考虑不确定性的配电网联络线效能分析

肖宝辉陶淳逸

(1.国网 (北京)节能设计研究院,北京大兴102600;2.上海电力大学电气工程学院,上海杨浦200082)

0 引言

以往的配电网高可靠性接线模式分析更多地聚焦于网络的拓扑结构和连通性上,普遍认为网架结构的联络通道和可连接的备用电源点越多则接线模式更为可靠[1]。但是,联络通道在故障条件下是否能真正起到负荷转供的作用,还取决于待转供的负荷量大小、联络线的容量约束及备用电源的供电容量,否则很多联络就处于“无效”状态。即从拓扑结构上看是可以连通的,但是不能全部实现,或者只能部分实现故障后的负荷转供,对于减少系统平均停电时间,提高供电可靠性而言是“低效”甚至“无效”的。此外,风电大规模接入电网后,要求考虑风电接入给联络线带来大量不确定性波动,引起联络线越限等问题。研究表明:联络线上存在一定的随机功率波动,会压缩剩余输电空间,降低输电能力[2]。

近年来,众多学者对配电系统供电可靠性的问题进行了深入研究。文献[3]建立了负荷综合转移矩阵,在配电系统供电能力计算方法中考虑主变互联和N-1准则。文献[4]相比文献[3]能更完整地反映配电网网架结构,并同时计及主变N-1和联络线N-1故障。文献[5]在文献[4]的基础上考虑了联络位置和规模对配电最大供电能力的影响,但在负荷选取时仍然仅为一个时间断面。文献[6]提出联络线与主变压器容量最优匹配原则,“无效”或“低效”联络线的存在,实际上增加了网架结构的复杂程度,进一步增大了实际运行中调度、施工的难度,对于配电网的安全运行而言可能会起到负面作用,同时还会占用配电网架的建设投资,总体而言是得不偿失的。文献[7]提出了柔性配电网的最大供电能力模型与计算方法,但未考虑备用电源对可靠性的影响。文献[8]利用联络有效度来评价配电网规划方案中增加或减少联络线,但未考虑不确定性因素的影响。量测技术发展,使得能够依据实际测量来实时确定导体在所处环境下的载荷能力。文献[9]指出静态热定值过于保守的问题,建立考虑线路动态热载流限制的状态分析模型,通过比较基于静态和动态热定值的系统可靠性指标,得出动态热定值法,提高了线路输电能力。

鉴于此,本文在已有高可靠性配网接线模式分析的基础上,将不同故障情况下待转供的负荷量大小、联络线的容量约束及备用电源的供电容量计入联络线的效能分析中。根据线路的动态热定值、风电不确定性波动、用户的用电特性和负荷变化情况,建立典型的分析场景,核算不同故障条件下联络通道的转供能力水平,评估其能够真正实现安全转供的负荷量。

1 考虑不确定性的建模

1.1 负荷概率模型

负荷也具有时序性,不同类型的负荷运行曲线也不同,负荷需求水平可用正态分布近似表示为

式中:p为随机负荷大小;μ为期望;σ为方差。p、μ和σ均可根据历史数据求得。

对于负荷的波动性,包括备用电源所带负荷在内,负荷的功率特性曲线将对联络线的可转供负荷量产生影响。在实际应用计算中,在简化情况下可认为某一区域或全部负荷都遵从典型的负荷特性曲线。显然,不同接入点的负荷特性曲线统计的越详细,形成的时间断面仿真度越高,则评估结果更贴近实际情况。

1.2 线路动态热定值模型

对于联络线和馈线的载流量,采用动态热定值法。假设线路为均匀导体,忽略蒸发热损耗、电晕损耗等对热平衡方程影响的微小量,线路载流量可通过如下热平衡微分方程确定:

式中:m为输电线路单位长度质量;Cp为输电线路对应材料比热容;I为导体通过电流;R(Tc)为导体温度为Tc时对应的导体电阻;I2R(Tc)为导体通过电流而产生的热量;Qs为导体因日照作用而产生的热量;Qc和Qr分别为导体对流和辐射散热量。

在一定环境条件下,输电线路因日照作用而产生的热量,及导体的对流和辐射散热可表示为

式中:Ac为输电线路的对流散热系数;Ar为辐射散热系数;Es为太阳辐射功率密度;As为输电线路表面吸收率;T为输电线路所处的周围环境温度;D为输电线路直径。

2 联络线转供负荷能力分析

2.1 联络线的基本作用

如前文所述,目前的高可靠性配电网接线模式中一般都会设置联络线,甚至是多条联络线。联络线在其中的主要作用就是当分段开关位置之前发生故障时,利用分段开关隔离故障,然后将常开的联络开关闭合,将分段开关之后的负荷转由备用电源供电,从而减少该部分负荷点的故障停电时间,进而改善供电可靠性。

这也是目前供电可靠性评估分析计算中对于联络线功能的基本认定,但这是仅从网络拓扑结构的角度来分析联络线的作用,并未计及负荷大小、备用电源供电能力等因素。

以图1所示的简单网络为例,对于母线1所带负荷,如果不考虑上述因素,分段开关S1位置之后的负荷点,都可通过联络开关L1实现负荷转供,而且联络线的接入位置只要位于S1之后其效果是等价的。但是如果备用电源母线2的供电能力有限,那么就只能就近实现在其供电能力范围内的负荷转供,不可能实现负荷的全部转供。因此,分段开关的位置和接入点的位置对有效的转供范围是有显著影响的[10-11]。

2.2 联络线转供负荷能力的影响因素

影响联络线转供负荷能力的约束条件包括以下几方面:

1)联络线容量约束[12]。

设联络线的最大允许通过电流(载流量)为Imax,则其容量约束为:。

图1 简单配电网络接线示意图Fig.1 Wiring diagram of simple distribution network

2)备用电源容量约束。

设备用电源对应的馈线最大允许通过电流(载流量)为Imax,则馈线上允许挂接的最大配变容量为

式中:Smax为馈线上允许挂接的最大配变容量;α为线路容量裕度;U为馈线电压;β为配变负载率;δ为该馈线所有配变的最大负荷同时率。

若某备用电源本身供电的负荷容量之和为Sp,则该备用电源理论上可提供的可转供容量为Sg=Smax-Sp。所以该因素实际上包括了备用电源的馈线容量和所带负荷量两方面的影响。

3)风电不可控分量。

联络线上的不确定性波动会对联络线的传输能力造成不良影响,而风电引起不确定性波动中既有波动周期较小的高频波动分量,又有波动周期较大的低频分量,不确定性波动中高频分量机组或负荷难以匹配其变化速度,成为“随机不可控分量”[13]。

本文考虑采用反向(back propagation,BP)神经网络对其进行预测,输入数据空间由风速、风向、温度和湿度构成,神经网络输出是风电功率高频分量Swtg。

3 联络线效能分析计算

本文考虑到负荷的波动性、线路的动态热定值和风电的不可控分量,2.2节中提及的联络线和备用电源容量约束条件也成为时变约束[14-15]。换言之,负荷的时空分布、联络线的动态载流量、风电的高频不可控分量将对联络线的效能产生根本的影响,相关分析计算是一个随时间展开的序贯性分析流程。联络线最大安全转供负荷能力如图2所示,剩余输电空间可表示为min{STL,Sg}-Swtg。

图2 联络线功率极限Fig.2 Power limit of tie line

单一联络线的效能分析计算流程如下:

1)输入原始气象数据,包括气温风速、风向、太阳辐射等。

2)根据配电网络的拓扑结构,结合分段开关和联络开关的位置,在不考虑所有约束的前提下,确定联络线的最大可转供负荷范围。

3)根据实际分析的需要,确定馈线供电负荷/备用电源供电负荷的典型时间曲线和抽样时间间隔,形成负荷时间序列。

式中:LFD为馈线供电负荷时间序列;LSP为备用电源供电负荷时间序列。

4)以上一时段的载流和温度为初始值,计算第i个时序断面的最大允许热载流量。

5)对于时序断面i,根据负荷时间序列和最大允许热载流量,修正容量约束条件,计算联络线的最大可转供负荷容量。

6)由待测风速、风向、温度、湿度,与历史数据共同进行BP神经网络训练,得到待测日第i个时序断面风电高频分量预测结果。

7)代数运算得到联络线最大安全可转供负荷容量。

8)根据网络连接情况和电气距离[16],确定可实现转供的负荷点,并计算该断面下的潮流情况,校验是否满足电压水平等约束,如果是快速估算,也可仅对负荷总量进行大小比对,省略潮流分析步骤[17]。

9)判断如果已完成所有断面的分析则停止计算,否则令i=i+1,转到4)。

具体联络线效能分析流程如图3所示。

图3 联络线效能分析流程图Fig.3 Flow chart of tie line effectiveness analysis

对于多分段多联络的接线模式,可首先对每一条确定只计及拓扑结构条件下的有效转供范围,然后利用根据上述步骤分别开展效能分析。

4 算例分析

4.1 基本参数

以华东某地区实际配电网改造前后的网架作为研究对象。该区域含有3个变电站:A、B和C。其中:A的容量为2×10 MV·A,其中风电接入容量为10 MV·A;B的容量为2×10 MV·A,风电接入容量为10 MV·A;C的容量为2×32.5 MV·A,没有风电接入。其配电网改造前后的网架结构如图4所示。

图4 实际配电网网架Fig.4 Network frame structure of the actual distribution network

3个变电所的某一典型日24 h的负荷曲线如图5所示。各开闭所的峰值负荷如表1所示。

2016全年度气温、风速、风向和太阳辐射等气象数据取自当地天文台,利用这些真实反映气候条件变化的数据,计算不同时间尺度下的热载流定值,并以该地区风电场2016年全年风速和风电功率数据作为历史分析数据,利用Matlab软件进行BP神经网络训练,对风电功率进行短期预测,得到某一典型日风电功率高频分量预测结果,分辨率为1 h。

图5 各变电所的负荷曲线Fig.5 Load curve of each substation

表1 各开闭所的峰值负荷Table 1 Peak load of each switching station

本文选择改造前后网架中的3条联络线进行联络线的效能评估。改造之前联络线1选择开闭所7与8之间,联络线2选择开闭所2与变电站B之间,联络线3选择开闭所11和12之间。改造之后联络线1和联络线2选择与改造之前相同,联络线3则选择开闭所13与14之间。

4.2 结果分析

通过联络线效能计算分析流程可得到在负荷序列下改造前后各联络线的最大可转供负荷容量,其中改造之前各联络线的最大可转供负荷如图6所示。

从图6中可看出,联络线1和联络线2在负荷时间序列下,均可达到进行转供。联络线2相对于联络线1而言可转供的负荷要大,因此联络线2的转供效能很明显要优于联络线1。联络线3在某些时刻是不能满足转供需求的,这就表明联络线3不具备最大的转供能力,相较于联络线1和2而言,其转供效能是最低的。改造之后各联络线的最大可转供负荷如图7所示。

图6 改造之前各联络线的最大可转供负荷Fig.6 Maximum transferable load of each contact line before modification

图7 改造之后各联络线的最大可转供负荷Fig.7 Maximum transferable load of each contact line after the modification

由图7可知,经过电网对联络线及网架结构改造之后,3条联络线均可达到最大转供效果。其中,联络线2相较于其他2条联络线而言,其联络线转供效能明显更优。

通过对改造之前和改造之后的配电网联络线效能分析可知,联络线的位置不同,其最大可转供负荷的容量也不同,甚至存在某些时刻不能满足最大转供的需求。因此,复杂配电网络中,在网络故障或检修维护的情况下,联络线的选择对于可转供的负荷而言至关重要。本文通过对联络线的效能评估可直观地分析出系统中联络线的最大可转供能力,以此为实际工程人员选择可改造的联络线具有指导意义。

4.3 联络线效能分析的应用探讨

在完成联络线的效能评估分析后,所得到的时序评估结果,可在以下方面做进一步的分析应用:

1)去除低效能的联络线。

如前文所述,配电网络中设置过多的联络线对于供电可靠性的提升并不是绝对有利的。低效乃至无效的联络线反而会增加调度运行的困难,甚至起到适得其反的效果,因此可利用本文所提出的方法对联络线的效能做逐一评估,只保留高效的联络线,理顺网络结构,有助于供电可靠性的提升。

2)多联络线之间效能的时空配合。

对于多分段多联络的配电网络而言,多个联络之间的效能时空配合就显得十分必要了。在规划阶段可根据负荷的时空分布情况,合理限定每条联络线的时序转供区域,明确每条联络线的“责任”范围。再配合分段开关实现多条联络线转供区域的有效拼接,避免出现无法转供的“空白”区域,以及多联络线的“重叠”转供区域(如果是极重要负荷,要考虑N-x问题则另当别论)。这样即可充分发挥每条联络线的效能,也可避免转供区域重复造成的投资浪费。进一步的,在合理确定每条联络线有效区域的拼接方案后,还便于配电自动地规划与实施,减小、简化预想场景集,便于制定清晰合理的配电自动化控制策略方案。

5 结论

本文主要讨论了考虑不确定性的复杂配电网联络线的效能评估分析思路。从联络线的负荷转供能力出发,在考虑负荷时空分布特性、风电不可控分量、线路动态热定值的基础上,形成了影响负荷转供的时变约束条件,提出了刻画联络线可转供区域的方法。本文利用某实际配电网络的数据,对其中的联络线效能进行了评估分析,进一步对复杂配电网联络线转供效能分析在配电网运行和规划方面的应用进行了探讨。算例分析结果表明:联络线的位置不同,其最大可转供负荷的容量也不同,甚至存在某些时刻不能满足最大转供的需求,因此,在复杂配电网络中有必要进行联络线的效能评估分析。