有源配电网的全象限安全域

肖 峻, 祖国强, 周 欢, 林启思

(智能电网教育部重点实验室(天津大学), 天津市 300072)

有源配电网的全象限安全域

肖 峻, 祖国强, 周 欢, 林启思

(智能电网教育部重点实验室(天津大学), 天津市 300072)

针对有源配电网,提出了全象限配电系统安全域(TQ-DSSR)的概念与模型,并观测归纳城市配电网TQ-DSSR的拓扑特性。首先,讨论了有源配电网的正常运行约束与N-1安全性,再进一步建立TQ-DSSR模型。其次,观测TQ-DSSR的二维截面,与传统配电系统安全域(DSSR)对比发现,最显著的区别是TQ-DSSR由单象限域变为全象限域。对于以供电功能为主的城市配电网,TQ-DSSR的形状与DSSR相同,可能呈现五边形、梯形、矩形或三角形,但斜边与坐标轴在域方向夹角不只为45°,还可能为135°;TQ-DSSR最安全点为分布式电源出力最大且负荷空载工作点,不再是传统的零负荷坐标原点;TQ-DSSR状态空间中的安全性满足广义单调减性,即当割集净负荷增加时安全性降低或不变。TQ-DSSR模型反映了有源配电网中节点与支路潮流均有反向的基本特征,为后续考虑储能、微网与负荷响应等元素的完整智能DSSR奠定了基础。

有源配电网; 全象限配电系统安全域;N-1安全; 模型; 拓扑特性

0 引言

当前全球能源安全与环境污染问题严峻,高比例可再生能源并网将成为未来配电系统的重要特征。限制“高比例”的瓶颈是系统的安全性,而找到系统的安全边界是突破这一瓶颈的有效方法。

配电系统安全域(DSSR)定义为状态空间中所有N-1安全工作点构成的封闭集合[1]。“域”能够刻画系统安全运行的边界,提供可视化的全局安全信息[2],避免逐个元件的N-1仿真校验,大大提升安全分析速度,有利于实时安全监控和预防性控制;基于域的形状等指标可优化网架结构及分布式电源(DG)等新元件的选址定容。现有DSSR研究针对无源配电网,即系统所有能量均来自上级输电网。文献[1]提出了DSSR定义并证明DSSR的存在性;文献[3-4]提出了DSSR的观测方法;文献[5-6]建立了DSSR数学模型;文献[3,7]分析了DSSR的拓扑性质;文献[8]提出了DSSR的超体积;文献[9]将DSSR应用于实际配电网运行。上述研究初步形成了DSSR的理论体系。

未来智能配电系统将包含DG、分布式储能、主动负荷等多种新元件,传统的无源配电网将转变为有源配电网,系统的运行环境更为复杂[10]:节点功率同时存在流出和注入,支路潮流由单向转为双向;系统功能由单纯供电转为供电和DG消纳的综合服务。这种背景下,本文认为安全域将从第Ⅰ象限[3]扩展到任一象限,成为全象限配电系统安全域(TQ-DSSR),此时DSSR的模型、性质等也将发生很大变化,需发展新的配电安全域理论与方法。

为此,本文提出TQ-DSSR的概念,以反映有源配电网节点功率与支路潮流均出现反向的基本特征;再通过算例观测归纳TQ-DSSR的新拓扑特性。

1 研究场景与基本假设

未来智能配电系统的一个最主要特征是节点功率与支路潮流出现反向,带来这一特征的主要新元件就是DG。因此本文研究对象选择为只含DG的简单有源配电网,其目的是聚焦双向潮流特征。

1.1 研究场景

本文研究场景如下。

1)主要针对城市电网,负荷密度高,供电半径较短,馈线普遍具有联络,普遍实现配电自动化,负荷能通过馈线转带。

2)输电系统仍是配电系统的一个主要电源,配电系统功能以负荷供电为主、DG消纳为辅,前者具有更高的安全性和可靠性的优先级。

3)DG总容量小于所在馈线容量,这与配电网设计准则一致[11-12];负荷总体用电量大于DG发电量。虽局部时间可能出现部分馈线功率倒送到变电站10 kV母线,但不越过主变压器。

4)配电网和DG均具备调压能力,节点电压既不会随DG渗透率升高而越过上限[13],也不会因为DG出力变化而出现较大波动[14]。

5)N-1后考虑DG存在脱网、并网、孤岛三种运行模式[15]。

1.2 基本假设

根据研究场景,本文模型做出如下假设。

1)设节点功率从电网流出方向为正(如负荷),注入为负(如DG);支路潮流由变电站10 kV母线流向馈线末端为正。

2)采用直流潮流计算。由于城网线路不长、网损比例较小,因此简化考虑网损,计算所得馈线出口潮流包括网损[16];电网和DG均具备调压能力,节点电压不难保持在安全范围内,因此忽略电压约束[16]。基于交流潮流的DSSR研究也表明[17],简化考虑网损和电压约束的DSSR误差不大,可满足城网需求。因此,现有配电网安全分析[15,18-19]、DSSR以及供电能力的研究[15,20]大都采用直流潮流。

3)仅考虑N-1安全性,馈线故障只考虑发生在馈线出口。以负荷供电为主的场景下,馈线出口故障仍然是最严重故障[1,6]。这也沿用了现有配电网规划、安全分析以及DSSR计算的假设。

4)故障集不包含DG本身故障。原因是单个DG容量相对馈线总负荷较小,其退出运行对安全性影响很小。

5)对于多联络接线模式,故障区负荷由具有联络关系的多条馈线均匀转带[6-7,19],该方案易于实现最大的N-1馈线负载率[19]。

2 有源配电网的安全性

安全性涉及工作点、正常运行约束与N-1安全约束,是建立安全域模型的基础,因此先进行讨论。

2.1 工作点与状态空间

工作点需要完整唯一地反映系统状态,将其定义为配电系统正常运行时所有非平衡节点净功率构成的向量。在辐射结构配电网中,平衡节点为馈线首端节点。当支路潮流依赖于节点功率时,向量元素简化为负荷或DG的功率。设系统非平衡节点数为n,工作点W表示为:

W=[P1P2…Pi…Pn]

(1)

(2)

式中:Pi为节点i净功率;PL,i为负荷i功率;PDG,i为DGi功率;L为所有负荷节点的集合;G为所有DG节点的集合。

实际运行时,节点功率受到配电变压器或DG容量约束而保持在一定允许范围内。设节点功率流出为正,则

(3)

式中:上标max表示最大值。

所有节点容量允许范围内工作点组成的一个有界集合,称为配电系统的状态空间,记为Θ。

2.2 有源配电网的正常运行约束

本文采用直流潮流假设,简化网损和电压约束,此时配电网潮流可简化为功率平衡方程,即线路潮流等于其下游所有节点净功率的代数和[15,19,21]。

1)正常运行线路容量约束

(4)

式中:PB,i为线路i功率;ΩB,i为线路i下游所有节点集合;cB,i为线路i容量;B为所有线路的集合。

由于线路存在双向潮流,式(4)绝对值符号不能省略;传统配电网包括纯集电配电网[22]只有单向潮流,因此线路容量约束不等式无绝对值符号[1,6]。

2)正常运行主变压器容量约束

(5)

式中:PT,i为主变压器i的功率;ΩT,i为主变压器i下游所有节点的集合;cT,i为主变压器i的额定容量;T为所有主变压器的集合。

由于本文研究场景中馈线的倒送功率不会越过主变压器,因此式(5)不包含绝对值符号。

2.3 有源配电网的N-1安全约束

2.3.1N-1后DG运行模式

DG在系统侧发生N-1后主要有并网运行、脱网运行、孤岛运行三种模式[15,21]。在直流潮流模型下,三种模式的DG都可以等效为负的负荷。

并网型DG等效扩大了DG所在线路容量[21],有利于N-1安全性。脱网型DG在N-1后直接与系统脱离,对N-1安全性没有帮助,且可能造成潮流和电压的突变,本文模型将其看作N-1后出力降为零的并网型DG。

IEEE 1547标准鼓励供电方和用户通过技术手段实现孤岛[23]。当DG容量较大且调节能力较强时,可以实现孤岛运行[24]。当系统发生N-2甚至更大面积故障时,部分负荷无法通过配电网恢复供电,此时合理划分孤岛、利用DG单独向负荷供电,对于提高用户可靠性具有重要意义。由于本文DSSR只考虑N-1安全性,DG在系统N-1后首先选择联络馈线供电,因此并不形成孤岛运行,即中压网络负荷转供能力已满足N-1安全性需求,孤岛运行不会对N-1安全性有进一步提升,只会对N-2或更严重故障下的安全性产生影响。

2.3.2N-1安全约束

元件ψk发生N-1后,为恢复非故障区供电,配电网将重构形成新的拓扑结构,元件ψk相关的功率平衡方程也会相应变化。

1)N-1线路容量约束

(6)

式中:PB,i(k)表示除退出运行的ψk外,任意线路i的功率;ΩB,i(k)表示ψk退出运行后,线路i的下游节点集合。

式(6)表示除退出运行的ψk外,任意线路i的容量不小于其下游节点净功率的绝对值。

2)N-1主变压器容量约束

(7)

式中:PT,i(k)表示除退出运行的ψk外,主变压器i的功率;ΩT,i(k)表示ψk退出运行后,主变压器i的下游节点集合。

式(7)表示除退出运行的ψk外,任意主变压器i的容量不小于其下游节点净功率的绝对值。设故障集为Ψ,若某工作点W下,∀ψk∈Ψ,式(6)和式(7)均成立,那么W满足N-1安全准则。

3 有源配电网的TQ-DSSR模型

由2.3.1节可知,从N-1安全分析的角度,脱网型DG和孤岛DG都可以等效为并网DG,因此在模型与算例部分均只考虑并网型DG。

TQ-DSSR定义为:状态空间中满足正常运行约束与N-1安全准则的所有工作点的集合。根据式(1)至式(7),TQ-DSSR模型可表示为:

(8)

由式(8)可以看出,相对传统单象限DSSR[6],TQ-DSSR模型的全象限体现在两个方面:一是状态空间Θ的取值范围覆盖全象限;二是不等式含绝对值符号,即边界可能位于任一象限。对于有源网,不仅需要列出N-1边界,还应列出正常运行边界,这是由于DG使得某些N-1约束可能比正常运行约束更宽松;而传统配电网满足N-1约束时也满足正常约束,只需列出N-1边界。

还需指出,对于一个有源配电网直接列写的不等式组往往不是最简的,即存在某些无效约束。最简结果可采用一些化简方法[25]得到。而传统DSSR较容易直接写出最简安全边界方程,这是因为其潮流越限一般都发生在馈线出口处,因此只需要列写N-1后全部馈线出口的容量约束方程。

4 算例验证与分析

4.1 总体思路

本节根据安全域模型列写有源配电网的安全边界方程,再采用目前DSSR最常用的二维可视化方法观测[3-4]域的图像,并与纯供电配电网和纯集电配电网[22]进行对比。集电网主要功能是将DG汇集后外送。供电网与集电网可分别看作DG比例最低和最高、达到极值的有源配电网,因此引入供电网和集电网更利于研究DG引起安全域性质变化的机理。有源配电网的代表算例见图1,纯供电网和集电网的算例见附录A图A1和图A2。算例参数见表1。

图1 有源配电网代表算例Fig.1 Representative example of active distribution network

网络线路容量/MVADG功率范围/MVA负荷功率范围/MVA有源网1[-0.4,0][0,1.5]供电网1[0,0.8]集电网1[-0.4,0]

具体步骤如下:①列写三类算例网络的边界方程并对比;②从象限、形状上观测对比三类算例安全域的二维截面拓扑特性;③从图像上分析归纳域空间的安全性特征。

4.2 边界方程

首先依据式(7)列写算例的完整边界方程,见附录A表A1。其中既包括N-1边界,还包括正常运行边界。对所有边界化简剔除无效边界后,得到正常运行时有源网的最终安全边界为PL,2=1,供电网、集电网的N-0约束都弱于N-1约束;同时,得到N-1情况下有源网、供电网、集电网的最终安全边界分别为:

(9)

PL,1+PL,2+PL,3+PL,4=1

(10)

PDG,1+PDG,2+PDG,3+PDG,4=-1

(11)

分析上述结果可得结论如下。

1)有源配电网边界方程含绝对值符号,表示支路可能出现双向潮流;而供电网、集电网边界不存在绝对值,表示支路只有单向潮流。

2)供电网、集电网最终边界方程只有一个,对应馈线出口线路容量约束。这是因为单向潮流时,馈线出口处潮流最容易发生越限。而有源配电网边界方程个数更多,还对包括出口支路容量约束。这是因为DG与负荷的净功率可能使馈线出口潮流很小,但线路中段潮流很大,因此非出口支路容量约束不可忽略。

3)供电网、集电网的最终边界只有N-1约束;而有源配电网还可能包含正常运行约束。这是由于一些支路(例如B2)下游可能出现新的DG(例如DG1),等效扩大了这些支路的容量[21],使得某些N-1约束比正常运行约束更宽松。

4)当有源配电网所有DG都替换为负荷时,边界方程将退化为与供电网相同;当所有负荷都替换为DG时,边界方程将退化为与集电网相同。

4.3 观测结果与拓扑特性分析

4.3.1观测结果

采用二维可视化方法观测TQ-DSSR。首先根据式(7)写出高维边界方程,然后选择2个观测变量,固定其他变量为常数,将所得方程绘制在二维坐标系中[7]。大量观测后,发现TQ-DSSR二维截面呈现五边形、梯形、矩形、三角形4种形状。其中,五边形截面如图2所示,此时PDG,1=-0.4 MVA,PL,4=-0.4 MVA。

改变PDG,1和PL,4取值后,红色斜线平移还可以得到梯形、矩形、三角形的截面,如附录A图A3至图A5所示。

供电网和集电网的DSSR二维截面见附录A图A6至图A10。若变化坐标轴的观测节点,还可观测到其他象限的TQ-DSSR截面,例如附图A11和图A12分别位于Ⅱ和Ⅲ象限。以下从象限、形状、安全性质三方面分析对比三类配电网的特点。

图2 有源配电网TQ-DSSR五边形截面Fig.2 Pentagon section of TQ-DSSR of active distribution network

4.3.2象限特点

图4和附录A图A3至图A5所示TQ-DSSR截面均位于Ⅳ象限。若变化坐标轴的观测节点,还可观测到其他象限的TQ-DSSR截面,例如附录A图A11和图A12分别位于Ⅱ和Ⅲ象限。

观测表明:有源配电网的安全域可能位于任一象限,总结其规律如表2所示。

表2 有源配电网安全域的象限分布Table 2 Quadrant distribution of security region of active distribution network

由表2可知:观测变量为负荷和DG时,域位于Ⅱ或Ⅳ象限;观测变量全为负荷时,域均位于Ⅰ象限;观测变量全为DG时,域均位于Ⅲ象限。可见,有源配电网从传统配电网的单象限域变为全象限域。传统供电网安全域均位于Ⅰ象限,集电网安全域位于Ⅲ象限,均可看作是TQ-DSSR的特例。

还需指出,本文的TQ-DSSR还能适用于满足未来智能配电网更复杂的情况:单个节点可能包含负荷、DG、储能等更多新元件,节点功率既可以流出也可以注入。此时安全域二维图像将同时覆盖更多象限,例如:当X轴功率可注入和流出、Y轴功率只能流出时,安全域将同时覆盖Ⅰ和Ⅱ象限。

4.3.3形状特点

一方面,TQ-DSSR二维截面与传统DSSR具有很多相同点,形状也呈五边形、梯形、矩形、三角形。域也是由N-1安全边界、正常运行边界、状态空间边界、坐标轴封闭围成,且均为凸图形。本质上,在以供电为主的有源配电网中,DG可以看作负的负荷,因此TQ-DSSR可以由传统DSSR翻转、平移等变换得到,变换过程形状不变。

需要指出,如果潮流反向线路容量边界有效,截面可能出现六边形,见附录A图A13。按配电网设计原则,DG总容量应小于馈线容量,故反向潮流不会超过馈线出口容量,潮流反向边界总为无效。

另一方面,TQ-DSSR截面形状与传统DSSR也存在区别。设边界斜边与坐标轴在域方向的夹角为θ,传统配电网DSSR的θ为45°,而TQ-DSSR的θ出现了135°,如图3所示。

图3 传统DSSR和TQ-DSSR斜边与坐标轴在域方向夹角对比Fig.3 Comparison of angles between bevel edge and axis towards region of traditional DSSR and TQ-DSSR

θ的不同导致安全性质产生变化。为便于对比,将TQ-DSSR观测量改为DG功率绝对值和负荷功率,得安全域如图4所示(相当于图3(b)沿X轴翻转180°)。

图4 |PDG,3|-PL,2的域截面与分安全性析Fig.4 Section of |PDG,3|-PL,2 and security analysis

传统DSSR安全性随任意观测变量数值的增加而降低[1],例如图3(a),当两个负荷功率增加时工作点将朝着45°斜线边界移动,直到突破边界。

TQ-DSSR中,某些变量(如负荷功率)增加会导致安全性降低,而某些变量(如DG出力)增加反而会导致安全性增加;图4中,当负荷增加、DG减小时工作点将朝着135°斜线边界方向运动,直到突破边界。

4.3.4安全性质

以图像为基础,进一步分析对比其域空间的安全性质特点,包括最安全点的位置以及工作点在域二维投影平面上移动时安全性的变化规律。

零负荷点即坐标原点是传统配电网的最安全点;但不是有源配电网的最安全点,例如图2中,原点距红色斜线边界的距离显然不是最长的。以下分析有源配电网的最安全点。

以五边形截面为例,如图5所示,取截面左下角点O′(0 MVA,-0.4 MVA), 再任取域内另一点O″。点从O′运行到O″点对应PDG,3减少、PL,2增加。O′的安全性可以由其到斜线边界的安全距离dO1′和dO2′表示;O″的安全性由dO1″和dO2″表示。

图5 TQ-DSSR最安全点分析Fig.5 Most secure operating point of TQ-DSSR

从图5可以看出,因为dO1″

虽然最安全点发生变化,但是其广义安全性原理却仍与传统配电网一致:传统配电网安全性随负荷增加而下降的性质称为安全性的单调减性[1]。 TQ-DSSR的安全性也具有广义单调减性,采用割集概念可以得到很好的解释,详见附录A图A14。本质上,在以供电为主的有源配电网中,DG可以看作负的负荷,因此TQ-DSSR与传统DSSR均在割集净负荷最大时取到最安全点。

本文还采用扩展的IEEE RBTS-BUS4算例复现了4.3节观测的拓扑特性,详见附录B。

5 结语

本文提出了TQ-DSSR模型,充分反映了有源配电网节点和支路潮流出现反向的特征,为进一步考虑储能、微网与负荷响应等奠定了基础。观测TQ-DSSR的二维图像,总结得到以供电为主的城市有源配电网安全域的特点如下。

1)TQ-DSSR从传统配电网的单象限域(第Ⅰ象限)变为全象限域(任一象限)。

2)TQ-DSSR二维截面可能呈现五边形、梯形、矩形、三角形,斜线边界与坐标轴在域方向夹角可能为135°,而传统DSSR只能为45°。

3)TQ-DSSR的最安全点不再是零负荷坐标原点,而是DG出力最大且负荷空载的工作点。

4)TQ-DSSR的安全性也满足广义单调减性:当节点负荷增加且DG出力减少(割集净负荷增加)时,安全性降低或不变。

TQ-DSSR虽有不同,但也在一定程度上保留了传统DSSR的特征:截面形状相同;最安全点都位于域左下角远离N-1边界的顶角;域空间安全性满足广义单调减性。这是因为大多数城市有源配电网仍将保持以供电为主的功能。

后续研究将先逐步扩大到储能、微网与负荷响应等的完整安全域;考虑局部N-2或更严重故障下DG的作用;深入分析DG对电压影响导致域的变化;考虑DG大于负荷比例的外送场景。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

[1] 肖峻,祖国强,白冠男,等.配电系统安全域的数学定义与存在性证明[J].中国电机工程学报,2016,36(18):4828-4836.

XIAO Jun, ZU Guoqiang, BAI Guannan, et al. Mathematical definition and existence proof of distribution system security region[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(18): 4828-4836.

[2] 余贻鑫.安全域的方法学及实用性结果[J].天津大学学报,2003,36(5):525-528.

YU Yixin. Methodology of security region and practical results[J]. Journal of Tianjin University, 2003, 36(5): 525-528.

[3] 肖峻,贡晓旭,贺琪博,等.智能配电网N-1安全边界拓扑性质及边界算法[J].中国电机工程学报,2014,34(4):545-554.

XIAO Jun, GONG Xiaoxu, HE Qibo, et al. Topological properties and algorithm ofN-1 security boundary for smart distribution network[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(4): 545-554.

[4] XIAO Jun, ZU Guoqiang, GONG Xiaoxu, et al. Observation of security region boundary for smart distribution grid[J]. IEEE Trans on Smart Grid, 2017, 8(4): 1731-1738.

[5] CHEN S J, CHEN Q X, XIA Q, et al. Steady-state security assessment method based on distance to security region boundaries[J]. IET Generation, Transmission and Distribution, 2013, 7(3): 288-297.

[6] 肖峻,苏步芸,贡晓旭.基于馈线互联关系的配电网安全域模型[J].电力系统保护与控制,2015,43(20):36-44.

XIAO Jun, SU Buyun, GONG Xiaoxu. Model of distribution system security region based on interconnections of feeders[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(20): 36-44.

[7] XIAO Jun, ZU Guoqiang, GONG Xiaoru, et al. Model and topological characteristics of power distribution system security region[J]. Journal of Applied Mathematics, 2014(6): 1-13.

[8] 肖峻,张苗苗,祖国强,等.配电系统安全域的体积[J].中国电机工程学报,2017,37(8):2222-2230.

XIAO Jun, ZHANG Miaomiao, ZU Guoqiang, et al. Volume of distribution system security region[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(8): 2222-2230.

[9] 刘佳，程浩忠，李思韬，等.兼顾供电能和安全检疫的智能配电网协调运行优化方法[J].电网技术，2016，40(11)：3532-3538.

LIU Jia, CHENG Haozhong, LI Sitao, et al. Coordinated operation optimization method of smart distribution system considering total supply capability and security margin[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 40(11): 3532-3538.

[10] 王成山,李鹏.分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战[J].电力系统自动化,2010,34(2):10-14.

WANG Chengshan, LI Peng. Development and challenges of distributed generation, the micro-grid and smart distribution system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(2): 10-14.

[11] 国家电网公司.分布式电源接入电网技术规定:Q/GDW 480[S].2010.

[12] 鲍薇,胡学浩,何国庆,等.分布式电源并网标准研究[J].电网技术,2012,36(11):46-52.

BAO Wei, HU Xuehao, HE Guoqing, et al. Study on standard for grid-integration of distributed resources[J]. Power System Technology, 2012, 36(11): 46-52.

[13] 何昌奇,邵龙,高杨,等.分布式电源并网后对电压分布影响的研究[J].中国电力,2014,47(5):88-91.

HE Changqi, SHAO Long, GAO Yang, et al. Simulation research on effects of distributed generation on voltage of distribution network[J]. Electric Power, 2014, 47(5): 88-91.

[14] 王颖,文福拴,赵波,等.高密度分布式光伏接入下电压越限问题的分析与对策[J].中国电机工程学报,2016,36(5):1200-1206.

WANG Ying, WEN Fushuan, ZHAO Bo, et al. Analysis and countermeasures of voltage violation problems caused by high-density distributed photovoltaics[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(5): 1200-1206.

[15] 廖怀庆,刘东,黄玉辉,等.考虑新能源发电与储能装置接入的智能电网转供能力分析[J].中国电机工程学报,2012,32(16):9-16.

LIAO Huaiqing, LIU Dong, HUANG Yuhui, et al. Smart grid power transfer capability analysis considering integrated renewable energy resources and energy storage systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(16): 9-16.

[16] 肖峻,李振生,刘世嵩,等.电压约束及网损对配电网最大供电能力计算的影响[J].电力系统自动化,2014,38(5):36-43.DOI:10.7500/AEPS20130513002.

XIAO Jun, LI Zhensheng, LIU Shisong, et al. The impact of voltage constraints and losses on total supply capability calculation[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(5): 36-43. DOI: 10.7500/AEPS20130513002.

[17] 刘健,殷强,张志华.配电网分层供电能力评估与分析[J].电力系统自动化,2014,38(5):44-49.DOI:10.7500/AEPS20130702001.

LIU Jian, YIN Qiang, ZHANG Zhihua. Evaluation and analysis of hierarchical total supply capability for distribution networks[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(5): 44-49. DOI: 10.7500/AEPS20130702001.

[18] 肖峻,左磊,祖国强.基于潮流计算的配电系统安全域模型[J].中国电机工程学报,2017,37(17):4941-4949.

XIAO Jun, ZUO Lei, ZU Guoqiang. Model of distribution system security region based on power flow[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(17): 4941-4949.

[19] 郭志忠,刘伟.配电网安全性指标的研究[J].中国电机工程学报,2003,23(8):85-90.

LIU Wei, GUO Zhizhong. Research on security indices of distribution networks[J]. Proceedings of the CSEE, 2003, 23(8): 85-90.

[20] 刘健,赵树仁,张小庆,等.配电网故障处理关键技术[J].电力系统自动化,2010,34(24):87-93.

LIU Jian, ZHAO Shuren, ZHANG Xiaoqing, et al. Crucial techniques of fault isolation and restoration for distribution networks[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(24): 87-93.

[21] 刘佳,程浩忠,李思韬,等.考虑N-1安全约束的分布式电源出力控制可视化方法[J].电力系统自动化,2016,40(11):24-30.DOI:10.7500/AEPS20150512002.

LIU Jia, CHENG Haozhong, LI Sitao, et al. Visualization method of output power control of distributed generators consideringN-1 security constraint[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(11): 24-30. DOI: 10.7500/AEPS20150512002.

[22] 刘连光,蒋智化,韩龙艳,等.格式网模式的风光储集电网规模优化方法[J].电力建设,2015,36(12):69-75.

LIU Lianguang, JIANG Zhihua, HAN Longyan, et al. Optimization method of wind-photovoltaic-battery power collection grid scale in meshed grid mode[J]. Electric Power Construction, 2015, 36(12): 69-75.

[23] 向月,刘俊勇,姚良忠,等.故障条件下含分布式电源配电网的孤岛划分与重构优化策略研究[J].电网技术,2013,37(4):1025-1032.

XIANG Yue, LIU Junyong, YAO Liangzhong, et al. Optimization strategy for island partitioning and reconfiguration of faulted distribution network containing distributed generation[J]. Power System Technology, 2013, 37(4): 1025-1032.

[24] 余娟.系统故障条件下分布式电源孤岛运行的研究[D].合肥:合肥工业大学,2009.

[25] 郑更新.简化线性不等式组的线性规划方法[J].中央民族大学学报(自然科学版),1996,5(2):28-31.

ZHENG Gengxin. Method of linear programming for reducing a system of linear inequalities[J]. Journal of Minzu University of China (Natural Science Edition), 1996, 5(2): 28-31.

Total-quadrantSecurityRegionforActiveDistributionNetwork

XIAOJun,ZUGuoqiang,ZHOUHuan,LINQisi

(Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education (Tianjin University), Tianjin 300072, China)

This paper proposes a model of the total-quadrant security region for distribution systems (TQ-DSSR) with distributed generators (DGs). The topological characteristics of TQ-DSSR for urban distribution network are observed and analyzed. First, the constraints of normal operation andN-1 security for the active distribution network are discussed, and the TQ-DSSR is modeled. Second, the two-dimensional sections of TQ-DSSR are observed. Compared with the traditional DSSR, it is most obvious that the region is transformed from a single-quadrant region to a total-quadrant region. For the urban distribution system with power supply as the main function, such as the urban grids in China, other topological characteristics include: 1) the shapes of TQ-DSSR are the same as DSSR, which are triangle, pentagon, trapezoid and rectangle, but the angle towards the region between bevel edge and coordinate axis is not always 45°, but also 135°; 2) the most secure operating point in TQ-DSSR is the one at which DG output reaches the peak value and the power of load is zero, which differs from the original point in traditional DSSR; 3) the security property in the state space of TQ-DSSR meets the generalized monotonic decrease, that is, the security will decrease or remain unchanged with an increase in the payload of the cut-set. The model of TQ-DSSR reflects the basic characteristics of reverse power flow both in branches and buses for active distribution network, laying the foundation for subsequent consideration of energy storage, micro-grid, and demand response based integral DSSR.

This work is supported by National Key Research and Development Program of China (No. 2016YFB0900103) and National Natural Science Foundation of China (No. 51477112).

active distribution network; total-quadrant security region for distribution system;N-1 security; model; topological characteristic

2017-01-19;

2017-03-05。

上网日期: 2017-05-09。

国家重点研发计划资助项目(2016YFB0900103);国家自然科学基金面上项目(51477112)。

肖 峻(1971—),男,博士,教授,主要研究方向:智能配电系统规划与运行。E-mail： xiaojun@tju.edu.cn

祖国强(1989—),男,通信作者，博士研究生,主要研究方向:智能配电系统规划与运行。E-mail: zuguoqiang_tju@163.com

周 欢(1996—),男,主要研究方向:智能配电系统规划与运行。

(编辑万志超)