基于安全域的智能配电网安全高效运行模式

提出了智能电网背景下一种基于安全域的配电网安全高效运行新模式。首先,分析了配电网最大供电能力(TSC)理论和配电系统安全域(DSSR)理论对未来配电网的影响。TSC理论能在满足N-1安全下提升负载率,DSSR理论使配电网实时安全性分析成为可能。其次,给出了配电网的安全防御体系,描述了各种安全状态和安全控制。然后,应用TSC和DSSR理论丰富了自愈控制功能,提出了以安全高效运行为目标的配电网实时监测、预警、预防、预测及优化控制的功能框架。此外还比较了基于安全域的运行新模式与配电自动化以及输电安全运行模式的区别和联系。最后,通过具有一定规模的实际中压配电网算例进行了验证,数据表明在该自愈控制体系下智能配电网能主动进行预防和预测控制并安全高效运行。     

配电网安全域的表面积、体表比及圆润度

该文提出配电网安全域(distribution system security region,DSSR)表面积的概念,并结合体积描述高维DSSR几何上的圆润度。首先,将DSSR表面积定义为安全边界的整体大小。其次,提出一种降维采样的DSSR表面积算法。再次,深入研究DSSR的表面积与体积的关系。定义能反映DSSR整体形状特征的新指标——体表比,即围成单位体积所需表面积的倒数,得到几种典型接线模式的体表比参数。研究发现,接线模式具有固定的体表比,几何形状也具有固有的体表比,等周定理证明了圆的体表比最大。以高维空间球体的体表比作为基准,提出DSSR的几何圆润度定义,即安全域接近圆的程度。最后,用配电网算例验证所提概念和算法,并总结相关概念的物理意义。该文提出的圆润度定义可描述高维空间DSSR超几何体接近圆的程度,对评价和规划安全高效配电网具有直接指导意义。     

配电系统安全域的数学定义与存在性证明

该文从数学上描述了配电系统的N-1安全性,给出了安全域(distribution system security region,DSSR)的严格数学定义,并首次证明DSSR的存在性。首先,从数学上描述了配电系统运行的状态空间与正常运行方式下的约束条件。其次,为描述N-1安全性及安全程度,提出了安全函数的概念,并给出一个具体的安全函数,并证明其具有连续和单调减的重要性质。再从数学上将N-1安全性描述为安全函数满足某个预定临界值的问题。然后,给出了更严格的DSSR数学定义:DSSR是所有安全工作点的集合,该集合具有封闭的边界,边界内部均为安全工作点,外部均为不安全工作点。最后,从数学上证明了对于任意给定配电网,其DSSR一定存在。文中工作对揭示配电网安全域的数学本质具有重要意义,为未来智能配电系统安全高效的运行及规划技术奠定理论基础。     

部分元件N-1下的配电网供电能力与安全域

现有配电网供电能力(TSC)和安全域(DSSR)计及所有元件N–1,该文首次研究了部分元件N–1下的TSC和DSSR计算,发现不考虑部分关键元件N–1时,DSSR大小和TSC会较大提升。首先,分别提出了部分元件N–1下的DSSR、TSC和平均供电能力BSC模型及计算方法。其次,发现N–1故障集中不同元件及其组合对TSC和DSSR影响不同,故定义了N–1的关键故障集。然后,提出了一种确定关键故障集的实用方法:先遍历元件计算对TSC和DSSR大小的灵敏度,再综合评价排序,最终通过阈值筛选出关键故障集。算例验证表明,该文方法找到关键故障集后,若对其中元件加强防护、提高其可靠性,近似认为其不发生N–1时,可显著提高DSSR大小和TSC,这是一种提高配电网安全效率水平的新途径。     

计及分布式电源与需求响应的智能配电系统安全域

中国城市电网正逐步发展为智能配电网,系统运行环境将更为复杂。配电系统安全域(DSSR)是指导配电网安全运行的新理论,文中考虑智能配电网的2个主要元素——分布式电源(DG)和需求响应(DR),从传统的负荷视角研究DSSR。首先,分析含DG和DR的配电系统安全性特点,给出相应的数学表达式,然后建立考虑DG和DR的DSSR数学模型。其次,通过观测算例电网的DSSR的二维截面图像,分析DG和DR对DSSR的作用机理,并基于此给出系统规划运行的指导建议。提出的DSSR的负荷视角与现有调度人员习惯一致,对于仍以负荷供电为主、以DG和DR服务为辅的城市配电网,可作为实用的安全运行分析工具。     

有源配电网安全域的体积：定义、算法与分析

安全域体积描述了配电网安全运行范围大小，是配电网安全域(distribution system security region,DSSR)的一个重要指标。该文提出了有源配电网N-0(DSSR0)和N-1下安全域体积的定义和新算法。首先，将有源网安全域体积定义为状态空间中的n重积分，与现有无源网安全域体积定义的区别有：1）积分变量不同。无源网采用馈线负荷，有源网采用节点净功率。2）状态空间所在象限不同。无源网安全域位于第一象限，有源网安全域位于全象限。其次，提出了基于拟蒙特卡罗的新算法，适用于有源网和无源网安全域体积计算。相比于现有算法，有更好的精度和速度，且适用于直流潮流和交流潮流的安全域模型。最后，采用算例验证了该文定义和算法。深入分析得到了分布式电源接入位置与渗透率对N-0和N-1下安全域体积的影响规律和原因。     

配电网安全域的二维图谱

提出了配电网安全域(DSSR)图谱的概念,并绘制了无源配电网和2种典型有源配电网的DSSR二维图谱。首先,给出了DSSR图谱的定义和绘制方法。DSSR图谱是某一类型配电网所有可能的安全域二维图像的集合,包含了域的象限、形状等图像特征。然后,针对无源配电网、高渗供电网(容量渗透率约为40%)和自给网(容量渗透率约为100%),分别绘制其N-0(正常运行)和N-1的2套DSSR图谱。最后,对比分析了不同渗透率下的DSSR图谱变化规律。DSSR图谱的建立使得DSSR二维图像研究更具系统性,有助于直观理解配电网安全运行范围的几何特征。     

配电网安全域的实证分析

完成了具有一定规模的实际配电网安全域(DSSR)实证研究,并应用于该电网的夏季大负荷分析。首先,简要介绍了现有的DSSR概念和理论,并针对调度部门需求对安全评价方法与安全控制方法进行了实用化改进。其次,在天津市核心城区选择了一个4.82km2的完全配电自动化覆盖的配电网,根据电网数据计算出该电网的安全边界方程,再进一步验证了该安全边界在电网运行中是实际存在的。最后,基于DSSR对夏季大负荷数据进行了安全分析,并将分析结果与已有安全分析报告对比。对比表明,计算得到的安全边界准确地反映了该电网的N-1安全运行范围,对于夏季大负荷的分析结果也与实际情况相符。     

面向智能配电系统的安全域模型

智能配电系统将具备快速的网络转供能力,变电站在下级配电网的支持下能够超越传统导则显著提高满足安全边界的最大负载率,因此,有必要研究能精确计算配电网安全边界的方法。文中将安全域方法应用于配电系统,提出了基于N-1安全性准则的配电系统安全域(DSSR)的概念和模型;定义了运行点相对于DSSR边界距离的计算方法;提出了基于DSSR的安全性评价方法及初步的安全控制方法;通过算例验证了模型及方法的有效性。     

基于安全边界几何观测的配电网改造规划实用方法

提出了一种基于安全边界几何观测的配电网改造规划实用方法:介绍了有关安全边界理论的配电系统安全域(DSSR)和最大供电能力(TSC)曲线这2个内容;设计了多个反映DSSR和TSC曲线的形状、大小的几何观测视图以及几何观测指标,从而能全面地反映给定配电网的安全和效率特征;给出了改造规划的具体步骤;通过IEEE-RBTS-BUS4扩展算例验证了所提方法的有效性.算例结果表明,所提方法能直观地展现改造方案在安全域和供电能力方面的变化.所提方法从安全性和效率角度提供了新的配电网观察手段和分析工具,是现有配电网改造规划方法的重要补充.     

配电系统实际运行的剩余供电能力计算方法

现有配电系统最大供电能力模型(TSC)充分研究了配电网的供电能力,适用于规划未来配电系统和评估已有配电系统,本文改进了已有的TSC模型,得到了一种更适合指导智能配电系统运行的剩余供电能力计算方法。首先,简要介绍了配电网的TSC模型及相关定义;其次,提出了剩余供电能力的概念,改进已有TSC模型得到了剩余供电能力数学模型,并给出求解方法;再次,介绍了剩余供电能力的特点,表明剩余供电能力更适合指导配电系统运行;最后,结合算例说明本文模型的实用性和正确性。本文工作定义了一种配电系统剩余供电能力并给出了计算方法,完善了配电网供电能力的理论体系,其更适合指导电网运行,有利于高效利用配电网的供电潜力、提高资产利用率。     

配电网安全域的维度

提出了配电网安全域(DSSR)维度的概念及计算方法。首先,给出了DSSR维度的定义,综合考虑了DSSR边界约束个数及变量个数。其次,提出了一种基于主变压器联络关系向量的DSSR维度计算方法,该方法通过定义主变压器间的联络关系向量来体现网络结构特征,无需列写安全域表达式就能得到边界约束数及各约束中的变量数。最后,通过算例验证所提出的方法,初步分析得到了DSSR维度与配电网的关系,并归纳了边界数量取极值的条件。研究发现:对于不同规模的配电网,DSSR维度的大小受主变压器、馈线及分段开关数量的影响;对于规模相同的配电网,DSSR维度也可能不同,主要受主变压器间馈线联络方式的影响。提出的DSSR维度概念能严格地描述DSSR及对应的N-1安全性问题的规模,为DSSR安全理论提供了必要的基础。     

计及N-1安全准则的智能配电网多目标重构策略

智能配电网背景下,N-1安全准则是配电网安全运行中的重要准则,而现有文献中的配电网重构模型均未计及N-1安全准则,所得重构结果未必满足安全性要求。为解决这一基础性问题,文中提出了一种计及N-1安全准则的配电网多目标重构新策略。首先,基于配电系统安全域(DSSR)中安全距离这一概念,定义了安全距离均值、安全距离均衡度、安全距离均衡比3个量化描述N-1安全的指标。其次,给出了以降低网损和减小安全距离均衡比为综合优化目标的配电网多目标重构模型。然后,应用改进遗传和动态小生境差分进化的混合算法对该配电网多目标重构模型进行求解。最后,考虑静态重构和动态重构两种情境,通过算例对比所提模型与现有文献模型,结果均表明,文中模型所得重构结果满足N-1安全准则,综合考虑系统经济性、安全性下更优,验证了所提模型和求解算法的正确有效性。     

配电网安全域的凹凸性：定理、证明及判定算法

配电网安全域(distributionsystemsecurityregion,DSSR)是状态空间中的超多面体,凹凸性是其基本性质,该文提出和证明了DSSR凹凸性定理,并提出了判定算法。首先,给出凸集的定义、性质以及凹凸多面体的定义。其次,提出4条DSSR凹凸性定理和2条推论,并完成数学证明。定理1表明域为凸超多面体与DSSR为凸集等价。定理2、3和4为DSSR凹凸性判定定理,表明单负荷转移方案的DSSR为凸集;多负荷转移方案的DSSR有两种情形,当某负荷转移方案形成的域空间可以完全包含其他所有方案形成的域空间时,多负荷转移方案的DSSR为凸集,否则为非凸集。推论1表明凹域一定具有多种负荷转移方案,反之不成立;推论2表明单/多种负荷转移方案都可形成凸域。进一步,将抽象的定理实用化,提出2种多负荷转移方案DSSR凹凸判定算法,为判定凹凸、分析域空间的构成和性质提供2种不同路径。最后,采用主备接线模式和IEEE RBTS-BUS4扩展算例验证了所提定理。该文是DSSR理论的基础性工作,能帮助人们从数学角度更深刻认识DSSR的凹凸性,为基于安全域的安全性分析方法研究提供理论支撑。     

配电网安全域的N×N形式维度

配电网安全域(DSSR)的维度描述了DSSR的问题规模,提出了一种新的维度定义,相比现有定义不仅更符合人们看待问题空间的习惯,还能得到单一数值表示问题规模。首先,提出了采用形式的DSSR维度定义。其次,给出了这种维度定义的计算方法和一般算法流程图,先根据馈线关联矩阵得到馈线组合,再计算虚拟全联络时的馈线组合数,最终得到维度定义中的等价馈线数。再次,研究了DSSR维度与网络结构的关系。最后,采用算例验证了文中定义和方法,并将维度用于解决DSSR二维观测组合规模大的难题,即任两回馈线都可能组合观测,但很多组合都不必要,根据文中方法能精确得到真正需要的组合,简化DSSR结果的使用。     

电网电压不平衡条件下混合无功补偿系统分层协调控制策略

为实现低压配电网低成本大容量动态连续无功补偿,提出了一种晶闸管投切电容器(TSC)与静止无功发生器(SVG)协同运行的混合无功补偿系统。系统综合了TSC低成本大容量的无功补偿和SVG动态连续无功补偿的优点。在分析其基本原理的基础上,提出混合无功补偿系统分层协调控制策略,消除TSC与SVG由于响应速度的差别对其混合无功补偿性能的影响。针对混合无功补偿系统在电网电压不平衡条件下的安全运行问题,研究了SVG的正负序双环叠加控制策略,使其在具有动态无功补偿性能的同时能抑制一定程度的不平衡电压,保证系统的安全稳定运行。最后,仿真验证了所提控制策略的正确性。     

基于供电能力的配电网联络有效性评价与化简方法

最大供电能力(TSC)是衡量配电网建设水平的一个新指标,而网络联络是影响TSC的一个关键因素。针对网络联络对TSC的贡献程度进行了研究,提出了基于TSC的配电网联络有效性定义,并由网络转移能力的灵敏度给出了单个联络有效度和联络组合有效度的计算公式。针对配电网联络日益复杂的现实情况,从满足N-1安全约束下发挥配电网TSC的角度出发,提出了基于联络有效性的配电网联络化简方法。最后,通过实际配电网算例验证了所述方法的有效性,并归纳出配电网联络有效性的一些重要规律。     

配电网的供电能力分布

提出了配电网供电能力分布的定义、指标和计算方法,解决了现有最大供电能力TSC没有完整描述不同负荷分布下系统能力范围的问题。首先,提出了安全边界供电能力(boundary supply capability,BSC)的定义,BSC定义为配电网安全域边界上某工作点的负荷之和,反映了该工作点的效率;所有边界工作点的BSC构成了配电网供电能力的分布,称为BSC分布,TSC是BSC分布中取极大值的部分。其次,提出了计算BSC分布的抽样算法,通过抽样得到能够完整描述安全边界的点集,再计算所有工作点的BSC值得到抽样BSC分布。再次,进一步加工分析:按BSC大小排序得到BSC排序曲线;统计得到BSC占比图;按BSC值乘占比后求和得到BSC均值,BSC均值比TSC值更综合反映了配电网供电能力。最后,通过算例验了所提概念及方法,并初步探讨了BSC不同的原因。首次探讨了配电网在不同负荷分布下的供电能力分布问题,提出的BSC比TSC更全面地反映了电网效率,为智能配电网规划方案选取提供了更精准参考依据。     

计及不确定性因素基于多场景的主动配电系统短期供电能力评估

主动配电系统的供电能力受配电网络的拓扑结构、元件故障、负荷水平及分布式能源资源出力波动性等诸多不确定性因素的影响。准确评估主动配电系统的供电能力,对于主动配电网的优化调度及安全运行有重要的指导意义。该文首先从分析不确定性因素对主动配电系统供电能力的影响入手,针对不确定性因素进行建模;其次,基于场景生成及缩减技术,形成供电能力评估的多场景;再次,定义了一系列概率评估指标,针对多场景下主动配电系统的短期供电能力进行评估,以指导主动配电系统的优化运行,发掘配电网的供电能力,提高配电网的综合效益;最后,采用改进的IEEE 14节点算例,对该文所提的模型和算法进行了验证,算例验证表明该文所提模型及算法的正确性和有效性。     

配电网安全域的特殊二维图像：发现、机理及用途

二维图像是配电网安全域(distribution system security region,DSSR)可视化观测的最常用方式,所有可能出现的图像被归纳成DSSR图谱。该文发现现有图谱外的2种新图像,并揭示了图像的产生机理。首先,简介DSSR二维观测和现有图谱。其次,给出新发现图像,其特征是斜线边界上具有直角"凸起"或"凹陷",故命名为"斜线凸"和"斜线凹"。然后,分析得到特殊图像的产生机理:若配电网N-1后存在多种负荷转带方式,对应DSSR为非凸集,造成域表面的凸起与凹陷,二维切割后出现"斜线凸"和"斜线凹"。实际配电网一般具有多转带方案,因此特殊图像是普遍存在的。为阐述机理,该文3D打印了两供一备接线的完整DSSR,二维剖面后成功复现了新图像,并采用分段联络接线及2个IEEE RBTS-Bus4扩展算例进行了验证。该文是完整DSSR图谱的重要补充,能帮助人们更全面认识DSSR的几何特征。研究结果具有应用价值,不仅能提高安全性评估的准确性,还能引导工作点规避凹区和利用凸区,从而达到安全高效。