（电力系统及其自动化专业论文）改进的配电网抗灾变性评价及软件实现.pdf

s u b j e c t ：a ni m p r o v e da p p r o a c h & i t sr e a l i z a t i o no fa n t i a c c i d e n t e v a l u a t i o nf o rc o m p l i c a t e dd i s t d b u f i o nn e t - w o r k s s p e c i a l t y ：e i e c t d cp o w e rs y s t e n a m e：w u w e i - h i n s t r u c t o r ：l i uj i a n ma n da n t o m a t i o n a b s t r a c t e v m u a t i o no ft h ea n t i - a c c i d e n ta b i l i t yo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k si sv e r yi n s t r u c t i v ef o r b u i l d i n gs 订o n gd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s u n d e rt h ec o n d i t i o no fd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n , 锄 i m p r o v e da p p r o a c ho f a n t i a c c i d e n ta b i l i t ye v a l u a t i o ni sp r o p o s e di nt h ep a p e r t h ee x i s t i n gs i m p l i f i e dm o d e lo fc o m p l i c a t e dd i s t r i b u t i o ns y s t e mi s i m p r o v e df o r a n t i - a c c i d e n ta b i l i t ye v a l u a t i o n , i nw h i c had i s t r i b u t i o nn e t w o r ki sd i v i d e di n t om a n y d i s t r i b u t i o np a r t sa n dt h ef a u l t sa r es e ti ne a c hp a r ti nt h ep r o c e s so f e v a l u a t i o n , r e s p e c t i v e l y c o n s i d e r i n gt h a td i f f e r e n td i s t r i b u t i o na r e a sh a v ed i f f e r e n tf a u l tp r o b a b i l i t i e sw h i c h s h o u l db ei n c l u d e di nt h ei n d i c e so fa n t i - a c c i d e n te v a l u a t i o n , t h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) i si n t r o d u c e dt od e t e r m i n et h ei n f l u e n c eo f t h ef a u l t si ne a c hd i s t r i b u t i o na r e a , b a s e do n w h i c h , as e r i e so f w e i g h t e di n d i c e si sd e s c r i b e d i no r d e rt or e f l e c tt h ea n t i a c c i d e n ta b i l i t yo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k si nt h eo p e r a t i o n , t h e v a r y i n ga n du n c e r t a i n t yo fl o a d sa r et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h er e l a t i v i t i e so fl o a d s b e t w e e ne a c ht w od i s t r i b u t i o np a r t sa r ea l s od e a l tw i t h t h es o r w a r eo fa n t i - a c c i d e n te v a l u a t i o nf o rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k sc o n s i s t i n go fa n p r o p o s e dm e t h o d o l o g i e si sp r o g r a m m e do i lv c + + 6 0 o nw h i c h t h ep r o p o s e dm e t h o d sa r e t e s t e da n dv e r i f i e ds h o w i n gt h ef e a s i b i l i t ya n da p p l i c a b i l i t y k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k s t a t i cs t a t es e c u r i t ya n t i - a c c i d e n t a a n a l y t i e 西要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：e t i # i ：沙司钮一 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：指导教师签名：叫c 翟2 一 俨印年白月如日 l 绪论 l 绪论 1 1 配电网抗灾变性研究的背景和意义 配电网的功能是把变电站或小型发电厂的电力输送给每一个用户，并在必要的地方 转换成适当的电压等级【1 】。因此，整个电力系统的供电能力和质量都必须通过配电网来 实现，配电网安全、可靠、高质的运行，直接关系到千家万户的用电。 在很长一段时间内，我国电网严重缺电，存在这样一种现象：“重发、轻供、不管 用”，对应的国家投资比例为1 ：0 3 ：0 1 ( 而世界先进发达国家为1 ：0 3 ：0 7 ) ，导致长期 以来配电网的建设未得到应有的重视，建设资金短缺，设备技术性能落后，事故频繁发 生，这些都严重影响了人民生活和经济建设的发展。 近几年来，建设坚强电网成为国家电网公司的重要发展目标之一，而配电网是整个 电网的重要组成部分，过去由于投入不足，造成配电网的发展相对滞后，目前经过城乡 电网改造，国内多数配电网有了很大发展：新的高压变电站增加，老的变电站升压、增 容，电网中引入超高压输电线，电网结构趋向合理，安全性有一定提高。总体来说，取 得了一定的成就，但是由于一些建设项目比较盲目，距离坚强电网的要求还存在差距， 据统计，截至2 0 0 4 年2 月，全国有5 0 多个大中城市拉闸限电，南方部分城市这种情况 更加严重，其主要原因就是电网建设的相对滞后和电网结构的不够完全合理。 随着电力需求的发展和电力市场的建立，对电能质量以及供电安全性、可靠性的要 求越来越高。国家颁布电力法后，电力作为一种商品进入市场，接受用户的监督和选择， 甚至于对电力供应中的停电影响追究电力经营者的责任。配电网作为整个电网的重要组 成部分，薄弱环节显得越来越突出，配电网的安全性对整个电网有着举足轻重的影响， 直接决定着整个电网的坚强程度。因此，及时的对配电网进行全方位的深入研究，并进 一步增强配电网的安全性就显得越来越重要： ( 1 ) 配电网络大多采用辐射式，对故障比较敏感。而且，随着电网建设的发展， 配电线路越来越长，元件越来越多，结构越来越复杂，所以发生故障的概率也越来越大。 而配电网处于整个电力系统的最末端、直接与用户相连，一旦发生故障往往就会同时造 成系统对用户供电的中断，直到故障被排除并恢复到原来的完好状态，才能继续对用户 供电。据不完全统计，用户停电8 0 以上是由配电网故障引起的。 ( 2 ) 电力系统不断向超高压、远距离、大机组、大容量方向发展，我国电网目前 正进入全国电网互联的关键阶段，全国电网互联的格局即将形成。联网在带来巨大的技 术经济效益的同时，也可能使故障时影响范围扩散，扩大了发生故障的可能性，特别是 连锁反应式故障可能导致大面积停电或全系统的崩溃，从而发生重大的灾变性事故。6 0 西安科技大学硕士学位论文 年代以后，许多国家的大电网相继发生了重大的事故，引起了大面积的停电【2 l ，尤其是 美加联合大电网停电事故为我们敲响了警钟1 2 】。这些大面积的停电事件不但造成了巨大 的经济损失，而且危及社会秩序，对整个社会造成了很大的影响。 ( 3 ) 随着国民经济的发展，负荷的需求量较以前有了大幅度的增加，而且还有进 一步增加的趋势，如果仍采用以往的运行方式与电气容量来维持需求不断增多的负荷的 安全、可靠的电力供应，对许多已建成的配电网来说不能不说是一个挑战，在此情况下， 需要有效的方法能够提前发现已有的配电网在运行中可能发生瓶颈效应的电气设备和 配电网网架的缺陷，以便采取补救措施。 凡此种种，均对我国配电网的安全性提出了巨大的挑战1 2 j ，如何反映配电网在事故 后，尤其是灾变性事故后的应变能力、得出事故后的处理方案p j ；以及如何采取必要的 措施，使配电网的安全性得到进一步改善和提高、从而确保其安全稳定运行，是摆在每 个电力工作者面前的重要任务 2 1 。 配电网安全性评价就是通过假想故障，分析故障后果，求出能够反映配电网坚强程 度的量化指标。它是配电网安全研究问题中的核心内容，是建设坚强配电网络以及进行 配电网安全性管理的前提和基础。通过安全性评价，能够及时发现设计、施工、运行管 理中所存在的事故危险性【4 】，提出相应的安全改善措施 能够发现配电网的薄弱环节和 瓶颈设备、预测事故发生的可能性、掌握事故发生的规律，从而可以超前控制事故，防 止事故的发生，提高配电网的安全运行水平。因此，配电网安全性评价已越来越为人们 所关注。 1 2 国内外研究现状 总的来说，安全性评价方法大致有以下两种： ( 1 ) 定性评价 所谓定性评价系指：在对“系统”存在的危险因素进行全面辩识和确认的基础上， 综合评价整个系统危险性的严重程度，即对整个系统的危险程度进行“定性”和“分级” f 5 6 】。定性评价易于操作，并且能够从大体上比较清楚的描述和反映事故的性质，可以达 到相对合理，但是定性评价不够具体、准确，而且不可能建立“系统”危险性严重程度 和“系统”事故概率之间的数字模型，从而也无法确立它们之间的函数关系，并求得“系 统”的事故概率。 ( 2 ) 定量评价 定量评价指通过评价可以利用精确数字( 传统数学) 方法求得系统事故( 一般都是 指特定事故) 发生的概率，并将计算得出的事故概率同规定或预期的安全指标进行比较， 以评价系统的安全水平是否满足要求。定量评价是定性评价的量化表示，而且可以确立 数字模型和函数关系，利用数学方法求得“系统”的事故概率，从而能够具体、准确的 2 1 绪论 反映事故的严重程度。 国外对电力系统安全性的研究起步较早，由于一些电网大面积停电事故的发生，这 项工作得到了进一步的重视和加强。国内安全性评价用在电力生产上是从1 9 9 5 年开始 的【4 l ，并且配电网的安全性研究晚于输电网，因此尚处于自我完善和发展的阶段，由于 缺乏必要的统计数据和行之有效的分析方法，发展较为缓慢。 相对于输电网而言，配电网的网格化程度高、动态元件少，并且与输电网闭环设计、 闭环运行不同，配电网具有闭环设计、开环运行的特点【7 】，所有这些都决定了配电网的 安全性分析不能照搬输电网的准则和控制手段隅l ，而必须采取能够全面反映配电网安全 性的方法和指标，目前常用的分析方法大致有以下几种： ( 1 ) 配电网供电可靠性评估 配电网供电可靠性评估就是根据可靠性工程理论，采用一定的评估方法和评估手段 对配电网的供电可靠性进行定量的预测，并最终求出各个负荷点以及整个配电网的供电 可靠性指标，比较常用的供电可靠性指标有停电频率、停电时间以及供电可靠率等，传 统的配电网供电可靠性评估方法主要有故障模式与后果分析法、最小路法以及最小割集 法等。 供电可靠性评估方法能够得出量化指标，可以在一定程度上反映配电网的在故障及 检修后的应变能力【9 嘲，但是在计算供电可靠性时，一般主要侧重网架结构，而较少考 虑如何通过网络重构策略充分发挥电网的潜力；此外，供电可靠性指标一般是针对配电 网发生局部故障这类小扰动的，而对于高压进线故障导致多座变电站停电、或变电站故 障、或者主变电站的1 0 k v 母线故障这类灾害性事故贝较少考虑。尽管灾害性事故发生 概率较小，但是造成大面积停电的危害极大，有必要对配电网在灾害性事故后的应变能 力进行更加突出的评价。 ( 2 ) 配电网静态安全分析 配电网静态安全分析是对配电网给定运行方式进行预想事故分析，对会引起电气设 备过载等对电网安全运行构成威胁的事故进行警示，从而评估配电网的安全水平，找出系 统运行的薄弱环节。 文献 1 1 1 结合配电网的结构特点，提出了配电网安全分析的( n 1 + 1 ) 和k ( n 1 + 1 ) 准 则，即在一条支路发生故障而切除后，需要先闭合一个开关以对非故障失电区域内的负 荷恢复供电，也就是“断一合一”，由于配电网的变结构特性，这种满足电气和拓扑约 束的恢复供电方案可能不唯一，有k 种方案，通过求出k 值就可以判断配电网是否安 全，并且在k l + 1 ) 准则的基础上。迸一步提出了故障后恢复供电的重构算法。但是基 本属于定性分析，没有形成量化的安全指标【1 2 1 。 文献【1 2 】在文献【l l 】的基础上，提出了较为完整可行的配电网安全性指标，可以定 量的刻画事故后果的严重程度，为配电网静态分析奠定了基础。该指标能够从整体上描 3 西安科技大擘硕士学位论文 述系统安全性的强弱，但是不能反映导致安全性强弱的具体原因。 文献 1 2 1 讨论了配电网静态安全分析方法，定义了配电网静态安全程度、配电网静 态安全率和配电网静态安全减负荷值等指标，但是没有建立针对网架结构的指标。 ( 3 ) 配电网抗灾变性的评价i l 川 为了更全面的评价配电网的坚强性，文献【1 3 】在同时考虑了配电网的网架结构与电 气设备的极限容量的情况下，提出了针对确定性负荷的配电网抗灾变性的指标与评价方 法，采用配电网抗灾变性分析表反映各种故障的影响范围，采用故障后甩负荷表反映各种 故障的影响程度，采用馈线故障关联表列出会造成某条健全线路停电的各种故障，全面反 映了配电网受故障影响的健全区域恢复供电的能力。 为了定性定量的反映出配电网在发生故障时抵御风险和恢复供电的能力，此法从配 电网网架结构和电气设备的极限容量两个方面定义配电网安全指标，分别是：配电网静 态安全率与在故障情况下，发挥了配电网内电气设备潜在的最大容量后不得不甩去的负 荷；配电网架的抗灾变率与紧急状态下由于配电网架结构的限制被甩去的负荷量；配电 网总抗灾变率与紧急状态甩去的总的负荷。 配电网静态安全率：反映故障后，对于给定的网架结构，在确保该配电网安全( 即所 有的电气设备都安全) 的前提下，通过采用网络重构或甩负荷操作，最大限度地恢复受 故障影响的健全区域供电的能力； 配电网架的抗灾变率：该指标能够反映紧急状态下由于配电网架结构的限制所能维 持供电的负荷所占的比例，是配电网网架的坚强性的体现； 配电网总抗灾变率与紧急状态甩去的总的负荷：分别反映紧急状态下综合考虑了网 架结构的限制和电气极限容量限制后所能维持安全供电的负荷所占的比例以及被甩去 的负荷量。 为了能够确切地反映配电网各个区域的网架结构与电气设备容量对配电网坚强性 的影响，该方法采用配电网抗灾变性分析表来说明，即设置某一假想故障，分析该故障 时整个配电网受此影响而计算得到的抗灾变性指标，也就是说，将故障区域的作为行， 将各个配电网抗灾变性指标、配电网在最小区域故障情况下采取的恢复供电措施与故障 情况下甩去的健全区域等作为列，展现某一故障时所评价配电网网架结构的缺陷与配电 网内易产生瓶颈效应的电气设备。 然而，配电网抗灾变性分析表因配电网越复杂使得表格越庞大，容易使人淹没在信 息的海洋。在很多的时候我们对配电网的坚强性的评价都需要对整个配电网有一个整体 性的认识，而该表没有形成一组简洁直观的综合指标，不能够宏观地展现这一点。 此外，配电网在实际运行中，负荷每时每刻都在发生变化，甚至在有的情况下，受 不确定因素的影响，区域间负荷呈非独立性，并且，由于配电网中各区域由于供电设备、 用户类型等因素的不同发生故障的概率也有所不同。为了能够更加真实地反映配电网抵 4 1 绪论 御风险的能力，必须考虑上述情况。 若采用配电网抗灾变性分析表来反映上述状况，不仅表格的行和列不易确定，信息 量庞大，不易从全局方面展现电网安全性，而且由于没有形成概括的综合指标，缺乏总 体评价也不利于指导配电网的规划和改造。 1 3 本文研究的目的及所完成的工作 综上所述，配电网安全评价的研究具有巨大的理论价值和现实意义，前人对此进行 了大量的探索，并且已经取得了许多重要的成果。但是仍存在许多的不足： ( 1 ) 现有的安全评价指标往往要么侧重于考虑配电网网架结构，要么侧重于考虑 电气极限容量的限制，没有系统地将二者结合起来深入考虑。由于配电网在运行过程 中发生故障时，其抵御风险的能力不仅与网架结构有关且与电气设备的极限容量也有 关，仅侧重考虑其中一个因素对配电网安全性的评价不够完整、全面。并且，在考虑网 架结构对配电网安全的影响时，对类似高压进线、变电站等很少发生故障的区域往往考 虑得很少或者不加考虑，而这类区域虽然发生故障的概率非常小，但是发生故障后往往 造成大面积停电，后果比较严重。因此忽略上述因素而得到的安全评价结果对实际情况 的刻画不够准确。 ( 2 ) 文献 1 3 1 所提出的配电网抗灾变性评价虽然兼顾考虑网架结构与电气极限容量 这两方面因素，且对高压进线、变电站和主变压器等小概率故障区域加以考虑并建立了 相应的抗灾变指标，但是没有将不同种类的配电区域发生故障的权重区别对待，然而由 于配电网在在实际运行中由于各类配电区域中负荷的性质不同、区域属性不同以及气 候、温度等因素的影响不同，使得各类区域实际发生故障的可能性有所差别，忽略这种 区域之间的差别必然会造成评价结果不够真实。 ( 3 ) 文献 1 3 1 提出的抗灾变性指标，是建立在确定的代表负荷的基础上的，但实际 上，负荷是时时变化的，并且配电区域之间的负荷往往呈现一定的相关性，负荷的变化 直接影响到配电网抗灾变性能力，如果仅采用代表负荷去评价配电网安全与否的话，只 能展现配电网在特定情况的抗灾变能力，不能够全面展示配电网的坚强性。 ( 4 ) 文献【1 3 】采用表格形式反映配电网局部故障时的抗灾变能力，没有形成概括指 标，缺乏总体评价且信息量庞大，不利用于电网的规划、建设和改造。 针对以上不足，为了便于电网的建设、规划和改造，本文总结和继承了前人的成果 及经验【1 卯，对配电网的特点和现状进行整体分析并综合考虑影响评价指标的各种因素 后，建立了配电网的抗灾变性评价指标，主要工作有： ( 1 ) 基于文献 1 3 1 ，增加考虑区域故障权重，综合考虑了高压进线、变电站、主变 压器、母线、馈线段这五类区域发生故障的可能性，并采用层次分析法对故障权重进行 确定，建立考虑权重的配电网抗灾变性评价指标。 5 西安科技大擘硕士学位论文 ( 2 ) 基于文献 1 3 】，充分考虑负荷的变化和区域间负荷的相关性的情况并加以处理， 建立考虑负荷变化的配电网抗灾变性指标。 ( 3 ) 基于文献 1 5 1 6 1 ，实现在故障和过负荷情况下，以甩负荷总量最小为目标函 数，以配电网中各个元件的电气极限容量等为约束条件的配电网络重构算法【l “，并应用 到配电网抗灾变性综合评价分析中。 ( 4 ) 采用多个算例进行了测试和验证。 ( 5 ) 综合前4 项工作，采用v c + + 6 0 实现综合考虑通过配电自动化进行重构条件 下的考虑多种影响因素的配电网抗灾变性评价应用软件。 6 2 配电网的简化模型及英改进 2 配电网的简化模型及其改进 建立模型是进行配电网抗灾变性评价的前提和基础，只有在建立了模型之后，才能 利用数学方法对配电网的抗灾变性进行分析，得出比较准确的量化结果。 本文基于简化模型13 1 明对已提出的配电网的简化模型进行改进和补充，并进行相应 的处理。 2 1 模型的建立 2 1 1 简化模型 文献 1 8 ，1 9 】提出了一种基于图论的配电网简化模型，将开关看作是节点，将馈线段 看作是边，采用电流代表负荷，具体地： ( 1 ) 定义n 行5 列的网基邻接表d t 反映网架结构，其中的元素西l 描述节点i 的 类型，其取值可以为l 、2 、3 、4 或5 ，分别表示该节点是源点( 1 0 k v 出线开关) 、开关 节点、t 接点、末梢点或母线节点。如描述节点i 是否过负荷，若过负荷则d 庐1 ，否则 d a = o 。d a d , 5 描述和各节点邻接的节点的序号，如果节点h 和节点毗、和h 相邻接， 则如= 毛d t 4 = m ，d , s = n ，在d t 中的空闲的位置填一l ；对于母线节点，d & 、幽和如没 有任何含义，而在而中描述反映母线相邻节点序号的数组的地址( 指针) ，母线节点数 组的第1 个单元存放母线相邻节点的个数，以后各个单元分别存放各个相邻节点的序号。 ( 2 ) 定义n 行5 列的网形邻接表c t 反映当前的运行方式，其中的元素白l 描述节 点f 所处的状态( 一般的，源点、t 接点和母线节点均认为处于合闸状态；联络开关节 点和末梢点均认为处于分闸状态) 。l 表示合、0 表示分。对于除过母线节点之外的其他 节点，铌和旬分别表示以节点f 为终点的有向边( 即“弧”，其方向为相应馈线段上潮 流的方向) 的起点序号，“和描述以相应的节点为起点的弧的终点序号；在c t 中的 空闲位置填一l ；对于母线节点，锄、铴和没有任何含义，而在铌中描述母线的入点的 序号，在“中存放母线数组的地址( 指针) 。 ( 3 ) 定义n 行4 列的负荷邻接表工l 则l j l 表示流过节点( 开关) f 的负荷；l a b i a 分别表示以节点f 为端点的边( 馈线段) 供出去的负荷，在l t 中的空闲位置填一l 。负 荷邻接表l t 中的元素的顺序和网基结构邻接表d t 的第三列至第五列对应的边的顺序 一致。 ( 4 ) 定义n 行4 列的额定负荷邻接表e l 以反映各个节点和边所代表的元件的电 气极限参数，其中e l i 描述节点i 的额定负荷；p t 2 p i 4 描述以相应的节点为端点的边的额 定负荷：在e t 中的空闲位置填o 0 1 ( 这样作是为了在计算时不至于使分母为o ) 。额定 7 西安科技大学硕士学位论文 负荷邻接表e r 中的元素的顺序和网基结构邻接表d t 的第三列至第五列对应的边的顺 序一致。 ( 5 ) 定义n 行4 列的归一化负荷邻接表工。l 以反映负荷的相对轻重程度，即： 厶l ，= 。，b 。， ( 2 1 ) 若厶r 中某个元素大于1 0 ，则表示相应的节点或边过负荷。 2 1 2 对简化模型的补充 本文沿用上述模型的简化方法，并对该模型进行补充，根据配电网抗灾变性评价， 增加节点类型，并补充相关的数据结构。具体地： ( 1 ) 将n 行5 列的网基邻接表d t 中的元素西l 的取值从0 、l 、2 或3 ( 分别代表 该节点是普通点、t 接点、源点或末梢点) 改进为1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 或8 ，分别 表示该节点是源点、负荷节点、t 接点、末梢点( 负荷点) 、高压进线节点、母线节点、 变电站节点和主变压器节点。其它元素不作改动； ( 2 ) 补充n 行5 列的网形邻接表c t 中的元素铌的含义，描述高压进线、主变电 站、主变压器和母线的入点序号，“存放上述节点数组的地址( 指针) ； ( 3 ) 定义5 行5 列的互反型矩阵丑反映配电网内各类区域发生故障概率的相对可 能性大小，局i 表示第i 类区域相对第j 区域发生故障可能性的大小，对角线元素为l ， 如果所评价的配电网内不含有某类区域，则该类区域对应的行中元素全部为0 。 ( 4 ) 定义5 行1 列的区域故障权重邻接表w t 反映各类区域发生故障的概率。 ( 5 ) 定义区域间相关系数矩阵胄畈映各区域间负荷变化的相关性，置死表示第价 区域相对鼻移个区域的负荷变化的相关性的度量值大小。对角线元素为l ，如果i ，两个 区域间负荷变化没有相关性，n r 死= o 。 2 2 模型的基本处理 2 2 1 连通系及其分解 文献【1 8 】定义：在配电网中，不考虑源点间由母线构成的联系时，具有潜在连通关 系的子系统称为连通系【l 硼，连通系取决于网架结构而与运行方式无关，根据某个配电网 的网基邻接表d t 可以搜索出其各个连通系。 连通系的分解可基本沿用文献【1 8 】描述的方法。 在发生故障时，受影响的健全区域内的负荷可以转移到同一个连通系中的其他电源 点上，而不同连通系中的负荷则不能相互转移。因此对于配电抗灾变性的分析可以分连 通系进行，这样可以大大减少计算量。 8 2 配电网的筒化模型及其改进 2 2 2 最小配电区域及其分解 沿用文献 1 8 1 定义：将配电网看作是由若干个区域组成，区域是指相互连通的若干 弧构成的子图。潮流流入区域的端点称为该区域的入点，其余端点称为出点。 如果一个区域的所有端点都是开关并且没有内点或者所有内点都是t 节点，则称该 区域为最小配电区域，简称区域。 在配电网的初始状态下( 正常运行方式) ，将配电网按文献【1 8 】的方法进行最小配电 区域分解后保存其结果并对各区域编号，所有的分析及计算都以此为基础。所以，最小 配电区域的分解只需要进行一次即可。 2 2 3 区点变换及点区变换 考虑到本文进行抗灾变性综合评价是以最小配电区域为单位进行，在评价过程中需 要区域负荷与流过节点的负荷之间的变换，基于文献 1 8 1 对点弧变换和弧点变换的改进 如下： 在配电自动化系统中，一般都在配电开关处安装f t u ，因此可以量测流过开关节点 的负荷，计算出区域的负荷。 已知流过各个节点的负荷，根据网型结构邻接表c t 和最小配电区域分解的结果可 求出各区域供出的负荷，这个过程称为点区变换，对于以h 为入点的最小配电区域帆 坳，均，其负荷v l ，v j , ，叼可表示为： ，_ ，唯) = 屯一0 ( 2 2 ) h t d 式中确该最小配电区域的出点的集合。 根据各区域供出的负荷，可求出流过各个节点的负荷，这个过程称为区点变换，对 于节点，其负荷取) 可表示为： 帆) = ，( ) ( 2 3 ) - 卢 式中局黾节点h 的所有下游区域的集合。 2 2 4 区域负荷间的相关关系 配电网在运行过程中，负荷时时在变，区域间的负荷受各种因素影响也呈一定的相 关性，为全面反映配电网抗灾变性能力需要对区域负荷之间的关系进行相关性处理。对 相关性的处理，关键在于确定区域负荷之间的相关系数，本文根据历史数据来确定相关 系数： 第一步：根据f 1 u 上报的流过开关节点的负荷利用式( 2 2 ) 算出各个区域的负荷， 9 西安科技大擘硕士学位论文 并形成历史记录，同时记录天气状况数据。 第二步：根据历史负荷记录和天气预报预测各个区域的负荷在各种条件下的未来负 荷的数字特征( 包括均值和方差) 。 第三步：根据第二步确定的两两区域负荷的数字特征( 均值u 和方差一) 计算区 域x 和区域y 的负荷相关系数如。 研( x 一，y 一声，) 】 岛2 了矿 v v ，、v ( 2 4 ) 式中，儿、p ，和q 、o ，分别表示区域x 和区域y 的历史负荷的均值和方差。 2 2 5 故障设置 故障设置就是在初始状态( 正常运行方式) 下，假设最小配电区域发生故障。 将所设故障周边相邻的可分断节点( 开关) 断开，就隔离了故障。 设置故障后，可以根据开关状态变化的真实情况，通过改变初始状态的网形邻接表 c t 第一列中对应元素的值虚拟开关的状态变化并进行网络拓扑i 瑚。 2 2 6 网络拓扑 故障后，系统的运行方式以及潮流方向会发生改变。网络拓扑就是根据配电网架结 构( d r ) 和开关的当前状态( c r 第一列) 求出配电系统的运行方式( c t 其余各列) 的过程，网络拓扑跟踪完成后，c t 中的非0 元素反映得到供电的有向边，其方向就是 潮流的方向。 网络拓扑可基本采用文献【1 8 】描述的步骤，高压进线、主变压器、变电站和母线节 点不参与( 因为事先已经定义好了) 。 2 2 7 负荷直接转移 故障后，在连通系内，合上联络开关就可将受影响的健全区域的负荷直接转移到健 全电源点上： 没有联络开关，该连通系内受影响的健全区域由于网架结构的限制，不可恢复。 连通系内有一个联络开关，将其虚拟合闸：若转移负荷后配电网内无节点过负荷 负荷得到新的运行方式，若负荷转移后存在过负荷节点则进行网络重构。 2 2 8 网络重构 实际运行中，当配电网内某一区域发生故障时，可切换的联络开关往往不止一个， 并且转移负荷后某些元件可能会超过其电气极限容量和静态安全程度的约束，致使简单 1 0 2 配电网的简化模型及其改进 的恢复策略是不合理甚至是不可行的【1 6 1 ，因此，考虑配电自动化，进行网络重构1 6 , 2 1 2 4 1 ， 以此得到的配电网抗灾变性指标能够更加真实反映现代配电网的坚强性。 鉴于本文的目的是求取网络最佳运行方式下的配电网抗灾变指标，网络重构的目标 是：故障情况下甩负荷量最小，也即配电网抗灾变性最强。 网络重构的约束条件是： ( 1 ) 配电网的连续性约束条件；指网络重构后，配电网中不能存在没有电力供应 的孤立节点( 即“孤岛”) 。 ( 2 ) 配电网的辐射状约束条件：指网络重构后，配电网的拓扑结构必须为辐射状， 不能有环网出现。 ( 3 ) 负荷节点的电气极限容量和配电网静态安全程度约束条件：指网络重构后， 负荷的重新分配不能引起配电网中的元件过负荷。 具体重构方案参见文献 1 6 - 1 8 】，不再赘述。 西安科技大学硕士学位论文 3 配电网抗灾变性评价指标与改进指标 3 1 已有的配电网抗灾变性指标 3 1 1 配电网的静态安全程度 考虑到负荷的不确定性，在文献【2 5 - 2 7 】中提出了不安全概率p d 和风险系数 ，d 等反 映该电气设备的静态安全程度的指标。 ，b 为流过的负荷超过安全极限编。的总概率，如图3 1 中所示，b 等于阴影部分 的面积： 昂= i ，p ( i ) d i ( 3 1 ) p 式中：烈f ) 为负荷的概率分布，为安全系数( 一般可取o 8 0 加9 0 ) 。 风险系数k d 可定义为 l ，i p ( 0 d i 如= 生 ( 3 2 ) 芦皿1 假设流过某电气设备的负荷的( 1 - t x ) ( 典型为9 5 ) 置信区间为【p o l ，呵h 】， 则根据负荷的概率密度与安全极限7 1 m a x 的关系，可对应图3 1 所示的4 种安全状况： ( 1 ) 当，什o h 商。时，硒= o ，电气设备安全； ( 2 ) 当砂咿，。且虾届。时，电气设备有安全风险，且硒越大风险也越大； ( 3 ) 当胪珏。且胪口l 竭。时，电气设备很不安全，且硒越大越不安全。 删厂夕 l 肛盯l p旷o h t i m ( a ) 安全 刑 厂该i p o l 斗鸭。岣 彻有风险 3 配电网抗灾变性评价指标与改进指标 鲋揿i p 何 励! 帅诅l m 肛t t + o xi i hi t l lt tt t + o n ( c ) 不安全( d ) 很不安全 图3 1 电气设备的几种安全状况 对于确定性负荷的情形，式( 3 2 ) 可以表示为： 2 老 根据j 岛的取值，可以分为5 种安全状态，如式( 3 4 ) 所示。 岛= 1 2 ：很不安全 1 0 一1 2 ： 不安全 0 9 1 0 =有风险 o 7 o 吼 安全 0 0 o 7 ： 很安全 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 对于配电网，只有当其所有的电气设备都安全时，才认为该配电网是安全的。我们 用配电网中最不安全的电气设备的静态安全程度指标反映该配电网的静态安全程度。 3 1 2 配电网架的抗灾变性指标及参数 在文献【1 3 】中，配电网架抗灾变率指标日定义为； 日= 厶厶 ( 3 5 ) 式中岛为故障影响的总负荷，。为不考虑电气设备的极限容量、从网架结构上能够转供 的负荷。 故障后因网架结构的原因而被甩去的负荷越h 为 址。= 岛一k ( 3 6 ) 3 1 3 配电网的静态安全率 对于给定的网架结构，当发生故障时，在确保配电网安全( 即所有的电气设备都安 全) 的前提下，通过采用网络重构或甩负荷操作，最大限度的恢复受影响的健全区域供 电，用表示在确保配电网安全前提下( 即电气设备不过负荷) 可恢复的负荷。定义配 1 3 西安科技大学硕士学位论文 电网的静态安全率指标r 为n 3 】； r = 上b l o ( 3 7 ) m - r = 乞一岛 ( 3 8 ) 配电网静态安全减负荷值定义为：在充分发挥已有配电网潜力后，为了确保配电网 安全所必须甩去的负荷。r 和a 朋较好的描述了紧急状态下从配电网中电气设备的角 度，配电网所能维持的供电的负荷所占的比例和必须甩去的负荷量。 r 和a 厶r 与能够接受的配电网的安全程度有关，在风险系数硒下，震和a 厶r 分别 表示为胄( ) 和a l r ( k o ) 3 1 4 配电网的总抗灾变性指标 在文献【1 3 】中，定义综合反映配电网的各个电气设备的容量限制以及配电网网架结 构本身限制的配电网的抗灾变系数x 为： k = 舰 ( 3 9 ) 定义紧急状态下甩去负荷值业r 为 a 乓= a l n + 岛 ( 3 1 0 ) 足和a 厶k 反映了紧急状态下考虑网架结构的限制和电气极限容量限制后所能够维 持的供电的负荷所占的比例以及被甩去的负荷量。 3 2 改进后的配电网抗灾变性综合指标 上文中所述已有的配电网抗灾变性指标，可以清楚地展示出单个故障时对配电网的 影响和恢复供电的措施。 然而在很多的时候我们对配电网的坚强性的评价都需要有一个整体性的认识，配电 网抗灾变性分析表没有形成一组简洁直观的综合指标，不能够宏观地展现这一点。实际 上，负荷每时每刻都在发生变化，负荷的大小对抗灾变性评价结果有直接的影响，对于 这一点，已有的评价指标没有做出考虑。 为了对配电网的抗灾变性进行综合评价，本节在文献0 3 1 所定义的基础上，在以区 域为单位设置假想故障对配电网进行抗灾变性综合分析时，主要从以下两个方面对已有 的抗灾变性指标进行改进：不同区域发生故障的概率不同；配电网内负荷存在不确定性 和区域间负荷存在相关性。 在评价方法上，本文结合配电自动化条件，对配电网进行抗灾变性综合评价。 3 2 1 考虑故障权重的配电网抗灾变性指标 当区域中任一元件故障时，必然会造成整个区域停电。区域是故障的最小范围，可 1 4 3 配电网抗灾变性评价指标与改进指标 以区域为单位进行配电网抗灾变性评价。而各区域由于供电负荷的种类、地理位置、气 候温度、设备状况等因素的不同，使得区域发生故障的概率大小也不同，对配电网抗灾 交性评价指标的影响也必然不同，如果一概而论的认为每个区域发生故障的概率都相同 的话，得出的评价结果是不够客观的，因此有必要考虑区域发生故障的概率对抗灾变性 指标的影响。把区域发生故障的概率称为区域故障权重，简称权重。 由于配电网的区域较多，如果直接求取每个区域的故障权重，会产生很高阶次矩阵， 致使计算过于复杂。本文基于层次分析法，先将区域分为若干类，求出每一类区域的故障 权重，进而得出每个区域发生故障的平均概率。 配电网由高压进线、变电站、主变压器、母线和馈线段等组成，因此将配电网的区 域分为5 类：高压进线区域、变电站区域、主变压器区域、母线区域和馈线段区域。那 么相应的故障类型也可分为高压进线区域故障、变电站区域故障、主变压器区域故障、 母线区域故障和馈线段故障。 、 对一个配电区域进行某种故障设置，是通过将相应区域周边的开关设置为分闸状态 ( o ，- o ) 并且闭锁在分闸状态( d 庐1 ) 来实现的，因此可以用被进行了上述设置的开关 的集合来表示一种假想故障。例如，对于第i 类区域假想故障，记做：z = 仉，唯) ， 其中，k ，唯为被设置为分闸状态并且闭锁在分闸状态的节点的序号。 定义区域假想故障集合f = ( 石，m ) ，( 正，w ：) ，( 工，峨) ) = i f ，w 】反映各种假想故障 ，及其权重w ，s 指的是所要进行判断的因素的个数，在本文中表示故障区域种类的个 数，由于在本文中将配电网内区域分为5 类，则s = 5 。采用向量表示各类区域的故障权 重，记为： 形； m ，w z ，一峙) 下面介绍层次分析法确定区域故障权重的步骤： ( 1 ) 权重缈综合了分析人员对于第i 种故障的侧重程度，它反映了对第i 种区域故 障发生可能性( 概率或风险) 的主观认识，因为客观地预言某种故障发生的概率不容易， 所以采用模糊语言算子与模糊标度之间的对应关系，对各种假想故障之间的二元比度关 系进行度量统一化及数值化1 2 8 , 2 9 1 ： 把各种假想故障发生的相对可能性大小的二元比度关系根据语气程度模糊地划分 为多个等级，比如9 个等级、7 个等级或5 个等级，分别称为九标度法、七标度法或五 标度法。 以五标度法为例，即：把各种假想故障发生的相对可能性大小的二元比度关系根据 语气程度模糊地划分为5 个等级，使其与如表3 1 所示的7 1 7 等5 个数字相对应。 1 5 西安科技大学硕士学位论文 表3 1 五标度表 模糊标度 73l1 31 7 ( 2 ) 构造5 x 5 判断矩阵： b ； b f lb 1 2 b 2 | b 2 2 b 5 lb 5 2 b 1 5 k _ b 5 ， ( 3 1 0 ) 式中，为第f 种区域假想故障与第，种区域假想故障相比发生的可能性比度关系。矩 阵口中的元素满足下列性质： 6 i 。= = = 屯，= l ( 3 1 1 a ) 瓯6 。= l ( 3 1 1 b ) 故称其为互反型矩阵。 ( 3 ) 确定各类区域的故障权重缈 在得到矩阵口的基础上，可以进一步求取各种假想故障的权重，常用方法有： 采用方根法权重： 形= “，w 2 ，m ) t = 采用行和归一法求权重： = ( w i ，w 2 ，) 7 = ( 3 1 2 ) 舞5 蚤5 i ，鞘7 s ， =- lj - i lr 11 1 、 1 r 一，1 广 1 ；一f v 7 毛i 采用乘幂法求权重： 该方法是求矩阵最大特征值五。及其对应的特征向量n 然后对该特征向量作归一 化处理，即为各种假想故障的权重向量，具体步骤参见文献【2 8 】： 第1 步：给定特征向量初值一( v o 。，) ，并求l l v o l l ，七= o 。 1 6 篮瓶篮瓶篮瓶 3 配电网抗灾变性评价指标与改进指标 第2 步：利用迭代公式( 3 1 4 ) 求特征向量k 。 兑= k 6 k k( 3 1 4 ) i k 。= 甄 。 第3 步：若l l l v , + 。一l 畋 占则i 畋+ 。壮即为最大特征值五。，吒+ 。为对应的特征向 量；否则k = k + l ，返回第2 步。 将圪+ 。进行归一化处理后，得到各种假想故障的权重向量为： = 吒+ l j唯+ l j唯+ l ， 1 一，1 一，一，1 一 。j u。 i - 1l - is - i ( 3 i s ) 用乘幂法求目标权重时可以控制和提高精度，尤其采用事后估计法，直接利用前后 两次迭代结果k 和p 0 。的无穷范数l 畋i l 和8 圪+ 。k ，即可进行误差估计若把由方根法或 行和归一法求得的目标权重矿= ( 嵋，叱) 1 作为乘幂法的迭代初始值 = 瓴。，) 7 ，则可大大减少迭代次数。 采用上述方法求出权重向量后，为保证求出的各种假想故障的权重向量的准确与合 理性，还必须进行一致性检验f 3 0 j ，对于互反型二元比较矩阵丑，可以用 c i = ( 九。一m ) ( m 1 )( 3 1 6 ) 式中，m = 5 。 计算一致性指标a ，若a = o ；则该矩阵具有完全一致性，否则需进行随机一致性 指标，可查平均随