一种基于安全域的N-1校验不通过故障集确定方法

摘要

本发明公开了一种基于安全域的N-1校验不通过故障集确定方法，包括：将任一安全边界分为馈线故障类型边界和主变故障类型边界，输出故障馈线或故障主变，指明故障类型，形成初始故障集；将初始故障集中的故障馈线直接输出，加到最终故障集；结合初始故障集中的故障主变、故障主变的备用主变通过安全距离进行判断，获取不可转带负荷、与停止转带负荷，并求和获取转带后主变最小的负荷值；若负荷值大于故障主变的备用主变容量，将故障主变、及故障主变的备用主变加到最终故障集。本方法根据网络结构和参数计算N-1安全边界，不需要仿真；根据实际电网的检验发现，本方法比N-1仿真法在计算速度上有很大提升，具有准确性和快速性优点。

说明书

技术领域

本发明涉及配电网安全域领域，尤其涉及一种运用配电网安全域筛选主变或馈线元件 N-1故障后，负荷转带不成功的故障集确定方法。通过该方法，可以得到任意给定配电网 的N-1校验不通过的故障集。

背景技术

在配电网中，安全高效运行一直是引人关注的问题^[1]。传统的配电网安全评价方法主 要是N-1仿真法^[2-4]，而且一直以来也是应用最广泛的配电网安全评价方法。配电系统的 N-1校验主要包括主变N-1故障和馈线N-1故障两种场景。

其中，馈线N-1校验是考查单条馈线出口故障时，能否将馈线或馈线段负荷转带到其 它联络的馈线；主变N-1校验是考查主变故障时，主变所带负荷能否通过站内或站外联络 的主变进行转带，如果转带的各馈线和主变的负荷都不超过其对应容量的约束，则说明N-1 校验通过，反之不通过。因此该方法是用逐个故障(case)来验证当前配电网的负荷是否满足 安全运行条件，往往需要较长的计算时间，难以做到在线指导配电网运行。

随着智能电网技术的逐步兴起，配电网的快速在线安全评价工具变的越来越重要，因 此，需要寻找新的高效的方法来实时评价配电网的安全性，除了计算准确度上与N-1仿真 法相当，而且计算时间上也应该大大优于N-1仿真法。

发明内容

本发明提供了一种基于安全域的N-1校验不通过故障集确定方法，通过本发明可以得 到任意给定配电网的N-1校验不通过的故障集，提高了计算时间，详见下文描述：

一种基于安全域的N-1校验不通过故障集确定方法，所述确定方法包括以下步骤：

根据安全边界表达式中负荷分布的特征，将任一安全边界分为馈线故障类型边界和主 变故障类型边界，输出故障馈线或故障主变，指明故障类型，形成初始故障集；

将初始故障集中的故障馈线直接输出，作为最终故障集中的元件；

结合初始故障集中的故障主变、故障主变的备用主变通过安全距离进行判断，获取不 可转带负荷、与停止转带负荷，并求和获取转带后主变最小的负荷值；

若负荷值大于故障主变的备用主变容量，将故障主变、及故障主变的备用主变加到最 终故障集。

进一步地，所述根据安全边界表达式中负荷分布的特征，将任一安全边界分为馈线故 障类型边界和主变故障类型边界的步骤具体为：

对安全距离为负的安全边界形成联络单元负荷集；判断联络单元负荷集是否有且只有 一个负荷与其余负荷不在同一主变；

如果是，输出馈线故障类型、故障馈线、故障馈线所在的主变到初始故障集；

如果否，输出主变故障类型、故障主变到初始故障集。

进一步地，所述不可转带负荷具体为：

故障主变及故障主变的备用主变上，安全距离出现负值的馈线或馈线段负荷、及向备 用主变转带的馈线或馈线段负荷的总和。

进一步地，所述停止转带负荷具体为：

故障主变及故障主变的备用主变上转带到站外同一台主变的馈线或馈线段负荷的较 小值的总和。

其中，若所述不可转带负荷与停止转带负荷加和大于故障主变的备用主变容量，将故 障主变、及故障主变的备用主变加到最终故障集的步骤具体为：

将故障主变、及故障主变的备用主变加到最终故障集，并根据负荷值超出备用主变容 量的大小确定转带方案；

若初始故障集中的元件检验完毕，输出最终故障集，流程结束。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明提出了一种应用安全域法得到配电网的 主变或馈线元件N-1校验不通过故障集的方法。本方法通过初始故障集和最终故障集实现 对主变或馈线元件N-1校验。由于本方法与N-1仿真法具有相同的安全约束，因此可以保 证结果的准确性；本方法预先根据网络结构和参数计算N-1安全边界，不需要仿真，因此 可以保证计算过程的快速性。根据实际电网的检验发现，本方法比N-1仿真法在计算速度 上得到了很大的提升，表明本方法具有准确性和快速性的优点。

附图说明

图1为确定初始故障集(OS)算法的流程图；

图2为初始故障集OS到最终故障集(FS)的主变元件处理的流程图；

图3为一种基于安全域的N-1校验不通过故障集确定方法的流程图；

图4为算例的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详 细描述。

近年来，安全域法^[5]在配电网逐步推广，该方法预先根据网络结构和参数计算N-1安 全边界，不需要仿真，能够通过判断工作点在安全边界内外快速计算电网是否安全^[6]，再 依据工作点到安全边界的距离来衡量安全或不安全程度。由于安全域法的前提工作，且其 不需要仿真的特点，使得安全域法的计算速度大大加快，具有很强的优越性。

本发明实施例根据安全域法，得到了配电网主变和馈线N-1校验不通过的故障集确定 方法，本方法同时满足准确性和快速性。

实施例1

一种基于安全域的N-1校验不通过故障集确定方法，参见图1、图2和图3，该方法包括 以下步骤：

101：通过配电网安全域，获取每个馈线或馈线段负荷的安全边界；

102：根据安全边界表达式中负荷分布的特征，将任一安全边界分为馈线故障类型边 界和主变故障类型边界，输出故障馈线或故障主变，指明故障类型，形成初始故障集；

103：将初始故障集中的故障馈线直接输出，作为最终故障集中的元件；

104：结合初始故障集中的故障主变、故障主变的备用主变通过安全距离进行判断， 获取不可转带负荷、与停止转带负荷，并求和获取转带后主变最小的负荷值；

105：若负荷值大于故障主变的备用主变容量，将故障主变、及故障主变的备用主变 加到最终故障集。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-步骤105可以得到任意给定配电网的N-1 校验不通过的故障集，提高了计算时间，满足了实际应用中的需要。

实施例2

下面结合具体的计算公式、例子对实施例1中的方案进行详细的描述，详见下文：201： 通过配电网安全域，获取每个馈线或馈线段负荷的安全边界

其中，配电网安全域可写成如下通式：

$DSSR=\left(\begin{array}{c}{F}_1\le min\left({\mathrm{RF}}_m-F_m,R_i-\underset{F_j\in T_i}{\Sigma }{F}_j-\underset{F_k\in T_j,F_k\ne F_1}{\Sigma }{F}_k\right)\\ F_2\le min\left({\mathrm{RF}}_m-F_m,R_i-\underset{F_j\in T_i}{\Sigma }{F}_j-\underset{F_k\in T_j,F_k\ne F_2}{\Sigma }{F}_k\right)\\ \mathrm{...}\\ F_n\le min\left({\mathrm{RF}}_m-F_m,R_i-\underset{F_j\in T_i}{\Sigma }{F}_j-\underset{F_k\in T_j,F_k\ne F_n}{\Sigma }{F}_k\right)\end{array}\right)---\left(1\right)$

式(1)中，DSSR为安全域；F₁、F₂……F_n表示馈线或馈线段负荷(即，在单联络情况 下，F_n表示该单联络馈线负荷；在多联络情况下，F_n表示可以转带给站外线路的馈线或馈 线段负荷)；F_m表示与F_n有联络关系的馈线或馈线段负荷；F_j表示与F_m接在同一主变的 其他馈线或馈线段负荷；F_k表示故障后与F_n接在同一主变的其他负荷；RF_m表示馈线m 的最大传输容量；T_i表示F_n所在的主变；T_j表示F_n故障后转带到的对侧主变，R_i表示主 变T_i的额定容量。由上述n组安全约束不等式形成安全域DSSR。

每一组不等式中既包括一个馈线容量约束，也包括一个主变容量约束，当两个约束的 等号分别成立时，形成两个安全边界，分别为：

$\begin{array}{c}I:{\mathrm{RF}}_m-F_m-F_n=0\\ II:R_i-\underset{F_j\in T_i}{\Sigma }{F}_j-\underset{F_k\in T_j,F_k\ne F_n}{\Sigma }{F}_k-F_n=0\end{array}---\left(2\right)$

本发明实施例用I表示每个负荷的馈线容量约束安全边界，用II表示每个负荷的主变 容量约束安全边界，每一个安全边界都是n维欧式空间中的超平面。

安全域中，配电网给定工作点到上述2个安全边界的安全距离计算方法分别为：

$\begin{array}{c}{d}_n={\mathrm{RF}}_m-F_m-F_n\\ D_n=R_i-\underset{F_j\in T_i}{\Sigma }{F}_j-\underset{F_k\in T_j,F_k\ne F_n}{\Sigma }{F}_k-F_n\end{array}---\left(3\right)$

其中，d_n为工作点到馈线容量约束安全边界的安全距离；D_n为工作点到主变容量约 束安全边界的安全距离。

202：确定初始故障集；

图1展示了通过任意安全边界得到故障类型和故障元件(馈线或主变)的方法，并依 据此法得到初始故障集(OS)。图1中，联络单元负荷集Φ是指安全边界表达式中包含的 所有馈线或馈线段负荷的集合。

1)选定一任意安全边界h_i，当安全边界h_i属于馈线容量约束的安全边界，则用式(3) 中的第一个式子计算安全距离；当安全边界h_i属于主变容量约束的安全边界，则用式(3) 中的第二个式子计算安全距离；

2)判断安全距离是否小于0；如果否，重新执行步骤1)；如果是，执行步骤3)；

3)对上述安全距离为负的安全边界h_i形成联络单元负荷集Φ；判断联络单元负荷集 Φ是否有且只有一个负荷与其余负荷不在同一主变；如果是，执行步骤4)；如果否，执行 步骤5)；

4)对于安全边界h_i，输出安全边界编号、馈线故障类型、故障馈线、故障馈线所在的 主变(认定为故障主变)到初始故障集OS，执行步骤6)；

5)对于安全边界h_i，输出安全边界编号、主变故障类型、故障主变到初始故障集OS， 执行步骤6)；

6)判断是否计算完所有安全边界，如果是，输出初始故障集OS，流程结束；如果否， 执行步骤1)。

203：确定最终故障集。

其中，初始故障集OS当中的故障馈线直接输出，作为最终故障集(FS)元件。初始 故障集OS当中的故障主变按照图2的流程图处理后输出到最终故障集FS。

1)选择初始故障集OS中的一个故障主变T；

2)判断故障主变T的备用主变是否在初始故障集OS中，如果是，执行步骤3)；如 果否，重新执行步骤1)；

3)将故障主变T及故障主变T的备用主变上，安全距离出现负值的馈线或馈线段负 荷、及向备用主变转带的馈线或馈线段负荷的总和定义为不可转带负荷，不可转带负荷记 为∑F'；

即，将不可转带的馈线或馈线段负荷求和，这部分负荷不转带，其中包括安全距离出 现负值的馈线或馈线段负荷、及向故障主变的备用主变转带的馈线或馈线段负荷。

4)将故障主变T及故障主变T的备用主变上，转带到站外同一台主变的馈线或馈线 段负荷的较小值的总和定义为停止转带负荷，停止转带负荷记为∑F”。

即，将转带到同一台站外主变的馈线或馈线段负荷的较小值加和，从而使得较大的馈 线或馈线段负荷优先转带出去，留下较小的馈线或馈线段负荷不转带。

5)对不可转带负荷∑F'和停止转带负荷∑F”求和，记为∑F；

经过上面两次加和，可以得到转带后主变最小的馈线或馈线段负荷总和∑F，如果该 值小于故障主变的备用主变容量，则说明故障主变N-1安全，否则说明不安全。

6)判断∑F是否大于故障主变的备用主变容量，如果是，执行步骤7)；如果否，执 行步骤1)；

7)将故障主变T、及故障主变的备用主变加到最终故障集，并根据∑F超出故障主变 的备用主变容量的大小确定转带方案；

其中，后续的转带方案为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。

8)初始故障集OS中的故障主变是否检验完毕，如果是，输出最终故障集FS，流程 结束；如果否，执行步骤1)。

即，根据上述步骤可以得到基于安全域的N-1校验不通过故障集。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤201-步骤203得到了配电网主变和馈线N-1校 验不通过的故障集确定方法，该方法同时满足准确性和快速性。

实施例3

下面结合具体的试验、公式对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：

算例电网的网架结构如图4所示，共有2座变电站，4台主变，20条馈线出线，22个 馈线或馈线段负荷，编号1～22分别表示F₁～F₂₂，馈线均选用JKLYJ-185，其允许容量为 11.30MVA。变电站主变数据见表1；当前配网的负荷水平数据见表2。

表1主变基本信息

表2负荷水平

1)计算配电网的安全边界和安全距离，当前配电网的安全域为：

F₁≤min(RF₁₁-F₁₁,R₃-F₁₁-F₁₂-F₁₃-F₁₄-F₁₅-F₂₁)

F₂≤min(RF₁₆-F₁₆,R₄-F₁₆-F₁₇-F₁₈-F₁₉-F₂₀)

F₃≤min(RF₁₀-F₁₀,R₂-F₆-F₇-F₈-F₉-F₁₀-F₄-F₅)

F₄≤min(RF₉-F₉,R₂-F₆-F₇-F₈-F₉-F₁₀-F₄-F₅)

F₅≤min(RF₈-F₈,R₂-F₆-F₇-F₈-F₉-F₁₀-F₃-F₄)

F₆≤min(RF₂₀-F₂₀,R₄-F₁₆-F₁₇-F₁₈-F₁₉-F₂₀-F₇)

F₇≤min(RF₁₇-F₁₇,R₄-F₁₆-F₁₇-F₁₈-F₁₉-F₂₀-F₆)

F₈≤min(RF₅-F₅,R₁-F₁-F₂-F₃-F₄-F₅-F₉-F₁₀)

F₉≤min(RF₄-F₄,R₁-F₁-F₂-F₃-F₄-F₅-F₈-F₁₀)

F₁₀≤min(RF₃-F₃,R₁-F₁-F₂-F₃-F₄-F₅-F₈-F₉)

F₁₁≤min(RF₁-F₁,R₁-F₁-F₂-F₃-F₄-F₅-F₁₃-F₂₁)(4)

F₁₂≤min(RF₆-F₆-F₂₂,R₂-F₆-F₇-F₈-F₉-F₁₀-F₂₂)

F₁₃≤min(RF₂-F₂-F₂₁,R₁-F₁-F₂-F₃-F₄-F₅-F₁₁-F₂₁)

F₁₄≤min(RF₁₈-F₁₈,R₄-F₁₆-F₁₇-F₁₈-F₁₉-F₂₀-F₁₅)

F₁₅≤min(RF₁₉-F₁₉,R₄-F₁₆-F₁₇-F₁₈-F₁₉-F₂₀-F₁₄)

F₁₆≤min(RF₂-F₂-F₂₁,R₁-F₁-F₂-F₃-F₄-F₅-F₂₁)

F₁₇≤min(RF₇-F₇,R₂-F₆-F₇-F₈-F₉-F₁₀-F₂₂-F₂₀)

F₁₈≤min(RF₁₄-F₁₄,R₃-F₁₁-F₁₂-F₁₃-F₁₄-F₁₅-F₁₉)

F₁₉≤min(RF₁₅-F₁₅,R₃-F₁₁-F₁₂-F₁₃-F₁₄-F₁₅-F₁₈)

F₂₀≤min(RF₆-F₆-F₂₂,R₂-F₆-F₇-F₈-F₉-F₁₀-F₂₂-F₁₇)

F₂₁≤min(RF₁₃-F₁₃,R₃-F₁₁-F₁₂-F₁₃-F₁₄-F₁₅-F₁)

F₂₂≤min(RF₁₂-F₁₂,R₃-F₁₁-F₁₂-F₁₃-F₁₄-F₁₅)

根据安全域得到安全边界为：

RF₁₁-F₁₁-F₁＝0,R₃-F₁₁-F₁₂-F₁₃-F₁₄-F₁₅-F₂₁-F₁＝0

RF₁₆-F₁₆-F₂＝0,R₄-F₁₆-F₁₇-F₁₈-F₁₉-F₂₀-F₂＝0

RF₁₀-F₁₀-F₃＝0,R₂-F₆-F₇-F₈-F₉-F₁₀-F₄-F₅-F₃＝0

RF₉-F₉-F₄＝0,R₂-F₆-F₇-F₈-F₉-F₁₀-F₄-F₅-F₄＝0

RF₈-F₈-F₅＝0,R₂-F₆-F₇-F₈-F₉-F₁₀-F₃-F₄-F₅＝0

RF₂₀-F₂₀-F₆＝0,R₃-F₁₆-F₁₇-F₁₈-F₁₉-F₂₀-F₇-F₆＝0

RF₁₇-F₁₇-F₇＝0,R₄-F₁₆-F₁₇-F₁₈-F₁₉-F₂₀-F₆-F₇＝0

RF₅-F₅-F₈＝0,R₁-F₁-F₂-F₃-F₄-F₅-F₉-F₁₀-F₈＝0

RF₄-F₄-F₉＝0,R₁-F₁-F₂-F₃-F₄-F₅-F₈-F₁₀-F₉＝0

RF₃-F₃-F₁₀＝0,R₁-F₁-F₂-F₃-F₄-F₅-F₈-F₉-F₁₀＝0

RF₁-F₁-F₁₁＝0,R₁-F₁-F₂-F₃-F₄-F₅-F₁₃-F₂₁-F₁₁＝0(5)

RF₆-F₆-F₂₂-F₁₂＝0,R₂-F₆-F₇-F₈-F₉-F₁₀-F₂₂-F₁₂＝0

RF₂-F₂-F₂₁-F₁₃＝0,R₁-F₁-F₂-F₃-F₄-F₅-F₁₁-F₂₁-F₁₃＝0

RF₁₈-F₁₈-F₁₄＝0,R₄-F₁₆-F₁₇-F₁₈-F₁₉-F₂₀-F₁₅-F₁₄＝0

RF₁₉-F₁₉-F₁₅＝0,R₄-F₁₆-F₁₇-F₁₈-F₁₉-F₂₀-F₁₄-F₁₅＝0

RF₂-F₂-F₂₁-F₁₆＝0,R₁-F₁-F₂-F₃-F₄-F₅-F₂₁-F₁₆＝0

RF₇-F₇-F₁₇＝0,R₂-F₆-F₇-F₈-F₉-F₁₀-F₂₂-F₂₀-F₁₇＝0

RF₁₄-F₁₄-F₁₈＝0,R₃-F₁₁-F₁₂-F₁₃-F₁₄-F₁₅-F₁₉-F₁₈＝0

RF₁₅-F₁₅-F₁₉＝0,R₃-F₁₁-F₁₂-F₁₃-F₁₄-F₁₅-F₁₈-F₁₉＝0

RF₆-F₆-F₂₂-F₂₀＝0,R₂-F₆-F₇-F₈-F₉-F₁₀-F₂₂-F₁₇-F₂₀＝0

RF₁₃-F₁₃-F₂₁＝0,R₃-F₁₁-F₁₂-F₁₃-F₁₄-F₁₅-F₁-F₂₁＝0

RF₁₂-F₁₂-F₂₂＝0,R₃-F₁₁-F₁₂-F₁₃-F₁₄-F₁₅-F₂₂＝0

工作点到上述安全边界的安全距离分别为：

表3安全距离

注：h1I表示安全边界h1的馈线容量约束，h1II表示安全边界h1的主变容量约束。

2)计算初始故障集

根据表3安全距离为负的数值筛选初始故障集元件，结果为：

表4初始故障集

3)计算最终故障集

表4的馈线元件直接输出到最终故障集。

主变元件R1、R2互为备用主变，主变元件R3、R4互为备用主变，都应按照图2的 流程图进行分析：

R1、R2的不可转带负荷为F1、F3、F4、F5、F8、F9、F10，总和共计37.64MVA； R3、R4没有不可转带负荷，总和计为0MVA。

R1、R2的停止转带负荷为F21、F6、F7，总和共计为12.22MVA；R3、R4的停止转 带负荷为F12、F20，总和共计为5.54MVA。

将R1、R2的不可转带负荷与停止转带负荷加和，共计为49.86MVA，即转带后主变 最小的负荷值大于主变容量40MVA，所以主变R1、R2同时为最终故障集元件；将R3、 R4的不可转带负荷与停止转带负荷加和，共计为5.54MVA，即转带后主变最小的负荷值 小于主变容量40MVA，所以主变R3、R4都不是最终故障集元件。

得到的最终故障集为：

表5最终故障集

4)正确性和快速性验证

正确性：

将上述实施例用N-1仿真法验证，N-1仿真计算结果为：

表6N-1仿真计算结果

将表6与表5对比发现，N-1仿真法计算故障集的结果与本方法计算故障集的结果相 同。

快速性：

针对本方法编程实现并验证，采用的处理器为Intel(R)Core(TM)i5CPUM 4302.27GHz，内存为4GB，系统为MicrosoftWindows7旗舰版，编程语言C++。针对 上述实施例，计算故障集的时间为2ms。N-1仿真法计算故障集的计算时间为56ms。说明 本方法具有快速性的优点。

参考文献：

[1]肖峻，贺琪博，苏步芸.基于安全域的智能配电网安全高效运行模式[J].电力系统自动 化，2014，38(19)：52-60

[2]刘理峰，李志买，郭肖辉.配电网N-1算法研究应用[J].陕西电力，2010，38(2)：46-49 [3]HayashiY，MatsukiJ.LossminimumconfigurationofdistributionsystemconsideringN-1 securityofdispersedgenerators[J].IEEETransonPowerSystem，2004，19(1)：636-642

[4]束洪春，张静芳，刘宗兵.基于馈线分区的复杂配电网可靠性区间分析[J].电网技术， 2008，32(19)：37-41

[5]肖峻，谷文卓，王成山.面向智能配电系统的安全域模型[J].电力系统自动化，2013， 37(8)：14-19

[6]专利：肖峻，王成山，余贻鑫，谷文卓.一种基于配电系统安全域的评价方法.已授权 专利，CN201110283824.0

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号 仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。