基于多層次協(xié)同分析的高中壓配電網(wǎng)可靠性評估

葛少云　季時(shí)宇　劉　洪　韓　俊　李　琥

(1.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))　天津　300072 2.國網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院　南京　210008)

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基于多層次協(xié)同分析的高中壓配電網(wǎng)可靠性評估

葛少云1季時(shí)宇1劉洪1韓俊2李琥2

(1.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))天津300072 2.國網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院南京210008)

針對現(xiàn)有配電網(wǎng)可靠性評估方法主要對不同電壓等級配電網(wǎng)進(jìn)行獨(dú)立評估的問題，基于配電網(wǎng)多層次間故障協(xié)同處理過程，提出一種高中壓配電網(wǎng)可靠性協(xié)同評估方法。首先，通過分析高中壓配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，劃分適用于可靠性協(xié)同評估的高中壓配電網(wǎng)三層次結(jié)構(gòu)；并根據(jù)層次間的協(xié)調(diào)配合關(guān)系，建立高中壓配電網(wǎng)可靠性協(xié)同評估模型。然后，針對高壓配電網(wǎng)的典型接線模式以及中壓配電網(wǎng)多聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出高中壓配電網(wǎng)故障影響協(xié)同分析方法，分別構(gòu)建高壓配電網(wǎng)遞進(jìn)式故障影響分析模型以及中壓配電網(wǎng)多聯(lián)絡(luò)故障恢復(fù)模型。最后，結(jié)合可靠性評估解析法，提出基于多層次協(xié)同分析的高中壓配電網(wǎng)可靠性評估方法。通過算例分析驗(yàn)證了該方法的有效性。

配電網(wǎng)可靠性協(xié)同評估負(fù)荷削減多聯(lián)絡(luò)

0　引言

配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的末端直接與用戶相連，包括不同電壓等級的配電線路、變電站等電氣設(shè)施。配電網(wǎng)各環(huán)節(jié)對用戶的供電質(zhì)量及供電可靠性均有著重要影響，如何全面準(zhǔn)確地評估配電網(wǎng)可靠性對于電網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)行等諸多環(huán)節(jié)具有十分重要的意義。

現(xiàn)有配電網(wǎng)可靠性評估方法主要按照不同電壓等級對高壓配電網(wǎng)[1，2]、變電站主接線[3-5]、中壓配電網(wǎng)[6-13]各環(huán)節(jié)的可靠性進(jìn)行獨(dú)立評估。進(jìn)行單一環(huán)節(jié)可靠性評估時(shí)，通常采用將上級網(wǎng)絡(luò)可靠性水平等效作為下級網(wǎng)絡(luò)可靠性評估中電源參數(shù)的方法。這種綜合考慮上級所有故障影響的等效方法忽視了具體故障情況下不同電壓等級各環(huán)節(jié)間的相互影響與配合，計(jì)算所得可靠性指標(biāo)無法全面精確地反映配電網(wǎng)整體的可靠性水平，故需要對多電壓等級的配電網(wǎng)可靠性評估模型進(jìn)行深入研究。

文獻(xiàn)[14-17]針對多電壓等級電網(wǎng)可靠性評估方法進(jìn)行了研究。其中在文獻(xiàn)[14，15]中，Roy Billinton等首次提出電力系統(tǒng)全電壓等級可靠性評估方法，但該評估過程采用將發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性評估結(jié)果作為配電網(wǎng)可靠性評估中電源參數(shù)的方法，所研究的配電網(wǎng)也主要針對10 kV網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并未對配電網(wǎng)所含不同環(huán)節(jié)的可靠性評估過程進(jìn)行細(xì)致分析。文獻(xiàn)[16]則針對配電網(wǎng)中不同環(huán)節(jié)對用戶可靠性的影響進(jìn)行多電壓等級配電網(wǎng)可靠性評估，但該文仍采用上級電源等效方法，并利用串并聯(lián)系統(tǒng)可靠性計(jì)算公式求取可靠性指標(biāo)，未結(jié)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)明確提出各環(huán)節(jié)故障影響分析過程，可靠性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果仍然具有局限性。文獻(xiàn)[17]提出了包括發(fā)電、輸電以及配電網(wǎng)在內(nèi)的全電壓等級可靠性評估方法，建立了變電站主接線等效模型，結(jié)合擴(kuò)展最小割集法提出基于變電站主接線等效模型的可靠性評估算法。但是由于該方法采用變電站等效模型，無法準(zhǔn)確反映變電站內(nèi)部結(jié)構(gòu)對上級網(wǎng)絡(luò)故障的具體響應(yīng)情況。

針對已有成果無法精準(zhǔn)評估多電壓等級配電網(wǎng)可靠性的情況，本文通過分析高中壓配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，劃分適用于可靠性協(xié)同評估的高中壓配電網(wǎng)三層次結(jié)構(gòu)，并建立基于各層次協(xié)調(diào)配合關(guān)系的高中壓配電網(wǎng)可靠性協(xié)同評估模型；同時(shí)針對高壓配電網(wǎng)典型接線模式以及中壓配電網(wǎng)多聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別建立高壓配電網(wǎng)遞進(jìn)式故障影響分析模型以及中壓配電網(wǎng)多聯(lián)絡(luò)故障恢復(fù)模型，提出高中壓配電網(wǎng)故障影響協(xié)同分析方法；采用配電網(wǎng)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)圖簡化可靠性評估模型復(fù)雜度，提出基于多層次協(xié)同分析的高中壓配電網(wǎng)可靠性評估方法。

1　高中壓配電網(wǎng)可靠性多層次協(xié)同評估模型

1.1高中壓配電網(wǎng)可靠性協(xié)同評估層次分析

本文研究的高中壓配電網(wǎng)是指從110 kV高壓配電線路出線端至10 kV中壓配電線路間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括110 kV高壓配電線路、110 kV變電站以及10 kV中壓配電網(wǎng)。

故障發(fā)生時(shí)，配電網(wǎng)各環(huán)節(jié)按照配電網(wǎng)潮流流向既存在協(xié)調(diào)配合，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行控制上又各具特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)高中壓配電網(wǎng)可靠性精細(xì)化評估，同時(shí)考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，本文將高中壓配電網(wǎng)分解為三個(gè)層次，并基于故障發(fā)生后層次間的協(xié)同處理過程進(jìn)行可靠性分析。

由于高壓配電線路的故障隔離及運(yùn)行方式切換均通過變電站內(nèi)開關(guān)元件動(dòng)作實(shí)現(xiàn)，故以110 kV高壓配電線路出線端至110 kV變電站主變壓器一次側(cè)保護(hù)開關(guān)末端之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為第一層次，包括高壓配電線路及變電站高壓側(cè)主接線。本文研究的110 kV高壓配電線路采用典型接線模式，主要包括直供接線、T型接線以及鏈?zhǔn)浇泳€[1]。110 kV變電站高壓側(cè)主接線可采用有匯流母線或無匯流母線等形式，其中有匯流母線主接線包括單母分段以及橋型接線，無匯流母線主接線為線變組接線[5]。

第二層次包括110 kV變電站主變壓器至變電站低壓側(cè)10 kV負(fù)荷出線端之間所有網(wǎng)絡(luò)元器件，故障處理過程主要受變電站低壓側(cè)主接線形式影響。110 kV變電站低壓側(cè)主接線采用單母分段接線，含有3個(gè)主變壓器的變電站則采用單母四分段接線[5]。

為提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，110 kV變電站高低壓側(cè)母聯(lián)及橋聯(lián)開關(guān)均設(shè)有備用電源自動(dòng)投入裝置[15]，高壓側(cè)備自投可對高壓配電線路故障做出響應(yīng)；低壓側(cè)備自投可實(shí)現(xiàn)主變壓器故障以及高壓側(cè)主接線為線變組形式下高壓線路故障的保護(hù)響應(yīng)。

第三層次為10 kV中壓配電網(wǎng)。中壓配電網(wǎng)采用閉環(huán)設(shè)計(jì)開關(guān)運(yùn)行方式，通過開關(guān)進(jìn)行分段，可在饋線中間或末端設(shè)置多個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)。本文所述可靠性評估方法計(jì)及多分段多聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響。

1.2高中壓配電網(wǎng)可靠性協(xié)同評估模型

上述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中某元器件發(fā)生故障時(shí)，故障元器件所在層次為故障層，其余層次為非故障層。由于上游開關(guān)動(dòng)作可將故障層與上級非故障層隔離，故其上游結(jié)構(gòu)不受影響，而其下游非故障層因?yàn)楣收显斐傻墓╇娐窂街袛?，需對該故障的影響作出響?yīng)。

故障發(fā)生后，故障層與下游非故障層的響應(yīng)過程包括層次內(nèi)部處理和層次間數(shù)據(jù)傳遞。故障層次內(nèi)部處理環(huán)節(jié)主要包括故障影響區(qū)域劃分、故障恢復(fù)以及數(shù)據(jù)計(jì)算與傳遞。非故障層次內(nèi)部處理環(huán)節(jié)包括故障處理響應(yīng)、故障影響數(shù)據(jù)的計(jì)算與輸出。

1.2.1高中壓配電網(wǎng)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)圖

配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，故障元器件的隔離與非故障區(qū)域的供電恢復(fù)均通過網(wǎng)絡(luò)中開關(guān)元件狀態(tài)切換完成，以開關(guān)裝置為邊界可對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離區(qū)劃分，內(nèi)部不含開關(guān)裝置的隔離區(qū)域?yàn)樽钚「綦x區(qū)[9]，同一最小隔離區(qū)內(nèi)各元器件故障對其他負(fù)荷點(diǎn)影響相同，區(qū)域內(nèi)用戶可靠性水平相同。

以最小隔離區(qū)及聯(lián)絡(luò)區(qū)域?yàn)楣?jié)點(diǎn)、區(qū)域間的開關(guān)為邊，配電網(wǎng)可被抽象為區(qū)域網(wǎng)絡(luò)圖[9]，中壓配電網(wǎng)區(qū)域劃分方法較為常見，圖1以直供接線為例分別展現(xiàn)高壓配電網(wǎng)最小隔離區(qū)劃分方法及區(qū)域網(wǎng)絡(luò)圖結(jié)構(gòu)。

圖1　高壓配電網(wǎng)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)Fig.1　Zone-network diagram of high voltage distribution networks

由圖1可見，區(qū)域網(wǎng)絡(luò)圖可簡化高中壓配電網(wǎng)的故障影響分析過程，實(shí)現(xiàn)高中壓配電網(wǎng)拓?fù)涞目焖俜治觥?/p>

1.2.2高壓配電線路層故障的協(xié)同處理過程

故障層不同，基于層次間故障協(xié)同處理的故障影響分析過程將有所區(qū)別。以高壓配電線路層故障為例，詳細(xì)說明故障后層次間故障協(xié)同處理過程。

變電站層向中壓配電網(wǎng)層傳遞數(shù)據(jù)包括10 kV饋線k在元器件j故障下的X(k)、所屬故障影響區(qū)域類型標(biāo)示ekj、停電時(shí)間tkj以及元器件j的參數(shù)λj。

處于網(wǎng)絡(luò)末端的中壓配電網(wǎng)作為非故障層次，根據(jù)接收到的饋線k的X(k)判斷是否調(diào)用多聯(lián)絡(luò)故障恢復(fù)模型對饋線k進(jìn)行轉(zhuǎn)供。若饋線k在該故障下未被削減，可將ekj、tkj以及λj直接記錄至各中壓負(fù)荷點(diǎn)。

中壓配電網(wǎng)層輸出結(jié)果包括負(fù)荷點(diǎn)p在元器件j故障下的停電頻率即元器件j的λj、停電時(shí)間tpj。

1.2.3變電站層故障的協(xié)同處理過程

故障層為變電站層時(shí)，首先采用與高壓配電線路層相同的故障影響區(qū)域劃分方法分析變電站層內(nèi)部各主變壓器所受故障影響；然后對上游恢復(fù)區(qū)進(jìn)行供電恢復(fù)，并對下游待轉(zhuǎn)供區(qū)域進(jìn)行遞進(jìn)式故障處理；確定各10 kV饋線出口所受影響后，將X(k)、ekj、tkj及λj等數(shù)據(jù)輸出給中壓配電網(wǎng)，由中壓配電網(wǎng)層對數(shù)據(jù)進(jìn)行與1.2.2節(jié)相同的分析與處理。

1.2.4中壓配電網(wǎng)層故障的協(xié)同處理過程

若中壓配電網(wǎng)發(fā)生故障，僅在該層次內(nèi)進(jìn)行故障處理。主要進(jìn)行故障影響區(qū)域劃分并對下游失電負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)供，對于多分段多聯(lián)絡(luò)的中壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，需要采用多聯(lián)絡(luò)故障恢復(fù)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)供。

基于上述高中壓配電網(wǎng)故障協(xié)同處理過程，可得到中壓負(fù)荷點(diǎn)的故障影響，進(jìn)而可計(jì)算得到中壓負(fù)荷點(diǎn)及系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。

2　高中壓配電網(wǎng)故障影響協(xié)同分析方法

配電網(wǎng)各層次發(fā)生故障時(shí)，故障區(qū)域上游的負(fù)荷可通過主電源恢復(fù)供電，下游負(fù)荷則通過備用電源恢復(fù)供電。本文分別建立適用于高壓配電線路層和變電站層的高壓配電網(wǎng)遞進(jìn)式故障影響分析模型以及中壓配電線路層多聯(lián)絡(luò)故障恢復(fù)模型，以實(shí)現(xiàn)故障影響的協(xié)同分析。

2.1高壓配電網(wǎng)遞進(jìn)式故障影響分析模型

2.1.1基于變電站保護(hù)策略的負(fù)荷轉(zhuǎn)供

高壓配電線路或變電站發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)配置首先啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高壓配電網(wǎng)第一階段負(fù)荷轉(zhuǎn)移。本文計(jì)及備自投保護(hù)對高壓配電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)供的影響。

110 kV變電站高壓側(cè)主要采用單母分段或橋型接線等形式，母聯(lián)開關(guān)及橋聯(lián)開關(guān)設(shè)置備自投保護(hù)，可實(shí)現(xiàn)由高壓配電線路故障造成的失電母線的供電恢復(fù)。對于110 kV變電站高壓側(cè)采用線變組接線形式，高壓側(cè)無母聯(lián)開關(guān)或橋聯(lián)開關(guān)，即無法設(shè)置備自投裝置，此時(shí)若高壓配電線路發(fā)生故障，則需通過低壓側(cè)母聯(lián)開關(guān)備自投裝置動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷恢復(fù)供電。變電站內(nèi)主變壓器發(fā)生故障時(shí)，同樣通過低壓側(cè)母聯(lián)開關(guān)的備自投保護(hù)實(shí)現(xiàn)失電負(fù)荷的供電恢復(fù)。

2.1.2基于饋線選切的負(fù)荷削減策略

變電站內(nèi)備自投裝置動(dòng)作轉(zhuǎn)移失電負(fù)荷后，系統(tǒng)運(yùn)行方式改變，需對系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)約束校驗(yàn)。若高壓配電線路或主變壓器發(fā)生過載，為避免系統(tǒng)狀態(tài)惡化，則對過載層次進(jìn)行負(fù)荷削減。

某高壓配電線路過載時(shí)，過載線路下游掛接主變壓器均參與負(fù)荷削減過程，各主變壓器負(fù)荷削減量為

(1)

將各主變壓器負(fù)荷削減量傳遞給變電站層，由變電站層基于饋線排隊(duì)選切法[18]的負(fù)荷削減策略求取具體被削減10 kV饋線。將饋線按照負(fù)荷重要程度、是否含有聯(lián)絡(luò)以及負(fù)荷量大小進(jìn)行排列。

10 kV饋線重要程度為

(2)

式中，Ψk為饋線k的重要程度；ψk為饋線k所接NL1個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的重要性，取值原則按照Ⅰ級負(fù)荷、Ⅱ級負(fù)荷和Ⅲ級負(fù)荷分別取“4”、“2”、“1”進(jìn)行處理。

饋線排隊(duì)完成后，按照優(yōu)先削減重要程度低、具有聯(lián)絡(luò)且所帶負(fù)荷量少的線路，從隊(duì)尾進(jìn)行相應(yīng)10 kV饋線削減，以實(shí)現(xiàn)保證重要程度高、無聯(lián)絡(luò)線路優(yōu)先供電情況下供應(yīng)的負(fù)荷總量最大，即負(fù)荷削減的目標(biāo)函數(shù)為優(yōu)先供應(yīng)重要饋線和無聯(lián)絡(luò)饋線情況下被削減的饋線負(fù)荷總量最小。

(3)

式中，X(k)為第k條饋線的削減狀態(tài)，X(k)=0代表饋線k被削減，X(k)=1代表饋線k被保留，X(k)在轉(zhuǎn)供期間[tst，tend]內(nèi)保持不變；nl為所有參與負(fù)荷削減的10 kV饋線總條數(shù)；Lk為第k條10 kV饋線的負(fù)荷總量，MW。

(4)

通過變電站層削減掉的10 kV饋線則通過中壓配電網(wǎng)多聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)供。

2.2中壓配電網(wǎng)多聯(lián)絡(luò)故障恢復(fù)模型

配電網(wǎng)發(fā)生故障后，在迅速識別并隔離故障的基礎(chǔ)上，需及時(shí)采取最優(yōu)策略恢復(fù)停電區(qū)域的供電。故障恢復(fù)策略的制定和實(shí)現(xiàn)程度取決于配電網(wǎng)自動(dòng)化水平的高低。

傳統(tǒng)配電網(wǎng)故障恢復(fù)受開關(guān)操作壽命及自動(dòng)化水平影響，主要以盡快恢復(fù)負(fù)荷供電為原則，即在配電網(wǎng)設(shè)備自動(dòng)化較低、管理系統(tǒng)智能化不足時(shí)，需制定實(shí)用的故障恢復(fù)策略，便于調(diào)度人員完成故障恢復(fù)工作。為實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)故障下游待轉(zhuǎn)供區(qū)供電，同時(shí)考慮開關(guān)的操作壽命，需以最少的開關(guān)操作次數(shù)為目標(biāo)，即對于配電網(wǎng)多聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)，盡量通過其中一個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)恢復(fù)供電，以達(dá)到又快又好的恢復(fù)效果。

假設(shè)負(fù)荷總量為Pload的故障下游待轉(zhuǎn)供區(qū)內(nèi)聯(lián)絡(luò)路徑總數(shù)為NC，PC(j)為聯(lián)絡(luò)路徑j(luò)的聯(lián)絡(luò)容量，則將NC條聯(lián)絡(luò)按照PC由大到小進(jìn)行排序。選取PC最大的聯(lián)絡(luò)以最小隔離區(qū)為單位進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)供，盡可能多地將停電區(qū)域的負(fù)荷轉(zhuǎn)供到該條聯(lián)絡(luò)線。若PC≤Pload，則由PC次大的聯(lián)絡(luò)線路繼續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)供，直至待轉(zhuǎn)供區(qū)域全部恢復(fù)供電或無可行聯(lián)絡(luò)路徑為止。

隨著配電網(wǎng)的自動(dòng)化水平逐漸提高，故障恢復(fù)策略應(yīng)尋找出能使失電負(fù)荷盡可能小且網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)盡可能最優(yōu)的開關(guān)調(diào)整方案，從而避免因故障導(dǎo)致更多未發(fā)生故障的區(qū)域停電。本文針對配電自動(dòng)化水平較高的情況提出多聯(lián)絡(luò)故障恢復(fù)方法。

2.2.1高配電自動(dòng)化水平下多聯(lián)絡(luò)故障恢復(fù)目標(biāo)函數(shù)

由1.2.1節(jié)可知，中壓配電網(wǎng)故障下游待轉(zhuǎn)供區(qū)內(nèi)負(fù)荷需以最小隔離區(qū)為基本單元進(jìn)行轉(zhuǎn)供，定義包含聯(lián)絡(luò)及最小隔離區(qū)的范圍為故障恢復(fù)區(qū)。當(dāng)配電系統(tǒng)自動(dòng)化水平較高時(shí)，可充分利用配電網(wǎng)多聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在滿足網(wǎng)絡(luò)約束的條件下，制定出失負(fù)荷最小且網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)盡量最優(yōu)的恢復(fù)策略。為了降低配電網(wǎng)網(wǎng)損，保證供電的安全性和經(jīng)濟(jì)性，故障恢復(fù)后應(yīng)盡量保證各故障恢復(fù)區(qū)內(nèi)負(fù)荷均衡分配。目標(biāo)函數(shù)為

(5)

式中，Ei(y)為當(dāng)前y恢復(fù)方案下故障恢復(fù)區(qū)i的負(fù)荷均衡系數(shù)[20-25]；m為故障恢復(fù)區(qū)總數(shù)量。

Ei(y)的計(jì)算方法為

(6)

同時(shí)，故障恢復(fù)需要最大限度地轉(zhuǎn)帶重要負(fù)荷，使失電的重要負(fù)荷量最小，目標(biāo)函數(shù)為

(7)

式中，PL(u)為故障下游待轉(zhuǎn)供區(qū)內(nèi)第u個(gè)重要負(fù)荷最小隔離區(qū)的負(fù)荷量，MW；X(u)為u的轉(zhuǎn)帶狀態(tài)，X(u)=0代表u無法被轉(zhuǎn)帶，X(u)=1代表u可以被轉(zhuǎn)帶；NI為故障下游待轉(zhuǎn)供區(qū)內(nèi)重要負(fù)荷最小隔離區(qū)數(shù)量。

在恢復(fù)盡量多的重要負(fù)荷的前提下，應(yīng)使恢復(fù)的負(fù)荷量最大，其目標(biāo)函數(shù)為

(8)

式中，PL(v)為下游待轉(zhuǎn)供區(qū)內(nèi)第v個(gè)重要負(fù)荷最小隔離區(qū)的負(fù)荷量，MW；X(v)為v的轉(zhuǎn)帶狀態(tài)。

2.2.2多聯(lián)絡(luò)故障恢復(fù)約束條件

多聯(lián)絡(luò)轉(zhuǎn)供需要滿足的約束條件如式(9)～式(11)所示。式(9)為聯(lián)絡(luò)容量總量約束，即被轉(zhuǎn)供負(fù)荷總量不能超過所有聯(lián)絡(luò)路徑總?cè)萘俊Ｊ?10)為聯(lián)絡(luò)路徑容量約束。式(11)為饋線網(wǎng)絡(luò)呈輻射狀約束。

(9)

(10)

式中，NjL為由聯(lián)絡(luò)路徑j(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)供的最小隔離區(qū)總數(shù)。

G∈Gr

(11)

式中，G為算法形成的拓?fù)?；Gr為該饋線所有輻射狀拓?fù)涞募稀?/p>

針對多聯(lián)絡(luò)故障恢復(fù)問題的多個(gè)恢復(fù)目標(biāo)，本文分兩步進(jìn)行求解：首先基于負(fù)荷均衡原則在故障下游待轉(zhuǎn)供區(qū)內(nèi)劃分虛擬范圍，即將含有NC個(gè)聯(lián)絡(luò)路徑的下游待轉(zhuǎn)供區(qū)劃分為NC個(gè)只含一個(gè)聯(lián)絡(luò)的故障恢復(fù)區(qū)，認(rèn)為各聯(lián)絡(luò)在各自恢復(fù)區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)供；然后在各故障恢復(fù)區(qū)內(nèi)針對式(7)和式(8)采用貪心算法[21]進(jìn)行最優(yōu)單聯(lián)絡(luò)恢復(fù)樹的生成。

2.2.3基于負(fù)荷均衡的單聯(lián)絡(luò)故障恢復(fù)區(qū)劃分

故障下游待轉(zhuǎn)供區(qū)及聯(lián)絡(luò)路徑可被抽象為樹狀區(qū)域網(wǎng)絡(luò)圖，聯(lián)絡(luò)容量最大者為樹狀圖的根節(jié)點(diǎn)。以圖2中饋線F1為例，當(dāng)母線故障時(shí)，出口斷路器斷開隔離故障，F(xiàn)1需通過中壓配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線路進(jìn)行轉(zhuǎn)供。F1包含最小隔離區(qū)S1～S9。

圖2　中壓配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2　Schematic diagram of medium voltage distribution networks

以聯(lián)絡(luò)區(qū)域C3為根，可得到F1故障下游待轉(zhuǎn)供區(qū)根樹模型如圖3所示。

圖3　根樹模型Fig.3　Schematic diagram of rooted tree

樹中各邊即最小隔離區(qū)入口開關(guān)將根樹分為上下游兩部分，可計(jì)算每部分的期望負(fù)荷率為

(12)

(13)

式中，PU%為某一開關(guān)上游故障恢復(fù)區(qū)的期望負(fù)荷率；PL(i)為上游故障恢復(fù)區(qū)所含最小隔離區(qū)i的負(fù)荷量，MW；NUL為上游故障恢復(fù)區(qū)所含最小隔離區(qū)總數(shù)量；PC(j)為上游故障恢復(fù)區(qū)所含聯(lián)絡(luò)路徑j(luò)的聯(lián)絡(luò)容量，MW；NUC為上游故障恢復(fù)區(qū)所含聯(lián)絡(luò)路徑總數(shù)量；NDL為下游故障恢復(fù)區(qū)所含最小隔離區(qū)總數(shù)量；NDC為下游故障恢復(fù)區(qū)所含聯(lián)絡(luò)路徑總數(shù)量。

選擇根樹上下游故障恢復(fù)區(qū)期望負(fù)荷率最接近的開關(guān)邊對根樹進(jìn)行分割，如從圖4中將S4與S5間開關(guān)處進(jìn)行分割，可得到兩個(gè)故障恢復(fù)區(qū)。將所得故障恢復(fù)區(qū)繼續(xù)抽象為根樹，根據(jù)分割原則重復(fù)分割，直至所有恢復(fù)區(qū)內(nèi)有且只有一個(gè)聯(lián)絡(luò)路徑為止。

圖4　根樹分割方法Fig.4　Division method of rooted tree

2.2.4最優(yōu)聯(lián)絡(luò)樹生成

若2.2.3節(jié)生成的單聯(lián)絡(luò)故障恢復(fù)區(qū)內(nèi)所含聯(lián)絡(luò)路徑的容量不滿足恢復(fù)區(qū)內(nèi)全部負(fù)荷供電，則需對該聯(lián)絡(luò)具體轉(zhuǎn)供范圍進(jìn)行最優(yōu)聯(lián)絡(luò)樹生成。本文采用貪心算法[26-28]求解最優(yōu)聯(lián)絡(luò)樹。

最優(yōu)聯(lián)絡(luò)樹的生成以式(7)和式(8)為目標(biāo)，貪心原則為：在滿足式(10)的情況下，使轉(zhuǎn)帶負(fù)荷的負(fù)荷重要程度最高，同時(shí)在恢復(fù)最多的重要負(fù)荷前提下，盡量恢復(fù)多的故障恢復(fù)區(qū)負(fù)荷。具體策略為：以根節(jié)點(diǎn)為最優(yōu)聯(lián)絡(luò)樹起點(diǎn)，搜索當(dāng)前最優(yōu)聯(lián)絡(luò)樹的鄰接節(jié)點(diǎn)集合W，確定集合內(nèi)各節(jié)點(diǎn)wk所代表的最小隔離區(qū)負(fù)荷重要程度Ψk及負(fù)荷總量Lk，最小轉(zhuǎn)供區(qū)負(fù)荷重要程度Ψk由式(2)類似方法計(jì)算；在滿足式(10)的情況下選擇W內(nèi)Ψk最高的節(jié)點(diǎn)k加入聯(lián)絡(luò)樹，多個(gè)節(jié)點(diǎn)Ψk相同時(shí)，取Lk大者加入聯(lián)絡(luò)樹，令X(k)=1并更新W，繼續(xù)聯(lián)絡(luò)樹生成，直至完成所有節(jié)點(diǎn)判斷或不滿足式(10)為止。

3　高中壓配電網(wǎng)可靠性協(xié)同評估流程

高中壓配電網(wǎng)可靠性協(xié)同評估流程如下：

1)輸入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等基本信息。

2)選定某一元器件故障，該元器件所在層次為故障層；采用故障層協(xié)同影響分析方法計(jì)算故障層各負(fù)荷點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3)判斷中壓配電網(wǎng)各負(fù)荷點(diǎn)故障影響結(jié)果是否已確定，是則進(jìn)入步驟5，否則進(jìn)入步驟4。

4)將故障層各負(fù)荷點(diǎn)數(shù)據(jù)向下層傳遞，下游非故障層采用協(xié)同影響分析方法計(jì)算本層次各負(fù)荷點(diǎn)影響結(jié)果，并返回步驟3。

5)判斷是否完成網(wǎng)絡(luò)元器件故障枚舉，是則進(jìn)入步驟6，否則返回步驟2。

6)統(tǒng)計(jì)中壓配電網(wǎng)各負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)及系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。

4　算例分析

以某城市配電網(wǎng)為例進(jìn)行算例分析，高中壓配電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　算例系統(tǒng)Fig.5　Schematic diagram of study case

算例中，包含電源220 kV變電站兩座；110 kV高壓配電線路8條，采用完全雙鏈?zhǔn)浇泳€，線路型號為LGJ-185，熱穩(wěn)定極限電流為530 A，熱穩(wěn)定極限傳輸功率為100 MV·A，高壓線路長度為40 km；110 kV變電站3座，高低壓側(cè)主接線均采用單母分段形式，主變壓器額定容量為50 MV·A；10 kV饋線48條(圖5以其中11條為示意)，各饋線負(fù)載情況見表1。線路型號為JKLYJ-240，熱穩(wěn)定極限電流為500 A，熱穩(wěn)定極限傳輸功率為8.66 MV·A。此外，算例系統(tǒng)中還含有母線16條，斷路器42臺。以變電站甲中4條10 kV饋線(F1、F2、F9、F10)為中壓配電網(wǎng)考察對象計(jì)算負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)，饋線結(jié)構(gòu)如圖6所示。

表1　10 kV饋線負(fù)載率Tab.1　Load rate of per 10 kV distribution line

圖6　算例系統(tǒng)中壓配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.6　Medium voltage distribution network of study case

饋線F1為多分段多聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)，饋線F2為單輻射線路，饋線F9、F10為單聯(lián)絡(luò)線路，共有饋線段64條、配電網(wǎng)變壓器38臺、隔離開關(guān)17個(gè)、負(fù)荷點(diǎn)40個(gè)(LP1～LP40)，每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的用戶數(shù)為1戶。在參考文獻(xiàn)[15-17，19]基礎(chǔ)上設(shè)置算例中元器件故障參數(shù)見表2，各負(fù)荷點(diǎn)峰值見表3，中壓饋線段長度及負(fù)荷類型見文獻(xiàn)[15]。高壓配電網(wǎng)元器件故障隔離與轉(zhuǎn)帶時(shí)間取0.1 h，中壓配電網(wǎng)故障隔離與轉(zhuǎn)帶時(shí)間取恒定值1 h。

表2　元器件故障參數(shù)Tab.2　Study case fault parameters

表3　負(fù)荷點(diǎn)峰值Tab.3　Load peak per load point

4.1高中壓配電網(wǎng)可靠性評估結(jié)果

采用前文所述的基于多層次協(xié)同分析的高中壓配電網(wǎng)可靠性評估方法對算例系統(tǒng)可靠性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，得到各饋線可靠性指標(biāo)及系統(tǒng)可靠性指標(biāo)見表4和表5。

計(jì)算結(jié)果顯示，系統(tǒng)年平均停電頻率為1.214次/(戶·年)，系統(tǒng)年平均停電持續(xù)時(shí)間為2.16 h/(戶·年)，系統(tǒng)平均供電可用度為99.975%，系統(tǒng)總電量不足為50.966 MW·h。由于饋線F1元器件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其可靠性水平明顯低于其他饋線。

表4　各饋線可靠性評估結(jié)果Tab.4　Feeder reliability assessment results

表5　算例系統(tǒng)可靠性評估結(jié)果Tab.5　System reliability assessment results

4.2高壓配電網(wǎng)故障影響

計(jì)算配電網(wǎng)各環(huán)節(jié)單獨(dú)故障時(shí)對系統(tǒng)可靠性的影響，可得到不同電壓等級配電網(wǎng)故障對系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的影響比例見表6。

表6　故障影響比例Tab.6　Fault proportion of different voltage levels

由表6可以看出，包含高壓配電線路及110 kV變電站在內(nèi)的高壓配電網(wǎng)故障對各系統(tǒng)可靠性指標(biāo)影響明顯，所占比例均達(dá)到10%以上?？梢?，雖然高壓配電網(wǎng)中元器件故障率相對較低，但元器件的故障修復(fù)時(shí)間較長，其故障同樣對負(fù)荷點(diǎn)造成較大的停電影響，因此僅計(jì)算中壓配電網(wǎng)故障影響不能全面反映配電網(wǎng)整體的可靠性水平。

4.3上級電源等效的影響

采用等效上級電源的方法[17]，對高壓配電線路以及變電站兩個(gè)環(huán)節(jié)故障影響均進(jìn)行等效計(jì)算，可計(jì)算得到系統(tǒng)可靠性評估結(jié)果見表7及表8。

由表7及表8可以看出，采用上級電源等效的方法計(jì)算得到系統(tǒng)可靠性指標(biāo)與采用基于多層次協(xié)同分析的高中壓配電網(wǎng)可靠性評估方法計(jì)算所得結(jié)果具有

表7　等效電源條件下各饋線可靠性評估結(jié)果Tab.7　Feeder reliability assessment results of power equivalent study case

表8　等效電源條件下算例系統(tǒng)可靠性評估結(jié)果Tab.8　System reliability assessment results of power equivalent study case

明顯差異，采用上級電源等效方法得到系統(tǒng)可靠性水平較低。主要原因是采用上級電源等效方法計(jì)算系統(tǒng)可靠性時(shí)，將所有上級所有故障影響結(jié)果等效為一個(gè)故障率為λ等效及故障修復(fù)時(shí)間r等效的元器件，未考慮某一元器件故障處理過程中下游結(jié)構(gòu)對上游故障的配合與響應(yīng)，沒有該故障造成負(fù)荷削減量的傳遞。可見，基于上級電源等效的故障影響分析過程無法反映配電網(wǎng)故障處理的實(shí)際情況，可靠性評估結(jié)果不能精確體現(xiàn)系統(tǒng)可靠性水平。

5　結(jié)論

本文提出了一種基于多層次協(xié)同分析的高中壓配電網(wǎng)可靠性評估方法，該方法具有以下特點(diǎn)：

1)計(jì)及配電網(wǎng)不同環(huán)節(jié)對負(fù)荷點(diǎn)可靠性的影響，基于配電網(wǎng)各環(huán)節(jié)間故障協(xié)同處理過程進(jìn)行配電網(wǎng)可靠性評估，評估結(jié)果可更加準(zhǔn)確全面地反映配電網(wǎng)可靠性水平。

2)針對中壓配電網(wǎng)多聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)建立高配電自動(dòng)化水平下的中壓配電網(wǎng)多聯(lián)絡(luò)故障恢復(fù)模型。模型求解過程及準(zhǔn)確程度適用于對配電網(wǎng)可靠性進(jìn)行快速分析。

3)考慮高壓配電網(wǎng)的典型接線模式構(gòu)成及運(yùn)行特點(diǎn)，建立了高壓配電網(wǎng)遞進(jìn)式故障影響分析模型，結(jié)合中壓配電網(wǎng)多聯(lián)絡(luò)故障恢復(fù)模型，提出高中壓配電網(wǎng)故障影響協(xié)同分析方法，故障影響分析過程符合配電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際，具有實(shí)用性。

通過實(shí)例分析，展現(xiàn)了基于多層次協(xié)同分析的高中壓配電網(wǎng)可靠性評估方法的評估效果，該方法可為電力部門相關(guān)工作人員提供更為精準(zhǔn)的多電壓等級配電網(wǎng)可靠性評估結(jié)果。

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Reliability Assessment of High-Medium Voltage Level Distribution Networks Based on Cooperative Analysis of Multi-Level Networks

Ge Shaoyun1Ji Shiyu1Liu Hong1Han Jun2Li Hu2

(1.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of EducationTianjin UniversityTianjin300072China 2.State Grid Jiangsu Economic Research InstituteNanjing210008China)

Existing distribution system reliability assessment methods analyze the reliability of different voltage levels independently.Based on the coordination of multi-level network in dealing with failure，a cooperative assessment method to calculate the high-medium voltage distribution system reliability is presented.First of all，a three-level model of the distribution network applied in cooperative assessment is carried out through analyzing the structure and operating characteristics of the multi-level network.And the cooperative assessment model which can be used to evaluate the reliability of the multi-level network is constructed based on coordination between different levels.Secondly，according to the typical connection modes in the high voltage distribution system and the multi-linked structure in the medium voltage distribution network，a cooperative assessment method of high-medium voltage level distribution network failure effect，comprising the progressive failure effect analysis model for the high voltage distribution network and the fault restoration model for the multi-linked network，is constructed.Finally，combined with the analytical method，the process of reliability assessment based on cooperative analysis of multi-level network is proposed.Results of study case verify the effectiveness of the proposed method.

Distribution network reliability，cooperative assessment，load shedding，multi-linked

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51477116)和江蘇省電力公司科技項(xiàng)目(J2015040)資助。

2015-06-15改稿日期2015-08-31

TM715

葛少云男，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槌鞘须娋W(wǎng)規(guī)劃、電力系統(tǒng)可靠性評估等。

E-mail：syge@tju.edu.cn(通信作者)

季時(shí)宇女，1990年生，碩士研究生，研究方向?yàn)槌鞘须娋W(wǎng)可靠性評估等。

E-mail：jishiyu-0715@163.com