考慮開關設備和饋線自動化模式的配電網彈性評估方法

李志,余紹峰,彭佳盛,楊游航,方徐康,文云峰

(1.浙江華電器材檢測研究院有限公司,杭州市 310000;2.湖南大學電氣與信息工程學院,長沙市 410000)

0 引 言

隨著全球氣候不斷變化,極端災害事件日益頻發,電力系統安全穩定運行受到嚴峻挑戰[1-3]。配電網具有獨特的拓撲結構和運行特性,相較于輸電網更容易受到極端自然災害的影響,配電網在極端災害事件下的應對能力近年來受到了國內外廣泛關注[4-8]。彈性是衡量系統在極端災害或嚴重故障情況下,通過改變自身狀態以減少故障持續過程中的系統損失,并在故障結束后盡快恢復到正常狀態的能力[9-11]。配電網的彈性評估主要針對極端災害或嚴重故障事件下配電系統對擾動的預防、抵御以及快速恢復能力進行評估[12]。

目前,國內外針對極端災害情況下的配電網彈性評估已開展了諸多研究。彈性評估指標體系層面,文獻[13-14]兼顧配電網拓撲結構和運行過程,構建了綜合考慮脆弱性和恢復力的彈性指標;文獻[15]根據我國城市配電網的實際情況,建立了一套涵蓋預防階段、滲透階段和恢復階段的城市彈性配電網評估指標體系。彈性評估方法層面,文獻[16]計算實際系統功能曲線的缺額面積,定性分析不同場景下的彈性水平;文獻[17]和[18]分別利用彈性三角形模型和彈性梯形模型實現彈性指標的構建和評估;文獻[19]考慮臺風災害,提出了一種考慮網架重構和災區復電過程的配電網抗臺風韌性評估模型;文獻[20]同時考慮多種災害,提出多種極端災害共同作用的電網彈性計算方法。上述文獻均將各種開關等配電自動化開關設備考慮為即開即斷的理想狀態,缺少對開關設備動作邏輯過程的詳細分析,未將開關設備和饋線自動化影響納入配網彈性整體評估流程之中。

近年來,我國配電自動化建設與應用已經取得了較大發展[21]。然而,當前我國城市配電自動化建設仍然存在調控運行支撐不足、狀態感知能力有待增強等問題,配電網故障快速處置和負荷靈活轉供能力有待提升[22]。此外,一些地市中壓配網設備自動化終端覆蓋率低,低壓配網透明化處于起步階段,臺區和低壓停電感知能力不足,臺區重復停電和居民頻繁停電問題突出。在“雙碳”目標及新型電力系統構建背景下,未來配電網仍需大力推進配電自動化建設,以切實保障民生供電[23]。

配電自動化作為配電網彈性提升的重要手段,在大規模故障發生后的瞬間,能夠實現故障區域的精準定位與隔離[24],并快速恢復非故障區域的正常運行,為負荷的持續供電提供有力支撐。但配電自動化的接入無疑增加了配電網拓撲和運行方式的復雜性[25],不同配電開關設備接入數量和不同饋線自動化模式下非故障區域會出現不同的失電表現,對配電網彈性水平具有不同程度的影響。現有研究缺乏配電自動化接入情況對配電網極端災害應對能力的量化評估,配電自動化開關設備和不同饋線自動化模式對大范圍故障恢復的影響尚未得到充分考慮。

針對現有研究的不足,本文提出一種考慮開關設備和饋線自動化模式的配電網彈性評估方法,可為指導配電開關設備和饋線自動化模式的建設選型提供參考依據。首先,建立分塊-斷路器關聯矩陣,利用配電開關設備的開斷組合,確定不同饋線自動化模式下的動作邏輯過程和負荷變化情況;其次,構建考慮開關設備和饋線自動化模式的配電網彈性評估指標體系,分析不同饋線自動化模式參與下的系統失負荷情況,獲取各場景配電網系統功能曲線,提出考慮開關設備和饋線自動化模式的彈性評估流程;最后,通過改進的IEEE-33節點配電網算例驗證所提方法的有效性,揭示開關設備和饋線自動化模式配置情況對系統彈性水平的影響。

1 開關設備及饋線自動化模式動作邏輯分析

開關設備作為配電自動化的基礎,在大規模故障發生后,能有效實現故障隔離、限制故障范圍,保證非故障區域正常供電[26]。本文著重研究斷路器和聯絡開關2種“三遙”開關設備對配電網彈性水平的影響。通過梳理配電開關設備動作邏輯過程,厘清不同饋線自動化模式下開關設備的開斷次序,明確不同饋線自動化模式動作過程中非故障區域的失電情況,比較不同饋線自動化模式下配電網遭遇極端災害事件的抵御與快速恢復能力。

1.1 分塊-斷路器關聯矩陣的建立

對于含有斷路器的配電網來說,線路故障導致前向搜索斷路器跳閘,由于配電網部分線路有相同的前向搜索斷路器,可對配電網進行分塊處理,建立系統的分塊-斷路器關聯矩陣,從而簡化饋線自動化模式動作邏輯分析過程。

圖1所示的簡單配電系統共有11個節點、3個斷路器,分別位于節點1與上級配電網之間、節點4—5之間和節點9—10之間。可根據斷路器位置將配電網分為4塊,每一分塊中所有線路的上游斷路器均相同。正常運行時,斷路器處于閉合狀態;故障發生時對應斷路器斷開,例如節點10與節點11之間線路發生故障,則節點9和節點10之間的斷路器斷開;節點2—3發生故障,則節點1與上級配電網之間斷路器斷開。

圖1 簡單配電系統分塊示意圖Fig.1 Block diagram of simple power distribution system

假設某配電網含有N個斷路器,配電網共根據斷路器位置分為M塊,將分塊后的每個區域視為新的節點,將開關設備所在線路視為分塊間的聯絡線路,可建立分塊-斷路器關聯矩陣H來表示配電網中每個分塊與其上游斷路器的對應關系,矩陣H的行數和列數分別為N和M。若分塊n的上游斷路器為斷路器m,則關聯矩陣H中元素Hmn=1,否則Hmn=0。圖1所示配電網的分塊-關聯矩陣可表示為:

(1)

H12=H23=H34=1表示斷路器1、2、3分別為分塊2、3、4的上游斷路器,分塊2發生故障,斷路器1跳閘;分塊3發生故障,斷路器2跳閘;分塊4發生故障,斷路器3跳閘。

1.2 不同饋線自動化模式的動作邏輯分析

同一個配電網系統在面對多次相同故障情況時,開關設備的最終狀態一致,故系統最終結果層面的彈性指標也相互統一。然而,不同動作過程中非故障區域會出現不同的失電表現。因此,有必要對不同饋線自動化模式進行動作邏輯分析,評估不同饋線自動化模式過程層面的彈性水平,描述不同饋線自動化模式配電網應對極端災害事件的能力。

饋線自動化是利用自動化裝置或系統,監視配電網的運行狀況,及時發現配電網故障,進行故障定位、隔離和恢復對非故障區域的供電[27-29]。饋線自動化按信息處理方式分為集中型、就地重合式和智能分布式[30]。3種饋線自動化模式在供電區域、網架結構和特點方面具有較大差異,其對比如表1所示。

表1 饋線自動化模式對比Table 1 Feeder automation scheme comparison

本文著重對集中型饋線自動化、電壓時間型就地重合式饋線自動化、速動型智能分布式饋線自動化3種饋線自動化模式進行動作邏輯分析,研究其對配電網彈性水平的影響,為饋線自動化模式的建設選型提供理論與技術支持。

線路接線結構如圖2所示,以裝設2個斷路器、1個聯絡開關的線路接線結構為例,分析3種不同饋線自動化模式的動作過程,推導不同模式下非故障區域的各負荷節點停電時長。

圖2 線路接線結構Fig.2 Line connection structure

1)集中型饋線自動化。

集中型饋線自動化模式在故障發生后,將故障信息上傳至主站,根據主站的判斷進一步控制開關設備的開斷,實現故障定位、隔離和非故障區域的恢復。以圖2為例,當故障K1發生時,斷路器1斷開,終端將故障信息上傳至主站,主站經過信息處理實現故障定位,并斷開分段開關FS13和FS14實現故障隔離,最后閉合聯絡開關LS1實現非故障區域負荷L15的供電。在該模式下,具體負荷的停電時長為:

(2)

式中:Ωup、Ωdown分別為故障上游節點和故障下游節點集合;Tz、Td分別為主站信息處理時間和斷路器重合時間;Tl,i為第i個聯絡開關的重合時間。

2)電壓時間型就地重合式饋線自動化。

電壓時間型就地重合式饋線自動化主要通過斷路器、分段開關和聯絡開關的動作配合實現故障隔離和非故障區域的恢復。以圖2為例,當故障K1發生時,斷路器1斷開,經過斷路器1合閘時間后,斷路器重新合閘,FS11、FS12和FS13分別經過對應合閘時間實現合閘,FS13合閘瞬間斷路器1再次斷開,FS13閉鎖,斷路器1、FS11和FS12在經歷各自合閘等待時間后再次合閘,實現故障上游非故障區域的供電,斷開FS14、閉合LS1,實現故障下游的非故障區域供電恢復。該模式下各節點負荷停電時長為:

(3)

式中:Tf,i為第i個分段開關重合時間;Tf,k為故障上游最近一個分段開關合閘時間。

3)速動型智能分布式饋線自動化。

該模式是指故障發生后斷路器未斷開,僅依靠終端之間的相互通信即可實現非故障區域的隔離。以圖2為例,當故障K1發生時,斷路器無需斷開,僅依靠終端之間的互相通信即可斷開FS13和FS14,實現故障區域的隔離,進一步閉合LS1實現故障下游非故障區域負荷的復電。在該模式下,非故障區域只有故障下游負荷出現停電情況,且故障下游負荷停電時長為:

Ti=∑Tl,i,i∈Ωdown

(4)

2 配電網彈性評估方法

2.1 彈性評估指標

為評估開關設備及饋線自動化模式接入情況對配電網彈性水平的影響,本文從宏觀結果和微觀過程2個角度著手,宏觀結果層面指標描述配電網系統在遭遇極端災害事件后的最終表現,微觀過程層面指標揭示配電網系統在遭遇極端災害事件中的配電自動化動作能力,構建多維度彈性評估指標體系,對配電網系統在遭遇極端災害事件中配電自動化動作能力和遭遇極端災害事件最終表現進行描述。

1)系統有功功率缺額量。

系統有功功率缺額量定義為無災害情況下系統功能曲線與極端災害情況下系統功能曲線的積分值之差。系統功能在本文中取為負荷值,該指標從結果層面揭示了遭遇極端災害事件全過程中的負荷損失,體現了配電網整體的脆弱性,計算式為:

(5)

式中:IPD為系統有功功率缺額量;T0、T分別為遭遇極端災害事件的初始時刻和最終時刻;QR(t)、Q1(t)分別為理想狀態系統功能曲線和實際情況下功能曲線。

2)最大失負荷比例。

最大失負荷比例定義為故障最嚴重情況下的系統負荷量與未發生故障情況下的系統負荷量之比,該指標從結果層面描述了自動化接入的配電網在遭受故障情況下的系統堅韌性,計算式為:

(6)

式中:Ra為最大失負荷比例;ΩN為系統所有負荷節點集合;ΔPload,j為節點j的負荷有功功率損失量。

3)平均失負荷速度。

平均失負荷速度定義為失負荷總量與失負荷過程時間之比,該指標描述了系統在無法完全吸收災害所造成的影響下失去負荷的速度,從結果層面體現了配電網的堅強性,計算式如下:

(7)

式中:VSLL為負荷損失速度;Te為失負荷過程持續時間。

4)非故障區重要負荷平均停電時長。

非故障區重要負荷平均停電時長定義為在饋線自動化的動作邏輯過程中,非故障區域重要負荷短暫的停電時長之和與非故障區域的重要負荷之比,該指標表征了饋線自動化實現故障隔離、非故障區域重要負荷恢復供電的效率,從過程層面體現不同饋線自動化模式對于彈性水平的影響作用,計算式為:

(8)

5)系統平均停電次數。

系統平均停電次數定義為在饋線自動化的動作邏輯過程中,系統所有節點停電次數與節點數之比,該指標表征了每個由系統供電的用戶在饋線自動化的動作邏輯過程中所遭受到的平均停電次數,從過程層面體現不同饋線自動化模式對于彈性水平的影響作用,計算式為:

(9)

式中:Tai為系統平均停電次數;T為時刻數;N為系統負荷節點總數。

6)分布式電源發電損失量。

分布式發電損失量定義為所有時刻的分布式發電因為系統故障損失的發電量之和,該指標從過程層面揭示了配電自動化開關設備處理故障過程中的分布式發電運行情況,計算式為:

(10)

2.2 考慮開關設備和饋線自動化模式的配電網彈性評估流程

本文所提出的考慮開關設備和饋線自動化模式的配電網彈性評估流程如圖3所示,具體包含以下步驟:

圖3 考慮開關設備和饋線自動化模式的配電網彈性評估流程Fig.3 Flow chart of resilience evaluation considering switchgear and feeder automation modes

步驟1：輸入配電網基礎數據和故障信息,配電網基礎數據包括拓撲結構、負荷和支路參數等,故障信息包括故障支路以及故障發生時刻。

步驟2：根據斷路器位置對配電網進行分塊,建立系統的分塊-斷路器關聯矩陣,明確不同分塊發生故障時斷路器的響應,簡化配電網配電自動化動作邏輯分析過程。

步驟3：基于故障信息,在步驟2的基礎上斷開故障分塊對應的斷路器,實現故障的隔離,進一步分析聯絡開關在非故障區域供電恢復階段的動作情況,完成故障情況下的開關設備開斷情形分析。

步驟4：分析不同饋線自動化模式下配電自動化開關設備的動作邏輯過程,明晰不同饋線自動化模式在故障恢復過程中實現故障隔離、非故障區域恢復供電的范圍,基于式(2)、(3)、(4)分別計算集中型饋線自動化、電壓時間型就地重合式饋線自動化、速動型智能分布式饋線自動化3種饋線自動化模式動作過程中的各負荷失電時長。

步驟5：對所有時刻進行仿真,獲取負荷狀態曲線,從微觀過程、宏觀結果2個層面開展多維度彈性指標計算,基于式(5)—(10)確定不同饋線自動化模式下系統有功功率缺額量、最大失負荷比例、平均失負荷速度、非故障區重要負荷平均停電時長、系統平均停電次數和分布式電源發電損失量,綜合評估配電網彈性水平。

3 算例分析

3.1 算例概況

基于改進的IEEE-33節點配電網驗證所提方法對于評估配電自動化接入情況對配電網彈性影響的有效性。改進的IEEE-33節點配電網拓撲結構如圖4所示。

圖4 改進的IEEE-33節點配電系統拓撲Fig.4 Modified IEEE 33-bus distribution system topology

在該算例中,總有功負荷為3.715 MW,節點3、5、14、22、28為重要負荷節點,其余為普通負荷節點。在節點23處接入額定容量為300 kW的風力發電裝置;在節點4、13均接入微型燃氣機組,額定容量分別為500 kW和600 kW;在節點8、22分別接入額定容量均為550 kW的光伏發電裝置,光伏發電裝置與風力發電裝置在系統發生故障后會脫網運行,微型燃氣機組在故障后能繼續與系統保持聯系。

測試系統含有斷路器9個,接入位置由圖中的×表示,分塊-斷路器模型如圖5所示。根據斷路器位置將測試系統共分為9塊,聯絡開關3個,分別位于節點25與節點32之間、節點18與節點33之間和節點13與節點22之間,斷路器的合閘時間為5 s,聯絡開關閉合時間為7 s,主站信息處理時間為2 min。

圖5 算例系統分塊圖Fig.5 Block diagram of the test system

配電網的分塊-關聯矩陣為:

(11)

由分塊-關聯矩陣可知,每一個分塊對應的前向斷路器為與分塊序號相同的斷路器,即當分塊m發生故障時,斷路器m斷開。

場景取為極端臺風天氣影響下配電網發生大規模故障,02:00:節點10—11之間線路出現故障;03:00:節點6—7之間線路出現故障;04:00:節點19—20之間線路出現故障;05:00:節點30—31之間線路出現故障,06:00開始對故障線路進行修復,每個時刻僅修復一條線路,故障線路修復順序與線路故障順序一致。

3.2 算例結果分析

3.2.1 開關設備對配電網彈性水平的影響

分別設置配電網中不含自動化設備、僅含斷路器和含斷路器及聯絡開關的3種場景,并進行分析計算,評估開關設備接入情況對配電網彈性水平的影響。

圖6為3種情況下的配電網功能曲線,縱坐標代表配電網未失電的負荷有功功率值,橫坐標代表時間。01:00—05:00時段出現線路故障,部分負荷出現失電現象,系統功能曲線呈現下降趨勢,從05:00開始故障線路逐步被修復,系統功能曲線出現回升,因此3種場景下的系統功能曲線均呈現先減小后增大的趨勢。從圖6可以看出,不含配電自動化開關設備的場景各時刻的系統功能均最小,僅含斷路器場景居中,含斷路器和聯絡開關場景的曲線各時刻系統功能最大,整體曲線位于最上方。

由不同開關接入數量場景系統功能曲線計算得到3種場景下的相關彈性指標如表2所示。

表2 不同開關接入場景彈性指標計算結果Table 2 Results of resilience index in scenarios with different switches

對比無配電自動化開關設備場景和有配電自動化開關設備場景可知,無配電自動化開關設備接入場景系統有功功率缺額為26.005 MW·h,場景2(僅含斷路器)中斷路器的接入將系統有功功率缺額減小為12.495 MW·h,場景3(含斷路器和聯絡開關)的系統有功功率缺額為9.545 MW·h,說明配電自動化開關設備的接入能夠有效減小極端事件帶來的系統功率缺額,提升配電網應對極端事件的彈性水平。同時,場景1(無配電自動化開關設備)的最大失負荷比例為100%,而含有配電自動化開關設備的2個場景(場景2和場景3)的最大失負荷比例為69.9%,說明配電自動化開關設備的接入能夠有效減小最大失負荷比例,場景2和場景3的最大失負荷比例均為69.9%,這是因為極端災害導致在多個時刻均發生了線路斷開的大規模故障,就本算例情形而言,最大失負荷比例已經達到了不可避免的69.9%,就平均失負荷速度指標而言,場景1、2、3的計算結果分別為3.715、0.865、0.649 MW/h,說明配電自動化開關設備的接入也能有效減小平均失負荷速度,提高極端事件下配電網的堅韌性。對比場景2和場景3的系統有功功率缺額彈性指標計算結果可知,由于聯絡開關能夠實現系統故障情況下負荷的轉供,因此其接入能夠有效地減小系統有功功率缺額,提高配電網的極端事件應對能力。

3.2.2 饋線自動化模式對配電網彈性水平的影響

分析集中型饋線自動化、電壓時間型就地重合式饋線自動化、速動型智能分布式饋線自動化3種饋線自動化模式對配電網彈性水平的影響,相關彈性指標計算結果如表3所示。

表3 不同饋線自動化模式彈性指標計算結果Table 3 Results of resilience index of different feeder automation modes

模式1(集中型饋線自動化模式)由于存在一個分鐘級別的主站信息處理時間而導致系統在多次故障情況下非故障區域停電總時間為260 s;模式3(速動型智能分布式饋線自動化模式)可以直接通過終端的通信達到非故障區域的供電,因此在該模式多次故障情況下非故障區域停電總時間僅為11.5 s;模式2(電壓時間型就地重合式饋線自動化)需要多次對開關進行重合,多次故障情況下非故障區域負荷平均停電總時長為51.5 s。對比3種模式的非故障區域負荷平均停電總時長可知,模式3在故障恢復過程中能夠最小程度地影響非故障區域的供電,模式2次之,模式1會對非故障區域的負荷供電造成較大的影響;模式1和模式3場景下的系統平均停電次數均為0.42次,模式2的系統平均停電次數為0.84次,這是由于模式2會出現多次重合閘而導致多次短暫停電的緣故。對比3種模式下的分布式發電損失量可知,模式3不存在損失量,能夠最大程度減小分布式電源發電的損失量;模式1最大,為61.4 MW·h;模式2居中,其分布式電源發電損失量為6.4 MW·h。彈性指標的計算結果表明對于3種饋線自動化模式,速動型智能分布式饋線自動化模式下配電網應對極端事件的能力最佳,集中型饋線自動化模式比電壓時間型就地重合式饋線自動化的停電次數更少,而其他2個彈性指標均表現最差,因此集中型饋線自動化模式下配電網彈性水平最差,電壓時間型就地重合式饋線自動化模式下配電網應對極端事件的能力在3種模式中處于中間水平。

4 結 論

為評估開關設備和不同饋線自動化模式對配電網彈性水平的影響,本文提出了一種考慮開關設備和饋線自動化接入情況的配電網彈性評估方法。主要結論如下:

1)所提彈性評估方法考慮了配電自動化配置情況的影響,分析了開關設備接入和饋線自動化模式的動作邏輯過程,能夠更加真實地反映配電網遭遇極端災害事件后短期運行狀態(如非故障區域負荷停電時長、系統平均停電次數)。

2)2種開關設備的接入能夠有效實現故障區域的隔離、非故障區域的供電恢復,斷路器的接入可以有效減小系統最大失負荷比例,聯絡開關的接入能夠減小系統遭遇極端事件時的平均失負荷速度,提高極端事件下配電網的堅韌性。

3)不同饋線自動化模式下的設備動作次序導致非故障區域短暫停電時長存在差別,就本文研究的3種饋線自動化模式而言,速動型智能分布式饋線自動化對彈性水平的提升作用最大,集中型饋線自動化促進作用最弱。

本文提出的考慮開關設備和饋線自動化模式的彈性評估方法對于極端災害事件下配電網彈性精準評估具有重要意義,如何將分布式電源接入對配電自動化的影響納入考慮、進一步制定合理經濟的配電自動化配置方案等彈性提升措施是下一階段的研究方向。