一种区域配电网脆弱性评估方法

摘要

一种区域配电网脆弱性评估方法,涉及供电技术领域,用于解决现有技术中的脆弱性评价方法难以适用于区域电网的问题。一种区域配电网脆弱性评估方法，包括以下步骤：(1)划定区域电网；(2)确定步骤(1)中所述的区域电网中的各项指标并对每项指标分别设置权重；(3)对步骤2)中所述的每项指标分别评分；(4)采用加权法求得所述区域电网的总分；(5)根据区域电网的总分判断区域电网的脆弱性，总分越低越脆弱。有益效果是，适用于高渗透率分布式电源接入条件下的区域电网的脆弱性评价，具有评价准确实用的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及供电技术领域，具体地说是一种区域配电网脆弱性评估方法。

背景技术

电网脆弱性是指系统在正常运行时，所能够承受干扰或故障的能力，以及不能够维持正常运行的可能趋势，即电网发生安全风险的可能性以及发生风险后抵抗风险、保持稳定运行的能力。目前，电网脆弱性的评估研究主要集中在高压输电网，评估方法主要包括基于运行状态的脆弱性评估及基于电网结构的脆弱性评估两方面。对运行状态脆弱性的研究方法主要有能量函数法和基于概率的风险理论分析法；对结构脆弱性的研究方法主要有基于复杂网络理论、基于概率的风险理论及与人工智能相结合的方法等。

1.状态脆弱性及其模型

状态(指元件或单元的运行状态)脆弱性是指系统在遭受扰动或故障后,元件状态变量发生变化(如电压下降或呈现下降趋势),并可能向临界值(电压崩溃点)逼近的特性。传统稳定分析法，引入复杂网络理论中的参数—介数,作为单元状态脆弱权重,对相同Δ,ρ,μ大小单元进行区别。

定义单元状态脆弱强度为状态脆弱强度倒数与单元介数的乘积：

式中:Δ为绝对脆弱强度,是状态变量当前值α(t)与临界值α临界的裕度大小；ρ为相对脆弱强度,是当前裕度与初始安全裕度的百分比；μ为灵敏度脆弱强度,是状态变量变化与参考函数变化的比值(如母线电压变化与母线功率变化之比)；Bi为单元介数，Γi′为单元状态脆弱强度，将Δ,ρ,μ用Γ统一表示。

2.结构脆弱性及其模型

结构脆弱性是指网络中某一单元或某一些单元退出或相继退出(连锁故障模式)后,网络保持其拓扑结构完整并正常运行的能力。考虑到电网的规模性,同一电网中不同负荷节点的经济性有所差别,即单位负荷损失造成的损失有所不同,由此提出了基于负荷经济因子的网络负荷损失经济性后评估指标。

式中:Mk为单元k退出网络后造成的损失；εi为节点i的负荷经济因子；Ψ为网络负荷损失节点集合；、Li为节点i负荷损失。

3.结合两脆弱性的综合电网脆弱性评估模型

将传统稳定分析方法与复杂网络理论相结合,综合考虑电网运行与结构两脆弱因子，在单元状态脆弱强度Γi′中引入介数作为权重便是结合了结构因素,而采用经济性后评估指标Mk可以进一步细化结构脆弱强度的差别。由此提出结合元件状态脆弱性与结构脆弱性的电网脆弱评估模型：

V_i＝Γ_i′M_k

式中:Vi为网络单元i的脆弱值。

上述的电网脆弱性评价方法以下问题：

1.现有的电网脆弱性评估模型主要考虑系统承受干扰的能力及其受影响的程度，即电网的动态安全性和电能质量，关注电力系统元件的暂态特性，不适用于区域配电网。配电网具有不同于输电网的特点，主要包括：①配电网区域性较为明显；②配电网电压等级较低，单条馈电线路传输功率一般不大，传输距离较近；③网络结构多样、复杂，运行方式更灵活。④动态元件的数量较少，暂态过程不明显。上述这些特点都决定了配电网的脆弱性评估主要考虑静态安全、供电质量、设备配置等方面，现有的电网脆弱性评估模型缺少配电网脆弱性的准确定义和针对区域配电网的脆弱性评估方法及指标体系。

2.分布式电源单体容量较小时，低渗透率分布式电源接入对电网脆弱性的影响可以忽略，随着分布式电源在电力系统中所占比例的不断扩大，部分区域电网内分布式电源渗透率高，甚至出现配电网向主网反送电的情况，这就改变了电网的有功及无功潮流方向，对电网电压、线损、电能质量、继电保护配置及短路电流等方面均带来不同程度的影响。现有的电网脆弱性评估模型缺少对高渗透率分布式电源接入情况下的区域配电网脆弱性研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种区域配电网脆弱性评估方法，用于解决现有技术中的脆弱性评价方法难以适用于区域电网的问题。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种区域配电网脆弱性评估方法，包括以下步骤：

(1)划定区域电网；

(2)确定步骤(1)中所述的区域电网中的各项指标并对每项指标分别

设置权重；

(3)对步骤(2)中所述的每项指标分别评分；

(4)采用加权法求得所述区域电网的总分；

(5)根据区域电网的总分判断区域电网的脆弱性，总分越低越脆弱。

进一步地，各所述指标包括电压冗余度、事故负荷损失、短路电流、线路满过载、变压器满过载、线路N-1通过率、变压器N-1通过率、开关设备、运动信息采集、通信设备、保护配置、电压闪变、电压偏差、电压波动、谐波畸变、电压不平衡、直流电流分量和谐波电流；

各项所述指标的评分方法是，首先对每项所述指标设置与指标值相关的评分公式，然后根据评分公式进行评分。

进一步地，将各项所述指标分为网架结构、安全评价和电能质量三大类，网架结构由所述电压冗余度和事故负荷损失构成；

安全评价由所述短路电流、所述线路满过载、所述变压器满过载、所述线路N-1通过率、所述变压器N-1通过率、所述开关设备、所述运动信息采集、所述通信设备和所述保护配置构成；

电能质量由所述电压闪变、所述电压偏差、所述电压波动、所述谐波畸变、所述电压不平衡、所述直流电流分量和所述谐波电流构成；

通过加权法求得网架结构中的各项指标的分数的总分作为网架结构的评分，网架结构的评分越低网架结构越脆弱；

通过加权法求得安全评价中的各项指标的分数的总分作为安全评价的总分，安全评价的总分越低安全评价越低；

通过加权法求得电能质量中的各项指标的分数的总分作为电能质量的总分，电能质量的总分越低电能质量越差。

进一步地，所述网架结构中的各项所述指标的指标值通过系统仿真计算的方式获得，所述安全评价中的各项所述指标的指标值通过调查的方式获得，所述电能质量中的各项所述指标的指标值通过在线监测和数据分析的方式获得。

进一步地，将所述网架结构分为运行参数和事故防御两类，运行参数由所述电压冗余度构成，事故防御由所述事故负荷损失构成，通过所述电压冗余度的分数来评价运行参数的脆弱性，通过所述事故负荷损失的评分来评价事故防御型的脆弱性，评分越低越脆弱。

进一步地，将所述安全评价分为供电能力和设备配置两类，供电能力由所述短路电流、所述线路满过载、所述变压器满过载、所述线路N-1通过率和所述变压器N-1通过率构成，设备配置由所述开断设备、所述运动信息采集、所述通信设备和所述保护配置构成；

通过加权法求得供电能力中的各项指标的分数的总分作为供电能力的评分，供电能力的评分越低，供电能力越脆弱；

通过加权法求得设备配置中的各项指标的分数的总分作为设备配置的评分，设备配置的评分越低，设备配置越脆弱。

进一步地，将所述电能质量分为供电电压和供电电流两类，供电电压由所述电压闪变、所述电压偏差、所述电压波动、所述谐波畸变和所述电压不平衡构成，供电电流由所述直流电流分量和所述谐波电流构成；

通过加权法求得供电电压中的各项指标的分数的总分作为供电电压的评分，供电电压的评分越低所述供电电压越脆弱；

通过加权法求得供电电流中的各项指标的分数的总分作为供电电流的评分，供电电流的评分越低所述供电电流越脆弱。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种区域配电网脆弱性评估方法，本发明能够适用于区域配电网，能够准确直观的评价电网中的各个区域的脆弱性，尤其能够直观的评价高渗透率分布式电源接入条件下的区域电网的脆弱性。能够帮助技术人员及时的发现电网中较为脆弱的区域和环节。解决了区域配电网脆弱性评估方法欠缺的问题，具有实用，评价准确的特点。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明中的各项指标的分类图；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，一种区域配电网脆弱性评估方法，包括以下步骤：

(1)划定区域电网；

(2)确定步骤(1)中的区域电网中的各项指标并对每项指标分别设置

权重；

(3)对步骤2)中的每项指标分别评分；

(4)采用加权法求得区域电网的总分；

(5)根据区域电网的总分判断区域电网的脆弱性，总分越低越脆弱。

本发明能够适用于区域配电网，能够准确直观的评价电网中的各个区域的脆弱性，尤其能够直观的评价高渗透率分布式电源接入条件下的区域电网的脆弱性。能够帮助技术人员及时的发现电网中较为脆弱的区域和环节。解决了区域配电网脆弱性评估方法欠缺的问题，具有实用，评价准确的特点。

如图2所示，各指标包括电压冗余度、事故负荷损失、短路电流、线路满过载、变压器满过载、线路N-1通过率、变压器N-1通过率、开关设备、运动信息采集、通信设备、保护配置、电压闪变、电压偏差、电压波动、谐波畸变、电压不平衡、直流电流分量和谐波电流；各项指标的评分方法是，首先对每项指标设置与指标值相关的评分公式，然后根据评分公式进行评分。这种评分方式能够直观的反应出各种指标的状态，及能将各种指标脆弱程度直观的反应出来。

如图1和图2所示，将各项指标分为网架结构、安全评价和电能质量三大类，网架结构由电压冗余度和事故负荷损失构成；安全评价由短路电流、线路满过载、变压器满过载、线路N-1通过率、变压器N-1通过率、开关设备、运动信息采集、通信设备和保护配置构成；电能质量由电压闪变、电压偏差、电压波动、谐波畸变、电压不平衡、直流电流分量和谐波电流构成；通过加权法求得网架结构中的各项指标的分数的总分作为网架结构的评分，网架结构的评分越低网架结构越脆弱；通过加权法求得安全评价中的各项指标的分数的总分作为安全评价的总分，安全评价的总分越低安全评价越低；通过加权法求得电能质量中的各项指标的分数的总分作为电能质量的总分，电能质量的总分越低电能质量越差。本发明通过上述方法对区域电网中的网架结构、供电能力和电能质量分别进行评分，从而能够分别直观的反应出区域电网中的网架结构的脆弱性、供电能力的脆弱性以及电能质量的脆弱性，从而为电网的运维提供准确的参考和依据。

网架结构中的各项指标的指标值通过系统仿真计算的方式获得，安全评价中的各项指标的指标值通过调查的方式获得，电能质量中的各项指标的指标值通过在线监测和数据分析的方式获得。

如图1和图2所示，将网架结构分为运行参数和事故防御两类，运行参数由电压冗余度构成，事故防御由事故负荷损失构成，通过电压冗余度的分数来评价运行参数的脆弱性，通过事故负荷损失的评分来评价事故防御型的脆弱性，评分越低越脆弱。这可以更加直观的反应出网架结构中的类指标的脆弱性，为区域电网中的网架结构的运维提供准确直观的参考和依据。

如图1和图2所示，将安全评价分为供电能力和设备配置两类，供电能力由短路电流、线路满过载、变压器满过载、线路N-1通过率和变压器N-1通过率构成，设备配置由开断设备、运动信息采集、通信设备和保护配置构成。通过加权法求得供电能力中的各项指标的分数的总分作为供电能力的评分，供电能力的评分越低，供电能力越脆弱，这能够直观的反应出区域电网的供电能力的脆弱性，从而为电网运维提供直观准确的数据参考和依据。通过加权法求得设备配置中的各项指标的分数的总分作为设备配置的评分，设备配置的评分越低，设备配置越脆弱，这能够直观的反应出区域电网中的设备配置的脆弱性，从而为设备配置的运维与事故防控提供准确且直观的数据参考和依据。

如图1和图2所示，将电能质量分为供电电压和供电电流两类，供电电压由电压闪变、电压偏差、电压波动、谐波畸变和电压不平衡构成，供电电流由直流电流分量和谐波电流构成。通过加权法求得供电电压中的各项指标的分数的总分作为供电电压的评分，供电电压的评分越低供电电压越脆弱，通过上述方法直观准确的评价供电电压的脆弱性，从而为供电电压方面的运维与事故防控提供准确直观的数据参考和依据。通过加权法求得供电电流中的各项指标的分数的总分作为供电电流的评分，供电电流的评分越低供电电流越脆弱，通过上述方法来直观准确的评价区域电网中的供电电流的脆弱性，能够为供电电流的运维与事故防控提供准确直观的数据参考与依据。

本发明的上述评价方法，尤其适用于高渗透率分布式电源接入条件下的区域电网的脆弱性评价，能够全面准确直观的反应出电网的脆弱性。

每项指标所采用的评分公式表1所示：

表1区域电网适应性评价指标含义及评分公式

注1：评分公式中的X为指标所对应的指标值，Y为各指标的得分，指标得分小数点后保留2位。

注2：380(220)V电网不考虑N-1可靠性，对380(220)V电网进行评价时，可将变压器可靠性、线路可靠性的指标权重累加到变压器满(过)载率、线路满(过)载率的指标权重中进行计算。

注3：本表中指标权重为推荐权重，具体实施过程中也可根据实际情况进行适当调整。

一、关于网架结构中的各项指标的指标值的定义的解释

1、电压冗余度的指标值

该指标表示的是节点实际电压与临界电压的距离比基准电压与临界电压的距离，距离越近，指标值越小，系统越脆弱。

电压冗余度的指标值的计算公式为：

式中：V_(t)是系统当前节点电压值；V_cri是给定节点电压临界值；K是节点电压脆弱度指标；V_ini是节点电压基准值；i为节点编码，n为区域电网内的节点个数；B为节点介数。

V_cri通过计算系统的鞍结分叉值求出，目前较常用的有连续潮流法和直接法等。连续潮流法通过追踪pv曲线来获取近似的SNB点。是比较可靠的一种方法,但是计算速度较慢的缺点使其较适合离线计算而不适于在线应用。直接法通过求解非线性特征方程组直接求取SNB点。目前直接法的应用不如连续法广泛,其原因主要是直接法需求解的非线性方程组比连续潮流方程组的维数增加一倍,所需内存空间及计算量增加许多,也不易采用稀疏技术求解。另外，SNB点初值的选取较为困难,常导致直接法牛顿迭代难于收敛。由于脆弱性分析一般为线下分析，因此比较适合应用连续潮流法。

介数的大小反映了节点的吞吐量、访问量、通行能力以及节点在网络中的活跃程度。对应到电网中,则反映了节点对电能的输入量、输出量、承载能力及节点在电网中的活跃程度。不难理解,此处采用介数作为权重的意义在于对“活跃”单元的脆弱强度进行有效放大,即具有相同脆弱程度的单元,其中活跃者更脆弱,因为其影响面更广，程度更深。

节点i的电气介数定义如下：

式中：α-β为系统中所有“发电机–负荷”节点对；

Wα为发电机节点α的实际出力或额定容量；

Wβ为负荷节点β实际消纳的负荷量或峰值负荷；

Tαβ为在α-β之间注入单位电流源后节点i电气介数；

Iαβ(i,j)为α-β之间注入单位电流源后在i-j支路上产生的电流；

j为所有与i直接相连的节点。

2、事故防御

事故负荷损失的指标值：

事故负荷损失的指标值，指标表示的是所有单一元件故障退出运行后损失的负荷与总负荷的比值，值越大，事故导致负荷越多，系统越脆弱。

计算公式为：

式中：L为元件(线路和变压器)编码；

m为区域电网内的元件个数；

S_ilshed指L元件退出运行时，i节点的负荷损失；

S_∑为总负荷损失。

二、关于安全评价中的各项指标的指标值的定义

安全评价包括供电能力与设备配置两个二级指标。

供电能力包括：

1、短路电流

通过潮流计算，得到区域电网内短路电流超标的节点数，以超标节点数作为短路电流的指标值，超标节点数越多，说明系统越脆弱。

2、线路满过载

线路满过载的指标值指的是区域电网内线路满过载的数量，通过仿真潮流计算或或实际统计的方法得到区域电网内线路满过载数量，满过载数量越多，说明系统越脆弱。

线路负载率为分布式电源并网后，所接入线路负载率是指正常方式下线路最大负荷与线路额定容量之比的百分数，用以衡量最大负荷与额定容量之间的差异程度。

计算公式为：

式中：θ—线路负载率(％)；

I_max—线路最大电流值(A)；

I_n—额定电流值(A)。

导线的长期容许工作电流值取值条件：在环境温度下25℃下，取导线最高容许温度70℃的载流量。

满过载线路：重载线路指负载率大于或等于100％的线路。

轻载线路：轻载线路指负载率小于20％的线路。

3、变压器满过载

变压器满过载的指标值指的是区域电网内满过载的电压器的数数量，通过仿真潮流计算或实际统计的方法得到区域电网内变压器满过载数量，满过载数量越多，说明系统越脆弱。

分布式电源并网后，正常方式下变电站负载率是指一定时间内变电站(所有主变)最大负荷与变电站(所有主变)额定容量之比的百分数，用以衡量最大负荷与额定容量之间的差异程度。

计算公式：

式中：β—线路负载率(％)；

S_max—变电站(所有主变)最大负荷(MVA)；

S_n—变电站(所有主变)额定容量(MVA)；

满过载变电站：重载变电站指负载率大于或等于100％的变电站。

轻载变电站：轻载变电站指负载率小于20％的变电站。

4、线路N-1通过率

线路N-1通过率的指标值指的是满足N-1校验的线路的数目占总线路数目的比例。通过仿真潮流计算或实际统计的方法得到区域电网内无法满足N-1校验的线路数量，不满足的数量越多，说明系统越脆弱。

5变压器N-1通过率

以变压器N-1通过率的指标值指的是满足N-1校验的变压器的数量占总的变压器数量的比例。通过仿真潮流计算或实际统计的方法得到区域电网内无法满足N-1校验的变压器数量，区域电网内变压器满过载数量越多，说明系统越脆弱。

设备配置包括：

1、开断设备

通过实际统计的方法，考查分布式电源是否按照《Q/GDW 11147分布式电源接入配电网设计规范》要求配置开断设备，分布式电源并网点应安装易操作、可闭锁、具有明显开断点、带接地功能、可开断故障电流的开断设备，未按要求配置将会增加系统脆弱性。开断设备的指标值指的是未按要求进行配置的设备的数量。

2、保护配置

通过实际统计的方法，考查区域电网内继电保护装置配置是否完善、并网线路以及高电压等级电源至本区域电网的传输线路上是否均配置光纤差动保护、分布式电源是否配置了防孤岛保护和自动解列装置,未按要求配置将会增加系统脆弱性。保护配置的指标值指的是未按要求进行对应的保护配置的设备的数量。

3、运动信息采集

通过实际统计的方法，考查分布式电源是否按照《Q/GDW 11147分布式电源接入配电网设计规范》要求完整上传，未按要求采集运动信息将会影响系统脆弱性。运动信息采集的指标值指的是不符合上述要求的分布式电源的数量。

4、通信设备

通过实际统计的方法，考查区域电网内分布式电源相关通信设备是否满足《Q/GDW11147分布式电源接入配电网设计规范》，通信设备不满足要求将会影响系统脆弱性。为了提高系统安全性可因地制宜的选取通信方式，但应采用无线公网通信或无通信会增加系统脆弱性。通信设备的指标值指的是不符合上述规定的通信设备的数量。

三、电能质量

电能质量包括供电电压指标与供电电流指标两个二级指标。

供电电压：

1、电压偏差

通过实际测量的方法，考查区域电网内所有节点电压偏差是否满足《GB/T 12325电能质量供电电压偏差》要求。按规定10kV和380V三相供电电压偏差均为标称电压的±7％。电压偏差率不满足要求将会影响系统脆弱性。电压偏差的指标值指的是不符合上述关于电压偏差的规定的节点的数量。

2、电压波动

通过实际测量的方法，考查区域电网内所有节点的电压波动是否满足《GB/T12326电能质量电压波动和闪变》的规定。对于分布式电源出力变化引起的电压变动，其频度可以按照1<r≤10(每小时变动的次数在10次以内)考虑，因此分布式电源公共连接点电压变动最大不得超过3％。电压波动率不满足要求将会影响系统脆弱性。电压波动的指标值指的是不符合上述关于电压波动率的规定的节点的数量。

3、电压闪变

通过实际测量的方法，考查区域电网内所有分布式电源公共连接点是否满足《GB/T 12326电能质量电压波动和闪变》的有关规定要求。分布式电源公共连接点不满足要求将会影响系统脆弱性。

计算公式：

式中：R_L—系统等值电阻(Ω)；

X_L—系统等值电抗(Ω)；

ΔP—有功变化量(MW)；

ΔQ_i—无功变化量(MVar)；

U_N—PCC点电压(kV)。

电压闪变的指标值指的是不符合上述关于电压闪变规定的供电连接点的数量值。

4、谐波畸变

通过实际测量的方法，考查区域电网内所有节点的谐波电压是否满足《GB/T14549电能质量公共电网谐波》的规定。谐波畸变过大将会影响系统脆弱性。谐波畸变的指标值指的是不符合上述关于谐波畸变率规定的节点的数量值。

5、电压不平衡

通过实际测量的方法，考查区域电网内节点的三相电压不平衡度是否超过《GB/T15543电能质量三相电压不平衡》规定的限值。公共连接点的负序电压不平衡度应不超过2％，短时不得超过4％；其中由分布式电源引起的负序电压不平衡度应不超过1.3％，短时不超过2.6％。电压不平衡度过大将会影响系统脆弱性。电压不平衡度的指标值指的是不符合上述关于三相电压不平衡度的规定的节点的数量值。

供电电流指标：

1、直流电流分量

通过实际测量的方法，考查区域电网内分布式电源向公共连接点注入的直流电流分量是否满足要求，按规定直流电流分量不应超过其交流额定值的0.5％。直流电流分量过大将会影响系统脆弱性。直流电流分量的指标值指的是不符合上述规定的用于连接分布式电源的公共连接点的数量值。

2、谐波电流

通过实际测量的方法，考查区域电网内分布式电源公共连接点处的总谐波电流分量(方均根)是否满足《GB/T 14549电能质量公共电网谐波》的规定，其中分布式电源向电网注入的谐波电流允许值按此分布试电源安装容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配。谐波电流超标将会增加系统脆弱性。谐波电流的指标值指的是总谐波电流分量不符合上述规定的分布式电源的公共连接点的数量值。