一种评估中压配电网合环操作安全性的方法

摘要

本发明公开一种评估中压配电网合环操作安全性的方法，包含：获取合环网络的拓扑结构、设备参数以及实时运行数据，对高压配电网进行状态估计，得到合环馈线首端10kV母线的电压幅值与相角；选取合环馈线上各负荷点的有功、无功负荷与馈线首端的有功、无功功率之比作为输入变量，基于历史负荷数据计算输入变量的各阶半不变量；进行确定性潮流和合环电流计算；计算合环电流的各阶半不变量；求取合环电流的累积概率分布；计算各合环电流的越限概率，评估合环操作的安全性。本发明可定量评估中压配电网合环操作的安全性；解决实际中馈线各负荷点实时负荷数据无法获取的问题；还解决传统数值方法在求取半不变量时需已知输入变量的概率分布函数的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统安全稳定运行领域，特别涉及一种评估中压配电网合环操作安全性的方法。

背景技术

中压配电网采用闭环设计、开环运行的供电模式。正常情况下，联络开关打开，配电网呈辐射结构运行；设备检修或事故处理时，可通过联络开关的合环操作实现不停电转移负荷。中压配电网的合环操作可能会在合环网络内产生较大的合环电流，引起线路电流保护动作或某些电气设备过载，导致更大范围的停电事故。因此，运行人员在合环操作前需要对其安全性进行评估。

目前尚没有系统的中压配电网合环操作安全性评估方法，在实际产中工作人员通常根据经验认为以下情况的合环操作是安全的：

(1)合环前联络开关两侧断口所在馈线的10kV母线电压幅值差小于10％；

(2)合环前联络开关两侧馈线负荷相差较小，且总负荷不大于任一馈线的传输容量上限；

因此，为保证安全性，中压配电网的合环倒负荷操作大多在负荷较轻的夜间进行。

然而，这种基于生产经验的评估方法缺乏相应理论支撑。理论分析表明，合环电流的大小受联络开关断口两侧的电压幅值差与相角差影响较大。因此，仅根据合环点两侧10kV母线的电压幅值差进行合环操作的安全性评估是缺乏科学依据的。此外，通过比较合环馈线总负荷与线路传输容量上限的方法将导致合环安全性评估结果较为保守，其对最终合环决策制定的参考价值有限。

目前有相关研究提出通过对合环稳态电流与暂态冲击电流的计算来进行合环安全性评估。但由于现有配电网量测装置配置范围有限，无法获取配电网中10kV母线的电压相角信息以及联络开关断口两侧的电压幅值与相角差，此外计算合环电流所需的馈线上各负荷点实时负荷数据也无法获取，导致这些研究的实用性受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种评估中压配电网合环操作安全性的方法，针对配电网中各母线的电压相角数据无法获取的问题，采用对高压配电网进行状态估计的方法以得出母线相角信息。针对合环电流计算所需的馈线负荷点实时负荷数据无法获取的问题，首先基于历史负荷数据分析各负荷点负荷值的概率分布特性，再基于概率潮流理论，采用半步变量法求取合环电流的累积分布曲线，最后通过求取合环电流越限概率以对合环操作的安全性进行评估。

为了达到上述目的，本发明公开了一种评估中压配电网合环操作安全性的方法，该方法将合环馈线上的负荷点负荷视为随机变量，基于概率潮流理论求取合环稳态电流与暂态冲击电流的越限概率并对合环操作的安全性进行评估，包含以下步骤：

S1、获取合环网络的拓扑结构、设备参数以及合环前实时运行数据，对高压配电网进行状态估计，得到两条合环馈线首端10kV母线的电压幅值与相角；

S2、选取合环馈线上各负荷点的有功负荷与馈线首端的有功功率之比以及合环馈线上各负荷点的无功负荷与馈线首端的无功功率之比作为输入变量，基于各负荷点的历史负荷数据，计算各输入变量在合环时刻所在的季节和时段内的各阶半不变量；

S3、在基准运行点处进行确定性潮流计算和合环电流计算，得到合环网络系统状态变量基准值、合环电流基准值以及转换矩阵；

S4、根据输入变量的各阶半不变量和转换矩阵来计算合环电流的各阶半不变量；

S5、根据合环电流的各阶半不变量求取合环电流的累积概率分布；

S6、将馈线最大容许载流量以及电流保护整定值作为限定值，计算各合环电流的越限概率，并对合环操作的安全性进行评估。

优选地，所述步骤S1进一步包含：

采用加权最小二乘准则进行高压配电网的状态估计，得到两条合环馈线首端10kV母线的电压幅值与相角，同时可对不良量测数据进行识别与修正。

优选地，所述步骤S2进一步包含：

将各负荷点的负荷值视为随机变量，选取各负荷点的有功负荷与馈线首端的有功功率之比以及合环馈线上各负荷点的无功负荷与馈线首端的无功功率之比作为输入变量进行概率潮流计算，并基于历史负荷数据来求取输入变量的各阶半不变量。

优选地，基于历史负荷数据求取输入变量的各阶半不变量的方法包含以下过程：

设输入变量k_P是任意一个负荷点的有功负荷与馈线首端有功功率之比；从该负荷点与该条出线的全年96点日负荷历史数据中，整理得到该输入变量的全年离散实测数据，并构建用于求取输入变量k_P的各阶半不变量的样本集S；

将样本集S按季节和时段分为若干个子样本集，通过对任意一个子样本集的分析，求取输入变量k_P在合环时刻所在的季节和时段内的各阶半不变量；

若合环时刻对应的子样本集中有N个离散历史数据{k_P1,k_P2,k_P3,…,k_PN}，首先计算其各阶原点矩α_v：

再由半不变量与原点矩的关系，计算其各阶半不变量γ_v：

其中，α₁和α_j分别为v＝1、v＝j时的原点矩；为从v个元素中取j个元素的不同组合数。

优选地，所述步骤S3进一步包含：

设联络开关断口两侧电压差为合环环路总阻抗为Z_∑，则合环稳态环流为：

设和分别为合环前两侧馈线首端的初始电流，X＝[θ₁,V₁,θ₂,V₂,…,θ_n,V_n]^T为合环网络系统状态变量，根据叠加定理，合环后两侧馈线首端稳态电流有效值I₁'和I'₂分别为：

设I₁和I₂分别为和的有效值，合环的暂态过程中两侧馈线首端出现的最大冲击电流有效值I_1M和I_2M分别为：

I_1M＝I₁+1.51I_c＝g₃(X)>

I_2M＝I₂+1.51I_c＝g₄(X)>

设Z＝[I₁',I'₂,I_1M,I_2M]^T为合环电流变量，则合环电流方程为：

Z＝g(X) (8)

设K为概率潮流计算的输入变量；W表示合环网络系统中各节点的注入功率，则W＝AK，其中A为由两馈线首端有功功率和无功功率组成的对角矩阵；合环网络系统潮流方程可表示为：

W＝f(X) (9)

输入变量K为随机变量，可表示为K₀+ΔK，其中K₀为随机变量K的期望值，是合环网络系统基准运行点；ΔK为随机扰动；合环网络系统状态变量X可表示为X₀+ΔX，X₀为合环网络系统状态变量期望值，ΔX为随机扰动；各节点注入功率W可表示为W₀+ΔW，W₀为节点注入功率期望值，ΔW为对应ΔX的随机扰动；合环电流变量Z可表示为Z₀+ΔZ，Z₀为合环电流变量期望值，ΔZ为对应ΔX的随机扰动；

将合环网络系统潮流方程(9)和合环电流方程(8)进行泰勒级数展开并略去高次项，得到ΔZ与ΔK之间的线性关系：

其中，雅克比矩阵系数矩阵

优选地，所述步骤S3还包含：首先在基准运行点K₀处按公式(9)进行确定性潮流计算，得到合环网络系统状态变量X₀以及雅克比矩阵J₀，其中W₀＝AK₀；然后在X₀处按公式(8)进行合环电流计算，得到合环电流变量Z₀以及系数矩阵G₀；最后得到转换矩阵T₀。

优选地，所述步骤S4进一步包含：设ΔK^(v)表示输入变量的v阶半不变量，表示T₀中各元素的v次幂构成的系数矩阵，则由半不变量的性质求得合环电流变量的v阶半不变量ΔZ^(v)。

优选地，所述步骤S5进一步包含：采用Cornish-Fisher级数求取合环电流的累积概率分布，方法如下：

设合环电流变量Z的累积分布函数为F(z)，标准正态分布函数为Φ(z)，F(z)和Φ(z)的α分位数可分别表示为z(α)和即z(α)＝F^-1(α)，则z(α)和满足如下关系：

其中，g_v为合环电流变量Z的v阶规格化半不变量，若随机变量Z的v阶半不变量为γ_v，标准差为σ，则通过公式(11)可由合环电流的各阶半不变量可求得其累积概率分布函数。

优选地，所述步骤S6进一步包含：

合环电流变量Z包括合环后两侧馈线首端的稳态电流有效值I₁'和I'₂以及两侧馈线首端出现的最大冲击电流有效值I_1M和I_2M；

设变量I₁'、I'₂、I_1M、I_2M的累积分布函数分别为F₁(x)、F₂(x)、F₃(x)、F₄(x)，合环点两侧馈线最大容许载流量分别为I_max,1和I_max,2，两侧电流I段保护整定值分别为I_setI,1和I_setI,2，则各合环电流的越限概率分别为：

P₁＝P(I₁'≥I_max,1)＝1-F₁(I_max,1)

P₂＝P(I'₂≥I_max,2)＝1-F₂(I_max,2)

P₃＝P(I_1M≥I_setI,1)＝1-F₃(I_setI,1)

P₄＝P(I_2M≥I_setI,2)＝1-F₄(I_setI,2)

根据各合环电流的越限概率的大小定量评估中压配电网合环操作的安全性：若越限概率均小于5％，则认定合环操作的安全性较高，否则认定此合环操作的安全性不能得到保证。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过对合环操作产生的合环稳态电流与暂态冲击电流的计算，可以来定量评估中压配电网合环操作的安全性，且评估结果具有理论依据且能为运行人员的合环操作提供参考。

(2)本发明将合环馈线上的负荷点负荷作为随机变量，基于概率潮流理论求取合环稳态电流与暂态冲击电流的概率分布特性，解决了目前各负荷点实时负荷数据无法获取的问题。

(3)本发明通过对历史负荷数据的分析求取输入变量的各阶半不变量，解决了传统数值方法在求取半不变量时需已知输入变量的概率分布函数的问题。

附图说明

图1本发明的中压配电网合环操作的示意图；

图2本发明的中压配电网合环操作安全性评估方法的技术路线图。

具体实施方式

本发明公开了一种评估中压配电网合环操作安全性的方法，为了使本发明更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，系统输电网(220kV及以上电压等级电网)呈环状结构运行，110kV及以下电压等级的配电网开环运行。Q1和Q2分别为联络开关两侧馈线的出口断路器。两条10kV馈线之间通过联络开关Q3相连；当系统正常运行时，联络开关Q3断开；当在运行方式调整或紧急事故处理时可闭合联络开关Q3，通过合环进行负荷热翻。

如图2所示，本发明提供的评估中压配电网合环操作安全性的方法分为6个主要步骤，如下：

步骤A、高压配电网状态估计；

在步骤A中，在获取合环网络的拓扑结构、设备参数以及合环前实时运行数据的基础上，对高压配电网进行状态估计，得到两条合环馈线首端10kV母线的电压幅值与相角。

具体地：

由于在进行中压配电网合环电流计算时，一般选取合环馈线首端10kV母线节点作为参考节点，因此需已知联络开关两侧10kV母线的电压幅值与相角。目前中压配电网的量测系统可采集到电压幅值，然而其相角信息仍无法获取。针对此，在获取合环网络中输电网和高压配电网的拓扑结构、设备参数以及合环前实时运行数据的基础上，采用加权最小二乘准则(WLS，Weighted Least Squares)进行高压配电网的状态估计，该加权最小二乘方法具有模型简单、计算量小的优点。所以，通过高压配电网的状态估计，可得到合环馈线首端10kV母线的电压幅值与相角，同时还能对不良量测数据进行识别与修正。

步骤B、计算输入变量的各阶半不变量；

在步骤B中，选取合环馈线上各负荷点的有功负荷与馈线首端的有功功率之比以及合环馈线上各负荷点的无功负荷与馈线首端的无功功率之比作为输入变量，基于各负荷点的全年96点日负荷历史数据，计算各输入变量在合环时刻所在的季节和时段内的各阶半不变量。

具体地，在中压配电网合环操作前，各负荷点的实时负荷一般难以获取。针对此，将各负荷点的负荷值视为随机变量，并选取各负荷点的有功负荷与馈线首端的有功功率之比以及合环馈线上各负荷点的无功负荷与馈线首端的无功功率之比作为输入变量进行概率潮流计算。在求取输入变量的各阶半不变量时，传统的方法是根据变量的概率分布函数，采用数值方法求取。然而在工程中这些输入变量的分布函数未知。为此，本发明采用基于历史负荷数据求取输入变量的各阶半不变量的方法，该方法的描述如下：

设输入变量k_P是某个负荷点的有功负荷与馈线首端有功功率之比。从该负荷点与该条出线的全年96点日负荷历史数据中，整理得到该输入变量的全年离散实测数据，并构建用于求取输入变量k_P的各阶半不变量的样本集S。考虑到负荷在不同季节、每日不同时段可能呈现不同特性，将样本集S按季节(春、夏、秋、冬)和时段(00:00-08:00，08:00-18:00，18:00-24:00)分为12(4×3＝12)个子样本集(S₁，S₂，…，S₁₂)。通过对某个子样本集的分析，求取输入变量k_P在合环时刻所在的季节和时段内的各阶半不变量。

若合环时刻对应的子样本集中有N个离散历史数据，可表示为{k_P1,k_P2,k_P3,…,k_PN}。首先计算其各阶原点矩α_v：

再由半不变量与原点矩的关系，计算其各阶半不变量γ_v：

其中，为从v个元素中取j个元素的不同组合数；α₁和α_j分别为v＝1、v＝j时的原点矩。

步骤C、确定性潮流计算与合环电流计算；

在步骤C中，结合合环网络的拓扑信息和运行数据，在基准运行点处进行确定性潮流计算和合环电流计算，得到合环网络系统状态变量基准值、合环电流基准值以及系数矩阵。

具体地，设联络开关断口两侧电压差为合环环路总阻抗为Z_∑，则合环稳态环流为：

设和分别为合环前两侧馈线首端的初始电流，X＝[θ₁,V₁,θ₂,V₂,…,θ_n,V_n]^T为合环网络系统状态变量，根据叠加定理，合环后两侧馈线首端稳态电流有效值I₁'和I'₂分别为：

设I₁和I₂分别为和的有效值，合环的暂态过程中两侧馈线首端可能出现的最大冲击电流有效值I_1M和I_2M分别为：

I_1M＝I₁+1.51I_c＝g₃(X)>

I_2M＝I₂+1.51I_c＝g₄(X)>

设Z＝[I₁',I'₂,I_1M,I_2M]^T为合环电流变量，则合环电流方程为：

Z＝g(X) (8)

设K为概率潮流计算的输入变量，表示各节点的有功、无功与线路首端的有功、无功之比；W表示合环网络系统中各节点的注入功率，则W＝AK，其中A为由两馈线首端有功和无功组成的对角矩阵。合环网络系统潮流方程可表示为：

W＝f(X) (9)

输入变量K为随机变量，可表示为K₀+ΔK，其中K₀为随机变量K的期望值，是合环网络系统基准运行点，ΔK为随机扰动。同理，合环网络系统状态变量X可表示为X₀+ΔX，X₀为合环网络系统状态变量期望值，ΔX为随机扰动。各节点注入功率W可表示为W₀+ΔW，W₀为节点注入功率期望值，ΔW为对应ΔX的随机扰动。合环电流变量Z可表示为Z₀+ΔZ，Z₀为合环电流变量期望值，ΔZ为对应ΔX的随机扰动。

将合环网络系统潮流方程(9)和合环电流方程(8)进行泰勒级数展开并略去高次项，得到ΔZ与ΔK之间的线性关系：

其中，雅克比矩阵系数矩阵

在该步骤C中，首先在基准运行点K₀处(此时W₀＝AK₀)按公式(9)进行确定性潮流计算，得到合环网络系统状态变量X₀以及雅克比矩阵J₀；然后在X₀处按公式(8)进行合环电流计算，得到合环电流变量Z₀以及系数矩阵G₀；最后得到转换矩阵T₀。

步骤D、计算合环电流的各阶半不变量；

在步骤D中，由步骤B得到的输入变量的各阶半不变量和步骤C得到的转换矩阵计算合环电流的各阶半不变量。

具体地，在步骤B中已求取得到输入变量的各阶半不变量，设ΔK^(v)表示输入变量的v阶半不变量，表示T₀中各元素的v次幂构成的系数矩阵，则在该步骤D中可由半不变量的性质求得合环电流变量的v阶半不变量ΔZ^(v)。

步骤E、求取各合环电流的概率分布；

在步骤E中，采用Cornish-Fisher级数展开方法，由合环电流的各阶半不变量求取合环电流的累积概率分布。

具体地，该步骤E中采用Cornish-Fisher级数求取合环电流的累积概率分布的方法如下：

设某合环电流变量Z的累积分布函数为F(z)，标准正态分布函数为Φ(z)，F(z)和Φ(z)的α分位数可分别表示为z(α)和即z(α)＝F^-1(α)，则z(α)和满足如下关系：

其中，g_v为合环电流变量Z的v阶规格化半不变量，即若随机变量Z的v阶半不变量为γ_v，标准差为σ，则

由公式(11)可由合环电流的各阶半不变量求得其累积概率分布函数。

步骤F、评估各合环电流的越限概率；

在步骤F中，根据安全合环条件，分别将馈线最大容许载流量以及电流保护整定值作为限定值，计算各合环电流的越限概率，并对合环操作的安全性进行评估。

具体地，合环电流变量Z包括：合环后两侧馈线首端的稳态电流有效值I₁'和I'₂以及两侧馈线首端可能出现的最大冲击电流有效值I_1M和I_2M。设变量I₁'、I'₂、I_1M、I_2M的累积分布函数分别为F₁(x)、F₂(x)、F₃(x)、F₄(x)，合环点两侧馈线最大容许载流量分别为I_max,1和I_max,2，两侧电流I段保护整定值分别为I_setI,1和I_setI,2，则各合环电流的越限概率分别为：

P₁＝P(I₁'≥I_max,1)＝1-F₁(I_max,1)

P₂＝P(I'₂≥I_max,2)＝1-F₂(I_max,2)

P₃＝P(I_1M≥I_setI,1)＝1-F₃(I_setI,1)

P₄＝P(I_2M≥I_setI,2)＝1-F₄(I_setI,2)

最后，根据以上四种越限概率的大小可定量评估中压配电网合环操作的安全性：若越限概率均小于5％则可认为合环操作的安全性较高，否则认为此合环操作的安全性不能得到保证，建议进行相应运行方式调整后再考虑合环。

综上所述，本发明提供了一种评估中压配电网合环操作安全性的方法，通过计算合环稳态电流与暂态冲击电流的越限概率对合环操作的安全性进行定量评估，解决了实际中各负荷点实时负荷数据无法获取的问题。将该方法应用到实际生产中，可以在合环前快速地对合环操作的安全性进行有效评估，并为运行人员制定合环决策提供支持。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。