一种大型城市电网反脆弱能力提升规划方法

技术领域

本发明涉及电力系统分析领域，具体涉及一种大型城市电网反脆弱能力提升规划方法。

背景技术

韧性电网的防御力是指在事故动态发展过程中，电网采取主动防御措施以降低事故影响的能力。在规划阶段可以采用以下几种措施来提升防御力：线路加固、安装分布式发电机、接入储能装置等等。通过规划措施可以增加电网的冗余度，可以灵活应对突发的事故，但同时也增加了电网建设的投资。为此，需要在规划阶段平衡投资的经济性和极限生存能力提升效果。我国现有特大型城市坚强局部电网韧性分析主要在韧性理论层面上进行了探索，但未从电网的持续生存角度上对韧性理论进行深层次的拓展。国外现有面向韧性提升的规划方法一定程度上考虑到了源侧、网侧与储侧的各类规划措施，但统筹考虑多项措施的规划方法较为罕见，其相关研究基本聚焦于大电网和中低压配电网，难以适用于我国城市电网。具体分析如下：

国内针对坚强的局部电网韧性规划领域，提出了一些相关概念，其中包括保底电网。一些研究指出，可以通过差异化规划建立保底电网，并加强和改造相关的电力设施，以减少自然灾害对电网安全运行的不利影响。保底电网是指电网为了应对严重自然灾害，选取电网的重要节点、关键线路和保障电源进行差异化建设形成最小规模网架，以保证重要负荷供电，最小化故障范围，提高城市核心区域和重要电力用户供电安全、提高电网快速复供电能力。保底电网是为了保证城市电网在面对严重自然灾害等情况时，能够保持基本平衡的一种电网形式。保底电网主要依靠同步发电机组作为抗灾保障电源。然而，同步发电机组存在接入集中、功率控制不灵活、响应速度较慢等缺陷，因此保底电网的效率受限。相比之下，微电网中的分布式电源和储能系统在面对严重自然灾害时，能够发挥出其应急支撑能力。它们可以减少对保底电网中抗灾保障电源的需求，从而提高城市供电的可靠性和电能质量。因此，微电网为保底电网提供了一种应急支撑的选择。然而，目前保底电网规划方案所考虑的规划措施较为单一，缺乏从电网整体的规划布局进行研究。

因此，亟需一种基于随机规划理论的大型城市电网反脆弱能力提升规划方法。

发明内容

本发明旨在提供一种大型城市电网反脆弱能力提升规划方法，用于解决以上问题。

本发明的技术方案是：一种大型城市电网反脆弱能力提升规划方法，是基于启发式方法，结合线路规划预算限制以及网络连通度等指标，确定候选线路加固/升级方案集合，包括步骤：

S1，生成基于蒙特卡洛模拟的故障场景；

S2，筛选基于k-means聚类分析的代表性极端场景；

S3，建立面向极限生存能力提升的城市电网规划优化模型；

S4，求解模型后，得到的线路加固方案下相应的电源配置情况。。

优选地，步骤S1具体过程为：

S11，在给定的风速v下随机生成N个极端故障场景；

S12，场景生成时假设所有线路均闭合即线路状态变量y

S13，根据线路故障概率模型计算每条线路发生故障的概率然后生成一个随机数，该数服从正态分布U(0，1)；如果线路故障概率大于该随机数则认为该线路发生故障，即iff

S14，根据算法并利用计算机语言得到每种场景下被切除的节点，如果该场景下切除的重要负荷量超过总负荷的百分之十且故障的线路数超过4条，则选择该场景用于后续的两阶段随机规划。

优选地，S14中所采用的算法具体为：

S141，创建三个空数组visited、node、queue；

S142，将源节点放入visited和queue数组中，表示该节点已被访问且等待寻找与其相连的节点；

S143，如果queue不为空，将其第一个节点取出并找到与该节点相连的所有节点，然后将找到的所有节点依次放入visited和queue数组中；

S144，重复步骤三直到queue为空；

S145，筛选不属于数组visited的节点，筛选出的节点即为与源无连接的节点。

优选地，步骤S2的具体过程为：

S21，假定有s个样本数据S＝{N

S22，经过聚类分析后每个样本数据都会被分配到一个簇内，每个簇都对应一个簇中心，簇中心记为{C

S23，通过计算公式(1)，计算比较每一个样本数据与每一个簇中心的距离，将每一个样本数据分配到距离质心最近的簇内，得到k类簇L＝{L

式中：S

S24，采用肘部法则确定聚类数目k，即根据各个簇内部的数据点到其所属簇的中心点(质心)的距离的平方和(SSE)，将不同的k值对应的SSE绘制成图表，寻找图中的转折点，该点所代表的k值即为最优聚类数目。

优选地，步骤S3的具体过程为：

S31，建立第一阶段模型：规划阶段模型；此阶段主要考虑预算限制，即：在给定的资金预算下，确定由随机极端事件所导致的故障状态下的最佳DG分布情况，同时要保证预期运行成本最小化；具体过程为：

S311，设定目标函数：

目标函数中，

S312，设定约束条件

上述规定条件中，

约束(3)用于限制分布式发电机安装的数量；约束(4)用于限制发电机安装的资金预算，其中

S32，建立第二阶段模型：极限生存场景运行模型；此阶段目标为最大化极限生存能力，极限生存能力用保障加权负荷不间断供电量来表示；

S321，设立目标函数

S321中，目标函数的设立为最大化极限生存能力，极限生存能力用保障加权负荷不间断供电量来表示；故障场景s∈S，目标函数表示为式(8)，该函数由极端故障场景下保证供电的负荷收益构成；

式中，Φ

S322，设定约束条件，包括设置辐射网状拓扑约束和设置配电系统运行约束，具体如下：

i.辐射网状拓扑约束

式中：y

对配电网拓扑重构后形成的每一个孤岛都要遵循式(9)-(11)的约束条件，充分保证每一个孤岛都是辐射状的拓扑；约束(12)表示故障线路被自动开关跳闸，并保持断开状态直到修复；

ii.配电系统运行约束

该部分约束条件中的变量均为与场景s有关的时变变量，配电系统运行约束中每条约束均包括

V

V

上述约束条件中，

约束(13)表示发电机组输出功率限制，当节点i没有安装发电机时，该节点的发电机输出功率则为0；

约束(14)表示每个待规划发电机的能量可以在短时间内保持稳定供电，等待进一步调度；

约束(15)表示DG的能量限制；

约束(16)表示故障后通过拓扑重构和分布式发电机供电保证供电的负荷量不超过总负荷量；

约束(17)表示有功与无功的比值；

式(18)表示保证供电的无功负荷量可以直接用有功负荷量来表示；

约束(19)-(21)是可中断负荷(ILs)的剩余负荷约束，与重要负荷(CLs)采取相同的约束方式；

约束(22)-(23)基于待规划发电机发出的无功功率为0这一前提，表示节点注入功率的约束条件；

约束(24)-(25)表示每个节点的功率平衡状态；

约束(26)表示线路的电压降，当线路状态

约束(27)、(28)用于确保线路断开时无功率流过；

约束(29)是配电系统节点电压约束，电力系统的电压波动限制在合理的范围内非常重要，对电力设备的安全运行、保证用户的正常用电和电力系统的稳定运行都具有直接影响；

约束(30)表示将节点1看作为变电站节点；

约束(31)表示如果只有一条线路连接到变压器，则P

约束(32)-(34)表示线路的热极限约束，该约束是为了便于计算将非线性约束

本发明的有益效果在于：

通过在规划阶段部署分布式电源、加固/升级重要送电通路，确保配电网在极限自然灾害下通过拓扑重构实现孤岛运行，从而保障更多重要负荷不间断供电。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种大型城市电网反脆弱能力提升规划方法的整体步骤图；

图2为本发明实施例提供的一种大型城市电网反脆弱能力提升规划方法的测试系统拓扑图；

图3为本发明实施例提供的一种大型城市电网反脆弱能力提升规划方法的聚类结果SSE变化情况图；

图4为本发明实施例提供的一种大型城市电网反脆弱能力提升规划方法的优化配置后的配电系统图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，为一种大型城市电网反脆弱能力提升规划方法的整体步骤，是基于启发式方法，结合线路规划预算限制以及网络连通度等指标，确定候选线路加固/升级方案集合，包括步骤：

S1，生成基于蒙特卡洛模拟的故障场景；

S2，筛选基于k-means聚类分析的代表性极端场景；

S3，建立面向极限生存能力提升的城市电网规划优化模型；

S4，求解模型后，得到的线路加固方案下相应的电源配置情况。

如图2所示，是以IEEE 33节点配电系统测试算例，来验证本发明提出的大型城市电网反脆弱能力提升规划方法的有效性。

其中，实线为常闭线路，虚线为常开线路(正常运行时不闭合)。在计算过程中，取功率基准值为1000kVA，电压基准值为12.66kV，阻抗基准值为120.2756Ω，时间取样间隔为1h。根据IEEE33节点配电系统的数据信息，选定布置电源的候选节点集合为：{8，14，24，25，30，32，33}。

表1为IEEE33节点配电系统参数，如下：

首先，基于随机规划理论的城市电网韧性规划两步骤决策框架，第一步确定候选线路加固/升级方案集合，寻找配电网所有电源节点(包括变电站节点和分布式电源候选电源布置节点)到重要负荷节点(含重要负荷节点和混合节点)的通路，选择经过次数最多的线路，作为关键线路。由于预算限制，最多可以加固3条线路。第二步基于随机规划理论确定线路规划方案下的分布式电源最优部署方案，考虑投资经济性和极限生存能力提升效果等因素，确定最终韧性规划方案。其次，针对不同候选线路加固/升级方案，考虑可能遭遇的台风灾害，采用基于蒙特卡洛模拟和K-means聚类的极端场景生成及代表性场景筛选方法。然后，以投资经济性和极限生存能力提升最大化为目标，将分布式电源的规划问题构建为两阶段随机混合整数规划，并基于前述极端场景将随机规划问题转化为确定性的混合整数线性规划问题。

步骤一：初步生成了10000个故障场景，在这10000个场景中经过切负荷量与断线数量初步筛选后依据K-means聚类分析原理将筛选出的场景聚成k类，k的值由肘部法则确定。如图3所示，为聚类结果SSE变化图，结果表明，当k＝3时，SSE的减小速度变缓。因此，k＝3是一个合适的值，将场景聚成3类可以保证较小的误差。

步骤二：应用商用建模工具和求解器进行求解。为得到在每种线路加固方案下相应的电源配置情况，对优化模型进行求解。

步骤三：通过优化模型的分析和计算，加固线路1-2、13-14、32-33，分布式发电机安装在节点8、25、30处，容量分别为610kW、100kW、667kW，如图4所示，优化配置后的配电系统图，得到DG布点情况和加固线路情况。在极端故障场景发生后的短时间内可以保证大约80％的重要负荷不间断供电，极限生存能力强。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的流程并不一定是实施本发明所必须的。