基于電壓暫降識別的配電網運行可靠性提升技術研究

廖慶龍，楊群英，夏 磊，向 洪，岳鑫桂

（1.國網重慶市電力公司 電力科學研究院，重慶 401121；2.國網重慶市電力公司，重慶 400000）

0 引言

配電網運行可靠性指的是評估配電網運行中經由線路和其他設備節點進行供電時的可靠性，以此判斷該配電網的整體供電質量[1]。影響配電網正常運行的因素較多，其中電壓暫降是主要的影響因素，且影響程度較高。電壓暫態的產生主要由配電網短路故障、變壓器切投運行等情況引發[2]；其對于配電網的電能質量以及運行安全均造成較大影響，因此，為保證電能質量以及配電網運行安全，需識別電壓暫態，并依據識別結果進行配電網運行方案調整。

文獻[3]和文獻[4]針對配地網運行可靠性提升問題分別展開相關研究后，各自提出基于成本效益和配電網高可靠性繼電保護的相關方法，上述方法均具有電壓暫態調整能力，可在一定程度上完成電壓的調整和控制，但是在電壓暫降區域較大時，兩種方法的應用效果仍需進一步驗證。因此，本文研究基于電壓暫降識別的配電網運行可靠性提升技術，該技術以暫態電壓源區域識別為基礎，分析電壓暫降對配電網可靠性指標的影響因素，同時結合分析結果構建配電網運行可靠性提升目標函數，并對其實行求解，獲取配電網在電壓暫態下的最佳運行方案，以此實現配電網運行可靠性提升。

1 配電網運行可靠性提升技術

1.1 電壓暫降源候選區確定

電壓暫降現象發生時，會對一定區域造成影響，導致配電網發生局部或者區域性停電，嚴重則會損壞是安利設備。因此，為保證配電網運行可靠的提升效果[5]，需先識別電壓暫態源互選區域。本文采用基于序功率增量方向方法完成，該方法能夠衡量電壓暫降源與每一個觀測點上下游之間的關聯，同時考慮配電網的實時運行拓撲狀態，進行綜合分析后獲取電壓暫降源的候選區域識別結果。

該方法進行電壓暫降源候選區識別時，需依據判斷標準完成，即正序和負序兩種功率增量方向。

1）正序功率增量：

電壓暫降存在兩種狀態，分別是發生前和發生中，ΔUd1和ΔUper1表示上述兩種狀態下的正序電壓；ΔId1和ΔIper1則表示正序電流，其計算公式為：

式(1)中：當ΔU1超過ΔI1時的角度用θ1表示。

基于式(1)可得出相關方向判據：

判據1：如果ΔPe1＞0，那么表示發生的電壓暫降位于上游。

判據2：如果ΔPe1＜0，那么表示發生的電壓暫降位于下游。

2）負序功率增量：

電壓暫降存在兩種狀態，分別是發生前和發生中，ΔUd2和ΔUper2表示上述兩種狀態下的負序電壓；ΔId2和ΔIper2則表示負序電流，其計算公式為：

式(2)中：當ΔU2超過ΔI2時的角度用θ2表示。

基于式(2)可得出相關方向判據：

判據1：如果ΔPe2＜0，那么表示發生的電壓暫降位于上游。

判據2：如果ΔPe2＞0，那么表示發生的電壓暫降位于下游。

配電網中各個觀測點均可依據上述兩個公式，確定電壓暫降源相對于其上游和下游之間的關聯，以此完成其候選區域識別。

1.2 配電網可靠性提升的目標函數

電壓暫降會對配電網中的線路造成直接影響，使其發生短路，為提升配電網運行可靠性，以識別的電壓暫降源候選區結果為基礎，結合配電網線路運行情況和各個分布式能源的配置結果，確定配電網運行可靠性指標，分別為配電網平均停電頻率（SAIFI）、平均停電持續時間（SAIDI）、平均供電可用率（ASAI）、電力不足期望值（EENS）。除此之外，依據上述配電網電壓暫降候選區域識別結果，改進配電網可靠性指標，結合停電時間的不同，對停電用戶進行分類：

類別1：用戶在電壓暫降故障區域上游，此時停電時間可通過該故障定位和隔離所需的兩個時間總合表示，即T1；

類別2：電壓暫降故障區域在用戶的上游，此時電能可通過備用通道進行電能供應，采用該供應時間和T1的和表示停電時間，即T2；

類別3：電壓暫降故障區域在用戶的上游，此時電能無法通過備用通道進行電能供應，或者，用戶位于暫降故障區域中，此時采用電壓暫態故障修復所需時間、故障定位和檢修時間的和，表示停電時間，即T3。

基于上述三種類別的分析結果，本文確定配電網可靠性指標為用戶平均停電時間ψD。上述各個指標的計算公式分別為：

式中，Y表示總年數；T表示小時，對應一年內；Nd表示配電網中的節點數量；配電網中，對應第i個節點的用戶數量用Ni表示，該節點在第y年中，發生停電的次數、持續時間和負荷量分別用表示；配電網中全部饋線的故障率和負荷總量分別用λF和PL表示；β1、β2、β3均表示分布系數，對應電壓暫降停電故障區域內的停電用戶。配電網發生停電后，節點i的狀態量用表示，依據該參數可計算的結果。的結果為1時，表示配電網中的節點i供電正常；其結果為0時，表示節點i停電。

依據上述6個配電網可靠性指標構建其提升目標函數，用Fre表示，配電網中線路規劃目標為配電網可靠性最優，其計算公式為：

式(8)中：F(x)即表示式(3)～式(7)的可靠性指標；f(·)為非線性函數，包含配電網節點各個時刻的停電狀態x、線路故障狀態L、風電出力情況Pw、節點負荷量Ld和其重要程度C、儲能容量Cap、運行策略ΔPb。

約束條件：

1）線路調整約束：u表示電壓暫降候選區域內的用戶，其電壓承載結果用ξVTC-u(Td)表示；將其最大結果定義為電壓閾值，對應電壓暫降域。g表示該域內任意節點，當其發生停電故障時，需符合式(9)所示：

式(9)中，u所在的電壓暫降候選區域用Qdip-u表示；Vu-g表示電壓，對應u，且在故障發生情況下；Vth-u表示u的電壓閾值。

結合所有發生停電故障用戶所在的電壓暫降候選區域，并對其實行計算，依據計算結果對配電網點運行線路l實行調整，調整的線路需位于電壓暫降候選區域的并集B中，則兩者之間的關聯公式為：

式(10)中，U表示配電網中全部用戶。

2）風險域約束：對電壓暫降實行調整時，不能對整個配電網進行調整，因此，需對調整區域實行約束，本文則依據風險域約束，約束電壓暫降線路調整，風險域表示多個停電故障用戶暫降候選區域的重合部分，其計算公式為：

式(11)中，φ表示電壓暫態候選區域的風險等級；ηψ-u表示判別系數，ψ表示風險域。依據該公式判斷ψ是否位于故障用戶的Qdip-u內，是則取值為1，反之則等于0。

3）風險等級約束：確定風險域ψφ后，需進行風險等級約束，按照風險等級的大小，實行配電網中線路調整，其計算公式為：

式(12)中：φK表示實際風險等級；φmax表示優先治理的風險等級結果。

2.3 配電網運行可靠性提升目標函數求解

完成配電網可靠性提升目標函數后，采用遺傳算法和分支界定法的聯合優化方法對其求解，該聯合方法在保證全局尋優的基礎上，可提升求解的效率和可靠性，其詳細步驟如下所述：

步驟1：Xij表示提升配電網可靠性時，可對第i條線路進行的第j個調整措施，其為變量。

步驟2：將Xij輸入遺傳算法中，對其實行二進制編碼，生成初始種群后，依據其每個染色體應的決策變量，構建區域優化模型。

步驟3：對上一步驟中構建的優化模型實行求解，如果存在無解情況，表示該線路調整策略不滿足約束條件，此時對決策變量（0,1）實行調整，重新進行優化計算，如果依舊無解，則表示該調整策略依舊不滿足配電網可靠性提升的約束條件，則需結合其他調整策略完成配電網線路調整。

步驟4：依據各個區域的Xij求解結果，計算整個配電網可靠性提升的目標函數以及適應度函數。

步驟5：計算各代種群中的全部個體，并判斷迭代結果，如果滿足收斂條件，則輸出配電網中線路調整策略結果；反之，則進行交叉和變異操作，同時回轉步驟2，開始迭代，直到輸出線路調整策略為止。

2 實驗結果分析

為驗證本文技術在配電網運行可靠性提升方面的應用效果，以某地區配電網主網架構作為測試對象，該配電網結構如圖1所示。

圖1 配電網結構

該配電網中包含3個電壓等級的變電站，分別為220kV、110kV、35kV，光伏和風電機組分別接入在節點7和節點32的位置，兩者的容量分別為25MW和55MW，組網結構復雜。由于配電網中發生電壓暫降的原因主要分為兩類，一是電器類故障導致，例如短路故障；二是非電氣故障類，例如變壓器并網等。因此，對于配電網運行的可靠性造成較大影響，導致電壓暫降現象時常發生。該試驗對象的應用需求為實現新接入節點的最佳接入位置，同時保證配電網的可靠性。

為驗證本文技術對電壓暫降源候選區的識別效果，僅隨機選擇3處節點電氣故障為例，即為節點9、節點20和節點16，采用本文技術確定三者的電壓暫降源候選區，結果如表1所示。

表1 各節點電氣故障電壓暫降源候選區識別結果

分析表1測試結果可知：本文技術能夠依據正序和負序兩種功率增量方向，實現3個電氣故障節點的電壓暫降源候選區識別，為配電網運行可靠性提升提供依據。

為衡量本文技術對配電網運行可靠性的提升效果，采用配電網中的負荷電壓幅值偏差作為衡量標準，如果該偏差值低于5%，即電壓最低值需達到0.95p.u，表示該配電網的電能質量滿足相關規定標準，可保證電能供應質量，如果超過5%則表示電能質量較差，測試結果如圖2所示。

圖2 各類負荷電壓幅值偏差測試結果

采用本文方法在不同的負荷運行狀態下，配電網的電壓標幺值結果均高于0.95p.u，其中最小電壓標幺值為0.96，最高電壓標幺值為1.03p.u。可滿足電能質量的標準要求，以此可提升配電網運行可靠性。

為進一步驗證本文技術對配電網運行可靠性的提升效果，獲取本文技術應用前后，在不同的負荷情況下，6個可靠性指標的結果，如表2所示。

表2 不同的負荷情況下6個指標的測試結果

隨著配電網中負荷結果的不斷變化，采用本文方法前后6個可靠性指標結果存在明顯差異，通過本文技術進行配電網運行可靠性提升后，SAIFI、SAIDI、EENS3個可靠性指標結果顯著下降，顯著優于本文技術應用前的效果，四個指標的結果分別為0.994、6.55、40.22；并且，ψD、ASAI兩個可靠性指標則顯著上升，兩者的最大值分別為6.62和0.996。因此，本文技術具有良好的配電網運行可靠性提升效果，保證配電網的穩定、可靠運行。

為驗證本文技術的應用性，采用區域電壓穩定性Aij和區域供電率B(t)作為評價指標，兩者的計算公式分別為：

式中：Pj和Qj分別表示節點j的功率，前者對有功，后者為無功；Rij表示電阻，對應支路ij；Ui表示電壓幅值，對應節點i；Pload(t)和Pin(t)均表示功率，前者對應負荷，后者對應電網流入。

Aij值越小，表示配電網電壓穩定性越高；B(t)值越大，表示配電網的自給供電率越高，可有效避免電壓暫降區域負荷變化造成的影響。

依據上述兩個指標的計算公式，獲取不同電壓暫降節點數量下，本文技術的應用結果，如圖3所示。

圖3 應用指標測試結果

結果表明，隨著配電網中發生電壓暫降節點數量的逐漸增加，本文技術均具有良好的應用性，指標Aij的結果均低于0.007，指標B(t)的結果均高于0.95。本文方法應用性良好，能夠結合電壓暫態的分布情況，有效調整配電網中的線路，提升配電網的運行可靠性。

3 結語

配電網運行過程中，電壓暫降會導致配電網發生線路短路，進而引發節點局部停電或者配電網區域性停電，影響電能質量和配電網的穩定運行。因此，研究基于電壓暫態識別的配電網運行可靠性提升技術，并對該技術的應用效果展開相關測試。結果顯示：本文所研究的提升技術，具有可靠的電壓暫降候選區域識別能力，能夠依據該識別結果進行配電網線路調整，保證配電網的穩定運行，提升其運行可靠性，保證配電網的運行安全。