高渗透率可再生能源条件下配电网安全运行动态重构方法

摘要

一种高渗透率可再生能源条件下配电网安全运行动态重构方法。其包括1)配电网的安全评估；2)第一阶段重构；3)第二阶段重构；4)时段融合；5)生成最终配电网重构方案等步骤。本发明效果：考虑了未来配电网发展情况，首次将高渗透率这一情景考虑到配电网重构中，分析未来由于分布式电源大量接入配电网会出现的问题，并以此设计重构方法，因此能够保证配电网安全运行。首次将时段划分与重构动作结合，使得时段划分和重构动作同时进行，避免了时段划分结果不科学导致的不合理重构或无法重构。

说明书

技术领域

本发明属于城市配电网运行优化技术领域，特别是涉及一种高渗透率可再生能源条件下配电网安全运行动态重构方法。

背景技术

随着清洁、环保的可再生能源发电技术的愈发完善，配电网中可再生能源发电(分布式电源)的渗透率正逐渐增加。高渗透率定义为平均每时段发电量超过用电负荷的30％。在高渗透率下的配电网安全运行即为在该运行场景下，配电网运行能满足静态约束(节点电压约束、支路电流约束等)。然而，分布式电源的间歇性与随机性给配电网带来了巨大的影响，这些影响会严重阻碍配电网的安全运行，因此如何保证配电网在高渗透率下的安全运行成为研究的重点。

配电网重构作为一种无需增加额外设备投资即可改变配电网状态的手段，是配电自动化研究的重要组成部分，也是优化配电网运行的重要方式。配电网具有闭环设计，开环运行的特点。配电网重构就是通过改变联络开关与分段开关的状态来改变网络的拓扑，以在馈线或变电站之间转移负荷，从而影响网络中的功率流动，最终达到网络运行优化的目的。

动态重构考虑了负荷及可再生能源实时变化特性，针对时间区间进行研究。而动态重构方法的难点就在于如何确定整个时间周期的重构方案，即每个时间断面的拓扑结构，并且保证其合理性。目前动态重构的做法均为对整个周期进行分段，将动态重构问题转化为一系列静态重构问题的组合，从而进行求解。然而该类方法均割裂了时段划分与重构操作，并不能保证在预先得到的时段中可以得到一个合适的网络结构以满足配电网安全运行。而且也未考虑到保证高渗透率下配电网安全运行重要，仅以各时间断面重构方案可支撑静态安全约束为标准，仅以经济性为目标，因此不符合未来高渗透率发展要求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种高渗透率可再生能源条件下配电网安全运行动态重构方法，以解决未来大量可再生能源接入条件下配电网运行可能出现的问题，保证配电网的安全运行。

为了达到上述目的，本发明提供的高渗透率条件下配电网安全运行的动态重构方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)配电网的安全评估；

基于待研究的配电网24时点负荷需求预测结果，以初始运行网架为基础，根据时点t到时点t+1的负荷及电源出力情况，其中t＝1、2、3…24，运用连续潮流算法，分别计算出时点t到时点t+1所有节点的电压曲线，一旦时点t到时点t+1间任意节点的电压曲线有超过安全运行约束条件的行为，那么判定时点t违反安全运行约束条件；

2)第一阶段重构；以步骤1)评估结果中第一个不满足安全运行约束的时点t1为起始点，判断该时点是否为黑点，如果在该时点负荷及可再生能源出力条件下，没有任何重构方案可以支撑该时点安全运行，则认为该时点为黑点；若该时点是黑点，则以时点t1+1为起始点，并重新判断，直至找到时点t1之后第一个不是黑点的时点，并将其作为起始点；在得到起始点后，以重构方案可支撑配电网安全运行的时间长度最大为目标对配电网进行重构，得到可支撑到时点b的重构方案；重新以时点b为起始点，继续上述操作，直至重构方案支撑的时段范围包含步骤1)的评估结果中最后一个不满足安全运行约束条件的时点；

3)第二阶段重构；在本步骤中，分别对上述确定的各个黑点以弃可再生能源发电最小为目标开展配电网重构，得到各个黑点弃可再生能源发电最小的较优解集；

4)时段融合；从上述所有重构结果中找出所有仅包含单个时点的时段T1～Tn，从第一个时段T1开始，将该时段分别与其前后两个相邻时段A1，A2融合，同时对应地将时段T1的较优解集分别与前一时段A1及后一时段A2的重构方案求并集，形成新时段对应的新重构方案集合B1，B2；以枚举法找出新重构方案集合B1中，在时段T1+A1期间，弃可再生能源发电最小值a；同样找出新重构方案集合B2中，在时段T1+A2期间，弃可再生能源发电最小值b；若最小值a较小，则将时段T1与A1融合而得到新时段重构方案并集x1；反之则将时段T1与A2融合而得到新时段重构方案并集x2；继续按上述方法处理所有余下的仅包含单个时点的时段，直至待研究的配电网内不存在仅包含单个时点的时段；

5)生成最终配电网重构方案。

在步骤1)中，所述的安全运行约束条件包括：

(1)连续潮流约束

式中：是基态下节点i，相t时段的注入有功和无功功率；是节点i，相t时段的电压幅值；分别是节点i，相与节点j，k相间的网络电导和电纳；是节点i，相与节点j，k相电压t时段的相角差；是节点i，相t时段给定的发电有功和无功功率变化向量；是节点i，相t时段给定的负荷有功和无功功率变化向量；λ为负荷增长裕度；

(2)负荷裕度约束

λ≥λth(3)

λth为所设定的负荷增长裕度阈值；

(3)节点电压与支路电流约束

U_imin≤U_t,λ,i≤U_imax(4)

I_imin≤I_t,λ,i≤I_imax(5)

式中：U_t，λ，i为节点i在时段t，负荷增长裕度λ下的电压幅值；U_imin和U_imax分别为节点i电压幅值的下、上限；I_t，λ，i为节点i在时段t，负荷增长裕度λ下的电流幅值；I_imin和I_imax分别为节点i电流幅值的下、上限；

(4)辐射状运行约束

配电网的运行必须满足辐射状运行方式即配电网中不存在环路和孤岛。

在步骤2)中，所述的第一阶段重构时所采用的目标函数表达式如下：

max(t_d)(6)

t_d＝t_fin-t_i-1(7)

式中：t_d表示在第t时点重构之后，该重构方案可以支撑配电网安全运行的时段长度；t_i表示开始重构的时点；t_fin表示在后续时点中，重构方案不能支撑配电网安全运行的第一个时点。

在步骤3)中，所述的第二阶段重构时所采用的目标函数表达式如下：

min(P_Gloss,t)(8)

式中：P_Gloss,t为第t时段重构后分布式电源弃用量。

在步骤4)中，所述的时段融合所采用的目标函数表达式如下：

min(min(P_{Gloss,t,t+1,x1}),min(P_{Gloss,t,t-1,x2}))(9)

式中：x1∈Φ(t)∪Φ(t+1)，x2∈Φ(t)∪Φ(t-1)，即x1为时段t重构方案与时段t+1重构方案并集，x2为时段t重构方案与时段t-1重构方案并集。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明考虑了未来配电网发展情况，首次将高渗透率这一情景考虑到配电网重构中，分析未来由于分布式电源大量接入配电网会出现的问题，并以此设计重构方法，因此能够保证配电网安全运行。

(2)本发明首次将时段划分与重构动作结合，使得时段划分和重构动作同时进行，避免了时段划分结果不科学导致的不合理重构或无法重构。

附图说明

图1是本发明提供的高渗透率可再生能源条件下配电网安全运行动态重构方法流程图；

图2是本发明方法中安全评估阶段实施结果示例图；

图3是本发明实施例所采用的配电网示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提供的高渗透率条件下配电网安全运行的动态重构方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)配电网的安全评估；

基于待研究的配电网24时点负荷需求预测结果，以初始运行网架为基础，根据时点t到时点t+1(t＝1、2、3…24)的负荷及电源出力情况，运用连续潮流算法，分别计算出时点t到时点t+1所有节点的电压曲线，一旦时点t到时点t+1间任意节点的电压曲线有超过下述安全运行约束条件的行为，那么判定时点i违反安全运行约束条件。

所述的安全运行约束条件包括：

(1)连续潮流约束

由于本发明将可再生能源发电节点当作一般PQ节点处理，因此，本发明中连续潮流约束写为：

式中：是基态下节点i，相t时段的注入有功和无功功率；是节点i，相t时段的电压幅值；分别是节点i，相与节点j，k相间的网络电导和电纳；是节点i，相与节点j，k相电压t时段的相角差；是节点i，相t时段给定的发电有功和无功功率变化向量；是节点i，相t时段给定的负荷有功和无功功率变化向量；λ为负荷增长裕度；

(2)负荷裕度约束

λ≥λth(3)

λth为所设定的负荷增长裕度阈值。负荷增长裕度作为参数空间的物理量，可以直观地反映出导致电压失稳的严重程度，已经在电力行业得到了广泛的应用。负荷增长裕度定义为：从配电网给定运行状态出发，按照某种模式，通过负荷或传输功率的增长逐步逼近电压崩溃点，则配电网当前运行点到电压崩溃点的距离称为负荷裕度。本发明不需考虑电压崩溃点这种极端情况，只需保证配电网在负荷增长裕度阈值时依旧满足静态安全约束。由式(4)、(5)可知，λ＝1表示当前配电网结构恰好可以实现相邻时点注入功率的过渡，本发明设定负荷增长裕度阈值λth＝1.05。

(3)节点电压与支路电流约束

U_imin≤U_t,λ,i≤U_imax(4)

I_imin≤I_t,λ,i≤I_imax(5)

式中：U_t，λ，i为节点i在时段t，负荷增长裕度λ下的电压幅值；U_imin和U_imax分别为节点i电压幅值的下、上限；I_t，λ，i为节点i在时段t，负荷增长裕度λ下的电流幅值；I_imin和I_imax分别为节点i电流幅值的下、上限。

(4)辐射状运行约束

配电网的运行必须满足辐射状运行方式即配电网中不存在环路和孤岛。

本步骤采用的安全评估约束条件也是后续各阶段重构模型所需遵守的基本约束条件。

2)第一阶段重构；以步骤1)评估结果中第一个不满足安全运行约束的时点t1为起始点，判断该时点是否为黑点，(如果在该时点负荷及可再生能源出力条件下，没有任何重构方案可以支撑该时点安全运行，则认为该时点为黑点)。若该时点是黑点，则以时点t1+1为起始点，并重新判断，直至找到时点t1之后第一个不是黑点的时点，并将其作为起始点；在得到起始点后，以重构方案可支撑配电网安全运行的时间长度最大为目标对配电网进行重构(完全消纳分布式可再生能源)，得到可支撑到时点b的重构方案；重新以时点b为起始点，继续上述操作，直至重构方案支撑的时段范围包含步骤1)的评估结果中最后一个不满足安全运行约束条件的时点；可以看出，在本阶段中，重构操作与时段划分同时进行，一个重构方案同时也代表着一个划分出的时段。

第一阶段重构时所采用的目标函数表达式如下：

max(t_d)(6)

t_d＝t_fin-t_i-1(7)

式中：t_d表示在第t时点重构之后，该重构方案可以支撑配电网安全运行的时段长度；t_i表示开始重构的时点；t_fin表示在后续时点中，重构方案不能支撑配电网安全运行的第一个时点。

主要的安全运行约束条件见上述式(1)-(5)。

3)第二阶段重构；在本步骤中，分别对上述确定的各个黑点以弃可再生能源发电最小为目标开展配电网重构，得到各个黑点弃可再生能源发电最小的较优解集。在本阶段中，将各个黑点划分为一个个独立的时段，每个时段也同时包含相应的较优解集。

第二阶段重构时所采用的目标函数表达式如下：

min(P_Gloss,t)(8)

式中：P_Gloss,t为第t时段重构后分布式电源弃用量。

上述目标函数的意义是：在满足重构方案支撑配电网安全运行的基础上尽可能地减少可再生能源发电弃用量。

主要的安全运行约束条件见式(1)-(5)。

4)时段融合；从上述所有重构结果中找出所有仅包含单个时点的时段T1～Tn，从第一个时段T1开始，将该时段分别与其前后两个相邻时段A1，A2融合，同时对应地将时段T1的较优解集分别与前一时段A1及后一时段A2的重构方案求并集，形成新时段对应的新重构方案集合B1，B2；以枚举法找出新重构方案集合B1中，在时段T1+A1期间，弃可再生能源发电最小值a；同样找出新重构方案集合B2中，在时段T1+A2期间，弃可再生能源发电最小值b；若最小值a较小，则将时段T1与A1融合而得到新时段重构方案并集x1；反之则将时段T1与A2融合而得到新时段重构方案并集x2；继续按上述方法处理所有余下的仅包含单个时点的时段，直至待研究的配电网内不存在仅包含单个时点的时段；

所述的时段融合所采用的目标函数表达式如下：

min(min(P_{Gloss,t,t+1,x1}),min(P_{Gloss,t,t-1,x2}))(9)

式中：x1∈Φ(t)∪Φ(t+1)，x2∈Φ(t)∪Φ(t-1)，即x1为时段t重构方案与时段t+1重构方案并集，x2为时段t重构方案与时段t-1重构方案并集。

上述目标函数的物理含义是：比较时段t分别与其相邻时段t+1、t-1融合后弃可再生能源发电量，取其中弃可再生能源发电小的重构方案并集为融合结果。

本步骤能够避免网络开关的频繁操作，提高重构方案的可实施性。

5)生成最终配电网重构方案。

现以图2为示例，对本发明方法的思路进行进一步阐述。

由图2可知，经过步骤1)的安全评估阶段，得到时点1、2、9、16、22、23、24为不满足安全运行约束条件的时点。

为此，在步骤2)中，首先以时点1作为起始点，发现时点1为“黑点”，因此跳过，同理跳过时点2。以时点3为起始点进行重构，重构方案最多可支撑到时点8，无法支撑时点9时配电网运行，因此，第一个时段为3-8。然后以时点9为起始点，重构方案最多可支撑到时点15，第二个时段为9-15。之后以时点16作为起始点，发现时点16为“黑点”，因此跳过。以时点17为起始点，重构方案最多可支撑到时点21，第三个时段为17-21。时段22、23、24为“黑点”。

步骤3)中，分别对黑点1、2、16、22、23、24进行配电网重构，以弃可再生能源发电量最小为目标，得到各个黑点的较优解集。同时，各个黑点也对应着各个独立的时段。

步骤4)中，以时点16为例，说明融合原则。将在时点16得到的较优解集与时段9-15得到的重构方案融合得到新重构方案集合A，以枚举法得出新重构方案集合A中各个解在时段9-16的弃可再生能源发电总量，找出最小值a，找出对应解。再将在时点16得到的较优解集与时段17-21得到的重构方案融合得到新重构方案集合B，以枚举法得出新重构方案集合B中各个解在时段16-21的弃可再生能源发电总量，找出最小值b，找出对应解。比较最小值a、b的大小，选择数值小的对应解，并对应合并时段。

以此为原则，将时点1、2融合为一个时段，将时点16融合到时段9-15中，将时点22、23、24融合为一个时段，得出最终配电网重构方案。

本发明采用如图3所示的IEEE33节点的配电网作为实施例进行分析，考虑到未来分布式电源的大力发展，本发明将在每个节点均接入分布式电源。此运行场景充分模拟了未来用户侧接入分布式电源下配电网的运行情况。本发明在节点2、4、13、17、18、21、22、29、31、32、33处分别接入额定功率为150kW、500kW、150kW、150kW、150kW、500kW、1000kW、150kW、150kW、500kW、1000kW的风力发电机组，在剩余节点处均接入500m2的光伏发电板。取风力发电机的功率因数为0.9；光伏发电机的功率因数为1.0。风机参数为：切入风速vci＝4m/s，切出风速vco＝24m/s，额定风速vr＝14m/s。各时段风速见表1，辐射强度见表2，相应各时点时各节点对应分布式电源出力值见表3。本实施例以居民、工业、商业三种典型负荷曲线为基础，将三种类型的负荷随机地分配在如图3所示的IEEE33节点配电网中,各个节点的负荷峰值为该配电网原始值，三种类型负荷的小时梯形曲线为本领域内常见数据。

表1一天内风速

表2一天内辐射强度

表3各时间点下各节点分布式电源出力值

步骤1)首先对所有时段进行安全评估，找出所有不满足安全运行约束条件的时点。结果显示，不满足时点为[1,2,3,22,23,24]。

步骤2：进行第一阶段重构，得到第一阶段重构结果为：

表4第一阶段重构结果

由重构结果可知，时点1、时点2、时点22、时点24为黑点；从时点3开始的重构方案可以支撑到时点21；时点23的重构方案只能支撑该时段运行。

步骤3：第二阶段重构结果

根据第二阶段重构要求，以弃可再生能源发电为目标对各黑点进行重构，并得出相应较优解集。限于篇幅，这里仅给出时段重构方案中所有可供选择重构方案的数量，不将重构方案一一详细列出。

表5第二阶段重构结果

步骤4：时段融合结果

根据融合规则，首先将时段[1-1]与前后时段合并，由于时段[1-1]只与时段[2-2]相邻，因此将这两个时段融合。时段[22-22]与时段[3-21]、时段[23-23]相邻，根据融合规则，时段[22-22]与时段[3-21]最优解弃可再生能源发电为633.6kWh，时段[22-22]与时段[23-23]最优解弃可再生能源发电为105.6kWh，因此将时段[22-22]与时段[23-23]融合，得到时段[22-23]。由于时段[24-24]只与时段[22-23]相邻，因此将这两个时段融合。最终配电网重构方案结果如表6所示。

表6最终配电网重构方案