安全距离理论下计及故障恢复的智能配电网随机规划

研究背景

随着规划用地通道资源日益紧张，取得因新选站址和线路走廊而占用的土地资源越发困难，导致新建成本大幅提高。另一方面，配电网层面正大量接入以风电和光伏为代表的分布式电源，由于分布式电源出力具有明显的间歇性和波动性，大大增加了其供电区域范围的不确定性。

近年来，配电网已普遍由传统单电源多支路的辐射状结构扩展成为主变站间充分互联的环状结构。在此基础之上，随着配电自动化和配电管理技术在中压配电网中的广泛应用，馈线所带负荷信息可通过馈线终端装置快速获得，远程开关控制也将变得更加迅速，使得配电网具有了可随外部环境的变化快速实现负荷转供和故障恢复的能力。因此，快速网络转供能力的具备对配电网规划问题提出了新的要求。

1研究存在的问题

1)受传统规划措施的限制，所得规划方案未必能在保证安全可靠供电的前提下实现经济上的最优。

2)现有模型仅包含了分布式电源出力、负荷波动、馈线故障等不确定因素，未考虑主变故障，不确定性的内涵亟待完善。

3)在应用N-1安全准则进行配电网规划时，未能计及配电网主变站间互联对故障负荷的转供约束，对配电网供电能力的挖掘也不够充分。

2基于安全距离的配电网N-1安全性分析

1)静态安全距离

配电网安全域定义为所有满足N-1安全准则的工作点的集合。其中，工作点是由馈线出口功率组成的n维向量。

配电网安全边界是由所有恰好满足N-1安全的临界工作点所组成，具体可通过N-1仿真拟合算法得到。

工作点在配电网安全域中的位置可以反映系统N-1安全性，并利用静态安全距离来量化反映这一数据。对于馈线Fk，静态安全距离定义为工作点延轴向Fk到所有有效安全边界的最短距离。

2)N-1安全裕度指标

最小安全距离VSSD：各条馈线安全距离的最小值。

安全距离均值VMSD：各条馈线安全距离的平均值。

安全距离均衡度VEDSD：各条馈线安全距离的标准差。

安全距离均衡比VERSD：安全距离均衡度和安全距离均值之比。

3配电网随机扩展规划模型

该优化问题描述为：综合考虑系统故障和分布式电源出力及时变负荷带来的不确定性，采用机会约束规划方法，以总成本现值最小为目标函数，寻求满足安全距离、节点电压和辐射运行等约束条件的配电网规划方案。

1)总成本现值

包括馈线改造成本、新建联络线成本、新建馈线成本、变电站扩容成本、新建变电站成本、分布式电源运行维护成本现值、配电网向上级电网购电成本现值和碳排放成本现值。

2)约束条件

包括潮流方程约束、安全距离约束、节点电压机会约束和辐射状结构约束。

3)优化模型求解

分析上述配电网规划模型，其属于含有多个决策变量的非线性混合整数规划问题，具有数据量大、难以寻优的特点。为此，本文采用模糊C-means聚类法联合动态小生境差分进化算法的混合算法对其进行求解，该算法克服了差分进化算法在初期搜索速度快，后期易陷入局部最优点的缺点。

4部分仿真结果分析

由图1可以看出，馈线F2、F6和F13的安全距离在规划前为负值，而经过本文所提方法规划后，各条馈线安全距离均为正值，这表明在不新增线路或变电容量的前提下，仅通过改造馈线，就能借助网络转供能力满足对负荷的安全可靠供电，从而在有效推迟电网建设的同时，实现对配电网供电能力的挖掘。此外，相比于规划前，虽然规划后的总成本现值大了68.4万美元，涨幅达2.3%，但是安全距离均衡比小了0.18，降幅多达19.6%，因此，本文规划方案有助于综合改善配电网的经济性和安全性。

图1规划前后的各馈线安全距离情况

本文规划和设计导则规划的结果如表1所示。由表1可以看出，本文规划方案的容载比较导则规划方案降低0.5，降幅达23.9%，说明本文规划方法有助于提高资产设备利用率，充分发挥配电网的供电潜力。对比两种规划方案经济性指标中的各部分成本，配电网的运维成本占总成本的比例均最大，说明对于本算例，上级电网依然是电力供应的主要来源。此外，相比于导则规划，虽然本文规划方案的运维成本略有增加，但是由于投资成本大幅下降，导致规划总成本相对较小，经济性更优。分析其原因是由于导则规划方案需在现状配电网的基础上新增2台主变和6条馈线，此举将会投入新设备并征用规划用地通道资源，使得规划的投资成本大幅提高，相较之下，本文规划方案仅需对馈线进行改造，通过优化网架结构和新增负荷接入方案就能实现对负荷的安全可靠供电，节约了大量投资。

表1本文规划与导则规划的结果对比

由图1和表1可以看出，相比规划前，导则规划方案的安全距离均值增大，说明新建馈线和新增变电容量可以提高系统安全裕度的平均水平。对比两种规划方案的安全性指标，最小安全距离均为正值，说明两种规划方案均能实现故障负荷安全转供。另外，相比导则规划，本文规划方案的安全距离均衡比减小0.078，降幅达9.4%，可见本文规划方案安全性更好。

5总结

本文综合考虑分布式电源出力、负荷波动和元件(如主变、馈线等)故障等不确定因素，基于机会约束规划理论，以总成本现值最小为优化目标，建立了基于安全距离的配电网随机规划模型。算例仿真结果表明：

1)本文规划模型可提升系统应对N-1故障的能力和实现故障后的零失负荷转供，使得网络具有了较强的自愈性特征，适用于对安全裕度和可靠性水平要求较高的配电网规划。

2)相比于导则规划法，本文规划方法能在保证对新增负荷安全可靠供电的前提下，实现对规划方案经济性和安全性的全面优化。

需要指出的是，本文方法所需的快速网络转供能力必须建立在环网状拓扑结构及中压配电自动化普及的基础上。所提方法更适用于负荷增长平缓的城市建成区配电网近期规划(3～5年)。下一步还需研究与中长期规划目标网架的结合;提出考虑网络转供能力的含储能配电网扩展规划方法;深入分析主动管理模式对配电网规划方案的影响。(刘佳，程浩忠，徐谦，兰洲，马则良，张建平)