基于复杂网络理论的主动配电网运行管理策略研究

摘要

近年来随着各行业对电力需求的持续增长以及传统能源供应的日渐短缺，主动配电网以其智能、灵活、可持续发展的特点逐渐获得了普遍的认可和广泛的应用。区别于传统配电网的供电模式，主动式配电网一方面增强了对分散能源的综合利用，大大提高了电力系统对绿色能源的吸纳能力，优化了一次能源的配比结构，帮助当前电力系统实现了更进一步的可持续发展;然而另一方面，由于其供电模式由过去的单向树型结构转变为现在的双向环型结构，传统的电力系统分析方式在主动配电网的规划、运行、优化等方面已经暴露出诸多的局限性;此外，由于以光伏、风能等为代表的分布式电源受环境影响较大，其对配电网的广泛渗入必然引起系统电能质量的波动和改变。因此，针对主动配电网的运行特性和工作特点，探索一种有效的规划和分析手段来补充传统电力系统分析方式在主动配电网研究中的不足已成为当前电力系统研究的一个重要方向。
　　复杂网络理论作为分析和研究网络系统特性的有效手段，近年来在互联网、物联网、生物分子网络等领域受到了越来越多的关注和应用，而其在电力系统网络建模、稳定性分析等方面的应用更是成为一个电力系统研究领域的一个热门的课题。然而目前，其在主动配电网方面的应用研究还有待进一步的发展。本文正是在研究了复杂网络相关理论的基础上，充分分析了主动配电网的工作特性和运行特点，发掘两者的共同点并利用复杂网络理论在研究网络方面的优势和相关基础对主动配电网系统的动态建模、故障传播特性、系统稳定性分析、同步与协调优化调度策略研究等方面进行了研究。
　　本文在对主动配电网的增长、重连、断开等拓扑特性进行研究的基础上，通过引入一个“位置链接概率”的概念和网络衰减的机制，提出了一种新的主动配电网动态演化模型。该模型的统计特性揭示出主动配电网的节点度分布具有幂律特性，而且其“节点移除概率”会对网络的动态演化特性以及鲁棒性产生极其重要的影响。这些宏观拓扑特性方面的发现可以为主动配电网在规划、脆弱性分析、故障预测以及提高网络的运行效费比等方面产生重要的指导意义和应用价值。
　　通过植入网络邻居边的概念将有向性引入到网络相继故障的研究中。此外，通过定义随机攻击、“最小入度”攻击和“最大出度”攻击三种故障方式，分别研究了不同初始故障类型对有向无标度网络、有向随机网络以及IEEE118-bus系统的影响及其传播特性，证明了网络相继故障的传播与网络流的方向性以及初始故障类型具有密切的关系，更与初始负荷的大小和网络线路的额定容量有关。这些结果对于避免网络相继故障的发生和传播具有重要的价值。
　　在理论研究了复杂网络同步性并充分证明其同步与协调运行可行性的基础上，针对主动配电网的运行特点，本文提出了一种多自治微网电能优化协调调度策略，借助储能设备的作用实现分布式电能的充分利用和系统重要负荷的最大供电。该策略通过合理的构建微网拓扑关系矩阵，采用改进的最小生成树算法确定最优的供用电关系;利用线性矩阵不等式算法选择添加或者删除非重要负荷，进而生成新的多自治微网结构。最后，通过一系列的实验证明所提策略在提高系统整体电能利用率以及对重要负荷的持续安全供电方面都具有有效性。
　　在实验和仿真的过程中，本文以IEEE标准测试系统为研究对象，保证了实验结果的准确性和有效性，为相关研究结果提供了可靠的依据。根据不同的问题特点和对象特性，在使用复杂网络对主动配电网系统进行分析和研究的过程中，本文充分利用了复杂网络的理论基础、研究手段和思想方法，从而为问题的有效解决和方法的广泛推广与扩展奠定了重要的基础。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 复杂网络理论的研究现状

1．2．2 主动配电网的概念及其发展现状

1．2．3 复杂网络理论在主动配电网方面的应用

1．3 本文的主要工作及创新点

1．4 本文的结构安排

第2章 主动配电网动态演化模型建立与分析

2．1 引言

2．2 主动配电网拓扑动态演化建模

2．2．1 位置连接概率

2．2．2 动态演化模型构建方法

2．3 动态演化模型拓扑特性分析

2．3．1 节点的度分布特性分析

2．3．2 动态网络模型评估

2．4 模型可靠性分析

2．5 本章小结

第3章 主动配电网中相继连锁故障分析

3．1 引言

3．2 网络模型构建

3．2．1 有向性网络模型构建方法描述

3．2．2 网络“边负荷”的定义

3．3 有向网络中的相继连锁故障传播

3．3．1 “邻居边”的定义

3．3．2 初始故障与负荷再分布机理

3．3．3 不同触发机理对故障传播特性的影响

3．4 数值实验与结果分析

3．5 本章小结

第4章 多网络间外同步特性研究

4．1 引言

4．2 非线性、延时网络间外同步特性研究

4．2．1 非线性、延时网络节点动态特性描述

4．2．2 外同步控制器设计与稳定性证明

4．2．3 数值仿真与结果分析

4．3 非线性、延时、时变拓扑网络间的外同步特性研究

4．3．1 变拓扑网络节点动态特性描述

4．3．2 变拓扑网络外同步控制器设计与误差收敛证明

4．3．3 数值仿真与结果分析

4．4 说明讨论

4．5 本章小结

第5章 自治微网群间的能量协同调度研究

5．1 引言

5．2 优化目标与拓扑矩阵

5．3 优化调度控制策略

5．4 优化控制实验与结果分析

5．4．1 典型实验场景描述

5．4．2 供需匹配结果及分析

5．4．3 重要负荷满足率效果

5．4．4 供电安全性提升率

5．5 说明讨论

5．6 本章小结

第6章 含储能单元微网群的能量协同调度研究

6．1 引言

6．2 优化目标及储能单元工作特性

6．4 典型实验场景描述

6．4．1 典型实验场景描述

6．4．2 储能设备充电条件下调度划分

6．4．3 储能设备放电条件下调度划分

6．5 仿真实验与结果分析

6．5．1 重要负荷日满足率结果分析

6．5．2 网络全体负荷用电满足率结果分析

6．5．3 DG发电量使用率分析

6．6 说明讨论

6．7 本章小结

第7章 总结与展望

参考文献

附录

博士期间的科研成果及参与的科研项目