用于网状配电网。故障点法能够同时适用于辐射状配电网和网状配电网，但该方法需要仿真大量的故障点才能保证负荷电压暂降域求解的精度，所以该方法的缺点是给负荷电压暂降域的求解带来了巨大的工作量，特别是当配电网节点数增加时，该方法的适用度更低。此外，随着配电网尤其是现代工业园区配电网重要性负荷增多，使得有效评估配电网电压脆弱区域对保障重要负荷正常运行有着重要意义。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种配电网电压脆弱区域辨识方法及装置，该方法通过提出母线电压暂降判定向量与线路电压暂降关联向量，可以迅速判定配电网哪些线路上存在临界点以及临界点的个数，并基于此提出确定线路上临界点个数的方法以获得更高的计算效率；在准确获得敏感负荷电压暂降域的基础上，提出母线电压暂降影响度与线路电压暂降影响度的概念，考虑配电网故障类型分布概率、线路和母线故障概率以及敏感负荷耐受特性等因素，对配电网电压脆弱区域进行辨识。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

设计一种配电网电压脆弱区域辨识方法，该方法包括以下步骤：

步骤1)：利用目标配电网结构与参数进行潮流计算，获得故障前各母线的电压信息，并计算目标配电网正序、负序以及零序阻抗；

步骤2)：依次在目标配电网母线上设置短路故障，由此求得敏感负荷母线上的残余电压，并基于此得到母线暂降辨识向量bsi以及线路暂降关联向量lsi；

步骤3)：根据母线暂降辨识向量bsi以及线路暂降关联向量lsi，判断临界点分布情况，并通过残余电压方程以及敏感负荷电压耐受值对临界点的位置进行计算，从而划定敏感负荷的电压暂降域；

步骤4)：获得各敏感负荷的电压暂降域后，根据敏感负荷电压暂降域分布情况进行层级划定，并结合配电网故障类型分布概率、母线以及线路故障概率、敏感负荷电压耐受特性、配电网故障恢复时间，计算母线与线路的电压暂降影响度。

在上述方案中，在所述步骤1)中，计算目标配电网正序、负序与零序阻抗矩阵包括以下步骤：先获取目标配电网的正序线路阻抗、负序线路阻抗、零序线路阻抗、正序对地容抗、负序对地容抗、零序对地容抗并画出相应的等值电路，再通过追加支路法求解目标配电网的正、负、零序阻抗矩阵。

在上述方案中，在所述步骤2)中，根据公式(1)基于各敏感负荷的电压耐受值得到母线电压暂降辨识向量bsi，并根据公式(2)基于母线电压暂降辨识向量bsi得到线路电压暂降关联向量lsi：

其中，且表示当母线i(i＝1，2，···,n)发生故障时敏感负荷母线的残余电压幅值，vt＝(vth,vth,···vth)且vth表示敏感负荷母线电压暂降阈值。

在上述方案中，在所述步骤3)中，临界点分布情况以及个数的确定包括以下步骤：当步骤2)计算所得的lsii为0时，判断目标线路不存在临界点；当步骤2)计算所得lsii等于1时，判断目标线路i有一个临界点；当步骤2)计算所得的lsii等于2时，判断目标线路i的临界点个数为0个或2个。

在上述方案中，在所述步骤3)中，临界点位置的计算包括以下步骤：当步骤2)计算所得的lsii为1时，利用二分法求取某一临界点位置信息p0，该值满足其中ε为收敛阈值，表示p0处发生故障时敏感负荷母线残余电压幅值，vth为敏感负荷母线电压暂降阈值，则p0即为所求临界点的位置；当步骤2)计算所得的lsii为2时，先判定负荷母线电压暂降幅值在p∈[0,1]是单调递增关系还是存在极值，因此，先求出p＝0和p＝1处的导数为与当满足时，该目标线路i全部处于负荷电压暂降域内；当满足时，先确定暂降幅值的最大值，即计算pmax∈[0,1]满足此时，若则目标线路i上存在两个临界点，利用二分法分别搜索p1∈[0,p0)与p2∈(p0,1]，使其满足且则p1与p2为两临界点的位置；若则目标线路i上没有临界点。

在上述方案中，在所述步骤4)中，计算母线与线路的电压暂降影响度包括以下步骤：先根据配电网各故障类型的分布概率、故障概率以及获得的考虑多个敏感负荷电压暂降域层级评估模型，利用公式(3)～公式(5)计算各母线预估暂降频率esfbi、线路预估暂降频率esfli以及配电网内计及多个敏感负荷的总预估暂降频率esft，

公式(3)～公式(5)中，i为四类常见的短路故障，i＝1-4，i＝1为单相接地故障，i＝2为两相接地故障，i＝3为两相短路故障，i＝4为三相短路故障；αi为第i类短路故障的分布概率；γbi取值1或0，其中γbi＝1表示母线j位于该电压暂降域内，γbi＝0表示母线j不处于该电压暂降域中；llj表示线路j包含在该电压暂降域内的长度；fbi为母线i故障率，fli为线路i故障率；m为配电网母线总数目，s为配电网线路总数目。

在上述方案中，在所述步骤4)中，在获得各母线和线路的预估暂降频率以及总预估暂降频率后，根据公式(6)和公式(7)计算母线暂降影响度sibi与线路暂降影响度sili，

通过(6)、(7)式定义得到的暂降影响度越大，则表明对应母线或者线路对配电网内敏感负荷母线发生电压暂降事件的贡献程度越大，反之亦然。

本发明还设计了一种配电网电压脆弱区域辨识装置，所述装置包括：

潮流计算模块，用于利用目标配电网结构与参数进行潮流计算，获得故障前各母线的电压信息，并计算目标配电网正序、负序以及零序阻抗；

残余电压获取模块，用于依次在目标配电网母线上设置短路故障，由此求得敏感负荷母线上的残余电压，并基于此得到母线暂降辨识向量bsi以及线路暂降关联向量lsi；

电压暂降域划定模块，用于根据母线暂降辨识向量bsi以及线路暂降关联向量lsi，判断临界点分布情况，并通过残余电压方程以及敏感负荷电压耐受值对临界点的位置进行计算，从而划定敏感负荷的电压暂降域；

电压暂降影响度确定模块，用于获得各敏感负荷的电压暂降域后，根据敏感负荷电压暂降域分布情况进行层级划定，并结合配电网故障类型分布概率、母线以及线路故障概率、敏感负荷电压耐受特性、配电网故障恢复时间，计算母线与线路的电压暂降影响度。

在上述方案中，所述潮流计算模块，用于计算目标配电网正序、负序与零序阻抗矩阵：先获取目标配电网的正序线路阻抗、负序线路阻抗、零序线路阻抗、正序对地容抗、负序对地容抗、零序对地容抗并画出相应的等值电路，再通过追加支路法求解目标配电网的正、负、零序阻抗矩阵。

在上述方案中，所述残余电压获取模块，用于根据公式(1)基于各敏感负荷的电压耐受值得到母线电压暂降辨识向量bsi，并根据公式(2)基于母线电压暂降辨识向量bsi得到线路电压暂降关联向量lsi：

其中，且表示当母线i发生故障时敏感负荷母线的残余电压幅值，i＝1，2，···,n，vt＝(vth,vth,···vth)且vth表示敏感负荷母线电压暂降阈值。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明通过求取母线暂降辨识向量以及线路电压暂降关联向量，可迅速的判断配电网各线路上临界点的分布情况，与传统临界点计算方法相比较而言，该方法能够有效避免大量的盲目重复性计算工作，对大型配电网电压暂降域的计算有着更好的实用性；根据电压暂降域的分布情况，可获取配电网各母线与线路的期望暂降频率，基于此并结合配电网故障类型分布概率、线路以及母线故障概率以及敏感负荷耐受特性等多个因素求取各母线或线路的暂降影响度，从而可通过该指标直观、定量地对配电网脆弱区域进行评估，最终有利于制定出更具针对性的配电网电压暂降治理方案。

附图说明

图1为本发明实施例中计算单相接地故障下敏感负荷c电压暂降域的流程示意图；

图2为本发明实施例中ieee14节点配电网系统的示意图；

图3为本发明实施例中线路6-13残余电压真实曲线图；

图4为本发明实施例中敏感负荷c电压暂降域结果图；

图5为本发明实施例中电压暂降域的层级划分模型；

图6为本发明实施例中线路暂降影响度结果图；

图7为本发明实施例中母线暂降影响度结果图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本发明提供一种配电网负荷电压暂降域计算方法以及电压脆弱区域辨识方法，该方法包括以下步骤：

步骤1)：利用目标配电网结构与参数进行潮流计算，获得故障前各母线的电压信息，并计算目标配电网正序、负序以及零序阻抗；

步骤2)：依次在目标配电网母线上设置短路故障，由此求得敏感负荷母线上的残余电压，并基于此得到母线暂降辨识向量bsi以及线路暂降关联向量lsi；

步骤3)：根据母线暂降辨识向量bsi以及线路暂降关联向量lsi，判断临界点分布情况，并通过残余电压方程以及敏感负荷电压耐受值对临界点的位置进行计算，从而划定敏感负荷的电压暂降域；

步骤4)：获得各敏感负荷的电压暂降域后，根据敏感负荷电压暂降域分布情况进行层级划定，并结合配电网故障类型分布概率、母线以及线路故障概率、敏感负荷电压耐受特性、配电网故障恢复时间，计算母线与线路的电压暂降影响度。

在所述步骤1)中，计算目标配电网正序、负序与零序阻抗矩阵包括以下步骤：先获取目标配电网的正序线路阻抗、负序线路阻抗、零序线路阻抗、正序对地容抗、负序对地容抗、零序对地容抗并画出相应的等值电路，再通过追加支路法求解目标配电网的正、负、零序阻抗矩阵。

在所述步骤2)中，根据公式(1)基于各敏感负荷的电压耐受值得到母线电压暂降辨识向量bsi，并根据公式(2)基于母线电压暂降辨识向量bsi得到线路电压暂降关联向量lsi：

其中，且表示当母线i(i＝1，2，···,n)发生故障时敏感负荷母线的残余电压幅值，vt＝(vth,vth,···vth)且vth表示敏感负荷母线电压暂降阈值。

在所述步骤3)中，临界点分布情况以及个数的确定包括以下步骤：当步骤2)计算所得的lsii为0时，判断目标线路不存在临界点；当步骤2)计算所得lsii等于1时，判断目标线路i有一个临界点；当步骤2)计算所得的lsii等于2时，判断目标线路i的临界点个数为0个或2个。

在所述步骤3)中，临界点位置的计算包括以下步骤：当步骤2)计算所得的lsii为1时，利用二分法求取某一临界点位置信息p0，该值满足其中ε为收敛阈值，表示p0处发生故障时敏感负荷母线残余电压幅值，vth为敏感负荷母线电压暂降阈值，则p0即为所求临界点的位置；当步骤2)计算所得的lsii为2时，需先判定负荷母线电压暂降幅值在p∈[0,1]是单调递增关系还是存在极值。因此，先求出p＝0和p＝1处的导数为与当满足时，该目标线路i全部处于负荷电压暂降域内；当满足时，先确定暂降幅值的最大值，即计算：pmax∈[0,1]，满足此时，若则目标线路i上存在两个临界点。利用二分法分别搜索p1∈[0,p0)与p2∈(p0,1]，使其满足且则p1与p2为两临界点的位置；若则目标线路i上没有临界点。

在所述步骤4)中，计算母线与线路的电压暂降影响度包括以下步骤：先根据配电网各故障类型的分布概率、故障概率以及获得的考虑多个敏感负荷电压暂降域层级评估模型，利用公式(3)～公式(5)计算各母线预估暂降频率esfbi、线路预估暂降频率esfli以及配电网内计及多个敏感负荷的总预估暂降频率esft，

公式(3)～公式(5)中，i为四类常见的短路故障类型，i＝1-4，i＝1为单相接地故障，i＝2为两相接地故障，i＝3为两相短路故障，i＝4为三相短路故障；αi为i类短路故障的分布概率；γbi取值1或0，其中γbi＝1表示母线j位于该电压暂降域内，γbi＝0表示母线j不处于该电压暂降域中；llj表示线路j包含在该电压暂降域内的长度；fbi为母线i故障率，fli为线路i故障率；m为配电网母线总数目，s为配电网线路总数目。

在所述步骤4)中，在获得各母线和线路的预估暂降频率以及总预估暂降频率后，根据公式(6)和公式(7)计算母线暂降影响度sibi与线路暂降影响度sili，

为了验证本发明所提出的考虑含多个敏感负荷的配电网电压脆弱性区域辨识方法，选用如图2所示的ieee14节点配电网系统作为算例，并仅介绍单相接地故障下敏感负荷c电压暂降域的计算过程，具体处理流程如图1所示。具体步骤如下：

步骤1：利用目标配电网结构与参数等信息进行潮流计算，获得故障前各母线的电压信息，并计算目标配电网正序、负序以及零序阻抗。

步骤2：依次在目标配电网母线上设置短路故障，求得敏感负荷母线上的残余电压，并基于此计算母线暂降辨识向量bsi＝(00011110110011)以及线路暂降关联向量lsi＝(01011121121222112)，其中bsi中元素的序号分别与图2中所示的母线编号对应，lsi中元素分别与图2中所示的线路1-2、1-5、2-3、2-4、2-5、3-4、4-5、6-11、6-12、6-13、7-8、7-9、9-10、9-14、10-11、12-13、13-14对应。

步骤3：根据线路暂降关联向量，判断临界点分布情况。如线路1-2、2-3不在敏感负荷c电压暂降域内；线路1-5、2-4、2-5、3-4、6-11、6-12、7-8、10-11、12-13上存在一个临界点，即表明上述线路部分位于敏感负荷c电压暂降域内；线路4-5、6-13、9-10、9-14、13-14存在0个或者2个临界点。然后通过残余电压方程以及敏感负荷电压耐受值对临界点的位置进行计算，从而确定敏感负荷的电压暂降域。如确定线路6-13的个数与位置：由向量lsi可知，该线路对应的线路暂降关联值为2，因此可知该线路临界点个数存在两种可能：0个或者两个。为此通过对残余电压表达式关于p＝0与p＝1处求导可知，需要进一步求在p∈[0,1]内的最大值此时通过简单的二分法可以获得故该线路上没有临界点，即线路6-13位于负荷c电压暂降域内。图3为母线6-13残余电压真实值曲线值，可以很直接的看出母线6-13无临界点，且都处于敏感负荷c的电压暂降域内，从而验证了本发明所提出的电压暂降域计算方法的正确性与准确性。图4为计算得到的敏感负荷c的电压暂降域结果图。

步骤4：分别求得各类型故障下a、b、c敏感负荷的电压暂降域后，根据如图5所示的层级划分模型将含多个多敏感负荷的电压暂降域分为ol1、ol2、ol3层。

步骤5：根据获得的电压暂降域层级划定结果，结合配电网故障类型分布概率、母线以及线路故障概率、敏感负荷电压耐受特性、配电网故障恢复时间等信息计算母线与线路的电压暂降影响度，计算结果如图6和图7所示。从上述图中可以获知，线路13-14电压暂降影响度最高，母线4与5电压暂降影响度最高，因此线路13-14与母线4与5相较于其他母线与线路有着最高的脆弱度。

本发明还提供了一种配电网电压脆弱区域辨识装置，所述装置包括：

潮流计算模块，用于利用目标配电网结构与参数进行潮流计算，获得故障前各母线的电压信息，并计算目标配电网正序、负序以及零序阻抗；

残余电压获取模块，用于依次在目标配电网母线上设置短路故障，由此求得敏感负荷母线上的残余电压，并基于此得到母线暂降辨识向量bsi以及线路暂降关联向量lsi；

电压暂降域划定模块，用于根据母线暂降辨识向量bsi以及线路暂降关联向量lsi，判断临界点分布情况，并通过残余电压方程以及敏感负荷电压耐受值对临界点的位置进行计算，从而划定敏感负荷的电压暂降域；

电压暂降影响度确定模块，用于获得各敏感负荷的电压暂降域后，根据敏感负荷电压暂降域分布情况进行层级划定，并结合配电网故障类型分布概率、母线以及线路故障概率、敏感负荷电压耐受特性、配电网故障恢复时间，计算母线与线路的电压暂降影响度。

进一步的，所述潮流计算模块，用于计算目标配电网正序、负序与零序阻抗矩阵：先获取目标配电网的正序线路阻抗、负序线路阻抗、零序线路阻抗、正序对地容抗、负序对地容抗、零序对地容抗并画出相应的等值电路，再通过追加支路法求解目标配电网的正、负、零序阻抗矩阵。

进一步的，所述残余电压获取模块，用于根据公式(1)基于各敏感负荷的电压耐受值得到母线电压暂降辨识向量bsi，并根据公式(2)基于母线电压暂降辨识向量bsi得到线路电压暂降关联向量lsi：

其中，且表示当母线i发生故障时敏感负荷母线的残余电压幅值，i＝1，2，···,n，vt＝(vth,vth,···vth)且vth表示敏感负荷母线电压暂降阈值。

本发明提出了一种可快速的求解负荷电压暂降临界点的方法及装置，并由此提出了有效评定配电网母线与线路电压脆弱度的指标以系统评价配电网电压脆弱度。通过提出母线暂降判定向量与线路暂降关联向量，可迅速地定位暂降域临界点位置以及个数，可有效减少传统方法采用逐步计算或者仿真模拟带来的巨大工作量。在确定临界点位置时，根据残余电压方程的特性定义了对母线临界点的求解过程，可提高临界点求解的精确性，可提升计算效率。基于获得的电压暂降域，通过提出母线与线路暂降影响因子对配电网电压脆弱性进行了系统性的评估。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。