一種交直流混合配電網薄弱線路識別方法設計

黃鵬

（國網寧夏電力有限公司，銀川 750000）

引言

交直流混合配電網[1,2]具備諸多優勢，如高可控性、強潮流調節能力、低網絡運行損耗和高能源利用效率等。然而，隨著其快速發展，薄弱線路的可靠性成為一個重要關注領域。薄弱線路是指在電力傳輸和分配過程中存在潛在問題或存在可靠性較低的線路。薄弱線路會由于老化、材料劣質等原因，導致電線的電阻增加、導線質量不良或接觸不良頻繁發生，影響電力設備的正常運行，甚至導致設備損壞。因此，進行薄弱線路可靠性測試研究十分必要。

金國彬[3]等提出了一種考慮可靠性的交直流混合配電網網架與分布式電源協同優化規劃方法。該方法在場景構建階段考慮了各分布式電源出力和負荷功率的相關性和時序性。在可靠性評估階段，建立了同時考慮穩態和故障運行下可靠性的綜合評估體系，并統一量綱處理可靠性指標和經濟性指標之間的聯系。使用雙層協同優化策略設計了交直流混合配電網網架結構和分布式電源接入容量。仲禮鵬[4]等提出了一種計及可靠性成本的中壓交直流混合配電網的混合整數線性規劃模型。該模型目標是最小化投資建設成本、運營成本和可靠性成本，對節點建設類型和支路進行規劃求解。隨后，將得到的交直流混合規劃方案與純交流規劃方案和純直流規劃方案進行了比較。最后，分析了換流器故障率對交直流混合配電網規劃結果的影響。

目前針對交直流混合配電網中薄弱線路可靠性的研究較少，傳統方法單純以運行狀態失效概率為基礎，作為供電網絡薄弱線路識別的方法，在應用到交直流混合配電網時，面臨運行狀態特征概率波動，識別過程存在明顯誤差。因此，本文基于上述文獻對交直流混合配電網薄弱線路可靠性測試問題進行研究。通過對薄弱線路進行可靠性研究，可以識別潛在問題、預測故障風險，并采取預防措施，包括線路維護、更換設備、增加容量等，以減少停電事件和故障發生的可能性，并提高配電網的供電可靠性和穩定性。

1 薄弱線路辨識方法設計

在交直流混合配電網中，薄弱線路不僅可能導致停電或供電不穩定，還可能對電網的安全性產生重大影響。因此，通過薄弱線路的辨識，可以評估其運行狀態和風險水平，并采取相應的維護和改進措施，以提高配電網的可靠性和穩定性。

從運行狀態與拓撲結構[5]兩個方面確定該配電網的薄弱線路，兼顧交直流混合配電網線路[6-7]運行狀態與固有拓撲結構發生改變后對于電網造成的影響，搭建交直流混合配電網的線路薄弱性評估指標體系。該體系具體如表1 所示。

表1 交直流混合配電網線路薄弱性評估指標體系

1）線路開斷凝聚度值越大，表示交直流混合配電網的凝聚度變化越大，即線路越薄弱。

其中線路開斷凝聚度的計算可表示為：

式中：

χ(C)—指線路(i，j)斷開前交直流混合配電網的凝聚度；

M—交直流混合配電網的節點總數；

K—電網平均距離；

bij—節點i到節點j之間的最短電氣距離；

χ'(C)—線路(i，j)斷開以后最大連通子網的對應凝聚度。

2）線路電氣介數值越大，表示交直流混合配電網[8,9]中線路擔負的傳輸作用越大，該條線路斷開后對于電網的影響越大，也就是線路越薄弱。

線路電氣介數的計算可表示為：

式中：

fg—全部發電節點集合；

ft—全部負荷節點集合；

Qi—發電節點i的權重；

Qj—負荷節點j的權重；

l ij(α,β)—負荷-發電節點對線路(i，j)加上單位注入電流元以后線路(α,β)上引發的電流值。

3）在第k條線路退出運行以后，當節點電壓偏移量的值越大時，表明電網所受影響越大，也就是線路越薄弱[10]。

線路退出以后的電壓偏移量的計算可表示為：

式中：

λ—交直流混合配電網[11-13]中的節點數量；

U i'(k)—第k條線路退出運行以后節點i的電壓；

U i(k)—第k條線路退出運行以前節點i的電壓。

4）線路潮流轉移熵的計算可表示為：

式中：

?δlk—第l條線路分擔第k條線路所轉移的潮流增量；

Qlk—第k條線路斷開后，第l條線路的有功潮流；

Ql0—第l條線路的有功潮流初始值；

P(k)—第k條線路的對應潮流轉移熵；

r—線路總數；

χlk—第l條線路對第k條線路的潮流轉移沖擊率。

接著應用層次分析法計算該交直流混合配電網[14,15]各指標的評分，完成其薄弱線路辨識。

綜合上述過程，對線路開斷凝聚度、線路電氣介數、線路退出以后的電壓偏移量這三種正向指標進行評分，可表示為：

式中：

yab'—第a個指標中的第b個數值評分結果，a包括D(i,j)、J(α,β)和O(k)；

yab—第a個指標中的第b個數值的評分結果；

yabmin—yab的最大值；

yabmax—yab的最小值。

當yab越大，即線路開斷凝聚度、線路電氣介數、線路退出以后的電壓偏移量這三種正向指標數值越高，yab'越接近0，表明該線路的綜合評分較低，會被辨識為薄弱線路。

對于線路潮流轉移熵這種負向指標進行評分，可表示為：

表示當yP(k)越大，即線路潮流轉移熵數值越低，y′P(k)越接近低，表明該線路的綜合評分較低，會被辨識為薄弱線路。

2 可靠性測試實驗

2.1 試驗用交直流混合配電網設置

選擇一個直流電壓等級為±10 k、交流電壓等級為10 kV 的交直流混合配電網，該配電網的線路參數如表2所示。

該交直流混合配電網的總無功負荷為5.68Mvar，總有功負荷為9.68 MW。相關的傳感器參數設置如表3 所示。傳感器產生的波形如圖1 所示。

圖1 傳感器產生的波形

表3 傳感器參數設置

利用大功率數字化恒流源與電路老化監測器測試試驗交直流混合配電網薄弱線路的老化程度，并根據老化程度定義其可靠性，可表示為：

式中：

?—交直流混合配電網薄弱線路的老化程度；

ξ—交直流混合配電網薄弱線路的可靠性。

在不同接線模式下實施交直流混合配電網薄弱線路的可靠性測試[16]。通過可靠性指標衡量本文方法下的實驗結果。

2.2 單輻射接線模式下的薄弱環節可靠性測試

在單輻射接線模式下，利用本文方法對交直流混合配電網的薄弱線路辨識結果如表4 所示。

表4 辨識結果

其可靠性測試結果如圖2 所示。

圖2 可靠性測試結果

根據圖2 的可靠性測試結果，在單輻射接線模式下，薄弱線路均有不同程度的老化，其中薄弱線路4 的可靠性最低，低于30 %，薄弱線路2、6、7、8、9 的可靠性較高，達到（60~90）%，薄弱線路1、3、5 的可靠性最高，高于90 %。

2.3 手拉手接線模式下的薄弱環節可靠性測試

在手拉手接線模式下，利用本文方法對交直流混合配電網的薄弱線路辨識結果如表5 所示。

表5 辨識結果

其可靠性測試結果如圖3 所示。

圖3 可靠性測試結果

根據圖3 的可靠性測試結果，在手拉手接線模式下，薄弱線路10 可靠性最低，低于30 %，薄弱線路1、2、3、4、5、9 的可靠性較高，達到（60~90）%。

2.4 三供一備接線模式下的薄弱環節可靠性測試

在三供一備接線模式下，利用本文方法對交直流混合配電網的薄弱線路辨識結果如表6 所示。

表6 辨識結果

其可靠性測試結果如圖4 所示。

圖4 可靠性測試結果

根據圖4 的可靠性測試結果，在三供一備接線模式下，薄弱線路9 的可靠性最低，低于30 %，薄弱線路1~6、8、10、12 的可靠性較高，達到（60~90）%，不存在可靠性高于90 %的薄弱線路。

3 結束語

通過對交直流混合配電網薄弱線路實施可靠性測試，能夠有效獲得薄弱線路的可靠性水平，從而針對性地采取解決措施，提升系統的整體可靠性水平。在研究中，主要完成了以下工作：

1）從運行狀態與拓撲結構兩個方面出發，搭建了交直流混合配電網的線路薄弱性評估指標體系，實現了混合配電網中薄弱線路的辨識。

2）利用傳感器實現了交直流混合配電網薄弱線路的老化程度測試，并轉化為可靠度作為實驗指標。

3）以某交直流混合配電網為例實施了深入分析。