基于改进雷达图的配电网综合状态评估实用化方法

摘要

本发明公开了一种基于改进雷达图的配电网综合状态评估实用化方法，该方法包括：确定最小配电子岛与最小配电子网；确定最小配电子网是配电网络分析的最小分析单元；按照故障的影响程度和范围，其运行状态按由优到差的顺序可分为五个等级，根据出现的情况分别进入该五种状态；整个配电网络的状态指标取所含配电子网指标的最小值。本发明建立一种融合配电网当前运行状态评估与未来运行状态评估的综合状态评估方法，并简单直观方便的给予展示，具有重要现实意义。

说明书

技术领域

本发明涉及配电网运行状态评估领域，具体来说是一种基于改进雷达图的 配电网综合状态评估实用化方法。

背景技术

电网运行状态评估系统是智能电网的重要组成部分，对提高调度效率， 避免故障发生与扩大，提高供电可靠性具有重要意义。

目前对电网的状态评估多集中在输电网领域，且主要是风险评估，其通 过电网中主要设备故障发生风险概率给出一定的评分指标，采取的方法主要 有枚举法、蒙特卡洛法、遗传算法、粒子群算法、基于事故随机性分析法、 基于事故模糊性与随机性综合分析法等。

配电网作为电力输送的终端网络，较之输电网，其网络结构更复杂，所 含设备数量更庞大，电网运行状态更加难以确定。同时，由于配电网中分布 式电源、微网及储能设备的接入，使得智能配电网的运行方式更加多样化， 安全状态评估难度更大。

配电网的综合状态评估是描述配电网一段时间内电网安全程度的重要指 标，其不仅与配电网当前时刻的运行状态有关，与一段时间内未来时刻的运 行状态也具有相关性。

因此，建立一种融合配电网当前运行状态评估与未来运行状态评估的综 合状态评估方法，并简单直观方便的给予展示，具有重要现实意义。

发明内容

本发明的目的在于解决配电网运行中综合安全状态评估，结合配电网特点， 给出一种基于改进雷达图的配电网综合状态评估实用化方法。

用于实现上述目的的技术方案如下：

一种基于改进雷达图的配电网综合状态评估实用化方法，该方法包括如下 步骤：

（1）确定最小配电子岛与最小配电子网；确定最小配电子网是配电网络分 析的最小分析单元；

（2）按照故障的影响程度和范围，其运行状态按由优到差的顺序可分为五 个等级，即经济安全状态、非经济安全状态、警戒状态、异常状态、紧急状态， 对该五种状态进行划分；

（3）只要有故障发生，最小配电子网即进入紧急状态；

（4）只要最小配电子网中有子岛的N-1极限失电率大于0，子网即进入异 常状态；

（5）只要有开关负荷重载，则最小配电子网即进入警戒状态；

（6）若只有子网负荷均衡率超过一定限值，无其他异常，则子网进入非经 济安全运行状态；

（7）若子网负荷均衡率小于限值，且无任何其他异常，则子网进入经济安 全运行状态；

（8）整个配电网络的状态指标取所含配电子网指标的最小值。

所述五种状态采用百分制进行划分：[0,30]分为紧急状态，(30,60]分为 异常状态，(60,80]分为警戒状态，(80,90]分为非经济安全状态，(90,100]分 为经济安全状态。

所述紧急状态评估指标具体描述为：

$\mathrm{MDS}=30(1-\mathrm{IL}/\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\mathrm{SI}}_{\mathrm{Ni}});$

其中，MDS为最小配电子网运行状态指标评分，IL为故障隔离后的失电负 荷电流总量，N为最小配电子网所含最小配电子岛数，SI_Ni为第i个最小配电子 岛电源开关额定电流;

所述异常状态评估指标具体描述为：

MDS=30+30(1-NL)；

其中，NL为最小配电子网N-1极限失电率，其是所含最小配电子岛N-1 极限失电率的最大值，最小配电子岛N-1极限失电率MNL描述为：

${\mathrm{MNL}}_j=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\mathrm{SI}}_i-\underset{i=1,i\ne j}{\overset{N}{\Sigma }}{\mathrm{SI}}_{\mathrm{Ni}}}{{\mathrm{SI}}_j};$

其中，i，j＝1,2,...,N为最小配电子网包含的子岛数，SI_i为流过第i个最小配 电子岛电源开关的负荷电流;

所述警戒状态评估指标具体描述为：

$\mathrm{MDS}=60+20\frac{1-\mathrm{LV}}{1-K};$

其中，K为开关负荷重载率限值，一般取0.8；LV为最小配电子网负荷重 载率，是最小配电子网中所有开关负荷重载率的最大值；开关负荷重载率为流 过开关的负荷电流与开关额定电流的比值;

所述非经济安全运行状态评估指标具体描述为：

MDS＝80+10C/MRLC；

其中，C为子网负荷均衡率限值，MRLC为子网负荷均衡率，其是子网内 所含联络开关负荷均衡率的最大值；联络开关负荷均衡率SRLC描述为：

${\mathrm{SRLC}}_i=\frac{\max [{\mathrm{LT}}_{i1},{\mathrm{LT}}_{i2}]}{\min [{\mathrm{LT}}_{i1},{\mathrm{LT}}_{i2}]};$

其中，LT_i1,LT_i2为联络开关所关联两相邻电源点的归一化负荷，是流过 电压开关的负荷电流与电源开关额定电流的比值;

所述经济安全运行状态评估指标具体描述为：

$\mathrm{MDS}=90+10\frac{C-\mathrm{MRLC}}{C-1};$

所述整个配电网络的状态指标具体为：

DS＝min[MDS₁,MDS₂,...,MDS_N]；

其中，DS为配电网络运行状态指标评分，N为配电网络所含最小配电子 网数。

运用雷达图分析法对配电网综合状态评估进行描述:同心圆A1~A5分别表 示配电网的紧急状态、异常状态、警戒状态、非经济安全状态、经济安全状态； 轴X、Y、Z分别表示当前运行状态评估指标、15分钟后运行状态评估指标、60 分钟后运行状态评估指标；各轴之间相差120度；O为同心圆圆点;以X、Y、 Z轴与圆A1的交点为各轴的原点，即x_o、y_o、z_o，表示分值0，以同心圆点O 作为三轴的顶点，表示分值100；各轴变量与顶点O之间的距离称谓状态距离， 状态距离越小表示该时刻的状态评估指标越高。

用三角形xyz面积所占最大等边三角形x_oy_oz_o面积的比例描述配电网综 合状态评估指标，即第一综合状态评估指标，具体描述为：

${\mathrm{SDS}}_1=100(1-S_{\mathrm{xyz}}/S_{x_o{y}_o{z}_o});$

其中，SDS₁为配电网第一综合状态评估指标，S_xyz为三角形xyz面积，S_xoyozo为三角形x_oy_oz_o面积。

用三角形xyz周长所占最大等边三角形x_oy_oz_o周长的比例描述配电网综 合状态评估指标，即第二综合状态评估指标，具体描述为：

${\mathrm{SDS}}_2=100(1-C_{\mathrm{xyz}}/C_{x_o{y}_o{z}_o});$

其中，SDS₂为配电网第二综合状态评估指标，C_xyz为三角形xyz周长，C_xoyozo为三角形x_oy_oz_o周长。

用三角形xyz面积与周长的均方根所占最大等边三角形x_oy_oz_o面积与周 长的均方根比例描述配电网综合状态评估指标，即第三综合状态评估指标， 具体描述为：

${\mathrm{SDS}}_3=100(1-\sqrt{S_{\mathrm{xyz}}{C}_{\mathrm{xyz}}}/\sqrt{S_{x_o{y}_o{z}_o}{C}_{x_o{y}_o{z}_o}});$

其中，SDS₃为配电网第三综合状态评估指标，S_xyz为三角形xyz面积，S_xoyozo为三角形x_oy_oz_o面积，C_xyz为三角形xyz周长，C_xoyozo为三角形x_oy_oz_o周长。

本发明有益技术效果：给出了一种最小配电子网划分方法，提出了一种包 含紧急状态、异常状态、警戒状态、非经济安全状态、经济安全状态五种等级 的最小配电子网状态评估方法，并以子网最差原则描述了整个配电网的状态评 估。运用雷达图对五种状态进行了分级显示，并运用雷达图面积与周长对配电 网当前运行状态、15分钟后状态、60分钟后状态进行了整合，给出了三种描述 配电网综合状态评估的方法。

附图说明

图1为配电网综合状态评估雷达图；

图2为典型配电网络图。

具体实施方式

下面对本发明进行详细的说明：

（1）首先，确定最小配电子岛与最小配电子网。将由开关及馈线段组成的 封闭集合称为配电区域。如果一区域至少含有一电源点，边界节点为联络开关 或末梢节点，且内点皆为分段开关，则称该区域为最小配电子岛。将具有相同 联络开关的两最小配电子岛称为相邻最小配电子岛，两配电子岛的电源点称为 该联络开关的相邻电源点。将具有连通关系的所有相邻最小配电子岛组成的区 域称为最小配电子网。

（2）然后，以最小配电子网作为配电网络分析的最小分析单元，按照故障 的影响程度和范围。将最小配电子网运行状态按由优到差的顺序可分为五个等 级，即：经济安全状态、非经济安全状态、警戒状态、异常状态、紧急状态。

一个配电网络包括多个最小配电子网，为保证整个电网运行的可靠性， 采取审慎原则，用最差运行状态的最小配电子网描述整个配电网络的运行状 态。

运用百分制对五种状态进行划分：[0,30]分为紧急状态，(30,60]分为异 常状态，(60,80]分为警戒状态，(80,90]分为非经济安全状态，(90,100]分为 经济安全状态，“（”表示不包含端值，“[”与“]”表示包含端值；也可以采用 其他方式进行划分。

（3）只要有故障发生，最小配电子网即进入紧急状态。其状态评估指标 具体描述为：

$\mathrm{MDS}=30(1-\mathrm{IL}/\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\mathrm{SI}}_{\mathrm{Ni}})---\left(1\right)$

其中，MDS为最小配电子网运行状态指标评分，IL为故障隔离后的失电负 荷电流总量，N为最小配电子网所含最小配电子岛数，SI_Ni为第i个最小配电子 岛电源开关额定电流。

只要最小配电子网中有子岛的N-1极限失电率大于0，子网即进入异常状态。 其状态评估指标具体描述为：

MDS=30+30(1-NL)    (2)

其中，NL为最小配电子网N-1极限失电率，其是所含最小配电子岛 N-1极限失电率的最大值，最小配电子岛N-1极限失电率MNL描述为：

${\mathrm{MNL}}_j=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\mathrm{SI}}_i-\underset{i=1,i\ne j}{\overset{N}{\Sigma }}{\mathrm{SI}}_{\mathrm{Ni}}}{{\mathrm{SI}}_j}---\left(3\right)$

其中，i,j＝1,2,…,N为最小配电子网包含的子岛数，ST_i为流过第i个 最小配电子岛电源开关的负荷电流。

只要有开关负荷重载，则最小配电子网即进入警戒状态。其状态评估指 标具体描述为：

$\mathrm{MDS}=60+20\frac{1-\mathrm{LV}}{1-K}---\left(4\right)$

其中，K为开关负荷重载率限值，一般取0.8；LV为最小配电子网负荷 重载率，是最小配电子网中所有开关负荷重载率的最大值。开关负荷重载率 为流过开关的负荷电流与开关额定电流的比值。

若只有子网负荷均衡率超过一定限值，无其他异常，则子网进入非经济 安全运行状态。其状态评估指标具体描述为：

MDS=80+10C/MRLC    (5)

其中，C为子网负荷均衡率限值，MRLC为子网负荷均衡率，其是子网内 所含联络开关负荷均衡率的最大值。联络开关负荷均衡率SRLC描述为：

${\mathrm{SRLC}}_i=\frac{\max [{\mathrm{LT}}_{i1},{\mathrm{LT}}_{i2}]}{\min [{\mathrm{LT}}_{i1},{\mathrm{LT}}_{i2}]}---\left(6\right)$

其中，LT_i1,LT_i2为联络开关所关联两相邻电源点的归一化负荷，是流过 电压开关的负荷电流与电源开关额定电流的比值。

若子网负荷均衡率小于限值，且无任何其他异常，则子网进入经济安全 运行状态。其状态评估指标具体描述为：

$\mathrm{MDS}=90+10\frac{C-\mathrm{MRLC}}{C-1}---\left(7\right)$

整个配电网络的状态指标是所含配电子网指标的最小值，具体为：

DS＝min[MDS₁,MDS₂,…,MDS_N]    (8)

其中，DS为配电网络运行状态指标评分，N为配电网络所含最小配电子 网数。

（4）然后，取配电网当前运行状态评估指标、15分钟后运行状态评估指标、 60分钟后运行状态评估指标，运用雷达图分析法对配电网综合状态评估进行描 述。如图1雷达图所示，同心圆A1~A5分别表示配电网的紧急状态、异常状态、 警戒状态、非经济安全状态、经济安全状态；轴X、Y、Z分别表示当前状态、 15分钟后状态、60分钟后状态；各轴之间相差120度；O为同心圆圆点。

因配电网多运行在非经济安全状态与经济状态，为方便展示及观察，A1~A4 各个同心圆的半径分别为4R、7/2R、3R、2R。其中，R为圆A5的半径。

以X、Y、Z轴与圆A1的交点为各轴的原点，如图1所示x_o、y_o、z_o，表 示分值0，以同心圆点O作为三轴的顶点，表示分值100。各轴变量与顶点O 之间的距离称谓状态距离，状态距离越小表示该时刻的状态评估指标越高。

圆A1、A2与各轴相交点之间的距离表示0~30分，圆A2、A3与各轴相交 点之间的距离表示30~60分，圆A3、A4与各轴相交点之间的距离表示60~80 分，圆A4、A5与各轴相交点之间的距离表示80~90，圆A5、O与各轴相交点 之间的的距离表示90~100。

（5）设配电网状态评估指标评分为S，其映射在坐标轴上的变量点与顶 点O之间的状态距离D描述为：

$D=\left(\begin{array}{cc}R-R(S-90)/10& 90<S\le 100\\ 2R-R(S-80)/10& 80<S\le 90\\ 3R-R(S-60)/20& 60<S\le 80\\ 7R/2-R(S-30)/60& 30<S\le 60\\ 4R-\mathrm{RS}/60& 0\le S\le 30\end{array}\right)---\left(9\right)$

如图1中阴影所示，某时刻X、Y、Z三轴变量x、y、z将围成一封闭三角 区域，极限状态下，当各轴状态距离为4R时，所围区域为一最大等边三角；当 各轴状态距离为0时，所围区域为一点。

（6）最后，用三角形xyz面积所占最大等边三角形x_oy_oz_o面积的比例描 述配电网综合状态评估指标，称为第一综合状态评估指标，具体描述如下：

${\mathrm{SDS}}_1=100(1-S_{\mathrm{xyz}}/S_{x_o{y}_o{z}_o})---\left(10\right)$

其中，SDS₁为配电网第一综合状态评估指标，S_xyz为三角形xyz面积，S_xoyozo为三角形x_oy_oz_o面积。具体描述为：

$\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{xyz}}=\sin \alpha (D_x{D}_y+D_y{D}_z+D_x{D}_z)/2\\ S_{x_o{y}_o{z}_o}=\sin \alpha ·3·{\left(4R\right)}^2/2\end{array}\right)---\left(11\right)$

其中，α为各轴之间夹角，为120度；D_x、D_y、D_z为各轴的状态距离。设 A=D_xD_y+D_yD_z+D_xD_z，公式（10）可以化简为：

SDS₁=100(1-A/48R²)    (12)

若用三角形xyz周长所占最大等边三角形x_oy_oz_o周长的比例描述配电网 综合状态评估指标，称为第二综合状态评估指标，具体描述如下：

${\mathrm{SDS}}_2=100(1-C_{\mathrm{xyz}}/C_{x_o{y}_o{z}_o})---\left(13\right)$

其中，SDS₂为配电网第二综合状态评估指标，C_xyz为三角形xyz周长，C_xoyozo为三角形x_oy_oz_o周长。具体描述为：

$\left(\begin{array}{c}{C}_{\mathrm{xyz}}=2(D_x^2+D_y^2+D_z^2)-\\ 2\cos \alpha (D_x{D}_y+D_y{D}_z+D_x{D}_z)\\ C_{x_o{y}_o{c}_o}=6{\left(4R\right)}^2-6\cos \alpha {\left(4R\right)}^2\end{array}\right)---\left(14\right)$

设B=D_x²+D²_y+D²_z，根据公式（14）对公式（13）进行化简得：

${\mathrm{SDS}}_2=100(1-\frac{2B+A}{{144R}^2})---\left(15\right)$

若用三角形xyz面积与周长的均方根所占最大等边三角形x_oy_oz_o面积与 周长的均方根比例描述配电网综合状态评估指标，称为第三综合状态评估指 标，具体描述如下：

${\mathrm{SDS}}_3=100(1-\sqrt{S_{\mathrm{xyz}}{C}_{\mathrm{xyz}}}/\sqrt{S_{x_o{y}_o{z}_o}{C}_{x_o{y}_o{z}_o}})---\left(16\right)$

其中，SDS₃为配电网第三综合状态评估指标，S_xyz为三角形xyz面积，S_xoyozo为三角形x_oy_oz_o面积，C_xyz为三角形xyz周长，C_xoyozo为三角形x_oy_oz_o周长。

根据公式（11）、（14）对公式（16）化简得：

${\mathrm{SDS}}_3=100(1-\sqrt{\frac{A^2+2\mathrm{AB}}{{6912R}^4}})---\left(17\right)$

利用本发明所提出的方法进行配电网综合状态评估的具体方法如下：

如图2所示配电网络，S1～S5电源开关额定电流为1250A，其他开关额 定电流为630A。表1为最小配电子网划分，表2为当前状态、15分钟后状态、 60分钟后状态的情况描述。

根据上述（1）中所述，对最小配电子网划分如表1。

表1 最小配电子网划分表

表2 最小配电子网状态表

根据上述（3）所述，当前电网处于非经济安全状态，最小配电子网1、 2的评分分别为89.87、88.33，根据最差原则，当前电网状态评分为88.33 分；15分钟后电网处于警戒状态，最小配电子网1、2的评分分别为64.76、 74.28，根据最差原则，15分钟后电网状态评分为64.76分；60分钟后电网 处于经济安全状态，最小配电子网1、2的评分分别为98.62、97.89，根据 最差原则，60分钟后电网状态评分为97.89分。具体如表3所示。

表3 图2配电网状态评分

根据上述（6）所述，配电网第一综合状态评估指标为91.56分，配电网 第二综合状态评估指标为84.64分，配电网第三综合状态评估指标为88.61 分，有此可知，第一综合状态评估指标相较其他两种指标具有趋好的特性， 第二综合状态评估指标相较其他两种指标具有趋差特性，第三综合状态评估 指标相交其他两种评估指标具有趋中特性。