基于电压暂降识别的配电网运行可靠性提升技术研究

廖庆龙，杨群英，夏 磊，向 洪，岳鑫桂

（1.国网重庆市电力公司 电力科学研究院，重庆 401121；2.国网重庆市电力公司，重庆 400000）

0 引言

配电网运行可靠性指的是评估配电网运行中经由线路和其他设备节点进行供电时的可靠性，以此判断该配电网的整体供电质量[1]。影响配电网正常运行的因素较多，其中电压暂降是主要的影响因素，且影响程度较高。电压暂态的产生主要由配电网短路故障、变压器切投运行等情况引发[2]；其对于配电网的电能质量以及运行安全均造成较大影响，因此，为保证电能质量以及配电网运行安全，需识别电压暂态，并依据识别结果进行配电网运行方案调整。

文献[3]和文献[4]针对配地网运行可靠性提升问题分别展开相关研究后，各自提出基于成本效益和配电网高可靠性继电保护的相关方法，上述方法均具有电压暂态调整能力，可在一定程度上完成电压的调整和控制，但是在电压暂降区域较大时，两种方法的应用效果仍需进一步验证。因此，本文研究基于电压暂降识别的配电网运行可靠性提升技术，该技术以暂态电压源区域识别为基础，分析电压暂降对配电网可靠性指标的影响因素，同时结合分析结果构建配电网运行可靠性提升目标函数，并对其实行求解，获取配电网在电压暂态下的最佳运行方案，以此实现配电网运行可靠性提升。

1 配电网运行可靠性提升技术

1.1 电压暂降源候选区确定

电压暂降现象发生时，会对一定区域造成影响，导致配电网发生局部或者区域性停电，严重则会损坏是安利设备。因此，为保证配电网运行可靠的提升效果[5]，需先识别电压暂态源互选区域。本文采用基于序功率增量方向方法完成，该方法能够衡量电压暂降源与每一个观测点上下游之间的关联，同时考虑配电网的实时运行拓扑状态，进行综合分析后获取电压暂降源的候选区域识别结果。

该方法进行电压暂降源候选区识别时，需依据判断标准完成，即正序和负序两种功率增量方向。

1）正序功率增量：

电压暂降存在两种状态，分别是发生前和发生中，ΔUd1和ΔUper1表示上述两种状态下的正序电压；ΔId1和ΔIper1则表示正序电流，其计算公式为：

式(1)中：当ΔU1超过ΔI1时的角度用θ1表示。

基于式(1)可得出相关方向判据：

判据1：如果ΔPe1＞0，那么表示发生的电压暂降位于上游。

判据2：如果ΔPe1＜0，那么表示发生的电压暂降位于下游。

2）负序功率增量：

电压暂降存在两种状态，分别是发生前和发生中，ΔUd2和ΔUper2表示上述两种状态下的负序电压；ΔId2和ΔIper2则表示负序电流，其计算公式为：

式(2)中：当ΔU2超过ΔI2时的角度用θ2表示。

基于式(2)可得出相关方向判据：

判据1：如果ΔPe2＜0，那么表示发生的电压暂降位于上游。

判据2：如果ΔPe2＞0，那么表示发生的电压暂降位于下游。

配电网中各个观测点均可依据上述两个公式，确定电压暂降源相对于其上游和下游之间的关联，以此完成其候选区域识别。

1.2 配电网可靠性提升的目标函数

电压暂降会对配电网中的线路造成直接影响，使其发生短路，为提升配电网运行可靠性，以识别的电压暂降源候选区结果为基础，结合配电网线路运行情况和各个分布式能源的配置结果，确定配电网运行可靠性指标，分别为配电网平均停电频率（SAIFI）、平均停电持续时间（SAIDI）、平均供电可用率（ASAI）、电力不足期望值（EENS）。除此之外，依据上述配电网电压暂降候选区域识别结果，改进配电网可靠性指标，结合停电时间的不同，对停电用户进行分类：

类别1：用户在电压暂降故障区域上游，此时停电时间可通过该故障定位和隔离所需的两个时间总合表示，即T1；

类别2：电压暂降故障区域在用户的上游，此时电能可通过备用通道进行电能供应，采用该供应时间和T1的和表示停电时间，即T2；

类别3：电压暂降故障区域在用户的上游，此时电能无法通过备用通道进行电能供应，或者，用户位于暂降故障区域中，此时采用电压暂态故障修复所需时间、故障定位和检修时间的和，表示停电时间，即T3。

基于上述三种类别的分析结果，本文确定配电网可靠性指标为用户平均停电时间ψD。上述各个指标的计算公式分别为：

式中，Y表示总年数；T表示小时，对应一年内；Nd表示配电网中的节点数量；配电网中，对应第i个节点的用户数量用Ni表示，该节点在第y年中，发生停电的次数、持续时间和负荷量分别用表示；配电网中全部馈线的故障率和负荷总量分别用λF和PL表示；β1、β2、β3均表示分布系数，对应电压暂降停电故障区域内的停电用户。配电网发生停电后，节点i的状态量用表示，依据该参数可计算的结果。的结果为1时，表示配电网中的节点i供电正常；其结果为0时，表示节点i停电。

依据上述6个配电网可靠性指标构建其提升目标函数，用Fre表示，配电网中线路规划目标为配电网可靠性最优，其计算公式为：

式(8)中：F(x)即表示式(3)～式(7)的可靠性指标；f(·)为非线性函数，包含配电网节点各个时刻的停电状态x、线路故障状态L、风电出力情况Pw、节点负荷量Ld和其重要程度C、储能容量Cap、运行策略ΔPb。

约束条件：

1）线路调整约束：u表示电压暂降候选区域内的用户，其电压承载结果用ξVTC-u(Td)表示；将其最大结果定义为电压阈值，对应电压暂降域。g表示该域内任意节点，当其发生停电故障时，需符合式(9)所示：

式(9)中，u所在的电压暂降候选区域用Qdip-u表示；Vu-g表示电压，对应u，且在故障发生情况下；Vth-u表示u的电压阈值。

结合所有发生停电故障用户所在的电压暂降候选区域，并对其实行计算，依据计算结果对配电网点运行线路l实行调整，调整的线路需位于电压暂降候选区域的并集B中，则两者之间的关联公式为：

式(10)中，U表示配电网中全部用户。

2）风险域约束：对电压暂降实行调整时，不能对整个配电网进行调整，因此，需对调整区域实行约束，本文则依据风险域约束，约束电压暂降线路调整，风险域表示多个停电故障用户暂降候选区域的重合部分，其计算公式为：

式(11)中，φ表示电压暂态候选区域的风险等级；ηψ-u表示判别系数，ψ表示风险域。依据该公式判断ψ是否位于故障用户的Qdip-u内，是则取值为1，反之则等于0。

3）风险等级约束：确定风险域ψφ后，需进行风险等级约束，按照风险等级的大小，实行配电网中线路调整，其计算公式为：

式(12)中：φK表示实际风险等级；φmax表示优先治理的风险等级结果。

2.3 配电网运行可靠性提升目标函数求解

完成配电网可靠性提升目标函数后，采用遗传算法和分支界定法的联合优化方法对其求解，该联合方法在保证全局寻优的基础上，可提升求解的效率和可靠性，其详细步骤如下所述：

步骤1：Xij表示提升配电网可靠性时，可对第i条线路进行的第j个调整措施，其为变量。

步骤2：将Xij输入遗传算法中，对其实行二进制编码，生成初始种群后，依据其每个染色体应的决策变量，构建区域优化模型。

步骤3：对上一步骤中构建的优化模型实行求解，如果存在无解情况，表示该线路调整策略不满足约束条件，此时对决策变量（0,1）实行调整，重新进行优化计算，如果依旧无解，则表示该调整策略依旧不满足配电网可靠性提升的约束条件，则需结合其他调整策略完成配电网线路调整。

步骤4：依据各个区域的Xij求解结果，计算整个配电网可靠性提升的目标函数以及适应度函数。

步骤5：计算各代种群中的全部个体，并判断迭代结果，如果满足收敛条件，则输出配电网中线路调整策略结果；反之，则进行交叉和变异操作，同时回转步骤2，开始迭代，直到输出线路调整策略为止。

2 实验结果分析

为验证本文技术在配电网运行可靠性提升方面的应用效果，以某地区配电网主网架构作为测试对象，该配电网结构如图1所示。

图1 配电网结构

该配电网中包含3个电压等级的变电站，分别为220kV、110kV、35kV，光伏和风电机组分别接入在节点7和节点32的位置，两者的容量分别为25MW和55MW，组网结构复杂。由于配电网中发生电压暂降的原因主要分为两类，一是电器类故障导致，例如短路故障；二是非电气故障类，例如变压器并网等。因此，对于配电网运行的可靠性造成较大影响，导致电压暂降现象时常发生。该试验对象的应用需求为实现新接入节点的最佳接入位置，同时保证配电网的可靠性。

为验证本文技术对电压暂降源候选区的识别效果，仅随机选择3处节点电气故障为例，即为节点9、节点20和节点16，采用本文技术确定三者的电压暂降源候选区，结果如表1所示。

表1 各节点电气故障电压暂降源候选区识别结果

分析表1测试结果可知：本文技术能够依据正序和负序两种功率增量方向，实现3个电气故障节点的电压暂降源候选区识别，为配电网运行可靠性提升提供依据。

为衡量本文技术对配电网运行可靠性的提升效果，采用配电网中的负荷电压幅值偏差作为衡量标准，如果该偏差值低于5%，即电压最低值需达到0.95p.u，表示该配电网的电能质量满足相关规定标准，可保证电能供应质量，如果超过5%则表示电能质量较差，测试结果如图2所示。

图2 各类负荷电压幅值偏差测试结果

采用本文方法在不同的负荷运行状态下，配电网的电压标幺值结果均高于0.95p.u，其中最小电压标幺值为0.96，最高电压标幺值为1.03p.u。可满足电能质量的标准要求，以此可提升配电网运行可靠性。

为进一步验证本文技术对配电网运行可靠性的提升效果，获取本文技术应用前后，在不同的负荷情况下，6个可靠性指标的结果，如表2所示。

表2 不同的负荷情况下6个指标的测试结果

随着配电网中负荷结果的不断变化，采用本文方法前后6个可靠性指标结果存在明显差异，通过本文技术进行配电网运行可靠性提升后，SAIFI、SAIDI、EENS3个可靠性指标结果显著下降，显著优于本文技术应用前的效果，四个指标的结果分别为0.994、6.55、40.22；并且，ψD、ASAI两个可靠性指标则显著上升，两者的最大值分别为6.62和0.996。因此，本文技术具有良好的配电网运行可靠性提升效果，保证配电网的稳定、可靠运行。

为验证本文技术的应用性，采用区域电压稳定性Aij和区域供电率B(t)作为评价指标，两者的计算公式分别为：

式中：Pj和Qj分别表示节点j的功率，前者对有功，后者为无功；Rij表示电阻，对应支路ij；Ui表示电压幅值，对应节点i；Pload(t)和Pin(t)均表示功率，前者对应负荷，后者对应电网流入。

Aij值越小，表示配电网电压稳定性越高；B(t)值越大，表示配电网的自给供电率越高，可有效避免电压暂降区域负荷变化造成的影响。

依据上述两个指标的计算公式，获取不同电压暂降节点数量下，本文技术的应用结果，如图3所示。

图3 应用指标测试结果

结果表明，随着配电网中发生电压暂降节点数量的逐渐增加，本文技术均具有良好的应用性，指标Aij的结果均低于0.007，指标B(t)的结果均高于0.95。本文方法应用性良好，能够结合电压暂态的分布情况，有效调整配电网中的线路，提升配电网的运行可靠性。

3 结语

配电网运行过程中，电压暂降会导致配电网发生线路短路，进而引发节点局部停电或者配电网区域性停电，影响电能质量和配电网的稳定运行。因此，研究基于电压暂态识别的配电网运行可靠性提升技术，并对该技术的应用效果展开相关测试。结果显示：本文所研究的提升技术，具有可靠的电压暂降候选区域识别能力，能够依据该识别结果进行配电网线路调整，保证配电网的稳定运行，提升其运行可靠性，保证配电网的运行安全。