考慮開(kāi)關(guān)設(shè)備和饋線自動(dòng)化模式的配電網(wǎng)彈性評(píng)估方法

李志,余紹峰,彭佳盛,楊游航,方徐康,文云峰

(1.浙江華電器材檢測(cè)研究院有限公司,杭州市 310000;2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,長(zhǎng)沙市 410000)

0 引 言

隨著全球氣候不斷變化,極端災(zāi)害事件日益頻發(fā),電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1-3]。配電網(wǎng)具有獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性,相較于輸電網(wǎng)更容易受到極端自然災(zāi)害的影響,配電網(wǎng)在極端災(zāi)害事件下的應(yīng)對(duì)能力近年來(lái)受到了國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注[4-8]。彈性是衡量系統(tǒng)在極端災(zāi)害或嚴(yán)重故障情況下,通過(guò)改變自身狀態(tài)以減少故障持續(xù)過(guò)程中的系統(tǒng)損失,并在故障結(jié)束后盡快恢復(fù)到正常狀態(tài)的能力[9-11]。配電網(wǎng)的彈性評(píng)估主要針對(duì)極端災(zāi)害或嚴(yán)重故障事件下配電系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的預(yù)防、抵御以及快速恢復(fù)能力進(jìn)行評(píng)估[12]。

目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)極端災(zāi)害情況下的配電網(wǎng)彈性評(píng)估已開(kāi)展了諸多研究。彈性評(píng)估指標(biāo)體系層面,文獻(xiàn)[13-14]兼顧配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行過(guò)程,構(gòu)建了綜合考慮脆弱性和恢復(fù)力的彈性指標(biāo);文獻(xiàn)[15]根據(jù)我國(guó)城市配電網(wǎng)的實(shí)際情況,建立了一套涵蓋預(yù)防階段、滲透階段和恢復(fù)階段的城市彈性配電網(wǎng)評(píng)估指標(biāo)體系。彈性評(píng)估方法層面,文獻(xiàn)[16]計(jì)算實(shí)際系統(tǒng)功能曲線的缺額面積,定性分析不同場(chǎng)景下的彈性水平;文獻(xiàn)[17]和[18]分別利用彈性三角形模型和彈性梯形模型實(shí)現(xiàn)彈性指標(biāo)的構(gòu)建和評(píng)估;文獻(xiàn)[19]考慮臺(tái)風(fēng)災(zāi)害,提出了一種考慮網(wǎng)架重構(gòu)和災(zāi)區(qū)復(fù)電過(guò)程的配電網(wǎng)抗臺(tái)風(fēng)韌性評(píng)估模型;文獻(xiàn)[20]同時(shí)考慮多種災(zāi)害,提出多種極端災(zāi)害共同作用的電網(wǎng)彈性計(jì)算方法。上述文獻(xiàn)均將各種開(kāi)關(guān)等配電自動(dòng)化開(kāi)關(guān)設(shè)備考慮為即開(kāi)即斷的理想狀態(tài),缺少對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備動(dòng)作邏輯過(guò)程的詳細(xì)分析,未將開(kāi)關(guān)設(shè)備和饋線自動(dòng)化影響納入配網(wǎng)彈性整體評(píng)估流程之中。

近年來(lái),我國(guó)配電自動(dòng)化建設(shè)與應(yīng)用已經(jīng)取得了較大發(fā)展[21]。然而,當(dāng)前我國(guó)城市配電自動(dòng)化建設(shè)仍然存在調(diào)控運(yùn)行支撐不足、狀態(tài)感知能力有待增強(qiáng)等問(wèn)題,配電網(wǎng)故障快速處置和負(fù)荷靈活轉(zhuǎn)供能力有待提升[22]。此外,一些地市中壓配網(wǎng)設(shè)備自動(dòng)化終端覆蓋率低,低壓配網(wǎng)透明化處于起步階段,臺(tái)區(qū)和低壓停電感知能力不足,臺(tái)區(qū)重復(fù)停電和居民頻繁停電問(wèn)題突出。在“雙碳”目標(biāo)及新型電力系統(tǒng)構(gòu)建背景下,未來(lái)配電網(wǎng)仍需大力推進(jìn)配電自動(dòng)化建設(shè),以切實(shí)保障民生供電[23]。

配電自動(dòng)化作為配電網(wǎng)彈性提升的重要手段,在大規(guī)模故障發(fā)生后的瞬間,能夠?qū)崿F(xiàn)故障區(qū)域的精準(zhǔn)定位與隔離[24],并快速恢復(fù)非故障區(qū)域的正常運(yùn)行,為負(fù)荷的持續(xù)供電提供有力支撐。但配電自動(dòng)化的接入無(wú)疑增加了配電網(wǎng)拓?fù)浜瓦\(yùn)行方式的復(fù)雜性[25],不同配電開(kāi)關(guān)設(shè)備接入數(shù)量和不同饋線自動(dòng)化模式下非故障區(qū)域會(huì)出現(xiàn)不同的失電表現(xiàn),對(duì)配電網(wǎng)彈性水平具有不同程度的影響?，F(xiàn)有研究缺乏配電自動(dòng)化接入情況對(duì)配電網(wǎng)極端災(zāi)害應(yīng)對(duì)能力的量化評(píng)估,配電自動(dòng)化開(kāi)關(guān)設(shè)備和不同饋線自動(dòng)化模式對(duì)大范圍故障恢復(fù)的影響尚未得到充分考慮。

針對(duì)現(xiàn)有研究的不足,本文提出一種考慮開(kāi)關(guān)設(shè)備和饋線自動(dòng)化模式的配電網(wǎng)彈性評(píng)估方法,可為指導(dǎo)配電開(kāi)關(guān)設(shè)備和饋線自動(dòng)化模式的建設(shè)選型提供參考依據(jù)。首先,建立分塊-斷路器關(guān)聯(lián)矩陣,利用配電開(kāi)關(guān)設(shè)備的開(kāi)斷組合,確定不同饋線自動(dòng)化模式下的動(dòng)作邏輯過(guò)程和負(fù)荷變化情況;其次,構(gòu)建考慮開(kāi)關(guān)設(shè)備和饋線自動(dòng)化模式的配電網(wǎng)彈性評(píng)估指標(biāo)體系,分析不同饋線自動(dòng)化模式參與下的系統(tǒng)失負(fù)荷情況,獲取各場(chǎng)景配電網(wǎng)系統(tǒng)功能曲線,提出考慮開(kāi)關(guān)設(shè)備和饋線自動(dòng)化模式的彈性評(píng)估流程;最后,通過(guò)改進(jìn)的IEEE-33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)算例驗(yàn)證所提方法的有效性,揭示開(kāi)關(guān)設(shè)備和饋線自動(dòng)化模式配置情況對(duì)系統(tǒng)彈性水平的影響。

1 開(kāi)關(guān)設(shè)備及饋線自動(dòng)化模式動(dòng)作邏輯分析

開(kāi)關(guān)設(shè)備作為配電自動(dòng)化的基礎(chǔ),在大規(guī)模故障發(fā)生后,能有效實(shí)現(xiàn)故障隔離、限制故障范圍,保證非故障區(qū)域正常供電[26]。本文著重研究斷路器和聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)2種“三遙”開(kāi)關(guān)設(shè)備對(duì)配電網(wǎng)彈性水平的影響。通過(guò)梳理配電開(kāi)關(guān)設(shè)備動(dòng)作邏輯過(guò)程,厘清不同饋線自動(dòng)化模式下開(kāi)關(guān)設(shè)備的開(kāi)斷次序,明確不同饋線自動(dòng)化模式動(dòng)作過(guò)程中非故障區(qū)域的失電情況,比較不同饋線自動(dòng)化模式下配電網(wǎng)遭遇極端災(zāi)害事件的抵御與快速恢復(fù)能力。

1.1 分塊-斷路器關(guān)聯(lián)矩陣的建立

對(duì)于含有斷路器的配電網(wǎng)來(lái)說(shuō),線路故障導(dǎo)致前向搜索斷路器跳閘,由于配電網(wǎng)部分線路有相同的前向搜索斷路器,可對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行分塊處理,建立系統(tǒng)的分塊-斷路器關(guān)聯(lián)矩陣,從而簡(jiǎn)化饋線自動(dòng)化模式動(dòng)作邏輯分析過(guò)程。

圖1所示的簡(jiǎn)單配電系統(tǒng)共有11個(gè)節(jié)點(diǎn)、3個(gè)斷路器,分別位于節(jié)點(diǎn)1與上級(jí)配電網(wǎng)之間、節(jié)點(diǎn)4—5之間和節(jié)點(diǎn)9—10之間?？筛鶕?jù)斷路器位置將配電網(wǎng)分為4塊,每一分塊中所有線路的上游斷路器均相同。正常運(yùn)行時(shí),斷路器處于閉合狀態(tài);故障發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)斷路器斷開(kāi),例如節(jié)點(diǎn)10與節(jié)點(diǎn)11之間線路發(fā)生故障,則節(jié)點(diǎn)9和節(jié)點(diǎn)10之間的斷路器斷開(kāi);節(jié)點(diǎn)2—3發(fā)生故障,則節(jié)點(diǎn)1與上級(jí)配電網(wǎng)之間斷路器斷開(kāi)。

圖1 簡(jiǎn)單配電系統(tǒng)分塊示意圖Fig.1 Block diagram of simple power distribution system

假設(shè)某配電網(wǎng)含有N個(gè)斷路器,配電網(wǎng)共根據(jù)斷路器位置分為M塊,將分塊后的每個(gè)區(qū)域視為新的節(jié)點(diǎn),將開(kāi)關(guān)設(shè)備所在線路視為分塊間的聯(lián)絡(luò)線路,可建立分塊-斷路器關(guān)聯(lián)矩陣H來(lái)表示配電網(wǎng)中每個(gè)分塊與其上游斷路器的對(duì)應(yīng)關(guān)系,矩陣H的行數(shù)和列數(shù)分別為N和M。若分塊n的上游斷路器為斷路器m,則關(guān)聯(lián)矩陣H中元素Hmn=1,否則Hmn=0。圖1所示配電網(wǎng)的分塊-關(guān)聯(lián)矩陣可表示為:

(1)

H12=H23=H34=1表示斷路器1、2、3分別為分塊2、3、4的上游斷路器,分塊2發(fā)生故障,斷路器1跳閘;分塊3發(fā)生故障,斷路器2跳閘;分塊4發(fā)生故障,斷路器3跳閘。

1.2 不同饋線自動(dòng)化模式的動(dòng)作邏輯分析

同一個(gè)配電網(wǎng)系統(tǒng)在面對(duì)多次相同故障情況時(shí),開(kāi)關(guān)設(shè)備的最終狀態(tài)一致,故系統(tǒng)最終結(jié)果層面的彈性指標(biāo)也相互統(tǒng)一。然而,不同動(dòng)作過(guò)程中非故障區(qū)域會(huì)出現(xiàn)不同的失電表現(xiàn)。因此,有必要對(duì)不同饋線自動(dòng)化模式進(jìn)行動(dòng)作邏輯分析,評(píng)估不同饋線自動(dòng)化模式過(guò)程層面的彈性水平,描述不同饋線自動(dòng)化模式配電網(wǎng)應(yīng)對(duì)極端災(zāi)害事件的能力。

饋線自動(dòng)化是利用自動(dòng)化裝置或系統(tǒng),監(jiān)視配電網(wǎng)的運(yùn)行狀況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)故障,進(jìn)行故障定位、隔離和恢復(fù)對(duì)非故障區(qū)域的供電[27-29]。饋線自動(dòng)化按信息處理方式分為集中型、就地重合式和智能分布式[30]。3種饋線自動(dòng)化模式在供電區(qū)域、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)方面具有較大差異,其對(duì)比如表1所示。

表1 饋線自動(dòng)化模式對(duì)比Table 1 Feeder automation scheme comparison

本文著重對(duì)集中型饋線自動(dòng)化、電壓時(shí)間型就地重合式饋線自動(dòng)化、速動(dòng)型智能分布式饋線自動(dòng)化3種饋線自動(dòng)化模式進(jìn)行動(dòng)作邏輯分析,研究其對(duì)配電網(wǎng)彈性水平的影響,為饋線自動(dòng)化模式的建設(shè)選型提供理論與技術(shù)支持。

線路接線結(jié)構(gòu)如圖2所示,以裝設(shè)2個(gè)斷路器、1個(gè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的線路接線結(jié)構(gòu)為例,分析3種不同饋線自動(dòng)化模式的動(dòng)作過(guò)程,推導(dǎo)不同模式下非故障區(qū)域的各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)停電時(shí)長(zhǎng)。

圖2 線路接線結(jié)構(gòu)Fig.2 Line connection structure

1)集中型饋線自動(dòng)化。

集中型饋線自動(dòng)化模式在故障發(fā)生后,將故障信息上傳至主站,根據(jù)主站的判斷進(jìn)一步控制開(kāi)關(guān)設(shè)備的開(kāi)斷,實(shí)現(xiàn)故障定位、隔離和非故障區(qū)域的恢復(fù)。以圖2為例,當(dāng)故障K1發(fā)生時(shí),斷路器1斷開(kāi),終端將故障信息上傳至主站,主站經(jīng)過(guò)信息處理實(shí)現(xiàn)故障定位,并斷開(kāi)分段開(kāi)關(guān)FS13和FS14實(shí)現(xiàn)故障隔離,最后閉合聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)LS1實(shí)現(xiàn)非故障區(qū)域負(fù)荷L15的供電。在該模式下,具體負(fù)荷的停電時(shí)長(zhǎng)為:

(2)

式中:Ωup、Ωdown分別為故障上游節(jié)點(diǎn)和故障下游節(jié)點(diǎn)集合;Tz、Td分別為主站信息處理時(shí)間和斷路器重合時(shí)間;Tl,i為第i個(gè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的重合時(shí)間。

2)電壓時(shí)間型就地重合式饋線自動(dòng)化。

電壓時(shí)間型就地重合式饋線自動(dòng)化主要通過(guò)斷路器、分段開(kāi)關(guān)和聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作配合實(shí)現(xiàn)故障隔離和非故障區(qū)域的恢復(fù)。以圖2為例,當(dāng)故障K1發(fā)生時(shí),斷路器1斷開(kāi),經(jīng)過(guò)斷路器1合閘時(shí)間后,斷路器重新合閘,FS11、FS12和FS13分別經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)合閘時(shí)間實(shí)現(xiàn)合閘,FS13合閘瞬間斷路器1再次斷開(kāi),FS13閉鎖,斷路器1、FS11和FS12在經(jīng)歷各自合閘等待時(shí)間后再次合閘,實(shí)現(xiàn)故障上游非故障區(qū)域的供電,斷開(kāi)FS14、閉合LS1,實(shí)現(xiàn)故障下游的非故障區(qū)域供電恢復(fù)。該模式下各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷停電時(shí)長(zhǎng)為:

(3)

式中:Tf,i為第i個(gè)分段開(kāi)關(guān)重合時(shí)間;Tf,k為故障上游最近一個(gè)分段開(kāi)關(guān)合閘時(shí)間。

3)速動(dòng)型智能分布式饋線自動(dòng)化。

該模式是指故障發(fā)生后斷路器未斷開(kāi),僅依靠終端之間的相互通信即可實(shí)現(xiàn)非故障區(qū)域的隔離。以圖2為例,當(dāng)故障K1發(fā)生時(shí),斷路器無(wú)需斷開(kāi),僅依靠終端之間的互相通信即可斷開(kāi)FS13和FS14,實(shí)現(xiàn)故障區(qū)域的隔離,進(jìn)一步閉合LS1實(shí)現(xiàn)故障下游非故障區(qū)域負(fù)荷的復(fù)電。在該模式下,非故障區(qū)域只有故障下游負(fù)荷出現(xiàn)停電情況,且故障下游負(fù)荷停電時(shí)長(zhǎng)為:

Ti=∑Tl,i,i∈Ωdown

(4)

2 配電網(wǎng)彈性評(píng)估方法

2.1 彈性評(píng)估指標(biāo)

為評(píng)估開(kāi)關(guān)設(shè)備及饋線自動(dòng)化模式接入情況對(duì)配電網(wǎng)彈性水平的影響,本文從宏觀結(jié)果和微觀過(guò)程2個(gè)角度著手,宏觀結(jié)果層面指標(biāo)描述配電網(wǎng)系統(tǒng)在遭遇極端災(zāi)害事件后的最終表現(xiàn),微觀過(guò)程層面指標(biāo)揭示配電網(wǎng)系統(tǒng)在遭遇極端災(zāi)害事件中的配電自動(dòng)化動(dòng)作能力,構(gòu)建多維度彈性評(píng)估指標(biāo)體系,對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)在遭遇極端災(zāi)害事件中配電自動(dòng)化動(dòng)作能力和遭遇極端災(zāi)害事件最終表現(xiàn)進(jìn)行描述。

1)系統(tǒng)有功功率缺額量。

系統(tǒng)有功功率缺額量定義為無(wú)災(zāi)害情況下系統(tǒng)功能曲線與極端災(zāi)害情況下系統(tǒng)功能曲線的積分值之差。系統(tǒng)功能在本文中取為負(fù)荷值,該指標(biāo)從結(jié)果層面揭示了遭遇極端災(zāi)害事件全過(guò)程中的負(fù)荷損失,體現(xiàn)了配電網(wǎng)整體的脆弱性,計(jì)算式為:

(5)

式中:IPD為系統(tǒng)有功功率缺額量;T0、T分別為遭遇極端災(zāi)害事件的初始時(shí)刻和最終時(shí)刻;QR(t)、Q1(t)分別為理想狀態(tài)系統(tǒng)功能曲線和實(shí)際情況下功能曲線。

2)最大失負(fù)荷比例。

最大失負(fù)荷比例定義為故障最嚴(yán)重情況下的系統(tǒng)負(fù)荷量與未發(fā)生故障情況下的系統(tǒng)負(fù)荷量之比,該指標(biāo)從結(jié)果層面描述了自動(dòng)化接入的配電網(wǎng)在遭受故障情況下的系統(tǒng)堅(jiān)韌性,計(jì)算式為:

(6)

式中:Ra為最大失負(fù)荷比例;ΩN為系統(tǒng)所有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)集合;ΔPload,j為節(jié)點(diǎn)j的負(fù)荷有功功率損失量。

3)平均失負(fù)荷速度。

平均失負(fù)荷速度定義為失負(fù)荷總量與失負(fù)荷過(guò)程時(shí)間之比,該指標(biāo)描述了系統(tǒng)在無(wú)法完全吸收災(zāi)害所造成的影響下失去負(fù)荷的速度,從結(jié)果層面體現(xiàn)了配電網(wǎng)的堅(jiān)強(qiáng)性,計(jì)算式如下:

(7)

式中:VSLL為負(fù)荷損失速度;Te為失負(fù)荷過(guò)程持續(xù)時(shí)間。

4)非故障區(qū)重要負(fù)荷平均停電時(shí)長(zhǎng)。

非故障區(qū)重要負(fù)荷平均停電時(shí)長(zhǎng)定義為在饋線自動(dòng)化的動(dòng)作邏輯過(guò)程中,非故障區(qū)域重要負(fù)荷短暫的停電時(shí)長(zhǎng)之和與非故障區(qū)域的重要負(fù)荷之比,該指標(biāo)表征了饋線自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)故障隔離、非故障區(qū)域重要負(fù)荷恢復(fù)供電的效率,從過(guò)程層面體現(xiàn)不同饋線自動(dòng)化模式對(duì)于彈性水平的影響作用,計(jì)算式為:

(8)

5)系統(tǒng)平均停電次數(shù)。

系統(tǒng)平均停電次數(shù)定義為在饋線自動(dòng)化的動(dòng)作邏輯過(guò)程中,系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)停電次數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)之比,該指標(biāo)表征了每個(gè)由系統(tǒng)供電的用戶在饋線自動(dòng)化的動(dòng)作邏輯過(guò)程中所遭受到的平均停電次數(shù),從過(guò)程層面體現(xiàn)不同饋線自動(dòng)化模式對(duì)于彈性水平的影響作用,計(jì)算式為:

(9)

式中:Tai為系統(tǒng)平均停電次數(shù);T為時(shí)刻數(shù);N為系統(tǒng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

6)分布式電源發(fā)電損失量。

分布式發(fā)電損失量定義為所有時(shí)刻的分布式發(fā)電因?yàn)橄到y(tǒng)故障損失的發(fā)電量之和,該指標(biāo)從過(guò)程層面揭示了配電自動(dòng)化開(kāi)關(guān)設(shè)備處理故障過(guò)程中的分布式發(fā)電運(yùn)行情況,計(jì)算式為:

(10)

2.2 考慮開(kāi)關(guān)設(shè)備和饋線自動(dòng)化模式的配電網(wǎng)彈性評(píng)估流程

本文所提出的考慮開(kāi)關(guān)設(shè)備和饋線自動(dòng)化模式的配電網(wǎng)彈性評(píng)估流程如圖3所示,具體包含以下步驟:

圖3 考慮開(kāi)關(guān)設(shè)備和饋線自動(dòng)化模式的配電網(wǎng)彈性評(píng)估流程Fig.3 Flow chart of resilience evaluation considering switchgear and feeder automation modes

步驟1：輸入配電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和故障信息,配電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、負(fù)荷和支路參數(shù)等,故障信息包括故障支路以及故障發(fā)生時(shí)刻。

步驟2：根據(jù)斷路器位置對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行分塊,建立系統(tǒng)的分塊-斷路器關(guān)聯(lián)矩陣,明確不同分塊發(fā)生故障時(shí)斷路器的響應(yīng),簡(jiǎn)化配電網(wǎng)配電自動(dòng)化動(dòng)作邏輯分析過(guò)程。

步驟3：基于故障信息,在步驟2的基礎(chǔ)上斷開(kāi)故障分塊對(duì)應(yīng)的斷路器,實(shí)現(xiàn)故障的隔離,進(jìn)一步分析聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)在非故障區(qū)域供電恢復(fù)階段的動(dòng)作情況,完成故障情況下的開(kāi)關(guān)設(shè)備開(kāi)斷情形分析。

步驟4：分析不同饋線自動(dòng)化模式下配電自動(dòng)化開(kāi)關(guān)設(shè)備的動(dòng)作邏輯過(guò)程,明晰不同饋線自動(dòng)化模式在故障恢復(fù)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)故障隔離、非故障區(qū)域恢復(fù)供電的范圍,基于式(2)、(3)、(4)分別計(jì)算集中型饋線自動(dòng)化、電壓時(shí)間型就地重合式饋線自動(dòng)化、速動(dòng)型智能分布式饋線自動(dòng)化3種饋線自動(dòng)化模式動(dòng)作過(guò)程中的各負(fù)荷失電時(shí)長(zhǎng)。

步驟5：對(duì)所有時(shí)刻進(jìn)行仿真,獲取負(fù)荷狀態(tài)曲線,從微觀過(guò)程、宏觀結(jié)果2個(gè)層面開(kāi)展多維度彈性指標(biāo)計(jì)算,基于式(5)—(10)確定不同饋線自動(dòng)化模式下系統(tǒng)有功功率缺額量、最大失負(fù)荷比例、平均失負(fù)荷速度、非故障區(qū)重要負(fù)荷平均停電時(shí)長(zhǎng)、系統(tǒng)平均停電次數(shù)和分布式電源發(fā)電損失量,綜合評(píng)估配電網(wǎng)彈性水平。

3 算例分析

3.1 算例概況

基于改進(jìn)的IEEE-33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)驗(yàn)證所提方法對(duì)于評(píng)估配電自動(dòng)化接入情況對(duì)配電網(wǎng)彈性影響的有效性。改進(jìn)的IEEE-33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的IEEE-33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)拓?fù)銯ig.4 Modified IEEE 33-bus distribution system topology

在該算例中,總有功負(fù)荷為3.715 MW,節(jié)點(diǎn)3、5、14、22、28為重要負(fù)荷節(jié)點(diǎn),其余為普通負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。在節(jié)點(diǎn)23處接入額定容量為300 kW的風(fēng)力發(fā)電裝置;在節(jié)點(diǎn)4、13均接入微型燃?xì)鈾C(jī)組,額定容量分別為500 kW和600 kW;在節(jié)點(diǎn)8、22分別接入額定容量均為550 kW的光伏發(fā)電裝置,光伏發(fā)電裝置與風(fēng)力發(fā)電裝置在系統(tǒng)發(fā)生故障后會(huì)脫網(wǎng)運(yùn)行,微型燃?xì)鈾C(jī)組在故障后能繼續(xù)與系統(tǒng)保持聯(lián)系。

測(cè)試系統(tǒng)含有斷路器9個(gè),接入位置由圖中的×表示,分塊-斷路器模型如圖5所示。根據(jù)斷路器位置將測(cè)試系統(tǒng)共分為9塊,聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)3個(gè),分別位于節(jié)點(diǎn)25與節(jié)點(diǎn)32之間、節(jié)點(diǎn)18與節(jié)點(diǎn)33之間和節(jié)點(diǎn)13與節(jié)點(diǎn)22之間,斷路器的合閘時(shí)間為5 s,聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間為7 s,主站信息處理時(shí)間為2 min。

圖5 算例系統(tǒng)分塊圖Fig.5 Block diagram of the test system

配電網(wǎng)的分塊-關(guān)聯(lián)矩陣為:

(11)

由分塊-關(guān)聯(lián)矩陣可知,每一個(gè)分塊對(duì)應(yīng)的前向斷路器為與分塊序號(hào)相同的斷路器,即當(dāng)分塊m發(fā)生故障時(shí),斷路器m斷開(kāi)。

場(chǎng)景取為極端臺(tái)風(fēng)天氣影響下配電網(wǎng)發(fā)生大規(guī)模故障,02:00:節(jié)點(diǎn)10—11之間線路出現(xiàn)故障;03:00:節(jié)點(diǎn)6—7之間線路出現(xiàn)故障;04:00:節(jié)點(diǎn)19—20之間線路出現(xiàn)故障;05:00:節(jié)點(diǎn)30—31之間線路出現(xiàn)故障,06:00開(kāi)始對(duì)故障線路進(jìn)行修復(fù),每個(gè)時(shí)刻僅修復(fù)一條線路,故障線路修復(fù)順序與線路故障順序一致。

3.2 算例結(jié)果分析

3.2.1 開(kāi)關(guān)設(shè)備對(duì)配電網(wǎng)彈性水平的影響

分別設(shè)置配電網(wǎng)中不含自動(dòng)化設(shè)備、僅含斷路器和含斷路器及聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的3種場(chǎng)景,并進(jìn)行分析計(jì)算,評(píng)估開(kāi)關(guān)設(shè)備接入情況對(duì)配電網(wǎng)彈性水平的影響。

圖6為3種情況下的配電網(wǎng)功能曲線,縱坐標(biāo)代表配電網(wǎng)未失電的負(fù)荷有功功率值,橫坐標(biāo)代表時(shí)間。01:00—05:00時(shí)段出現(xiàn)線路故障,部分負(fù)荷出現(xiàn)失電現(xiàn)象,系統(tǒng)功能曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì),從05:00開(kāi)始故障線路逐步被修復(fù),系統(tǒng)功能曲線出現(xiàn)回升,因此3種場(chǎng)景下的系統(tǒng)功能曲線均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。從圖6可以看出,不含配電自動(dòng)化開(kāi)關(guān)設(shè)備的場(chǎng)景各時(shí)刻的系統(tǒng)功能均最小,僅含斷路器場(chǎng)景居中,含斷路器和聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)場(chǎng)景的曲線各時(shí)刻系統(tǒng)功能最大,整體曲線位于最上方。

由不同開(kāi)關(guān)接入數(shù)量場(chǎng)景系統(tǒng)功能曲線計(jì)算得到3種場(chǎng)景下的相關(guān)彈性指標(biāo)如表2所示。

表2 不同開(kāi)關(guān)接入場(chǎng)景彈性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Table 2 Results of resilience index in scenarios with different switches

對(duì)比無(wú)配電自動(dòng)化開(kāi)關(guān)設(shè)備場(chǎng)景和有配電自動(dòng)化開(kāi)關(guān)設(shè)備場(chǎng)景可知,無(wú)配電自動(dòng)化開(kāi)關(guān)設(shè)備接入場(chǎng)景系統(tǒng)有功功率缺額為26.005 MW·h,場(chǎng)景2(僅含斷路器)中斷路器的接入將系統(tǒng)有功功率缺額減小為12.495 MW·h,場(chǎng)景3(含斷路器和聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān))的系統(tǒng)有功功率缺額為9.545 MW·h,說(shuō)明配電自動(dòng)化開(kāi)關(guān)設(shè)備的接入能夠有效減小極端事件帶來(lái)的系統(tǒng)功率缺額,提升配電網(wǎng)應(yīng)對(duì)極端事件的彈性水平。同時(shí),場(chǎng)景1(無(wú)配電自動(dòng)化開(kāi)關(guān)設(shè)備)的最大失負(fù)荷比例為100%,而含有配電自動(dòng)化開(kāi)關(guān)設(shè)備的2個(gè)場(chǎng)景(場(chǎng)景2和場(chǎng)景3)的最大失負(fù)荷比例為69.9%,說(shuō)明配電自動(dòng)化開(kāi)關(guān)設(shè)備的接入能夠有效減小最大失負(fù)荷比例,場(chǎng)景2和場(chǎng)景3的最大失負(fù)荷比例均為69.9%,這是因?yàn)闃O端災(zāi)害導(dǎo)致在多個(gè)時(shí)刻均發(fā)生了線路斷開(kāi)的大規(guī)模故障,就本算例情形而言,最大失負(fù)荷比例已經(jīng)達(dá)到了不可避免的69.9%,就平均失負(fù)荷速度指標(biāo)而言,場(chǎng)景1、2、3的計(jì)算結(jié)果分別為3.715、0.865、0.649 MW/h,說(shuō)明配電自動(dòng)化開(kāi)關(guān)設(shè)備的接入也能有效減小平均失負(fù)荷速度,提高極端事件下配電網(wǎng)的堅(jiān)韌性。對(duì)比場(chǎng)景2和場(chǎng)景3的系統(tǒng)有功功率缺額彈性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果可知,由于聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)故障情況下負(fù)荷的轉(zhuǎn)供,因此其接入能夠有效地減小系統(tǒng)有功功率缺額,提高配電網(wǎng)的極端事件應(yīng)對(duì)能力。

3.2.2 饋線自動(dòng)化模式對(duì)配電網(wǎng)彈性水平的影響

分析集中型饋線自動(dòng)化、電壓時(shí)間型就地重合式饋線自動(dòng)化、速動(dòng)型智能分布式饋線自動(dòng)化3種饋線自動(dòng)化模式對(duì)配電網(wǎng)彈性水平的影響,相關(guān)彈性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同饋線自動(dòng)化模式彈性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Table 3 Results of resilience index of different feeder automation modes

模式1(集中型饋線自動(dòng)化模式)由于存在一個(gè)分鐘級(jí)別的主站信息處理時(shí)間而導(dǎo)致系統(tǒng)在多次故障情況下非故障區(qū)域停電總時(shí)間為260 s;模式3(速動(dòng)型智能分布式饋線自動(dòng)化模式)可以直接通過(guò)終端的通信達(dá)到非故障區(qū)域的供電,因此在該模式多次故障情況下非故障區(qū)域停電總時(shí)間僅為11.5 s;模式2(電壓時(shí)間型就地重合式饋線自動(dòng)化)需要多次對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行重合,多次故障情況下非故障區(qū)域負(fù)荷平均停電總時(shí)長(zhǎng)為51.5 s。對(duì)比3種模式的非故障區(qū)域負(fù)荷平均停電總時(shí)長(zhǎng)可知,模式3在故障恢復(fù)過(guò)程中能夠最小程度地影響非故障區(qū)域的供電,模式2次之,模式1會(huì)對(duì)非故障區(qū)域的負(fù)荷供電造成較大的影響;模式1和模式3場(chǎng)景下的系統(tǒng)平均停電次數(shù)均為0.42次,模式2的系統(tǒng)平均停電次數(shù)為0.84次,這是由于模式2會(huì)出現(xiàn)多次重合閘而導(dǎo)致多次短暫停電的緣故。對(duì)比3種模式下的分布式發(fā)電損失量可知,模式3不存在損失量,能夠最大程度減小分布式電源發(fā)電的損失量;模式1最大,為61.4 MW·h;模式2居中,其分布式電源發(fā)電損失量為6.4 MW·h。彈性指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果表明對(duì)于3種饋線自動(dòng)化模式,速動(dòng)型智能分布式饋線自動(dòng)化模式下配電網(wǎng)應(yīng)對(duì)極端事件的能力最佳,集中型饋線自動(dòng)化模式比電壓時(shí)間型就地重合式饋線自動(dòng)化的停電次數(shù)更少,而其他2個(gè)彈性指標(biāo)均表現(xiàn)最差,因此集中型饋線自動(dòng)化模式下配電網(wǎng)彈性水平最差,電壓時(shí)間型就地重合式饋線自動(dòng)化模式下配電網(wǎng)應(yīng)對(duì)極端事件的能力在3種模式中處于中間水平。

4 結(jié) 論

為評(píng)估開(kāi)關(guān)設(shè)備和不同饋線自動(dòng)化模式對(duì)配電網(wǎng)彈性水平的影響,本文提出了一種考慮開(kāi)關(guān)設(shè)備和饋線自動(dòng)化接入情況的配電網(wǎng)彈性評(píng)估方法。主要結(jié)論如下:

1)所提彈性評(píng)估方法考慮了配電自動(dòng)化配置情況的影響,分析了開(kāi)關(guān)設(shè)備接入和饋線自動(dòng)化模式的動(dòng)作邏輯過(guò)程,能夠更加真實(shí)地反映配電網(wǎng)遭遇極端災(zāi)害事件后短期運(yùn)行狀態(tài)(如非故障區(qū)域負(fù)荷停電時(shí)長(zhǎng)、系統(tǒng)平均停電次數(shù))。

2)2種開(kāi)關(guān)設(shè)備的接入能夠有效實(shí)現(xiàn)故障區(qū)域的隔離、非故障區(qū)域的供電恢復(fù),斷路器的接入可以有效減小系統(tǒng)最大失負(fù)荷比例,聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的接入能夠減小系統(tǒng)遭遇極端事件時(shí)的平均失負(fù)荷速度,提高極端事件下配電網(wǎng)的堅(jiān)韌性。

3)不同饋線自動(dòng)化模式下的設(shè)備動(dòng)作次序?qū)е路枪收蠀^(qū)域短暫停電時(shí)長(zhǎng)存在差別,就本文研究的3種饋線自動(dòng)化模式而言,速動(dòng)型智能分布式饋線自動(dòng)化對(duì)彈性水平的提升作用最大,集中型饋線自動(dòng)化促進(jìn)作用最弱。

本文提出的考慮開(kāi)關(guān)設(shè)備和饋線自動(dòng)化模式的彈性評(píng)估方法對(duì)于極端災(zāi)害事件下配電網(wǎng)彈性精準(zhǔn)評(píng)估具有重要意義,如何將分布式電源接入對(duì)配電自動(dòng)化的影響納入考慮、進(jìn)一步制定合理經(jīng)濟(jì)的配電自動(dòng)化配置方案等彈性提升措施是下一階段的研究方向。